El medio ambiente y la teoría de sistemas TEMA 1

Guión tema 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Medio ambiente. Concepto y alcance Estudio de medio ambiente. Tipos de enfoque Teoría de sistemas. Modelos de sistema Dinámica de sistemas La Tierra como sistema Sistemas ambientales. Modelos de regulación del clima terrestre 7. Hipótesis Gaia

Concepto de medio ambiente PÁG. 8

Medio ambiente. Concepto y alcance • Conferencia de las Naciones Unidades para el Medio Ambiente Humano, Estocolmo 1972: “El medio ambiente es el conjunto de componentes físicos, químicos, biológicos y sociales capaces de causar efectos directos o indirectos en un plazo corto o largo de tiempo sobre los seres vivos y las actividades humanas”

Medio ambiente. Concepto y alcance • Componentes – Fisicoquímicos; atmósfera, hidrosfera, geosfera – Biológicos; biosfera (seres vivos) – Sociales; antroposfera (humanidad)

• Componentes interaccionan y causan efectos • Tipos de efectos; directos / indirectos • Efectos sobre; seres vivos / actvs. humanas Ejemplo; talar un bosque ¿consecuencias sobre el medio ambiente? ¿efectos sobre la actividad humana?

Medio ambiente. Concepto y alcance •

Otra definición posible:

“Medio Ambiente es el sistema global constituido por elementos naturales y artificiales de naturaleza física, química o biológica,

socioculturales y sus interacciones, en permanente modificación por la acción humana o natural y que rige y condiciona la

existencia y desarrollo manifestaciones”

de la vida en sus múltiples

Medio ambiente. Concepto y alcance • Medio ambiente  Materia INTERDISCIPLINAR – Incluye temas que abarcan distintas disciplinas: • Ecología, Economía, Sociología, Derecho, Biología, Geología, Física, Química, Matemáticas, Ingeniería, Arquitectura, Medicina y Geografía

• La Teoría general de sistemas es un campo de estudio interdisciplinario. Por ello resulta adecuada para el estudio del medio ambiente (en concreto, el enfoque holístico)

Estudio de medio ambiente Tipos de enfoque PÁG. 9 LIBRO

Tipos de enfoque científico PÁG 9 • Enfoque reduccionista (analítico) – Se divide el objeto de estudio en sus componentes más simples – Se observa y estudia cada componente por separado, de forma aislada e independiente – Es insuficiente para abordar los estudios de las ciencias de la Tierra, pues no tiene en cuenta la interacción de los componentes

Tipos de enfoque científico PÁG 9 • Enfoque holístico (sintético) – Estudia el todo o la globalidad y las relaciones entre sus partes sin detenerse en los detalles. – Pone de manifiesto las propiedades emergentes, resultantes del comportamiento global y de las relaciones de los componentes. – Estudia el objeto sin descomponerlo en parte independientes – Se fija especialmente en las relaciones e interacciones entre sus componentes más que en estos mismos – Es la base de la llamada Teoría General de Sistemas

Teoría General de Sistemas • VER FOTOCOPIAS DE AMPLIACIÓN • PÁGS 10-13 LIBRO

Teoría de sistemas PÁG 10 • Teoría General de Sistemas. Teoría que trata de identificar reglas o propiedades generales de los sistemas.

• Sistema – Conjunto de componentes interrelacionados, intercambiando información materia y energía – En un sistema interesa considerar fundamentalmente el comportamiento global. – Un sistema es algo más que la suma de sus partes. – Nos interesan las características del conjunto (propiedades emergentes)

VER FOTOCOPIAS DE AMPLIACIÓN

Teoría de sistemas PÁG 11 • Estructura básica de un sistema – Elementos o componentes fundamentales – Relaciones entre los elementos – Límites del sistema

• Estructura dinámica de un sistema – Flujos de materia o energía – Relaciones causales entre partes del sistema – Bucles de retroalimentación

Teoría de sistemas PÁG 11 • Tipos de sistemas – Abiertos: En ellos se producen entradas y salidas de materia y energía. – Cerrados. No hay intercambios de materia, pero SÍ de energía. – Aislados. No hay intercambio de materia ni de energía En cualquier caso, un sistema abierto se puede estudiar como sistema cerrado para facilitar su comprensión VER CARACTERÍSTICAS DE ESTOS TIPOS DE SISTEMAS EN LAS FOTOCOPIAS DE AMPLIACIÓN

Teoría de sistemas • Tipos de sistemas – Abiertos: En ellos se producen entradas y salidas de materia y energía. – Cerrados. No hay intercambios de materia, pero SI de energía. – Aislados. No hay intercambio de materia ni de energía

¿De qué tipo de sistema se trata la imagen? ¿Y el planeta Tierra en su conjunto?

