el medio ambiente y la teoría de sistemas

Tema 1Medio ambiente y teoría de sistemas

1Tema 1. Medio ambiente y teoría de sistemas


Introducción al estudio de la Tierra como sistema

* Puede incluir la criosfera (glaciares)

La Tierra es un sistema complejo y dinámico, con una historia muy larga (más de 4.500 millones de años) y que está formado por 4 subsistemas que interaccionan entre sí:

1.BIOSFERA Es la cubierta de vida, es decir, el área ocupada por los seres vivos2.ATMÓSFERA Envoltura de gases que rodea la Tierra3.HIDROSFERA Es la capa de agua que hay en la Tierra, en sus diferentes formas, subterránea, superficial, dulce, salada, líquida, sólida4.GEOSFERA Es la capa sólida de la Tierra, es la más voluminosa y con los materiales más densos.

Algunos autores consideran otros dos subsistemas, la CRIOSFERA (capa helada) y la SOCIOSFERA (el ser humano).

Todos estos subsistemas son fuente de RECURSOS, producen RIESGOS y pueden, en ocasiones, dar lugar a IMPACTOS.


Concepto de medio ambiente

Procede de una mala traducción del término inglés environment, sería preferible usar términos como entorno o simplemente ambiente.

Según la Conferencia de la ONU para el Medio Ambiente humano. (Estocolmo,1972):

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.


Estudio del medio ambiente

Se tiene que enfocar desde un punto de vista multidisciplinar.

Intervienen disciplinas tan diferentes como: Ecología, Economía, Sociología, Derecho, Biología, Geología, Física, Química, Matemáticas, Ingeniería, Arquitectura, Medicina y Geografía.


1. Punto de vista económico.

El medio ambiente es una fuente de recursos naturales, un soporte de actividades productivas y un receptor de desechos y residuos.

2. Punto de vista administrativo operativo (en la U.E.).

Sistema formado por el hombre, la flora y la fauna, el suelo, el aire, el agua, el clima, el paisaje, los bienes materiales, el patrimonio cultural y las interacciones entre todos estos factores.

3. Punto de vista ecológico .

Suma de todos los factores físicos y biológicos que actúan sobre un individuo, una población o comunidad, es decir incluyen el entorno vital. (Al hablar de individuo no se refiere necesariamente a seres humanos).


Diferencia entre el enfoque oficial y el ecológico

La ecología considera al ser humano como un componente biótico del ecosistema y el ambiente como un factor abiótico, estudia las interacciones entre todos los componentes.

El concepto oficial está más encaminado al tema productivo, económico, de recursos. Por tanto, es más antropocéntrico aunque tiene en cuenta al resto de los seres vivos y es menos global que el concepto ecológico.


Los diversos tipos de componentes influyen en el medio ambiente de modo distinto:

1.Físicos: El relieve, la temperatura y la presencia de agua son los principales factores físicos que determinan las características ambientales.2.Químicos: La salinidad, el pH del agua, la concentración del oxígeno y dióxido de carbono, etc. que favorecen o impiden el desarrollo de determinados seres vivos. 3.Biológicos: Los seres vivos establecen distintos tipos de relaciones entre ellos principalmente de tipo alimentario. La supervivencia de una especie depende de los seres vivos de los que se alimenta.4.Sociales y culturales: Este grupo de factores es exclusivo de la especie humana. La forma de vida de los seres humanos influye tanto sobre las personas como sobre los otros seres vivos que les rodean.

Por ejemplo, el asentamiento de núcleos urbanos en zonas antiguamente rurales implica cambios en las actividades humanas y en los hábitos de vida que condicionan también a la vegetación y la fauna.


El análisis de un sistema se puede abordar desde dos posibles enfoques:

Reduccionista o analítico. Consisten dividir el objeto de estudio en sus componentes más simples y observarlos y estudiarlos por separado. Es insuficiente para abordar los estudios de las ciencias de la Tierra, aunque es útil para muchas disciplinas científicas.

