TEMA 1 El medio ambiente y la teoría de sistemas

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1 ÍNDICE TEMA 1 El medio ambiente y la teoría de sistemas Concepto de medio ambiente. Humanidad y medio ambiente Complejidad e interdisciplinaridad en las ciencias ambientales: La conciencia y la educación medioambiental Legislación medioambiental. Algunos aspectos de la legislación medioambiental en España y en la comunidad Valenciana Diferentes alternativas ante la problemática ambiental:... 3 a) Explotación incontrolada... 3 b) Conservacionismo a ultranza... 3 c) Desarrollo sostenible Uso del enfoque científico: Modelos (simplificación de la realidad) Tipos de modelos:... 7 Modelos mentales (subjetivos):... 7 Modelos formales o matemáticos:... 7 Modelo estático o descriptivo:... 7 Modelo dinámico o predictivo: (relaciones causales)... 7 Modelos simulados por ordenador: Teoría de sistemas Los cambios en los sistemas (modelos dinámicos) (predictivos) El medio ambiente como interacción de sistemas

2 TEMA 1 El medio ambiente y la teoría de sistemas 1.1. Concepto de medio ambiente. Humanidad y 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 sobre Medio Ambiente en Estocolmo 1972). (Ministerio de medio ambiente) Cualquier intervención en el medio natural, por puntual que este sea, arrastra tras sí, una serie de repercusiones en cadena sobre todos los componentes del medio ambiente, lo que se conoce como efecto dominó. Por ejemplo, si talamos los bosques para obtener madera, no solo agotaremos este recurso sino que además, estaremos provocando la erosión y deterioro del suelo, la disminución de los recursos hídricos, el aumento del CO 2 atmosférico y las alteraciones en la fauna. Ecología y medio ambiente a. Ecología: ciencia que estudia los seres vivos, pero fijándose en las relaciones entre ellos (biológicas) y con el medio (físicas) b. Medio ambiente: Podemos considerarlo por separado y de forma conjunta. medio : entorno; ambiente : conjunto de elementos físicos, químicos y biológicos del medio y de las relaciones que se establecen entre ellos. Medio ambiente : Sería la naturaleza física que envuelve a los organismos caracterizada por el conjunto de los elementos que la conforman y por las relaciones que se establecen entre ellos. c. Concepción antropocéntrica del medio: reconoce al ser humano como dominador del mundo natural (viviente o inerte) y contempla a la Naturaleza como un recurso a su servicio. Valores ambientales: Principios éticos a. Biocentrismo: es un término aparecido en los años 70 para designar a una teoría moral que afirma que todo ser vivo merece respeto moral. El biocentrismo pretende reivindicar el valor primordial de la vida. Es un modo de pensar que se contrapone al antropocentrismo (hombre dominador de la naturaleza) b. Solidaridad: Tiene en cuenta las necesidades de la sociedad humana actual (solidaridad sincrónica) y de las generaciones futuras (solidaridad diacrónica) c. Equidad: Implica un trato adaptado a las necesidades específicas de las sociedades humanas. No significa necesariamente igualdad ya que los problemas, las necesidades, las carencias y las culturas de las sociedades humanas no son iguales, un tratamiento igualitario de estos aspectos podría, paradójicamente, generar más diferencias. d. Globalidad: Adopción de una perspectiva general de la problemática ambiental en la búsqueda de soluciones, al tener en cuenta las interacciones entre los componentes del medio. La respuesta a cualquier problema local se plantea con una visión de conjunto y no con un planteamiento parcial. e. Sostenibilidad (preservable, mantenible, soportable): Tiene en cuenta la existencia de límites en la explotación de los recursos naturales y reconoce la necesidad de una gestión racional de éstos con el fin de evitar su agotamiento y salvaguardarlos para generaciones futuras. (aula de sostenibilidad, muy interesante) 1

