Umwelt und Ökosysteme: Ein ganzheitlicher Ansatz

Umwelt und Ökosysteme

Definition der Umwelt

Die Umwelt umfasst alle physikalischen, chemischen, biologischen und sozialen Komponenten, die direkte oder indirekte Auswirkungen auf das Leben und die Aktivitäten des Menschen haben können. Diese Auswirkungen können kurz- oder langfristig sein und eine Kettenreaktion von Dominoeffekten auslösen. Das Studium der Umwelt ist interdisziplinär, da es Ökologie, Ökonomie, Soziologie, Recht, Biologie, Geologie, Physik, Chemie, Mathematik, Ingenieurwesen, Architektur und Medizin umfasst, um eine ganzheitliche Sichtweise zu ermöglichen.

Wissenschaftliche Ansätze

Reduktionistischer Ansatz

Der reduktionistische Ansatz besteht darin, unseren Untersuchungsgegenstand in Teile zu zerlegen und diese getrennt zu beobachten.

Ganzheitlicher Ansatz

Um diese ganzheitliche Sichtweise zu erreichen, greifen wir auf den ganzheitlichen Ansatz zurück, der das Ganze oder die Gesamtheit und die Beziehungen zwischen seinen Teilen betrachtet, ohne sich in Details zu verlieren. Dieser Ansatz konzentriert sich auf die emergenten Eigenschaften, das Verhalten und die Beziehungen zwischen den Komponenten. Es ist wichtig zu beachten, dass die aus der ganzheitlichen Perspektive gewonnenen Erkenntnisse den Reduktionismus nutzen.

Modelle

Messbare Aspekte der Realität:

• Mentale Modelle: Diese Modelle dienen dazu, uns in der Welt zu orientieren. Jeder Mensch hat seine eigenen mentalen Modelle. Viele Menschen verwechseln die Realität mit dem Modell, das außerhalb seiner Umgebung nicht anwendbar ist.
• Formale Modelle: Wie in der wissenschaftlichen Methode können wir die Realität überprüfen, indem wir sie mit Modellen vergleichen.

Systemmodell "Black Box"

Es wird als eine Box dargestellt, bei der man nur die Ein- und Ausgänge von Materie betrachtet. Zuerst werden die Grenzen oder Grenzen festgelegt und anschließend die Ein- und Ausgänge, falls vorhanden, hervorgehoben.

Typen von "Black Box"-Systemen

• Offene Systeme: Es gibt Ein- und Ausgänge von Materie und Energie.
• Geschlossene Systeme: In ihnen findet kein Austausch von Materie statt, aber es gibt einen Austausch von Energie.
• Isolierte Systeme: Es gibt keinen Austausch von Materie und Energie.

Energiesysteme

• Erster Hauptsatz der Thermodynamik: Energieerhaltung: Energie wird weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur umgewandelt.
• Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik: Entropie wird als thermodynamische Größe definiert, die die nicht nutzbare Energie in einem System misst. Die Entropie ist auch mit der Ordnung verbunden, die in einem System existiert. Wenn es höhere Konzentrationen einer Quelle gibt, gibt es mehr Energie und die Entropie ist geringer. Im Gegensatz dazu wird die Energie stärker verteilt, wenn es eine größere Störung gibt, und die Entropie steigt an. Daher ist es in Energieketten notwendig, Energie zu verbrauchen.

Systemmodelle "White Box"

Beim "White-Box"-Ansatz werden zunächst die Variablen ausgewählt, aus denen das System besteht, und diese werden durch Pfeile miteinander verbunden, um ein Kausaldiagramm zu erstellen.

Kausale Beziehungen

Die kausalen Beziehungen, die Ursache-Wirkungs-Beziehungen, können einfach oder komplex sein:

• Einfach: Sie stellen den Einfluss eines Elements auf ein anderes dar.
• Komplex: Sie implizieren die Wirkung eines Elements auf ein anderes, was wiederum auf das erste zurückwirkt. Dies wird als Feedback oder Rückkopplung bezeichnet, die positiv oder negativ sein kann.

Modelle der Klimaregulation

Unser Planet ist ein Gebiet mit intensiver Farbe.

Die Erde als "Black Box"-System

Mit einem "Black-Box"-Ansatz kann die Erde als ein geschlossenes System betrachtet werden, in dem Energie ein- und austritt, aber keine Materie. Die Erde ist ein System im Gleichgewicht. Aus der Sicht der Selbstregulierung hält sie ihre thermische Temperatur dynamisch bei durchschnittlich etwa 15 °C.

