Concepto de medio ambiente y dinámica de sistemas 2012

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UNIDAD 1: CONCEPTO DE MEDIO AMBIENTE Y DINÁMICA DE SISTEMAS * Medio ambiente: definición y alcance * Uso de un enfoque científico: reduccionismo y holismo * Sistema y dinámica de sistemas * Uso de modelos * Modelos de sistemas caja negra * Modelos de sistemas caja blanca * Modelos de regulación del clima terrestre

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UNIDAD 1: CONCEPTO DE MEDIO AMBIENTE Y DINÁMICA DE SISTEMAS CONSIDERACIONES SOBRE LA PAU 35% de pruebas de PAU incluyen preguntas relacionadas con los contenidos de este tema Escasas (menos del 10%) cuestiones sobre diagramas de relaciones causales (diagrama de Forrester) Muchas preguntas que pueden responderse con el apoyo de un diagrama de este tipo, aunque sea muy sencillo; por ejemplo, las preguntas sobre la relaci ó n entre el vertido de CO 2 a la atm ó sfera y el cambio clim á tico, o entre las actividades humanas y determinados riesgos

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UNIDAD 1: CONCEPTO DE MEDIO AMBIENTE Y DINÁMICA DE SISTEMAS CONSIDERACIONES SOBRE LA PAU ¿Qué se suele preguntar? Definir medio ambiente. Diferenciar entre medio ambiente y medio natural. Realizar o interpretar un diagrama causal o diagrama de Forrester. Indicar si una relación causal es directa o inversa. Explicar en qué se diferencian las relaciones directas de las inversas. Indicar si un bucle de realimentación es positivo o negativo

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MEDIO AMBIENTE: DEFINICIÓN Y ALCANCE “Es el conjunto de componentes físicos, químicos, biológicos y sociales capaces de causar efectos directos o indirectos en un plazo corto o largo sobre los seres vivos y las actividades humanas”. Conferencia de las Naciones Unidas sobre Medio Ambiente (Estocolmo, 1972). Definición PAU

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EFECTO DOMINÓ MEDIO AMBIENTE: DEFINICIÓN Y ALCANCE Cualquier intervención en el medio natural provoca una serie de reacciones en cadena sobre todos los componentes del medio ambiente. http://youtu.be/bXvr9kvZjOY Los problemas del medio ambiente no se pueden contemplar de forma aislada. Para estudiar las variables implicadas en un problema ambiental hay que tener en cuenta sus interrelaciones y las repercusiones en cadena.

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ESTUDIO INTERDISCIPLINAR ESTUDIO INTERDISCIPLINAR Ecología MEDIO AMBIENTE: DEFINICIÓN Y ALCANCE El estudio del medio ambiente requiere de la participación de distintas disciplinas Economía Derecho Geología Física y química Matemáticas

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USO DE UN ENFOQUE CIENTÍFICO: REDUCCIONISMO Y HOLISMO 2 Tipos de enfoque científico Enfoque reduccionista Enfoque holístico Divide el objeto de estudio en componentes más simples. Estudia el todo o la globalidad y las relaciones entre sus partes.

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USO DE UN ENFOQUE CIENTÍFICO: REDUCCIONISMO Y HOLISMO Enfoque reduccionista (método analítico) Divide el objeto de estudio en componentes más simples. Funciona en ciencias en las que la disección y el análisis son suficientes para explicar los procesos. Pierde validez para objetos de estudio en los que sus piezas interactúan

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USO DE UN ENFOQUE CIENTÍFICO: REDUCCIONISMO Y HOLISMO Enfoque holístico (método sintético) Estudia el todo o la globalidad y las relaciones entre sus partes. Pone de manifiesto las propiedades emergentes (están ausentes en el estudio de las partes por separado)

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SISTEMAS Y DINÁMICA DE SISTEMAS SISTEMA Es un conjunto de partes operativamente interrelacionadas, es decir, un conjunto en el que unas partes actúan sobre otras y del que interesa considerar el comportamiento global. es Es más importante que la suma de sus partes Aparecen las llamadas propiedades emergentes Se estudia mediante la Teoría de sistemas dinámicos o dinámica de sistemas Enfoque holístico Observar y analizar relaciones e interrelaciones usando modelos Usa Se basa en

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USO DE MODELOS MODELO Es un objeto que representa a otro. Se usa como instrumento que ayuda a responder preguntas acerca de un aspecto de la realidad que sería el sistema concreto. es 2 Reglas para elaborar modelos La primera regla para la elaboración de modelos es tender a la simplicidad. La segunda escoger las variables adecuadas para el estudio.