3 1.2. Complejidad e interdisciplinaridad en las ciencias ambientales: Los seres vivos, los ecosistemas, el conjunto de la biosfera, la Tierra, el Universo, son sistemas complejos en los que se establecen infinidad de relaciones entre sus componentes. Cuando introducimos una modificación en uno de estos sistemas no es fácil predecir cuales van a ser las consecuencias. No son sistemas simples en los que cuando movemos una palanca podemos predecir el resultado con exactitud. Por esto, en el estudio de los problemas ambientales se unen muchas ciencias (Biología, geología, física, química y matemáticas, ingeniería, arquitectura, medicina, economía, derecho, religión, ética, política, (interdisciplinar), etc, aumentando la complejidad La conciencia y la educación medioambiental. El medio ambiente empezó a atraer la atención popular durante la década de los años 60 gracias al nacimiento de lo que se denominó conciencia ecológica o ambiental. El origen de este nuevo enfoque de las relaciones entre la humanidad y la Naturaleza, que cuestionaba la concepción antropocéntrica de dichas relaciones, se debió a diversos factores concurrentes en ese período de la historia de la Humanidad. El nacimiento de la conciencia ambiental En la década de los sesenta y setenta el movimiento ambientalista empezó a despertar, para adquirir especial fuerza en los ochenta. En estos años se formaron grupos de notable influencia política los "verdes" y los grupos ecologistas (Greenpeace) tuvieron un aumento espectacular en el número de socios y en los ingresos económicos. En estos años se han multiplicado la legislación, el empleo de lo verde como calificativo del consumo, de la publicidad, de la industria, los informes, las declaraciones y los acuerdos medioambientales Legislación medioambiental. Algunos aspectos de la legislación medioambiental en España y en la comunidad Valenciana. Legislación española Dentro de las normas y leyes españolas de interés ambiental destaca lo que se establece en el artículo 45 de la Constitución Española de 1978, que dice: 1ª. Todos tienen derecho a disfrutar de un medio ambiente adecuado para el desarrollo de la persona, así como el deber de conservarlo. 2ª. Los poderes públicos velarán por la utilización racional de todos los recursos naturales, con el fin de proteger y mejorar la calidad de vida y defender el medio ambiente, apoyándose en la indispensable solidaridad colectiva. 3ª. Para quienes violen lo dispuesto en el apartado anterior, en los términos que la Ley fije, se establecen sanciones penales o, en su caso, administrativas, así como la obligación de reparar el daño causado. Comunidades autónomas: El estado tiene competencia exclusiva en legislación básica sobre medio ambiente, pero se han ido concediendo competencias a las Comunidades Autónomas en muy diferentes materias. La finalidad de la normativa estatal es fijar un marco legal común para todas las Comunidades Autónomas que garantice el principio de igualdad entre los ciudadanos españoles. Son muy numerosas las Leyes, Reglamentos y Ordenes ministeriales que regulan aspectos ambientales. De especial interés es la figura del "delito ecológico" introducida en el Código Penal por vez primera en 1983 para castigar con penas de arresto y multas a las personas responsable de daños ambientales. 2

4 1.5. Diferentes alternativas ante la problemática ambiental: a) Explotación incontrolada b) Conservacionismo a ultranza c) Desarrollo sostenible a) La explotación incontrolada promueve un crecimiento económico sin tener en cuenta el medio natural. Sistema económico al margen del ecológico En este sistema económico se liberan muchos residuos y se producen otros impactos ambientales. Todos estos costes ambientales se denominan costes ocultos. Se denominan costes ocultos o ínsumos a unos gastos ambientales que no se suelen contabilizar en el precio de los productos y que provocan efectos nocivos en el medio ambiente, en la sociedad o en la salud (ej: la energía consumida durante la extracción, el procesado y transporte de los recursos, la contaminación generada durante su combustión y los impactos ambientales ocasionados) La explotación incontrolada de los recursos no permite mantener el crecimiento por un tiempo indefinido, porque provoca un deterioro del sistema ecológico del que, como vimos antes, depende toda actividad económica. (hoy en día se incluye el reciclado de electrodomésticos en el precio) b) Conservacionismo a ultranza. La disminución de las reservas de muchos recursos no renovables, la limitación de los renovables, como el agua, el número creciente de especies en peligro de extinción, la contaminación, etc. han llegado a convertirse en series amenazas. La conferencia para el medio ambiente Estocolmo (1972) puso de manifiesto que la única manera eficaz de abordar los problemas ambientales es desde un punto de vista global con la participación de todos los países de la Tierra y no mediante políticas aisladas. A los países ricos les preocupaba la contaminación debida a su industrialización y habían empezado a valorar que el ambiente natural favorece la salud. A los países pobres (o en vías de desarrollo) les interesaba desarrollarse económicamente para erradicar la pobreza de su creciente población y para paliar su ruina económica, debida a una siempre creciente deuda externa cada vez más cuantiosa. Se abrió una profunda brecha entre los países industrializados o ricos (Norte) y los no industrializados o pobres (Sur). Los países industrializados propusieron detener el desarrollo, es decir, el conservacionismo a ultranza, cuyo objetivo fue detener el avance económico para evitar daños en el entorno, proteger el medio ambiente y evitar la superpoblación y el agotamiento de recursos. Estas medidas eran fáciles para ellos, puesto que habían alcanzado unas elevadas cotas de desarrollo. Sin embargo, no interesaron en absoluto a los países pobres que luchaban por los recursos básicos con los que mantener a su ingente población y que demandaban un desarrollo económico, al estilo del Norte, para sus propios países. Hoy en día el conservacionismo a ultranza no convence prácticamente a nadie. 3