Die Erde als "White Box"

Die Klimamaschine ist das "White-Box"-System, das das globale Klima reguliert und aus folgenden Subsystemen besteht: Atmosphäre, Hydrosphäre, Geosphäre und Biosphäre. Einige Autoren betrachten auch die Kryosphäre. Für Simulationen über das mögliche Verhalten und die Entwicklung des Klimas werden Daten über die wichtigsten Wechselwirkungen für meteorologische Vorhersagen gesammelt. Für Vorhersagen über den Klimawandel, der sehr langsam ist (zwischen 1 und 10 Jahren), ist es ausreichend, die Wechselwirkungen zwischen der Atmosphäre und der Meeresoberfläche sowie die Auswirkungen von Vulkanausbrüchen auf das Klima zu untersuchen.

Der Treibhauseffekt und seine Verstärkung

Der Treibhauseffekt entsteht in den ersten 12 km der Atmosphäre durch das Vorhandensein bestimmter Gase wie Wasserdampf, CO2 und N2O, die hauptsächlich für sichtbare Sonnenstrahlung transparent sind, aber nicht für die von der Erdoberfläche emittierte Infrarot- oder Wärmestrahlung. Man könnte sagen, dass sie wie eine Decke über der Erde wirken und die Temperatur im Durchschnitt bei 15 °C halten, wodurch die Existenz von flüssigem Wasser ermöglicht wird, ohne das es kein Leben gäbe. Es ist wichtig, diesen positiven Effekt nicht mit dem sogenannten Treibhauseffekt zu verwechseln, der eine unverhältnismäßige Zunahme des Treibhauseffekts darstellt. Dieser Anstieg ist ein ernstes Umweltproblem, da er eine übermäßige Erwärmung der Atmosphäre als Folge einer Veränderung bestimmter natürlicher Zyklen verursacht.

Der Albedo-Effekt

Der Anteil der einfallenden Sonnenstrahlung, den die Erde von der gesamten von der Sonne einfallenden Strahlung reflektiert.

Die Wolken

Wolken haben Auswirkungen auf das Klima, die schwer zu analysieren sind, da sie eine doppelte Wirkung haben. Einerseits erhöhen sie die Albedo, wodurch ein Teil der Sonnenstrahlung reflektiert wird, und andererseits verstärken sie die Infrarotstrahlung auf der Erdoberfläche und tragen so zum Treibhauseffekt bei. Jüngste Studien zeigen, dass die vorherrschende Wirkung von der Höhe abhängt, in der sich die Wolke befindet: Wenn die Wolke niedrig ist, überwiegt die Albedo-Zunahme, wenn sie hoch ist, überwiegt der Treibhauseffekt.

Die Existenz von Feinstaub

Emissionen von Vulkanen, Meteoriteneinschlägen, Bränden, Luftverschmutzung oder nuklearen Explosionen bringen große Mengen an Staub und Partikeln in die Atmosphäre, die jahrelang in der Schwebe bleiben können. Das Sonnenlicht kann die Staubschicht nicht durchdringen und wird in den Weltraum zurückreflektiert. Dies führt zu einer Abkühlung des Planeten, die, wenn sie extrem wäre, zu einer Unterbrechung der Photosynthese und zum Zusammenbruch der Nahrungsketten führen würde.

Natürliche Ressourcen

Es ist alles, was die Menschheit der Natur entnimmt, um ihre Grundbedürfnisse und andere Bedürfnisse zu befriedigen, die aus ihren Wünschen oder Begierden entstehen.

• Nicht erneuerbare Ressourcen: Sie existieren in festen Mengen in der Erdkruste. Sie wurden in sehr langen Zeiträumen von Hunderttausenden oder Millionen von Jahren gebildet, wie z. B. fossile Brennstoffe und Mineralien.
• Erneuerbare Ressourcen: Ressourcen, die sich nicht erschöpfen, auch wenn sie genutzt werden.
• Potenziell erneuerbare Ressourcen: Ressourcen, die verbraucht werden, aber durch natürliche Prozesse in relativ kurzer Zeit wiederhergestellt werden, wie z. B. Fische, Bäume usw. Man kann auch die thermische Energie hinzufügen, um darauf hinzuweisen, dass sie, wenn sie massiv genutzt wird, schneller erschöpft werden kann, als sie sich regeneriert.