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USO DE MODELOS Tipos de modelos Modelos formales Modelos mentales Lo que guardamos en nuestra mente son modelos mentales subjetivos Son modelos matemáticos, útiles para representar la realidad de una forma más concreta y precisa

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MODELOS DE SISTEMAS CAJA NEGRA Los modelos de sistema de caja negra solo reflejan las entradas y las salidas de materia, energía o información, es decir, sus intercambios con el entorno. SISTEMA Entradas Salidas Sólo nos fijamos en las entradas y salidas de: Materia Energía Información Es importante marcar sus fronteras o límites, saber que está fuera y qué está dentro

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MODELOS DE SISTEMAS CAJA NEGRA SISTEMAS CAJA NEGRA ABIERTOS CERRADOS Pueden ser Se producen entradas y salidas de materia y energía AISLADOS No hay intercambio de materia, pero si de energía No hay intercambio ni de materia, ni de energía

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Modelo de sistema caja negra MODELOS DE SISTEMAS CAJA NEGRA Principios termodinámicos Principios termodinámicos Tiene que cumplir

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MODELOS DE SISTEMAS CAJA NEGRA 1ª ley de la termodinámica Conservación de la energía La energía no se crea ni se destruye sólo se transforma SISTEMA E entrante E saliente Energía almacenada E entrante = E almacenada + E saliente

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MODELOS DE SISTEMAS CAJA NEGRA 2ª ley de la termodinámica La entropía La tendencia natural es que la energía pase de una forma más concentrada y con mayor orden a otra forma más dispersa y con menor orden Entropía : magnitud que mide la parte no utilizable de la energía contenida en un sistema

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MODELOS DE SISTEMAS CAJA NEGRA 2ª ley de la termodinámica La entropía Consecuencia Consecuencia

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MODELOS DE SISTEMAS CAJA NEGRA 2ª ley de la termodinámica La entropía ¿Lo cumplen los seres vivos? Baja entropía Calor Vapor de agua CO 2 Mantienen su baja entropía interior degradando azúcares en la respiración, a base de expulsar al entorno calor y moléculas de elevada entropía. Rebajan su entropía a base de aumentar la del entorno

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MODELOS DE SISTEMAS CAJA NEGRA 2ª ley de la termodinámica La entropía ¿Lo cumplen los seres vivos?

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MODELOS DE SISTEMAS CAJA NEGRA 2ª ley de la termodinámica La entropía En las cadenas energéticas para concentrar energía se ha de consumir energía

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MODELOS DE SISTEMAS CAJA BLANCA A B D C E Entradas Salidas Se usan cuando lo que nos interesa es conocer los aspectos internos de un sistema y las relaciones causales que se establecen entre los componentes del sistema Lo que observamos es el interior del sistema Las variables se unen entre sí mediante interacciones formando un diagrama causal (diagramas de Forrester) Las relaciones causales son las conexiones que existen entre las variables PAU

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MODELOS DE SISTEMAS CAJA BLANCA Relación causal Conexiones causa-efecto entre las variables TIPOS Simples Influencia de un elemento sobre otro Complejas Acción de un elemento sobre otro, y este último actúa sobre el primero Directas Inversas Encadenadas Retroalimentación positiva Retroalimentación negativa PAU

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MODELOS DE SISTEMAS CAJA BLANCA Relación causal Simples Directas En las que un aumento de A causa un aumento de B y una disminución de A causa una disminución de B. Se indica mediante un signo + sobre la flecha A B + A B + PAU

