TEMA 1.- Medio Ambiente Naturaleza y alcance de los problemas

 TEMA 1.‐ Medio Ambiente Naturaleza y alcance de los problemas ambientales. Definiciones. Ambiente: Hábitat físico y biótico que nos rodea; lo que podemos ver, oír, tocar, oler y saborear. Sistema: C onjunto o arreglo de cosas relacionadas o conectadas de tal manera que forman una unidad o un todo orgánico. Contaminación: Cambio indeseable en al s características físicas, químicas o biológicas del aire, el agua o el suelo que puede afectar de manera adversa la salud, la supervivencia o las actividades de los humanos o de otros organismos vivos. Interacción de sistemas. Cuando se considera que la meta de mejorar la calidad ambiental consiste en acrecentar el bienestar humano, la palabra ambiente incluye al conjunto de aspectos sociales, económicos y culturales. Este tipo de amplitud es inmanejable en muchas situaciones reales y requiere enfoques más integradores propios de la participación de múltiples disciplinas. El sistema ambiente consiste en la interacción de los sistemas aire, agua y tierra. Este tipo de clasificación facilita la comprensión de los problemas afines dentro de un sistema y coincide con los esquemas de las organizaciones gubernamentales que suelen manejar por separado la contaminación del aire, la eliminación de aguas residuales y de los desperdicios sólidos. Precipitación en aire
Evapotranspiración
TIERRA AGUA SUPERFI‐
CIAL OCÉANO AGUA SUBTERRA‐
NEA Sitio Web: http://catedras.facet.unt.edu.ar/gasoys/ e‐mail: [email protected] Página | 1 Perturbaciones Ambientales. Las mejoras en nuestro estándar de vida se pueden atribuir a la aplicación de la ciencia y la tecnología, a modo de ejemplo se pueden indicar las siguientes:  Mayor producción de alimentos de mejor calidad  Diseño de viviendas como protección contra los climas extremos y como espacio vital.  La construcción de medios de transportes rápidos y confiables  La invención de diversos sistemas de comunicación  La invención de las máquinas para el reemplazo del trabajo manual  El suministro de agua potable y la eliminación de los desperdicios  La eliminación de muchas enfermedades infecciosas  La disponibilidad de tiempo libre por mayor productividad, lo cual ofrece oportunidades culturales y recreativas  La protección contra los peores efectos de los desastres naturales, tales como inundaciones, sequías, terremotos y erupciones volcánicas. Pero también se presentan efectos perturbadores colaterales como la pérdida de tierras cultivables, la desaparición de los bosques, la contaminación ambiental y la aparición de organismos resistentes a los controles. En la sociedad agrícola las personas vivían en armonía con la naturaleza. Luego en los asentamientos que surgieron, fue necesario mantener en equilibrio la calidad de los suministros con la generación de los desechos, como por ejemplo en el Imperio Romano, para una población cercana al millón de habitantes de la ciudad de Roma, se disponían de sistemas de drenajes ( La Cloaca Máxima) y de acueductos que conducían el agua desde los Montes Apéennos. Posteriormente los abastecimientos de agua y la eliminación de los residuos se fue descuidando en el momento del crecimiento de las ciudades, lo que ocasionó brotes de disentería, cólera, fiebre tifoidea y otras enfermedades de transmisión por agua. Antes de la segunda mitad del siglo XIX no se tenía conciencia que la eliminación inadecuada de residuos contaminaba el suministro de agua con organismos portadores de enfermedades. La mayor urbanización producida por la industrialización en el siglo XIX (Revolución Industrial), agrava los problemas ambientales. Ambos factores fueron y son la causa fundamental de la contaminación del agua y del aire. Después de la Segunda Guerra Mundial, los países industrializados presentaron un crecimiento económico singular empujados por el crecimiento poblacional, el avance tecnológico y la mayor disponibilidad de fuentes de energía. Durante la década 1950 a 1960 se incrementó de manera significativa la cantidad de residuos descargados en el medio. Los nuevos