Tema 1
Medio ambiente y teoría de sistemas
Tema 1. Medio ambiente y teoría de sistemas
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Introducción al
estudio de la Tierra
como sistema
ATMÓSFERA
(gases)
BIOSFERA
(interfase
sólido-líquidogas)
HIDROSFERA*
(líquidos)
* Puede incluir la criosfera
(glaciares)
GEOSFERA
(sólidos)
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La Tierra es un sistema complejo y dinámico, con una historia muy larga
(más de 4.500 millones de años) y que está formado por 4 subsistemas
que interaccionan entre sí:
1. BIOSFERA Es la cubierta de vida, es decir, el área ocupada por los
seres vivos
2. ATMÓSFERA Envoltura de gases que rodea la Tierra
3. HIDROSFERA Es la capa de agua que hay en la Tierra, en sus
diferentes formas, subterránea, superficial, dulce, salada, líquida, sólida
4. GEOSFERA Es la capa sólida de la Tierra, es la más voluminosa y con
los materiales más densos.
Algunos autores consideran otros dos subsistemas, la CRIOSFERA (capa
helada) y la SOCIOSFERA (el ser humano).
Todos estos subsistemas son fuente de RECURSOS, producen RIESGOS
y pueden, en ocasiones, dar lugar a IMPACTOS.
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Concepto de medio ambiente
Procede de una mala traducción del término inglés
environment,
sería preferible usar términos como
entorno o simplemente ambiente.
Según la Conferencia de la ONU para el Medio Ambiente
humano. (Estocolmo,1972):
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.
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Estudio del medio ambiente
 Se tiene que enfocar desde un punto de vista multidisciplinar.
 Intervienen
disciplinas tan diferentes como: Ecología,
Economía, Sociología, Derecho, Biología, Geología, Física,
Química, Matemáticas, Ingeniería, Arquitectura, Medicina y
Geografía.
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1. Punto de vista económico.
El medio ambiente es una fuente de recursos naturales, un
soporte de actividades productivas y un receptor de
desechos y residuos.
2. Punto de vista administrativo operativo (en la U.E.).
Sistema formado por el hombre, la flora y la fauna, el suelo, el
aire, el agua, el clima, el paisaje, los bienes materiales, el
patrimonio cultural y las interacciones entre todos estos
factores.
3. Punto de vista ecológico .
Suma de todos los factores físicos y biológicos que actúan sobre
un individuo, una población o comunidad, es decir incluyen el
entorno vital. (Al hablar de individuo no se refiere
necesariamente a seres humanos).
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Diferencia entre el enfoque oficial y el ecológico
La ecología considera al ser humano como un componente biótico del
ecosistema y el ambiente como un factor abiótico, estudia las
interacciones entre todos los componentes.
El concepto oficial está más encaminado al tema productivo,
económico, de recursos. Por tanto, es más antropocéntrico aunque
tiene en cuenta al resto de los seres vivos y es menos global que el
concepto ecológico.
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Los diversos tipos de componentes influyen en el medio ambiente de modo
distinto:
1. Físicos: El relieve, la temperatura y la presencia de agua son los
principales factores físicos que determinan las características
ambientales.
2. Químicos: La salinidad, el pH del agua, la concentración del oxígeno y
dióxido de carbono, etc. que favorecen o impiden el desarrollo de
determinados seres vivos.
3. 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.
4. 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.
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Métodos de estudio científico
El análisis de un sistema se puede abordar desde dos posibles enfoques:
Reduccionista o analítico. Consisten dividir el objeto de estudio en sus
componentes más simples y observarlos y estudiarlos por separado. 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.
Ejemplo: Las piezas de un reloj por separado no tienen la propiedad de dar la
hora; sin embargo, el reloj montado como un todo, sí.
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Teoría general de sistemas
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.
Del sistema nos interesa el comportamiento global.
