1.19: Efectos de Primer Orden

INTRODUCCIÓN

Los diversos componentes de los sistemas terrestres interactúan entre sí a través del flujo de materia y energía. Por ejemplo, la masa (dióxido de carbono y gases de oxígeno) se intercambia entre la biosfera y la atmósfera durante la fotosíntesis de las plantas. Los gases se mueven a través de la interfaz océano-atmósfera. Las bacterias en el suelo descomponen los desechos, proporcionando nutrientes a las plantas y devolviendo los gases a la atmósfera. Además, los estudios de núcleos de hielo antárticos y de Groenlandia muestran una correlación entre los cambios climáticos abruptos y las actividades de tormenta en los océanos Atlántico y Pacífico durante tiempos históricos. Todos estos procesos están vinculados por ciclos naturales establecidos a lo largo de miles de millones de años de la historia de la tierra.

Los humanos solo han estado presentes durante una pequeña fracción de la historia de la Tierra, y durante gran parte de ese tiempo su presencia tuvo poco impacto en el medio ambiente global. Sin embargo, en la historia reciente, la población humana ha crecido y se ha desarrollado hasta el punto en que ya no es una presencia relativamente pasiva en los sistemas terrestres. Las personas han incrementado enormemente su uso del aire, el agua, la tierra y otros recursos naturales durante los últimos 200 años. Sus actividades industriales y agrícolas han afectado la atmósfera, el ciclo del agua y el clima. Cada año se agregan grandes cantidades de dióxido de carbono y contaminantes a la atmósfera y a los sistemas de agua debido a la quema de combustibles fósiles y a los procesos industriales. También se han alterado los sistemas ecológicos. El tamaño de los ecosistemas naturales se ha reducido a medida que las personas aumentan su uso de la tierra. Las plantas y los animales han sido cambiados por las prácticas agrícolas humanas. Claramente, los humanos están cambiando el medio ambiente y el clima globales. Lo que no está claro es si los sistemas de la Tierra pueden ajustarse a estos cambios.

AMBIENTE

La tierra es muy parecida a un gran invernadero. La energía, en forma de luz solar, pasa a través de su atmósfera, aunque las nubes, el agua y la tierra reflejan parte de esa energía de regreso al espacio, parte de la luz solar es absorbida, convertida en calor e irradiada de regreso a la atmósfera como radiación infrarroja. Gran parte de esta radiación infrarroja es absorbida por el dióxido de carbono atmosférico y otros gases en lugar de irradiarse al espacio. El proceso es similar al de un invernadero, con gases absorbentes de infrarrojos como el dióxido de carbono y el metano que actúan como paneles de vidrio para atrapar el calor infrarrojo. Por ello, a estos gases se les conoce como gases de efecto invernadero. El resultado neto de este proceso es que la atmósfera se calienta.

Desde hace más de un siglo, los científicos han reflexionado sobre los posibles efectos que el cambio en las cantidades de gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono tendría en el clima de la tierra. Una teoría notable que ha surgido de esto es la del efecto invernadero. Según esta teoría, si la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera aumenta constantemente, entonces la atmósfera atrapará cada vez más calor. Esto podría hacer que la temperatura media de la superficie de la tierra aumente con el tiempo. La preocupación por los posibles efectos climáticos condujo a esfuerzos para monitorear los niveles de dióxido de carbono. El monitoreo comenzó a fines de la década de 1950, con estaciones de monitoreo que se instalaron en Alaska, la Antártida y Hawai.

La estación Mauna Loa, Hawaii, opera desde 1958. Los datos recopilados allí desde hace más de 40 años muestran algunas tendencias interesantes en la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera. La concentración de dióxido de carbono varía cíclicamente según la temporada, con máximos que ocurren durante el otoño y mínimos durante la primavera. Esto sigue el ciclo de vida normal de las plantas durante el año y su producción fotosintética asociada. Superpuesto sobre estas variaciones estacionales es un aumento gradual a largo plazo en la concentración de dióxido de carbono. ¿Qué causa este incremento a largo plazo? ¿Continuará la tendencia?