productos químicos, entre ellos insecticidas y plaguicidas, utilizados sin una evaluación suficiente de sus efectos sobre el ambiente y la salud, causaron y causan enormes problemas no previstos en el momento de su introducción. La situación ambiental se agrava porque la variedad y cantidad de contaminantes que se Sitio Web: http://catedras.facet.unt.edu.ar/gasoys/ e‐mail: [email protected] Página | 2 depositan en el medio aumentan de manera inexorable, mientras tanto, la capacidad de los sistemas para asimilar esos desperdicios, se encuentra limitada. Conciencia Pública y Acción. Estos nuevos problemas fueron tratados por varios escritores que despertaron el interés de la conciencia publica, entre los que se destacan: Rachel Carson con Silent Spring (1962); G. Hardin con The Tragedy of the Commons (1968); Paul Ehrlich con The Population Bomb (1968 ), D.H. Meadows et al, con The Limits to Growth (1972); Barry Commoner, con The Closing Circle (1971); Paul y Ann Ehrlich, con The End of Affluence (1974); Barbara Ward y Rene Dubos, con Only One Earth: The Care and Maintenance of a Small Planet (1972); Erik R. Eckholm, con Losing Ground (1976), The Picture of Health (1977), y Down to Earth (1982); y Holdgate et al, con The World Environment 1972‐1982 (1983) Algunos de estos libros están traducidos al español y son una importante lectura de referencia. Desde finales de los 60 hasta los finales de los 70 en la mayoría de los países occidentales se instauró una legislación para controlar varios aspectos de la contaminación. En 1970 en los EE UU se crea la EPA ( Environmental Protection Agency) , dependencia encargada de administrar el programa ambiental. Las Naciones Unidas organizan en 1972, una Conferencia sobre el ambiente humano en Estocolmo. Luego las conferencias de la Naciones Unidas referentes a población, alimentos, derechos de la mujer, la desertificación, los asentamientos humanos, la ciencia y la tecnología y el Tercer Mundo, continuaron poniendo énfasis en los problemas ambientales. En 1992, la ONU organiza en Río de Janeiro la conferencia “Cumbre de la Tierra” para tratar temas de ambiente y desarrollo, con la asistencia de 102 jefes de estado de 182 países, pero no se llegaron a acuerdos sobre el calentamiento planetario, la protección de los bosques, la contaminación de los océanos y el control de la población. Igual resultado desalentador se dio en 1994 en El Cairo, en la Conferencia de la ONU “Población y Desarrollo”. Estas conferencias han alertado a la población mundial sobre los problemas ambientales. Luego la opinión pública obligara a la acción política. Por el momento la sociedad civil adelanta a los políticos en lo que concierne a su preocupación por el ambiente. El papel de la tecnología y el desarrollo sostenido. En este nuevo siglo, aumenta el uso de tecnología para resolver problemas ambientales, pero lo hace considerando dos áreas muy importantes: el desarrollo sostenido para los problemas globales y la tecnología preventiva para reducir los efectos de los procesos, operaciones y productos en el ambiente. Desarrollo sostenido es el desarrollo que satisface las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las futuras generaciones para satisfacer sus propias necesidades. Esta definición aparece en el informe “Nuestro futuro común”, publicado en 1987, por la Comisión Mundial para el Ambiente y el Desarrollo de la ONU, presidida por la entonces primera ministra noruega Giro Harlem Brundtland. El concepto de desarrollo sostenido ha cambiado la filosofía de la explotación destructiva de la sociedad a una que fomente la protección del ambiente y sus habitantes a largo plazo. A los criterios de eficiencia, productividad, rentabilidad y otros similares del tipo económicos, se Sitio Web: http://catedras.facet.unt.edu.ar/gasoys/ e‐mail: [email protected] Página | 3 agregan ahora las inquietudes por los impactos en la salud y el ambiente, la conservación de los recursos y la energía, el manejo de los residuos y los problemas sociales cono las demandas públicas, el desempleo y la criminalidad. Si el desarrollo