Umweltauswirkungen

Jede Veränderung in der Zusammensetzung und den Bedingungen der Umwelt, die durch menschliches Handeln herbeigeführt wird, führt zu einer Veränderung des ursprünglichen natürlichen Zustands und wird als schädlich angesehen. Ursachen:

• Veränderungen in der Landnutzung
• Umweltverschmutzung
• Veränderungen der Biodiversität
• Übernutzung
• Aufgabe menschlicher Aktivitäten

Häufige Auswirkungen:

• Lokale Auswirkungen: Sie sind konkret und betreffen ein sehr spezifisches Gebiet.
• Regionale Auswirkungen: Sie erstrecken sich über größere Gebiete und können mehrere Länder betreffen.
• Globale Auswirkungen: Sie erstrecken sich über große geografische Gebiete und können Auswirkungen auf den gesamten Planeten haben.

Die wichtigsten globalen Auswirkungen sind: Verlust der Biodiversität, Abbau der Ozonschicht, Zunahme von Treibhausgasen und Klimawandel, schlechte Wasserwirtschaft usw.

Jäger- und Sammlergesellschaften

Während des Paläolithikums, vor 50.000 bis 40.000 Jahren, lernten die Menschen, Nahrung zu teilen, die Arbeit aufzuteilen und sich selbst zu organisieren, um ihre Basislager zu errichten. Sie passten sich kaum an die Umwelt an und veränderten sie kaum. Wenn die Ressourcen erschöpft waren, mussten sie abwandern. Die Bevölkerungszahl wurde von der Kapazität des Ortes bestimmt. Die indigenen Völker, die in den Regenwäldern leben, sind ein Beispiel für die Lebensweise der Jäger und Sammler. Der Mensch war ein Subsystem, das vollständig in das natürliche System integriert war. Die Auswirkungen auf die Umwelt waren minimal. Man glaubte, dass der Klimawandel hauptsächlich für das Verschwinden von Tierarten verantwortlich war. Der menschliche Erfindungsreichtum führte ihn dazu, ein Verständnis für die Umwelt zu entwickeln, das es ihm ermöglichte, in extremen Klimazonen zu überleben, essbare und medizinische Pflanzen zu entdecken, Wasser zu finden und nützliche Werkzeuge für die Jagd und den Transport zu bauen.

Agrargesellschaften

Das Neolithikum begann vor etwa 10.000 Jahren und verringerte die direkte Abhängigkeit des Menschen von der Natur für die Nahrungsmittelversorgung. Der Mensch machte den Schritt zu einem unabhängigen System: Importeur und Exporteur von Materie und Energie sowie Importeur und Exporteur von Wärme. Das System konnte ein dynamisches Gleichgewicht erreichen. Die besten Technologien ermöglichten es der Menschheit, mit dem Schmelzen von Metallen für die Herstellung von Werkzeugen und Instrumenten wie Pflug, Hacke und Hufeisen zu beginnen. Zusammen mit der Erfindung des Rades ermöglichte dies eine effizientere Landwirtschaft, die Nutzung neuer Anbauflächen und die Produktion von genügend Nahrungsmitteln, um eine größere Anzahl von Menschen zu ernähren. Die größeren wirtschaftlichen Vorteile trieben die technologische Entwicklung voran und führten zur Herstellung neuer, aber teurer Werkzeuge. Die Nahrungsmittelüberschüsse ermöglichten es einigen Menschen, sich anderen Tätigkeiten als der Landwirtschaft zu widmen, was zu großen sozialen Veränderungen, der Schichtung der Gesellschaft und der Schaffung großer Reiche führte. Die Anhäufung von Ressourcen ermöglichte den Bau von Straßen, Städten, Häfen usw. Das Aufkommen der Eisenzeit hatte negative Auswirkungen auf die natürliche Umwelt. Viele Waldökosysteme wurden durch Grasland ersetzt, das zur Viehfütterung und zum Anbau von Pflanzen für die Landwirtschaft genutzt wurde. Der Boden, der nicht mehr von Bäumen bedeckt war, konnte das Wasser nicht mehr speichern, das entweder in die Atmosphäre verdunstete oder über die Oberfläche ins Tal floss, wodurch ein trockeneres Klima entstand. Der Abbau von Mineralien führte zu Bodenerosion. Küstengebiete wurden degradiert. Eine wachsende Bevölkerung zog es vor, neue Gebiete zu besiedeln, um neue Flächen für die Landwirtschaft zu finden.