Así pueden considerarse sistemas un ordenador, un automóvil, un
ser vivo, etc.
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Los sistemas presentan las siguientes características:
1. Están formados por elementos.
2. Cada elemento tiene una función específica en el sistema y se relaciona
con los demás elementos.
3. Los elementos interaccionan para desempeñar una o varias funciones,
superiores a la suma de las partes, que reciben el nombre de
propiedades emergentes. (Sinergia)
4. Los sistemas no están aislados, hasta ellos llegan energía y materia
necesarias para su funcionamiento. Además reciben información del
exterior del sistema que desencadena su actividad.
5. Los sistemas también producen materia y emiten energía e información,
como resultado de la función que desempeñan.
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Esta forma de análisis mediante sistemas permite estudiar
fenómenos de distinta complejidad desde el funcionamiento de una
célula hasta el planeta Tierra
Los sistemas más complejos están
constituidos
a
su
vez
por
subsistemas, y estos, a su vez, por
componentes más sencillos
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Los límites del sistema
Un sistema es una porción del espacio y su contenido.
Todo sistema se encuentra dentro de una superficie cerrada que lo
separa del resto del Universo.
La superficie es el límite del sistema y puede ser real, como la membrana
de una célula, o ficticia, como el límite que se establece en una charca o
en un encinar.
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Tipos de sistemas
Según los intercambios de materia y energía pueden diferenciarse tres
tipos de sistemas: abiertos, cerrados y aislados.
• Sistemas abiertos: Son aquellos que intercambian materia y energía
con el exterior. Todos los sistemas biológicos son sistemas abiertos, para
mantenerse vivo el sistema debe tomar energía y materia del exterior,
también debe liberar energía (calor) que se genera en los procesos
químicos como la respiración.
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•Una planta es un sistema abierto que toma materia por medio de sus raíces
y energía lumínica del sol para hacer la fotosíntesis, de la planta sale
materia en forma de gases durante la respiración y la fotosíntesis y energía
calorífica durante la respiración.
•Una planta está constituida por células cuyas propiedades emergentes
consisten en cumplir las funciones vitales de nutrición, relación y
reproducción.
•Otros ejemplos de sistemas abiertos son: un bosque, una pecera, un río,
una ciudad, etc. Así en una ciudad entra energía y materia prima y sale
energía en forma de calor y materiales en forma de desechos y productos
manufacturados.
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Sistemas cerrados
Son los que sólo intercambian energía con el
exterior, no intercambian materia, sino que la
reciclan.
Es el caso de un ordenador que recibe energía
eléctrica y emite energía calorífica y lumínica,
pero la materia que lo compone es constante.
El Sistema Planeta Tierra es considerado
como un sistema que recibe continuamente
energía
procedente
del
sol,
energía
electromagnética (luz, etc.) y que emite al
espacio energía en forma de calor (energía
infrarroja), pero apenas intercambia materia
con el exterior, si despreciamos la entrada de
materiales procedentes de los meteoritos dada
su poca masa relativa. (Si tenemos en cuenta
esta masa que nos llega del espacio será un
sistema abierto)
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Sistemas aislados
Son aquellos que no intercambian ni materia, ni energía con su
entorno. En realidad no existen este tipo de sistemas, por tanto
podemos afirmar que son sistemas teóricos que se utilizan con el fin de
simplificar cuando se estudian sistemas de grandes dimensiones
(macrosistemas), como por ejemplo el Sistema Solar.
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La energía de los sistemas
Cualquier sistema tiene que cumplir las leyes de la termodinámica.
Según la 1ª ley o principio de la 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.
SISTEMA
E saliente
E entrante
Energía
almacenada
E entrante = E almacenada + E saliente
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La 2º ley dice que cualquier sistema tiende espontáneamente a un
estado de máximo desorden (aumenta la entropía del sistema).
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.
