UD 1: CONCEPTO DE MEDIO

AMBIENTE Y DINÁMICA DE SISTEMAS

Ciencias de la Tierra y Medioambientales

Esquema de la Unidad

1.1 Medio Ambiente: Definición y alcance

1.2 Uso de un enfoque científico: reduccionismo frente a holismo.

1.3 Sistema y dinámica de sistemas.

1.4 Uso de modelos

1.5 Modelos de sistemas de caja negra.

1.6 Modelos de sistemas de caja blanca.

1.7 Modelos de regulación del clima terrestre.

1.1 Medio ambiente: definición y alcance

Efecto dominó

Cualquier

intervención en

el medio

natural arrastra

tras de sí una

serie de

repercusiones

en cadena

sobre el medio

ambiente.

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. (Conferencia de lasNaciones Unidas para el Medio Ambiente Humano, Estocolmo 1972).

Atmósfera HidrosferaGeosfera

Biosfera Humanidad

I

N

T

E

R

A

C

C

I

Ó

N

I

N

T

E

R

D

I

S

C

I

P

L

I

N

A

R

Ejemplos de efectos dominó

Tala de bosques

Agota el recurso

Erosión del suelo

Disminución de recursos hídricos (transpiración)

Aumento del CO2

Alteración de la fauna

En la isla Macquarie se propusieronerradicar los gatos porque cazabanaves excavadoras. La ausencia de losgatos hizo aumentar la población deconejos y su reproducción sin controldestrozó las plantas nativas.

www.youtube.com/watch?v=MJwaiyfRG5U

¿Cuál es el enfoque científico adecuado?

Existen dos tipos de enfoques:

Reduccionista Holístico - Sistémico

Consiste en desmenuzar cualquier objeto

o realidad en partes más sencillas que

permitan un estudio pormenorizado y

detallado. (Descartes)

Es el que trata de estudiar el todo o

la globalidad y las relaciones entre

sus partes sin detenerse en los

detalles. (Ludwig von Bertalanffy)

Biología molecular

Ecología

La visión holística se aprovecha de los conocimientos adquiridos gracias al

reduccionismo

Las partes y el todo (enfoque sistémico)

¿Qué es un Sistema?

Un conjunto de componentes interrelacionados del que interesa

considerar fundamentalmente el comportamiento global. De

este comportamiento global surgen unas características

propias que no se deducen de contemplar sus partes por

separado. Estas características del conjunto se denominan

propiedades emergentes, la vida, la hora, internet,….

Teoría o dinámica de sistemas:

Es la metodología que se usa para estudiar los

Sistemas.

Observar y analizar las relaciones

entre las partes

Se recurre al uso de modelos

Jay Forrester 1960

MODELOS

Son representaciones simplificadas del sistema con una escala espacialy temporal asequible y que podemos estudiar y manipular paratratar de comprender y predecir el comportamiento del sistemareal. Pueden ser:

a) Mentales . Dependen de las percepciones. (Ver en el paisaje una cantera).

b) Formales. La formalización puede ser literaria (descripción),matemáticas o digitales (formulación, leyes), física-mecánica-plástica o analógicos (maquetas). En muchos casos nos debepermitir interactuar con el modelo para obtener conclusiones sobresu funcionamiento. Los modelos formales se pueden verificarcomparándolo con la realidad; si coincide con las predicciones delmodelo diremos que éste es adecuado, pero si no coincidetendremos que construir un nuevo modelo.

Modelos formales

Las inundaciones dejan 30 muertos en

Turquía

Atlas - jueves, 10 de septiembre, 09.24

Las peores inundaciones de los últimos 80

años ya han dejado más de 30 muertos en

Turquía. Las ríadas que están sufriendo en

Estambul han dejado escenas terribles. Y

lo peor es que se espera que ...

Modelos formales. Digitales o

matemáticos

Están formados por ecuaciones matemáticas que representan las relaciones que hay

entre diversas variables. Al introducir los valores de las variables que conocemos

podemos calcular el valor de las variables que desconocemos.

RiesgosOrdenación del territorio Diseño de estructuras

Gradientes

Modelos analógicos.

Más ejemplos de modelos ¿Por qué son modelos?