5 c) Desarrollo sostenible o sostenibilidad Según definición de la primera ministra noruega Gro Harlem: "desarrollo que satisface las necesidades de la generación presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer sus propias necesidades" Las dos palabras de las que se compone su nombre tratan de aunar el desarrollo económico de todas las naciones (desarrollo) con el cuidado del medio natural, para que pueda mantenerse para las futuras generaciones (sostenible). Un sistema sostenible es aquel que sobrevive y funciona a lo largo del tiempo. Para ello, los usos de los recursos o salidas nunca deben superar a sus entradas por regeneración (sistema en estado estacionario). La Tierra tiene una capacidad limitada de soportar los impactos humanos. Desarrollo y medio ambiente no deben de ser términos excluyentes Los niveles de la sostenibilidad: a) Sostenibilidad económica para evitar el agotamiento de los recursos económicos b) Sostenibilidad ecológica para preservar los ecosistemas naturales c) Sostenibilidad social, para velar por la salud y el bienestar humano Principios para alcanzar el desarrollo sostenible Los 5 primeros pretenden lograr la sostenibilidad económica y ecológica; el sexto, busca la sostenibilidad social 1. Principio de la recolección sostenible. Para que el uso de un recurso potencialmente renovable sea sostenible, la tasa de consumo de dicho recurso ha de ser igual o inferior a su tasa de renovación Que la tasa de consumo sea que la tasa de renovación 2. Principio de vaciado sostenible. Para que la explotación de un recurso no renovable sea sostenible, su tasa de vaciado por consumo ha de ser igual o inferior a la tasa de creación de nuevos recursos renovables que puedan sustituirlos cuando se agoten. Que la tasa de consumo sea que la creación de nuevos recursos 3. Principio de la emisión sostenible. La tasa de emisión de contaminantes ha de ser inferior a la capacidad de asimilación o reciclado natural de los mismos. Que la tasa de asimilación sea > que la emisión de contaminantes 4. Principio de selección sostenible de tecnologías. Se trata de favorecer el empleo de nuevas tecnologías más limpias y más eficientes, es decir, que se aumente la cantidad aprovechable por cada unidad de recurso empleado. 5. Principio de la irreversibilidad cero. El objetivo es actuar con precaución a fin de que se reduzcan a cero los impactos ambientales que puedan originar daños irreversibles en el entorno. Por ejemplo, una tierra desertizada es muy difícil de recuperar; una vez extinguida una especie ya se ha perdido para siempre. 6. Principio del desarrollo equitativo. Además de garantizar el desarrollo de las generaciones venideras hemos de conseguir una mejor calidad de vida de todos los habitantes del planeta: acceso a la sanidad, a la educación y a erradicar la pobreza, la marginación, las desigualdades y los conflictos sociales. 4

6 Empleo de indicadores ambientales Un indicador ambiental es una variable o estimación ambiental que aporta información sobre el estado o la evolución de un problema ambiental concreto con el fin de adoptar el tipo de medidas más adecuadas para abordarlo y paliarlo. Los objetivos de los indicadores ambientales son: a) Preservar los ecosistemas naturales: sostenibilidad ecológica b) Evitar el agotamiento de los recursos económicos: sostenibilidad económica c) Velar por la salud y el bienestar humano: sostenibilidad social. Tipos de indicadores (controladores del medio ambiente) (PER) 1. Indicadores de Presión (P). Reflejan la presión directa o indirecta que ejercen las actividades humanas sobre el medio ambiente. Por ejemplo, cantidad de emisiones de CO 2 a la atmósfera como resultado del empleo de los combustibles fósiles. 2. Indicadores de Estado (E). Describe los efectos, derivados de la presión concreta sobre la calidad del medio. Nos dan idea del impacto ambiental originado sobre el medio ambiente. Por ejemplo, aumento de la temperatura debido al incremento del efecto invernadero. 3. Indicadores de Respuesta (R). Indican el esfuerzo político o social en materia de medio ambiente. Sirven para marcar los objetivos y tomar decisiones sobre el estilo de explotación deseado (explotación incontrolada o desarrollo sostenible), a partir de la información extraída observando la realidad. Por ejemplo, la promulgación de leyes o medidas políticas para la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero. Biocapacidad (BC) y La Huella Ecológica (HE) y Balance ecológico La biocapacidad es la superficie de tierra disponible para un determinado nivel de producción y se expresa en unidades de hectáreas globales. Se estima en 1,8 hectáreas globales por habitante y año. Cálculo: 11,2 miles de millones de hectáreas : 6,3 miles de millones de habitantes = 1,8 hectáreas por habitante y año La huella ecológica (es un indicador útil (P) (Presión) (para evaluar el impacto humano sobre el planeta) La huella ecológica es el área de territorio (valorada en hectáreas) ecológicamente productivo (cultivos, pastos, bosques o ecosistemas acuáticos) necesaria para producir los recursos utilizados y para asimilar los residuos producidos 1 por una población definida con un nivel de vida específico indefinidamente, donde sea que se encuentre esta área W. Rees y M. Wackermagel (Ha / Hb / año) Es una forma sencilla y comprensible de evaluar si nuestro actual consumo de recursos es o no sostenible. El Fondo Mundial para la vida silvestre (WWF) define huella ecológica como una medida del impacto ambiental total generado por una determinada población sobre el medio ambiente. La huella ecológica se puede calcular de forma individual, para el conjunto de un país o para todos los habitantes de la Tierra. Mide tu huella ecológica: El valor medio de la huella ecológica a nivel mundial fue estimado en 2003 en 2,2 hectáreas por habitante y año: Teniendo en cuenta que ese mismo año la cifra de habitantes del planeta alcanzó los 6,3 miles de millones y que el área productiva total de la Tierra se estima en unos 11,2 miles de millones de hectáreas, cabe deducir que la capacidad ecológica de la Tierra (o biocapacidad BC) es de 1,8 hectáreas globales por habitante y año. Esto significa que ya hemos sobrepasado su capacidad de carga en 0.4 hectáreas por habitante. (11,2 : 6,3 = 1,8 hectáreas) (Ha / hb). Un planeta sería 1,8 (variable) 1 Para que se desarrolle la vegetación necesaria para absorber todo el CO2 emitido a la atmósfera debido a la quema de combustibles fósiles 5