sostenido global se alcanza será mediante el ingenio humano y la adaptación natural de los seres vivos a un mundo en continuo cambio. En el enfoque tradicional solo parece posible continuar con el desarrollo industrial y la urbanización guiados en primer término por motivos de mercado y de rentabilidad, y utilizar la riqueza resultante para ayudar a pagar los inevitables costos ambientales y sociales. Como contraparte la estrategia de la tecnología preventiva, analiza como se pueden rediseñar o ajustar los procesos, operaciones y productos del sistema industrial para evitar o reducir al mínimo la producción de residuos. Los esfuerzos que realizan las compañías que abrazan esta nueva filosofía ayudan a reducir algunos gastos de un país, como los costos del cuidado de la salud y el ambiente, con lo que disminuye el deficit y las cargas fiscales. Al futuro profesional de la ingeniería no le interesa solo entender las causas y los efectos de los problemas ambientales en términos exclusivamente cualitativos, sino que también debe ser capaz de expresar el problema que percibe y su solución potencial de manera cuantitativa. Tratándose de cuestiones complejas, los problemas se pueden dividir en varios componentes, que se analizan llevando a cabo balances de materia o energía de cada componente, lo cual conduce a una solución para el sistema total. El Medio Ambiente y la Industria. El medio ambiente y la industria interactúan muy fuertemente. El aire, el suelo y el agua superficial y subterránea, dan un hábitat al hombre y a las diversas especies animales y vegetales, formando un ecosistema que además es la fuente de recursos que la actividad industrial necesita. El medio ambiente ejerce efectos sobre los organismos vivos por medio de inundaciones o sequías (corto plazo) y con la erosión, los cambios climáticos o la formación de deltas (largo plazo). Los ecosistemas locales pueden diferir considerablemente en cuanto a su composición y dependencia de las condiciones ambientales, y por lo tanto, su vulnerabilidad al daño ambiental y su capacidad de recuperación también varían significativamente. El medio ambiente puede asimilar sin deterioro cierto grado de contaminación y tiene una gran capacidad de recuperación. Las reglamentaciones y medidas de protección ambiental deben contemplar las particularidades de los medios locales y el dinamismo de los ecosistemas. Los efectos ambientales en la industria. Los efectos ambientales generados por las actividades y productos industriales, son: Físicos: Actividades de explotación y extracción de minerales, el ruido, la vibración, el aumento de temperatura de las aguas receptoras de efluentes, la radioactividad, la luz artificial Químicos: resultantes de la introducción de agentes químicos biológicamente activos en el medio ambiente a causa de accidentes (derrames o perdidas), operaciones (efluentes) o acciones deliberadas (aplicación de pesticidas o descarga de residuos en terrenos de relleno) Sitio Web: http://catedras.facet.unt.edu.ar/gasoys/ e‐mail: [email protected] Página | 4 Visuales: propios de la visibilidad de las operaciones o de las plantas industriales, particularmente en lugares de paisaje atractivo. Olores: relacionados con la producción de ciertas sustancias químicas. Naturaleza de los efectos ambientales: Según su acción sobre el medio ambiente los efectos serán:  Efectos tóxicos directos de ciertas sustancias sobre los organismos vivientes (aumento de la mortalidad, reducción de las tasas de reproducción)  Efectos ecológicos indirectos de ciertas sustancias ( agotamiento del oxígeno en el agua, cambios atmosféricos, reducción de la capacidad biodegradante, bioacumulación de contaminantes)  Efectos físicos ( destrucción física de hábitat, daños a la propiedad)  Restricción en el uso humano del medio ambiente y sus recursos (pérdida o reducción de las áreas de esparcimiento, molestias, perturbación de las actividades, alteración de la cadena alimentaria acuática). Un aspecto importante es la bioacumulación de sustancias potencialmente tóxicas, por vías de la cadena alimentaria. La