TEMA 1 CONCEPTO DE MEDIO AMBIENTE Y DINÁMICA DE SISTEMAS

MEDIO AMBIENTE Conferencia de Las Naciones Unidas para el Medio Ambiente Humano. (Estocolmo,1972)

“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”

Atmósfera, Hidrosfera y Geosfera (elementos abióticos)

Biosfera (elementos bióticos)

Antroposfera (elementos sociales)

CIENCIAS MEDIOAMBIENTALES

• Se ocupan de la delicada interacción entre el planeta Tierra y 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.

Utilizan conocimientos procedentes de ciencias reduccionistas

Tienen un enfoque holístico

Utilizan un método de trabajo interdisciplinar

Se basan en la teoría de sistemas

CARACTERÍSTICAS DE LAS CIENCIAS MEDIOAMBIENTALES

Enfoque reduccionista

Método analítico. Consiste en dividir o fragmentar nuestro objeto de estudio en sus componentes más simples y observarlos por separado.

Enfoque holístico

Método sintético. Trata de estudiar el todo o la globalidad y las relaciones entre sus partes sin detenerse en los detalles. Se ponen de manifiesto las propiedades emergentes.

ENFOQUE CIENTÍFICO

MÉTODO CIENTÍFICO

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CIENCIAS MEDIOAMBIENTALES

Enfoque Multidisciplinar

MEDIO AMBIENTE

HIDROLOGÍA EDAFOLOGÍA

BOTÁNICA

INGENIERÍA

ECONOMÍA

ZOOLOGÍA POLÍTICA METEREOLOGÍA

Enfoque multidisciplinar

EXAMEN PAU (SEPTIEMBRE 2004)

• Cuestión a. Explique por qué las ciencias ambientales tienen carácter interdisciplinar.

• Cuestión b. Conceptos de: medio ambiente, ecología, sistema. • Cuestión c. Represente gráficamente, según la teoría de sistemas,

los siguientes elementos o componentes: energía solar, plantas, herbívoros, carnívoros, productores, consumidores, hongos y bacterias, descomponedores, elementos minerales, calor. Señale que subsistemas se pueden observar.

• Cuestión d. En el esquema que usted ha realizado, indique si los sistemas son abiertos o cerrados. Justifique las respuestas.

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TEORÍA GENERAL DE SISTEMAS

Un sistema es un conjunto de elementos que se relacionan entre sí para llevar a cabo una o varias funciones.

Describe aquello que funciona como un todo por la interacción de las partes organizadas que lo componen.

Conjunto de elementos con relaciones de interacción e interdependencia que le confieren entidad propia y forman un todo unificado.

Es un conjunto de partes interrelacionadas de forma tal que un cambio en una de ellas afecta a todo el conjunto.

TEORÍA GENERAL DE SISTEMAS ¿QUÉ ES UN SISTEMA?

• En un sistema nos interesa el comportamiento global.

• Es posible definir sus límites (subjetivo) y reconocer intercambios con su medio (flujos de entrada y de salida).

Límite del sistema

Parte del sistema Relación

Un sistema es más que la suma de las partes, las interrelaciones entre

estas provocan la formación de propiedades emergentes, que no se aprecian en el estudio de las partes

por separado

TEORÍA GENERAL DE SISTEMAS

• Norbert Wiener (1894-1964), cibernético. Establece el funcionamiento de los bucles de retroalimentación (relaciones causa-efecto). • Cibernética: ciencia que estudia los mecanismos de comunicación y de regulación

automática de los seres vivos y su aplicación a sistemas mecánicos, electrónicos o informáticos.

• Ludwig von Bertalanffy (1901-1972), Biólogo. Aplica los bucles de retroalimentación a las CC biológicas, generalizando su uso a múltiples campos → Teoría General de Sistemas.

• Jay Forrester, ingeniero. Desde una perspectiva económica y empresarial, y auspiciado por el Club de Roma, desarrolla diagramas de flujo o causales que permiten la modernización de empresas → Dinámica de sistemas. • Club de Roma: Organización cuyo fin es la promoción de un crecimiento estable y

sostenible de la humanidad.

• Eugene Odum y Ramón Margalef, ecólogos. Aplican la dinámica de sistemas a la ecología.

CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS

1. Están formados por elementos.

2. Cada elemento tiene una función específica en el sistema y se relaciona con los demás elementos.

3. Los elementos interaccionan para desempeñar una o varias funciones, superiores a la suma de las partes, que reciben el nombre de propiedades emergentes (Sinergia).

4. 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.

