MÉtodos de estudio de las ciencias medioambientales: investigación científica, utilización de modelos y métodos de simulacióN






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títuloMÉtodos de estudio de las ciencias medioambientales: investigación científica, utilización de modelos y métodos de simulacióN
fecha de publicación03.12.2015
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TEMA 1.- CONCEPTO DE MEDIO AMBIENTE Y DINÁMICA DE SISTEMAS.

1.- MEDIO AMBIENTE: DEFINICIÓN Y CONCEPTOS ÚTILES.

1.1.- Definición de medio ambiente.

La definición de medio ambiente presenta diferentes matices en función del que proporciona la definición:

1º.- Según la Conferencia de las Naciones Unidas: “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”.

2º.- Una visión económica o productiva considera el medio ambiente como una fuente de recursos, un soporte de actividades productivas, un lugar donde depositar los desechos, etc.

3º.- Desde un punto de vista administrativo-operativo: es un sistema formado por el hombre, la fauna, la flora, el suelo, el aire, el clima, el paisaje, los bienes materiales, el patrimonio cultural y las interacciones entre todos estos factores.

4º.- Una visión desde la Ecología: suma de factores físicos, químicos y biológicos que actúan  sobre un individuo, una población o una comunidad”.
1.2.- Algunos conceptos de utilidad.

Medio: fluidos que rodean y envuelven a los organismos.

Sustrato: superficie del terreno.

Población: conjunto de individuos de la misma especie.

Comunidad o biocenosis: conjunto de seres vivos o de poblaciones que se relacionan en un área natural.

Biotopo: medio + sustrato + factores ambientales abióticos que afectan a los seres vivos. Es una zona de características ambientales uniformes ocupada por una biocenosis

Ecosistema:

a) biocenosis + biotopo

            b) organismos + ambiente + relaciones (con los factores bióticos o abióticos).

Hábitat: conjunto de biotopos donde vive un organismo.

Nicho ecológico: función que una especie desempeña en el ecosistema.

  

En relación con la presencia o ausencia del hombre se pueden considerar  ambientes antrópicos  y no antrópicos.
2.- MÉTODOS DE ESTUDIO DE LAS CIENCIAS MEDIOAMBIENTALES: INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA, UTILIZACIÓN DE MODELOS Y MÉTODOS DE SIMULACIÓN.

Las Ciencias Medioambientales sintetizan e integran aportaciones de diferentes disciplinas, entre las que destacan las Ciencias de la Naturaleza (Biología, Geología, Física y Química) y Ciencias Sociales y Humanidades (Geografía, Historia, Derecho, etc.)

2.1.- Enfoques de estudio de las Ciencias Medioambientales.

             Se han utilizado diferentes  procedimientos de estudio:

  • Enfoque reduccionista.- Es preciso conocer perfectamente las partes para conocer el todo.

  • Enfoque holístico.- La totalidad del conjunto es mayor que la suma de las partes. Trata de conocer las relaciones entre los componentes, aunque no se conozcan con detalle los mismos.

Ambos enfoques no son excluyentes, sino complementarios; sin embargo predomina el enfoque holístico en el estudio medioambiental.
2.2.- El método científico.

  No existe el “método científico” si por tal entendemos un conjunto de reglas a aplicar mecánicamente, cada tipo de problema va a exigir sus propios métodos.  Sin embargo, en toda investigación suelen sucederse ciertas etapas:

Una investigación científica comienza siempre con el planteamiento de un problema, cuyo origen puede estar en la observación de un hecho nuevo o imprevisto, en la aparición de una necesidad de tipo técnico, etc. Pero lo verdaderamente relevante es que la situación se presenta como problemática a la luz de las concepciones aceptadas.

            Las observaciones más elementales requieren conocimientos previos que orientan dicha observación. Además las observaciones se realizan con una finalidad.

             Formulación de hipótesis.- Una hipótesis es una conjetura verosímil (es decir, sin contradicciones evidentes) susceptible de una contrastación experimental (en el campo o en el laboratorio). Las hipótesis se elaboran a partir de un determinado cuerpo de conocimientos, y deben ser verificadas o falseadas.

             Experimentación: diseño, recogida y simulación de datos, análisis de resultados, comunicación de los mismos, realizar predicciones e inferencias, etc.