Los humanos consumen grandes cantidades de combustibles fósiles para impulsar su sociedad altamente industrializada. La quema de carbón, petróleo y gas natural libera cantidades considerables de dióxido de carbono a la atmósfera. En un tiempo relativamente corto, los humanos han liberado carbono orgánico a la atmósfera que tardó cientos de millones de años en almacenarse en rocas sedimentarias. La deforestación por parte de los humanos —especialmente en las zonas tropicales— también es una fuente de aumento neto de dióxido de carbono en la atmósfera. La quema de árboles produce dióxido de carbono directamente, y la eliminación de los árboles también resulta en menos dióxido de carbono que se elimina de la atmósfera por fotosíntesis.

Sin embargo, no está claro en cuanto al papel general de la biosfera terrestre con respecto al problema del dióxido de carbono. Los bosques han vuelto a crecer en algunas regiones del mundo (por ejemplo, el noreste de Estados Unidos). Estos bosques agregados incrementan la remoción de dióxido de carbono de la atmósfera. Además, algunos experimentos sugieren que el aumento de las concentraciones de dióxido de carbono en la atmósfera puede estimular el crecimiento de las plantas en general. Si es cierto, esto también conduciría a un aumento en el secuestro de carbono por la vida vegetal. Los modelos utilizados para predecir los niveles futuros de dióxido de carbono en la atmósfera dependen de un conocimiento preciso de todas las fuentes y sumideros de carbono relevantes. Aún quedan preguntas en cuanto al tamaño, ubicación y magnitud de estas. Por lo tanto, sigue existiendo una incertidumbre considerable en cuanto a si la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera continuará aumentando, en cambio disminuirá o se volverá constante.

El dióxido de carbono no es el único gas de efecto invernadero que podría afectar significativamente el clima global. El gas metano también podría ser un jugador importante. Se libera como subproducto de la descomposición orgánica por actividad microbiana, especialmente de los vertederos. Es un contaminante resultante del uso de combustibles fósiles, e incluso es producido por el ganado. Los mayores depósitos de gas metano, sin embargo, pueden ser los océanos y vastas tierras baldías de la tundra. En agua fría, por ejemplo, el metano puede formar estructuras cristalinas algo similares al hielo de agua conocido como clatratos. Se sabe que los clatratos ocurren en los bordes de las plataformas continentales de los océanos. También ocurren en el permafrost de las regiones de la tundra. Cuando ocurren temperaturas más cálidas, los clataratos se desestabilizan, liberando el metano almacenado. El incremento del efecto invernadero que resultaría de la liberación de metano de los clatratos en las plataformas continentales y en el permafrost a nivel mundial podría igualar al del dióxido de carbono producido por la quema de todas las reservas mundiales de carbón.

La acumulación de gases de efecto invernadero no es la única preocupación atmosférica. La concentración de clorofluorocarbonos (CFC) en la atmósfera ha aumentado desde que se sintetizaron por primera vez hace más de 70 años.

Estos compuestos han sido utilizados como gases refrigerantes, propelentes en aerosol, limpiadores de componentes electrónicos y para soplar burbujas en espuma de poliestireno. La mayoría de sus usos implican su eventual liberación a la atmósfera. Debido a que son químicamente muy inertes e insolubles en agua, tampoco se eliminan fácilmente de la atmósfera por procesos normales como la lluvia. Por lo tanto, la concentración de CFC en la atmósfera aumenta con la liberación continuada. Cuando los CFC finalmente se elevan a la estratosfera, pueden descomponerse por la radiación UV del sol de la siguiente manera:

CCl3f + Energía UV → Cl + CCl2F

El cloro libre que se produce puede reaccionar con el ozono, que también está presente en la estratosfera. Esto tiene importantes consecuencias para los organismos vivos en la superficie de la tierra.

El ozono en la estratosfera protege a los organismos vivos al absorber la mayor parte de la dañina radiación UV del sol. Este ozono se produce y destruye constantemente en un ciclo natural. Las reacciones básicas que involucran solo oxígeno (conocidas como las Reacciones de Chapman) son las siguientes:

O2 + UV → 2 O

O+ O2 →O3 (producción de ozono)

O3 + UV →O + O2 (destrucción de ozono)

O+ O2 →O3 (producción de ozono)

O3 + O → O2 + O2 (destrucción de ozono)

Durante la década de 1960, las mediciones del ozono atmosférico mostraron que se estaba destruyendo más rápido de lo que podría explicar solo el ciclo natural. Se determinó que otras reacciones más rápidas estaban controlando las concentraciones de ozono en la estratosfera. Entre los más importantes se encuentran los que involucran los átomos de Cl producidos a partir de la descomposición de los CFC:

Cl + O3 → ClO + O2

ClO + O → Cl + O2

Debido a que el destino normal del átomo de O en la reacción anterior sería formar otra molécula de ozono, el resultado neto de ambas reacciones es la eliminación de una molécula de ozono y una aspirante a molécula de ozono. Además, al final de la reacción el átomo de Cl es libre para iniciar de nuevo el ciclo destructivo. Mediante esta reacción catalítica en cadena, un átomo de Cl puede destruir alrededor de 100,000 moléculas de ozono antes de que otros procesos lo eliminen.

