La Tierra y el Medio Ambiente

Un aspecto importante de la ciencia moderna ha sido descubrir que la Tierra es un gran sistema con varios subsistemas en constante interacción (atmósfera, hidrosfera, biosfera y geosfera) y a su vez subdivididos y relacionados entre sí: un cambio en una parte puede producir cambios en otra o en todas las demás, que a veces son imposibles de predecir.

          El medio ambiente incluye todo nuestro entorno: millones de organismos vivos e innumerables procesos que operan de una forma coordinada, gracias a los cuales los seres humanos podemos respirar, beber y comer con comodidad. A pesar de que, en gran medida, los sistemas y los procesos ecológicos puedan ser identificados, para hacerlo, debemos pensar en nuestro medio ambiente como un conjunto y, desde un punto de vista práctico, dividirlo en unidades funcionales de un modo sistemático.

           La Tierra es un sistema que recibe un flujo continuo de energía procedente del Sol (luz visible en su mayoría), que a su vez emite por reflexión en forma de calor (radiación infrarroja, de mayor longitud de onda).

           Para llevar a la práctica un enfoque global, utilizaremos la Teoría de sistemas dinámicos o Dinámica de sistemas, que se basa en observar y analizar las relaciones e interacciones existentes entre las partes del objeto de estudio modelándolo en función de ellas.

TEORÍA GENERAL DE SISTEMAS

             Tradicionalmente la ciencia ha estudiado los problemas mediante un enfoque reduccionista, consistente en dividir el objeto de estudio en sus componentes más simples y observar su comportamiento.

 Este enfoque es poco útil cuando las partes presentan grandes interacciones entre ellas, como ocurre en los sistemas complejos.

 La teoría de sistemas propone una forma sistemática y científica de aproximación y representación de la realidad desde un enfoque holístico.

 El enfoque holístico se centra en el conocimiento global, ya que trata de estudiar las relaciones entre las partes en lugar de detenerse en los detalles.

 Sin rechazar el enfoque reduccionista, que puede enriquecer el conocimiento del conjunto al estudiar detalladamente cada uno de sus componentes, el enfoque holístico es el adecuado para estudiar los sistemas complejos en los que el todo es más que la suma de las partes. 

           Un sistema es un conjunto de elementos en interacción que guardan estrechas relaciones entre sí.  Cuando se habla de sistemas se piensa en una totalidad cuyas propiedades no se pueden atribuir a la simple adición de las propiedades de sus partes o componentes.

            El enfoque sistémico, en el que prima el estudio de las interrelaciones sobre la observación aislada de los fenómenos, es el más adecuado para los estudios medioambientales.

          Los sistemas se estructuran en subsistemas, y estos, a su vez, en componentes cada vez más pequeños. Hay, por lo tanto, sistemas dentro de sistemas. El nivel de observación, es decir, la escala de estudio, dependerá de los intereses de la investigación.

          Los sistemas altamente complejos son impredecibles. Pequeñas variaciones locales pueden experimentar amplificaciones que provoquen efectos a gran escala. Esto es lo que se conoce como “efecto mariposa”.

Tipos de sistemas

 Tomando como criterio los intercambios que realizan con el entorno podemos distinguir:

 - Sistemas abiertos. Se producen entradas y salidas de materia y energía. Por ejemplo, en una ciudad, entra y sale energía; entra materia y salen desechos y productos manufacturados. Otros ejemplos son: un río, un bosque...

- Sistemas cerrados. En ellos no existen intercambios de materia pero sí de energía. Por ejemplo, el ciclo del agua, los ciclos biogeoquímicos.

- Sistemas aislados. No existe intercambio de materia ni de energía. No hay ningún sistema aislado pero se suelen modelar porque es más fácil su manejo matemático. Ejemplo, el Sistema solar y sus planetas.

Por otro lado podemos distinguir entre:

• Sistemas estáticos: cuando los elementos del sistema y las relaciones entre ellos son inmutables.

• Sistemas dinámicos: cuando los elementos constituyentes del sistema fluctúan con el tiempo. Pueden presentarse en un estado de equilibrio dinámico (véanse más adelante los sistemas homeostáticos).

 Modelos

Cuando estudian procesos complejos, los científicos recurren al empleo de modelos, es decir, utilizan versiones simplificadas de la realidad que facilitan su estudio.

            Al diseñar un modelo hay que hacer simplificaciones, eliminando los detalles que no sean relevantes. Por eso, un mismo sistema puede ser representado mediante numerosos modelos en función de los aspectos que se desea estudiar.

            En función de la forma en que se represente la versión simplificada de la realidad, existen modelos mentales, verbales, numéricos (o formales), computacionales, gráficos...