             Establecimiento de una Ley: es una hipótesis confirmada que afirma una relación constante entre dos o más variables.

             Elaboración de una teoría: las leyes cobran su plena significación en el marco del cuerpo coherente de conocimientos en el que se insertan, es decir, en el marco de una teoría.

 

2.3.- Utilización de modelos y métodos de simulación.

            Un modelo es una representación simplificada de la realidad que se elabora para facilitar su comprensión y estudio.           

Hay dos modelos que nos interesan en el campo de las ciencias ambientales: los modelos mentales y los modelos formales.

Los modelos mentales se forman en la mente de cada persona, por tanto son distintos en cada una. Sirven para guiarnos por el mundo y se van perfeccionando con la experiencia.

Los modelos formales son modelos matemáticos que constituyen aproximaciones a la realidad de forma concreta y precisa. Para elaborarlos se emplean ecuaciones matemáticas que relacionan las variables del modelo. Ej.- el modelo de crecimiento exponencial de una población se representa mediante una ecuación cuyas variables son el número de organismos inicial y el tiempo, entre otras.

El modelo formal ha de verificarse comparándolo con la realidad; si sus predicciones no se ajustan a lo esperado habrá que diseñar un modelo nuevo.



Los métodos de simulación se muestran eficaces en el estudio del medio ambiente, sobre todo cuando intervienen muchas variables en un sistema o cuando es imposible la experimentación directa. En la actualidad se realizan frecuentes simulaciones por ordenador  para determinar la influencia de las variables en los procesos. La comprobación de cada hipótesis requiere partir de un “escenario” o condiciones iniciales y una evaluación temporal en ciertas condiciones. El estudio y comparación de resultados puede conducir a conclusiones válidas.
2.4.- Modelos de sistemas caja negra.

Un sistema caja negra se representa como una caja dentro de la cual no interesa mirar y sólo nos fijamos en sus entradas y salidas de materia, energía e información, es decir, en sus intercambios con el entorno.



Tipos de sistemas caja negra (en función de sus intercambios de materia y energía con el entorno):

  • Abiertos. En ellos se producen entradas y salidas de materia y energía. Ej.- todo ser vivo incorpora materia y energía del exterior (alimento), y libera energía (calor) y materia (desechos).

  • Cerrados. En ellos no hay intercambio de materia, pero sí de energía. Ej.- por ejemplo, un magma entre rocas resistentes a la fusión, que sólo intercambie calor con las mismas. En Ecología, cuando un biotopo posee límites muy definidos que lo separan netamente de otro, se dice que es cerrado, porque constituye una unidad aislada que no se ve apenas influida por factores exteriores. Tal podría ser el caso de una pequeña isla apartada o de un lago sin aporte fluvial. Las biocenosis que ocupan estos biotopos cerrados se autoabastecen, por lo que se denominan biocenosis autárquicas

  • Aislados. En ellos no hay intercambios ni de materia ni de energía con el entorno. Ej.- el Universo, donde la energía se transforma en calor y aumenta el desorden.


2.5.- Modelos de sistemas caja blanca.

Un sistema caja blanca es aquel del que nos interesa su interior, es decir, del que estudiamos sus interacciones y relaciones entre sus miembros o variables. Al representar con flechas las interacciones, formamos un diagrama causal. Ej.- en un panal de abejas, las variables serán la abeja reina, las obreras y los zánganos.



¿Cómo pueden ser las relaciones entre las variables? Simples, cuando un elemento influye sobre otro, y complejas.

Dentro de las relaciones simples encontramos varios tipos:

  • Directas o positivas, cuando ambas variables se mueven en el mismo sentido, de forma que si una aumenta, la otra también, y si una disminuye, la otra disminuye. Ej.- menos luz conlleva menos fotosíntesis, y viceversa



  • Inversas o negativas, cuando ambas variables se mueven en sentido contrario. Así, el aumento de una implica la disminución de la otra y viceversa. Ej.- más ruido permite menos calidad de vida.



  • Encadenadas, que constan de más de dos variables unidas por flechas. Para interpretarlas es mejor leerlas de dos en dos.



Para simplificar se pueden reducir a una sola relación contando el número de relaciones negativas: si es par, la relación resultante será positiva, y si es impar, la relación global será negativa. (¡Ojo! El signo encima no implica el aumento o la disminución de la variable siguiente).