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Los seres vivos van en contra de la 2ª ley de la termodinámica, ya
que mantienen su organización y su elevada complejidad
degradando azúcares en la respiración, con lo que expulsan al
entorno desorden (entropía), moléculas simples (oxígeno, dióxido de
carbono, vapor de agua, etc.) y calor (energía). Son sistemas
abiertos que rebajan su entropía y mantienen su organización y
complejidad aumentando la del entorno.
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La representación de los sistemas: los modelos
Los sistemas suelen representarse mediante modelos.
Un modelo es una representación simplificada de la realidad, que se
elabora para facilitar su comprensión y estudio, que permite ver de forma
clara y sencilla las distintas variables y las relaciones que se establecen
entre ellas.
Por tanto, un modelo es un medio para conseguir algo y no un fin en sí
mismo.
Estas representaciones se
expresiones matemáticas.
hacen
mediante
dibujos,
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esquemas
o
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MODELOS MENTALES
 Lo que guardamos en nuestra mente no
es la realidad, sino sus modelos mentales.
 Nos sirven para guiarnos por el mundo y
nuestras acciones responden a nuestros
modelos.
 Se van modificando y enriqueciendo con
la experiencia.
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Para que resulten útiles en investigación, los modelos deben cumplir
unas determinadas condiciones:
1. Han de ser menos complicados y de más fácil manejo que las
situaciones reales.
2. Deben representar la realidad con la mayor fidelidad posible y al
mismo tiempo han de ser manejables.
Así, un modelo muy simplificado se aleja de la realidad, pero se acerca
a la generalidad y es de fácil manejo; por el contrario, un modelo muy
preciso se encuentra muy próximo a la realidad concreta, pero su
utilización puede resultar compleja.
El predominio de una u otra de estas características dependerá de la
utilización que queramos hacer del modelo.
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Modelos estáticos y dinámicos
Modelos estáticos. Sus relaciones no dependen del
comportamiento del sistema, sólo analizan su estructura. Por
ejemplo, una fórmula en la que se equiparan la altura y el
diámetro de un árbol con su volumen.
Modelos dinámicos. Describen el funcionamiento de los
componentes del sistema a base de una serie de ecuaciones. Son
más realistas que los estáticos. Por ejemplo, el modelo
depredador-presa.
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Ejemplo: modelo depredador-presa
dN / dt  r1 * N 1  P * N 1 * N 2
dN / dt  a * P * N 1 * N 2  d 2 * N 2
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Modelos de caja negra y caja blanca
Modelo de caja negra:
• Nos fijamos sólo en las entradas y salidas de energía, materia, e
información en el sistema, y no en sus elementos ni en las interacciones
que se establecen entre ellos. Por tanto, no interesan los elementos del
sistema ni sus interacciones.
Utilizando la tierra como un sistema de caja negra, podemos considerarla
como un sistema en el que entra y sale energía, la energía que entra es
radiación electromagnética (luz, etc.) y la energía que sale es radiación
infrarroja (calor) procedente de la superficie terrestre. La materia que
entra procedente de un meteorito. Se trata de un sistema abierto que
autorregula su temperatura, manteniendo una media de unos 15º C, lo
cual permite la existencia de agua líquida y por tanto de vida.
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Modelo de caja negra
¿?
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Modelo de caja blanca o transparente: Si estudiamos no sólo las
entrada y las salidas del sistema, sino también los elementos del
sistema y sus interacciones. Lo primero que hay que hacer es
marcar las variables que lo componen y unirlas con flechas que las
relacionen entres sí, al diseñar un modelo debemos tener cuidado
de incluir solamente las variaciones que sean estrictamente
necesarias, ya que si aumenta mucho su número, se pierde claridad
debido al complejo de entramado de las flechas que unen variables.
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Relaciones entre los elementos de
un sistema
Los elementos que forman los sistemas están relacionados entre sí y
funcionan de forma coordinada. Los elementos que pueden variar en
función de otros se denominan variables.