Los modelos imitan, pero no son la realidad. Un buen modelo permitirá predecir situaciones futuras. Además, los modelos permiten hacer experimentos (reproduciendo situaciones) que no podrían hacerse en la realidad. Sin embargo, al ser imitaciones simplificadas siempre van a estar lejos de la complejidad del proceso natural.

            En el estudio de sistemas se emplean básicamente dos tipos de modelos denominados caja negra y caja blanca.

a) El sistema como caja negra . Suponemos que el sistema es una caja opaca y no vemos las partes de su interior, sólo su relación con otros sistemas o, lo que es lo mismo, los flujos de materia, energía e información que entran y salen del sistema (entradas y salidas).

 b) El sistema como caja blanca o transparente. En este caso "vemos" su contenido: los subsistemas del interior, subsistemas que no existen en la realidad sino que es el observador el que establece los límites de cada subsistema. De esta manera, un subsistema suele coincidir con una de las variables que hayamos utilizado para modelar la realidad. A su vez, cada uno de los subsistemas puede ser considerado como un nuevo sistema.

Las etapas que se siguen para elaborar un modelo pueden resumirse en:

•  Formulación del problema. Consiste en establecer el objetivo de la investigación.
•  Descripción del sistema. Se establece cuáles son los componentes del sistema, los posibles subsistemas y sus interacciones. Se seleccionan los componentes que se van a representar y las variables que se van a estudiar, descartando las que se considere que son irrelevantes.
•  Estudio de las relaciones entre variables. Para establecer cuáles son las relaciones causales (causa-efecto).
• Validación del modelo. Se comprueba si el modelo reproduce la realidad y permite predecir su comportamiento.

Relaciones causales

            Son diagramas que representan mediante flechas las conexiones causa-efecto establecidas entre dos o más variables. Nos permitirá conocer la estructura que determina el comportamiento de un sistema dinámico concreto.

Estas relaciones pueden ser simples (positivas, negativas o encadenadas) o complejas (bucles de retroalimentación;positivos o negativos).

1. Relaciones simples . Una relación simple presenta la influencia directa de una variable sobre otra. Pueden ser de tres tipos:

a. Directas o positivas. El incremento o disminución de una variable A supone un incremento o disminución respectivamente de otra variable B. Se representan mediante un signo (+).

b. Inversas o negativas. El incremento de una variable A supone la disminución de otra variable B o viceversa. Se representan con un signo (-).

c. Encadenadas. En ellas el número de variables es mayor de dos, y se pueden leer de forma independiente, dos a dos. "Cuando A aumenta, B disminuye; cuando B aumenta, C aumenta". Se pueden simplificar y reducirlas a una sola relación contando el número de relaciones negativas existentes. Si es par, la relación resultante será positiva. Si es impar, la relación será negativa.

 2. Relaciones complejas . Son aquellas acciones en que una variable influye sobre otra u otras que, a su vez, influyen sobre la primera. El resultado es el establecimiento de un conjunto de relaciones causales encadenadas en círculo cerrado (como la pescadilla que se muerde la cola), que recibe el nombre de bucle de retroalimentación o realimentación feed-back.

a. Realimentación positiva. Se produce cuando la variación de una variable en un sentido (aumento o disminución) produce un cambio de otra u otras variables en el mismo sentido y éstas, a su vez, influyen de la misma manera sobre la primera. Tiene una acción de refuerzo del proceso inicial separándose cada vez más del  punto de partida (frecuentemente está asociado a procesos de crecimiento y diferenciación). Se indica con un signo (+) rodeado de un círculo, situado en el centro de la relación. Se trata de un crecimiento descontrolado. Por ejemplo, el acople de un micrófono y el altavoz correspondiente.                              

          Las realimentaciones positivas se establecen en las cadenas cerradas que tienen un número par de relaciones negativas.

b. Realimentación negativa. Se produce cuando la variación de una variable en un sentido (aumento o disminución) origina un cambio de otra u otras variables en el mismo sentido y éstas, a suvez, influyen sobre la primera en sentido opuesto (disminución o aumento, respectivamente). Su denominación se debe a que, globalmente, la respuesta es negativa con relación al estímulo inicial, es decir,  el exceso de un factor produce una inhibición y el defecto una excitación. Un ejemplo típico es el de un termostato.

           Los bucles de retroalimentación negativa tienen una acción reguladora y estabilizan los sistemas que los poseen, los cuales reciben el nombre de sistemas homeostáticos. Se dan en las relaciones simples encadenadas cerradas en que su número de relaciones negativas es impar. Se indica con un signo (-) dentro de un círculo situado en el centro de la relación.

