Tema 1. sistemas ambientales

Tema 1Medio ambiente y teoría de sistemas
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Tema 1. Medio ambiente y teoría de sistemas

Definición de medio ambiente
Conferencia de la ONU para el Medio Ambiente humano. Estocolmo 1972.
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“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
Las Ciencias de la Tierra y medioambientales estudian las interacciones del planeta y de la biosfera, e intentan dar respuesta a los problemas de nuestro mundo y buscar soluciones.
Es una disciplina integradora, abierta y sintética, que aúna diversos conocimientos.
Intervienen disciplinas tan diferentes como: Ecología, Economía, Sociología, Derecho, Biología, Geología, Física, Química, Matemáticas, Ingeniería, Arquitectura, Medicina y Geografía.
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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.... Es más antropocéntrico, aunque tiene en cuenta al resto de los seres vivos. Es un enfoque menos global que el ecológico.
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Los diversos tipos de componentes influyen en el medio ambiente de modo distinto:
Físicos: El relieve, la temperatura y la presencia de agua son los principales factores físicos que determinan las características ambientales.
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.
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.
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.
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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.
En un sistema nos interesa el comportamiento global.
Pueden considerarse sistemas un ordenador, un automóvil, un ser vivo, etc.
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Los sistemas presentan las siguientes características:
Están formados por elementos.
Cada elemento tiene una función específica en el sistema y se relaciona con los demás elementos.
Los elementos interaccionan para desempeñar una o varias funciones, superiores a la suma de las partes, que reciben el nombre de propiedades emergentes. (Sinergia)
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.
Los sistemas también producen materia y emiten energía e información, como resultado de la función que desempeñan.
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Esta forma de análisis mediante sistemas permite estudiar fenómenos de distinta complejidad desde el funcionamiento de una célula hasta el planeta Tierra
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Los sistemas más complejos están constituidos a su vez por subsistemas, y estos, a su vez, por componentes más sencillos

Energía almacenada
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.
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Energía entrante
Energía saliente

Tipos de sistemas
Según los intercambios de materia y energía pueden diferenciarse tres tipos de sistemas:
abiertos, cerrados y aislados.
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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 materia y energía (calor) que se genera en los procesos químicos como la respiración.
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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 propiedadesemergentes 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.
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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)
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Sistemas aislados:
Son aquellos que no intercambian ni materia, ni energía con su entorno. En realidad no existen este tipo de sistemas, por tanto, 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.
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La energía de los sistemas
Cualquier sistema tiene que cumplir los principios 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.
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SISTEMA
E saliente
E entrante
Energía
almacenada
E entrante = E almacenada + E saliente

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La 2º ley dice que cualquier sistema tiende espontáneamente a un estado de máximo desorden.
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.

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Los seres vivos mantienen su organización y su elevada complejidad degradando azúcares en la respiración, con lo que expulsan al entorno materia oxidada ( con una alta entropía) y calor (energía). Son sistemas abiertos que rebajan su entropía y mantienen su organización y complejidad aumentando la del entorno.

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Reduccionismo y holismo
El análisis de un sistema se puede abordar desde dos posibles enfoques:
Reduccionista o analítico.
Consisten dividirel 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 globalidady 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.
Ej: Las piezas de un reloj por separado no tienen la propiedad de dar la hora; sin embargo, el reloj montado como un todo, sí.
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Ambos enfoques son complementarios y deben apoyarse mutuamente para obtener la imagen más ajustada a la realidad.
Reduccionismo
Trata de descomponer y analizar las partes de un todo, buscando «lo más pequeño».
(Método analítico)
Holismo
Consiste en analizar la totalidad, la globalidad de un sistema.
(Método sintético)

La representación de los sistemas. Los modelos
Estas representaciones se hacen mediante dibujos, esquemas o expresiones matemáticas.
Hay diversos tipos de modelos en uso y difieren entre ellos según el propósito que se persiga. La diversidad va desde el más básico modelo físico como ser una estatua o maqueta, hasta modelos muy complicados que sólo pueden utilizarse empleando herramientas informáticas muy poderosas.
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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 permiten ver de forma clara y sencilla las distintas variables y las relaciones que se establecen entre ellas.