Teoría de sistemas PÁGS 12-13  Para el estudio de sistemas se recurre a modelos (simplificaciones de la realidad)  Modelo; representación formal del sistema • Tipos de modelos – Caja negra – Caja blanca /gris

• Modelo de sistema de caja negra – Únicamente nos fijamos en entradas y salidas del sistema, intercambios del sistema con el entorno – No estudiamos las relaciones causales entre elementos internos del sistema

Teoría de sistemas PÁGS 12-13 • Modelo de sistema de caja negra – Únicamente nos fijamos en entradas y salidas del sistema, intercambios del sistema con el entorno – No estudiamos las relaciones causales entre elementos internos del sistema

Teoría de sistemas PÁGS 12-13 • Modelo de sistema de caja blanca / gris – Observamos el interior del sistema – Identificamos las variables (componentes del sistema) y estudiamos su relación causal por diagramas causales

Ejercicio • El estudio del medio ambiente se lleva a cabo en el marco de la Teoría de Sistemas. En relación con esta Teoría: a) Definir qué es un sistema (4 puntos). b) Enumerar las características de los sistemas abiertos (6 puntos).

a) Definir qué es un sistema (4 puntos). Se definirá el sistema, por ejemplo, como un conjunto de elementos o componentes que se relacionan entre sí intercambiando información, materia y energía (4 puntos). b) Enumerar las características de los sistemas abiertos (6 puntos). Dentro de las características de los sistemas abiertos se enumerarán entre otras: la capacidad de importar, transformar y exportar energía, el equilibrio dinámico que se establece entre sus componentes mediante un sistema de flujos de materia y energía, el hecho de importar más energía que la que exportan, almacenando la diferencia en las estructuras corporales que van formando y finalmente la capacidad de regular las desviaciones del sistema mediante mecanismos de retroalimentación negativa (6 puntos).

Ejercicio • Indicar si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones relacionadas con la teoría de sistemas y razonar la respuesta: – Una relación causal es una relación causa efecto que se establece entre dos componentes del ecosistema. – Todos los sistemas funcionan de manera semejante. – Los sistemas aislados son teóricos. – Todo sistema depende en cierta medida de otros sistemas. – Los sistemas abiertos intercambian materia pero no energía con los ecosistemas adyacentes. – En un sistema no todos sus componentes están relacionados y algunas variables no se ven afectadas ni directa ni indirectamente por cambios en las demás variables. – Los sistemas intercambian con su entorno solamente energía. – Los sistemas tienden a una situación de mínima estabilidad.

– Una relación causal es una relación causa efecto que se establece entre dos componentes del ecosistema. VERDADERO. La variación de un componente produce un efecto o cambio en otro componente o variable – Todos los sistemas funcionan de manera semejante. VERDADERO. Según el principio de organización de la teoría general de sistemas, se presupone que todos los sistemas tienen un funcionamiento similar – Los sistemas aislados son teóricos. VERDADERO. Los sistemas aislados, que no intercambian ni materia ni energía, no tienen correspondencia en el mundo real. – Todo sistema depende en cierta medida de otros sistemas. VERDADERO. El principio de interdependencia de la teoría general de sistemas establece que no se pueden entender los flujos de materia y energía si no se consideran las interdependencias entre sistemas. – Los sistemas abiertos intercambian materia pero no energía con los ecosistemas adyacentes. FALSO. Por definición, los sistemas abierto intercambian tanto materia como energía e información del entorno, siendo imprescindible para su mantenimiento.

– Los sistemas intercambian con su entorno solamente energía. FALSO. Los sistemas abiertos intercambian tanto materia como energía con el entorno. – Los sistemas tienden a una situación de mínima estabilidad. FALSO. De forma general, los sistemas tienden a una situación de máxima estabilidad, lo que permite que el sistema evolucione independientemente de su situación inicial. – Una retroalimentación positiva se da en los casos en los que al aumentar una variable A provoca el aumento de otra variable B y el incremento de esta última provoca el descenso de la variable A.