7 1,8 = 1 planeta, Ahora estamos en 2,2 es decir 0,4 por encima de su biocapacidad Relación entre la huella ecológica total y la biocapacidad de la Tierra (cuyo valor es siempre 1), expresada en número de planetas necesarios. Se observa que la humanidad ha pasado de utilizar la mitad de la biocapacidad planetaria en 1961 a requerir 1,25 planetas en 2003, con un déficit ecológico global de 0,25 planetas ( La precisión matemática de la huella ecológica es escasa, pues se basa en datos poco exactos, ya que la cantidad de suelo productivo depende del clima o de la fertilidad del suelo. La huella ecológica resulta útil para la concienciación ciudadana. Balance ecológico: la diferencia entre biocapacidad y huella ecológica puede dar un excedente de recursos (BCHE>0) o un déficit ambiental (BCHE<0). Para el cálculo de la biocapacidad se requiere conocer la extensión de las tierras en producción y las que aún están desocupadas, con su rendimiento por unidad de área Uso del enfoque científico: Modelos (simplificación de la realidad). Un científico, para comprender la realidad compleja que observa a través de su macroscopio necesita elaborar una representación de ella, es decir, debe inventar un modelo que permita estudiar el comportamiento de un fenómeno real y predecir sus cambios en función del tiempo Teoría o modelo reduccionista (analítico): Los fenómenos complejos se explican mejor en términos de sus elementos más simples. Sus defensores mantienen que solamente cuando se conoce la totalidad de los elementos que participan en un proceso, es posible prever su resultado. El enfoque reduccionista consiste en analizar, es decir, en dividir o fragmentar el objeto de nuestro estudio en sus componentes más simples y observarlos por separado (el árbol del bosque). Este es el procedimiento utilizado en el método científico, que fue válido hasta que se enfrentó a problemas complejos, en los que las partes tenían grandes interacciones entre ellas (Ej: un organismo vivo). En estos casos, el estudio detallado de cada una de las piezas, no nos sirve para comprender su funcionamiento como un todo (estudiar los componentes de un reloj, orgánulos celulares). Teoría o modelo holístico (sintético): En este caso sus partidarios opinan que es posible predecir el resultado de un proceso complejo aunque no se conozcan la totalidad de los componentes que en él intervienen (estudio del bosque globalmente, sin los árboles) Se trata de estudiar el todo o la globalidad y las relaciones entre las partes que lo constituyen sin detenerse en los detalles. Con este enfoque, se ponen de manifiesto las propiedades emergentes, que surgen como resultado del comportamiento global y de las relaciones entre todos los componentes. Estas propiedades no resultan evidentes en el estudio de las partes por separado. Por ejemplo, al estudiar las partes de un ser vivo por separado, no consideramos la vida, que es una propiedad emergente, lo mismo que las piezas del reloj por separado no tienen la propiedad de determinar la hora, sin embargo, el reloj montado como un todo si. Modelo: Se define como una simplificación de la realidad que imita los fenómenos del mundo real, de modo que pueden comprenderse las situaciones complejas y pueden hacerse predicciones. La realización de un modelo supone eliminar los detalles que no consideramos relevantes para el asunto que nos ocupa. Ej.: Modelo: Movimientos: Sol Luna Tierra acelerando los procesos. 6

