TEMA 1 CONCEPTO DE MEDIO AMBIENTE Y DINÁMICA DE SISTEMAS
1.
MEDIO
AMBIENTE: DEFINICIÓN Y ALCANCE
La acepción actual de medio ambiente fue acuñada
en la Conferencia de la Naciones Unidas para el Medio Ambiente Humano celebrada
en Estocolmo en 1972:
“El medio ambiente es el conjunto de sus
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”
El estudio del medio ambiente es interdisciplinar,
ya que abarca temas que deben ser abordados desde distintos puntos de vista, de
los que se ocupan las diferentes disciplinas: ecología, economía, sociología,
derecho, biología, geología, física, química, matemáticas, ingeniería,
arquitectura, medicina y geografía.
2.
USO DE
UN ENFOQUE CIENTÍFICO: REDUCCIONISMO Y HOLISMO
El enfoque reduccionista consiste en dividir o
fragmentar nuestro objeto de estudio en sus componentes más simples y
observarlos por separado. Este es procedimiento utilizado en el método
científico, que fue válido hasta que se enfrentó a problemas complejos, en los
que las partes interactúan. En estos casos, el estudio detallado de cada pieza
no sirve para comprender su funcionamiento como un todo.
Para conseguir este objetivo, debemos recurrir al
enfoque holístico, que trata de estudiar el todo o la globalidad y las
relaciones entre sus partes sin detenerse en los detalles. Con este enfoque se
ponen de manifiesto las propiedades emergentes resultantes del comportamiento
global y de las relaciones entre los componentes.
3.
SISTEMA
Y DINÁMICA DE SISTEMAS
El término sistema procede del griego systema, una de cuyas acepciones
significa reunión o conjunto. Se define así:
Sistema es un conjunto de partes operativamente
interrelacionadas, es decir, un conjunto en el que unas partes actúan sobre
otras y del que interesa considerar fundamentalmente el comportamiento global.
Un sistema es algo más que la suma de sus partes,
ya que de las interacciones entre las mismas y del comportamiento global surgen
las propiedades emergentes que están ausentes en el estudio de las partes por
separado.
Ejemplo de sistema: el medio ambiente. Para
estudiarlo se utiliza el enfoque holístico, que implica unos conocimientos
relacionados con varias ciencias (ecología, economía, sociología, biología,
etc.) vistas desde una perspectiva integradora, y una metodología conocida como
dinámica de sistemas, basada en observar y analizar las relaciones e
interacciones existentes entre las partes de nuestro objeto de estudio,
recurriendo al uso de modelos.
La dinámica de sistemas fue diseñada y aplicada
por Jay Forrester a múltiples campos.
4.
USO DE
MODELOS
Para estudiar la dinámica de sistemas se utilizan
modelos, es decir, versiones simplificadas de la realidad.
Al diseñar un modelo, hay que hacer
simplificaciones eliminando los detalles irrelevantes para nuestro objetivo.
Por eso, un mismo sistema se puede representar mediante muchos modelos, según
la parcela concreta de realidad que nos interesa estudiar. Se llaman variables
a los aspectos mensurables de esa realidad.
Vamos a ver dos tipos de modelos:
·
Modelos
mentales: Aunque no nos percatamos, lo que guardamos en nuestra mente no es la
realidad, ya que es muy compleja, sino sus modelos mentales. Estos modelos nos
sirven para guiarnos por el mundo e, inconscientemente, los vamos
perfeccionando y enriqueciendo con la experiencia. Cada persona posee sus
propios modelos mentales y nos resulta difícil comunicarnos con personas de
ideas y opiniones muy distintas a las nuestras. Mucha gente confunde los
modelos con la realidad. Por eso, es necesario destacar que un modelo no es una
realidad, sino una simplificación de la realidad y que el modelo no es
aplicable fuera del entorno para el que fue formulado.
·
Modelos
formales: Son los modelos matemáticos que son solo aproximaciones. Sin embargo,
constituyen una herramienta muy útil para representar la realidad de la forma
más concreta y precisa posible. Para ello, se utilizan expresiones matemáticas,
que asocian entre sí las variables del modelo.
5.
MODELOS
DE SISTEMAS CAJA NEGRA
Los sistemas reales se pueden representar mediante
modelos de sistemas que, para abreviar, también se llaman sistemas.