Industriegesellschaft

Vor der industriellen Revolution war der Landwirt eine wertvolle natürliche Ressource. Als er begann, in Fabriken zu arbeiten, veränderten die industrialisierten Bauernhöfe und Felder sein mentales Modell und er vergaß seine Abhängigkeit von der Natur und begann zu denken, dass die Ressourcen unbegrenzt seien, und so begann seine Energieverschwendung. Der Anteil an erneuerbarer Energie war unzureichend. Wassermühlen wurden durch die Verbrennung von Holz und Kohle ersetzt. Kohle war der am häufigsten verwendete Brennstoff. Kohle wurde für die Dampfmaschine verwendet, die eine hocheffiziente Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie für den Einsatz in Fabriken ermöglichte. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts begann die Kohle durch Öl und seine Derivate ersetzt zu werden. Die einfachere Handhabung und der Übergang von der traditionellen Landwirtschaft zur mechanisierten Landwirtschaft mit Hilfe von Maschinen, die mit fossilen Brennstoffen betrieben wurden, führten zu einer intensiven Abholzung, die die Prozesse der Bodenerosion, der Wasserverschmutzung und der Verschmutzung aller Medien verstärkte. Die mechanisierte Landwirtschaft benötigt weniger menschliche Arbeitskräfte, so dass sich die ländliche Bevölkerung in den Großstädten konzentrierte. Die Gesundheitssysteme und die Lebensbedingungen verbesserten sich, wodurch die Bevölkerung schnell wuchs und sich der Tragfähigkeit des Planeten näherte.

Nachhaltige Entwicklung

Sie ist eine Lösung für die Umweltkrise. Sie wird als eine wirtschaftliche Aktivität definiert, die die Bedürfnisse der heutigen Generation befriedigt, ohne die Möglichkeiten künftiger Generationen zu gefährden, ihre eigenen Bedürfnisse zu befriedigen. Sie versucht, die wirtschaftliche Entwicklung aller Nationen mit dem Schutz der natürlichen Umwelt in Einklang zu bringen. Es gibt drei Arten von Nachhaltigkeit:

• Ökonomische Nachhaltigkeit: Sie hat mit industriellem und landwirtschaftlichem Wachstum, finanzieller Rentabilität, Schaffung von Arbeitsplätzen, Deckung der Grundbedürfnisse und Beiträgen zur Gemeinschaft zu tun.
• Ökologische Nachhaltigkeit: Sie hat mit sauberer Luft und sauberem Wasser, Bodenschutz, Erhaltung der natürlichen Ressourcen, der Integrität der Ökosysteme und der biologischen Vielfalt zu tun.
• Soziale Nachhaltigkeit: Sie bedeutet öffentliches Interesse, Gerechtigkeit bei der Beschäftigung, würdige Behandlung der Arbeitnehmer, Erhaltung der Kulturen und Gesundheit.

Indikatoren

Ein Indikator ist eine Variable oder eine ökologische Schätzung, die Informationen über den Stand der Entwicklung oder ein bestimmtes Umweltproblem liefert und während des Prozesses verwendet werden kann, um die am besten geeigneten Maßnahmen zu ergreifen.

Typen von Indikatoren

• Druckindikatoren: Sie messen die menschlichen Aktivitäten, die sich negativ auf die Umwelt auswirken.
• Zustandsindikatoren: Sie zeigen die Auswirkungen des Drucks auf die Qualität der Umwelt.
• Reaktionsindikatoren: Sie dienen dazu, die Ziele zu messen und Entscheidungen über die zu ergreifenden Maßnahmen zu treffen.

Der ökologische Fußabdruck

Die Fläche produktiven Landes, die benötigt wird, um die Ressourcen zu erzeugen, die eine Bevölkerung verbraucht, und die von ihr produzierten Abfälle zu absorbieren.

Vorbeugung und Bewältigung von Gefahren

Naturgefahren gehören zu den größten Sorgen im Zusammenhang mit der Umweltkrise, abgesehen von Kriegen. Naturgefahren sind insbesondere Erdbeben, Wirbelstürme und Überschwemmungen. Risiko ist der Prozess oder das Ereignis, das zu Verletzungen oder wirtschaftlichen Verlusten sowie zu Umweltschäden führen kann.

• Katastrophe: Nachdem das Ereignis eingetreten ist, sind die Auswirkungen auf die Bevölkerung deutlich spürbar.
• Naturkatastrophe: Wenn das Ausmaß der Zerstörung so groß ist, dass externe Hilfe benötigt wird.
• Unglück: Es ist vorübergehend.

Technologische oder kulturelle Risiken

Sie entstehen durch den Betrieb von Maschinen, den Umgang mit chemischen Produkten, menschliches Versagen und gefährliche Lebensweisen.