5. Los sistemas también producen materia y emiten energía e información, como resultado de la función que desempeñan.

MODELOS DE SISTEMAS

Para el estudio de la dinámica de sistemas se utilizan modelos, es decir: versiones simplificadas de la realidad.

Un modelo no es la realidad

Un modelo no es aplicable fuera del entorno para el que fue formulado.

• Los modelos 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.

MODELOS DE SISTEMAS

Hay diferentes tipos de modelos de sistemas: Modelos mentales Modelos formales Modelos informales Modelos materiales Modelos de relaciones causales

A. Modelos de sistema caja negra B. Modelos de sistema caja blanca

MODELOS MENTALES • Lo que guardamos en nuestra mente no es la realidad, sino

sus modelos mentales. • No sirven para guiarnos por el mundo y nuestras acciones

responden a nuestros modelos.

MODELOS FORMALES

Ejemplo: modelo depredador-presa

2221

2111

****/***/

NdNNPadtdNNNPNrdtdN

−=−=

• Son modelos matemáticos que también son aproximaciones a la realidad. Utilizan ecuaciones que asocian las variables.

• Son una herramienta para representar la realidad de la forma más concreta y precisa posible.

MODELOS DE SISTEMAS Hay diferentes tipos de modelos de sistemas: Modelos mentales Modelos formales Modelos informales Modelos materiales

MODELOS MATERIALES

Modelo para determinar el plegamiento de estratos

Túnel de viento para simular condiciones de deslizamiento de un esquiador

MODELOS DE SISTEMAS

Hay diferentes tipos de modelos de sistemas: Modelos mentales Modelos formales Modelos informales Modelos materiales Modelos de relaciones causales

A. Modelos de sistema caja negra B. Modelos de sistema caja blanca

MODELO DE SISTEMAS CAJA NEGRA

Un modelo de caja negra se representa como si fuera una caja dentro de la cual no queremos mirar y solo nos fijamos en sus entradas y salidas de materia, energía e información.

Abiertos Cerrados Aislados

Tipos de modelos de caja negra

SISTEMAS CAJA NEGRA

SISTEMAS CAJA NEGRA

Abierto Cerrado

Aislado

• En Termodinámica se define sistema como una parte del universo que deseamos separar del resto para estudiarla.

• Todo lo que no pertenece al sistema constituye su medio ambiente.

• El medio ambiente de un sistema es el conjunto de elementos exteriores a él con los que intercambia materia, energía o información.

ENERGÍA EN LOS SISTEMAS

ENERGÍA EN LOS SISTEMAS

Los modelos han de cumplir: • 1ª ley de la termodinámica o conservación

de la energía. • 2ª Ley de termodinámica. La entropía es

la parte no utilizable de la energía contenida en un sistema. Es una medida del desorden de la energía de un sistema.

ENTROPÍA Los sistemas biológicos mantienen la entropía baja y su estructura interna ordenada:

Sistema biológico

Materia oxidada Alta entropía

Energía de alta calidad Baja entropía

ENTROPÍA

La entropía en los sistemas abiertos (sistemas vivos) se mantiene baja a costa de aumentar la entropía del entorno.

• Los seres vivos son sistemas adaptativos: son capaces de contrarrestar las perturbaciones procedentes del exterior y mantener su funcionamiento estabilizado dentro de unos márgenes estrechos.

• Los sistemas adaptativos son homeostáticos.

• La homeostasis es la capacidad de un sistema para mantener constantes ciertos parámetros característicos.

MODELOS DE SISTEMA CAJA BLANCA

• Si miramos el interior de un sistema, adoptamos un enfoque de caja blanca.

• Hay que marcar las variables que lo componen y unirlas con flechas que representan las interacciones.

DIAGRAMAS CAUSALES Relaciones simples:

• Directas: o positivas, si aumenta A causa un aumento de B. Recíprocamente si disminuye A, disminuye B.

• Inversas o negativas: Si aumenta A disminuye B o si disminuye A aumenta B

• Encadenadas: cuando hay varias variables unidas.

DIAGRAMAS CAUSALES (1)

Relación Causal Positiva

A B +

Estudiantes matriculados

Ingresos provenientes de matrícula

+

La variable A influye positivamente en la variable B: * Un incremento de A produce un incremento de B * Una disminución de A produce una disminución de B

DIAGRAMAS CAUSALES (2)

Relación Causal Negativa

A B -

Estudiantes Infraestructura

disponible por estudiante

-

La variable A influye negativamente en la variable B, * Un incremento de A produce una disminución de B * Una disminución de A produce un incremento de B

Ejemplos de relaciones causales

+ + +

Consumo de alimentos Peso

Ejemplo 2

+ + +

Oferta Demanda

Ejemplo 3

+ + +

Prepararse para el examen de CTM Resultado

Ejemplo 4

- + -

Población Recurso per capita

Ejemplo 5

+ +

Nacimientos Población Muertes

DIAGRAMAS CAUSALES

Relaciones simples: • Directas, Inversas y Encadenadas. Relaciones complejas: • Bucles de realimentación positiva: La causa

aumento el efecto y el efecto aumenta la causa. Se establecen en cadenas cerradas que tienen un número par de relaciones inversas.

