CIENCIAS DE LA TIERRA Y MEDIOAMBIENTALES

MEDIO AMBIENTE Y DINÁMICA DE SISTEMAS

Medio ambiente 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 Naciones Unidas para el Medio Ambiente Humano, Estocolmo 1972)

¿Cómo estudiar el medio ambiente?

¿Es un coche?

Sinergias: Según la RAE: • (Del gr. συνεργία, cooperación). • 1. f. Acción de dos o más causas cuyo efecto es superior a la suma de los efectos individuales. • 2. f. Biol. Concurso activo y concertado de varios órganos para realizar una función.

Propiedades emergentes: • Aparecen al relacionar distintos componentes y no son visibles mediante métodos analíticos.

Sistemas y dinámica de sistemas Sistema: Conjunto de partes operativamente integradas, es decir, un conjunto en el que unas partes actúan sobre otras y del que interesa considerar el comportamiento global.

Características de los sistemas • Están formados por elementos, cada uno de ellos con una función específica. • Cada elemento se relaciona con los demás. • La interacción de los elementos entre sí genera sinergias que dan lugar a nuevas propiedades: propiedades emergentes. • Los sistemas reciben materia, energía e información de exterior. • Los sistemas emiten: materia, energía e información como consecuencia de su actividad. • Los límites del sistema pueden ser reales (membrana plasmática) o ficticios (bosque)

Tipos de sistemas Según los intercambios que realiza un sistema puede ser: abierto, cerrado o aislado

Sistemas abiertos Intercambian materia y energía con el entorno. Todos los sistemas biológicos son abiertos

Sistemas abiertos

Sistemas cerrados Intercambian energía pero no materia con el entorno

Sistemas aislados No intercambian ni materia, ni energía con el entorno. En realidad no existen sistemas aislados, pero se utilizan como situación ideal de macrosistemas como una galaxia o el Sistema solar.

Dinámica de los sistemas 1ª Ley de la termodinámicaPrincipio de conservación de la energía: La energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma.

En cualquier sistema la energía que entra es igual a la energía almacenada más la emitida.

Dinámica de sistemas 2ª Ley de la termodinámica: Cualquier sistema tiende a un estado de máxima entropía.

Entropía y seres vivos Los seres vivos mantienen su organización y su elevada complejidad degradando azúcares en la respiración, con lo que expulsan la entorno materia oxidada (con alta entropía) y calor (energía que no puede utilizarse para realizar trabajo). Son sistemas abiertos, que rebajan su entropía y mantienen su organización y complejidad aumentando la de su entorno.

Estudio de sistemas Dinámica de sistemas o teoría de sistemas: Método de estudio de los sistemas, que se basa en observar y analizar las relaciones e interacciones existentes entre las partes del objeto de estudio, recurriendo al uso de modelos. (Diseñada y aplicada por Jay Fornester)

Modelos Son versiones simplificadas de la realidad. • Variable es cada uno de los componentes mesurables. • Son subjetivos. (pueden variar para una misma realidad). • Un modelo no es aplicable fuera del entorno en que fue formulado. Modelos mentales Representación de una realidad que cada persona tiene en mente. Modelo matemático Representaciones de la realidad expresadas con lenguaje matemático (ecuaciones)

Características de los modelos • Han de ser más simples y manejables que las situaciones reales. • Deben representar la realidad con la mayor precisión posible. Dependiendo del problema concreto se utilizarán modelos más generales (menos precisos) o más concretos (resultan más difíciles de manejar)

Modelos

Modelos

Modelos caja negra y caja blanca Caja negra

Caja blanca

Modelo caja negra • Sólo interesan los intercambios de materia, energía e información con el entorno. • No se estudian las relaciones que se establecen en el interior. • Según su relación con el entornos sé pueden dar 3 situaciones:

Ejemplo caja negra

Modelo caja negra Relaciones del sistema con el entorno

Modelos de sistema caja blanca En estos sistemas debemos definir: • Variables • Relaciones entre las variables (Se representan con flechas)

Modelo caja blanca: Relaciones simples • • •

Directas: El aumento de A determina el aumento de B/ La disminución de A determina la disminución de B. Inversas: El aumento de A determina la disminución de B/ La disminución de A determina el aumento de B. Encadenadas: Serie de variables relacionadas. El número de relaciones negativas determina: – –

Si es par: Relación positiva. Si es impar: Relación negativa.