8 Un modelo no es una realidad, sino una simplificación de la misma; y el modelo no es aplicable fuera del entorno para el que fue formulado (no podemos guiarnos por una carretera con un mapa geológico). El diseño de los modelos depende la subjetividad del que los diseña. Por ejemplo el modelo de un lago será diferente si el observador es un físico, un campesino, un biólogo, un geólogo o un campista Tipos de modelos: Modelos mentales (subjetivos): A través de ellos interpretamos el mundo real, es tan natural que no nos percatamos de ello, de manera que en algunos casos hay personas que confunden dichos modelos con la propia realidad. Diferentes percepciones Diferentes modelos Paisaje: para un arquitecto, para un deportista, para un artista. Modelos formales o matemáticos: Consistirá en una o más relaciones matemáticas (ecuaciones) que asocien las variables de dicho modelo entre sí. Las leyes de la física no son sino modelos matemáticos, que los físicos están de acuerdo en admitir como una aproximación lo suficientemente buena del mundo real. Su importancia radica en que pueden establecer predicciones con la exactitud necesaria (por ejemplo, controlar la puesta en órbita de un satélite espacial con la precisión adecuada). La diferencia fundamental entre modelos mentales y matemáticos (formales) es la forma en que conseguimos la información. Para elaborar los primeros solo necesitamos pensar; para diseñar los matemáticos utilizamos cálculos. Modelo estático o descriptivo: Son representaciones de los rasgos relevantes de una realidad. Ej. Representación cartográfica de la distribución de las reservas conocidas de hidrocarburos naturales. (en ese año o momento) Modelo dinámico o predictivo: (relaciones causales) Tienen como objetivo prever los efectos de una acción o el desarrollo de un proceso en el tiempo, como, por ejemplo, calcular cuándo se podrían agotar los hidrocarburos naturales teniendo en cuenta las reservas actuales conocidas, los índices de éxito de las prospecciones y las tendencias en la demanda. Modelos simulados por ordenador: Cuando intervienen muchas variables, puede resultar muy difícil elaborar modelos matemáticos por lo que se recurre a modelos simulados por ordenador Teoría de sistemas Definimos sistema como un conjunto de elementos (VARIABLES) que se relacionan (interaccionan) (FLECHAS) entre sí para llevar a cabo una o varias funciones. Al analizar un sistema no nos interesan los detalles de las partes o componentes, sino las relaciones existentes entre ellos, a partir de las cuales obtendremos su funcionamiento global. Ej.: Una mujer: piensa en cuidarlo, limpiarlo.. gato Un campesino: piensa en utilizarlo para cazar ratones Sistema coche (elementos: ruedas, ejes, bujías, filtros, puertas, volante...) Sistema charca (elementos: ranas, aves, hojas, ramas, suelo, luz...) Sistema ordenador (elementos: microprocesador, teclado, ratón, pantalla...) 1) Modelos de sistemas de caja negra: Podemos considerar un sistema como si fuera una caja dentro de la cual no queremos mirar, ya que nuestro interés se centra únicamente en ver cómo son las relaciones con otros sistemas. Trata de analizar los flujos de materia, energía e información que entran y salen de él, es decir las entradas y las salidas. Ej: fotosíntesis y respiración celular (situar entradas y salidas sin explicar el proceso) Entradas SISTEMA Salidas 7