Naturgefahren

• Biologische Gefahren: Durch Mikroorganismen, die Infektionskrankheiten oder Parasiten verursachen, Pollen, Wespen usw.
• Chemische Gefahren: Durch die Einwirkung von Chemikalien oder gefährlichen Produkten in Lebensmitteln, Wasser, Luft oder Boden.
• Physikalische Gefahren: Klimatische, geologische und kosmische Gefahren.

Gemischte Risiken

Sie entstehen durch die Veränderung natürlicher Prozesse durch menschliches Handeln, z. B. die Ausbreitung von Legionellen durch Klimaanlagen.

Biosphäre

Die Gesamtheit aller Lebewesen, die die Erde bewohnen.

Ökosystem

Ein natürliches System, das aus lebenden und nicht lebenden Komponenten besteht, die miteinander interagieren.

Ökosphäre

Die Gesamtheit aller Ökosysteme der Erde.

Biom

Die verschiedenen Ökosysteme der Erde.

Trophieebenen

Sie stellen einen Mechanismus für die Übertragung von Materie und Energie zwischen verschiedenen Organismen dar. Sie werden durch Nahrungsketten repräsentiert, die durch Glieder verbunden sind, die die Trophieebenen bilden.

Produzenten

Sie sind autotroph und bilden die erste Trophieebene. Sie synthetisieren organische Substanz durch Photosynthese. Ein Teil der synthetisierten organischen Substanz wird für die Atmung verwendet. Der Atmungsprozess baut Energie ab, die als Wärme freigesetzt wird. Der Rest der produzierten organischen Substanz wird gespeichert und bildet Gewebe, die an andere Trophieebenen weitergegeben werden können.

Konsumenten

Sie sind eine Gruppe heterotropher Organismen, die organische Substanz direkt oder indirekt von Autotrophen nutzen, um ihre Funktionen durch Atmungsprozesse zu erfüllen. Innerhalb der Konsumenten können wir unterscheiden: Pflanzenfresser, Fleischfresser und Allesfresser. Nahrungsnetze entstehen, wenn sich Organismen von mehr als einer Trophieebene ernähren, was ihren Fortbestand sichert. Es gibt auch Aasfresser, die sich von Leichen ernähren, und Detritivore und Saprophagen, die alle Arten von organischen Abfällen konsumieren.

Destruenten

Sie sind eine besondere Art von Destruenten, die für die Umwandlung von organischer Substanz in Mineralsalze verantwortlich sind und so den Stoffkreislauf schließen.

Stoffkreislauf und Energiefluss

Ökosysteme sind natürliche Systeme, die wie die frühen Menschen Nachhaltigkeit erreichen, indem sie die Materie maximal wiederverwerten.

Recycling von Materie

Organische Substanz ist biologisch abbaubar, d. h. sie kann durch die Wirkung von Bakterien und Pilzen abgebaut und in anorganische Stoffe umgewandelt werden, die als Destruenten bekannt sind. Dank ihnen kann die organische Substanz wiederverwendet werden. Die gesamte Nahrungskette erfüllt jedoch den ersten Hauptsatz der Thermodynamik, so dass an jedem Glied Energie verloren geht. Das bedeutet, dass die Energie mit dem Fluss abnimmt. Ein Teil der Energie geht bei der Atmung verloren und wird als Wärme abgegeben, nachdem sie von jeder Ebene zur Aufrechterhaltung der Lebensfunktionen genutzt wurde. Daher ist die Energie, die in die Nahrungskette gelangt, sowohl in Form von organischer Substanz als auch in Form von abgegebener Wärme gleich der Energie, die von jedem Glied aufgenommen wird. Aufgrund dieses Rückgangs des Energieflusses ist die Anzahl der Glieder in einer Nahrungskette in der Regel recht gering.

Biomasse

Die Menge an lebender oder toter organischer Substanz, die die Biosphäre speichern kann. Biomasse hat Energie, die aus Sonnenenergie gewonnen wird. Sie wird in kg, g usw. gemessen und oft in Energieeinheiten ausgedrückt. Normalerweise beziehen wir uns auf die Menge pro Flächeneinheit oder Volumen.

Produktion

Die Energiemenge, die durch jede Trophieebene fließt.

• Bruttoproduktion: Die gesamte Energiemenge, die in jeder Trophieebene pro Zeiteinheit fixiert wird.
• Nettoproduktion: Die Energiemenge, die in jeder Trophieebene pro Zeiteinheit gespeichert wird.