AL TERMINO DEL CURSO EL ALUMNO ESTARA EN LA CAPACIDAD DE: MODELAR FORMULAS MATEMÁTICAS DE DISPERSIÓN DE CONT CO NTAM AMIN INAN ANTE TESS EN EL EL:: – AGUA – AIRE – SUELO – RUIDO
AL TERMINO DEL CURSO EL ALUMNO ESTARA EN LA CAPACIDAD DE: MODELAR FORMULAS MATEMÁTICAS DE DISPERSIÓN DE CONT CO NTAM AMIN INAN ANTE TESS EN EL EL:: – AGUA – AIRE – SUELO – RUIDO
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DEFINICIÓN DEL AMBIENTE 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.” “Conjunto
Conferencia de la ONU para el Medio Ambiente humano.
Una ciencia interdisciplinar…..
Hidrología Derecho
Ingeniería
Edafología
Ciencias Ambientales
Economía Meteorología
Botánica
Política Zoología
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. En un sistema nos interesa el comportamiento global. Pueden considerarse sistemas un ordenador, un automóvil, un ser vivo, etc.
¿Qué es un sistema? Límite del sistema
Flujo de entrada
Flujo de salida
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 emer gentes. (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.
Un sistema es más que la suma de las partes, las interrelaciones entre estas provocan la formación de propiedades emergentes, que no se aprecian en el estudio de las partes por separado
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
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.
Energía entrante
Energía almacenada
Energía saliente
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 materia y energía (calor) que se genera en los procesos químicos como la respiración.
SISTEMAS CERRADOS: Son los que s ól o i nt er cam bi an en er gía 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
SISTEMAS AISLADOS: Son aquellos que n o i nter camb ian n i mat er ia, n i ener gía con su entorno. En realidad no existen este tipo de sistemas, por tanto, 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.
La energía de los sistemas Cualquier sistema tiene que cumplir los principios 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
La representación d e los s istemas. 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 permiten ver de forma clara y sencilla las distintas variables y las relaciones que se establecen entre ellas.
Estas representaciones se expresiones matemáticas.
hacen
mediante
dibujos,
esquemas
o
Hay diversos tipos de modelos en uso y difieren entre ellos según el propósito que se persiga. La diversidad va desde el más básico modelo físico como ser una estatua o maqueta, hasta modelos muy complicados que sólo pueden utilizarse empleando herramientas informátic pode
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.
Modelado de un sistema
Tipos de modelos Mentales Gráficos Formales o matemáticos De simulación por ordenador
Modelos mentales
Modelos gráficos
Modelos gráficos
Modelo para determinar el plegamiento de estratos
Túnel de viento para simular condiciones de deslizamiento de un esquiador
Modelos matemáticos
MODELOS DE SIMULACIÓN POR ORDENADOR
Modelo de la agitación térmica de un gas.
Modelos estáticos y dinámicos Modelos estáticos. Sus relaciones no dependen del comportamiento del sistema, sólo analiza 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.
Ejemplo: modelo depredador-presa dN / dt
r 1 * N 1
dN / dt
a * P * N 1 * N 2
P * N 1 * N 2
d 2 * N 2
Modelos de caja negra y caja blanca
Es otra forma de utilizar modelos, atendiendo a lo que ocurre en el interior del sistema. Modelo de caja negra
Modelo de caja blanca
Interesan sólo las entradas y salidas de materia, energía e información en el sistema, y no los elementos e interacciones que suceden en el interior.
Se tienen en cuenta las entradas y las salidas, así como las interacciones, las conexiones interiores y las relaciones entre los posibles subsistemas.
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. 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: Constituidos por los seres humanos y las relaciones sociales que se establecen entre ellos, así como las actividades que desarrolla. Los elementos de estos sistemas son por ejemplo los lugares de trabajo, los colegios, el transporte, etc.
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.
