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Tema 1Medio ambiente y teoría de sistemas

1Tema 1. Medio ambiente y teoría de sistemas

Definición de medio ambiente

Conferencia de la ONU para el Medio Ambiente humano.Estocolmo 1972.


“Conjunto de componentes físicos, químicos, biológicos ysociales capaces de causar efectos directos o indirectos, en unplazo corto o largo, sobre los seres vivos y las actividadeshumanas.”

Estudio del medio ambiente

Las Ciencias de la Tierra y medioambientales estudian lasinteracciones del planeta y de la biosfera, e intentan dar respuestaa los problemas de nuestro mundo y buscar soluciones.

Es una disciplina integradora, abierta y sintética, que aúna diversosconocimientos.

Intervienen disciplinas tan diferentes como: Ecología, Economía,Sociología, Derecho, Biología, Geología, Física, Química,Matemáticas, Ingeniería, Arquitectura, Medicina y Geografía.


Tema 1. Medio ambiente y teoría de sistemas 4

Enfoques del estudio del medio ambiente

Punto de vista económico:

El medio ambiente es una fuente de recursos naturales, un soporte de actividades productivas y un receptor de desechos y residuos.

Punto de vista administrativo operativo:

Sistema constituido por el hombre, la flora, la fauna, el suelo, el aire, el agua, el clima, el paisaje, los bienes materiales, el patrimonio cultural y las interacciones entre todos estos factores.

Punto de vista ecológico:

Suma de todos los factores físicos y biológicos que actúan sobre un individuo, una población o comunidad, es decir incluyen el entorno vital. (Al hablar de individuo no se refiere necesariamente a seres humanos).

Diferencia entre el enfoque oficial y el ecológico

La ecología considera al ser humano como uncomponente biótico del ecosistema y el ambiente comoun factor abiótico, estudia las interacciones entre todoslos componentes.

El concepto oficial está más encaminado al temaproductivo, económico, de recursos.... Es másantropocéntrico, aunque tiene en cuenta al resto de losseres vivos. Es un enfoque menos global que el ecológico.


Los diversos tipos de componentes influyen en el medio ambiente de modo distinto:

1. Físicos: El relieve, la temperatura y la presencia de agua son los principalesfactores físicos que determinan las características ambientales.

2. Químicos: La salinidad, el pH del agua, la concentración del oxígeno y dióxido decarbono, etc. que favorecen o impiden el desarrollo de determinados seres vivos.

3. Biológicos: Los seres vivos establecen distintos tipos de relaciones entre ellosprincipalmente de tipo alimentario. La supervivencia de una especie depende delos seres vivos de los que se alimenta.

4. 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 comosobre los otros seres vivos que les rodean.

Por ejemplo, el asentamiento de núcleos urbanos en zonas antiguamente rurales implicacambios en las actividades humanas y en los hábitos de vida que condicionan también a lavegetación y la fauna.


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.


Los sistemas presentan las siguientes características:

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.


Esta forma de análisis mediante sistemas permite estudiar

fenómenos de distinta complejidad desde el funcionamiento de una

célula hasta el planeta Tierra


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.


Energía entrante

Energía saliente

Tipos de sistemasSegún los intercambios de materia y energía pueden diferenciarse tres

tipos de sistemas:

abiertos, cerrados y aislados.


http://2.bp.blogspot.com/_TdU_iKlXAis/Ssdy3lOyfmI/AAAAAAAAB3I/K7ZcAz-TZxs/s1600-h/sistemas.gif



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.


•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 propiedades emergentes

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.


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)


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.


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 sedestruye, solo se transforma. En cualquier sistema la energía que entra será igual a laenergía almacenada más la energía que sale.


SISTEMA

E entranteE saliente

E entrante = E almacenada + E saliente

Energía almacenada


La 2º ley dice que cualquier sistema tiende espontáneamente a un estado demáximo 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 esbaja y la energía está más concentrada.

Por el contrario, en sistemas desordenados la energía está muy dispersa y laentropía es elevada. Esta energía se disipa en forma de calor y no puedeutilizarse para realizar trabajo.


Los seres vivos mantienen su organización y su elevada complejidaddegradando azúcares en la respiración, con lo que expulsan al entornomateria oxidada ( con una alta entropía) y calor (energía). Son sistemasabiertos que rebajan su entropía y mantienen su organización ycomplejidad aumentando la del entorno.

El análisis de un sistema se puede abordar desde dos posibles enfoques:

Reduccionista o analítico.

Consisten dividir el 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 globalidad y 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.

Reduccionismo y holismo



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)

Ambos enfoques son complementarios y deben apoyarse mutuamente para obtener la imagen más ajustada a la realidad.

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 quese persiga. La diversidad va desde el más básico modelo físico como ser unaestatua o maqueta, hasta modelos muy complicados que sólo pueden utilizarseempleando herramientas informáticas muy poderosas.


