El Medio Ambiente y sus Componentes Esenciales

El Medio Ambiente se define como el conjunto de componentes físicos, químicos, biológicos, sociales y culturales capaces de causar efectos directos o indirectos, en un plazo corto o largo, sobre los seres vivos y las actividades humanas.

Factores que Determinan las Características Ambientales

• Físicos: El relieve, la temperatura y la presencia de agua son los principales factores físicos que determinan las características ambientales.
• Químicos: La salinidad, el pH del agua, la concentración de oxígeno y dióxido de carbono, entre otros, que favorecen o impiden el desarrollo de determinados seres vivos.
• Biológicos: Los seres vivos establecen distintos tipos de relaciones entre ellos, principalmente de tipo alimentario. La supervivencia de una especie depende de los seres vivos de los que se alimenta.
• Sociales y Culturales: Este grupo de factores es exclusivo de la especie humana. La forma de vida de los seres humanos influye tanto sobre las personas como sobre los otros seres vivos que les rodean. Por ejemplo, el asentamiento de núcleos urbanos en zonas antiguamente rurales implica cambios en las actividades humanas y en los hábitos de vida que condicionan también a la vegetación y la fauna.

Las Ciencias Ambientales: Un Enfoque Interdisciplinario

Como se observa en la definición, los problemas ambientales son complejos y en ellos intervienen múltiples factores, por lo que no pueden ser abordados desde una sola ciencia, sino con una visión multidisciplinar. Ciencias como la Biología, Geología, Física y Química son imprescindibles para su estudio, pero también lo son la Economía, el Derecho, la Religión, la Ética y la Política, entre otras ciencias sociales.

En la problemática ambiental es frecuente no encontrar soluciones únicas. A veces existirá un abanico de soluciones y en otras ocasiones no habrá ninguna clara, por lo que habrá que elegir la que mejor se adapte a las circunstancias. Sería un grave error estudiar las ciencias ambientales como si fueran un conjunto de recetas claras para problemas perfectamente definidos. Son, más bien, una oportunidad de discutir, consensuar y probar diferentes soluciones y formas de enfrentarse al problema, después de conocer bien todos los hechos que lo afectan.

Sistemas y Modelos en Ciencias Ambientales

Definición de Sistema

Un sistema (del griego sistema = conjunto o reunión) es un conjunto de elementos que se relacionan entre sí para llevar a cabo una o varias funciones. Lo que interesa del sistema es fundamentalmente el comportamiento global, definido por unas propiedades del conjunto denominadas propiedades emergentes.

Enfoques de Estudio de Sistemas

• Reduccionista o Analítico

  Consiste en dividir el objeto de estudio en sus componentes más simples para observarlos y estudiarlos por separado. Este enfoque es insuficiente para abordar los estudios de las Ciencias de la Tierra, aunque es útil para muchas disciplinas científicas.

• Holístico o Sintético

  Estudia el todo o la globalidad y las relaciones entre sus partes sin detenerse en los detalles. Pone de manifiesto las propiedades emergentes de los sistemas, resultantes del comportamiento global y de las relaciones de los componentes.

Modelización de Sistemas

Los sistemas suelen representarse mediante modelos. Un modelo es una representación simplificada de la realidad, que se elabora para facilitar su comprensión y estudio, permitiendo ver de forma clara y sencilla las distintas variables y las relaciones que se establecen entre ellas. Estas representaciones se hacen mediante dibujos, esquemas o expresiones matemáticas.

• Modelos Mentales

  Lo que guardamos en nuestra mente no es la realidad, sino nuestro modelo mental. Cada persona posee sus modelos mentales, que pueden ser iguales, parecidos o muy diferentes, por eso a veces resulta difícil comunicarnos con personas con ideas y opiniones muy distintas a las nuestras.

• Modelos Formales (Estáticos y Dinámicos)

  Son modelos matemáticos que representan aproximaciones de la realidad y, al igual que el método científico, si coinciden con las predicciones podremos afirmar como máximo que se ajustan a la realidad y que, por el momento, es el modelo que mejor la explica.

• Modelo de Caja Negra

  Se centra solo en las entradas y salidas de energía, materia e información del sistema, sin considerar sus elementos internos ni las interacciones que se establecen entre ellos. Por ejemplo, al utilizar la Tierra como un sistema de caja negra, podemos considerarla como un sistema en el que entra y sale energía (radiación electromagnética entrante y radiación infrarroja saliente). La materia que entra procede de meteoritos. Se trata de un sistema abierto que autorregula su temperatura, manteniendo una media de unos 15 ºC, lo cual permite la existencia de agua líquida y, por tanto, de vida.

