Teoria de Sistemes, Atmosfera, Clima i Riscos Ambientals

Teoria de Sistemes: Conceptes Fonamentals

Propietats dels Sistemes

• Cada element del sistema té una funció.
• Un canvi en un dels elements afecta la resta i la funció global.
• Els sistemes tenen mecanismes autoreguladors.
• Tots els sistemes tenen una propietat emergent (una funció global).

Tipus de Sistemes

• Obert: Entra i surt energia (ε) i matèria.
• Tancat: Entra i surt energia (ε) però no matèria.

Tipus de Relacions

• Relacions Simples: Una variable relacionada amb una altra.
  • Simple + (Directament proporcional)
  • Simple - (Inversament proporcional)
• Relacions Encadenades: Dues variables en relació de forma lineal.
• Relacions Compostes: Relació de +2 variables, l'última amb la primera (bucle).

Sempre que sigui un bucle negatiu (-), s'autoregula. Si és positiu (+), són desestabilitzadors.

L'Atmosfera Terrestre

Composició

• Nitrogen (N): 78%
• Oxigen (O₂): 21%
• Argó (Ar): 0,9%
• Diòxid de Carboni (CO₂): 0,05%

Estructura i Capes

• Homosfera (0-100 km): Composició de gasos constant (K).
• Heterosfera (100-1000 km): Concentració de gasos variable.
• Troposfera: Intercanvi de gasos, cicle de l'aigua.
• Tropopausa
• Estratosfera: Zona de la capa d'Ozó (O₃), filtra raigs UV-A.
• Estratopausa
• Mesosfera: Temperatura disminueix fins a -90ºC.
• Ionosfera: Augment de temperatura, més ions, aurora boreal.
• Exosfera: Última capa, percentatge de gasos baix.

Ozó i Radiacions

• O₃ troposfèric: Nociu.
• O₃ estratosfèric: Necessari, natural.
• Raigs Infrarojos (IR): Escalament (Efecte Hivernacle).
• Raigs UV-A: Mutacions.

Funcions de l'Atmosfera

• Efecte Hivernacle: Mantenir l'escalfor de la Terra.
• Intercanvi de gasos: O₂ - CO₂.
• Tancar el cicle de l'aigua.
• Escut protector: Deteriorament per impacte de meteorits.
• Filtrar Radiacions UV-A.

Balanç Energètic (ε)

• 72% absorbida: (26% atmosfera, 46% superfície).
• 28% reflectida: ALBEDO (0,28 unitat).

Vent i Pressió Atmosfèrica

El Vent

Moviment de massa d'aire en direcció horitzontal.

Si dues masses d'aire tenen la mateixa temperatura, no hi ha moviment. Si una massa s'escalfa, ascendeix i el lloc que deixa buit és ocupat per altres masses (aquest moviment és el vent).

Instruments de Mesura

• Penell: Direcció.
• Anemòmetre: Velocitat.
• Escala Beaufort: Velocitat (rang [1-17] = [0-200 km/h]).

Vents a Catalunya

• Nord (N): Tramuntana (baixa temperatura).
• Est (E): Llevant.
• Sud (S): Migjorn (augment de temperatura).
• Oest (O): Ponent.

Pressió Atmosfèrica (P. Atmosfèrica)

Isòbares: Línies imaginàries que uneixen els punts de l'atmosfera en un indret que tenen la mateixa pressió (de 4 en 4 hPa).

• Depressions (Baixa P): Zones de baixa pressió (<1012 hPa), convergents, sentit Antihorari (AH) a l'Hemisferi Nord (HN), influïdes per la Força de Coriolis.
• Anticiclons (Alta P): Zones d'alta pressió (>1012 hPa), divergents, sentit Horari (H) a l'Hemisferi Nord (HN), influïts per la Força de Coriolis.

Núvols i Precipitació

• Núvol: Massa d'aire que conté vapor d'aigua que s'ha de condensar.
• Humitat: Quantitat de vapor d'aigua (H₂O) que té una massa d'aire.

Tipus d'Humitat

• Humitat Relativa (%): Quantitat de vapor d'aigua que conté una massa d'aire respecte al total (100%) que pot admetre segons la temperatura a la qual es troba. Si la temperatura és elevada, agafa més H₂O.
• Humitat Absoluta (g/m³): Quantitat de massa (g) de vapor d'H₂O que hi ha respecte al volum (m³) d'aire.

Exemple: Si la humitat de la roba (H₁) és superior a la humitat ambiental (H₂), la roba no s'asseca. Si hi ha el 100% d'humitat, l'aire se satura, es condensa i precipita.

