CIENCIAS DE LA TIERRA Y MEDIOAMBIENTALES TEMA 1

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1 CIENCIAS DE LA TIERRA Y MEDIOAMBIENTALES TEMA 1 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 vivientes y las actividades humanas. (Congreso de Estocolmo) Interdisciplinar Relacionado con otras disciplinas o ciencias. 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. Visión holística Visión global o de conjunto El enfoque holístico o sintético estudia la globalidad y las relaciones entre sus partes sin detenerse en los detalles. Se basa en el concepto de sistema. Las propiedades emergentes resultan del comportamiento global y de las relaciones entre los componentes. Por ejemplo, si estudiamos las partes de un ser vivo por separado (método científico o enfoque reduccionista), no consideramos la vida, que es una propiedad emergente. Ej: las piezas de un reloj por separado no dan la hora pero el reloj montado sí. Sistema Conjunto de partes operativamente interrelacionadas y del que interesa el comportamiento global. Del sistema surgen las propiedades emergentes. Ej: ecosistema de un lago, ser vivo, etc. Para estudiarlo se utiliza el enfoque holístico que es interdisciplinar. Teoría de sistemas dinámicos o dinámica de sistemas Es un enfoque para desarrollar modelos de forma globalizadora. Ej: avión (sistema de transporte), sistema solar. Fue diseñada y aplicada por Jay Forrester para la realización de modelos económicos, biológicos, etc. Modelo Versión simplificada de la realidad. Ej: mapa de terremotos Modelos mentales Son los modelos que todos realizamos, de manera inconsciente, del mundo que nos rodea. Los vamos perfeccionando y enriqueciendo con la experiencia. Modelos formales Son los modelos matemáticos (aproximaciones) que utilizan expresiones matemáticas (ecuaciones) que asocian entre sí las variables del modelo. Proporcionan herramientas muy útiles para representar la realidad de la forma más concreta y precisa posible. Ej: las leyes de la Física El modelo formal como el método científico, se puede verificar comparándolo con la realidad. Si coincide será adecuado y si no tendremos que diseñar uno nuevo. Mª José Martínez Rodrigo IES Dionisio Aguado 1

2 Modelos de sistemas caja negra Se utiliza cuando sólo nos interesa estudiar las relaciones de un sistema con el exterior o con otros sistemas sin importarnos, su composición, su estructura y su funcionamiento. Es decir, sólo nos fijamos en sus entradas y salidas de materia, energía e información (intercambios con el entorno) Sistema Entradas Salidas Tipos de sistemas caja negra: Abiertos: se producen entradas y salidas de materia y energía. Ej: en una ciudad entran energía y materiales, sale energía en forma de calor y materia en forma de desechos y productos manufacturados. Energía Energía Materia Materia Cerrados: no hay intercambios de materia pero si de energía. Ej: en una charca entra energía solar y sale calor pero la materia se recicla. Energía Energía Materia Aislados: no existe intercambio de materia ni de energía. Ej: el sistema solar Energía Materia Modelos de sistemas caja blanca Se utiliza cuando sólo nos interesa estudiar el interior de un sistema. Entonces tendremos que 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, forma un diagrama causal. A B Entradas Salidas D C E Relaciones causales Mª José Martínez Rodrigo IES Dionisio Aguado 2