Modelos de caja negra y de caja

blanca

Un sistema o modelo de

CAJA NEGRA se representa

como si fuera una caja dentro

de la cual no queremos mirar

y sólo nos fijamos en sus

entradas y salidas de materia,

energía o información, es decir

en sus intercambios con el

entorno. Los modelos

mentales de caja negra son

muy habituales en la vida

diaria a la hora de utilizar

electrodomésticos, el teléfono

móvil, … No sabemos lo que

hay dentro, ni cómo funciona

pero sabemos utilizarlo.

Si observamos el interior del

sistema que queremos

modelizar, nos estamos

basando en un enfoque de

CAJA BLANCA. Se deben

primero marcar las variables

que lo componen y unirlas

con flechas que representes

sus interacciones. Por

ejemplo, si necesitásemos

reparar alguno de los

aparatos de antes, la

lavadora o el móvil,

necesitaríamos conocer su

interior y su funcionamiento.

Modelos de caja negra.

Para diseñar un sistema caja negra debemos:

1º Marcar sus fronteras o límites para aislarlo del resto de la realidad, determinando lo

que hay dentro de él y lo que está fuera.

2º Señalar las entradas y salidas (materia y energía) si es que existen.

En función de los intercambios de materia y energía con el entorno podemos distinguir

tres tipos de modelos:

Abiertos: En ellos se producen entradas y salidas de materia y energía.

Cerrados: En ellos no hay intercambio de materia pero sí de energía.

Aislados: No hay intercambio ni de materia ni de energía.

SISTEMAS ABIERTOS:

Intercambian

materia y energía

con el exterior

SISTEMAS CERRADOS:

Sólo hay intercambios

de energía

SISTEMAS AISLADOS:

No intercambian

materia ni energía

La energía en los sistemas

Cualquier modelo de caja negra en el que puede existir intercambio de

energía debe cumplir los principios termodinámicos.

1ª ley termodinámica: Conservación de la energía. La energía que entre en

el sistema debe ser equivalente a la energía almacenada dentro del sistema,

más la que salga de él.

2º ley termodinámica: En cualquier transferencia de energía, una parte de

ésta, se convierte en energía no utilizable para producir trabajo, porque se

degrada pasando a una forma más desorganizada (por ejemplo la energía

concentrada en un combustible a la energía menos concentrada del calor). A

esta cantidad de energía se le denomina entropía. Así un sistema aislado

evoluciona siempre en el sentido de aumentar su entropía y como

consecuencia la energía útil, la que se emplea para realizar cambios se va

perdiendo hasta anularse. Por lo tanto es una ley que marca la irreversibilidad

de los procesos, salvo que el sistema reciba energía del exterior.

La energía en los sistemas

Así en los sistemas aislados y cerrados se tiende sin remedio a la muerte termodinámica

del sistema y a su desaparición.

Sin embargo en los sistemas abiertos esta tendencia puede invertirse, ya que pueden

incorporar del exterior energía que contribuya a mantener el grado de orden necesario

para que el sistema no desaparezca. Esto es lo que ocurre en los organismos vivos,

consiguen mantener una baja entropía degradando azúcares en la respiración celular a

base de expulsar al entorno moléculas de elevada entropía como el CO2. y provocando

por lo tanto su desorden. Es decir los seres vivos construyen orden pero para ello

desorganizan su entorno.

La entropía crece

con cualquier

proceso hasta

hacerse máxima

La entropía

puede

mantenerse baja

y la estructura

ordenada

Sistema cerrado Sistema abierto

E

E

E

E

M

M

Modelos de sistemas caja blanca

Para diseñar un sistema de caja blanca hay que seguir los siguientes pasos:

-Marcar las variables que lo componen.

-Unir las variables con flechas de acuerdo a la relación que guardan entre sí y que

representen las interacciones.

-Incluir sólo las variables estrictamente necesarias, ya que si aumento mucho su número

se pierde la claridad por el entramado de la estructura.

Estos modelos los representamos mediante diagramas causales o también diagramas

de Forrester. Las relaciones causales que se establecen entre las variables pueden ser:

Relaciones causales simples: representan la influencia de una variable sobre otra.