1.1. LA TIERRA COMO UN GRAN SISTEMA: LA INTERACCIÓN ENTRE LOS SUBSISTEMAS

            Las capas que componen la Tierra no son compartimentos aislados sino que se interconexionan funcionando como un todo. Se trata pues de un sistema abierto que recibe continuamente la energía del Sol y que, además, cuenta con una energía interna propia.

            La energía fluye a través del sistema, provocando transformaciones en sus componentes siendo posteriormente devuelta parcialmente al espacio.

- La Atmósfera en el sistema Tierra . Una de las principales funciones de la atmósfera es modular la energía procedente del Sol y regular la temperatura del planeta. La superficie de la Tierra se calentaría en exceso si no fuera porque alrededor del 30% de la energía solar es reflejada por la atmósfera (efecto albedo). Por otro lado, la circulación general atmosférica contribuye a distribuir la energía incidente desde las zonas ecuatoriales, más calentadas, hacia las zonas de latitudes más altas: es el origen de los fenómenos climáticos.

• Respecto a la Hidrosfera , las olas, las corrientes marinas y la distribución planetaria de las precipitaciones son también consecuencia directa de la dinámica atmosférica.
• Respecto a la Geosfera , la atmósfera ejerce una acción directa sobre las rocas mediante la meteorización y los fenómenos meteorológicos (lluvias, nieve...) son responsables del modelado del relieve.
• Respecto a la Biosfera , la influencia de la atmósfera es decisiva: las radiaciones nocivas (ultravioleta) se filtran, la temperatura terrestre es moderada y la presencia de agua líquida es posible.
• Respecto a la Geosfera , el agua que circula por la superficie terrestre modela el relieve: disuelve o disgrega muchos minerales, arrastra materiales sueltos, los transporta y los sedimenta.
• Respecto a la Biosfera , el agua es fundamental, puesto que forma parte de los seres vivos en una alta proporción, les aporta diversos hábitats (ríos, humedales, mares...) y mantiene la temperatura global en los márgenes adecuados para el desarrollo biológico.
• Respecto a la Atmósfera, el vapor de agua que alcanza la atmósfera es transportado por todo el planeta gracias a la circulación atmosférica. Dependiendo de la latitud y de la altitud (en definitiva, del clima de cada zona), el agua puede devolver parte de su energía a la atmósfera al condensarse, formar nubes y precipitar en forma de lluvia o de nieve sobre los océanos o los continentes.
• Respecto a la Hidrosfera , el agua modela la superficie terrestre con los procesos de erosión, transporte y sedimentación.
• Respecto a la Atmósfera , las erupciones volcánicas liberan gases que modifican localmente la composición atmosférica y calientan el agua subterránea próxima a las cámaras magmáticas.
• Respecto a la Biosfera, es fundamental en la formación de los suelos, sustrato donde se asienta la vida, y en el aporte de sales minerales necesarios para el desarrollo vegetal.

Las relaciones entre Biosfera y Atmósfera son tan importantes que la composición química atmosférica sería muy distinta si el planeta estuviese muerto, es decir, la biosfera regula la composición de la atmósfera actual. Hay que resaltar que la concentración de los distintos gases atmosféricos tiene una influencia considerable en el balance térmico del conjunto de la Tierra.

- La Hidrosfera en el sistema Tierra . Para el conjunto del planeta la hidrosfera, junto con la atmósfera tienen un papel esencial en la regulación térmica, gracias al elevado calor específico del agua (amortigua las variaciones bruscas de temperatura), a las corrientes marinas (redistribuyen el agua caliente hacia zonas frías) y a la reflexión de las radiaciones solares por las masas de hielo glaciar (albedo).

- La Geosfera en el sistema Tierra . La dinámica interna de la Geosfera repercute en la superficie terrestre (creación de cordilleras, fenómenos tectónicos, etc.) y tiene efectos sobre los otros subsistemas.

      Los ciclos biogeoquímicos, finalmente, representan un buen ejemplo de la interrelación entre todos los subsistemas terrestres: elementos como el carbono, el nitrógeno y el fósforo circulan entre el agua, los organismos, el aire o las rocas formando parte de moléculas que permanecen estables durante cierto tiempo en cada lugar.

1.2.CONCEPTO DE MEDIO AMBIENTE

En el congreso de Estocolmo de 1972 se definió como: "un 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".

Las Ciencias medioambientales tratan de comprender y plantear soluciones a los problemas medioambientales que nos rodean: el cambio climático, el agujero en la capa de ozono, la pérdida de la biodiversidad, la desertización... Sólo entendiendo el complejo entramado de las relaciones existentes en la naturaleza, se pueden determinar las acciones adecuadas para solventar nuestros problemas ambientales.

Debemos plantearnos la conservación del medio ambiente tanto para nosotros como para las generaciones venideras. No podemos hipotecar el futuro a cambio de mantener nuestro actual nivel de vida.