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.


Para que resulten útiles en investigación, los modelos deben cumplir

unas determinadas condiciones:

1. Han de ser menos complicados y de más fácil manejo que las

situaciones reales.

2. 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.


Tipos de modelos

Mentales

Gráficos

Formales o matemáticos

De simulación por ordenador

Modelos mentales



http://en.wikipedia.org/wiki/File:Wien_NHM_Venus_von_Willendorf.jpg


Modelos gráficos


Modelo para determinar el plegamiento de estratos

Túnel de viento para simular condiciones de deslizamiento de un esquiador


Modelos matemáticos


Modelos de simulación por ordenador


Modelo de la agitación térmica de un gas.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6d/Translational_motion.gif

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.


Ejemplo: modelo depredador-presa

2221

2111

****/

***/

NdNNPadtdN

NNPNrdtdN


Modelos de caja negra y caja blanca


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.



teóricos


CO2

CO2

Energía solar

Calor

Nutrientes

Lixiviado de nutrientes

PrecipitaciónEvapotranspiración

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.


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.


El medio ambiente se divide en sistemas menores o subsistemas que, a su

vez, contienen otros sistemas menores:


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 estableceninteracciones.

A veces la actividad humana repercute de forma negativa como consecuenciadel desarrollo de los países: Sobreexplotación de los recursos, ladeforestación, contaminación, etc..

La naturaleza también puede afectar negativamente a la especie humana: Losdesastres naturales.


Las Ciencias Medioambientales han surgido como base pararesolver estos problemas ambientales que nos aquejan.

Para ello se hace necesario conocer el funcionamiento delos diferentes sistemas que constituyen el sistema Tierra yprofundizar en el estudio de las relaciones de ellos con laespecie humana, que pueden enfocarse bajo tres aspectos:

Riesgos derivados de su dinámica.

Recursos que nos proporcionan.

Impactos que reciben por la acción antrópica.


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:

1. Relaciones causales simples

2. Relaciones causales complejas


Relaciones causales simples

RELACIONES SIMPLES ENCADENADAS: Son cambios en cadena positivos onegativos o de diferentes signos.

1. DIRECTAS O POSITIVAS: El cambio de una variable provoca un cambio enla otra del mismo signo. Si una aumenta la otra también.

Alcohol y Accidentes de tráficoPendiente – velocidad del agua

2. INVERSAS O NEGATIVAS: El cambio en una variable provoca un cambioen sentido inverso en la otra.

Uso de cinturón de tráfico y muertes en accidentesReforestación – erosión del suelo



PrecipitacionesCaudal de los

ríos+

Biomasa vegetalMateria orgánica+

ContaminaciónNúmero de

peces-

Biomasa vegetalImpacto de la

lluvia-


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

En las relaciones complejas, también llamados bucles deretroalimentación, las acciones de un elemento sobre otrosuponen que, a su vez, éste actúe sobre el primero(modificación de una variable como consecuencia de suspropios efectos). Pueden ser:

• Positivas

• Negativas

Relaciones complejas



Tala del bosque Erosión+

Cantidad suelo-

Vegetación Erosión-

Cantidad suelo-

Vegetación Erosión-

Cantidad suelo-

+

Cuando la última variable influye en la primera, se habla de “feed-back o retroalimentación

La variación de una variable en un sentido (aumento o disminución)produce un cambio de otra variable en el mismo sentido y ésta, a suvez, influye de la misma manera sobre la primera. Tienen una acciónde refuerzo sobre el proceso inicial.

Relaciones complejas positivas


a b c d

a – Investigaciónb – Desarrolloc – Biocombustiblesd- Alimentos

La variación de una variable en un sentido produce un cambio de otravariable en el mismo sentido y ésta, a su vez, influye sobre la primera ensentido opuesto. Tienen una acción reguladora y estabilizan los sistemas enlos que actúan (sistemas homeostáticos). Se consigue un estado deequilibrio dinámico.

Relaciones complejas negativas


A B

BUCLES DE REALIMENTACIÓN POSITIVA:

Una variable A influye sobre otra B y esta a su vez influye sobre la primera. Estoprovoca un crecimiento incontrolado del sistema y continuará mientras elentrono lo permita.

En un sistema encadenado puede haber relaciones negativas intermedias perosi son en número par el resultado final es positivo.


Población de

conejos

Daños al cultivo

Venenos

Zorros

Evapo-transpiración

PrecipitaciónBiomasa vegetal


Nuevas carreteras

Nuevos vehículos

Atascos

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


Depredadores Presas

__

+

Sistemas propositivos:

Son sistemas programados para un propósito determinado. Son por ejemplo losmodelos que se utilizan en la fabricación de los electrodomésticos o los queregulan el comportamiento de un organismo (Modelos cibernéticos).