La destrucción del ozono causada por los CFC ha resultado en la formación de “agujeros” en la capa estratosférica de ozono sobre las regiones polares, donde la capa es más delgada. En 1987, el “Protocolo de Montreal” estableció un proceso mundial para reducir y eventualmente eliminar el uso de los CFC.

Al parecer, ha tenido éxito, ya que las observaciones actuales muestran que el incremento de los CFC en la estratosfera se está nivelando. Desafortunadamente, pasarán muchos años antes de que los niveles de ozono vuelvan a la normalidad debido a la larga vida atmosférica (50 a 100 años) de los CFC ya presentes.

Curiosamente, aunque el ozono en la estratosfera es beneficioso para la vida en la tierra, el ozono en la atmósfera inferior (troposfera) puede dañar la vida al agravar dolencias respiratorias en los humanos y dañar las plantas. El ozono en la troposfera es producido naturalmente por los rayos. También es un contaminante secundario producido por reacciones fotoquímicas que involucran contaminantes primarios como los óxidos de nitrógeno. Ciudades con smoggy como Los Ángeles sufren de considerable contaminación por ozono. Los estudios de investigación han demostrado que la quema de biomasa también es una fuente importante de contaminación por ozono. El ozono se produce fotoquímicamente a partir de moléculas precursoras liberadas durante la quema de bosques y pastizales. La quema de biomasa se concentra principalmente en las regiones tropicales. En efecto, las observaciones satelitales de América del Sur y Nueva Guinea muestran que el ozono troposférico está aumentando en aquellas zonas donde prevalece la quema de biomasa.

OCÉANOS

Para entender el papel que los océanos pueden desempeñar en el cambio climático global requiere una comprensión de la dinámica de los cambios en la circulación oceánica. La circulación oceánica global está controlada por la circulación termohalina. Es impulsado por diferencias en la densidad del agua de mar, la cual está determinada por la temperatura (termo) y la salinidad (halina) del agua de mar. En el Atlántico, la circulación termohalina transporta agua tibia y muy salina hacia el Norte. Allí, el agua se enfría y se hunde en las profundidades del océano. Esta agua profunda recién formada se mueve posteriormente hacia el sur. El agua densa también se hunde cerca de la Antártida. Las frías y densas aguas del Atlántico Norte y la Antártida se calientan gradualmente y regresan a la superficie, a lo largo de los océanos del mundo. Todo el sistema se mueve como una cinta transportadora gigante. El movimiento es muy lento (aproximadamente 0.1 metros por segundo), pero el caudal es equivalente al de 100 ríos amazónicos.

Este sistema de circulación proporciona a Europa occidental temperaturas de la superficie del mar comparativamente cálidas a lo largo de la costa y contribuye a sus inviernos suaves. Los modelos de circulación oceánica muestran que la circulación termohalina se acopla al contenido de dióxido de carbono de la atmósfera y, por lo tanto, al efecto invernadero. Los aumentos en el dióxido de carbono en la atmósfera pueden provocar una desaceleración o una ruptura completa del sistema de circulación. Uno podría esperar que las temperaturas sobre Europa occidental disminuyan en tal escenario. Sin embargo, cualquier cambio de este tipo se superpondría al calentamiento del efecto invernadero mejorado. Por lo tanto, puede haber poco cambio en la temperatura sobre Europa occidental, y cualquier enfriamiento podría restringirse a la zona oceánica lejos de la tierra. Los efectos potenciales de tales cambios de circulación en los ecosistemas marinos son en gran parte desconocidos, pero probablemente serían significativos. Además, si se reduce la circulación en los océanos, también se reducirá su capacidad para absorber dióxido de carbono. Esto haría aún más pronunciado el efecto de las emisiones de dióxido de carbono producidas por el hombre.