• Modelo de Caja Blanca o Transparente

  Estudia no solo las entradas y las salidas del sistema, sino también sus elementos y sus interacciones. Lo primero que hay que hacer es marcar las variables que lo componen y unirlas con flechas que las relacionen entre sí. Al diseñar un modelo, debemos tener cuidado de incluir solamente las variables que sean estrictamente necesarias, ya que si aumenta mucho su número, se pierde claridad debido al complejo entramado de las flechas que unen variables.

Clasificación de Sistemas (Enfoque Caja Negra)

• Sistemas Abiertos: Son aquellos que intercambian materia y energía con el exterior.
• Sistemas Cerrados: Son los que solo intercambian energía con el exterior, no intercambian materia, sino que la reciclan.
• Sistemas Aislados: Son aquellos que no intercambian ni materia ni energía con su entorno.

Energía y Termodinámica de Sistemas

Cualquier sistema tiene que cumplir los principios de la termodinámica:

Primer Principio: Conservación de la Energía

La energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma. En cualquier sistema, la energía que entra será igual a la energía almacenada más la energía que sale.

Segundo Principio: La Entropía

La segunda ley de la termodinámica dice que cualquier sistema tiende espontáneamente a un estado de máximo desorden. La entropía es una medida del desorden de un sistema.

En los sistemas vivos, la biosfera o el sistema Tierra, que poseen un orden elevado, la entropía es baja y la energía está más concentrada. Por el contrario, en sistemas desordenados, la energía está muy dispersa y la entropía es elevada. Esta energía se disipa en forma de calor y no puede utilizarse para realizar trabajo.

Ejemplo: Los seres vivos mantienen su organización y su elevada complejidad degradando azúcares en la respiración, con lo que expulsan al entorno desorden (entropía) y calor (energía). Son sistemas abiertos que rebajan su entropía y mantienen su organización y complejidad aumentando la del entorno.

Relaciones entre Variables

• Relaciones Simples: Son aquellas en que una variable A del sistema influye sobre otra B, pero no a la inversa. Pueden ser directas, inversas o encadenadas.
• Relaciones Complejas: Son aquellas en que una variable influye sobre otra u otras que, a su vez, influyen sobre la primera. El resultado es un conjunto de relaciones encadenadas en círculo, que recibe el nombre de bucle de retroalimentación, realimentación o feedback (positivo o negativo).

La Tierra como Sistema Complejo: Regulación Climática

Modelos de Regulación del Clima Terrestre

La Tierra como Sistema Caja Negra

Se considera como un modelo de sistema cerrado en el que entra y sale energía, pero no materia (se desprecia la cantidad que puede llegar con los meteoritos).

• La energía entrante es radiación electromagnética (luz solar visible mayoritariamente).
• La energía que sale es radiación reflejada y radiación infrarroja (calor).
• La Tierra es un sistema en equilibrio dinámico desde el punto de vista térmico (temperatura en torno a 15 ºC).

La Tierra como Sistema Caja Blanca

La máquina climática es el sistema que regula el clima planetario y está formada por un conjunto de subsistemas terrestres que interaccionan entre sí: Atmósfera (A), Hidrosfera (H), Geosfera (G), Biosfera (B) y Criosfera (C).

El clima terrestre S (clima) = A ∪ H ∪ B ∪ G ∪ C, es decir, el clima es el resultado de la interacción o acoplamiento de los subsistemas. El símbolo ∪ representa esa interacción. Dependiendo de cuál sea el objetivo, se incluyen más o menos subsistemas:

• Para hacer predicciones meteorológicas a muy corto plazo (horas o días) se considera S = A.
• Para predicciones de cambios de clima más lentos (1-10 años), S = A ∪ H ∪ G.
• Para predicciones a largo plazo (10 a 100 años), S = A ∪ H ∪ G ∪ B ∪ C.
• Las predicciones a mayor plazo (miles o millones de años) son complicadas porque incluyen la desigual distribución de tierras y mares y variaciones de la órbita terrestre.

Los Subsistemas Terrestres

• Atmósfera: Capa más externa del planeta en estado gaseoso.
• Hidrosfera: Capa discontinua de agua que envuelve la superficie sólida del planeta. Comprende fundamentalmente el agua líquida (continental y oceánica) y el hielo glacial, aunque una pequeña cantidad forma parte de la atmósfera y de los seres vivos.
• Geosfera: De estructura rocosa. Es el sistema terrestre de mayor volumen; presenta especial interés solo su parte más externa o litosfera.
• Biosfera: Sistema constituido por todos los seres vivos que habitan la Tierra y que ocupa la parte inferior de la atmósfera, la parte superior de la litosfera y una parte de la hidrosfera.

