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1 Unidad 1. Concepto de medio ambiente y teoría de sistemas 1. CONCEPTO DE MEDIO AMBIENTE. INTERDISCIPLINARIEDAD DE LAS CIENCIAS AMBIENTALES Medio ambiente es el conjunto de factores 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. (Definición de la Conferencia de las Naciones Unidas sobre Medio Ambiente en Estocolmo 1972). Los problemas ambientales han pasado a ser protagonistas de la vida social y política en estos últimos decenios y conocerlos bien, con rigor científico, es una necesidad para cualquier ciudadano. Precisamente el gran interés por los problemas ambientales - que estudiaremos con detalle en este curso -, nos ha hecho entender la importancia de tener una visión global de la Tierra. 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. Se sabe que cualquier intervención en el medio natural, por puntual que esta sea, arrastra tras de sí una serie de repercusiones en cadena sobre todos los componentes del medio ambiente, lo que se conoce como efecto dominó. En cualquier problema ambiental intervienen tantos factores, que su estudio es interdisciplinar hay que acudir a las ciencias (biología, geología, física y química) y las ingenierías, a la sociología, la ética, la religión y la política, a la geografía y la economía, al derecho, la medicina y la psicología para enfrentarse con él adecuadamente. 2. USO DE UN ENFOQUE CIENTÍFICO: REDUCCIONISMO Y HOLÍSMO El modo de trabajar de los científicos se denomina método científico, y comprende una serie de etapas que se repiten sistemáticamente; de esta manera la Ciencia pasa a ser un proceso en continuo avance y abierto a revisiones en el que no hay ningún tipo de dogma. A la hora de enfrentarse al estudio de un fenómeno o proceso, los científicos pueden actuar de dos maneras: Con un enfoque reduccionista (método analítico), que consiste en dividir el objeto de estudio en sus componentes más simples. Se pretende conocer el todo mediante el estudio detallado de cada una de sus partes. La ciencia clásica ha sido fundamentalmente reduccionista, y este enfoque ha sido muy eficaz, especialmente en Física. Sin embargo, en disciplinas que se ocupan ¿Qué se entiende por 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 vivientes y las actividades humanas (Congreso de Estocolmo, 1972). 2 del estudio de objetos o procesos complejos (seres vivos, sistemas sociales, ecosistemas, etc.), pronto se vio que era insuficiente. En estos casos, tan importante como la disección y el análisis resultaba la integración y la síntesis. Se hizo necesario un enfoque holístico (método sintético, de unir), donde el estudio por separado de las partes es tan importante como las relaciones entre ellas. Esta visión no era nueva, ya había sido enunciada por Aristóteles: «el todo es más que la suma de las partes». El enfoque holístico proporciona la posibilidad de estudiar las llamadas propiedades emergentes que surgen a partir de las interacciones entre las partes. Estas propiedades no están presentes en las partes por separado (por ejemplo, la vida es una propiedad emergente que surge de las interacciones entre las partes de un ser vivo). 3. SISTEMAS Y DINÁMICA DE SISTEMAS Sistema es un conjunto de partes operativamente interrelacionadas, es decir, en el que unas partes actúan sobre otras, y del que interesa considerar fundamentalmente el comportamiento global. De acuerdo con la definición anterior, un sistema es más que la suma de sus partes porque de las relaciones entre sus componentes resulta un nuevo ente con nuevas propiedades (emergentes) inexistentes en los componentes desagregados del sistema. Así, por ejemplo, la sal común es más que el cloro y el sodio que la constituyen y presenta propiedades nuevas que no están en éstos. Otros ejemplos de sistemas son: el cuerpo humano, una fábrica, un instituto, un ecosistema, el medio ambiente. Para estudiarlos se utiliza el enfoque holístico, que implica unos conocimientos relacionados con varias ciencias vistas desde una perspectiva integradora, y una metodología conocida como teoría de sistemas dinámicos o dinámica de sistemas, basada en observar y analizar las interacciones existentes entre las partes de nuestro objeto de estudio, recurriendo al uso de modelos. Un sistema es un conjunto de partes o elementos organizadas y relacionadas que interactúan entre sí. Cada sistema existe dentro de otro más grande, por lo que puede estar formado por subsistemas o partes y, a la vez, puede ser parte de otro mayor o supersistema NOCIÓN DE SISTEMA DINÁMICO La característica fundamental que interesa considerar es la evolución del sistema en el tiempo. Para ello es necesario determinar y estudiar las interacciones que permiten observar esa evolución utilizando modelos. 