Formació dels Núvols

1. Ascensió Orogàfica: Augment de relleu. Massa d'aire que es veu forçada a ascendir a causa d'un obstacle orogràfic, es refreda i, per tant, condensa.
2. Convecció: La terra és escalfada pel sol, l'aire més proper a la superfície s'escalfa i ascendeix, guanya altura, es refreda i condensa.
3. Convergència en Àrees Depressionàries: Zona de baixa pressió. Es produeix una convergència quan la massa puja.
4. Contacte de Masses d'Aire a Diferents Temperatures: Les masses a diferents temperatures no es barregen; la massa més calenta ascendeix.

Fronts Atmosfèrics

Línies imaginàries que separen les masses d'aire.

• Front Fred: Pluges fortes.
• Front Càlid: Plugims.
• Front Oclús: Pluges fortes i plugims.

Clima i Canvi Climàtic

• Clima: Estat mitjà de l'atmosfera en una zona determinada i en uns períodes llargs (estacionals) de l'any.
• Temps Atmosfèric: Estat de l'atmosfera en un moment concret (hores) i d'una zona geogràfica (indret).

Climograma

Registre de la temperatura mitjana mensual (línia) i la pluviositat total del mes (barres).

Factors Climàtics

• Latitud: Distància a l'Equador, graus d'inclinació del sol.
• Altitud: Altura del relleu. Com més alt, més baixa la temperatura.
• Distància del Mar: Els mars són amortidors de temperatura.
• Orientació: Nord/Sud (hores d'insolació).

Canvi Climàtic: Causes

Variació global del clima de la Terra.

Factors Astronòmics

• Canvi en l'Activitat Solar: Nombre de taques solars ("zones fosques") que augmenten la radiació.
• Canvi en la Posició de la Terra: Distància entre la Terra i el Sol.

Altres Factors Naturals

• Erupcions Volcàniques: Les cendres es queden en suspensió i formen una capa que no permet circular l'aire.
• Posició de les Terres Emergents: Si els continents estan més separats, més zona toca el mar.
• Magnetisme Terrestre: Modificació de la circulació del vent i partícules.

Canvis Antropogènics

Accelera el procés del canvi i no deixa temps a regenerar-se.

Recursos Energètics Renovables

Energia Solar (ε Solar)

Energia solar tèrmica (escalfor) i fotovoltaica (electricitat).

Aplicacions

• Escalfar H₂O (piscines climatitzades, aigua domèstica, calefacció).
• Electricitat (ε elèctrica).
• Assecadors.
• Dessaladores d'aigua.

Pros i Contres

• Pros: Renovable, neta (no contamina), lliure, augment de qualitat de vida en zones aïllades, poca superfície per molta energia, manteniment econòmic baix.
• Contres: Inversió econòmica elevada, materials contaminants com a residu (silici), disponibilitat total (no tots els països l'usen), energia intermitent.

Necessitats

• Raigs perpendiculars.
• Orientació Sud.

Energia Fotovoltaica (ε Fotovoltaica)

S'utilitza per obtenir electricitat a partir de la radiació solar mitjançant cèl·lules fotovoltaiques. El vidre reté la calor. Funciona per diferència de potencial (silici).

Reserva energètica: Bateria (corrent contínua), regulador (acumula energia), inversors (corrent altern).

Energia Tèrmica (ε Tèrmica)

S'utilitza per reemplaçar les energies fòssils per a l'autoestabliment d'aigua calenta i calefacció. Els col·lectors solars absorbeixen la radiació solar (vidre, aïllant tèrmic) i escalfen un fluid que circula per una canonada, el qual escalfa l'aigua. El termoregulador guarda i controla la temperatura.

Energia Eòlica (ε Eòlica)

Aerogeneradors (aparells en zones elevades que aprofiten l'energia del vent per generar electricitat).

• Zones: Desèrtiques, muntanyes, zones geogràfiques específiques.
• A Catalunya: Nord (Alt Empordà), Sud (Delta de l'Ebre).

Funcionament: Les hèlixs giren a més de 6 m/s. El multiplicador augmenta la força. El generador converteix l'energia mecànica en elèctrica. Disposa d'anemòmetre i penell, i un acumulador d'energia.

Riscos Naturals i Fenòmens Extrems

Inundacions

Crescudes d'aigua en poc temps en una zona determinada.

Factors Determinants

• Grau d'infiltració d'aigua: Permeabilitat i vegetació.
• Morfologia de la conca: Pendent, àrea de la conca.
• Obres hidràuliques: Subterranis i nivell freàtic.
• Plans d'actuació: Planificació INUNCAT.

Causes a Catalunya

• Temporals de Llevant.
• Pertorbacions atlàntiques reactivades (borrasca de càrrega i descàrrega).
• Tronades (canvi de temps brusc a la muntanya).

Sequeres

Període prolongat de manca de precipitacions, dominat per l'anticicló de les Açores (que barra el pas dels fronts i les depressions, situació de bloqueig).