Holístico o sintético. Estudia el todo o la globalidad y las relaciones entre sus partes sin detenerse en los detalles. Pone de manifiesto las propiedades emergentes de los sistemas, resultantes del comportamiento global y de las relaciones de los componentes.

Ejemplo: Las piezas de un reloj por separado no tienen la propiedad de dar la hora; sin embargo, el reloj montado como un todo, sí.

Métodos de estudio científico


Teoría general de sistemas

Un sistema (del griego sistema = conjunto o reunión) es un conjunto de elementos que se relacionan entre sí para llevar a cabo una o varias funciones.

Del sistema nos interesa el comportamiento global.

Así pueden considerarse sistemas un ordenador, un automóvil, un ser vivo, etc.


Los sistemas presentan las siguientes características:

1.Están formados por elementos.

2.Cada elemento tiene una función específica en el sistema y se relaciona con los demás elementos.

3.Los elementos interaccionan para desempeñar una o varias funciones, superiores a la suma de las partes, que reciben el nombre de propiedades emergentes. (Sinergia)

4.Los sistemas no están aislados, hasta ellos llegan energía y materia necesarias para su funcionamiento. Además reciben información del exterior del sistema que desencadena su actividad.

5.Los sistemas también producen materia y emiten energía e información, como resultado de la función que desempeñan.


Esta forma de análisis mediante sistemas permite estudiar fenómenos de distinta complejidad desde el funcionamiento de una célula hasta el planeta Tierra


Los sistemas más complejos están constituidos a su vez por subsistemas, y estos, a su vez, por componentes más sencillos

Los límites del sistema

Un sistema es una porción del espacio y su contenido.

Todo sistema se encuentra dentro de una superficie cerrada que lo separa del resto del Universo.

La superficie es el límite del sistema y puede ser real, como la membrana de una célula, o ficticia, como el límite que se establece en una charca o en un encinar.


Tipos de sistemasSegún los intercambios de materia y energía pueden diferenciarse tres tipos de sistemas: abiertos, cerrados y aislados.

• Sistemas abiertos: Son aquellos que intercambian materia y energía con el exterior. Todos los sistemas biológicos son sistemas abiertos, para mantenerse vivo el sistema debe tomar energía y materia del exterior, también debe liberar energía (calor) que se genera en los procesos químicos como la respiración.


•Una planta es un sistema abierto que toma materia por medio de sus raíces y energía lumínica del sol para hacer la fotosíntesis, de la planta sale materia en forma de gases durante la respiración y la fotosíntesis y energía calorífica durante la respiración.

•Una planta está constituida por células cuyas propiedades emergentes consisten en cumplir las funciones vitales de nutrición, relación y reproducción.

•Otros ejemplos de sistemas abiertos son: un bosque, una pecera, un río, una ciudad, etc. Así en una ciudad entra energía y materia prima y sale energía en forma de calor y materiales en forma de desechos y productos manufacturados.


Sistemas cerrados

Son los que sólo intercambian energía con el exterior, no intercambian materia, sino que la reciclan.

Es el caso de un ordenador que recibe energía eléctrica y emite energía calorífica y lumínica, pero la materia que lo compone es constante.

El Sistema Planeta Tierra es considerado como un sistema que recibe continuamente energía procedente del sol, energía electromagnética (luz, etc.) y que emite al espacio energía en forma de calor (energía infrarroja), pero apenas intercambia materia con el exterior, si despreciamos la entrada de materiales procedentes de los meteoritos dada su poca masa relativa. (Si tenemos en cuenta esta masa que nos llega del espacio será un sistema abierto)


Sistemas aislados

Son aquellos que no intercambian ni materia, ni energía con su entorno. En realidad no existen este tipo de sistemas, por tanto podemos afirmar que son sistemas teóricos que se utilizan con el fin de simplificar cuando se estudian sistemas de grandes dimensiones (macrosistemas), como por ejemplo el Sistema Solar.