3 4. USO DE MODELOS Un modelo es una versión simplificada de la realidad. Su uso no es nuevo y es más frecuente de lo que imaginamos. Así para guiarnos por una carretera utilizamos unos modelos: los mapas. Al diseñar un modelo, hay que hacer simplificaciones eliminando los detalles irrelevantes para nuestro objetivo. Por eso un mismo sistema se puede representar mediante muchos modelos, según la parcela concreta de la realidad que nos interesa estudiar. La realidad que se representa en los modelos, tiene aspectos que se pueden medir. A éstos los llamamos variables. Los sistemas reales se pueden representar mediante modelos de sistemas, que para abreviar, también se llaman sistemas. Existen sistemas caja negra y caja blanca. 4.1. MODELOS DE SISTEMA CAJA NEGRA Un sistema 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, es decir, en sus interacciones con el entorno. Según que clase de intercambios se produzcan entre el sistema y el entorno, se distinguen tres tipos de sistemas caja negra: • Sistemas abiertos. Intercambian materia y energía. Por ejemplo una ciudad, entran energía y materiales, sale energía en forma de calor y materia en forma de desechos y productos manufacturados. • Sistemas cerrados. Sólo intercambian energía. Ejemplo una charca entra energía solar y sale calor, pero la materia se recicla. • Sistemas aislados. No intercambian materia ni energía. Por ejemplo el Sistema Solar Cualquier modelo caja negra que diseñemos tiene que cumplir las leyes de la termodinámica, que son las que regulan los intercambios de energía. La primera ley, “ley de la conservación de la energía”, dice que la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma. Por lo tanto, será necesario que al estudiar un sistema tengamos en cuenta que la energía entrante debe ser igual a la energía almacenada en el sistema más la energía que salga. La segunda ley dice que todos los intercambios que se realizan en un 4 sistema se producen aumentando la entropía (es un concepto físico que mide el grado de desorden de un sistema). 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 su orden. En realidad, que suceda esto es muy lógico, porque las cosas están ordenadas cuando ocupan una sola de las muchas posiciones en las que pudieran situarse y, en cuanto se muevan será muchomás probable que queden en otro sitio cualquiera. Los organismos vivos y los ecosistemas son sistemas que tienden a ordenarse según su estilo, para lo cual precisan energía. 4.2. MODELOS DE SISTEMAS CAJA BLANCA Cuando observamos el interior de un sistema, nos estamos basando en un enfoque de caja blanca. Para el estudio de la realidad a través de este tipo de modelos, se suelen identificar las variables que lo componen y, para representar las interacciones entre ellas, se dibujan flechas que las relacionen entre sí y que simbolicen las interacciones. Su representación, variables y flechas, forma un diagrama causal. 4.2.2. Diagramas causales Son representaciones que muestran el comportamiento de un sistema dinámico, simbolizando mediante flechas las relaciones e interacciones entre las variables del mismo. Eso nos permite conocer la estructura de un sistema dinámico y su posible evolución. Las relaciones entre las variables de un sistema dinámico pueden ser simples o complejas. 4.2.2.1. Relaciones simples Representan la influencia de un elemento sobre otro. Pueden ser: Directas, son aquellas en las que “el aumento de A causa un aumento de B” y “una disminución de A causa una disminución de B”, las variables se mueven en el mismo sentido y se indican mediante un signo (+). Inversas, son aquellas en las que “el aumento de A implica la disminución de B, o viceversa”, se indican con el signo (-). Encadenadas, se producen entre más de dos variables. Para simplificar, podremos reducirlas a una sola relación, contando el número de relaciones negativas existentes. Si es par, la relación resultante es positiva y si la suma de relaciones negativas es impar, la relación resultante es negativa. 5 4.2.2.2. Relaciones complejas Son las acciones de un elemento sobre otro que implican, a su vez, que este último actúe sobre el primero, es decir se trata de una relación causal que se cierra sobre sí misma. Se conocen como bucles de realimentación o de retroalimentación, y pueden ser positivos o negativos: - Bucles de retroalimentación positiva. “Al aumentar la variable A aumenta B y el incremento de B hace aumentar A”: la causa aumenta el efecto y el efecto aumenta la causa. Por ese motivo se trata de un crecimiento desbocado. - Bucles de retroalimentación negativa (feed-back). “Al aumentar la variable A aumenta B, pero el incremento de B hace disminuir a A”. Este tipo de bucles tiende a estabilizar los sistemas. 