Exercicios t1

Ciencias de la Tierra y del Medioambiente · 2º Bachillerato · Solucionario

Ciencias de la Tierra y del Medioambiente 2º Bachillerato SOLUCIONARIO

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UNIDAD 1. CONCEPTO DE MEDIOAMBIENTE Y DINÁMICA DE SISTEMAS

Actividades

1> Al caldearse la atmósfera terrestre a causa del cambio climático se funden los

hielos polares. Explica paso a paso el método científico que se podría seguir para

demostrar la relación entre la fusión de los hielos y el cambio climático. Explica cómo el principio de falsabilidad podría echar por tierra la hipótesis de que la fusión del hielo es causada por un aumento de las temperaturas. La respuesta es abierta pero como mínimo ha de aplicar las siguientes fases del método científico: 1 .º Observación de la realidad. Se observa directamente o a partir de imágenes obtenidas por teledetección que se desprenden los hielos polares. 2.º Emisión de una hipótesis. Existe una relación entre la fusión de los hielos polares y el aumento de las temperaturas medias planetarias. 3.º Diseñar un experimento que nos permita comprobar nuestra hipótesis y realizarlo. Se puede realizar en un laboratorio un experimento para sacar conclusiones sobre cómo influye el aumento de la temperatura en la fusión del hielo. A veces, como en este caso, para demostrar la hipótesis se puede recurrir a observar los hechos que ocurren en la realidad. Para ello, se miden a lo largo y ancho de todo el globo las temperaturas medias, se recogen estos datos y se comparan con las registradas, por ejemplo, a lo largo de los 100 últimos años. Posteriormente se busca una correlación entre el incremento de temperatura y la cantidad de hielo que se desprende y funde para interpretar los resultados obtenidos. 4.º Verificar la hipótesis. Para demostrar una hipótesis con validez científica hay que contrastarla. Si nuestros datos contradicen la hipótesis, aceptamos una alternativa; si, por el contrario, no se puede demostrar su falsedad (principio de falsabilidad), la aceptamos aunque no podremos afirmar que sea verdadera, sólo que es la más útil encontrada hasta el momento y todavía no se han hallado pruebas que la invaliden. 5.º Extraer y comunicar las conclusiones al resto de la comunidad científica. Esto posibilita el avance de las ciencias.

2> Describe el sistema bosque representado en la

Figura 1.30 como modelo caja negra. ¿De qué tipo es

y por qué? Señala los cambios en las entradas y salidas de materia y

energía, cuando se produce el impacto de un

incendio y cuando se extrae madera.

© Mcgraw-Hill Education 1-1




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El sistema representado en la Figura 1.30 es un bosque. En él se observan sus fronteras o límites, señalados mediante una línea de puntos, que permite distinguir el interior del exterior y determinar sus entradas y salidas de materia y energía. Se trata de un sistema caja negra abierto, ya que entra y sale energía y materia:

– La energía. Entra energía solar que será transformada por los productores en energía química, de esta forma será transferida a los otros seres vivos del sistema. Además, tanto los productores como el resto de los organismos del sistema, cuando respiran, utilizan parte de la energía contenida en la materia orgánica para sus procesos vitales y liberan calor, que sale del sistema. – La materia. Entra agua por precipitación o procedente del suelo y sale por escorrentía superficial, por infiltración o por evapotranspiración. Entra CO2 y sale oxígeno como resultado del proceso fotosintético. Entran nutrientes como los fosfatos, los nitratos, etc., procedentes del suelo, presentes en él como resultado de la descomposición de la materia orgánica llevada a cabo por los descomponedores o que, procedentes de otros lugares, han sido arrastrados hasta él por las aguas, o incluso que proceden de la roca madre. Los nutrientes escapan del sistema como consecuencia del lixiviado (llegados a este punto hay que explicar al alumnado lo que es el lixiviado). Durante un incendio no dejan de cumplirse los principios termodinámicos: la energía que entra es igual a la suma de la almacenada y la que sale. Por tanto, tras el incendio, se libera más calor, por lo que la energía almacenada se reduce al quemarse y su entropía aumenta. Además, entrará más oxígeno y saldrá mucho más CO2 y vapor de agua; pero, sin embargo, no saldrá oxígeno. Por todo ello, podemos decir que el sistema se hace mucho más abierto. Si se extrae madera que, si recordamos la Figura 1.8, posee una menor entropía, estaremos quitándole energía almacenada y, por tanto, de nuevo haciendo el sistema más abierto.

3> Pon un signo (+) o (–) sobre cada una de las flechas, para determinar el tipo de relación casual que se establece entre las variables señaladas: • Tráfico rodado -( )-> Calidad del aire -( )-> Salud humana

• Caudal del río -( )-> Agua para el riego -( )-> Productos agrarios -( )-> Beneficios económicos

• Fotosíntesis -( )-> Material vegetal -( )-> CO2 atmosférico -( )-> Temperatura terrestre • Pendiente del terreno -( )-> Erosión • Horas de estudio -( )-> Resultados académicos • Lluvias -( )-> Pastos -( )-> Producción ganadera • Comida rápida -( )-> Cáncer de colon -( )-> Gastos hospitalarios • Explotación minera -( )-> Recurso mineral -( )-> Posibilidad de empleo • Tala -( )-> Bosques -( )-> Erosión -( )-> Suelo-( )-> Cultivos-( )-> Alimentos Los conocimientos previos del alumnado le ayudarán a deducir el sentido del signo: • Tráfico rodado -(-)-> Calidad del aire -(+)-> Salud humana