9 Tipos de sistemas de caja negra (tres modelos) Abiertos: Se producen entradas y salidas de materia y energía. Ej. En una ciudad entran energía y materiales, sale energía en forma de calor y materia en forma de desechos y productos manufacturados. Es el más cercano a la realidad ambiental ya que su frontera permite todo tipo de intercambios (materia, energía, información). En la realidad, la inmensa mayoría de los sistemas son abiertos; sin embargo, podemos considerarlos como modelos cerrados o aislados para facilitar su estudio. E E Ej.: La ciudad, un ser vivo, sistema urbano, lago M M Cerrados: Su frontera admite únicamente el intercambio de energía con su entorno pero impide cualquier otro tipo de intercambio (materia, información). En este caso hay un aislamiento parcial del sistema con respecto al entorno. Por ejemplo, en una charca entra energía solar y sale calor, pero la materia se recicla. La Tierra puede ser considerada como un sistema cerrado (aunque existe cierto grado de intercambio de materia con el entorno pero en cantidades despreciables). E E Ej.: Charca: Entra energía del Sol y sale calor, pero la materia se recicla Aislados: Su frontera impide cualquier tipo de intercambio (materia, energía o información) entre el sistema y su entorno. No hay ningún sistema aislado, pero se pueden modelar de esta manera, ya que es más fácil su manejo matemático EM Ej.: Sistema solar y sus planetas. La energía en los sistemas: Cualquier modelo caja negra que diseñemos habrá de cumplir los principios de la termodinámica, que son los que determinan los intercambios de materia y energía. 1ª Ley de la termodinámica. conservación de la energía Ya sabemos que la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma. Por ello, en todo sistema que diseñemos: Energía entrante = energía almacenada energía saliente 2ª Ley de la Termodinámica: La Entropía ( desorden ). Cuando no se utiliza la energía aumenta el desorden. Podemos decir que es una medida del grado de desorden de un sistema. Se llama entropía a la magnitud termodinámica que mide la parte no utilizable de la energía contenida en un sistema. La 2ª ley establece, que en cada transferencia, la energía se transforma y suele pasar de una forma más concentrada y organizada a otra más dispersa y desorganizada (no ocurre así en las cadenas energéticas). En consecuencia aumenta la entropía. Ej: Un río posee una baja entropía en el curso alto y, por tener una elevada energía potencial (Ep = m g h, considerando en este modelo la masa constante), podrá desempeñar un trabajo: erosión y transporte. A medida que el río desciende hacia el mar, su altura respecto al nivel del mar disminuirá, por lo que su energía potencial se irá reduciendo y su entropía irá aumentando hasta alcanzar su valor máximo en la desembocadura (cuando el río ha consumido toda su energía potencial y se produce exclusivamente sedimentación) Cuanto mayor orden exista, más concentrada estará la energía y más baja será la entropía. Por el contrario, si hay un mayor desorden, la energía estará más dispersa y la entropía será más elevada. El mantenimiento del orden necesita de un aporte de energía. La tendencia natural del universo es hacia un estado de máxima entropía, el máximo desorden. Sin embargo, los seres vivos nadan contra corriente, oponiéndose a esa tendencia porque son sistemas ordenados, y es ahí donde reside la clave de la vida: en conseguir mantener una baja entropía interior degradando azúcares en la respiración (utiliza energía), a base de expulsar al entorno moléculas (CO 2, y vapor de agua) de elevada entropía y calor. Se trata pues, de un sistema abierto que rebaja su entropía a costa de aumentar la del entorno. 8

10 Un sistema tiende a aumentar su entropía, es decir su grado de desorden, a no ser que esté recibiendo energía desde fuera que le permita mantener el orden. Ej.: habitación desordenada (hay que gastar energía para ordenarla). Los organismos vivos y los ecosistemas son sistemas que se mantienen ordenados con el paso del tiempo porque están constantemente recibiendo energía. Esto se hace a costa de aumentar el desorden general del Universo que es el que aporta la energía. Lo mismo ocurre en las cadenas energéticas que sirven para concentrar la energía, ya que, para conseguirlo, han de consumir energía. En la figura podemos ver una serie de transformaciones cuyo resultado final es la concentración de la energía (y la rebaja de su entropía) desde la solar, muy diluida, hasta la eléctrica, la más concentrada y la que posee una mayor capacidad para desempañar un trabajo. 2) Modelos de sistemas de caja blanca: Cuando observamos los subsistemas que existen en el interior de un sistema nos estamos basando en un enfoque de caja blanca, ya que pasamos a observar y analizar su contenido. A B Entradas C D E Salidas Ej: El sistema hormiguero : Caja negra (hormiguero) Caja blanca hormiguero reina machos obreras Caja negra (Reina) Caja blanca Reina fisiología comportamiento anatomía Podemos estudiarlo como caja blanca, sus variables serían las castas (reina, obreras y machos), que se relacionan entre ellas. De esta manera, cada casta constituiría un sistema caja negra perteneciente al sistema hormiguero. Posteriormente, cada una de las castas se podrá modelar como caja blanca, sus variables serán las hormigas (caja negra) que pertenezcan a ella. Pero a su vez, cada hormiga podría constituir un modelo caja blanca, si estudiamos su anatomía y fisiología. 9

11 1.9. Los cambios en los sistemas (modelos dinámicos) (predictivos) Representación gráfica de un sistema de caja blanca. Relaciones causales. Lo primero que hay que hacer es marcar las variables que lo componen y unirlas con flechas que las relacionen entre sí. La representación de todo ello, variables y flechas, es un diagrama causal. Cada una de las variables se puede considerar como un susbsistema del inicial y se puede diseñar como sistema de caja negra o caja blanca. 1) Relaciones causales simples: representa la influencia directa de una variable sobre otra, bien por causa y efecto o por alguna correlación entre ellas. Las relaciones simples pueden ser directas, inversas o encadenadas. a) Directas o positivas: Son aquellas en las que el incremento o disminución de A causa un incremento o disminución de B, respectivamente. Se indicará mediante un signo () sobre la flecha. A aumenta aumenta B Lluvia aumenta Caudal aumenta A disminuye B disminuye Masa vegetal disminuye Materia disminuye b) Inversas o negativas: Son aquellas en las que el incremento de A implica la disminución de B o viceversa. Se indicará mediante un signo () sobre la flecha. A aumenta B disminuye Masa vegetal aumenta Impacto gotas disminuye A disminuye B aumenta contaminación disminuye Vida aumenta c) Encadenadas: En estas relaciones el número de variables es mayor de dos, y se leen de forma independiente, dos a dos: cuando A aumenta, B disminuye; cuando B disminuye, C disminuye. Para simplificar podemos reducirlas a una sola relación, contando el número de relaciones negativas existentes. Si es par, la relación resultante será positiva. Si es impar, la relación será negativa. A B C aumenta disminuye disminuye A Tala erosión Suelo Tala 10 C Suelo