Las relaciones complejas son las acciones de un elemento sobre otro que implican, a su vez, que éste último actúe sobre el primero, es decir, se trata de una relación causal que se cierra sobre sí misma. Estas relaciones se llaman bucles de retroalimentación, y pueden ser positivos o negativos.

  • Bucles de retroalimentación positiva. En ellos, la causa aumenta el efecto y el efecto aumenta la causa. Se establecen en cadenas cerradas que tienen un número par de relaciones negativas. Estos bucles se representan con un signo (+) dentro de un círculo situado en el centro de la relación.



  • Bucles de retroalimentación negativa. En ellas, al aumentar la causa aumenta el efecto, pero el incremento de éste hace disminuir la causa, por lo que reciben el nombre de bucles estabilizadores u homeostáticos. Se establecen en las cadenas cerradas cuando el número de relaciones negativas sea impar. Se representan con un signo (-) dentro de un círculo situado en el centro de la relación.



La retroalimentación negativa mantiene el sistema estable en torno a su estado ideal, o punto de partida, de forma que si el sistema se separa de él, entrarán en funcionamiento mecanismos que recuperarán las condiciones iniciales; por ejemplo, pequeños cambios de temperatura del cuerpo humano. En cambio, la retroalimentación positiva aleja continuamente el sistema de su estado inicial (ejemplo, hipertermia que puede llevar a aumento de metabolismo, que a su vez aumenta la temperatura).
3.- MODELOS DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE.

A la Tierra la podemos considerar como un sistema caja negra cerrado, donde entra y sale energía pero no materia. Recibe energía del Sol, materia y energía de los meteoritos y energía de las mareas; por otra parte, pierde energía en forma de calor y de las mareas. Es un sistema que se autorregula, manteniendo una media de 15º C de temperatura, lo cual permite la existencia de agua líquida y de vida.

Dentro de este sistema “Tierra” se distinguen varios subsistemas:

 Atmósfera: mezcla gaseosa que forma la capa más externa del planeta.

Hidrosfera: capa discontinua de agua que cubre en parte la superficie sólida del planeta (agua continental, oceánica, hielo, agua atmosférica y contenida en los seres vivos)

Geosfera: interesará sobre todo la parte superior de la litosfera.

Biosfera: conjunto de seres vivos.


Los componentes del sistema Tierra se relacionan de una u otra forma en un equilibrio dinámico:

             a)      La biosfera presenta el máximo grado de relación entre sí y con los demás subsistemas. En efecto, los procesos biológicos han modificado drásticamente las características del medio: la atmósfera debe su oxígeno a la fotosíntesis, el contenido de bicarbonato de las aguas oceánicas se relaciona con los seres vivos, etc.

            b)      El agua fluye por la atmósfera, la hidrosfera, la geosfera y la biosfera, mediante sucesivos cambios de estado en el ciclo del agua.

            c)      En los ciclos biogeoquímicos, algunos elementos como el carbono, el nitrógeno o el fósforo van pasando de unos subsistemas a otros, permaneciendo estables en ciertas moléculas, durante algún tiempo.

            d)      Las interacciones entre todos estos subsistemas tienen como resultado la regulación del clima, de modo que el sistema Tierra puede considerarse como un sistema climático.
4.- INTERACCIONES CLIMÁTICAS.

4.1.- El incremento del efecto invernadero.

El efecto invernadero se origina en los primeros 12 km atmosféricos debido a la presencia de ciertos gases (vapor de H2O, CO2, CH4 y N2O) transparentes a la radiación visible solar, que los atraviesa, pero no a la radiación infrarroja o calor que emite la superficie terrestre, previamente calentada por el Sol. Estos gases impiden que salga ese calor, con lo que la Tª de la atmósfera aumenta y se mantiene en unos 15 ºC de media. Eso es bueno porque permite la existencia de agua en estado líquido, base para la vida.



El problema estriba en el incremento del efecto invernadero en los últimos años debido a la creciente expulsión de los gases que lo crean debido a acciones tales como la deforestación incontrolada, la quema de combustibles fósiles y los incendios provocados. Este incremento tiene fatales consecuencias para el medio ambiente, pues provoca un excesivo calentamiento de la atmósfera.

4.2.- El efecto albedo.

El albedo es el porcentaje de radiación solar reflejada por la Tierra hacia el espacio del total de la que incide procedente del Sol.