• Caudal del río -(+)-> Agua para el riego -(+)-> Productos agrarios -(+)-> Beneficios económicos

• Fotosíntesis -(+)-> Material vegetal -(-)-> CO2 atmosférico -(+)-> Temperatura terrestre • Pendiente del terreno -(+)-> Erosión • Horas de estudio -(+)-> Resultados académicos • Lluvias -(+)-> Pastos -(+)-> Producción ganadera • Comida rápida -(+)-> Cáncer de colon -(+)-> Gastos hospitalarios • Explotación minera -(-)-> Recurso mineral -(+)-> Posibilidad de empleo • Tala -(-)-> Bosques -(-)-> Erosión -(-)-> Suelo-(+)-> Cultivos-(+)-> Alimentos



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4> Diseña un diagrama causal con las siguientes variables y cambia el orden de los datos según tu lógica: lluvia, pastos, contaminación, agua, vacas y alimentación humana. Explica cómo repercute cada una de las variables sobre la alimentación de las personas.

Las lluvias aumentan el agua para el riego, con lo que se incrementan los pastos, y aumentan las vacas (si se alimentan de pastos y no de piensos de procedencia animal), por lo que aumentan los alimentos disponibles por las personas. La contaminación provoca una disminución de la calidad del agua, por lo que influye negativamente sobre la alimentación humana.

5> Los incendios forestales constituyen un grave problema ambiental en España. Cada verano desaparecen muchas hectáreas de bosque y dejan el suelo desprotegido y vulnerable a la erosión. Como consecuencia, se pierde el agua que el suelo retenía y causa una sequía en la zona, que la hace más susceptible a los incendios. Indica las seis variables del sistema tal como está explicado, diseña el diagrama causal correspondiente y explica el tipo de bucle que se forma y sus consecuencias.

Se origina un bucle de realimentación positiva, lo que es malo para el sistema pues produce un crecimiento desbocado, ya que al aumentar la causa, aumenta el efecto y viceversa. Así, al aumentar la sequía aumentan los incendios y al incrementarse estos aumenta la sequía.





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6> Cuando se intentan reducir los atascos construyendo más carreteras, el número de personas que decide usar su vehículo es mayor, lo que causa más atascos. a) Realiza un diagrama causal y trata de cerrarlo. ¿Qué has obtenido? ¿Cuáles son sus consecuencias?

Se pretende que el alumnado tome conciencia de que es un grave problema que prácticamente toda obra civil realizada pronto se vea superada por las expectativas de su uso. Ello se debe a que gente que no la utilizaba anteriormente, se decide a utilizarla, como es el caso de las carreteras. En algunos estudios se constata el hecho de que no importa el número de carriles que se coloquen, ya que nunca serán suficientes. El alumnado debe reconocer y diseñar el bucle de realimentación positivo existente y modelarlo adecuadamente. b) Propón otros escenarios que eviten el problema de los atascos y no impliquen la construcción de nuevas carreteras. Las soluciones que debe proponer el alumnado como alternativas son medidas encaminadas a propiciar una utilización del transporte colectivo u otras vías de comunicación, como pueden ser el tren, etc. Por otro lado, las soluciones aportadas dependerán de la problemática concreta del municipio, por lo que deberá realizar un cierto análisis de los problemas urbanísticos más cercanos a él.

7> El agua utilizada por un pueblo se emplea para uso doméstico, para dar de beber al ganado y para regar los jardines. Esta agua procede de un depósito que, a su vez, se abastece a partir de un acuífero subterráneo cuya recarga depende de las lluvias y cuyo nivel desciende durante las épocas de sequía. a) Diseña el diagrama causal correspondiente al enunciado.

Se pretende que el alumnado sea capaz de aplicar la dinámica de sistemas al diseño de un modelo basado en la disponibilidad de un recurso, y que aporte algunas soluciones derivadas del modelo. El modelo es el que sigue, siendo la variable principal la cantidad de agua almacenada en el depósito:




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NOTA: La variable «sequía» no tendría que figurar en el modelo pues es innecesaria, ya que significa la ausencia prolongada de precipitaciones. b) A partir del diagrama, propón una serie de medidas que garanticen el abastecimiento de agua en ese pueblo. El agua disponible va a depender del balance entre las entradas por lluvias y las salidas por los diferentes usos: durante las épocas de sequía disminuye la cantidad de agua disponible. También disminuye si se usa en exceso, como indican los tres bucles de realimentación negativa que figuran en el modelo. Por lo tanto, para que el depósito siempre tenga la misma cantidad, es decir, para que se mantenga en estado estacionario, se ha de cumplir: que las salidas por uso sean iguales que las entradas por precipitación. Esto quería decir que, en los años de sequía, habría que aplicar restricciones de uso.

