Tema 1: Concepto de medio ambiente y dinámica de
sistemas
Definición de Medio Ambiente
Conjunto de componentes físicos, químicos,
biológicos y sociales
capaces de causar efectos directos o indirectos, en un plazo corto o largo,
sobre los seres vivos y las actividades humanas.
(Estocolmo, 1972)
Conjunto de componentes
ligados que interaccionan.
Efecto dominó.
Conjunto de repercusiones en cadena que pueden aparecer a consecuencia de una alteración.
Muchas veces son difícilmente previsibles.
Por ejemplo: Al talar un bosque aumenta la erosión, lo que reduce el agua retenida y hará que
aumente la cantidad de CO
2atmosférico (por
reducirse la vegetación).
Enfoques reduccionista y holístico.
Ambos enfoques se complementan y son necesarios para estudiar el planeta.
El enfoque reduccionista o analítico aísla el problema:
lo divide en componentes más simples (el método científico). No sirve para problemas complejos, con partes que interactúan (por ejemplo: los seres vivos).
El enfoque holístico o sintético da una visión de conjunto o global, sin detenerse en las partes que generan las propiedades emergentes (como la vida).
HORA
Definiciones de SISTEMA y de MODELO.
Sistema Conjunto de partes operativamente relacionadas:
unas partes actúan sobre otras. Interesa considerar el comportamiento global. Se estudia con enfoque holístico.
También se puede definir como una parte del Universo que puede aislarse del resto.
Modelo Versión simplificada de la realidad. Se eliminan los detalles no relevantes. Por ejemplo: un mapa de un
territorio.
Un mismo sistema se puede representar mediante gran variedad de modelos, según el objetivo estudiado se elegirán diferentes variables.
Variable aspecto de la realidad que podemos medir.
Tipos de modelos:
Los modelos mentales son representaciones de la
realidad que hacemos en nuestra mente. No guardamos la realidad (es demasiado compleja).
Los modelos formales o matemáticos son una
aproximación precisa mediante ecuaciones que asocian las variables entre sí. Pueden predecir comportamientos, que se verifican comparándolos con la realidad.
Los sistemas se representan con modelos de caja negra o de caja blanca.
CAJA NEGRA:
Se representan como una caja en la que no miramos su interior. Sólo se estudian sus entradas y salidas de materia, energía e información (es decir, sus intercambios
con el entorno).
Es muy importante marcar las fronteras
(aunque sean ficticias):
Hay 3 tipos de sistemas:
• Abiertos: entradas y salidas de materia y energía (ej. ciudad).
• Cerrados: no hay intercambios de materia, pero sí de energía (ej.
ecosistema).
• Aislados: no hay intercambios de materia
ni de energía (ej. sistema solar)
Deben cumplir los principios termodinámicos:
1ª ley de la conservación de la energía: ni se crea ni se destruye, sólo se
transforma.
Entradas de E = Salidas de E + Almacén de E
2ª ley de la entropía (S),
que es la medida de la parte de E no utilizable contenida en un sistema. En cada
transferencia de energía, ésta pierde calidad.
Por ej. un río: su curso alto tiene mucha energía
potencial.
Entropía.
La entropía también es la medida del desorden de un
sistema. Mantener el orden requiere un aporte continuo de energía, pues la tendencia natural del Universo es al
aumento de la entropía.
Los seres vivos “nadan contra corriente”: reducen su entropía interior gastando energía (degradamos azúcares) a costa de aumentar la entropía del entorno (expulsamos
moléculas de poca energía: CO2, H2O…). El calor es una forma de energía muy dispersa.
Modelos de sistemas de caja blanca.
En ellos observamos el interior del sistema.
Se hace un diagrama causal: marcamos las variables y las relacionamos con flechas y un signo (+ o -) que
indica el tipo de relación.
Las relaciones causales son conexiones entre
variables (por ej. causa-efecto). Pueden ser simples o
complejas.
Tipos de relaciones causales:
1. SIMPLES (Flechas):
a) Directas: Al aumentar A, también aumenta B.
Ej. lluvia y caudal de ríos.
b) Inversas: Al aumentar A, disminuye B.