12 2) Relaciones causales complejas: (Bucles de realimentación o retroalimentación). Son relaciones de causalidad circulares o también llamadas bucles de retroalimentación. Tienen un papel importante en la autorregulación del sistema ya que dan lugar a procesos circulares en los que parte de las consecuencias del comportamiento del sistema (salidas, outputs o respuestas) son transmitidas como flujos de información al origen del proceso (entradas, inputs o estímulos). Parte de las consecuencias se remiten al origen. Bucle de Realimentación positiva: Las realimentaciones positivas se establecen en las cadenas cerradas que tienen un número par de relaciones negativas. O todas sus relaciones son positivas. Crecimiento desbocado Bucle de Realimentación negativa. Estabilizador de sistemas Las realimentaciones negativas se establecen en las cadenas cerradas que tienen un número impar de relaciones negativas. Se indican con un signo positivo o negativo dentro de un círculo situado en el centro de la relación. Bucle de realimentación positiva: Ej.: Crecimiento de una población Bucle Realimentación positiva es aquella según la cual al aumenta A aumenta B y viceversa. La causa aumenta el efecto y el efecto aumenta la causa. Población (A) TN (tasa natalidad) (B) Puede expresarse de dos maneras: Se trata de un crecimiento desbocado que crece descontroladamente presentando un comportamiento explosivo que desestabiliza los sistemas. La evolución temporal de la población o trayectoria es el resultado matemático y se representa mediante la curva conocida como exponencial o curva en J a) Curva continua (variable continua) N =nº de individuos Curva exponencial en "J" N t 1 = N 0 e TN t t = tiempo en años N = nº individuos en cualquier momento N 0 = nº individuos en tiempo cero t = tiempo en años TN = tasa de natalidad en tanto por uno (nº de individuos que nacen por cada uno existente). PUNTOS UNIDOS: Puede determinarse el número de individuos en cualquier momento. Es una fórmula de difícil manejo, aunque permite determinar el nº de individuos en fracciones de año. b) Variable discreta (no toma todos) N =nº de individuos No es una curva exponencial, y es por ello, que no deberían unirse N t 1 = N t N t TN tiempo en años PUNTOS AISLADOS: No existen valores intermedios. Esta fórmula es más fácil de manejar pero no nos permite determinar el nº de individuos en fracciones de año (ej. 11,3 años). N t = nº de individuos que hay en t años. La población de cada año es igual a la población del año anterior más los nacimientos, es decir, más el producto de la población del año anterior por la tasa de natalidad (TN) (en tanto por uno) Ej.: Altavoz y micrófono: Se produce una realimentación 11

13 Bucle de realimentación negativa u homeostáticos. Ej: Tasa de mortalidad de una población = TM La realimentación negativa sirve de contrapunto al bucle de realimentación positivo, y es el estabilizador de los sistemas. Bucle Población (A) Defunciónes (B) TM Realimentación negativa se da en los casos en que al aumentar A aumenta B, pero el incremento de B hace disminuir a A. a) Curva contínua Trayectoria exponencial decreciente B) Variable discreta (aislada) Decreciente que llevaría a la población al colapso (a la extinción de alguna especie) N = nº individuos N = N 0 e TM t N t 1 = N t N t TM t = tiempo en años Ej.: Termostato calefacción. (a ; y a ; ) Piloto automático, ABS,... N = nº individuos t = tiempo en años Si la temperatura ambiente es menor que la establecida, encenderá la calefacción, pero si es mayor, la desconectará. Lo normal es que el sistema esté regulado por ambos bucles, el de nacimientos y el de muertes. Un bucle impulsa () mientras que el otro () establece el control. 12