Relaciones causales complejas: Son las acciones de un elemento sobre otro que

implican, a su vez, que este último actúe sobre el primero. Se conocen como bucles de

realimentación o de retroalimentación.

BA

A B

Relaciones causales simples

DIRECTAS O

POSITIVAS

Si una aumenta la otra

también, o si una

disminuye la otra

también.

INVERSAS

Si una aumenta la

otra disminuye o

viceversa

ENCADENADAS

Serie de variables

unidas mediante

flechas

Se leen dos a dos

A B A B

+ _

A B C

_+

A C

_

Ejemplos de relaciones simples

Viento - Oleaje

Nubosidad – Radiación

Lluvia – Caudal de los ríos

Masa vegetal – impacto de gotas

Masa vegetal – materia orgánica

Contaminación - Vida

Directa

Inversa

Directa

Directa

Inversa

Inversa

Relaciones simple encadenadas

Establece una cadena de relaciones causales que relaciona la actividad

volcánica y la humedad del suelo.

Indica la relación resultante si la actividad volcánica aumenta y después

considerando que la actividad volcánica disminuye.

-Actividad volcánica

-Polvo en la atmósfera

-Radiación solar en el suelo

-Temperatura del suelo

-Evaporación desde el suelo

-Humedad del suelo

Relaciones causales complejas

Bucles de realimentación positiva

BA

• Cuando una variable aumenta, otra aumenta,

lo que hace que aumente a su vez la primera

• La causa aumenta el efecto y el efecto

aumenta la causa

• Se establecen en

cadenas cerradas con

un nº par de relaciones

negativas

PoblaciónNacimientos +

• Crecimiento

descontrolado

del sistema

• Comportamiento explosivo desestabilización del sistema

+

+

Relaciones causales complejas

Bucles de realimentación negativa u

HOMEOSTÁTICOS

BA

• Cuando una variable aumenta y la otra

también, pero esta última hace que la primera

disminuya

• Al aumentar la causa aumenta el efecto, y el

aumento del efecto amortigua la causa.

• Se establecen en las

cadenas cerradas en las

que el nº de relaciones

negativas es impar

PoblaciónDefuncionesTM

• Son bucles estabilizadores u HOMEOSTÁTICOS

+

__

+

Ejemplo realimentación positiva

Ejemplo de realimentación negativa

Variables de flujo y de nivel

En los diagramas de Forrester se

pueden indicar los valores de las

variables y sus unidades de

medida. En función de las unidades

de medida hay dos tipos de

variables.

Variables de flujo: Representan un

proceso que ocurre a los largo del

tiempo y que implica flujo de masa,

de energía, de recursos o de

información. Se reconocen porque

en su unidad de medida siempre

aparece el tiempo.

Variables de nivel o de fondo: Se

miden en unidades que no implican

el tiempo. No representan flujos,

sólo cantidad.

Actividades sobre bucles de

realimentación

Si en el diagrama encadenado de la actividad volcánica introduces una

nueva variable como la nubosidad, ¿Cómo sería el nuevo diseño del

diagrama?

Diseña un diagrama de Forrester que represente una glaciación e indica de

qué tipo es.

Diseña un diagrama de Forrester que represente el efecto invernadero e

indica de qué tipo es.

Realiza un diagrama causal según la teoría de sistemas incluyendo los

conceptos de roca, vegetación, suelo y erosión, indicando los tipos de

relaciones que se establecen entre ellos. (PAU comunidad Valenciana, 06)

Respuesta - Glaciación

Respuesta – efecto invernadero

Pasos a seguir para modelar un

sistema1. Formación de un modelo mental tras la observación de un fenómeno

natural.

2. Elección de las variables.

3. Diseño del diagrama causal uniendo las variables mediante flechas y

establecer las relaciones entre ellas.

4. Elaboracíón de un modelo formal mediante la utilización de símbolos o

fórmulas matemáticas que establezcan dichas relaciones.

5. Simulación de diferentes escenarios, es decir estudiar el

comportamiento futuro del sistema a partir de unas condiciones

determinadas.

ESCENARIO: Conjunto de

condiciones, circunstancias

o parámetros iniciales de los

que parte una simulación

Variando las

condiciones iniciales se

obtienen escenarios

alternativos