BIOTA

La biodiversidad es una parte importante de cualquier ecosistema. La biodiversidad de la tierra se ve afectada significativamente por las actividades humanas. Estas actividades a menudo conducen a la pérdida de biodiversidad. Esta pérdida puede ser el resultado de una serie de factores que incluyen: la destrucción del hábitat, la introducción de exóticos y la sobrecosecha. De estos, la destrucción del hábitat es probablemente la más importante. Los humanos destruyen hábitats por muchas razones: expansión agrícola, expansión urbana, construcción de carreteras y construcción de embalses. Las regiones más grandes que las destruidas directamente se ven generalmente afectadas por la fragmentación del hábitat resultante. La fragmentación del hábitat da como resultado que grandes poblaciones se dividan en poblaciones más pequeñas, las cuales pueden estar aisladas entre sí y pueden no ser lo suficientemente grandes como para sobrevivir.

Por ejemplo, se construyó la Presa Alta de Asuán de Egipto porque se consideró primordial el deseo de aumentar el suministro de agua para riego y energía. Los efectos secundarios ambientales, sin embargo, han sido enormes e incluyen la propagación de la enfermedad esquistosomiasis por caracoles que viven en los canales de riego; pérdida de tierras en el delta del río Nilo por erosión una vez que la carga de sedimentos anterior del río ya no estaba disponible para la tierra construcción, y una variedad de otras consecuencias. La conveniencia de los organismos que se ocupan del desarrollo internacional para buscar el mejor asesoramiento ambiental es ahora generalmente aceptada, pero la implementación de este entendimiento ha sido lenta.

Cuando la tasa de explotación o utilización de una especie excede su capacidad de mantener una población viable, resulta sobre-cosecha. Los recursos vivos como los bosques y la vida silvestre generalmente se consideran recursos renovables. Sin embargo, pueden volverse no renovables si se sobrecosechan. La sobrecosecha y la pérdida de hábitat a menudo ocurren juntas, porque la remoción de un organismo de su entorno puede tener un impacto perjudicial en el ambiente mismo.

Históricamente, los humanos han explotado especies vegetales y animales para maximizar los beneficios a corto plazo, generalmente a expensas de poder sostener a la especie a largo plazo. Un ejemplo clásico de sobrecosecha involucra a la paloma pasajera. Alguna vez se pensó que era el ave más poblada de la tierra, con números en miles de millones. Los primeros colonos de América del Norte cazaron al ave en busca de alimento. La caza fue tan intensa, que el ave desapareció de la naturaleza en 1900 y se extinguió en 1914. El búfalo estadounidense casi sufrió la misma suerte. Originalmente numerando en las decenas de millones, menos de 1000 quedaron para 1890. La especie, sin embargo, ha regresado en reservas y ranchos privados y ya no se considera amenazada.

La industria pesquera tiene una larga historia de sobrecosecha de sus recursos. La industria de la sardina californiana alcanzó su punto máximo en la década de 1930, y a fines de la década de 1950, las sardinas se habían ido al igual que las conservas en Monterrey. La pesquería peruana de anchoa floreció en la década de 1960 y colapsó en la década de 1970. La sobrecosecha de peces solo ha aumentado a lo largo de los años, ya que los barcos se han vuelto más grandes y se han desarrollado métodos más “eficientes” de recolección de peces (por ejemplo, la red de cerco con cerco). A mediados de la década de 1990, más del 40 por ciento de las especies en las pesquerías estadounidenses estaban sobrecosechadas.

La sobreexplotación de bosques tropicales es actualmente un problema mundial. Los métodos más eficientes de recolección y transporte han hecho rentable sacar árboles de áreas previamente inaccesibles. Los árboles de caoba son sobrecosechados por los madereros en los bosques tropicales de Brasil, Bolivia, Perú, Nicaragua y Guatemala. Muchos otros tipos de árboles tropicales que antes se consideraban inútiles son ahora valiosas fuentes de pulpa, tableros de partículas, tableros de fibra y celulosa para la producción de plásticos. Los países en desarrollo a menudo están dispuestos a firmar los derechos de madera a empresas extranjeras para obtener la moneda fuerte necesaria. Las operaciones de tala también actúan como un catalizador para la deforestación tropical. Los agricultores utilizan las carreteras construidas por las empresas madereras para llegar a áreas remotas, que luego se limpian de bosques y se utilizan para la ganadería y la agricultura.