Las relaciones cusa-efecto (causales) entre las variables de un sistema
pueden ser de dos tipos:
1. Relaciones causales simples
2. Relaciones causales complejas
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Relaciones causales simples
1. DIRECTAS O POSITIVAS: El cambio de una variable
provoca un cambio en la otra del mismo signo. Si una
aumenta (A) la otra (B) también. Y si A disminuye, B también
disminuirá.
• A
B
+
2. INVERSAS O NEGATIVAS: El cambio en una variable
provoca un cambio en sentido inverso en la otra. Si A
aumenta, B disminuirá.
• A
B
3. ENCADENADAS: Son cambios en cadena, ya sean positivos,
negativos o de diferentes signos. Se pueden reducir a una única
relación, de tal forma que si el nº de relaciones negativas es par,
la relación global será positiva; si es impar, la relación global
será negativa.
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Relaciones complejas
En las relaciones complejas, también llamados bucles
de retroalimentación, las acciones de un elemento sobre
otro suponen que, a su vez, éste actúe sobre el primero
(modificación de una variable como consecuencia de
sus propios efectos).
Pueden ser:
• Positivas, tanto directas como encadenadas.
• Negativas, tanto directas como encadenadas.
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Relaciones complejas
• Positivas : La variación de una variable en un sentido
(aumento o disminución) produce un cambio de otra
variable en el mismo sentido y ésta, a su vez, influye de la
misma manera sobre la primera. Tienen una acción de
refuerzo sobre el proceso inicial (frecuentemente está
asociado a procesos de crecimiento y diferenciación).
a
b
a – Investigación
b – Desarrollo
c – Biocombustibles
d- Alimentos
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c
d
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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 entorno lo permita. En un sistema encadenado
puede haber relaciones negativas intermedias pero si son en número par
el resultado final es positivo.
Población
de
conejos
Daños al
cultivo
Zorros
Venenos
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Bucle típico de la sociedad humana
Nuevas
carreteras
Atascos
Nuevos
vehículos
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Relaciones complejas
• Negativas: la variación de una variable en un sentido
produce un cambio de otra variable en el mismo sentido y
ésta, a su vez, influye sobre la primera en sentido
opuesto. Tienen una acción reguladora y estabilizan los
sistemas en los que actúan (sistemas homeostáticos). Se
consigue un estado de equilibrio dinámico.
A
B
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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. Se
mantiene un equilibrio en el sistema
__
Presas
Depredadores
+
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Sistemas propositivos:
Son sistemas programados para un propósito (propiedad
emergente) determinado. Son por ejemplo los modelos que se
utilizan en la fabricación de los electrodomésticos o los que
regulan el comportamiento de un organismo (Modelos
cibernéticos).
Estos sistemas son muy adecuados para regular los sistemas
homeostáticos, manteniendo el equilibrio.
La atmósfera y la biosfera también parecen formar un sistema
propositivo, ya que se autorregulan. La atmósfera tiene un valor de
referencia al que ajustarse: concentración de oxígeno en torno al
21% de volumen que es la mejor para la biosfera (véase la teoría
o hipótesis Gaia sobre la autorregulación en nuestro planeta).
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Ejemplos de diagramas causales
Consumo de
alimentos
Peso
Oferta
Demanda
Prepararse para
un examen
Resultado del
examen
Población
Recursos per
cápita
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+
+
NACIMIENTOS
POBLACION
MUERTES
-
+
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EJ. 2 Pag.18: Diagrama causal.
Variables: Lluvia, pastos, contaminación, agua, vacas y alimentación
humana.
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EJ.3
 Ej. PAU 2006 : En el texto aparecen una serie de
términos (calentamiento, sequía, humedales, CO2) que
configuran un bucle de retroalimentación. Dibuja el
diagrama y razona si la retroalimentación es positiva o
negativa.