La energía de los sistemasCualquier sistema tiene que cumplir las leyes de la termodinámica.

Según la 1ª ley o principio de la conservación de la energía: la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma. En cualquier sistema la energía que entra será igual a la energía almacenada más la energía que sale.


SISTEMA

E entranteE saliente

E entrante = E almacenada + E saliente

Energía almacenada

Tema 1. Medio ambiente y teoría de sistemas 20

La 2º ley dice que cualquier sistema tiende espontáneamente a un estado de máximo desorden (aumenta la entropía del sistema).

La entropía es una medida del desorden de un sistema. En los sistemas vivos, la biosfera o el sistema Tierra que poseen un orden elevado la entropía es baja y la energía está más concentrada.

Por el contrario, en sistemas desordenados la energía está muy dispersa y la entropía es elevada. Esta energía se disipa en forma de calor y no puede utilizarse para realizar trabajo.


Los seres vivos van en contra de la 2ª ley de la termodinámica, ya que mantienen su organización y su elevada complejidad degradando azúcares en la respiración, con lo que expulsan al entorno desorden (entropía), moléculas simples (oxígeno, dióxido de carbono, vapor de agua, etc.) y calor (energía). Son sistemas abiertos que rebajan su entropía y mantienen su organización y complejidad aumentando la del entorno.

La representación de los sistemas: los modelos

Los sistemas suelen representarse mediante modelos.

Un modelo es una representación simplificada de la realidad, que se elabora para facilitar su comprensión y estudio, que permite ver de forma clara y sencilla las distintas variables y las relaciones que se establecen entre ellas.

Por tanto, un modelo es un medio para conseguir algo y no un fin en sí mismo.

Estas representaciones se hacen mediante dibujos, esquemas o expresiones matemáticas.


MODELOS MENTALES

Lo que guardamos en nuestra mente no es la realidad, sino sus modelos mentales.

Nos sirven para guiarnos por el mundo y nuestras acciones responden a nuestros modelos.

Se van modificando y enriqueciendo con la experiencia.



Para que resulten útiles en investigación, los modelos deben cumplir unas determinadas condiciones:

1.Han de ser menos complicados y de más fácil manejo que las situaciones reales.

2.Deben representar la realidad con la mayor fidelidad posible y al mismo tiempo han de ser manejables.

Así, un modelo muy simplificado se aleja de la realidad, pero se acerca a la generalidad y es de fácil manejo; por el contrario, un modelo muy preciso se encuentra muy próximo a la realidad concreta, pero su utilización puede resultar compleja.

El predominio de una u otra de estas características dependerá de la utilización que queramos hacer del modelo.

Modelos estáticos y dinámicos

Modelos estáticos. Sus relaciones no dependen del comportamiento del sistema, sólo analizan su estructura. Por ejemplo, una fórmula en la que se equiparan la altura y el diámetro de un árbol con su volumen.

Modelos dinámicos. Describen el funcionamiento de los componentes del sistema a base de una serie de ecuaciones. Son más realistas que los estáticos. Por ejemplo, el modelo depredador-presa.


Ejemplo: modelo depredador-presa

2221

2111

****/

***/

NdNNPadtdN

NNPNrdtdN


Modelos de caja negra y caja blanca

Modelo de caja negra:

• Nos fijamos sólo en las entradas y salidas de energía, materia, e información en el sistema, y no en sus elementos ni en las interacciones que se establecen entre ellos. Por tanto, no interesan los elementos del sistema ni sus interacciones.

Utilizando la tierra como un sistema de caja negra, podemos considerarla como un sistema en el que entra y sale energía, la energía que entra es radiación electromagnética (luz, etc.) y la energía que sale es radiación infrarroja (calor) procedente de la superficie terrestre. La materia que entra procedente de un meteorito. Se trata de un sistema abierto que autorregula su temperatura, manteniendo una media de unos 15º C, lo cual permite la existencia de agua líquida y por tanto de vida.