Un sistema caja negra se representa como si fuera
una caja dentro de la cual no queremos mirar y solo nos fijamos en sus entradas
y salidas de materia, energía e información, es decir, en sus intercambios con
el entorno
·
El primer
paso que hemos de dar a la hora de diseñar un sistema caja negra es marcar sus
fronteras o límites, que nos ayudan a aislarlo del resto de la realidad y a determinar
lo que está fuera y lo que está dentro de él.
·
Posteriormente,
señalamos las entradas y salidas, si es que existen.
5.1.
TIPOS
DE SISTEMAS CAJA NEGRA
En función de los intercambios de materia y
energía con el entorno, podemos distinguir tres tipos de modelos:
·
Abiertos: En
ellos se producen entradas y salidas de materia y energía.
·
Cerrados: En
ellos no hay intercambios de materia, pero sí de energía.
·
Aislados: Son
aquellos en los que no existe intercambio de materia ni de energía.
5.2.
LA
ENERGÍA EN LOS SISTEMAS
Cualquier modelo caja negra que diseñemos habrá de
cumplir los principios termodinámicos, que son los que determinan los
intercambios de materia y energía.
·
Primera ley
de la termodinámica: conservación de la energía: “La energía ni se crea ni se
destruye, solo se transforma. Por lo tanto, la energía que entra en un sistema
es igual a la que almacena el sistema más la saliente.
·
Segunda ley
de la termodinámica: la entropía: Se llama entropía a la magnitud termodinámica
que mide la parte no utilizable de la energía contenida en un sistema. La
segunda ley establece que, en cada transferencia, la energía se transforma y
suele pasar de una forma más concentrada y organizada a otra más dispersa y
desorganizada. En consecuencia, aumenta la entropía. La entropía aparece
también asociada al orden existente en un sistema. Cuanto mayor orden exista,
más concentrada estará la energía y más baja será su entropía. Por el
contrario, si hay un mayor desorden, la energía estará más dispersa y la
entropía será más elevada. El mantenimiento del orden requiere un aporte de
energía. La tendencia del universo es hacia un estado de máxima entropía, al
máximo desorden.
6.
MODELOS
DE SISTEMA CAJA BLANCA
Cuando observamos el interior de un sistema, nos
estamos basando en un enfoque de caja blanca. Lo primero que hay que hacer es
marcar las variables que lo componen y unirlas con flechas que las relacionen
entre sí y que representan las interacciones. Su representación, variables y
flechas, forman un diagrama causal. Cada variable se puede considerar como un
subsistema del inicial y se puede diseñar a su vez como sistema caja negra o
caja blanca.
6.1.
RELACIONES
CAUSALES
Las relaciones causales pueden ser:
·
Relaciones
simples: Representan la influencia de un elemento sobre otro y pueden ser:
o
Directas: Son
aquellas en las que “el aumento de A causa un aumento de B” y “una disminución
de A causa una disminución de B”, es decir, las dos variables se mueven en el
mismo sentido y se indica mediante un signo (+) sobre la flecha.
o
Inversas: Son
aquellas en las que “el aumento de A implica la disminución de B, o viceversa”,
es decir, en que las dos variables se mueven en sentido contrario y se indica
con un signo (-) sobre la flecha.
o
Encadenadas:
Están formadas por una serie de variables unidas mediante flechas. Para que sea
más fácil la interpretación te recomendamos que leas de forma independiente dos
a dos. Para simplificar, podremos reducirlas a una sola relación contando el
número de relaciones negativas existentes. Si es par, la relación resultante
será positiva. Si es impar, la relación es negativa.
·
Relaciones
complejas: Son las acciones de un elemento sobre otro que implican, a su vez,
que este último actúe sobre el primero, es decir, se trata de una relación
causal que se cierra sobre sí misma. Se conocen como bucles de realimentación o
de retroalimentación, y puede ser positivos o negativos:
o
Bucles de
realimentación positiva: Supone que “al aumentar A, aumenta B y viceversa”: la
causa aumenta el efecto y el efecto la causa. Por ese motivo, se trata de un
incremento desbocado. Las realimentaciones positivas se establecen en las
cadenas cerradas que tienen un número par de relaciones negativas. Se indica
con un signo (+) dentro de un círculo situado en el centro de la relación.
o
Bucles de
realimentación negativa u homeostáticos: Se da en los casos en que “al aumentar
A aumenta B, pero el incremento de B hace disminuir A”, es decir, al aumentar
la causa aumenta el efecto, y el aumento del efecto amortigua la causa. Este
tipo de bucles tienden a estabilizar los sistemas; de ahí su nombre de
estabilizadores u homeostáticos. Las realimentaciones negativas se establecen
en las cadenas cerradas, siempre que el número de relaciones negativas sea
impar. Se indica mediante un signo menos (-) dentro de un círculo situado en el
centro de la relación.