3 Son las conexiones causa-efecto o cualquier otro tipo de correlación entre las variables. La causa viene representada por una flecha y el signo (+) o (-) por la polaridad. Pueden ser: Relaciones simples: representan la influencia de un elemento sobre otro. Pueden ser: Directas o positivas: el aumento de una implica el aumento de la otra y viceversa. Se indica mediante un signo (+) sobre la flecha. A B A B A B A B Ej. Deforestación Erosión Cantidad de agua en suelo Plantas Inversas: el aumento de una implica la disminución de la otra y viceversa. Se indica mediante un signo (-) sobre la flecha. A B A B A B A B Ej. Depredadores Presas Porcentaje glucosa en sangre Hambre Encadenadas: intervienen más de dos variables unidas mediante flechas. Conviene leerlas de forma independientemente dos a dos. Si entre A y B tenemos signo (-) y entre B y C signo (+) las leeremos independientemente dos a dos: Cuando A B En vez de cuando B disminuye C aumenta (error) se debe leer cuando B C Para simplificar se reducen a una relación contando el nº de relaciones negativas. Si es par, la relación resultante será positiva y si es impar, negativa. A B C A C Ej. Vegetación Erosión Pérdida de suelo Vegetación Pérdida de suelo Vegetación Erosión Erosión Pérdida de suelo Vegetación Pérdida de suelo Si entre A y B tenemos signo (+) y entre B y C signo (-) A B C A C Ej. Tala de árboles Erosión Suelo Tala de árboles Suelo Tala de árboles Erosión Erosión Suelo Tala de árboles Suelo Relaciones complejas: representan las acciones de un elemento sobre otro que implican, a su vez, que este último actúe sobre el primero (como la pescadilla que se muerde la cola o el efecto bola de nieve) Pueden ser: Bucles de realimentación positiva: A B A Suponen que la causa aumenta el efecto y el efecto aumenta la causa, por tanto refleja la potencialidad del sistema para aumentar descontroladamente. Se establecen en las cadenas cerradas que tienen un nº par de relaciones negativas. Se indica con un signo (+) dentro de un circulo situado en el centro de la relación. Mª José Martínez Rodrigo IES Dionisio Aguado 3

4 Huevos Gallinas Población Nacimientos Bucles de realimentación negativa: A B A Suponen que al aumentar la causa aumenta el efecto, y el aumento del efecto amortigua la causa. Estos bucles tienden a estabilizar los sistemas y se llaman homeostáticos si son biológicos y cibernéticos si son mecánicos. Se establecen en las cadenas cerradas que tienen un nº impar de relaciones negativas. Se indica con un signo (-) dentro de un circulo situado en el centro de la relación. Ej: Sistema cibernético (mecánico) Termostato de una calefacción: si la temperatura ambiente es menor que la establecida, encenderá la calefacción, pero si es mayor la desconectará. Establezca las flechas y los signos en los siguientes ejemplos: Regulación en las comunidades Presa (ciervo) Depredador (león) Regulación en las poblaciones Población Defunciones Glucosa en sangre Vertido de glucosa Mª José Martínez Rodrigo IES Dionisio Aguado 4

5 Normalmente un mismo sistema presenta los dos tipos de realimentación, positiva y negativa. En condiciones normales, funciona la realimentación negativa, que mantiene la supervivencia del sistema. Pero fuera de ciertos límites opera la realimentación positiva, que conduce a la destrucción de los sistemas mecánicos y a la muerte de los sistemas biológicos. Regulación de la temperatura interna del cuerpo Muerte por calor Temperatura Tiritas Tª corporal Sudoración Tª Muerte por frío Regulación del porcentaje de azúcar en sangre Si sentimos hambre, comemos. Cuando el porcentaje de azúcar en la sangre es bajo, sentimos hambre. Cuando comemos, vuelve a subir este porcentaje y dejamos de sentir hambre. Sin embargo, entre el primer bocado que introducimos en la boca y el inicio del cambio de la tasa de azúcar sanguíneo, pasan aproximadamente 15 minutos. Por esta razón, puede ser que hasta que notemos el efecto de este primer bocado, hayamos comido mucho más de lo que sería necesario. Tiene que pasar un tiempo para que el efecto de la variable causante llegue a tener efecto en la variable afectada. Establezca las relaciones entre estas variables indicando las flechas y los signos. En el caso de las poblaciones, lo normal es que esté regulado por ambos bucles, el que impulsa los nacimientos (+) y el que establece el control(-) Tasa de natalidad Nacimientos Población Defunciones Tasa de mortalidad Mª José Martínez Rodrigo IES Dionisio Aguado 5