Ej. contaminación y vida.
c) Encadenadas: Se leen de 2 en 2. Se pueden simplificar.
2. COMPLEJAS (Bucles): Retroalimentación o feed-back.
a) Positiva: Aumento incontrolado o explosivo.
Ej. Población y tasa de natalidad.
b) Negativa: Estabilizador u homeostático.
Ej. Población y tasas de natalidad y mortalidad.
Evolución del tamaño de una población considerando sólo la tasa de natalidad (TN)
TN = nº nacimientos anual / Individuos
Se obtiene una curva exponencial al representarlo gráficamente. La fórmula es:
N
t + 1= N
t+ N
t· TN
Nos permite saber el nº de individuos en un año
sabiendo el número del año anterior y la tasa de
natalidad.
La población está regulada por las dos tasas (natalidad, TN, y mortalidad, TM)
El bucle + aumenta la población y el bucle – la controla.
La combinación de ambos es el potencial biótico: r = TN – TM El crecimiento anual se calcula con la fórmula:
N t + 1 = N t + N t · TN - N t · TM = N t · (1 + TN – TM) N t + 1 = N t ·( 1 + r)
Hay 3 posibilidades:
r > 0 (+) Crecimiento r < 0 (-) Disminución r = 0 Equilibrio dinámico
EQUILIBRIO DINÁMICO
Crecimiento poblacional en la naturaleza.
Cuando una población coloniza un nuevo espacio, su r>0, es decir, crece exponencialmente.
Más tarde aparecen limitaciones (alimento o espacio) y aumentan las defunciones, hasta que el bucle + y el
bucle – se igualan y se llega a la capacidad de carga (k).
K indica el número máximo de individuos que se pueden mantener en unas condiciones determinadas.
Número de individuos
Tiempo
Capacidad de carga (k)
Crecimiento logístico
Crecimiento exponencial
Comportamientos anti-intuitivos.
Los bucles + y – crean comportamientos anti-intuitivos, pues la influencia simultánea de las variables da
resultados inesperados.
Micro-comportamientos razonables pueden dar macro-resultados desastrosos (efecto dominó):
cuando tratamos de poner solución a un problema viendo sólo los síntomas y no las causas.
Algunos sistemas dinámicos son muy sensibles a las variaciones en las condiciones iniciales.
Pequeñas variaciones en dichas condiciones iniciales, pueden
implicar grandes diferencias en el comportamiento futuro;
complicando la predicción a largo plazo. Por ejemplo: las
predicciones meteorológicas.
EFECTO MARIPOSA
El efecto mariposa es un concepto de la teoría del caos. La idea es que, dadas unas condiciones iniciales de un
determinado sistema caótico, a la más mínima variación en ellas puede provocar que el sistema evolucione en ciertas formas completamente diferentes.
Un pequeño cambio puede generar grandes resultados. Su nombre proviene de un antiguo proverbio chino: “el aleteo de las alas de una mariposa se puede sentir al otro lado del mundo”.
El aumento de pocos grados en la temperatura global
pueden producir enormes variaciones climáticas
Pasos para modelar un sistema:
1. Formación de un modelo mental: elección de las variables.
2. Diseño del diagrama causal: representar con flechas la realidad, y validarlo con la realidad.
3. Elaboración del modelo formal matemático: ecuaciones.
4. Simulación de diferentes escenarios,
variando los parámetros. (El escenario 1 serían las condiciones iniciales, de la
realidad).
MODELOS DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE.
Caja negra.
La Tierra es un sistema cerrado:
entra y sale energía: entra energía solar (visible) y sale energía reflejada
(infrarrojos).
no entra ni sale materia (los meteoritos son
despreciables en comparación).
La Tierra es un sistema en
equilibrio térmicamente. Su
temperatura media es de
15º C.
Caja blanca.
Es la interacción de varios subsistemas: atmósfera, hidrosfera, geosfera, biosfera y criosfera.
Para predicciones meteorológicas a corto plazo (horas, días) se estudia la atmósfera: presión, humedad relativa, temperatura y vientos.
Para cambios climáticos (1-10 años) se estudian la atmósfera, la hidrosfera y la geosfera.
Para predicciones a largo plazo (10-100 años) se añaden la biosfera y la criosfera.