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MODELOS DE SISTEMAS CAJA BLANCA Relación causal Simples Inversas En las que un aumento de A causa una disminución de B y viceversa. Se indica mediante un signo - sobre la flecha A B - A B - PAU

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MODELOS DE SISTEMAS CAJA BLANCA Relación causal Simples Encadenadas Son cambios en cadena positivos o negativos o de diferentes signos. Para resumir se reducen a una sola relación PAU

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MODELOS DE SISTEMAS CAJA BLANCA Relación causal Simples Encadenadas PAU

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MODELOS DE SISTEMAS CAJA BLANCA Relación causal Simples Encadenadas PAU

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MODELOS DE SISTEMAS CAJA BLANCA Relación causal Complejas Retroalimentación positiva Bucles de realimentación o retroalimentación : la acción de un elemento sobre otro hace que a su vez este último actúe sobre el primero + + + Cuando una variable aumenta, otra aumenta, lo que hace que aumente a su vez la primera La causa aumenta el efecto y el efecto aumenta la causa Esto provoca un crecimiento incontrolado del sistema y continuará mientras el entrono lo permita. Comportamiento explosivo  desestabilización del sistema Curva exponencial en J PAU

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MODELOS DE SISTEMAS CAJA BLANCA Relación causal Complejas Retroalimentación negativa + - - Cuando una variable aumenta y la otra también, pero esta última hace que la primera disminuya Al aumentar la causa aumenta el efecto, y el aumento del efecto amortigua la causa. Este tipo de bucles tienden a estabilizar el sistema por eso se llaman estabilizadores u homeostáticos Curva exponencial descendente y extinción de la población PAU

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MODELOS DE SISTEMAS CAJA BLANCA Relación causal Complejas Lo normal es que los sistemas se regulen por ambos bucles Es el resultado combinado de ambos bucles sobre el tamaño de la población: r = TN – TM Si r > 0  TN >TM  la población crece Si r < 0  TN < TM  La población decrece Si r = 0  TN = TM  equilibrio dinámico, crecimiento cero o estado estacionario. Potencial biótico (r) PAU

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MODELOS DE SISTEMAS CAJA BLANCA Relación causal Complejas Si r = 0  TN = TM  equilibrio dinámico, crecimiento cero o estado estacionario. Potencial biótico (r) Crecimiento cero  se corresponde con curva sigmoidea o logística Se alcanza la capacidad de carga : máximo nº de individuos que se pueden mantener en determinadas condiciones ambientales PAU

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MODELOS DE SISTEMAS CAJA BLANCA Pasos para modelar un sistema 1 Con un objetivo y a partir de la observación de la realidad se forma un modelo mental (hipótesis y elección de variables) 1 2 2 Se unen la variables con flechas que representan las relaciones y se valida con la realidad 3 3 Se hace un modelo matemático con símbolos y ecuaciones diferenciales que determinan los posibles comportamientos 4 4 Se estudia el comportamiento futuro a partir de una determinadas condiciones

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MODELOS DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE LA TIERRA COMO SISTEMA DE CAJA NEGRA Sistema de caja negra solo reflejan las entradas y las salidas de materia, energía o información, CERRADO No hay intercambio de materia, pero si de energía Energía que entra: la radiación electromagnética solar. Mayoritariamente luz visible. Energía que sale: radiación reflejada y radiación infrarroja (calor de la superficie terrestre) La tierra en equilibrio dinámico autorregula su temperatura: media de unos 15 º C

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MODELOS DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE LA TIERRA COMO SISTEMA DE CAJA BLANCA En un sistema de caja blanca nos interesa conocer los aspectos internos Se forma por la interacción de varios subsistemas ATMÓSFERA Envoltura de gases que rodea la Tierra HIDROSFERA Capa de agua que hay en la Tierra, en sus diferentes formas, subterránea, superficial, dulce, salada, líquida GEOSFERA Es la capa sólida de la Tierra, es la más voluminosa y con los materiales más densos BIOSFERA Es la cubierta de vida CRIOSFERA Capa de agua helada