8> Lee el siguiente texto y contesta las preguntas:

«El pastoreo nómada de las sabanas herbáceas de África Oriental se ha adaptado a la variabilidad climática durante miles de años. El pastoreo móvil resulta idóneo como medio de vida en estas tierras de escasas precipitaciones, pues desplazan el ganado según varía la disponibilidad de agua y pastos. Concretamente, los masáis, pastores nómadas de Tanzania y Kenia, se han adaptado a este ambiente: pastan en las praderas durante la estación húmeda y se reúnen en torno a los manantiales durante la estación seca. Su alimentación es a base de frutos y hortalizas silvestres durante la época seca. La proteína animal la obtienen de la leche y de la sangre de sus vacas, que extraen a través de una vena del cuello. Al no sacrificar las reses, el rebaño puede crecer. Sin embargo, si los rebaños se hacen excesivamente grandes, son más susceptibles ante las enfermedades, con lo que muchos de los animales mueren y la población se mantiene. Durante las últimas décadas del siglo xx, se aplica a los pastizales africanos el tratamiento habitual de las regiones templadas: se asignan tierras de pastoreo fijas que se mantienen mediante la perforación de pozos, se concentran asentamientos humanos y cultivos agrícolas en las inmediaciones de los mismos. Con la reducción de la movilidad de los pastores se ha producido el aumento excesivo del número de cabezas de ganado, la reducción de la cantidad de agua disponible y el incremento de la aridez, lo que ha desembocado en una reducción de las tierras de pasto y un descenso de la producción lechera de todas las especies. Además, al aumentar mucho el número de habitantes por asentamiento, se ha elevado la presión sobre los recursos hídricos y sobre las tierras de pastoreo. La población ganadera crece a un ritmo menor que la población humana, lo que conduce al hambre y a un mayor riesgo de epidemias asociados. Respecto a la posible incidencia del cambio climático, se prevé una reducción de las ya escasas precipitaciones, un incremento de la sequía y de episodios de lluvias torrenciales, con una mayor frecuencia de las inundaciones, así como un mayor riesgo de padecer enfermedades humanas y del ganado». El objetivo de esta actividad es que el alumnado diseñe dos diagramas causales explicativos del modo de vida tradicional de los masáis y de los cambios producidos con la introducción de costumbres sociales propias de los países situados en regiones templadas, y que deduzcan las repercusiones en cadena de dichas intervenciones. a) Diseña el bucle de realimentación que regulaba el número de cabezas de ganado de los rebaños masáis tradicionales.




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b) ¿Cómo conseguían tradicionalmente mantener la población humana y la cabaña ganadera sin deteriorar el entorno? Tanto la población de masáis como la de las vacas se mantenía en equilibrio con los bucles naturales de toda población: nacimientos y defunciones. Gracias a la emigración conjunta de personas y vacas durante las épocas de sequía, ambas poblaciones se mantenían en equilibrio y sin producir un deterioro en el entorno. c) Enumera los problemas ambientales derivados de aplicar medidas similares a las praderas templadas en las sabanas africanas. Los problemas ambientales derivados de la implantación de pozos de riesgo de los pastos y de la no emigración de los masáis son los siguientes: – El hacinamiento de personas en ciertos lugares, los cultivos agrícolas y el aumento del número de cabezas de ganado dan lugar a una reducción de los recursos hídricos. – La reducción de los recursos hídricos propicia la sequía. – La sequía continuada conduce a la aridez. – La aridez origina malas cosechas. – Las malas cosechas causan debilidad y hambrunas. – El hacinamiento y la debilidad hacen aumentar el riesgo de epidemias.

d) Diseña un diagrama causal que represente los problemas ambientales desencadenados a consecuencia de la construcción de pozos. Hemos simplificado algo las variables para mejorar la comprensión del modelo, aunque se podría complicar un poco más si se le añaden más variables, como por ejemplo las siguientes relaciones directas o positivas: Cambio climático → lluvias torrenciales →

inundaciones → enfermedades relacionadas con el agua.




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Modelo 2:

e) ¿Cómo afectaría el cambio climático a la situación de estos pastores.

Se produce un aumento de la vulnerabilidad ante el cambio climático y los riesgos asociados (inundaciones, sequía, enfermedades, etc.).

9> El número de individuos de una población crece hasta alcanzar un estado estacionario. Sin embargo, su crecimiento en torno al límite de carga no es continuo, sino que el número de individuos sufre una serie de oscilaciones o fluctuaciones, lo que se conoce con el nombre de equilibrio dinámico. Observa las cuatro gráficas de población (Fig. 1.31) y contesta a las siguientes preguntas:




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Se trata de que observen y analicen cada gráfica, expresando en forma escrita el efecto que ejercen sobre el crecimiento de la población los bucles de la TN y TM. Si TN>TM, la gráfica sigue una curva ascendente (crecimiento exponencial), ya que predomina el bucle positivo; si TN<TM, la gráfica es descendente al predominar el bucle negativo; y si TN=TM, sigue una línea recta ya que se alcanza «el crecimiento cero». a) Explica cómo evoluciona la población A hasta alcanzar su límite de carga. ¿Qué bucle de realimentación es el que ha provocado su vertiginoso ascenso?

En la gráfica A se observa predominio del bucle positivo en la primera fase, hasta que se alcanza el límite de carga. El crecimiento cero no es constante, sino que sigue altibajos (fluctuaciones) en torno al límite de carga. -Ascenso. Se producen cuando TN>TM, la gráfica sigue una curva ascendente (crecimiento exponencial), ya que predomina el bucle positivo. b) ¿Qué es el límite de carga? ¿Qué bucles participan en las subidas y en las bajadas que se producen con cada fluctuación? En este caso es el máximo número de individuos de la población que se pueden mantener en un determinado espacio o en unas determinadas condiciones ambientales. En las subidas, predomina el bucle positivo (nacimientos); y en las bajadas, el negativo (defunciones). c) ¿Cuándo decimos que una población se halla en estado estacionario? ¿Qué se entiende por equilibrio dinámico? Cuando el número de nacimientos por unidad de tiempo se iguala al de defunciones (TN=TM). El equilibrio dinámico se representa mediante las fluctuaciones, es decir, el número de individuos se mantiene constante aunque los individuos cambien. d) Mira la población B y explica qué tiene que haber ocurrido en el entorno en el que vive para que su crecimiento experimente un salto vertiginoso hasta alcanzar un nuevo límite de carga. ¿Qué bucle es el responsable de dicho salto? ¿Por qué?