• Bucles de realimentación negativa u homeostáticos: Al aumentar A aumenta B, pero el incremento de B hace disminuir a A. Tienden a estabilizar los sistemas. Se establecen siempre que el número de relaciones inversas (-) sea impar.

DIAGRAMAS CAUSALES (3)

Bucle Causal Positivo Lazos de retroalimentación reforzados

A B

+

+ A B

C D

+

-

+

-

+ +

Efecto “bola de nieve”

Ejemplo 6: Bucle Causal Positivo

Ejemplo 7 +

+

+ Nacimientos Población

DIAGRAMAS CAUSALES (4)

Bucle Causal Negativo Lazos de retroalimentación equilibrado

A B

-

+ A B

C D

+

+

+

-

- -

“Ciclo balanceado”

Ejemplo 8 + +

- +

+ Nacimientos Población Muertes -

Observación realidad

Planteamiento hipótesis

-Límites del sistema -Elección tipo de modelo, variables y relaciones causales

Diseño inicial del modelo Diagrama causal

Verificación del modelo

Realidad

MODELADO DE UN SISTEMA

Estudiantesregulares

Estudiantes queingresan

Estudiantes queegresan

++

-

tasa de egreso

+

fracasos

+

-

tasa de fracaso

+

tasa de ingreso

+

infraestructura

disponibilidad deinfraestructura

+

+

-

+

fondos provenientesde matrícula

fondos provenientesde aranceles

+

+

titulados

tasa detitulación

++

fondos provenientesde titulación

+

ingresos totales

+++

egresostotales

+gasto porestudiante +

Resultados-

+

morosidad-

19:00 Vie, 22 de Ago de 2008Page 11.00 4.00 7.00 10.00 13.00

Months

1:

1:

1:

0

20000

40000

Estudiantes regulares: 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7 - 8 - 9 - 10 - 11 -

TOMA DE DECISIONES

DEFINICIÓN PROBLEMA

Evaluación del comportamiento

Realidad

Diseño del modelo

LOS SISTEMAS AMBIENTALES

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 desarrollan.

• Los elementos de estos sistemas son por ejemplo los lugares de trabajo, los colegios, el transporte, etc.

El medio ambiente se divide en sistemas menores o subsistemas que, a su vez, contienen otros sistemas menores:

• 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

Entre los sistemas humanos y los sistemas naturales se establecen interacciones.

LA T

IER

RA

CO

MO

S

IST

EM

A

CIENCIAS MEDIOAMBIENTALES

• Surgen como base para resolver los problemas ambientales que nos aquejan.

• Para ello se hace necesario conocer el funcionamiento de los diferentes subsistemas 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

MODELOS DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE

LA TIERRA COMO SISTEMA DE CAJA NEGRA

RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA SOLAR Espectro electromagnético:

LA TIERRA COMO SISTEMA CAJA BLANCA

S(clima) = A + H + B + G + C Equilibrio dinámico

CAUSAS DE LA ALTERACIÓN DEL CLIMA

A. Causas internas al sistema: • Efecto invernadero • Albedo terrestre • Nubes • Polvo atmosférico • Volcanes • Influencia de la biosfera

B. Causas externas al sistema

EFECTO INVERNADERO Provocado por ciertos gases: vapor de agua, CO2, CH4,

N2O.

ATMÓSFERAS DE OTROS PLANETAS

• VENUS : Presión 90 atm Tª = 477 ºC

• MARTE: Presión 0,03 atm Tª = -53 ºC

EFECTO ALBEDO

• Porcentaje de la radiación solar reflejada por la tierra, del total de energía solar que recibe.

LAS NUBES

• Doble acción: • Aumentan el albedo. • Incrementan el efecto invernadero.

• Su acción depende de la altura de las nubes.

POLVO ATMOSFÉRICO

Provocado por: - Emisiones volcánicas - Meteoritos - Contaminación atmosférica

VOLCANES

• También pueden provocar un doble efecto: • Descenso de la Tª al inyectar polvo. • Aumento de la Tª por las emisiones de CO2.