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MODELOS DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE LA TIERRA COMO SISTEMA DE CAJA BLANCA El comportamiento y evolución del sistema climático (S) es el resultado de la interacción (U) entre los subsistemas que componen la máquina climática: S = A U H U G U B U C

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MODELOS DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE LA TIERRA COMO SISTEMA DE CAJA BLANCA Predicciones meteorológicas de días u horas: S = A Predicciones de 1 a 10 años: S = A U H U G Predicciones de 10 a 100 años: S = A U H U G U B U C Predicciones a más largo plazo: distribución mares/océanos; variaciones de la órbita terrestre,…

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Influencia de la biosfera Polvo atmosférico Efecto albedo Efecto invernadero y su incremento MODELOS DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE LA TIERRA COMO SISTEMA DE CAJA BLANCA Nubes Volcanes 7 Interacciones climáticas Variación de la radiación solar

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Efecto invernadero y su incremento MODELOS DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE LA TIERRA COMO SISTEMA DE CAJA BLANCA Se produce en la troposfera (12 km) Gases: vapor de agua, CO 2 , Metano y N 2 O Estos gases son transparentes a la radiación visible del Sol Estos gases impiden que la radiación infrarroja que emite la Tierra al calentarse, escape, y es devuelta hacia la superficie terrestre incrementando la tª de la atmósfera Permite que la temperatura media de la Tierra sea de 15 º C, posibilitando la presencia del agua líquida que permite la vida

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Efecto invernadero y su incremento MODELOS DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE LA TIERRA COMO SISTEMA DE CAJA BLANCA El incremento del efecto invernadero consiste en un aumento desmesurado de los gases de efecto invernadero Lo que produce un excesivo calentamiento de la atmósfera Originado por la deforestación, la quema de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural) y los incendios

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MODELOS DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE LA TIERRA COMO SISTEMA DE CAJA BLANCA Efecto albedo Es el % de radiación solar reflejada por la Tierra del total de la que incide procedente del Sol Depende del color de la superficie reflectora: Cuanto más clara más cantidad de luz se refleja Mayor Albedo => Menor Temperatura http://www.educapoles.org/multimedia/animation_detail/why_is_it_cold_at_the_poles/

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Nubes MODELOS DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE LA TIERRA COMO SISTEMA DE CAJA BLANCA Doble acción sobre el clima: Incrementan el albedo reflejando radiación (Bajas) Incrementan el efecto invernadero devolviendo radiación infrarroja (Altas) Temperatura Superficie helada Albedo + - - + Nubes + Efecto invernadero + + - + + Los dos bucles positivos propician un equilibrio dinámico que puede romperse si las condiciones ambientales cambian  imposible el retorno. Ejemplos: Marte evolucionó hacia un clima frío, Venus hacia el incremento del efecto invernadero Gases efecto invernadero + Radiación solar incidente +

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Nubes MODELOS DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE LA TIERRA COMO SISTEMA DE CAJA BLANCA Marte: Temperatura media de -10ºC. En los polos hasta -160ºC Agua y dióxido de carbono congelados. Marcas de ríos en su superficie. Su lejanía al Sol y sin efecto invernadero Venus: Temperatura media de 484ºC Su cercanía al sol  elevada temperatura  gruesa capa de nubes  fuerte incremento del efecto invernadero  el agua se evaporó

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Polvo atmosférico MODELOS DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE LA TIERRA COMO SISTEMA DE CAJA BLANCA Volcanes, meteoritos, incendios, contaminación, explosiones nucleares  inyectan polvo y partículas a la atmósfera. Aumentan el albedo  enfrían la atmósfera

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MODELOS DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE LA TIERRA COMO SISTEMA DE CAJA BLANCA Volcanes Doble acción sobre el clima, dependiendo de los productos que emiten y la altura que alcancen Descenso térmico  emisiones de polvo y SO 2 . A corto plazo. Mayor efecto en las emisiones que superan la tropopausa. Incremento térmico  CO 2  efecto menos evidente y más duradero Temperatura Superficie helada Albedo + - - + Nubes + Efecto invernadero + + - + + Gases efecto invernadero + Radiación solar incidente + Erupciones volcánicas Polvo y SO 2 + + + CO 2 + + Radiación reflejada Primero originan un descenso y luego un aumento de las temperaturas