En la gráfica de la población B se observan dos aumentos en el límite de carga, un bucle positivo incrementa la población hasta un límite de carga superior, que pueden ser debidos a una mejora de las condiciones ambientales o a la tecnología. Por ejemplo, en el caso humano, podría representar los dos saltos acaecidos: el primero supone el paso de una sociedad cazadora-recolectora a otra agrícola-ganadera y, el segundo, de esta última, a otra sociedad industrializada. e) Mira la población C y, por comparación con la del ejemplo anterior, explica qué puede haber ocurrido para que experimente ese descenso. ¿Qué bucle es el responsable de dicho salto? ¿Por qué? En la gráfica de la población C se observan fluctuaciones cíclicas originadas por la alternancia en el predominio de ambos bucles. Por ejemplo, una población cuyos recursos sufren altibajos temporales. El primer tramo es similar a las gráficas anteriores, pero después, tras un tiempo de fuerte influencia del bucle negativo, se alcanza la estabilidad en torno a un límite de carga menor, probablemente motivado por un cambio en las condiciones del medio (por ejemplo, tras su quema parcial), que provoca la reducción del número de individuos que se pueden mantener. f) La población D se acaba extinguiendo. Explica a partir de la gráfica cómo se produce una extinción. En caso de la gráfica que representa la población D es parecido al de la población C, pero aquí el cambio es tan drástico que provoca la extinción de la población. Así, la caza masiva de una determinada especie o la carencia de sustento debido a un cambio en las condiciones ambientales.




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g) ¿Con qué gráficas se corresponderían estos supuestos?

• Una población que habita en un lugar en el que repentinamente el clima se hace más frío. – Con la C. • Se quema un bosque; el resultado es que queda totalmente arrasado. – Con la D.

• Una especie animal que habita en un lugar en el que el clima se suaviza, transformándose en otro un poco más cálido y húmedo. – Con la B.

• Las personas pasan de cultivar con ayuda de animales a hacerlo con maquinaria agrícola. – Con la B. • Una erupción volcánica arrasa una isla. – Con la D. • Una población llega a un terreno virgen y se desarrolla en él. – Con la A. • Un cultivo que tras un tiempo de crecimiento se comienza a regar y a abonar. – Con la B.

10> Te proponemos otro modelo caja blanca sobre la regulación del clima en la

Tierra. En él se recogen las principales variables que actúan (Fig. 1.48).

Se pretende que sean capaces de aplicar todos los conocimientos adquiridos hasta este

momento.

a) Señala sobre los círculos marcados el tipo de bucle que se establece, enumerando las variables que los constituyen y su incidencia sobre el clima.




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Además, sería conveniente que fueran leyendo las relaciones causales que constituyen cada uno de los bucles; y de explicar el significado de cada uno de los mismos para el clima: el albedo, reduce la temperatura; el invernadero, la aumenta, etcétera. Hay que tener cuidado con el bucle representado en la parte inferior derecha porque

tienden a interpretarlo así: «al aumentar la nubosidad, aumenta la evaporación; al aumentar la precipitación, disminuye el dióxido de carbono; al aumentar el dióxido de

carbono, aumenta el efecto invernadero… y tienden a cerrarlo con la nubosidad. Por eso hay que recordarles que solo es un bucle el que se cierra sobre sí mismo y que deben

cerrarlo diciendo «al aumentar el efecto invernadero, aumenta la temperatura ». El resto de los bucles son más sencillos y parecidos a los vistos hasta ahora. b) Clasifica las variables en función del subsistema terrestre al que pertenecen.

A partir de las Figuras 1.32, 1.33 y 1.34, podrán indicar que la radiación incidente es una variable externa al sistema; que el polvo atmosférico, el dióxido de carbono, el efecto

invernadero, el albedo, la temperatura y la nubosidad pertenecen al subsistema atmósfera; la evaporación y la precipitación constituyen interacciones atmósfera hidrosfera; la vida pertenece a la biosfera; los volcanes a la geosfera, y el hielo, a la

criosfera. c) Supón un escenario de simulación en el que la radiación incidente aumenta.

¿Qué hará el sistema Tierra para mantener constante su temperatura? ¿Por qué? Se pretende que sean capaces de realizar simulaciones muy sencillas: si aumenta la radiación incidente, la temperatura terrestre se puede mantener con un aumento del albedo, con una disminución del invernadero, o con el aumento de la fotosíntesis.

d) Supón otro escenario en el que baja la radiación incidente y haz el mismo

razonamiento. ¿Qué ocurriría tras el impacto de un meteorito? Si baja la radiación incidente se han de activar los bucles de aumento de la temperatura: el del efecto invernadero; o se ha de reducir el albedo.

El efecto de un meteorito (suponiendo que su tamaño fuera considerable) sería de aumento de polvo atmosférico, con una reducción de la radiación incidente y un descenso de las temperaturas pero, a la vez, una disminución de la fotosíntesis, con lo que, al no rebajar el dióxido de carbono en la atmósfera, no se reduce tanto el efecto invernadero. Se puede aprovechar para comentar que esta parece ser la causa de la extinción de los dinosaurios.