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 entre las variables pueden ser de dos tipos: 1. Relaciones causales simples 2. Relaciones causales complejas
de un sistema
Tipos de relaciones causales Directas Simples
Inversas Encadenadas
Relaciones causales
Retroalimentación positiva Complejas
Retroalimentación negativa
RELACIONES CAUSALES SIMPLES RELACIONES SIMPLES : Son cambios positivos o negativos representados por una flecha que une ambas variables. El signo se coloca sobre la flecha. 1. DIRECTAS O POSITIVAS: El cambio de una variable provoca un cambio en la otra del mismo signo. Si una aumenta la otra también. Alcohol y Accidentes de tráfico Pendiente – velocidad del agua
2. INVERSAS O NEGATIVAS: El cambio en una variable provoca un cambio en sentido inverso en la otra. Uso de cinturón de tráfico y muertes en accidentes Reforestación – erosión del suelo
Precipitaciones
+
Caudal de los ríos
Biomasa vegetal
+
Materia orgánica
-
Número de peces
Contaminación
Biomasa vegetal
-
Impacto de la lluvia
El aumento de una de las variables hace que aumente la otra. El aumento de materia orgánica en un lago hace que aumente el número de microorganismos
El aumento de una de las variables hace que disminuya la otra. El aumento microorganismos que utilizan oxígeno para respirar provoca la disminución del oxígeno
Relaciones simples encadenadas: Formadas por una serie de variables unidas mediante flechas. Se pueden reducir a una sola relación, contando el número de relaciones negativas: Si es par o cero: Relación positiva Si es impar: Relación negativa
Tala del bosque
Relación negativa entre tala y suelo Erosión
Vegetación
Relación positiva entre vegetación y suelo Erosión
+ -
-
Cantidad suelo
Cantidad suelo
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 • Negativas
Relaciones complejas positivas La vari variac ació iónn de un unaa vari variab able le en un sen sentido tido (au (aume mennto o dism dismin inuc ució iónn) prod produc ucee 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 proc proces esoo inic inicia iall (com (compo portrtam amie ient ntoo exp explo losi sivo vo o creci crecimi mien ento to desco descont ntro rola lado do ).
a – Investigación b – Desarrollo a
b
c – Biocombustibles d- Alim Alimen ento toss
c
d
Relaciones complejas negativas La vari variac ació iónn de una una varia ariabl blee en un sen sentido tido produ roducce un camb cambio io de otra otra varia ariabl blee en el mism mismoo sent entido ido y ésta ésta,, a su vez, ez, infl influy uyee sobr sobree la prim primer eraa en sent entido ido opue opuessto. to. Tien ienen una acción reguladora y estabilizan los sistemas en los que actúan (sistemas home homeos ostá tátitico cos) s).. Se cons consig igue ue un esta estado do de equi equililibr brio io diná dinámi mico co..
A
B
Cuando la última variable influye en la l a primera, se habla de “feed-back o retroalimentación
Erosión
Vegetación
Cantidad suelo
+ Feed back positivo (número (número par de relaciones negativas) negativas) Crecimiento descontrolado
BUCLES DE REALIMENTACIÓN POSITIVA: En este tipo de bucles, se provoca un crecimiento incontrolado del sistema y continuará mientras el entrono 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
Evapotranspiración Daños al cultivo
Zorros
Venenos
Biomasa vegetal
Precipitación
Nuevas carreteras
Atascos
Nuevos vehículos
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
+
Sistemas propositivos: Son sistemas programados para un propósito 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 forman un sistema propositivo, ya que se autoregulan.
Deducir qué tipo de relaciones simples son las que siguen:
a) lluvia b) tala
- caudal de los ríos -
erosión
c) contaminación
-
-
calidad del suelo
vida
d) masa vegetal
-
impacto gotas
e) masa vegetal
-
materia orgánica
f) población
-
tasa de natalidad
g) construcción edificios
-
h) población
tasa de mortalidad
-
i) concentración gases j) utilización de recursos
-
recursos naturales
efecto invernadero -
impactos
-
temp. terrestre
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.
Sistemas estables (se mantienen en equilibrio): Dominio de bucles negativos
Sistema inestables (efecto bola de nieve): Dominio de bucles positivos En la naturaleza hay ambos tipos de bucles, y en función del momento pueden dominar unos u otros
El sistema está descontrolado
El sistema tiende a regularse
El sistema tierra y sus fuentes de energía El sistema Tierra está formado por 4 subsistemas: 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 hablan de otros dos subsistemas, la CRIOSFERA (capa helada) y la SOCIOSFERA( el ser humano).
La Tierra es un SISTEMA ABIERTO respecto al intercambio de energía: •
•
•
Recibe un flujo continuo de energía solar en forma de radiación electromagnética. Emite calor al espacio (en forma de radiación infrarroja)La Tierra es un SISTEMA que se AUTORREGULA: la temperatura media terrestre se ha mantenido constante durante millones de años, en torno a los 15 ºC. La Tierra está formada por diferentes SUBSISTEMAS (atmósfera, hidrosfera, geosfera y biosfera) que no funcionan de forma aislada, sino que interaccionan para formar un todo conjunto.