Relaciones simples

Relaciones encadenadas • Variables unidas mediante flechas. • Se leen de forma independiente dos a dos. • Simplificando se escribe la primera y la última y la relación entre ellas depende de las relaciones inversas (-): – Pares: es + – Impar: es –

Relaciones complejas • Las actuaciones de un elemento influyen sobre otro, este, a su vez, influye sobre el primero. • Pueden darse dos situaciones: – Bucle de realimentación positiva: Al aumentar A aumenta B y viceversa: La causa aumenta el efecto y el efecto la causa. – Bucle de realimentación negativa u homeostáticos: Al aumenta A aumenta B que hace disminuir A: La causa aumenta el efecto y este aumento disminuye la causa.

Relaciones complejas Bucle de realimentación positiva

Bucle homeostático

1. Diseña un diagrama causal con las siguientes variables y cambia el orden de los datos según tu lógica: lluvia, pastos, contaminación, agua, vacas y alimentación humana. 2. Dibuja los sistemas caja negra: fotosíntesis, respiración de una planta y respiración de un animal, indicando que moléculas tienen mayor entropía. 3. Cuando se intenta reducir el número de atascos construyendo más carreteras, el número de personas que deciden usar el coche es mayor. 1. Realiza el modelo caja blanca ¿Cuáles son sus consecuencias? 2. Propón nuevos escenarios que eviten el problema de los atascos y no impliquen la construcción de nuevas carreteras.

Bucles de realimentación positiva • Se establece en cadenas cerradas que tienen un nº par de relaciones negativas. • Se indican con un signo + dentro de un círculo situado en el centro de la relación. • Refleja la potencialidad el sistema para crecer descontroladamente, con un comportamiento explosivo que desestabiliza el sistema.

Bucle de realimentación negativa

• Se establece en cadenas cerradas con un nº impar de signos negativos. • Se indican con un signo (-) dentro de un círculo situado en el centro de la relación. • Es el mecanismo de control u homeostático, tanto en sistemas naturales como artificiales: piloto automático, síntesis de sustancias celulares…

Crecimiento de la población Bucle de realimentación positiva

Bucle de realimentación negativa

Crecimiento de la población • Este sistema está regulado por ambos bucles: nacimientos y muertes. • Potencial biótico (r), es el resultado combinado de ambos bucles: r = TN – TM • El potencial biótico es igual a la tasa de natalidad, menos la tasa de mortalidad. • Tenemos 3 posibles situaciones: – r > 0 : Los nacimientos superan las defunciones (vence el bucle +): La población aumenta. – r = 0: Los nacimientos y las defunciones se igualan. Estado estacionario de equilibrio dinámico. – r < 0: Las salidas superan las entradas (vence el bucle -) La población está en declive.

Crecimiento de una población

Crecimiento de una población

Pasos para modelar un sistema 1. Formar un modelo mental. 2. Diseño del diagrama causal: Determinar las variables y las relaciones entre ellas. 3. Elaborar el modelo formal o matemático: Se establecen las relaciones su evolución de estas mediante símbolos matemáticos. 4. Simulación en diferentes escenarios: Se estudia el comportamiento del sistema en condiciones diferentes a las iniciales.

Modelos de regulación del clima terrestre. La Tierra como sistema caja negra

La Tierra como sistema caja blanca

El clima terrestre: caja blanca

Estudio del clima • • • • •

El efecto invernadero. El efecto albedo. Las nubes. Los volcanes Variaciones de la radiación solar incidente. • Influencia de la biosfera.

Efecto invernadero Provocado por ciertos gases, que permiten la entrada de la radiación visible del Sol, pero no la infrarroja emitida por la Tierra que ha sido calentada previamente.

Albedo

Las nubes Doble efecto, según la altura a la que se encuentren: – Aumentan el albedo (nube baja) – Aumentan el efecto invernadero (Nubes altas)

Clima terrestre

Volcanes Genera un doble efecto: • Bajada de temperatura: el polvo emitido aumenta el albedo.

• Aumento de temperatura: Al aumentar el efecto invernadero, por emitir dióxido de carbono.

Variaciones de la radiación solar 1. Variaciones periódicas (ciclos astronómicos de Milankovitch) 1. Excentricidad de la órbita terrestre: Cuánto más excéntrica sea la órbita, más corta la estación cálida) 2. Inclinación del eje (oblicuidad): Variación en el ángulo de inclinación del eje terrestre, responsable de las estaciones. 3. Posición del perihelio (precesión): Los veranos que coinciden con el perihelio serán más cálidos. 2. Variaciones graduales La evolución de la estrella solar, determina que ahora emita más energía que al comenzar la vida.

Ciclos astronómicos

Influencia de la biosfera

Hipótesis de Gaia Se considera a la Tierra en su conjunto como un sistema homeostático (Lovelock).