Upload
lehanh
View
228
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
UD 1: CONCEPTO DE MEDIO
AMBIENTE Y DINÁMICA DE SISTEMAS
Ciencias de la Tierra y Medioambientales
Cristina Martín Romera
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 las
Naciones Unidas para el Medio Ambiente Humano, Estocolmo 1972).
Atmósfera Hidrosfera Geosfera
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 propusieron erradicar los gatos porque cazaban aves excavadoras. La ausencia de los gatos hizo aumentar la población de conejos y su reproducción sin control destrozó las plantas nativas.
www.youtube.com/watch?v=MJwaiyfRG5U
Otra definición de medio ambiente
S
I
S
T
E
M
A
Conjunto de factores externos que influyen
sobre una entidad o sistema (ciudad, territorio,
país, tierra en su conjunto,….) Este es un
concepto más moderno de medio ambiente y su
estudio tiene que ser abordado desde un
enfoque de sistemas. Cuando tratamos de
estudiar nuestro medio ambiente nos
encontramos con que el objeto de estudio es
inseparable de nosotros mismos y que la
complejidad y la dinámica del sistema están
fuertemente influidas por la actividad humana.
¿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 espacial y temporal asequible y que podemos estudiar y manipular para tratar de comprender y predecir el comportamiento del sistema real. 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 debe permitir interactuar con el modelo para obtener conclusiones sobre su funcionamiento. Los modelos formales se pueden verificar comparándolo con la realidad; si coincide con las predicciones del modelo diremos que éste es adecuado, pero si no coincide tendremos 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.
Riesgos Ordenación del territorio Diseño de estructuras
Gradientes
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 C. negra
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.
B A
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
B A
• 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
Población Nacimientos +
• Crecimiento
descontrolado
del sistema
• Comportamiento explosivo desestabilización del sistema
+
+
Relaciones causales complejas
Bucles de realimentación negativa u
HOMEOSTÁTICOS
B A
• 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
Población Defunciones TM
• Son bucles estabilizadores u HOMEOSTÁTICOS
+
_ _
+
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)
Pasos a seguir para modelar un
sistema 1. 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