 Con el problema del calentamiento global, los científicos
han dicho que muchas en regiones se van a producir
grandes sequías. Muchos humedales están en peligro por
la extracción de agua para al agricultura y la silvicultura. Si
se prolonga cualquiera de estas situaciones, los
humedales se secarían y eso produciría un gran aumento
de CO2 en la atmósfera que aceleraría el efecto
invernadero. Si no protegemos los humedales y si no
ratificamos el protocolo de Kyoto para evitar el aumento
de la sequía, podemos tener cambios climáticos mucho
más extremos que lo que hemos conocido hasta ahora.
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EJ.7
Cambios en los sistemas
Para estudiar los sistemas con comodidad empleamos los modelos
(estáticos o dinámicos).
Objetivos:
1. Reproducir el comportamiento del sistema y realizar previsiones
futuras.
2. Acotar límites (no se puede reproducir todo el sistema mediante el
modelo).
3. Comprobar el efecto de las perturbaciones (naturales o no) en el
comportamiento del sistema.
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Sistemas estables:
Dominio de bucles negativos
Sistema inestables:
Dominio de bucles positivos
En la naturaleza hay ambos tipos de bucles, y en función del momento
pueden dominar unos u otros
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LOS SISTEMAS AMBIENTALES
El medio ambiente es un sistema constituido por un conjunto de factores
físicos, químicos, biológicos, sociales y culturales que se relacionan entre
sí, de modo que un cambio en un factor repercute en los otros, por lo tanto,
los factores que intervienen en el medio ambiente son las variables de este
sistema. La energía del sistema es la del Sol y la materia está contenida en
la Tierra.
El medio ambiente se divide en sistemas menores o subsistemas que, a su
vez, contienen otros sistemas menores:
•
•
Sistemas Naturales: Son los cuatro subsistemas o capas de la Tierra:
geosfera, hidrosfera, atmósfera y biosfera.
Sistemas Humanos (antroposfera): Constituidos por los seres humanos
y las relaciones sociales que se establecen entre ellos, así como las
actividades que desarrollan. Los elementos de estos sistemas son por
ejemplo los lugares de trabajo, los colegios, el transporte, etc.
Tema 1. Medio ambiente y teoría de sistemas
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Entre los sistemas humanos y los sistemas naturales se establecen
interacciones.
A veces la actividad humana repercute de forma negativa como
consecuencia del desarrollo de los países: Sobreexplotación de los
recursos, la deforestación, contaminación, etc..
La naturaleza también puede afectar negativamente a la especie
humana: Los desastres naturales.
Las Ciencias Medioambientales han surgido como base para resolver
estos problemas ambientales que nos aquejan. Para ello se hace
necesario conocer el funcionamiento de los diferentes sistemas que
constituyen el sistema Tierra y profundizar en el estudio de las relaciones
de ellos con la especie humana, que pueden enfocarse bajo tres
aspectos:
. Riesgos derivados de su dinámica.
. Recursos que nos proporcionan.
. Impactos que reciben por la acción antrópica.
Tema 1. Medio ambiente y teoría de sistemas
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EL SISTEMA TIERRA Y SUS FUENTES
DE ENERGÍA
El sistema Tierra sería, a efectos prácticos, un sistema cerrado (sólo
intercambia energía con el exterior) y dinámico, con tres fuentes de
energía:
1. La energía gravitacional.
2. La energía interna, procedente en parte del origen de la Tierra
(energía residual) y de la desintegración de elementos radiactivos.
3. La energía solar. Es la principal fuente de energía, sobre todo para
la biosfera. Del Sol recibimos mucha energía, sobre todo en forma
de calor, luz visible y cierta radiación ultravioleta.
El planeta debe de emitir una cantidad de energía equivalente a la que
recibe (equilibrio térmico). Si emitiese menos, se calentaría rápidamente y
su superficie terminaría por fundirse, mientras que si expulsa más calor se
enfriaría. Sin embargo, la energía emitida por la Tierra es en forma de calor
(y radiación infrarroja).