Ejemplos de diagramas causales Consumo de alimentos
Peso
Oferta
Demanda
Prepararse para un examen
Resultado del examen
Población
Recursos per cápita
+
+ NACIMIENTOS
POBLACION
+
MUERTES
-
Variables: Lluvia, pastos, contaminación, agua, vacas y alimentación humana.
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 selvicultura. 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 Kioto para evitar el aumento de la sequía, podemos tener cambios climáticos mucho más extremos que lo que hemos conocido hasta ahora,
?
MODELOS DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE LA TIERRA COMO SISTEMA DE CAJA NEGRA
LA TIERRA COMO SISTEMA CAJA BLANCA
EL EFECTO INVERNADERO
Provocado por ciertos gases: vapor de agua, CO2, CH4, N2O.
EL EFECTO ALBEDO Porcentaje de la radiación solar reflejada por la tierra, del total de energía solar que recibe.
Las nubes Doble acción: » Aumentan el albedo. » Incrementan el efecto invernadero. Su acción depende de la altura de las nubes.
Modelo funcionamiento del clima
Dos bucles antagónicos: Equilibrio dinámico
Polvo atmosférico Provocado por:
- Emisiones volcánicas - Meteoritos - Contaminación atmosférica
VOLCANES También provocar efecto:
pueden un doble
Descenso de la Tª: Al inyectar polvo. Aumento de la Tª: P l ii
d
VARIACIONES DE LA RADIACIÓN SOLAR
Excentricidad de la órbita Inclinación del eje Posición del perihelio
INFLUENCIA DE LA BIOSFERA VIDA PRECÁMBRICO
EVOLUCIÓN DE LA ATMÓSFERA
INFLUENCIA DE LA BIOSFERA Reducción de los niveles de CO2: transformación en materia orgánica y almacenaje en combustibles fósiles. Aparición de 02 atmosférico. Formación de la capa de ozono. Aumento del nitrógeno atmosférico
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
. 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
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.
Los pueblos de la costa mediterránea están sufriendo una fuerte presión urbanística que ha provocado importantes impactos en el litoral. La escasez de infraestructuras de depuración unida al incremento de población genera vertidos de aguas residuales cargadas de materia orgánica que produce una sobrepoblación de medusas, contaminación de las aguas, y disminución de los recursos pesqueros en la zona. Urbanizaciones, Población, residuos, contaminación, impactos ambientales
Mapa de Dirección y Velocidad del Viento. Ordenar los datos de Velocidad y Dirección del Viento obtenidos de estaciones meteorológicos
PASO N°1
Estación
UTMX
UTMY
Dirección
Velocidad
A
505008
8590559
22.5
15
B
509924
8583888
45
14
C
506413
8576251
90
12
D
498161
8580376
135
12
E
498952
8573091
112.5
5
F
491402
8575900
180
5
G
482975
8571598
22.5
13
Mapa de Dirección y Velocidad del Viento.
PASO N°2
Adherir la tabla (Add XY Data) de datos e interpolar, (con IDW, Kriging, Spline)
Mapa de Dirección y Velocidad del Viento.
PASO N° 3
Adherir la tabla (Add XY Data) de datos e interpolar, (con IDW, Kriging, Spline)
ArcToolbox/Spatial Analyst Tools/ Interpolation/Spline y click.
Mapa de Dirección y Velocidad del Viento.
PASO N° 3
Adherir la tabla (Add XY Data) de datos e interpolar, (con IDW, Kriging, Spline)
ArcToolbox/Spatial Analyst Tools/ Extraction /Extraction by mask y click.
Mapa de Dirección y Velocidad del Viento.
PASO N° 4
Crear shape de puntos y generar una malla de puntos aleatorios o regulares
ArcToolbox > Spatial Analyst Tools > Extraction
Mapa de Dirección y Velocidad del Viento.
PASO N° 5
Editar los puntos interpolados en flechas (flecha)
Mapa de Dirección y Velocidad del Viento.
PASO N° 5
Editar los puntos interpolados en flechas (flecha)
Mapa de Dirección y Velocidad del Viento.
PASO N° 5
Editar los puntos interpolados en flechas (flecha)
PASO N° 5
Mapa de Dirección y Velocidad del Viento.