6.2.
PASOS A
SEGUIR PARA MODELAR UN SISTEMA
La labor de diseñar modelos es llevada a cabo por
una serie de expertos, que realizan los siguientes pasos:
1.
Formación de
un modelo mental con un objetivo concreto tras la observación minuciosa del
comportamiento de un fenómeno en la realidad. Formulación de una hipótesis y
elección de variables.
2.
Diseño del
diagrama causal. Realizar un diagrama causal con las variables, uniéndolas
mediante flechas que representan las relaciones existentes entre ellas y
comparar su funcionamiento con la realidad (validar).
3.
Elaboración
de un modelo formal o matemático. Realizar un diagrama de Forrester a partir
del diagrama causal. Este es el modelo matemático y utiliza una serie de
símbolos y ecuaciones diferenciales que determinan todos los posibles
comportamientos temporales o trayectorias, que se compararán con la realidad.
4.
Simulación de
diferentes escenarios. Simular es estudiar el comportamiento futuro de un
sistema a partir de unas condiciones iniciales predeterminadas. Sería como una
representación teatral de lo que ocurriría en unas determinadas condiciones
iniciales. Un escenario es el conjunto de condiciones, circunstancias o
parámetros iniciales de los que se parte en una simulación.
7.
MODELOS
DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE
7.1.
LA
TIERRA COMO SISTEMA CAJA NEGRA
Utilizando un enfoque caja negra podemos
considerar la Tierra como un sistema cerrado: entra y sale energía aunque no
materia. La energía que entra es radiación electromagnética solar. La energía
sale como radiación reflejada y como radiación infrarroja, procedente de la
superficie terrestre previamente calentada por el Sol. La Tierra es un sistema
en equilibrio dinámico desde el punto de vista térmico, ya que autorregula su
temperatura, manteniéndola a unos 15ºC como media.
7.2.
LA
TIERRA COMO SISTEMA CAJA BLANCA
La máquina climática es el sistema de caja blanca
que regula el clima planetario y está formado por la interacción de un conjunto
de subsistemas terrestres: atmósfera (A), hidrosfera (H), geosfera (G) y
biosfera (B). Algunos autores consideran los hielos (C) como un subsistema
independiente de la hidrosfera.
Para realizar simulaciones sobre el posible
comportamiento y evolución del clima terrestre o sistema climático (S), se
toman los datos correspondientes a las principales interacciones entre los
diferentes subsistemas terrestres que componen la máquina climática.
Para hacer predicciones meteorológicas a muy corto
plazo basta estudiar las variaciones del sistema atmósfera, es decir, tener en
cuenta las principales variables atmosféricas: presión, humedad, temperatura y
vientos. Si se trata de predicciones de cambios de clima más lentos, se
analizan las interacciones
Las predicciones a largo plazo se realizan así:
7.2.1.
EL
EFECTO INVERNADERO Y SU INCREMENTO
El efecto invernadero se origina en los primeros
12 km de la atmósfera por la presencia de ciertos gases, tales como vapor de
agua, CO2, CH4 y N2O, principalmente; estos
son transparentes a la radiación visible del Sol, que los atraviesa, pero no a
la radiación infrarroja. Los citados gases, al impedir la salida de gran parte
de las radiaciones infrarrojas, las devuelven
a la Tierra, incrementando la temperatura de la atmósfera.
Podríamos afirmar que son como una manta que
mantiene la temperatura terrestre en torno a 15ºC como media, lo que permite la
existencia de agua líquida, sin la cual no existiría la vida. La cantidad de
calor atrapado dependerá de la concentración de los gases de efecto invernadero
en la atmósfera, que no es constante, sino que se encuentra asociada a
múltiples ciclos naturales.
No debemos confundir este beneficioso efecto con
otro denominado incremento de efecto invernadero, que consiste en un aumento
desmesurado de los gases de efecto invernadero. Este incremento constituye un
grave problema ambiental, ya que provoca un excesivo calentamiento de la
atmósfera como resultado de la ruptura de determinados ciclos naturales,
originada por la humanidad.
7.2.2.