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e) Introduce ahora en el modelo las dos variables antrópicas que más modifican el clima: la contaminación y la deforestación. ¿Cuál de las dos actúa de manera parecida a los volcanes? ¿Por qué? ¿Qué bucles se ven reforzado con la introducción de ambas variables? ¿Qué consecuencias climáticas conlleva?

La variable antrópica que actúa de forma parecida a los volcanes es la contaminación atmosférica, ya que se produce una emisión de polvo y dióxido de carbono, entre otros contaminantes. Respecto a la deforestación podemos decir que actúa oponiéndose a la reducción de dióxido de carbono atmosférico, es decir, en sentido contrario a la fotosíntesis.

Con la contaminación se refuerza el bucle del invernadero porque el polvo emitido persiste poco tiempo en la atmósfera y cae sobre la tierra con las precipitaciones. La deforestación refuerza igualmente el bucle del invernadero. La conclusión es que parece que la

humanidad tiende a llevar la contraria al sistema tierra, ya que tendemos a incrementar el efecto invernadero mientras que el sistema lo que intenta es exactamente lo contrario, es

decir, tiende a refrescarse debido a las condiciones de un aumento progresivo de la radiación incidente.

11> En la Figura 1.49 se representan las variaciones de la temperatura media de

la atmósfera en función de las concentraciones de ciertos gases que han sido

establecidas mediante un modelo climático elaborado por un grupo de expertos para el GARP (Programa Global de Investigación Atmosférica) que trabajan para

la WMO (World Meterological Organization).

a) Según la figura: • ¿Cuáles son los gases que aumentan el efecto invernadero e incrementan la

temperatura del planeta? • ¿Y el albedo?

Todos los que incrementan la temperatura (el aumento del CO2, de la radiación incidente solar, de las nubes altas, de los N2O y del CH4) producen calentamiento. El aumento de los aerosoles SO2, del albedo terrestre y de las nubes bajas producen enfriamiento (aumentan el albedo).




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• Explica cómo afectaría a la temperatura media del planeta el aumento de cada uno de ellos indicado en la leyenda, teniendo presente que la temperatura media es de unos 15 °C en la actualidad.

La duplicación de todos ellos provocaría las siguientes variaciones en la temperatura planetaria: + 2,8 + 1,6 – 1,9 – 1,3 – 1,4 + 0,9 + 0,6 + 0,4 = +1,7 ºC, que añadidos a

los 15 ºC que existen como media, elevaría esta hasta los 16,7 ºC. b) ¿Qué efectos diferentes producen las nubes? ¿Cuál es el resultado de la suma

de ambos efectos para el clima terrestre? Podemos comprobar que las nubes altas aumentan el efecto invernadero, en tanto que las bajas aumentan el albedo. La suma de ambos efectos (–1,4 + 0,9 = –0,5 ºC) supone que

su efecto albedo es más evidente.

12> Se cree que la atmósfera primitiva carecía de oxígeno y que contenía mucho

más CO2 que hoy. La aparición de la vida sobre la Tierra marcó una diferencia fundamental frente al resto de los planetas. Su evolución fue paralela a las

condiciones terrestres, y a su vez las modificó. En esto se basa la Hipótesis de Gaia (J. Lovelock), que considera al planeta en su conjunto como un sistema homeostático.

Mira atentamente la Figura 1.44 y contesta las siguientes preguntas:




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Con esta actividad se pretende que los alumnos sean capaces de comprender y explicar la evolución de la atmósfera terrestre estudiada en este apartado, considerando en cada momento los factores principales que han hecho posible sus cambios más relevantes, y observando cómo se añaden en su evolución nuevos bucles de realimentación que refuerzan los ya existentes. Esto da al sistema un gran dinamismo de forma que, a pesar de las modificaciones, se automantiene y se autorregula.

a) Señala las diferencias entre la composición de la atmósfera inicial y la actual. Según se aprecia en la gráfica, al comienzo se ve que la atmósfera estaba constituida mayoritariamente por dióxido de carbono y, actualmente por un 78 % nitrógeno; 21 % oxígeno y 0,03 % dióxido de carbono, entre otros componentes.

b) Describe la evolución de los componentes atmosféricos desde que surge la vida. Indica cuáles aumentan y cuáles disminuyen. ¿Hay alguno nuevo? Es muy interesante considerar esta evolución bajo el paradigma de la consideración de la

Tierra como un sistema autorregulado (Gaia, de Lovelock), según el cual vivimos en una situación altamente inestable, obtenida y mantenida a través de la participación activa de

los seres vivos y que está señalada por los cambios drásticos en la composición atmosférica. El principal cambio de los componentes atmosféricos ha consistido en la aparición del oxígeno libre como resultado de los procesos de fotosíntesis. Es de destacar

que el oxígeno, fuerte oxidante, es poco probable que pueda existir de forma constante en una atmósfera sin la participación de los seres vivos, ya que reacciona formando

rápidamente óxidos, desapareciendo de su estado libre. Al comenzar la vida, hace aproximadamente 3,5 eones, las condiciones de temperatura permitirían que la Tierra fuera habitable, y puesto que el sol calentaba menos que en

nuestra época, debió existir mucha más cantidad de CO2, alcanzando una proporción aproximada del 98 %. Esto contribuiría a la existencia de un fuerte efecto invernadero. En