Estos sistemas son muy adecuados para regular los sistemashomeostáticos, manteniendo el equilibrio.

La atmósfera y la biosfera también forman un sistema propositivo, ya que se autoregulan.


Cambios en los sistemas

Para estudiar los sistemas con comodidad empleamos los

modelos (estáticos o dinámicos).

Objetivos:

1. Reproducir el comportamiento del sistema y realizar

previsiones futuras.

2. Acotar límites (no se puede reproducir todo el sistema

mediante el modelo).

3. Comprobar el efecto de las perturbaciones (naturales o no) en

el comportamiento del sistema.


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


El sistema tierra y sus fuentes de energía

El sistema Tierra está formado por 4 subsistemas:

1. BIOSFERA: Es la cubierta de vida, es decir, el área ocupada por los seres

vivos

2. ATMÓSFERA: Envoltura de gases que rodea la Tierra

3. HIDROSFERA: Es la capa de agua que hay en la Tierra, en sus diferentes

formas, subterránea, superficial, dulce, salada, líquida, sólida

4. 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).



La Tierra es un SISTEMA ABIERTO respecto al intercambio deenergía:

• Recibe un flujo continuo de energía solar en forma deradiación electromagnética.

• Emite calor al espacio (en forma de radiación infrarroja)LaTierra es un SISTEMA que se AUTORREGULA: la temperaturamedia terrestre se ha mantenido constante durantemillones de años, en torno a los 15 ºC.

• La Tierra está formada por diferentes SUBSISTEMAS(atmósfera, hidrosfera, geosfera y biosfera) que nofuncionan de forma aislada, sino que interaccionan paraformar un todo conjunto.

Ejemplos de diagramas causales


Consumo de alimentos

Peso

Población

Prepararse para un examen

Oferta Demanda

Resultado del examen

Recursos per cápita

NACIMIENTOS POBLACION MUERTES

+ +

-+


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



?

Ej. PAU 2006 : En el texto aparecen una serie de términos(calentamiento, sequía, humedales, CO2) que configuran unbucle de retroalimentación. Dibuja el diagrama y razona si laretroalimentación es positiva o negativa.

Con el problema del calentamiento global, los científicos handicho que muchas en regiones se van a producir grandessequías. Muchos humedales están en peligro por la extracciónde agua para al agricultura y la selvicultura. Si se prolongacualquiera de estas situaciones, los humedales se secarían y esoproduciría un gran aumento de CO2 en la atmósfera queaceleraría el efecto invernadero. Si no protegemos loshumedales y si no ratificamos el protocolo de Kioto para evitarel aumento de la sequía, podemos tener cambios climáticosmucho más extremos que lo que hemos conocido hasta ahora,


MODELOS DE REGULACIÓN DEL CLIMA TERRESTRE

LA TIERRA COMO SISTEMA DE CAJA NEGRA


LA TIERRA COMO SISTEMA CAJA BLANCA


EL EFECTO INVERNADERO

Provocado por ciertos gases: vapor de agua, CO2, CH4, N2O.


EL 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.



Modelo funcionamiento del clima

Dos bucles antagónicos: Equilibrio dinámico

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.


VARIACIONES DE LA RADIACIÓN SOLAR

Excentricidad de la órbita Inclinación del eje Posición del perihelio


INFLUENCIA DE LA BIOSFERA

VIDA PRECÁMBRICO


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 02 atmosférico.

Formación de la capa de ozono.

Aumento del nitrógeno atmosférico


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.


Cantidad de agua

Vegetación

CO2 atmosférico

Efecto invernadero

Temperatura

+

++

__

__

http://images.google.es/imgres?imgurl=http://www.sierradebaza.org/reportajes/reportaje_eutrofizacion/img_oligotrofico.jpg&imgrefurl=http://www.sierradebaza.org/reportajes/reportaje_eutrofizacion/reportaje_esquema.htm&h=646&w=318&sz=34&tbnid=o0KutiETg6EJ:&tbnh=135&tbnw=66&hl=es&start=1&prev=/images?q=esquema+eutrofizaci%C3%B3n&svnum=10&hl=es&lr=&sa=N

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

Infiltración Escorrentía

Erosión


A) Los dos modelos presentan retroalimentación positiva. En ambos, unaperturbación produce cambios que amplían progresivamente los efectosde la perturbación.

B) Factores a tener en cuenta para el desarrollo de un modelo u otro: lacubierta vegetal previa al cambio en la precipitación, el tipo de suelos o lapendiente. Modo de actuación; por ejemplo: una escasa vegetaciónprevia provocará un aumento de erosión antes de que puedadesarrollarse la vegetación.

C) Dos medidas que favorecen al modelo A: reforestación, las prácticasagrícolas que favorezcan la infiltración y entorpezcan la erosión, o laadecuación del uso a cultivos que no dejen el suelo desnudo en época delluvia.


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