EL
EFECTO ALBEDO
El albedo es el porcentaje de radiación solar
reflejada por la Tierra del total de la que incide procedente del Sol. El
albedo varía en función del color de la superficie reflectora. Cuanto más clara
sea esta, mayor cantidad de luz reflejará, mayor será su albedo, y por tanto,
menor será la temperatura. Las superficies cubiertas por nieve o hielo son muy
reflectoras, poseen un elevado albedo. Luego al aumentar la superficie helada,
disminuye la temperatura y, por consiguiente, aumentará dicha superficie. Este
bucle de realimentación positiva acelera el efecto de una glaciación cuando se
presenta.
7.2.3.
LAS
NUBES
Las nubes ejercen sobre el clima unos efectos
difíciles de analizar, ya que tienen una doble acción: por una parte,
incrementan el albedo, reflejando parte de la radiación solar y, por otra,
devuelven a la superficie terrestre radiación infrarroja, incrementando el
efecto invernadero. Estudios muy recientes parecen afirmar que el tipo de bucle
predominante dependerá de la altura a la que se encuentre la nube; si la altura
es baja, aumentará el albedo y, si es alta, el efecto invernadero.
7.2.4.
LA
EXISTENCIA DE POLVO ATMOSFÉRICO
Las emisiones de los volcanes, el impacto de
meteoritos, los incendios, la contaminación del aire o una explosión nuclear,
inyectan en la atmósfera enormes cantidades de polvo y partículas que
permanecerán en suspensión durante años. La luz del Sol no puede atravesar la
capa solar, se origina un enfriamiento del planeta que daría lugar a un parón
de la fotosíntesis y a un colapso de las cadenas alimentarias de la vida.
7.2.5.
VOLCANES
Las erupciones volcánicas ejercen un doble efecto
sobre el clima en función de los productos emitidos y la altura alcanzada por
estos.
·
Descenso de
la temperatura, si inyectan en la atmósfera una gran cantidad de polvo
abundante SO2.Este reacciona con el agua atmosférica dando lugar a
unas espesas brumas de H2SO4 que actúan como pantalla
solar. El descenso de las temperaturas será más acusado y durará más cuanta
mayor altitud hayan alcanzado las emisiones de ceniza y gases, ya que su
permanencia en la atmósfera es mayor y tardará más tiempo en desaparecer y
depositarse sobre la superficie terrestre durante las precipitaciones, que
constituyen un mecanismo eficaz de autolimpieza atmosférica.
·
Aumento de la
temperatura por aumento del efecto invernadero como consecuencia de las
emisiones de CO2. Este efecto
no es evidente hasta que no desaparece el primero; sin embargo, es mucho más
duradero que aquel.
7.2.6.
LAS VARIACIONES
DE LA RADIACIÓN SOLAR INCIDENTE
En los modelos anteriores hemos supuesto un flujo
de radiación solar constante, pero esto no es así, sino que la radiación solar
incidente ha sufrido variaciones periódicas y variaciones graduales importantes
a lo largo de los tiempos.
·
Variaciones
periódicas: Son unas variaciones cíclicas de la temperatura terrestre que se
atribuyen a los ciclos astronómicos de Milankovitch que afectarán tanto a la
cantidad de energía solar que llega a la Tierra como a la de su superficie que
la recibe. Se cree que dichos ciclos son el factor principal de las
glaciaciones, ya que, al disminuir la radiación solar incidente, disminuye la
temperatura, con lo que se activa el bucle de hielo- albedo. Estos ciclos se
deben a tres factores:
o
La
excentricidad de la órbita terrestre: La trayectoria que describe la Tierra en
torno al Sol varía desde más circular a más elíptica, aproximadamente a lo
largo de 100 000 años.
o
La
inclinación del eje (oblicuidad). Aproximadamente a lo largo de 41 000 años
varía el ángulo de inclinación del eje de rotación terrestre respecto a la
perpendicular al plano de traslación, que, actualmente, forma un ángulo de 23º
27´. Este ángulo determina las diferencias de duración entre el día y la noche
y la existencia de las estaciones. Con un eje vertical, ambos tendrían una
duración de 12 h y no habría estaciones.
o
La posición
en el perihelio: El perihelio es el punto de la órbita terrestre más cercano al
Sol; el afelio es el punto más alejado. La posición en el perihelio varía a lo
largo de 25 800 años. En la actualidad, la Tierra está en el perihelio durante
el invierno en el hemisferio norte y durante el verano se encuentra en el
afelio. Lógicamente, hará más calor en los veranos del perihelio que en los de
afelio y los inviernos de afelio serán mucho más fríos que los del perihelio,
como ocurre ahora en el Sur, pero allí no se nota porque, al estar constituido
mayoritariamente por océanos, el clima es más suave.