Venus, a pesar de que las concentraciones atmosféricas iniciales serían aproximadamente las mismas que en la Tierra, hoy continúa siendo su componente mayoritario. Parece que la razón hay que buscarla en el mecanismo terrestre de almacenamiento de dicho gas

(disuelto en el agua del océano, transformado en rocas con carbonatos, en forma de materia viva y en forma de combustibles fósiles), reduciéndose así sus proporciones

atmosféricas hasta las 366 partes por millón actuales. En Venus, por su mayor proximidad al Sol, el agua se debió evaporar, imposibilitando la disolución del CO2 excedente y

elevando la temperatura del planeta, debido al efecto invernadero. Al aparecer la vida, se observa un descenso en los niveles de CO2, utilizado para la síntesis de materia orgánica, probablemente llevado a cabo, en principio, por bacterias quimiosintéticas. Dicho proceso que, a pesar de su bajo rendimiento, hoy perdura en los suelos y en las profundidades marinas, evita la emisión del mortal O2, propio de los organismos fotosintéticos, que dañaría el material genético de los organismos vivos no provistos de la protectora membrana nuclear. Además, existirían consumidores heterótrofos capaces de obtener energía a partir de procesos anaerobios, de tipo fermentativo, que emitirían metano a la atmósfera, gas de efecto invernadero más potente que el CO2. De esta manera, a pesar del descenso en CO2, la presencia de metano y su elevada concentración atmosférica realimentaría de manera positiva el efecto invernadero.

El mecanismo de fotosíntesis, que aparece con las cianobacterias o algas azules,

provocará grandes cambios en la composición atmosférica. El poder reductor, necesario para este proceso, es obtenido a partir de la ruptura de las moléculas agua por la luz solar que, pese a constituir un mecanismo de síntesis de materia orgánica más eficiente que la

quimiosíntesis, supone un inconveniente para los seres vivos ya que se desprende el letal oxígeno.




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Al comienzo de la fotosíntesis, el O2 no saldría del mar porque reaccionaría con hierro y

azufre oceánicos precipitando, dando lugar a la formación de grandes depósitos sedimentarios; pero, hace aproximadamente 2.000 millones de años, cuando este

mecanismo se saturó, el O2 comenzaría a difundir hacia la atmósfera haciéndola progresivamente más oxidante. A partir de ese momento ocurren los siguientes

acontecimientos: – Aumento gradual de concentración de oxígeno en la atmósfera hasta alcanzar el 21 % actual.

– Formación de la vital capa de O3, protectora de los rayos u.v. solares. Hecho que permitirá la expansión de la vida y la colonización continental.

– Aumento del nitrógeno atmosférico por oxidación de los compuestos nitrogenados

existentes, elevándose progresivamente sus niveles hasta los actuales (78 %). – La aparición de los organismos eucarióticos que poseen una membrana nuclear aísla al ADN del mortal O2. Dichos organismos van a poseer además los mecanismos enzimáticos

capaces de neutralizar los subproductos tóxicos de la respiración aeróbica, como son el peróxido de hidrógeno o los radicales -OH.

– Caída brusca de la concentración del CO2 tras la aparición de la fotosíntesis, posteriormente la respiración contribuiría a restituirlo a la atmósfera, pero en menor cantidad. Esta rebaja del efecto invernadero supone un mecanismo de ajuste, que

refresca el planeta manteniendo la temperatura, cuya tendencia sería a la alza a medida que el Sol envejece.

– Reclusión de los organismos metanógenos en sus refugios actuales: interior de intestinos, lugares pantanosos, fondos oceánicos, etc., al no poder soportar una atmósfera tan oxidante. Las conclusiones son que la fotosíntesis va a suponer un descenso en el

efecto invernadero derivado de la captura de CO2 y de su transformación en materia orgánica, oponiéndose a la tendencia del Sol a elevar la temperatura planetaria. Los

mecanismos de almacenaje de CO2 son en forma de: materia viva, madera, caparazones, conchas, rocas calizas, carbón y petróleo. La fotosíntesis hace posible la existencia del oxígeno, que permite la aparición del mecanismo respiratorio, cuya contribución a elevar

los niveles de CO2 atmosféricos va a estar limitada por la propia fotosíntesis, pues de ella depende la cantidad de alimento disponible para dicho proceso. Otra conclusión sería que

la vida tiende a refrescar el planeta a partir del almacenamiento del CO2.

c) Señala el momento exacto en el que se producen los cambios más significativos. Explica sus causas y sus efectos. Los cambios más significativos están indicados en amarillo en la parte superior de la gráfica de la Figura 1.44, en la parte inferior de la gráfica o descritos en el propio texto. También pueden realizar una búsqueda de información por Internet:

- Formación de la Tierra, hace 4.500 millones de años.

- Comienzo de la vida, hace aproximadamente 3.500 millones de años. - Primeros organismos fotosintéticos, hace unos 3.000 millones de años. - Aparición del oxígeno en los océanos como resultado del proceso fotosintético, hace

3.000 millones de años. - El oxígeno comienza a difundir del agua hacia el aire, hace unos 2.000 millones de años.

- Primeros organismos escaróticos, provistos de membrana nuclear que les permite vivir en ambientes aeróbicos, hace unos 1.500 millones de años. - Primeros organismos pluricelulares, hace unos 900 millones de años.

- Aparición de la capa de ozono, que permite la vida en la Tierra, hace unos 550 millones de años. Primeros organismos terrestres.

- Aparición del Homo sapiens, hace 195.000 años, según los restos más antiguos encontrados el Etiopía.




