CIENCIAS DE LA TIERRA Y MEDIOAMBIENATALES

Programa

Bloque 4: Temas 8, 9, 10 y 11

Bloque 5: Tema 12, 13 y 14

Bloque 6: Tema 15, 16 y 17

Bloque 1: Temas 1, 2 y 3

Bloque 2: Temas 4 y 5

Bloque 3: Temas 6 y 7

Introducción a las ciencias ambientales

Biosfera

Geosfera

Capas fluidas

Recursos y usos

Gestión ambiental

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Tema 01Tema 01

Concepto de medio ambiente y dinámica de sistemas

Ciencias de la Tierra y MedioambientalesProfesor: David Leunda

Curso 2012/2013

Definición de medio ambiente

¿Qué es el medio ambiente?

Es el 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.

Algunas ideas:

-Sin aislar el problema: método científico-Componentes ligados: interacción-“Efecto dominó”: repercusiones en cadena-Complejidad-Enfoque interdisciplinar Efectos de la tala de

bosques sobre: masa forestal, el suelo, recursos hídricos,CO2, fauna….

Distintos enfoques

Enfoque reduccionista (método analítico):

-Consiste en dividir o fragmentar nuestro objeto de estudio en sus componentes más simples y observarlos por separado.-Válido hasta que se enfrentó con problemas complejos.

Enfoque holístico (método sintético, de unir):

-Estudio del todo o la globalidad, sin pararse en los detalles.-Aparecen propiedades emergentes

Reduccionismo y holismo son “enfoques complementarios”.

Dinámica de sistemas

Definición de sistema:

Conjunto de partes operativamente interrelacionadas, es decir, un conjunto en el que unas partes actúan sobre otras y del que interesa el comportamiento global.

Sistema es más que las suma de sus partes propiedades emergentesRealidades complejas enfoque holístico

Metodología: Teoría de sistemas o dinámica de sistemas

Basado en

Modelos (Jay Forrester)

Ej: reloj, vida

Modelos

Definición de modelo:

-Simplificación de la realidad.-No aplicable a otro entorno.

Variables: aspectos mensurables de la realidad

ModelosMentales

-No la realidad, sino el modelo mental.-Los vamos rehaciendo y enriqueciendo con la experiencia- Actuamos conforme a ellos

Formales -Modelos matemáticos predicciones-Son sólo aproximaciones.-Se verifica con la realidad.

Modelos de sistema caja negra

Sistema caja negra:

-No miramos el interior sólo las entradas y las salidas (materia y energía)-Nos fijamos en el intercambio con el entorno

Tipos de sistemas caja negra

Tipos de sistemas caja negra:

-Abiertos: En ellos se producen entradas y salidas de materia y energía.

-Cerrados. No hay intercambios de materia, pero SI de energía.

-Aislados. No hay intercambio de materia ni de energía.

En todos los casos deben cumplirse las leyes de la Termodinámica:

Primera ley de la Termodinámica: o de conservación de la energía

“La energía ni se crea ni se destruye sólo se transforma”

Energía en los sistemas

Energía en los sistemas

Segunda ley de la termodinámica: la entropía

Magnitud termodinámica que mide la parte no utilizable de la energía de un sistema. A mayor orden en un sistema, su energía será más concentrada y la entropía será menor.

Los seres vivos mantienen el orden a base, de incrementar la entropía del entorno

Energía en los sistemasCadenas energéticas:

El paso de energía solar, más diluida, a energía eléctrica, más concentrada (con menos entropía y más capacidad de realizar trabajo) requiere el consumo de energía.

Modelos de sistemas caja blancaDiagrama causal:

Si miramos el interior de un sistema, adoptamos un enfoque de caja blanca.

Hay que marcar las variables que lo componen y unirlas con flechas que representan las interacciones.

Relaciones causales simples

Relaciones directas

Si aumenta A causa un aumento de B. Recíprocamente, si disminuye A, disminuye B.

t

Relaciones inversas

Si aumenta A disminuye B o si disminuye A aumenta B

Relaciones encadenadas

Son cambios en cadenapositivos o negativos o de diferentes signos.Podemos expresarlo como una sola relación.

A B+ A B-

Aumenta

Aumenta

Disminuye Disminuye

Aumenta

Aumenta

Disminuye

Disminuye

+-

Aumenta Disminuye Disminuye

A C-

A B C

Si el número de relaciones negativas es impar, el resultado será negativo.

Bucles de realimentación positiva

-Una variable A influye sobre otra B y esta a su vez influye sobre la primera. Esto provoca un crecimiento incontrolado del sistema y continuará mientras el entrono lo permita.

-Comportamiento explosivo

A B

+

+

+

TNNNN ttt 1

Curva exponencial en “J”

Bucles de realimentación positiva

Bucles de realimentación negativa

-Son aquellos en que un cambio en la variable A provoca un cambio en B y esta a su vez actúa sobre A modificándola en sentido inverso.