Dinámica de sistemas PÁGS 15-16

Dinámica de sistemas PÁGS 14-15 • Es un conjunto de técnicas y métodos ideados para simular el comportamiento de sistemas que presentan una cierta complejidad. • Dado que el medio ambiente y los sistemas relacionados con las ciencias ambientales son sistemas complejos, la dinámica de sistemas constituye un método útil para obtener respuestas, a través de la simulación de modelos, sobre el comportamiento del medio ambiente.

Dinámica de sistemas PÁGS 14-15 • Estudia las relaciones causales • Relación causal; relación causa – efecto entre elementos o variables de un sistema • Las relaciones causales pueden ser: 1. SIMPLES 2. COMPLEJAS

• R. SIMPLES o Directas (positivas). Un aumento o disminución de una

variable origina una variación en el mismo sentido sobre otra. Si aumenta A, causa un aumento de B. Recíprocamente si disminuye A, disminuye B. +

Ejemplos: Lluvia y caudal de los ríos Masa vegetal y materia orgánica

• R. SIMPLES o Directas (positivas)

• R. SIMPLES – Inversas (negativas). La variación en una variable determina un cambio en el mismo sentido en otra, y ésta, a su vez, influye en la primera en sentido opuesto. Si aumenta A disminuye B o si disminuye A aumenta B

-

Ejemplos Masa vegetal y erosión del suelo

• R. SIMPLES – Encadenadas. Relación causal en la que aparecen más de dos variables interrelacionadas. Interesa reducirlas a una sola relación: • Nº de r. inversas par (incluye el 0)  relación resultante + • Nº de r. inversas impar  relación resultante -

Ejemplo. Relación directa (positiva)

+

+

Ejemplo. Relación directa (positiva)

+

+ CTM

Ejemplo. Relación inversa (negativa)

-

+

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

Si la simplificamos a Contaminación  Alimento de las personas, ¿cómo sería?

EJERCICIO

EJERCICIO

Dinámica de sistemas PÁGS 14-15 • R. COMPLEJAS o El resultado es un conjunto de relaciones encadenadas en círculo denominados bucles de retroalimentación o Bucle de retroalimentación; relaciones causales complejas que se caracterizan porque la acción de un elemento sobre otro supone que, a su vez, éste último actúe sobre el primero o Hay dos tipos de bucles; positivos y negativos

R. COMPLEJAS • Bucles de retroalimentación positiva o La variación en una variable determina un cambio en el mismo sentido en otra, y ésta, a su vez, influye en la primera en el mismo sentido o La causa aumenta el efecto y el efecto aumenta la causa. o Se establecen en cadenas cerradas que tienen un número par de relaciones inversas (0 es par) o Implican crecimiento descontrolado de un sistema (comportamiento explosivo, crecimiento exponencial) que lo desestabiliza. Supone recursos ilimitados o Se identifican con un signo + dentro de un círculo

Ejemplo. Bucle de retroalimentación positivo

Ejemplo bucle +; Población y Nacimientos

R. COMPLEJAS • Bucles de retroalimentación negativa o Bucle en el que la variación en una variable determina un cambio en el mismo sentido en otra, y ésta, a su vez, influye en la primera en sentido opuesto. Se representan con el signo (–) en el interior del bucle que las une. o Tienden a estabilizar sistemas (se autoregula, se autocontrola) o Nº de relaciones negativas impar o Se representa con signo – en un círculo

Dinámica de sistemas PÁGS 14-15 • R. COMPLEJAS – Bucles de retroalimentación negativa (homeostáticos) Ejemplo; Población y Defunciones. (decrecimiento exponencial)

Dinámica de sistemas PÁGS 14-15 • Sistema de crecimiento de población suele estar regulado por ambos bucles • Ejemplo; Evolución temporal del nº individuos en una población – El número de individuos de una población está regulado por un bucle positivo y uno negativo. – Potencial biótico r es el resultado de r=TN-TM

Dinámica de sistemas PÁGS 14-15 • Ejemplo; Evolución temporal del nº individuos en una población o Potencial biótico r es el resultado de r=TN-TM o Pueden ocurrir tres casos: ▪ Si r > 0, las entradas por nacimiento superan a las salidas por defunción, con lo que la población experimentará un crecimiento. ▪ Si r < 0, las salidas superan a las entradas, con lo que la población presentará un declive. ▪ Si r = 0, las entradas y las salidas se igualan y se habla del crecimiento cero o estado estacionario. La población permanecerá en equilibrio dinámico (aunque los individuos cambien, pues unos nacen y otros mueren).