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MODELOS DE REGULACIÓN DEL
CLIMA TERRESTRE
 LA TIERRA COMO SISTEMA DE CAJA
NEGRA
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LA TIERRA COMO SISTEMA CAJA BLANCA
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EL EFECTO INVERNADERO
 Provocado por ciertos gases: vapor de agua, CO2, CH4 , N2O
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EL EFECTO ALBEDO
 Porcentaje de la radiación solar reflejada por la
tierra, del total de energía solar que recibe.
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Las nubes
 Tienen una doble acción:
 Aumentan el albedo.
 Incrementan el efecto invernadero.
 Su acción depende de la altura de las
nubes. Las nubes altas, que pueden
contener cristales de hielo, reflejan más la
radiación solar (mayor albedo) que las
nubes bajas.
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MODELO DE FUNCIONAMIENTO DEL CLIMA
Radiación
DOS BUCLES ANTAGÓNICOS: EQUILIBRIO DINÁMICO
Polvo atmosférico
 Provocado por:
- Emisiones volcánicas
- Meteoritos
- Contaminación
atmosférica
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VOLCANES
También pueden
provocar un doble
efecto:
 Descenso de la
Tª al inyectar
polvo a la
atmósfera.
 Aumento de la Tª
por las emisiones
de CO2.
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VARIACIONES DE LA RADIACIÓN SOLAR
 Excentricidad de la órbita
 Inclinación del eje
 Posición del perihelio
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INFLUENCIA DE LA BIOSFERA
VIDA PRECÁMBRICO
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EVOLUCIÓN DE LA ATMÓSFERA
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INFLUENCIA DE LA BIOSFERA
 Reducción de los niveles de CO2 :
transformación en materia orgánica y
almacenaje en combustibles fósiles.
 Aparición del 02 atmosférico.
 Formación de la capa de ozono.
 Aumento del nitrógeno atmosférico.
Tema 1. Medio ambiente y teoría de sistemas
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Tema 1. Medio ambiente y teoría de sistemas
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Tema 1. Medio ambiente y teoría de sistemas
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Elabora un diagrama causal o de flujo con los siguientes elementos (agua, vegetación,
efecto invernadero, dióxido de carbono, temperatura atmosférica ) en regiones áridas y
razone si se trata de un sistema con retroalimentación positiva o negativa.
Usa esta conclusión para decidir si se trata de un sistema estable o inestable.
__
Cantidad de
agua
+
__
Vegetación
CO2
atmosférico
Temperatura
+
Efecto
invernadero
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+
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1. Los modelos A y B representan dos posibles
consecuencias de un aumento de las precipitaciones en una
cuenca hidrográfica.
• a) Decide,
razonadamente, si A y
B representan
retroalimentación
positiva o negativa.
• b) Cita al menos dos
factores que
determinen el
desarrollo de un
modelo u otro. ¿Cómo
actúan esos factores?
• c) Propón dos acciones
o medidas que
favorezcan el modelo
A. Explica cómo
actuarían estas
acciones.
Aumento de
precipitación
Cubierta
vegetal
Erosión
Infiltración
Escorrentía
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• A) Los dos modelos presentan retroalimentación positiva. En
ambos, una perturbación produce cambios que amplían
progresivamente los efectos de la perturbación.
• B) Factores a tener en cuenta para el desarrollo de un modelo u
otro: la cubierta vegetal previa al cambio en la precipitación, el tipo
de suelos o la pendiente. Modo de actuación; por ejemplo: una
escasa vegetación previa provocará un aumento de erosión antes
de que pueda desarrollarse la vegetación.
• C) Dos medidas que favorecen al modelo A: reforestación, las
prácticas agrícolas que favorezcan la infiltración y entorpezcan la
erosión, o la adecuación del uso a cultivos que no dejen el suelo
desnudo en época de lluvia.
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