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MODELOS DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE LA TIERRA COMO SISTEMA DE CAJA BLANCA Variaciones de la radiación solar Periódicas Ciclos astronómicos de Milankovitch Graduales El Sol no siempre ha emitido la misma cantidad de energía Excentricidad de la órbita terrestre Inclinación del eje (oblicuidad) Posición del perihelio (precesión)

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MODELOS DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE LA TIERRA COMO SISTEMA DE CAJA BLANCA Variaciones de la radiación solar Periódicas Ciclos astronómicos de Milankovitch Variaciones cíclicas de la temperatura en función de la cantidad de energía solar que llega y de la parte de superficie terrestre que la recibe Se piensa que están relacionadas con las glaciaciones, ya que la bajada la radiación hace que disminuya la temperatura y se active el bucle hielo-albedo

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MODELOS DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE LA TIERRA COMO SISTEMA DE CAJA BLANCA Variaciones de la radiación solar Periódicas Excentricidad de la órbita terrestre De más circular a más elíptica Periodicidad: 100.000 años Más alargada la elipse  más corta la estación cálida Inclinación del eje (oblicuidad) Periodicidad de 41.000 años Actualmente es de 23º27’ Determina variaciones en la duración día/noche y de las estaciones Eje vertical: 12 horas y sin estaciones Posición del perihelio (precesión) Periodicidad de 23.000 años Actualmente: la Tierra en el perihelio: invierno en el hemisferio norte Veranos del perihelio: más calurosos. Inviernos del afelio: más fríos Hemisferio Sur: se suaviza por influencia oceánica

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MODELOS DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE LA TIERRA COMO SISTEMA DE CAJA BLANCA Variaciones de la radiación solar Graduales El Sol no siempre ha emitido la misma cantidad de energía Según el principio de entropía, a medida que se va degradando su energía, se va desprendiendo más calor. Antes de aparecer la vida en la Tierra, la temperatura del Sol debió ser un 30% menor que la actual

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MODELOS DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE LA TIERRA COMO SISTEMA DE CAJA BLANCA Hipótesis de Gaia (Lovelock) La biosfera desempeña un papel fundamental en esta regulación rebajando los niveles de CO 2 atmosférico La Tierra es un sistema homeostático capaz de autorregular su temperatura Influencia de la biosfera

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Influencia de la biosfera MODELOS DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE LA TIERRA COMO SISTEMA DE CAJA BLANCA Principales cambios de la atmósfera provocados por la biosfera CO 2 La concentración elevada inicial (20%) permitía un efecto invernadero que compensaba la menor emisión del Sol Los seres fotosintéticos reducen sus niveles (0,03%) y se acumula en la materia orgánica (biomasa y combustibles fósiles) Los seres vivos también devuelven CO 2 por la respiración celular de forma más lenta O 2 La fotosíntesis lo libera, primero oxida el Fe y el S formando depósitos de Fe sedimentario Luego se difundió en la atmósfera hasta alcanzar un 21% Posibilitó la proliferación de organismos aerobios O 3 La abundancia de O2 permitió la formación de la capa de ozono que protege a los seres vivos de la radiación UV, permitiendo su expansión en los continentes N 2 Se eleva su nivel por las reacciones de los seres vivos sobre óxidos nitrogenados hasta llegar al 78%

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Influencia de la biosfera MODELOS DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE LA TIERRA COMO SISTEMA DE CAJA BLANCA Temperatura Superficie helada Albedo + - - + Nubes + Efecto invernadero + + - + + Radiación solar incidente + Polvo y SO 2 + + + CO 2 + + Radiación reflejada Erupciones volcánicas Fotosíntesis + - + Almacenamiento CO 2 -

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