14 Población TN (tasa natalidad) Población TM (tasa mortalidad) Los sistemas que se equilibran en un cierto estado mediante la existencia de uno o más bucles de realimentación negativa se conocen con el nombre de sistemas homeostáticos TN (tasa natalidad) Población TM (tasa mortalidad) Llamamos potencial biótico al resultado combinado de ambos bucles, obtenido mediante la resta: r = TN TM (1) El crecimiento anual de la población se determina mediante la fórmula: N t1 = N t N t TN N t TM o lo que es lo mismo, sacando factor común: N t1 = N t (1 TN TM) y sustituyendo por (1) N t1 = N t (1 r) lo que significa que la población de cada año es igual a la del año anterior por el potencial biótico más uno. Pueden ocurrir tres casos: Si r = 0 Crecimiento 0 (nacimientos = muertes) Si r > 0 la población crecerá (el bucle vencerá) Si r < 0 la población decrecerá (el bucle negativo vencerá) r > 0 Población r = 0 r < 0 tiempo El crecimiento y decrecimiento de la población son exponenciales aunque el crecimiento exponencial es poco realista, ya que la población no podrá crecer de forma indefinida. Siempre existirá una limitación (alimentos, espacio, etc), dando como resultado la curva sigmoidea o logística 13

15 CURVA SIGMOIDEA o logística Cuando una población coloniza un nuevo espacio o aumentan sus recursos alimenticios, comienza con un potencial biótico elevado (mayor que cero); posteriormente, existirá una limitación (los alimentos o el espacio), ya que son finitos, y por tanto aumentarán significativamente las defunciones, reforzando el bucle de realimentación negativo, hasta que ambos bucles se igualan y se establece el crecimiento cero. Población límite o capacidad de de carga limitación espacio, alimentos r > 0 colonización r = 0 crecimiento cero Tiempo Pasos a seguir para modelar un sistema: 1. Formación de un modelo mental (formulación de hipótesis y elección de variables) 2. Diseño de un diagrama causal (realizar el diagrama causal con la flechas y variables y validar su funcionalidad) 3. Elaboración de un modelo formal o matemático (realizar un modelo de Forrester 2 ) 4. Simulación de diferentes escenarios 2 El Diagrama de Flujos, también denominad Diagrama de Forrester, es el diagrama característico de la Dinámica de Sistemas. Es una traducción del Diagrama Causal a una terminología que facilita la escritura de las ecuaciones en el ordenador. Básicamente es una reclasificación de los elementos. 14

16 1.10. El medio ambiente como interacción de sistemas Superficie cubierta de hielo Albedo Temperatura Este sistema es exponencial creciente. Tendrá que aparecer una variable que lo estabilice. Polvo atmosférico % de luz reflejada por la Tierra (suelo, agua, hielo, nieves, nubes) Albedo Efecto invernadero Nubes Albedo % de luz reflejada por la Tierra (suelo, agua, hielo, nieves, nubes) Temperatura Concentración de gases de efecto invernadero Efecto invernadero Nubes Radiación incidente Temperatura Superficie helada Albedo Tecnología Necesidades Recursos Impactos Recursos: para solucionar un problema 15

17 Cambio climático Recursos TN (tasa natalidad) Nacimientos Población TM (tasa mortalidad) Defunciones Herramientas Alimentos Población (1) Dinero (1) Global Respiración Concentración CO 2 atmosférico Temperatura atmosférica Fotosíntesis Combustibles fósiles Presa Depredador 16

18 Materia orgánica disuelta descomponedores Contaminación Crecimiento del fitoplancton Mortalidad por agotamiento de nutrientes Nutrientes inorgánicos disueltos Aumento de los descomponedores Condiciones anóxicas (falta de oxígeno) Mortalidad de organismos aerobios PN = PB respiración Producción bruta Respiración Biomasa Producción neta Radiación solar Productores Herbívoros Descomponedores Carnívoros 17

19 Inmigración Emigración Escasez Cambios de clima Catástrofes TN TM Población Depredadores Hacinamiento (aglomeración de población) Enfermedades Tasa de natalidad de la presa TNP Presa Encuentros Tasa de natalidad del depredador TND Depredador Tasa de mortalidad de la presa TMP Tasa de mortalidad del depredador TMD Erosión TNH Hospedante Encuentros Parásito TMH Aridez 18 Suelo Retención hídrica TNP TMP

20 TMD1 Depredador 1 (D1) TND1 TND2 Depredador 2 (D2) Encuentros 1 Encuentros 2 TMD2 TMP Presa TNP Contaminación atmosférica Contaminación sonora Hacer ejercicios a la inversa con variables. Población Demanda energética Tala Bosque Erosión (1) Pobreza Alimentos Pobreza: no se establece el control de natalidad Selectividad Junio 2000 Tráfico Uso del estiércol como combustible decibelios Variables: Gota fría Masa de aire caliente y fría lluvia Inundaciones Variables: Agujero de la capa de Ozono CFCs Frigoríficos y sprays Cáncer de piel Variables: Tabaco Enfisema pulmonar cáncer de pulmón esperanza de vida fumador Variables: Alcohol cirrosis drogas accidentes de tráfico multas muertes Estiércol como abono agricultura (1)Global Suelo Problemas metropolitanos 19