·
Variaciones
graduales: Nuestra estrella no ha emitido siempre la misma cantidad de energía,
según el principio de entropía. Se calcula que, antes de la aparición de la
vida en la Tierra, la temperatura del Sol debió de ser aproximadamente un 30%
menor que la actual.
7.2.7.
LA
INFLUIENCIA DE LA BIOSFERA
Lovelock, en su obra Hipótesis de Gaia, considera a la Tierra en su conjunto como un
sistema homeostático, cuya temperatura se autorregula debido a una serie de
interacciones entre los diferentes subsistemas que lo componen. Destaca que la
biosfera terrestre desempeña un papel fundamental en dicha regulación, porque
rebaja los niveles de CO2 atmosféricos y, por tanto, reduce la
temperatura.
En la figura 1.42 de la página 23 se puede
observar que al comienzo de la historia de la Tierra, la concentración de CO2
era muy elevada, lo que implica la existencia de un efecto invernadero muy
elevado, capaz de mantener la temperatura media planetaria en unas cifras muy
parecidas a las actuales, a pesar de que el Sol emitía una menor cantidad de
energía.
Hoy, con un Sol más caliente, la temperatura media
del planeta es similar a la de entonces, debido a la drástica reducción de los
niveles de CO2 atmosféricos ocasionada por la aparición de los
primeros organismos fotosintéticos: las cianobacterias, que utilizan dicho gas
en la elaboración de materia orgánica.
El mecanismo de la fotosíntesis provoca los
siguientes cambios en la composición de la atmósfera y en el clima:
·
Reducción de
los niveles de CO2 en la atmósfera: La reducción del efecto
invernadero supone un mecanismo de ajuste del sistema Tierra, ya que contribuye
a refrescar el planeta a medida que el Sol irradia más calor. El CO2
necesario para el proceso de fotosíntesis es retirado de la atmósfera y
transformado en materia orgánica que se acumula en los seres vivos en forma de
biomasa, que es la cantidad de materia orgánica que constituye los seres vivos.
Al estar formada por moléculas constituidas por carbono, es una forma de almacenaje
por la que el CO2 permanece encerrado durante un tiempo, hasta que
la materia orgánica se descompone y el dióxido de carbono vuelve de nuevo a la
atmósfera. Además existen otros almacenes de CO2; los combustibles
fósiles, formados a partir de biomasa que ha sido enterrada, al no haber O2,
pasarán por una serie de reacciones químicas que concluyen al formarse el
combustible. Como este proceso dura miles o millones de años, al igual que la
biomasa, contribuye a rebajar los niveles de CO2 atmosféricos, pero
durante mucho más tiempo. Por otro lado, mediante la respiración, los seres
vivos llevan a cabo la reacción inversa, con lo que devuelven a la atmósfera
parte del CO2 sustraído. Sin embargo, la reacción de respiración es
mucho más lenta que la de fotosíntesis y, como resultado de la proliferación de
la vida, el O2 atmosférico va aumentando.
·
Aparición del
O2 atmosférico: El poder reductor necesario en el proceso de la
fotosíntesis se obtiene a partir de la ruptura del agua por la acción de la luz
solar, con lo que se libera O2. En un principio, el O2
permanecería en el agua marina y reaccionaría con el Fe y S, constituyendo
óxidos que dieron lugar a la formación de grandes depósitos de Fe sedimentario.
Sin embargo, al saturarse este mecanismo, el O2 liberado durante la
fotosíntesis comenzó a difundirse hacia la atmósfera y su concentración fue
aumentando progresivamente a través de los tiempos hasta alcanzar el 21% de la
composición de la atmósfera. La abundancia de O2 posibilitó la
aparición y la proliferación de organismos aerobios, que utilizan este gas en
el proceso de respiración.
·
Formación de
la capa de ozono: La abundancia de oxígeno en la atmósfera permitió la
formación de la capa de ozono protectora de los rayos ultravioleta del Sol;
así, al estar protegidos de los rayos letales, los organismos vivos se expandieron
con rapidez sobre los continentes hasta alcanzarla cifra de 40 millones de
especies que actualmente pueblan la Tierra.
Aumento del N2 atmosférico: Debido a las reacciones metabólicas de los seres vivos realizadas a partir de los óxidos nitrogenados presentes en el medio, fue elevándose progresivamente la cantidad presente en la atmósfera hasta alcanzar el 78% actual
No hay comentarios:
Publicar un comentario