6 Realice las siguientes actividades de la página 18 del libro de texto (Ed Mc Graw Hill): Actividad 2 Actividad 3 Actividad 4 Actividad 5 Leyes de la Termodinámica Son las leyes que rigen los intercambios de materia y energía. Mª José Martínez Rodrigo IES Dionisio Aguado 6

7 Primera Ley de conservación de la energía: La energía ni se crea ni se destruye, se transforma. E entra = E almacenada + E sale Segunda Ley de la entropía: La entropía es la magnitud termodinámica que mide la parte no utilizable de la energía contenida en un sistema, es decir es la incapacidad de un sistema de realizar un trabajo. La energía, en cada transferencia, suele pasar de una forma más concentrada y organizada a otra más dispersa y desorganizada (calor). Entropía Desorden Disponibilidad de energía útil (Ej: molécula inorgánica) Entropía Orden Disponibilidad de energía útil (Ej: molécula orgánica) Paz ( Entropía ) Guerra ( Entropía ) Vida ( Entropía ) Muerte ( Entropía ) Individuo en crecimiento ( Entropía ) Individuo adulto ( Entropía ) Actividad 7 (página 19) a) Lluvias Aguas subterráneas Agua almacenada (variable principal) Uso Riego Uso Doméstico jardines ganadero b) El agua disponible depende del balance entre las entradas por lluvias y las salidas por los diferentes usos: En época de sequía disminuye la cantidad de agua disponible. El uso en exceso disminuye la cantidad de agua disponible como indican los tres bucles de retroalimentación negativa. Para que el depósito tenga siempre la misma cantidad y se mantenga el estado estacionario: Salidas por uso = Entradas por precipitación En años de sequía hay que aplicar restricciones de uso Actividad de selectividad Efecto dominó Mª José Martínez Rodrigo IES Dionisio Aguado 7

8 Cualquier intervención en el medio natural tiene repercusiones en cadena sobre todos los componentes del medio ambiente. Ej: si talamos los bosques para obtener madera, no sólo agotaremos este recurso sino que además provocaremos erosión y deterioro del suelo, la disminución de los recursos hídricos de la región, el aumento del CO 2 atmosférico y las alteraciones en la fauna. Ej: si se pretende reducir el consumo de los combustibles fósiles implantando medidas de ahorro energético, no sólo se ahorrará dinero sino que se mitigará el agotamiento de estos recursos y se reducirá la contaminación del aire y el agua, el aumento del efecto invernadero y el problema de los residuos. Modelo de regulación del clima terrestre La Tierra como sistema caja negra: sistema cerrado (entra y sale energía pero no materia) La energía que entra del Sol es radiación electromagnética (luz visible de longitud de onda corta) La energía sale de la Tierra como radiación reflejada y radiación infrarroja o calor (longitud de onda larga). Ver espectro electromagnético en página 67 del libro Mc Graw Hill y en la del Anaya. radiación reflejada SOL radiación TIERRA radiación infrarroja incidente (calor) La Tierra autorregula su temperatura manteniéndola a 15º C La Tierra como sistema caja blanca: La máquina climática es el sistema que regula el clima y está formado por la interacción de un conjunto de subsistemas terrestres: atmósfera (A), hidrosfera (H) (océanos y ríos), geosfera (G) parte sólida y mineral de la Tierra), biosfera (B) ( seres vivos acuáticos y terrestres) y criosfera (C) (hielos). Complete el cuadro de interacciones: Atmósfera Biosfera Geosfera Hidrosfera Criosfera Para hacer 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 distintos subsistemas terrestres que componen la máquina climática donde el símbolo U representa la interacción entre los subsistemas: S = A U H U B U G U C SISTEMA CLIMÁTICO Predicciones Dependen Interacciones A muy corto plazo Variables atmosféricas: (horas o días) presión, temperatura, humedad y vientos A Lentas (1-10 años) 1) Evolución de las corrientes atmosféricas y oceánicas superficiales. A U H U G 2) Efecto de las erupciones volcánicas sobre el clima Largo plazo Se incluyen la 1) y 2) anteriores ( años) Cambios ambientales producidos por la variación en A U H U B U G U C la concentración de los gases atmosféricos Cambios en las corrientes oceánicas profundas Cambios debidos a la acción de los seres vivos Miles a millones de años Cambios originados por el o de la superficie helada Difíciles de predecir: Desigual distribución de las tierras y mares Variaciones órbita terrestre alrededor del Sol Sol U Tierra Mª José Martínez Rodrigo IES Dionisio Aguado 8