-Este tipo de bucles tienden a estabilizar el sistema por eso se llaman estabilizadores u homeostáticos

A B

+

-

-Ej: Termostato

Trayectoria exponencial decreciente

Modelo de crecimiento

El número de individuos de una población está regulado por un bucle positivo y uno negativo. Potencial biótico r es el resultado de r =TN-TM

Modelo de crecimiento

El crecimiento anual de la población se determina por la fórmula:

TMNTNNNN tttt 1

)1(1 rNN tt

)1(1 TMTNNN tt

Saco factor común:

“Equilibrio dinámico “donde, r=0

Modelo de crecimientoCurva sigmoidea o logística:

El sistema está en estado estacionario con la población en equilibrio dinámico.

Pasos para modelar un sistema

Pasos:

1) Formación de un modelo mental: Observación, formulación de hipótesis y elección de variables.

2) Diseño de un diagrama causal: Unimos las variables mediante flechas.

3) Elaboración de un modelo formal o matemático.

4) Simulación de diferentes escenarios.

Escenario: Conjunto de condiciones, circunstancias o parámetros iniciales en los que se parte en una simulación.

H. inicial (esc 1) y H. alternativa (esc.1,2,3…)

Pasos para modelar un sistema

Regulación del clima terrestre

Tierra como sistema caja negra: Es un sistema cerrado (intercambio de E, no de M) equilibrio dinámico (Tm=15ºC)

Modelo de regulación del clima terrestre: “nave espacial Tierra”

S(clima) = A U H U B U G U C Equilibrio dinámico

Regulación del clima terrestre

Tierra como sistema caja blanca:Regula la temperatura planetariaFormada por subsistemas

Efecto invernadero

Características:

Se forma en los primeros 12 Km de la atmósfera: H20, CO2, CH4 y N20.Gases transparentes a la radiación visible, no a la IR.Tm=15º C. El agua es líquida “manta que mantiene la temperatura”.Incremento del efecto invernadero por aumento de gases EI producidos por la acción humana

Concentración gases efecto invernadero

Temperatura+

Efecto albedo

Características:

Es el % de la radiación reflejada por la Tierra del total de la que incide procedente del solDepende de la superficie reflectora (más clara mayor albedo).Superficies cubiertas por hielo son muy reflectoras.Bucle de realimentación positiva.

Nubes

Características:

Doble acción: 1) albedo; 2) devuelven rad IR a la Tierra aumentando la Tª.Depende de la altura de las nubes:

A más altura incrementan el efecto invernadero.A menos altura aumenta el albedo.

Efecto invernadero y albedo: dos bucles positivos enfrentados Ej: Marte y Venús

Polvo atmosférico

Características:

Origen: 1) volcanes; 2) meteoritos; 3) incendios; 4) contaminación; 5) explosión nuclear.La luz no atraviesa la capa de polvo atmosférico y se refleja hacia el espacio. Al disminuir la radiación incidente Disminuye la Tª.EI invertido: el rebote de la radiación es hacia arriba Disminuye la Tª.

Polvo atmosférico Albedo+

Erupción volcánica

Volcanes

También pueden provocar un doble efecto:

1.Descenso de la Tª:al inyectar polvo.

2.Aumento de la Tª:por las emisiones de CO2.

Descenso de temperatura a corto plazo y aumento a

largo plazo

Variación de la radiación solar incidente

Hay de dos tipos:

1.Variaciones periódicas (Ciclos de Milankovitch)

2. Variaciones graduales: principio de entropía :↑ degradación → ↑ calor. La Tª inicial era 30%menor a la actual

1.1. Excentricidad de la órbita terrestre1.2. Inclinación del eje (oblicuidad)1.3. Posición en el perihelio (precesión)

La influencia de la Biosfera

Hipótesis de Gaia (Lovelock):

Tierra es un sistema homeostático que se autorregula debido a interacciones entre los subsistemas.

La biosfera tiene gran importancia en la Tª. Rebaja el nivel de C02 y baja la Tª.

Inicio: ↑ ↑ [CO2] (20%)→ ↑E.I →Tª similar a la actual, el sol emitía menos energía.

Hoy: Tª similar a la inicial. Causa: ↓↓[CO2] → (0´03%) debido a la fotosíntesis: cianobacterias (hace 3000 mill años)

La influencia de la Biosfera

Historia de la Tierra: cambios

La influencia de la Biosfera

Efectos de la Fotosíntesis:

Disminución de [CO2]: se retira de la atmósfera y se acumula en los seres vivos (biomasa), en forma de moléculas de carbono. También los combustibles fósiles. La respiración celular devuelve el CO2 a la atmósfera, pero es más lento que la fotosíntesis.

Aparición del oxígeno atmosférico. Formación de la capa de ozono (hace 600 mill de años) Aumento del N2 atmosférico: metabolismo de SV a partir de óxidos

nitrogenados (hasta 78%)

CO2+H2O Glucosa+O2

Luz

Fotosíntesis

Azúcar +02 CO2+H2O

Energía

ATP

Respiración celular

Efecto de la Biosfera sobre el clima terrestre:

La influencia de la Biosfera