intensidad de todo agente contaminante decrece con el correr del tiempo y la distancia a la fuente. Concepto de ecología aplicada El termino ecología proviene del griego “oikos” “logos” que significa “casa” “ciencia” o sea el estudio de la Tierra. La ecología esta relacionada con los organismos, con los flujos de energía y con los ciclos de la materia en el planeta. Otra definición de ecología es “totalidad o tendencias de relaciones entre los organismos y el medio ambiente” El término “población” en ecología significa grupo de individuos de cualquier tipo de organismos. El término “comunidad”, en el sentido ecológico (comunidad biótica) incluye a todas las poblaciones de un área dada. La comunidad y el medio abiótico funcionan juntas como un sistema ecológico o ecosistema. Un término usado con frecuencia en la literatura, es “biogeocenosis”, cuyo significado es “vida y tierra funcionando juntas” El término “biosfera” significa todos los ecosistemas de la tierra que funcionan juntos en una escala global. La biosfera es la porción del globo terráqueo en la que los ecosistemas pueden albergar la vida. Finalmente debe destacarse que la jerarquía de niveles de organización es continua. A medida que los componentes se combinan para producir conjuntos funcionales más grandes, en una serie jerárquica, se originan nuevas propiedades. Este principio de niveles de Sitio Web: http://catedras.facet.unt.edu.ar/gasoys/ e‐mail: [email protected] Página | 5 integración es una aplicación de aquello que dice que “el todo es más que la suma de las partes”. Se puede hacer un estudio ecológico en cualquier nivel. Lo esencial es reconocer las propiedades únicas del nivel elegido, y entonces diseñar métodos apropiados para su estudio. Para cada nivel existe un instrumental apropiado. Modelos. Para estudiar algo tan complejo como los sistemas ecológicos, es necesario recurrir al uso de modelos. Un modelo es una formulación simplificada que imita fenómenos del mundo real, de tal modo que puedan comprenderse y predecirse situaciones complejas. Los modelos pueden ser verbales o gráficos. Es importante saber construir modelos formales, ya que los mismos van a desempeñar un papel cada día más importante en la elaboración de alternativas y predicciones que fundamenten decisiones en relación con el impacto ambiental de las actividades humanas. En su versión formal, un modelo funcional de una situación ecológica tendrá cuatro componentes los cuales se listan a continuación: 1. Propiedades o Variables de Estado 2. Fuerzas Impulsoras, que son fuentes exteriores de energía, o fuerzas que impulsan el sistema 3. Trayectorias de flujo que indican hacia donde fluye la energía o los materiales en el ecosistema 4. Funciones de Interacción, donde las Fuerzas Impulsoras y las Variables de Estado interactúan entre si, para modificar, amplificar o controlar los flujos. El Ecosistema. El ecosistema es la unidad funcional básica a considerar. Está constituido por las interrelaciones entre los organismos vivientes (comunidad biótica) y el medio ambiente abiótico. Una vez obtenido un modelo del sistema puede examinarse sus partes componentes y ver su funcionamiento. Hábitat significa la condición ambiental física y química en la cual se encuentra comúnmente una especie. Esta definición tiene en cuenta los aspectos ambienta abióticos. Cuando se incluyen los aspectos bióticos del ecosistema (es decir: otras especies) se tiene un nicho ecológico. Los ecosistemas, poseen sistemas de autorregulación (homeostasis), que permiten contrabalancear, dentro de ciertos límites, estímulos y cambios positivos o negativos (stress) Sitio Web: http://catedras.facet.unt.edu.ar/gasoys/ e‐mail: [email protected] Página | 6 Muerte Variables del sistema Meseta
homeostática Muerte Stress ( ‐ ) 0 ( + )
Tipos de ecosistemas. Para entender las propiedades de los ecosistemas, tanto naturales como de origen humano, es muy importante el estudio de la energía, ya que es su principal función impulsora. Una clasificación del ecosistema basada en la estimación del flujo anual de energía se presenta a continuación. Tipo 1 2 Clasificación de Ecosistemas
