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 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

Medio ambiente. Concepto y alcance • Medio ambiente  Materia INTERDISCIPLINAR – Incluye temas que abarcan distintas disciplinas – Diferentes puntos de vista: 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

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 de sistemas PÁGS 10-13

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, en el que unos actúan sobre otros y del que 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)

Teoría de sistemas • Teoría General de Sistemas. Otras características: – Todo sistema se puede considerar que funciona de forma semejante a otro, en base a principios semejantes – Los sistemas aislados, a nivel planeta Tierra, son eminentemente teóricos (no se dan en la realidad) – Los sistemas abiertos y cerrados tienden de forma espontánea, y a pesar de las condiciones iniciales, a situaciones de máxima estabilidad. El aumento de entropía sólo se produce en sistemas aislados, cuando no se recibe energía del exterior – De alguna forma, se puede considerar que en mayor o menor medida todos los sistemas dependen de otros, al estar interrelacionados (suele haber intercambio de materia y energía con el exterior).

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

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

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

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

Dinámica de sistemas PÁGS 14-15 • R. SIMPLES o Directas (positivas). 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

Dinámica de sistemas PÁGS 14-15 • R. SIMPLES o Directas (positivas)

Dinámica de sistemas PÁGS 14-15 • R. SIMPLES – Inversas (negativas). Si aumenta A disminuye B o si disminuye A aumenta B

-

Ejemplos Masa vegetal y erosión del suelo

Dinámica de sistemas PÁGS 14-15 • R. SIMPLES – Encadenadas. 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.

EJERCICIO

EJERCICIO

Dinámica de sistemas PÁGS 14-15 • R. COMPLEJAS o Acciones de un elemento sobre otro que a su vez actúan sobre el primero o El resultado es un conjunto de relaciones encadenadas en círculo denominados bucles de retroalimentación o Hay dos tipos de bucles; positivos y negativos

Dinámica de sistemas PÁGS 14-15 R. COMPLEJAS • Bucles de retroalimentación positiva 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

Dinámica de sistemas PÁGS 14-15 R. COMPLEJAS • Bucles de retroalimentación negativa (homeostáticos) o Al aumentar A aumenta B, pero el incremento de B hace disminuir A (la causa aumenta el efecto, pero el efecto disminuye la causa) 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

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

ACTIVIDAD 9, PÁG. 15 LIBRO

EJERCICIO 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 Explica como repercute cada una de las variables sobre la alimentación de las personas

EJERCICIO Los incendios forestales constituyen un grave problema ambiental en España. Cada verano desaparecen muchas hectáreas de bosque y dejan el suelo desprotegido y vulnerable a la erosión. Como consecuencia, se pierde el agua que el suelo retenía y causa una sequía en la zona, que la hace más susceptible a los incendios. Indica las seis variables del sistema tal como está explicado, diseña el diagrama causal correspondiente y explica el tipo de bucle que se forma y sus consecuencias

La Tierra como sistema PÁGS 16-19

La Tierra como sistema • Básicamente la Tierra se comporta como un sistema cerrado (no intercambia materia, salvo en choque de asteroides, etc.) • 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%)

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 (ppio 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 (entropia). Aumenta la entropia (el grado de desorden) en sistemas aislados, sin intercambio de energía – Ejemplo; Río. Curso alto – curso medio – curso bajo – Desembocadura (aumenta la entropia)

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; porcentaje de la radiación solar reflejada por la tierra, 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 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 el clima 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 • El planeta Tierra funciona como un sistema autoorganizado capaz de mantenerse y autorregularse o La Tierra se comporta como un organismo vivo o El planeta Tierra y la vida han coevolucionado y se han influido mutuamente. 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.

EJERCICIOS LIBRO Actividades 11, 14, 15, 16, 18, 19, 20, 24