Modelo de caja negra

¿?

Modelo de caja blanca o transparente: Si estudiamos no sólo las entrada y las salidas del sistema, sino también los elementos del sistema y sus interacciones. Lo primero que hay que hacer es marcar las variables que lo componen y unirlas con flechas que las relacionen entres sí, al diseñar un modelo debemos tener cuidado de incluir solamente las variaciones que sean estrictamente necesarias, ya que si aumenta mucho su número, se pierde claridad debido al complejo de entramado de las flechas que unen variables.


Relaciones entre los elementos de un sistema

Los elementos que forman los sistemas están relacionados entre sí y funcionan de forma coordinada. Los elementos que pueden variar en función de otros se denominan variables.

Las relaciones cusa-efecto (causales) entre las variables de un sistema pueden ser de dos tipos:

1. Relaciones causales simples2. Relaciones causales complejas


Relaciones causales simples1. DIRECTAS O POSITIVAS: El cambio de una variable

provoca un cambio en la otra del mismo signo. Si una aumenta (A) la otra (B) también. Y si A disminuye, B también disminuirá.

• A B +

2. INVERSAS O NEGATIVAS: El cambio en una variable provoca un cambio en sentido inverso en la otra. Si A aumenta, B disminuirá.

• A B -

3. ENCADENADAS: Son cambios en cadena, ya sean positivos, negativos o de diferentes signos. Se pueden reducir a una única relación, de tal forma que si el nº de relaciones negativas es par, la relación global será positiva; si es impar, la relación global será negativa.


En las relaciones complejas, también llamados bucles de retroalimentación, las acciones de un elemento sobre otro suponen que, a su vez, éste actúe sobre el primero (modificación de una variable como consecuencia de sus propios efectos). Pueden ser:

• Positivas, tanto directas como encadenadas.

• Negativas, tanto directas como encadenadas.

Relaciones complejas


• Positivas : La variación de una variable en un sentido (aumento o disminución) produce un cambio de otra variable en el mismo sentido y ésta, a su vez, influye de la misma manera sobre la primera. Tienen una acción de refuerzo sobre el proceso inicial (frecuentemente está asociado a procesos de crecimiento y diferenciación).



a b c d

a – Investigaciónb – Desarrolloc – Biocombustiblesd- Alimentos

BUCLES DE REALIMENTACIÓN POSITIVA:

Una variable A influye sobre otra B y esta a su vez influye sobre la primera. Esto provoca un crecimiento incontrolado del sistema y continuará mientras el entorno lo permita. En un sistema encadenado puede haber relaciones negativas intermedias pero si son en número par el resultado final es positivo.


Bucle típico de la sociedad humana


• Negativas: la variación de una variable en un sentido produce un cambio de otra variable en el mismo sentido y ésta, a su vez, influye sobre la primera en sentido opuesto. Tienen una acción reguladora y estabilizan los sistemas en los que actúan (sistemas homeostáticos). Se consigue un estado de equilibrio dinámico.



A B

BUCLES DE REALIMENTACIÓN NEGATIVA:

Son aquellos en que un cambio en la variable A provoca un cambio en B y esta a su vez actúa sobre A modificándola en sentido inverso. Se mantiene un equilibrio en el sistema


Depredadores Presas

__

+

Sistemas propositivos:

Son sistemas programados para un propósito (propiedad emergente) determinado. Son por ejemplo los modelos que se utilizan en la fabricación de los electrodomésticos o los que regulan el comportamiento de un organismo (Modelos cibernéticos).

Estos sistemas son muy adecuados para regular los sistemas homeostáticos, manteniendo el equilibrio.