Conseqüències i Mesures

• Pèrdua de les collites (impacte econòmic).
• No sobreexplotar (rius, aigües subterrànies) per evitar la disminució de cabals i problemes greus.
• Racionalitzar (fomentar l'estalvi particular i industrial, promoure sistemes de regadiu eficients).

Fenòmens Elèctrics

• Llampec: Descàrrega elèctrica entre núvols.
• Llamp: Descàrrega elèctrica entre núvol i terra.

Mesures de seguretat: No posar-se sota un arbre (en plana, estirar-se a terra). El cotxe és segur (per les rodes). A casa, tancar finestres i desendollar aparells.

Riscos pel Vent

Huracans

Depressions de diàmetre petit (200-600 km), centre de baixa pressió (950 hPa). Canvis de pressió a poca distància (isòbares molt juntes = forts vents). Vents de 117-300 km/h.

• Cicló (Oceà Índic)
• Tifó (Xina i Japó)
• Baguio (Filipines)
• Willy-Willy (Austràlia)
• Tempestes tropicals (Amèrica)

Tornados

Fenomen que genera vents destructors molt violents, que aspiren de forma circular per on passen.

• Tromba marina: Tornado d'aigua al mar.

Oscil·lacions Climàtiques (El Niño i La Niña)

• "El Niño": (Periodicitat 3-7 anys). Situació anòmala: no hi ha vents alisis, l'aigua evaporada plou molt fort, no hi ha aflorament de plàncton, no hi ha pesca (Perú). Causa sequeres a Oceania i inundacions a Amèrica del Sud (moviment Oest-Est).
• "La Niña": El mar està molt calent. Bufa el vent alisi (Oest <- Est). L'aigua s'evapora, puja l'aigua freda, hi ha aflorament de plàncton, augmenta la pesca (benefici econòmic).

Impactes i Contaminació Atmosfèrica

Fonts de Contaminació

Fonts Naturals

• Erupció volcànica: Emeten compostos i partícules en suspensió.
• Incendis forestals naturals: Desprenen CO₂ i cendres.
• Tempestes de sorra: Partícules de sorra en suspensió.

Fonts Antropogèniques (Humanes)

• Mitjans de transport: Motors d'explosió.
• Processos industrials: Substàncies contaminants.
• Calefaccions domèstiques: Generen òxids de sofre, nitrogen i carboni.

Agents Contaminants

• Primaris: S'aboquen directament a l'atmosfera. Es pot detectar l'origen.
• Secundaris: Es desconeix l'origen. Es formen per radiació i temps de residència.

Partícules

Petites porcions de matèria que poden ser sòlides o líquides: aerosols, fum, cendres, pols, metalls pesants.

Factors d'Escala Local que Afecten la Contaminació

• Humanització: Més població, més incidència d'impacte.
• Orientació: Sud (hores d'insolació). Més radiació = més contaminació. Més vent = menys contaminació.
• Orografia: Humanització, ventilació als cims. Valls amb poca ventilació.
• Ventilació: Més vent = menys contaminació (la desplaça).
• Humitat: Més vapor d'H₂O = més probabilitat de pluja àcida.
• Precipitació: Neteja l'atmosfera (la contaminació passa a la hidrosfera).

Efectes Locals de la Contaminació

SMOG (Boirum)

Compostos químics (Hidrocarburs + Òxids de Nitrogen, HC + NOx).

Condicions atmosfèriques: Més UV-A = més hores de sol. Poc aire + O₃ + vall = boira fotoquímica (contaminant secundari).

HC + NOx + UV-A produeixen PAN (Peroxiacetilnitrat), que forma la boira fotoquímica. Fonts: vehicles amb motor d'explosió, indústries.

Pluja Àcida

• Deposició Seca: Humitat que es diposita sobre alguna cosa.
• Deposició Humida: Pluja àcida.

Reaccions: SO₃ + H₂O = H₂SO₄ (àcid sulfúric). NO₂ + H₂O = H₂NO₃ (àcid nítric).

Conseqüències: Acidificar el medi, corrosió de materials i crema de vegetació.

Afebliment de la Capa d'Ozó

Els CFC (Clorofluorocarburs) i CFBr (Bromofluorocarburs) són compostos molt estables que són alliberats a l'atmosfera i arriben a l'estratosfera. La radiació UV-A els descompon i allibera àtoms de Clor (Cl) o Brom (Br). Això comença una cadena de reaccions fotoquímiques que interfereixen amb l'O₃ estratosfèric.

Contaminació Acústica

Soroll que produeix una sensació molt desagradable. S'expressa en intensitat (decibels, dB).

• 60 dB: Trànsit poc fluid, electrodomèstics.
• 20 dB: Despatx sol.
• 40 dB: Diàleg.
• 120 dB: Bar, discoteca.