Descripción Flujo anual de Energía (estimado) Ecosistemas naturales no subsidiados, Impulsados por energía solar, Por ejemplo Bosques de zonas altas 2.000 kcal/m2 Ecosistemas naturales subsidiados, impulsados Por energía solar, Por ejemplo: estuarios, selvas tropicales, Producen un exceso de materia orgánica que se almacena, 20.000 kcal/m2 o bien, puede ser transferida a otros sistemas. 3 Ecosistemas humanos subsidiados, impulsados por energía solar. Por ejemplo: agricultura, cultivos. Sistemas 20.000 kcal/m2 productores de alimento mantenidos por combustible. 4 Sistemas humano‐industriales,
combustibles. impulsados
por
2.000.000 kcal/m2 Por ejemplo: ciudades, ciudades satélites, parques industriales. Estos además, dependen de los tipos 1 a 3, para su mantenimiento. Los ecosistemas dependen de dos tipos principales de energía: la solar, y la producida por combustibles (químicos o nucleares) Sitio Web: http://catedras.facet.unt.edu.ar/gasoys/ e‐mail: [email protected] Página | 7 Es posible distinguir entonces, entre sistemas impulsados por el Sol, y sistemas impulsados por combustibles, en lo que se refiere a la fuente principal de energía. La energía solar total que se recibe sobre la tierra es enorme pero solo una pequeña parte es directamente utilizada por los organismos. En contraste, el combustible puede proveer una fuente muy concentrada en términos de conversión a trabajo útil, dentro de un área reducida. Los sistemas de la naturaleza que dependen del Sol, se denominan como ecosistemas no subsidiados impulsados por energía solar (Tipo 1 ) Son no subsidiados, en el sentido de que no ha subsidios de energía para incrementar o complementar la suministrada por la radiación solar. Por ejemplo: Lagos profundos, bosques en zonas altas, etc . Hay ecosistemas en donde se pueden utilizar subsidios de energía para incrementar la energía recibida por radiación solar. Un subsidio de energía, es una fuente auxiliar de energía que reduce el costo de mantenimiento del ecosistema, y así se incrementa la cantidad de energía que puede convertirse en materia orgánica producida. Tales subsidios pueden ser naturales o artificiales. La parte costera de un estuario constituye un buen ejemplo de un ecosistema natural subsidiado por la energía de las mareas. El flujo de agua trasporta nutrientes y desechos y los organismos del estuario convierten más eficazmente la energía solar en materia orgánica. Los organismos en un estuario están adaptados para utilizar este subsidio de energía. Los estuarios son ecosistemas más fértiles que, por ejemplo, un área terrestre adyacente o charca, que recibe la energía solar, pero que no recibe el subsidio suministrado por el flujo del agua. La agricultura es un ejemplo del Tipo 3, que incluye a los ecosistemas humanos subsidiados, impulsados por energía solar. Los altos rendimientos de alimentos se mantienen mediante el aporte de grandes cantidades de combustible al sistema utilizado en labores de cultivo, riego, aplicación de fertilizantes, selección genética y control de plagas. Hoy el combustible es vital para producción de alimentos. El hombre dirige la mayor cantidad de energía posible hacia la obtención del alimento, mientras que la tendencia de la naturaleza es distribuir los productos de la fotosíntesis entre muchas especies (biodiversidad) y almacenar la energía como una reserva. Los ecosistemas impulsados por combustibles (del Tipo 4), son también conocidos como ecosistemas urbano‐industriales. En estos ecosistemas, una gran cantidad concentrada de energía potencial de los combustibles reemplaza a la energía solar. En las ciudades la energía solar es desaprovechada, e incluso se convierte en un inconveniente, por ejemplo en verano e implica más gasto de energía (mediante aire acondicionado). El alimento es un insumo y producto de los ecosistemas impulsados por la energía solar. Es posible que en el futuro se solucione este desperdicio de energía y haya sistemas urbanos impulsados por combustibles y subsidiados por la energía solar. Es necesario