Cuando una especie es trasplantada a un ambiente del que no es nativa, se la conoce como una especie exótica introducida. Siempre que el hombre se ha asentado lejos de casa, ha tratado de introducir a sus familiares animales y plantas. Hace mucho tiempo, los exploradores europeos liberaron cabras y cerdos a sus colonias para proporcionar un suministro de proteína animal familiar. Muchos exóticos se introducen accidentalmente. A menudo, la introducción de exóticos tiene efectos desastrosos sobre la flora y fauna nativas. Su nuevo hábitat puede tener menos depredadores o enfermedades que los afectan, y como resultado así sus poblaciones crecen fuera de control. Los organismos de los que se aprovechan pueden no haber desarrollado mecanismos de defensa para ellos y las especies nativas pueden no tener éxito en competir con ellos por el espacio o la comida.

Algunos de los animales y plantas silvestres más abundantes en Estados Unidos son especies introducidas. Por ejemplo, se introducen estorninos, eucaliptos y muchos tipos de pastos exóticos. La mayoría de las plagas de insectos y plantas son especies exóticas. La vid kudzu, una especie japonesa introducida en 1876, para dar sombra a porches de mansiones meridionales y ampliamente plantada en la década de 1940 para controlar la erosión, crece tan rápidamente (hasta un pie por día) que mata los bosques cubriendo completamente árboles y arbustos. La polilla gitana fue traída de Francia en 1869 por un entomólogo que esperaba cruzarlas con polillas de seda. Se escaparon y establecieron una colonia que invadió todos los estados de Nueva Inglaterra, defoliando árboles de muchas clases diferentes. Los exóticos son un factor que contribuye al estado en peligro de extinción o amenaza de muchos animales y plantas en Estados Unidos.

Peligros de la migración de aves

Todas las criaturas están amenazadas por la degradación y destrucción del hábitat. Para las aves migratorias, el problema se agrava enormemente. Las aves viajan miles de kilómetros entre hogares de verano e invierno, y las interrupciones ambientales en cualquier lugar de la ruta o en cualquier destino pueden ser mortales. De hecho, en las últimas décadas se han documentado descensos masivos en muchas poblaciones de aves.

Muchas de las especies comunes en Estados Unidos son neotropicales: se reproducen en Norteamérica en verano, luego durante el invierno en América Central o del Sur. Estos pájaros cantores, aves acuáticas, rapaces y aves playeras, que siguen las mismas rutas migratorias que hicieron sus antepasados, enfrentan muchos peligros en el camino. La iluminación nocturna (contaminación lumínica) puede desorientarlos. Las colisiones con aviones, cables y edificios pueden matarlos y lesionarlos.

Una vez que las aves llegan a su destino, o cuando se detienen en ruta, necesitan comida, agua y un lugar para descansar. Pero la expansión urbana está invadiendo el hábitat de las aves, y los suministros de alimentos y agua están contaminados por la contaminación.

Recientemente, ha surgido un nuevo problema. Para las aves migratorias, el tiempo lo es todo: deben llegar a sus criaderos de verano cuando los suministros de alimentos están en su apogeo, para que puedan reconstruir su grasa corporal y reproducirse con éxito. El calentamiento global comienza a alterar el delicado equilibrio entre los ciclos de vida de las plantas, los insectos y las aves. En algunas zonas, las aves aparecen temprano, antes de que las flores se abran o los insectos eclosionen, y encuentran muy poco para comer.

Afortunadamente, muchas personas valoran las aves y se están realizando varios esfuerzos de conservación, entre ellos:

• Creación de cinturones protectores de refugio y setos alrededor de campos y espacios abiertos comunitarios
• Servidumbres para proporcionar hábitat nativo a aves en áreas de actividad humana
• Momento de las aplicaciones de insecticidas para evitar la pérdida de la base alimenticia durante el movimiento de las aves en primavera y otoño
• Preservación de la calidad y cantidad de humedales comunitarios
• Minimización de prácticas que impactan negativamente a las aves

Además, muchos buscan coordinar actividades a lo largo de las vías migratorias para aumentar el éxito de las aves migratorias. Si bien los humanos están trabajando para crear reservas naturales, el problema del impacto humano en las aves migratorias aún necesita ser abordado en un grado significativo.