9 Efecto invernadero Se origina en los primeros 12 Km de la atmósfera (troposfera) por la presencia de vapor de agua, dióxido de carbono, metano y óxido de nitrógeno, principalmente. Estos gases son transparentes a la luz visible del Sol, pero no a la radiación infrarroja o calor emitido por la superficie terrestre. Al absorber gran parte de la radiación infrarroja la devuelven a la Tierra incrementando la temperatura de la atmósfera. Debido a este fenómeno natural, la temperatura media de la superficie de la Tierra es de 15º C, lo que permite la presencia de agua líquida y por tanto, la existencia de vida. La cantidad de calor atrapado dependerá de la concentración de gases de efecto invernadero en la atmósfera, que no es constante y se encuentra asociada al ciclo del agua y del carbono que resultan de la interacción de la atmósfera con otros subsistemas terrestres. Incremento del efecto invernadero Aumento desmesurado de los gases de efecto invernadero por la intervención del hombre (deforestación, quema de combustibles fósiles, incendios) que produce el aumento de la temperatura de la atmósfera teniendo consecuencias graves para el clima (calentamiento global) Efecto albedo Porcentaje de radiación solar reflejada por la Tierra del total de la que incide procedente del sol. Ej: si el albedo es del 30%, entra el 70% y se refleja el 30%. El albedo varía en función del color de la superficie reflectora. Cuanto más clara, mayor cantidad de luz reflejará, mayor será su albedo y menor la temperatura. Ej: zonas cubiertas por hielo Superficie cubierta por hielo Temperatura Albedo Este bucle de retroalimentación positiva acelera el efecto de una glaciación cuando se presenta. Complete: Superficie cubierta por hielo Albedo Temperatura Glaciación Superficie cubierta por hielo Glaciación Nubes Aumentan el albedo reflejando parte de la radiación solar. Aumentan el efecto invernadero al devolver radiación infrarroja a la superficie terrestre. Si la nube es baja aumenta el albedo y si es alta aumenta el efecto invernadero. Complete (incluyendo flechas y signos) el modelo sencillo de funcionamiento del clima terrestre con las variables: efecto invernadero, albedo y nubes Radiación incidente Concentración Efecto Superficie helada de gases de invernadero efecto invernadero Temperatura Nubes Albedo Radiación reflejada Mª José Martínez Rodrigo IES Dionisio Aguado 9

10 Tenemos dos bucles de retroalimentación positiva (el del albedo y el del efecto invernadero) enfrentados como dos espadas en tensión que empujan por igual, lo que propicia un estado de equilibrio dinámico que podría peligrar por un cambio brusco (catastrófico) de las condiciones ambientales, que inclinaría la balanza en un sentido o en otro siendo imposible volver a la situación de equilibrio dinámico. Dibujo Ej: Marte evolucionó hacia un clima más frío por lo que se cree que todo el agua y el dióxido de carbono se congelaron. Al estar lejos del Sol su temperatura es menor, y al carecer de efecto invernadero, ningún factor puede aumentar su temperatura. Venus está demasiado cerca del Sol. La elevada temperatura superficial dio lugar a una gruesa capa de nubes que incrementó el efecto invernadero, y, como consecuencia el calor produjo la evaporación del agua. Continúa páginas 23, 24 y 25 del libro de texto (Ed Mc Graw Hill) Realice las actividades 9, 10 y 12 de las páginas 26 y 27 Actividad 9 Mª José Martínez Rodrigo IES Dionisio Aguado 10