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13> En la Figura 1.50 se analiza la influencia de las acciones humanas sobre el

clima:

Se trata por un lado de reforzar los contenidos y por otro de que deduzcan la influencia de las actividades humanas sobre la máquina climática.

a) Explica cómo influyen sobre el clima todas las relaciones causales cuyo origen sea natural pero que no se deban a la acción de los seres vivos.

Los gases de efecto invernadero y el aumento de radiación incidente provocan un aumento de la temperatura. El aumento del albedo provoca una reducción de la

temperatura. El aumento de las nubes altas provoca un aumento de la temperatura debido al aumento del efecto invernadero; las bajas aumentan el albedo por lo que reducen la temperatura.

Las erupciones volcánicas de CO2 provocan un aumento del efecto invernadero; las de SO2

aumentan el albedo. Las primeras actúan a más largo plazo que las segundas.

b) ¿Cómo actúan los seres vivos sobre el clima terrestre? ¿Cuál puede ser el motivo?

La tendencia natural del sistema Tierra es al calentamiento debido a que recibe progresivamente una mayor cantidad de radiación solar. Sin embargo, con la aparición de la biosfera, comienza la fotosíntesis que provoca una rebaja del CO2 atmosférico y, por

tanto, un descenso de las temperaturas medias. c) ¿Por qué decimos que el sistema climático se autorregula? Explícalo con algún

ejemplo concreto. Si su tendencia es al calentamiento, aparece la biosfera que neutraliza este efecto. Por otro lado, los bucles de realimentación naturales del sistema tierra (mira de nuevo la Figura 1.41 y también la 1.46, en la que se incluye la biosfera) hacen posible su autorregulación.

d) Analiza todas las acciones humanas sobre la máquina climática. ¿Cuáles

provocan un aumento de la temperatura media? ¿Por qué? ¿Cuáles provocan un descenso de las temperaturas? ¿Por qué? La emisión de polvo provoca un aumento del albedo y el descenso de la temperatura. El aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero, junto con la deforestación, provocan el aumento de la temperatura.




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e) ¿Cuál de los efectos anteriores es más pasajero? ¿Cuál es más permanente? ¿Por qué?

Al igual que en el caso de los volcanes, el efecto del polvo es pasajero, ya que cae con las precipitaciones, mientras que el aumento de la temperatura es más duradero.

f) ¿Por qué podemos afirmar que las actividades humanas parecen llevar la contraria a la tendencia natural del clima planetario?

La tendencia natural de la tierra es a refrescarse, mientras que las actividades humanas provocan el aumento del efecto invernadero y el incremento de la temperatura terrestre.




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Ciencia, tecnología y sociedad

El planeta de las margaritas El modelo simple del mundo de las margaritas ilustra cómo podría funcionar Gaia. La estrella que calienta e ilumina este mundo comparte con nuestro Sol la propiedad de aumentar su emisión de energía a medida que envejece. Pero está bien provisto de agua y las plantas crecerán en cualquier parte de la superficie continental donde el clima sea adecuado.

El ambiente se circunscribe a una sola variable, temperatura, y la biota a una sola especie, margaritas. En este mundo, la competencia por el territorio de dos especies de margaritas, una oscura y la otra clara, da lugar a una regulación exacta de la temperatura planetaria en el nivel apropiado para el desarrollo de estas plantas. Si es demasiado frío, por debajo de 5 ºC, las margaritas no crecerán; su temperatura óptima se sitúa alrededor de 20 ºC. Si la temperatura sobrepasa los 40 ºC será demasiado caliente para estas flores, y se marchitarán y morirán. La temperatura media del planeta resulta del sencillo balance entre el calor recibido de la estrella y el calor perdido en las frías profundidades del espacio en forma de radiaciones infrarrojas de onda larga. En la Tierra este balance de calor se complica por el efecto de las nubes y los gases, como el dióxido de carbono. Asumimos que el mundo de las margaritas tiene una cantidad constante de dióxido de carbono, la suficiente para que las margaritas crezcan, pero no tan excesiva como para que interfiera en el clima.

La temperatura media del mundo de las margaritas viene determinada por el grado medio de oscurecimiento del color del planeta. Una superficie clara es fría cuando se compara con una superficie oscura. Imaginemos que la estrella que lo calienta sea menos luminosa, de manera que

solo en la región ecuatorial la temperatura del suelo desnudo, 5 °C, sea suficiente para el crecimiento.

Aquí germinarían y florecerían lentamente las semillas de las margaritas. Supongamos que en la primera cosecha se encontrasen especies oscuras y claras

[Figura A], en proporciones semejantes. Las margaritas oscuras se verían favorecidas [Figura B]. Su mayor absorción de la luz solar en los sitios donde creciesen las margaritas hubiera calentado por encima de los 5 ºC. Las

margaritas con colores claros se encontrarían en desventaja. Sus flores blancas habrían palidecido y muerto porque al reflejar la luz solar se habrían enfriado

por debajo de la temperatura crítica de 5 ºC. En la estación siguiente habríamos apreciado un predominio de margaritas oscuras, ya que sus semillas serían más abundantes. Pronto su presencia calentaría no solo a las mismas plantas sino

que, en la medida que crecieran y se dispersaran por la superficie desnuda, calentarían el suelo y el aire, primero localmente y luego regionalmente.