La atmósfera y la biosfera también parecen formar un sistema propositivo, ya que se autorregulan. La atmósfera tiene un valor de referencia al que ajustarse: concentración de oxígeno en torno al 21% de volumen que es la mejor para la biosfera (véase la teoría o hipótesis Gaia sobre la autorregulación en nuestro planeta).


Ejemplos de diagramas causales


Consumo de alimentos

Peso

Población

Prepararse para un examen

Oferta Demanda

Resultado del examen

Recursos per cápita

NACIMIENTOS POBLACION MUERTES

+ +

-+


EJ. 2 Pag.18: Diagrama causal.

Variables: Lluvia, pastos, contaminación, agua, vacas y alimentación humana.


Ej. PAU 2006 : En el texto aparecen una serie de términos (calentamiento, sequía, humedales, CO2) que configuran un bucle de retroalimentación. Dibuja el diagrama y razona si la retroalimentación es positiva o negativa.

Con el problema del calentamiento global, los científicos han dicho que muchas en regiones se van a producir grandes sequías. Muchos humedales están en peligro por la extracción de agua para al agricultura y la silvicultura. Si se prolonga cualquiera de estas situaciones, los humedales se secarían y eso produciría un gran aumento de CO2 en la atmósfera que aceleraría el efecto invernadero. Si no protegemos los humedales y si no ratificamos el protocolo de Kyoto para evitar el aumento de la sequía, podemos tener cambios climáticos mucho más extremos que lo que hemos conocido hasta ahora.


Cambios en los sistemas

Para estudiar los sistemas con comodidad empleamos los modelos (estáticos o dinámicos).

Objetivos:

1.Reproducir el comportamiento del sistema y realizar previsiones futuras.2.Acotar límites (no se puede reproducir todo el sistema mediante el modelo).3.Comprobar el efecto de las perturbaciones (naturales o no) en el comportamiento del sistema.


Sistemas estables:Sistemas estables:

Dominio de bucles negativos

Sistema inestables:Sistema inestables:

Dominio de bucles positivos

En la naturaleza hay ambos tipos de bucles, y en función del momento pueden dominar unos u otros


LOS SISTEMAS AMBIENTALES

El medio ambiente es un sistema constituido por un conjunto de factores físicos, químicos, biológicos, sociales y culturales que se relacionan entre sí, de modo que un cambio en un factor repercute en los otros, por lo tanto, los factores que intervienen en el medio ambiente son las variables de este sistema. La energía del sistema es la del Sol y la materia está contenida en la Tierra.

El medio ambiente se divide en sistemas menores o subsistemas que, a su vez, contienen otros sistemas menores:

•Sistemas Naturales: Son los cuatro subsistemas o capas de la Tierra: geosfera, hidrosfera, atmósfera y biosfera.•Sistemas Humanos (antroposfera): Constituidos por los seres humanos y las relaciones sociales que se establecen entre ellos, así como las actividades que desarrollan. Los elementos de estos sistemas son por ejemplo los lugares de trabajo, los colegios, el transporte, etc.


Entre los sistemas humanos y los sistemas naturales se establecen interacciones.

A veces la actividad humana repercute de forma negativa como consecuencia del desarrollo de los países: Sobreexplotación de los recursos, la deforestación, contaminación, etc..

La naturaleza también puede afectar negativamente a la especie humana: Los desastres naturales.

Las Ciencias Medioambientales han surgido como base para resolver estos problemas ambientales que nos aquejan. Para ello se hace necesario conocer el funcionamiento de los diferentes sistemas que constituyen el sistema Tierra y profundizar en el estudio de las relaciones de ellos con la especie humana, que pueden enfocarse bajo tres aspectos:

. Riesgos derivados de su dinámica.

. Recursos que nos proporcionan.

. Impactos que reciben por la acción antrópica.