Ejemplo; Evolución temporal del nº individuos en una población Capacidad de carga “K” (nº máximo de individuos que se pueden mantener en unas determinadas condiciones ambientales)

Situación de homeostasis. Curva sigmoidea o logística en S

ACTIVIDAD 9, PÁG. 15 LIBRO

-

+ -

+

+ + +

+

-

+

+v

--

+

-

ACTIVIDAD 9, PÁG. 15 LIBRO

b) Si aumenta la tala, se destruirán bosques (superficie forestal) lo que aumentará la pérdida de suelo por erosión y habrá menos suelo fértil. Esto afectara a los pastos , que disminuirán, y con ello Por otro lado, la tala y destrucción de bosques reducirá el aporte de nutrientes en el suelo y con ellos la fertilidad del suelo y consecuentemente los pastos y la ganadería se verán afectados

Dinámica de sistemas PÁGS 14-15 Diagrama causal (pág. 15) Diagrama que muestra las relaciones causales entre elementos o variables del sistema

Cómo construir un diagrama causal (pág. 15) 1. Identificar y nombrar variables, evitando decir “aumento” o “reducción” (p.ej “temperatura”, no “aumento de temperatura”) 2. Identificar causas y efectos directos entre variables 3. Unir variables con flechas 4. Asignar signos a cada relación, comparando su funcionamiento con la realidad 5. Identificar los bucles resultantes e indicar su signo, evitando bucles ficticios

EJERCICIO. Pág. 20 libro, actv. 16

La Tierra como sistema PÁGS 16-19

La Tierra como sistema PÁG. 16 • Básicamente la Tierra se comporta como un sistema cerrado (no intercambia materia, salvo en choque de asteroides, etc.). • Sin embargo, sí intercambia energía • Formado por 4 subsistemas que cambian en el tiempo: – Biosfera. Seres vivos, cambian por evolución y sucesión ecológica – Geosfera. Modificación continua de geosfera por AGE y AGI – Hidrosfera. – Atmósfera. Originalmente reductora (CO2, otros gases), en la actualidad con predomino de N2 (78%) y O2 (21%)

La Tierra como sistema • Dinámica y cambios en el medio ambiente de la Tierra (PÁG. 17 LIBRO) • VER DIAPOSITIVAS 4º ESO – PRINCIPALES ACONTECIMIENTOS EN LA HISTORIA DE LA TIERRA

Evolución de atmósfera en el tiempo

La Tierra como sistema • En el estudio de la Tierra como sistema, es necesario tener en cuenta (pág. 18) – 1er principio de termodinámica. La energía total que contiene un sistema aislado se mantiene constante (principio de conservación de la energía). Sí hay transformaciones de E, pero la cantidad total no varía – 2ª ley de la termodinámica. En cualquier transferencia de energía una parte de energía se convierte en no utilizable, pasando a una forma más dispersa y desorganizada (entropía). Aumenta la entropía (el grado de desorden) Ejemplo; Río. Curso alto – curso medio – curso bajo – Desembocadura (aumenta la entropía)

La Tierra como sistema • A pesar de los cambios de la Tierra en sus subsistemas posee mecanismos de autorregulación. Basados en bucles de retroalimentación negativos • Un ejemplo son los sistemas de regulación de la temperatura terrestre

Ejemplo de sistemas ambientales Sistemas de autorregulación del clima terrestre

MODELOS DE LA TIERRA COMO SISTEMA CAJA NEGRA

MODELOS DE LA TIERRA COMO SISTEMA CAJA BLANCA

Modelo completo del clima

• S(clima) = A U H U B U G U C

Equilibrio dinámico

Efecto invernadero • Provocado por ciertos gases: vapor de agua, CO2, CH4, N2O. • Mayor efecto invernadero, mayor temperatura

Efecto invernadero natural

Incremento de efecto invernadero

Efecto albedo • Albedo; cantidad de la radiación solar reflejada por la superficie terrestre, del total de energía solar que recibe. • Superficie terrestre más oscura; MENOR albedo • Contribuyen al albedo; nubosidad y superficies blancas