Con este incremento de temperatura, la velocidad de crecimiento, el periodo de

la estación templada y la difusión de las margaritas oscuras, se produciría una realimentación positiva que daría lugar a una colonización de la mayor parte del planeta con margaritas oscuras. Eventualmente, la extensión de las margaritas

oscuras se encontraría limitada por un incremento global de temperatura a niveles superiores al óptimo para el crecimiento. Además, cuando la temperatura

global fuese alta las margaritas claras crecerían y se extenderían en competencia con las oscuras [Figura C]. El crecimiento y extensión de las margaritas blancas estarían entonces favorecidos por su capacidad natural para

mantener el clima frío.




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Cuando la estrella que brilla en el mundo de las margaritas envejece, el flujo de

calor es tan grande que incluso la cosecha de margaritas más blancas no puede mantener el planeta por debajo del límite superior de 40 ºC para el crecimiento.

En este momento el poder de las flores ya no es suficiente. El planeta vuelve a ser yermo y tan caliente que ya no hay manera de que puedan florecer nuevas margaritas. Cuando probé por primera vez el modelo del mundo de las

margaritas, quedé sorprendido y encantado de la fuerte regulación de temperatura planetaria que surgía del simple crecimiento competitivo de las

plantas de colores claros y oscuros. J. Lovelock, Las edades de Gaia, 1993.

Fragmento del libro Las edades de Gaia, de J. Lovelock, médico y colaborador de la NASA en varios proyectos espaciales, en la comprobación de la vida en Marte, entre otros. Las edades de Gaia. Lovelock, James. Una biografía de nuestro planeta vivo, Tusquets,

Barcelona, 1993. Col. Metatemas, 29. (Visión holística del planeta Tierra hecha con carácter divulgativo y expuesta de modo ameno.) Responde a las siguientes cuestiones:

a) Indica y razona si el modelo propuesto por Lovelock es abierto, cerrado o aislado.

Desde un punto de vista sistémico, Lovelock considera la Tierra como un ser vivo, llamado así en honor a la diosa griega Gaia (madre Tierra). Realza el papel de la biosfera en la regulación del clima terrestre y lo explica a partir de un sencillo modelo, que exponemos en la lectura, que nos servirá de repaso sintético de la Unidad 1. El modelo es cerrado para la materia y abierto para la energía.

b) Señala las variables elegidas por él. Las variables son dos: la temperatura y el color de las margaritas (negro o blanco).

c) Explica lo que representa para la temperatura planetaria el mantener constante el CO2 atmosférico y la diferente coloración de las margaritas. ¿Qué tipo de regulación climática ha sido eliminada? ¿Cuál ha sido realzada?

Al mantener constate el CO2, se mantiene constante el efecto invernadero, lo que hace que este gas no interfiera sobre la temperatura terrestre. De esta manera la temperatura terrestre solo depende del balance entre la absorción de luz solar llevada a cabo por las margaritas negras y la reflexión cuando se trata de margaritas blancas. Así, el balance térmico del planeta va a resultar de la diferencia entre la energía recibida por las margaritas negras y la emitida por las blancas (albedo). Por tanto, si tenemos en cuenta el modelo de la Figura 1.38, se ha eliminado el bucle del invernadero y se ha realzado el del albedo, ya que solamente la temperatura planetaria dependerá de este último bucle, que está condicionado al color de las flores.




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La temperatura óptima para el crecimiento de las margaritas es de 20 ºC; a esta temperatura la población de margaritas crece de forma exponencial. Las temperaturas máxima y mínima a las que pueden vivir son 40 ºC y 5 ºC, respectivamente. Por debajo y por encima de estas cifras las margaritas mueren (decrecimiento exponencial).

A 5 ºC vivirán mejor las margaritas negras, ya que absorben todas las radiaciones del Sol

y calentarían el suelo y la atmósfera progresivamente por encima de los 5 ºC. Este proceso continuaría hasta alcanzar la temperatura óptima de 20 ºC, por encima de la cual y hasta 40 ºC proliferarían las margaritas blancas que, aumentando la reflexión de la luz

solar, realimentarían negativamente la temperatura, siendo este un mecanismo homeostático mediante el cual se conseguiría mantener la temperatura dentro de los

límites. El equilibrio térmico del planeta sería mantenido por ambos bucles, como podemos observar en la siguiente figura:

Velocidad de crecimiento

Velocidad de

crecimiento

Temperatura

Margaritas

negras Margaritas

blancas

d) ¿Qué papel desempeña la biosfera en el modelo? La biosfera juega un papel importantísimo en la regulación del clima planetario, el equilibrio térmico se consigue a partir de la coloración de las flores, que modifica el albedo del planeta.

Además, recordando el modelo de la Figura 1.48, podríamos añadir que la biosfera reduce

el efecto invernadero. e) ¿Cuál es la causa del fin de la vida en el planeta de las margaritas? El Sol del mundo de las margaritas, al igual que el nuestro, libera más calor a medida que envejece. Cuando esta elevación no pudiera ser contrarrestada por el bucle de realimentación negativo, anteriormente descrito, se alcanzarían temperaturas superiores a los 40 ºC y las margaritas morirían.

f) Comenta las ventajas y los inconvenientes de este modelo, en cuanto a su validez.

Como principal inconveniente podemos citar que su simplicidad hace omitir bucles tan importantes como el de las nubes o el del invernadero, además de su excesiva reducción de la biosfera a tan solo dos especies de margaritas.

No obstante, a partir de este modelo se puede explicar uno de los papeles de la biosfera en la regulación del clima planetario.

Exercicios t1

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