El albedo varía en función del color de la superficie reflectora. Cuanto más clara sea, mayor cantidad de luz reflejará, por lo que mayor será el albedo y menor la Tª (pues habrá menos calor acumulado). Ej.- la nieve o el hielo son muy reflectores, aumentan el albedo y disminuyen la Tª; esto potenciaría el efecto de una glaciación.
4.3.- Las nubes.

Las nubes ejercen una doble acción sobre el clima:

  • Si están bajas aumentan el albedo, reflejando parte de la energía solar, con lo que disminuye la Tª.

  • Si las nubes son altas, devuelven la radiación infrarroja (calor) de nuevo hacia la Tierra, aumentando el efecto invernadero.



4.4.- El polvo atmosférico.

La capa de polvo en suspensión en la atmósfera (debida a erupciones volcánicas, a impactos de meteoritos, incendios o contaminación del aire) no puede ser atravesada por la radiación solar, por lo que cuanto más gruesa sea dicha película, mayor radiación se refleja y más fría estará la Tierra. Esto provoca parones en la fotosíntesis, colapsos en las cadenas alimenticias, etc. Es como el efecto invernadero, pero al revés.
4.5.- Los volcanes.

Las erupciones volcánicas ejercen un doble efecto sobre el clima:

  • Descenso de la temperatura. Al erupcionar expulsan a la atmósfera mucho polvo o SO2, el cual reacciona con el agua atmosférica para formar H2SO4, que actúa de pantalla impidiendo el paso de radiación solar, con lo que bajan las temperaturas.

  • Aumento de la temperatura. Si al erupcionar el volcán emite mucho CO2, aumenta el efecto invernadero. Este efecto no es evidente hasta que no desaparece el primer efecto de descenso de la temperatura, pero es más duradero.

Por tanto, los volcanes provocan un descenso de la temperatura a corto plazo y un aumento a largo plazo.



4.6.- Variaciones de la radiación solar incidente.

La cantidad de radiación que llega a la Tierra y la forma en que se recibe varían en función de varios parámetros:

  • Excentricidad de la órbita terrestre. Con períodos de 100.000 años, de una órbita casi circular se va pasando a una órbita ligeramente elíptica. Con órbitas más circulares las diferencias estacionales son menores.

  • Inclinación del eje de rotación terrestre. Esta inclinación determina la duración del día y la noche y la existencia de las estaciones.

  • Posición del perihelio. El perihelio es el punto de la órbita terrestre más cercano al Sol, y varía con el tiempo (23.000 años). El afelio es el punto más alejado. En la actualidad la Tierra está en el perihelio durante el invierno del hemisferio Norte (verano del Sur), y en el afelio durante el verano del hemisferio Norte. El calor es mayor en los veranos del perihelio que en los del afelio, y hará más frío en los inviernos de afelio. (Por tanto, en teoría nuestros inviernos no son fríos y nuestros veranos no son excesivamente cálidos).


4.7.- Influencia de la Biosfera.

La Biosfera regula la Tª de la Tierra porque rebaja los niveles de CO2 atmosféricos y por tanto reduce la Tª.

Al comienzo de la Historia de la Tierra, los niveles de CO2 eran muy elevados, lo que suponía un gran efecto invernadero y mucho calor. Cuando aparecieron los primeros organismos fotosintéticos, se produjo una reducción de los niveles de CO2.

Gracias a la fotosíntesis:

  • Se reducen los niveles de CO2 atmosféricos, refrescándose el planeta. (Con la respiración devolvemos el CO2, pero la FS lo consume más rápidamente y emite O2).

  • Aparece el O2 atmosférico, aumentando su concentración hasta el 21%.

  • Se forma la capa de ozono (O3), protectora de los rayos U.V. del Sol.

  • Aumenta el N2 atmosférico debido a reacciones metabólicas de los seres vivos realizadas a partir de los óxidos nitrogenados que hay en el medio.


Algunos autores, principalmente James Lovelock, han desarrollado un modelo de la Tierra conocido como “hipótesis Gaia”, en alusión a la diosa griega Madre Tierra. Según este modelo, la tierra es un superecosistema con numerosas funciones que interaccionan y con mecanismos de retroalimentación que moderan las temperaturas extremas y mantienen relativamente constante el ambiente físico-químico.



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