Nubes • Doble acción: o Aumentan el albedo (nubes bajas)  Disminuye la Tª (reflejan hacia el espacio exterior la radiación incidente) o Incrementan el efecto invernadero (nubes altas)  Aumenta la Tª

• El efecto albedo de las nubes bajas es más evidente sobre la temperatura (en términos absolutos, la nubosidad supone un ligero descenso de Tª)

Modelo funcionamiento del clima teniendo en cuenta albedo, nubes y efecto invernadero Radiación

Dos bucles antagónicos: Equilibrio dinámico

Polvo atmosférico • Provocado por: - Emisiones volcánicas - Meteoritos - Contaminación atmosférica

Efecto de volcanes sobre el clima • También pueden provocar un doble efecto: Descenso de la Tª: Al inyectar polvo (mayor albedo) Aumento de la Tª: Por las emisiones de CO2 (mayor efecto invernadero)

Efecto de la biosfera sobre clima terrestre • Reducción de los niveles de CO2 (por fotosíntesis) transformación en materia orgánica y almacenaje en biomasa y combustibles fósiles. • Disminuye efecto invernadero  Descenso de Temperatura • Aparición de O2 atmosférico • Formación de la capa de ozono • Aumento del nitrógeno

Efectos antrópicos sobre la temperatura terrestre • Deforestación …… • Contaminación por gases de efecto invernadero  ….. • Contaminación por polvo y partículas  …….

Efectos antrópicos sobre la temperatura terrestre • Deforestación  - fotosíntesis  + CO2  + efecto invernadero  + Tª • Contaminación por gases de efecto invernadero  + Tª • Contaminación por polvo y partículas  + albedo  - Tª En cualquier caso, es más persistente el efecto del aumento de temperatura pues las partículas antrópicas que contribuyen al albedo caen con la lluvia y desaparece el efecto. En términos globales, se considera que las actividades humanas contribuyen al calentamiento terrestre.

Hipótesis GAIA

Hipótesis GAIA • Teoría explicativa del químico James Lovelock y la bióloga Lynn Margulis • El planeta Tierra se comporta como un ser vivo o Funciona como un sistema autoorganizado capaz de mantenerse y autorregularse o El planeta Tierra y la vida han coevolucionado y se han influido mutuamente. o Las condiciones de la superficie de la Tierra son reguladas por las actividades de la vida o El planeta tiene capacidad de control del ambiente físicoquímico (homeostasis)

EJERCICIOS

EJERCICIO 1. En el sencillo modelo de funcionamiento del clima terrestre que se acompaña, comente las relaciones causales (directas, inversa, encadenadas) entre cada uno de los componentes, insertando los signos (+) o (–) donde corresponda. Suponga un flujo de radiación solar constante.

En relación con la teoría de sistemas, responder a las siguientes cuestiones: • ¿A qué se denominan relaciones causales? (3 puntos) • ¿Qué son bucles de retroalimentación? (3 puntos) • ¿Cómo se designan las siguientes relaciones causales? (4 puntos) 1.- Entre la lluvia y el caudal de los ríos 2.- Entre la contaminación del agua y la vida acuática. 3.- Entre los incendios forestales, los bosques y la erosión. 4.- Entre la combustión del carbón y la contaminación atmosférica.

En relación con la teoría de sistemas, responder a las siguientes cuestiones: • ¿A qué se denominan relaciones causales? (3 puntos) • Las relaciones causales son conexiones causa-efecto entre dos o más variables que son objeto de estudio. • ¿Qué son bucles de retroalimentación? (3 puntos) • Los bucles de retroalimentación son relaciones causales complejas que se caracterizan porque la acción de un elemento sobre otro supone que, a su vez, éste último actúe sobre el primero. • ¿Cómo se designan las siguientes relaciones causales? (4 puntos) 1.- Entre la lluvia y el caudal de los ríos. Relación simple positiva o directa. 2.- Entre la contaminación del agua y la vida acuática. Relación simple negativa o inversa 3.- Entre los incendios forestales, los bosques y la erosión. Relaciones encadenadas 4.- Entre la combustión del carbón y la contaminación atmosférica. Relación simple positiva o directa

EJERCICIOS LIBRO Actividades 11, 14, 15, 18, 19, 20, 24