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Para que resulten útiles en investigación, los modelos deben cumplir unas determinadas condiciones:
Han de ser menos complicados y de más fácil manejo que las situaciones reales.
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.

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Modelos mentales
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Modelos gráficos

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Modelos gráficos

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Modelo para determinar el plegamiento de estratos
Túnel de viento para simular condiciones de deslizamiento de un esquiador

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Modelos matemáticos

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Modelos de simulación por ordenador

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Modelo de la agitación térmica de un gas.

Modelos estáticos y dinámicos
Modelos estáticos.
Sus relaciones no dependen del comportamiento del sistema, sólo analiza 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.
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Ejemplo: modelo depredador-presa
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Modelos de caja negra y caja blanca
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Es otra forma de utilizar modelos, atendiendo a lo que ocurre en el interior del sistema.
Modelo de caja negra
Interesan sólo las entradas y salidas de materia, energía e información en el sistema, y no los elementos e interacciones que suceden en el interior.
Modelo de caja blanca
Se tienen en cuenta las entradas y las salidas, así como las interacciones, las conexiones interiores y las relaciones entre los posibles subsistemas.

Modelos 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.
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teóricos

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Energía solar
Precipitación
Evapotranspiración
CO2
CO2
Calor
Nutrientes
Lixiviado de nutrientes

Modelo de caja blanca:
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 entre 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.
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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.
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.
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El medio ambiente se divide en sistemas menores o subsistemas que, a su vez, contienen otros sistemas menores:
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Sistemas Naturales:
Son los cuatro subsistemas o capas de la Tierra: geosfera, hidrosfera, atmósfera y biosfera.
Sistemas Humanos:
Constituidos por los seres humanos y las relaciones sociales que se establecen entre ellos, así como las actividades que desarrolla.
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.
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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.
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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 entre las variables de un sistema pueden ser de dos tipos:
Relaciones causales simples
Relaciones causales complejas
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Relaciones causales simples
RELACIONES SIMPLES ENCADENADAS: Son cambios en cadena positivos o negativos o de diferentes signos.
DIRECTAS O POSITIVAS: El cambio de una variable provoca un cambio en la otra del mismo signo. Si una aumenta la otra también.
Alcohol y Accidentes de tráfico
Pendiente – velocidad del agua
INVERSAS O NEGATIVAS: El cambio en una variable provoca un cambio en sentido inverso en la otra.
Uso de cinturón de tráfico y muertes en accidentes
Reforestación – erosión del suelo
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Precipitaciones
Caudal de los ríos
+
+
-
-
Biomasa vegetal
Materia orgánica
Contaminación
Número de peces
Biomasa vegetal
Impacto de la lluvia

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El aumento de una de las variables hace que aumente la otra.
El aumento de materia orgánica en un lago hace que aumente el número de microorganismos
El aumento de una de las variables hace que disminuya la otra.
El aumento microorganismos que utilizan oxígeno para respirar provoca la disminución del oxígeno

Relaciones complejas
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
• Negativas
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Tala del bosque
Erosión
Cantidad suelo
+
-
-
-
-
-
Vegetación
Erosión
Cantidad suelo
Cuando la última variable influye en la primera, se habla de “feed-back o retroalimentación
Vegetación
Erosión
Cantidad suelo
+

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.
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a – Investigación
b – Desarrollo
c – Biocombustibles
d- Alimentos
c
d
a
b

Relaciones complejas 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.
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A
B

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 entrono lo permita.
En un sistema encadenado puede haber relaciones negativas intermedias pero si son en número par el resultado final es positivo.
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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
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__
Presas
Depredadores
+