La interacción entre todos estos sistemas terrestres da como resultado la regulación del clima.

Factores Clave en la Regulación Climática

• Efecto Invernadero y su Incremento

  Se origina en los primeros 12 km de altura aproximadamente. Los gases causantes son principalmente vapor de agua, dióxido de carbono, metano y óxido nitroso, que devuelven a la Tierra parte de las radiaciones infrarrojas emitidas por ella. Mantiene la temperatura del planeta en torno a 15 ºC, permitiendo la existencia del agua líquida y, con ello, la vida. Se encuentra asociado a ciclos naturales (ciclo del agua, ciclo del carbono). Si aumenta el efecto invernadero, aumenta la temperatura.

  Si aumentan los gases de efecto invernadero por efecto de la contaminación, se produce un aumento de temperatura que tiene como consecuencia el calentamiento global.

• El Efecto Albedo

  Es el porcentaje de radiación solar reflejada por la Tierra del total de luz incidente. Varía en función del color de las superficies (máxima en hielos y desiertos). El albedo medio de la Tierra es del 30%, es decir, entra en la Tierra el 70% de la radiación solar y se refleja el 30%. Si aumenta la superficie helada o desértica, disminuye la temperatura del planeta.

• Influencia de las Nubes

  Poseen una doble acción:

  1. Incrementan el albedo, con lo que disminuyen la temperatura cuando se sitúan en capas bajas.
  2. Aumentan el efecto invernadero, con lo que aumentan la temperatura cuando se sitúan en capas altas.

• Polvo Atmosférico

  Procede de erupciones volcánicas, meteoritos, incendios, contaminación o explosiones nucleares y permanece durante años en la atmósfera. Refleja la luz del Sol, produciendo un oscurecimiento global, aumento del albedo y un enfriamiento progresivo, con parón de la fotosíntesis y colapso de las cadenas alimentarias (efecto invernadero invertido).

• Volcanes y Erupciones Volcánicas

  Tienen un doble efecto:

  1. Descenso de la temperatura: Por la emisión de partículas, polvo y SO₂, producen una pantalla que impide la entrada de luz y, por tanto, un enfriamiento a corto plazo.
  2. Aumento de la temperatura: El polvo atmosférico, las emisiones de CO₂ y el vapor de agua contribuyen a aumentar el efecto invernadero con un calentamiento a largo plazo más duradero.

• Variaciones de Radiación Solar Incidente

  Existen variaciones periódicas o cíclicas (ciclos astronómicos de Milankovitch) que afectan a la cantidad de radiación y a la zona de la Tierra que la recibe, y que dependen de:

  1. Excentricidad de la órbita terrestre: Determinará la duración de la época cálida.
  2. Inclinación del eje terrestre: Determina la duración de los ciclos día/noche y la existencia de las estaciones.
  3. Posición del perihelio: El punto de la órbita más cercano al Sol, que marca la dureza del clima durante el invierno y el verano.

  También existen variaciones graduales, de modo que el Sol emite más energía a medida que gasta su combustible, es decir, que la radiación ha ido aumentando, siendo un 30 % menor que la actual cuando apareció la vida.

• Influencia de la Biosfera: Hipótesis Gaia

  Según Lovelock y la Hipótesis Gaia, la Tierra es un sistema homeostático cuya temperatura se autorregula debido a una serie de interacciones entre los diferentes subsistemas, de los cuales la biosfera desempeña un papel fundamental porque rebaja los niveles de CO₂ atmosféricos y, por tanto, reduce la temperatura.

  Los seres vivos han modificado la atmósfera terrestre en varios sentidos:

  • Reduciendo los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera a través de la fotosíntesis, para acumularlo en forma de biomasa. Además, el dióxido se almacena en los combustibles fósiles, los minerales y rocas carbonatadas. Así disminuyó del casi 90 % al 0,03 % actual.
  • Produciendo el oxígeno en el mismo proceso fotosintético. Al principio, el oxígeno quedó atrapado formando parte de óxidos de hierro y azufre fundamentalmente, dentro del agua. Cuando este sistema se saturó, el oxígeno comenzó a pasar a la atmósfera y fue aumentando progresivamente hasta el 21 % actual. El oxígeno se combinó para formar la capa de ozono que protege de los rayos UVA del Sol y con ello favorece la evolución de la vida.
  • Aumentando el nitrógeno atmosférico debido a las reacciones metabólicas de los seres vivos hasta el 78 % actual.