La vegetació amortigua el so.

Focus: Transport, obres, indústries, oci, domèstic.

Conseqüències: Insomni, angoixa, taquicàrdies, alteracions hormonals.

Efectes Globals de la Contaminació

Efecte Hivernacle

Capa de CO₂ que envolta la Terra i fa que la llum IR (calor) passi amb la mateixa intensitat, però la reflectida no surt tota.

Augment de l'Efecte Hivernacle: La capa de CO₂ augmenta i surt menys intensitat d'IR, que es queda atrapada (augmentant la temperatura mitjana de 15,5ºC a 16ºC, aproximadament).

Activitats Humanes: Indústries, cases, tala d'arbres, vehicles amb motor d'explosió.

Conseqüències: Desglaç, augment del nivell del mar, inundació de zones costaneres, migració de centres de població, zones càlides a desèrtiques, migració al Nord, desequilibri d'ecosistemes.

Normes de Qualitat de l'Aire

• Nivells Guia: Concentració de cada contaminant que pot alterar la salut a llarg termini.
• Nivells Límit: Concentració de cada contaminant que mai es pot superar per salut.
• Nivells Emergència: Concentració de cada contaminant on s'ha d'actuar i disminuir.

ICQA (Índex Català de Qualitat de l'Aire): Mesura CO₂, SO₂, NO₂, PM (partícules en suspensió), O₃. Rang 50-100.

• Emissió: Directa, producció i alliberament de substàncies a l'atmosfera. Poden dispersar-se o quedar-se en un lloc concret.
• Immissió: Concentració de contaminants secundaris que es troben en l'aire i no se sap la font.

Mesures Preventives: Disseny i construcció d'instal·lacions segons la normativa, ordenació territorial.

Fitxa Tècnica de Contaminants Específics

Llegenda: C=Característiques, F=Fonts, I=Impacte, E=Efectes en la Salut, V/M=Efectes en Vegetació/Materials.

Partícules de Pols (PM)

• C: Fums/pols.
• F: Trànsit, indústria, calefaccions, incendis, obres, mineria, erosió.
• I: Qualsevol que passi a H₂O, sòl, atmosfera.
• E: Malalties respiratòries, càncer pulmonar, bronquitis crònica.
• V/M: Obstrucció d'estomes de fulles, deposició en edificis.

Compostos de Sofre (SO₂/SO₃)

• C: SO (gas irritant), SO₂ (més abundant, temps de residència 12 h - 6 dies), SO₃ (pluja àcida).
• F: Combustibles fòssils, indústries, incineradores.
• I: Pluja àcida.
• E: SO₃ (irrita mucoses), SO₂ (irritació d'ulls, problemes respiratoris).
• V/M: Mort de plantes, corrosió de pedra.

Sulfur d'Hidrogen (H₂S)

• C: Gas tòxic, es transforma en SO₂.
• F: Natural (erupcions), artificial (indústries, aigües residuals, fàbriques de gas).
• I: Pluja àcida.
• E: Gas tòxic, olor desagradable.
• M: Corrosió de pintura.

Òxids de Nitrogen (NO/NO₂)

• C: NO (gas), NO₂ (gas groc, asfíxia).
• F: Natural (volcans, bacteris), artificial (incineradores, fòssils, calefaccions).
• I: Boira fotoquímica, pluja àcida.
• E: Irritació d'ulls, vies respiratòries, asma.

Òxids de Carboni (CO/CO₂)

• C: CO (inflamable), CO₂ (a més temperatura es genera CO).
• F: CO (zones urbanes, fòssils, incineradores), CO₂ (respiració, atmosfera).
• I: Efecte hivernacle.
• E: CO (tòxic), CO₂ (mal de cap, alteració de la coordinació).
• V: Més fotosíntesi.

Compostos Hidrocarburats (HC)

• C: Butà, compostos.
• F: Natural (pous de petroli), artificial (vehicles, refineries de petroli).
• I: Smog.
• E: Càncer.
• V: Mort de vegetació.

Compostos Halogenats

• C: Clor (Cl), Fluor (F), Freons (CFC).
• F: Cl (motors), F (indústria), Freons (CFC).
• I: Afebliment capa O₃, efecte hivernacle.
• E: Cl (irritació mucosa), F (disminució de sang).
• V/M: Destrucció.

Oxidants

• C: Contaminant secundari.
• F: Reacció de NOx + hidrocarburs.
• I: Contaminant secundari PAN.
• E: Irritants, disminució pulmonar.
• V/M: Disminució de fotosíntesi, esquerden el cautxú.

Metalls Pesants

• C: Elements a l'atmosfera.
• F: Vehicles, indústria.
• I: Xarxes tròfiques.
• E: Tòxics.
• V/M: S'acumulen en teixits, esquerdament del cautxú.