destacar dos características de los sistemas impulsados por combustibles:  Los requerimientos energéticos por parte de un área urbano‐industrial son por lo menos dos o tres veces mayor que el flujo de energía que mantiene la vida en los ecosistemas impulsados por energía solar, sean naturales o seminaturales. Esta es la razón por la que mucha gente puede convivir en un espacio tan reducido. Sitio Web: http://catedras.facet.unt.edu.ar/gasoys/ e‐mail: [email protected] Página | 8  Los sistemas impulsados por combustibles son sistemas incompletos, dependientes de otros ecosistemas, ya que no producen alimentos, reciclan pocos desechos, y recircular solo una porción reducida del agua y de otros materiales necesarios, y la energía proviene del exterior del sistema. La influencia que el sistema urbano, impulsado por combustibles, ejerce sobre el sistema adyacente, impulsado por energía solar, es enorme, los ecosistemas naturales autosuficientes, impulsados por energía solar ( Tipo 1) tienen un gran valor por su capacidad de depuración y asimilación de desechos, como por su capacidad de proveer alimentos. Componentes de un Ecosistema. Los componentes de un ecosistema se dividen en componentes bióticos y abióticos. Entre los componentes bióticos (seres vivos) se distinguen: 1. Autótrofos: captan la energía luminosa y transforman los componentes abióticos en sustancias vivas. 2. Heterótrofos: degradan o asimilan las sustancias elaboradas por los autótrofos. Teniendo en cuenta los niveles tróficos, es decir la fuente de energía de los organismos, se pueden considerar cuatro componentes en un ecosistema, a saber: 1. Sustancias abióticas y condiciones de vida; es un conjunto que comprende tanto a los elementos y compuestos químicos básicos, como al ambiente terrestre y acuático y el clima. 2. Los productores, representados por los grupos vegetales (autótrofos). 3. Los consumidores o macro consumidores, constituidos por animales que ingieren otros organismos, o bien materia orgánica. 4. Los desintegradores o micro consumidores, representados por organismos heterótrofos, principalmente, bacterias y hongos que degradan los compuestos de organismos muertos, absorben algunos productos, y liberan sustancias orgánicas e inorgánicas. Biomasa. La biomasa es el peso de los organismos vivos presentes en un ecosistema. La biomasa, no indica necesariamente el nivel de actividad biológica, algunos ecosistemas, como los bosques, tienen una gran cantidad de biomasa relativamente inerte. Los componentes de la parte abiótica del ecosistema son: 1. Sustancias inorgánicas, como el carbono, el nitrógeno, el agua y otras, que forman parte de los ciclos biogeoquímicos del ecosistema. 2. Sustancias orgánicas, como los carbohidratos, las proteínas, los lípidos, y las sustancias húmicas, los carbohidratos, las proteínas y los lípidos, que integran los organismos vivos, también están ampliamente dispersas en el medio ambiente en formas abióticas. Los organismos que se descomponen, también generan sustancias orgánicas. Existen también materiales llamados humus o sustancias húmicas, que son resistentes a una ulterior desintegración. El humus es una sustancia coloidal oscura, amorfa, se encuentra en suelos y sedimentos, en charcas y ciénagas. Se sabe que contribuye al Sitio Web: http://catedras.facet.unt.edu.ar/gasoys/ e‐mail: [email protected] Página | 9 crecimiento de los vegetales, pero en exceso inhiben la productividad vegetal. La materia orgánica de origen vegetal, en condiciones específicas tales como las que existieron en épocas geológicas pasadas, se fosilizo formando carbón y petróleo de los cuales dependen los sistemas urbano‐ industriales. Es importante subrayar que muy pocas sustancias, orgánicas o inorgánicas, se encuentran exclusivamente, ya sea en el compartimento abiótico, o en el compartimento biótico del ecosistema. 3. El régimen climático, que incluye la temperatura y otros factores físicos que delimitan las condiciones de existencia del componente biótico. Sitio Web: http://catedras.facet.unt.edu.ar/gasoys/ e‐mail: [email protected] Página | 10