Sistemas propositivos:
Son sistemas programados para un propósito 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 forman un sistema propositivo, ya que se autoregulan.
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Cambios en los sistemas
Para estudiar los sistemas con comodidad empleamos los modelos (estáticos o dinámicos).
Objetivos:
Reproducir el comportamiento del sistema y realizar previsiones futuras.
Acotar límites (no se puede reproducir todo el sistema mediante el modelo).
Comprobar el efecto de las perturbaciones (naturales o no) en el comportamiento del sistema.
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Sistemas estables (se mantienen en equilibrio):
Dominio de bucles negativos
Sistema inestables (efecto bola de nieve):
Dominio de bucles positivos
En la naturaleza hay ambos tipos de bucles, y en función del momento pueden dominar unos u otros
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El sistema tierra y sus fuentes de energía
El sistema Tierra está formado por 4 subsistemas:
BIOSFERA: Es la cubierta de vida, es decir, el área ocupada por los seres vivos
ATMÓSFERA: Envoltura de gases que rodea la Tierra
HIDROSFERA: Es la capa de agua que hay en la Tierra, en sus diferentes formas, subterránea, superficial, dulce, salada, líquida, sólida
GEOSFERA: Es la capa sólida de la Tierra, es la más voluminosa y con los materiales más densos.
Algunos autores consideran hablan de otros dos subsistemas, la CRIOSFERA (capa helada) y la SOCIOSFERA( el ser humano).
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La Tierra es un SISTEMA ABIERTO respecto al intercambio de energía:
Recibe un flujo continuo de energía solar en forma de radiación electromagnética.
Emite calor al espacio (en forma de radiación infrarroja)La Tierra es un SISTEMA que se AUTORREGULA: la temperatura media terrestre se ha mantenido constante durante millones de años, en torno a los 15 ºC.
La Tierra está formada por diferentes SUBSISTEMAS (atmósfera, hidrosfera, geosfera y biosfera) que no funcionan de forma aislada, sino que interaccionan para formar un todo conjunto.

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Ejemplos de diagramas causales
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Consumo de alimentos
Peso
Oferta
Demanda
Prepararse para un examen
Resultado del examen
Recursos per cápita
Población

+
+
NACIMIENTOS
POBLACION
MUERTES
-
+
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Variables: Lluvia, pastos, contaminación, agua, vacas y alimentación humana.
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?

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 selvicultura. 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 Kioto para evitar el aumento de la sequía, podemos tener cambios climáticos mucho más extremos que lo que hemos conocido hasta ahora,
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MODELOS DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE
LA TIERRA COMO SISTEMA DE CAJA NEGRA
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LA TIERRA COMO SISTEMA CAJA BLANCA
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EL EFECTO INVERNADERO
Provocado por ciertos gases: vapor de agua, CO2, CH4, N2O.
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EL EFECTO ALBEDO
Porcentaje de la radiación solar reflejada por la tierra, del total de energía solar que recibe.
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Las nubes
Doble acción:
Aumentan el albedo.
Incrementan el efecto invernadero.
Su acción depende de la altura de las nubes.
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Modelo funcionamiento del climaDos bucles antagónicos: Equilibrio dinámico

Polvo atmosférico
Provocado por:
Emisiones volcánicas
Meteoritos
Contaminación atmosférica
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VOLCANES
También pueden provocar un doble efecto:
Descenso de la Tª:
Al inyectar polvo.
Aumento de la Tª:
Por las emisiones de CO2.
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VARIACIONES DE LA RADIACIÓN SOLAR
Excentricidad de la órbita
Inclinación del eje
Posición del perihelio
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INFLUENCIA DE LA BIOSFERA
VIDA PRECÁMBRICO
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EVOLUCIÓN DE LA ATMÓSFERA
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INFLUENCIA DE LA BIOSFERA
Reducción de los niveles de CO2: transformación en materia orgánica y almacenaje en combustibles fósiles.
Aparición de 02 atmosférico.
Formación de la capa de ozono.
Aumento del nitrógeno atmosférico
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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.
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Cantidad de agua
Vegetación
__
+
__
CO2 atmosférico
Temperatura
Efecto invernadero
+
+

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
Erosión
Infiltración
Escorrentía
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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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Tema 1. sistemas ambientales

by EDU3364 on Sep 29, 2011

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