Factores que afectan al clima:
1. Efecto invernadero.
Hace que aumente la temperatura.
Los gases invernadero (H2O, CO2, CH4 y N2O) son
transparentes a la radiación visible, pero sí absorben la radiación infrarroja emitida por la Tierra. Mantienen la temperatura constante sobre los 15º C de media.
Se convierten en un problema cuando aumenta mucho su cantidad.
Distribución de la energía solar.
Efecto inverndero.
Factores que afectan al clima:
2. Efecto albedo.
Reduce la temperatura.
Es el porcentaje de la
radiación solar reflejada por la Tierra con respecto al total incidente desde el Sol. Es decir, es la
radiación del Sol que no llega a entrar al planeta.
Cuando la superficie es clara refleja más. Es lo que ocurre en las
glaciaciones: un bucle explosivo, que acelera el efecto de una glaciación.
Superficie de hielo - +
Albedo _ Temperatura
Factores que afectan al clima:
3. Nubes.
Tienen una doble acción sobre el clima:
nubes bajas: aumentan el albedo reducen la temperatura
nubes altas: aumentan el efecto invernadero aumentan la temperatura.
Los dos bucles + (el albedo y el efecto invernadero) tienen
efectos opuestos, lo que establece un equilibrio dinámico.
Un cambio en las condiciones ambientales podría hacer que
aumentase mucho la temperatura (como ocurre en Venus) o la redujera mucho (como ocurre en Marte) y fuera imposible
volver después al equilibrio.
Factores que afectan al clima:
4. Polvo atmosférico.
Efecto: contrario al efecto invernadero. La luz no atraviesa el polvo atmosférico y se refleja, lo que aumenta el albedo.
Así se reduce la temperatura, pero también la actividad fotosintética.
Origen del polvo: emisiones volcánicas, meteoritos, incendios, contaminación atmosférica, explosiones nucleares…
Factores que afectan al clima:
5. Volcanes.
Tienen un doble efecto sobre el clima:
el polvo y el SO2 forman una pantalla solar que reduce la temperatura, durante unos 2 años (corto plazo).
El CO2 aumenta la temperatura debido al efecto
invernadero. Este efecto se nota al desaparecer el polvo, pero es más duradero (largo plazo).
Factores que afectan al clima:
6. Variación de la radiación solar incidente.
No es constante la radiación solar que llega al planeta, sino que sufre variaciones periódicas y graduales:
– Graduales: Actualmente el Sol emite más calor que antes (al degradarse la energía se desprende más calor).
– Periódicas: Son los llamados ciclos astronómicos de Milankovitch, que provocan las glaciaciones.
Ciclos astronómicos de Milankovitch.
Se deben a tres factores:
• Excentricidad de la órbita terrestre (100.000 años).
Cuánto más elíptica, más corto es el verano.
Ciclos astronómicos de Milankovitch.
b) Inclinación del eje (41.000 años).
Afecta a la duración
día-noche y a la existencia de las estaciones del año.
Cuando está poco inclinado, suaviza los inviernos y los veranos.
En los veranos poco cálidos no se funde el hielo y
comienza una glaciación.
Ciclos astronómicos de Milankovitch.
c) Posición en perihelio (23.000 años) o precesión de los equinoccios.
Se llama perihelio al punto de la órbita terrestre más cercano al Sol, y afelio al punto más alejado.
Hará más calor en los veranos de perihelio y más frío en los inviernos de afelio.
Actualmente, en el hemisferio N los inviernos
son en perihelio, lo que amortigua un poco su
dureza.
Factores que afectan al clima:
7. Biosfera.
La influencia de la biosfera es debida a los cambios en la composición de la atmósfera debidos a la fotosíntesis:
Reducción del CO2 atmosférico (“refresca” el planeta a medida que el Sol irradia más calor).
Aparición del O2 atmosférico, hasta ser un 21% del total (lo que permitió la aparición de organismos aerobios).
Formación de la capa de O3 que protege de los rayos UV solares (lo que permitió la expansión de los seres vivos fuera de los
mares)
Aumento del N2 atmosférico, por reacciones metabólicas de los seres vivos, hasta llegar al 78% del total.