EL SISTEMA TIERRA Y SUS FUENTES DE ENERGÍA

El sistema Tierra sería, a efectos prácticos, un sistema cerrado (sólo intercambia energía con el exterior) y dinámico, con tres fuentes de energía:

1. La energía gravitacional. 2. La energía interna, procedente en parte del origen de la Tierra

(energía residual) y de la desintegración de elementos radiactivos. 3. La energía solar. Es la principal fuente de energía, sobre todo para

la biosfera. Del Sol recibimos mucha energía, sobre todo en forma de calor, luz visible y cierta radiación ultravioleta.

El planeta debe de emitir una cantidad de energía equivalente a la que recibe (equilibrio térmico). Si emitiese menos, se calentaría rápidamente y su superficie terminaría por fundirse, mientras que si expulsa más calor se enfriaría. Sin embargo, la energía emitida por la Tierra es en forma de calor (y radiación infrarroja).


MODELOS DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE

LA TIERRA COMO SISTEMA DE CAJA NEGRA


LA TIERRA COMO SISTEMA CAJA BLANCA


EL EFECTO INVERNADERO

Provocado por ciertos gases: vapor de agua, CO2, CH4 , N2O


EL EFECTO ALBEDO

Porcentaje de la radiación solar reflejada por la tierra, del total de energía solar que recibe.


Las nubes

Tienen una doble acción: Aumentan el albedo. Incrementan el efecto invernadero.

Su acción depende de la altura de las nubes. Las nubes altas, que pueden contener cristales de hielo, reflejan más la radiación solar (mayor albedo) que las nubes bajas.


Radiación

Polvo atmosférico

Provocado por:

- Emisiones volcánicas

- Meteoritos

- Contaminación atmosférica


VOLCANES

También pueden provocar un doble efecto:Descenso de la Tª al inyectar polvo a la atmósfera.

Aumento de la Tª por las emisiones de CO2.


VARIACIONES DE LA RADIACIÓN SOLAR Excentricidad de la órbita Inclinación del eje Posición del perihelio


INFLUENCIA DE LA BIOSFERA

VIDA PRECÁMBRICO


EVOLUCIÓN DE LA ATMÓSFERA


INFLUENCIA DE LA BIOSFERA

Reducción de los niveles de CO2 : transformación en materia orgánica y almacenaje en combustibles fósiles.

Aparición del 02 atmosférico.

Formación de la capa de ozono. Aumento del nitrógeno atmosférico.


Elabora un diagrama causal o de flujo con los siguientes elementos (agua, vegetación, efecto invernadero, dióxido de carbono, temperatura atmosférica ) en regiones áridas y razone si se trata de un sistema con retroalimentación positiva o negativa.

Usa esta conclusión para decidir si se trata de un sistema estable o inestable.


Cantidad de agua

Vegetación

CO2 atmosférico

Efecto invernadero

Temperatura

+

++

__

__

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1. Los modelos A y B representan dos posibles consecuencias de un aumento de las precipitaciones en una cuenca hidrográfica.

• a) Decide, razonadamente, si A y B representan retroalimentación positiva o negativa.

• b) Cita al menos dos factores que determinen el desarrollo de un modelo u otro. ¿Cómo actúan esos factores?

• c) Propón dos acciones o medidas que favorezcan el modelo A. Explica cómo actuarían estas acciones.

Aumento de precipitación

Cubierta vegetal

Infiltración Escorrentía

Erosión


• A) Los dos modelos presentan retroalimentación positiva. En ambos, una perturbación produce cambios que amplían progresivamente los efectos de la perturbación.

• B) Factores a tener en cuenta para el desarrollo de un modelo u otro: la cubierta vegetal previa al cambio en la precipitación, el tipo de suelos o la pendiente. Modo de actuación; por ejemplo: una escasa vegetación previa provocará un aumento de erosión antes de que pueda desarrollarse la vegetación.

• C) Dos medidas que favorecen al modelo A: reforestación, las prácticas agrícolas que favorezcan la infiltración y entorpezcan la erosión, o la adecuación del uso a cultivos que no dejen el suelo desnudo en época de lluvia.


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