INFLUENCIA DE LA BIOSFERA: HIPÓTESIS GAIA

La totalidad de la biosfera de la tierra se comporta como un ente vivo con capacidad de cambiar su entorno y mantenerlo dentro de los límites que permiten su existencia.

James Lovelock (1979)

HIPOTESIS GAIA

• La atmosfera terrestre presenta características de sistema adaptativo, su composición se ha mantenido más o menos constante en los últimos 100 millones de años.

• La hipótesis Gaia hace notar que esa estabilidad se debe a la biosfera y plantea que la Tierra es un sistema adaptativo en su conjunto

EVOLUCIÓN DE LA ATMÓSFERA

INFLUENCIA DE LA BIOSFERA

• Reducción de los niveles de CO2: transformación en materia orgánica y almacenaje en combustibles fósiles.

• Aparición de O2 atmosférico.

• Formación de la capa de ozono.

• Aumento del nitrógeno atmosférico

Vida en el precámbrico

INFLUENCIA DE LA BIOSFERA

Reducción de los niveles de CO2: transformación en materia orgánica y almacenaje en combustibles fósiles.

LA MÁQUINA CLIMÁTICA MODELO GLOBAL CON BIOSFERA

LA MÁQUINA CLIMÁTICA MODELO GLOBAL CON BIOSFERA Y ACTUACIÓN HUMANA

CAUSAS DE LA ALTERACIÓN DEL CLIMA

A. Causas internas al sistema: B. Causas externas al sistema:

• Cambios graduales: aumento de la emisión de energía del Sol.

• Cambios periódicos: • Ciclos de actividad solar (11 años) • Ciclos astronómicos de Milankovitch:

• Variaciones en la excentricidad de la órbita terrestre

• Variaciones en la inclinación del eje terrestre • Movimiento de precesión de la Tierra

CICLOS DE ACTIVIDAD SOLAR

El último ciclo solar se dio por terminado a

principios de 2008

CICLOS ASTRONÓMICOS DE MILANKOVICH

• Excentricidad de la órbita • Inclinación del eje terrestre • Movimiento de Precesión

• Variaciones de la radiación solar debidos a cambios en las constantes astronómicas.

• Serían los responsables de los periodos glaciares e interglaciares.

EXCENTRICIDAD DE LA ÓRBITA

• Cuando se alcanza la excentricidad máxima, se intensifican las estaciones en un hemisferio y se moderan en el otro.

OBLICUIDAD TERRESTRE

• La inclinación del eje terrestre de rotación varía con una periodicidad de unos 41.000 años.

• Al aumentar el ángulo, la diferencia de insolación estacional es grande, y las estaciones resultan más extremas en ambos hemisferios.

• Si el ángulo disminuye las estaciones se suavizan (si el ángulo fuese cero no habría estaciones).

• El valor actual es de 23.4º y durante los dos últimos millones de años ha variado entre un valor máximo de 24.5º y un mínimo de 21.5º.

PRECESIÓN DE LOS EQUINOCCIOS

• La precesión determina si el verano en un hemisferio dado cae en un punto de la órbita cercano o lejano al Sol.

• El resultado de esto es el refuerzo de las estaciones cuando la máxima inclinación del eje terrestre coincide con la máxima distancia al Sol.

• Cuando esos dos factores tienen el mismo efecto en uno de los hemisferios, se tienen efectos contrarios entre si en el hemisferio opuesto.

• En la época actual, ya que la Tierra pasa por el perihelio cuando es invierno (H.N.) la menor distancia al Sol amortigua el frío invernal.

• De la misma manera, ya que la Tierra se encuentra en el afelio cuando es verano en el hemisferio norte (Julio), la mayor distancia al Sol amortigua el calor estival.

• Es decir, la actual configuración de la órbita terrestre alrededor del Sol ayuda a que las diferencias estacionales (verano-invierno) de temperatura en el hemisferio norte sean menores. Por el contrario, agudiza las del hemisferio sur.

PRECESIÓN DE LOS EQUINOCCIOS

TIERRA PREBIÓTICA

Formación de la corteza y de la Luna Formación

de la magnetosfera

Formación de la atmósfera

y la hidrosfera

Origen de la corteza continental Atenuación del

bombardeo meteórico Origen de la vida

TIERRA BIÓTICA 1

Invernadero del Cámbrico

Primeras glaciaciones

Atmósfera oxidante

Oxidación del hierro Cambios en

la química oceánica Almacenamiento del CO2 en la litosfera

TIERRA BIÓTICA 2

Cambio ambiental antropogénico

Óptimo climático del Mesozoico

Efecto invernadero asesino

Atmósfera rica en oxígeno Origen

del suelo

Nueva glaciación