5. LA TIERRA COMO UN GRAN SISTEMA: INTERACCIÓN ENTRE LOS SUBSISTEMAS Utilizando un enfoque caja negra, podríamos considerar nuestro planeta como un sistema cerrado (intercambia energía con el exterior pero no materia); recibe un flujo de energía constante, la radiación electromagnética solar, y emite al espacio exterior energía, la radiación terrestre infrarroja. Este flujo de energía sostiene al ciclo de materia. Dentro del “sistema Tierra” se consideran cuatro subsistemas:, atmósfera, hidrosfera, geosfera y biosfera. (algunos autores consideran los hielos, la criosfera, como un subsistema independiente de la hidrosfera). Todos son abiertos, cada uno de ellos intercambia con los otros materia y energía. Por esto constituyen sistemas interrelacionados, interactúan, se relacionan estableciendo un equilibrio dinámico de manera que el cambio en uno de ellos repercute en los demás; cualquier alteración en uno de ellos tienen la capacidad de modificar a todos los demás. No son entidades aisladas sino que funcionan como un todo, interaccionando en un conjunto complejo. A B Gráficas que explican el comportamiento conjunto que se obtiene cuando un sistema presenta en su estructura varios bucles: uno de retroalimentación positiva y otro de realimentación negativa. Se trata de un proceso de crecimiento de una determinada población cuya tasa de crecimiento neto es positiva y depende, de la población existente, mediante un bucle de realimentación positiva (cuanto mayor es la población mayor es el crecimiento, por lo que mayor es la población que se alcanza, y así sucesivamente. Por otra parte, la tasa de crecimiento neto está afectada por la posibilidad de que si la población ha alcanzado un nivel elevado se produzcan conflictos o tensiones (por agotamiento de recursos o por limitación de espacio físico) que limiten el crecimiento, lo que se representa mediante un bucle de retroalimentación negativa, tal como aparece en la segunda figura. Durante la fase inicial de crecimiento de la población, el bucle de realimentación positiva domina (flecha roja de la figura a) y el comportamiento será de carácter explosivo (grafica de la figura a). Cuando la población alcanza un cierto valor se produce una inversión en la dominancia de los bucles de modo que el bucle de realimentación negativa (flechas rojas de la figura b) empieza a dominar sobre el de realimentación positiva. Como consecuencia el crecimiento pasa a ser de tipo autorregulado (gráfica de la figura b). 6 La biosfera. El máximo grado de relación lo encontramos en la biosfera con respecto a todos los demás sistemas, puesto que ésta integra todos los seres vivos, el medio físico en que habitan, junto con el conjunto de relaciones que establecen entre ellos: la geosfera proporciona el sustrato y la fuente de nutrientes inorgánicos a los ecosistemas terrestres, la hidrosfera a los acuáticos; la atmósfera interacciona con la biosfera en cuanto a intercambios gaseosos se refiere. La biosfera a su vez puede modificar a los demás subsistemas como ha ocurrido, por ejemplo, con las drásticas modificaciones en la composición de la atmósfera. Otros ejemplos pueden ser: la regulación del clima terrestre, en que intervienen todos los sistemas, especialmente la atmósfera y la hidrosfera; el ciclo del agua, que recorre la atmósfera, la hidrosfera, la geosfera y la biosfera; los ciclos biogeoquímicos, donde los elementos van pasando de unos sistemas a otros. La atmósfera: Una de las principales acciones de la atmósfera consiste en modular la energía procedente del Sol y regular la temperatura del planeta. La superficie del planeta se calentaría en exceso si no fuera porque cerca del 30% es devuelta, en parte, por la atmósfera. Además, la circulación general atmosférica contribuye a distribuir la energía incidente desde las zonas ecuatoriales, más calentadas, hacia las zonas de latitudes más altas. Los fenómenos climáticos, las olas, las corrientes marinas y la distribución de las precipitaciones son también consecuencia directa de la dinámica atmosférica. Por otro lado, la atmósfera ejerce una acción directa sobre las rocas mediante la meteorización, y los fenómenos meteorológicos (lluvia, nieve,…) son responsables del modelado terrestre. Respecto a la biosfera, la influencia de la atmósfera es decisiva: las radiaciones nocivas se filtran, la temperatura terrestre es moderada y la presencia de agua líquida es posible, todo ello gracias a la atmósfera. La hidrosfera. Para el conjunto del planeta, la hidrosfera tiene un papel esencial en la regulación térmica, en colaboración con la atmósfera, gracias al elevado calor específico del agua (amortigua las variaciones bruscas de temperatura), a las corrientes marinas (redistribuyen el agua caliente hacia zonas frías) y a la reflexión de las radiaciones solares por las masas de hielo glaciar. Por otro lado, el agua que circula por la superficie terrestre modela el relieve; disuelve o disgrega muchos minerales, arrastra materiales sueltos, los transporte y los sedimenta. Por último, el agua es fundamental para la biosfera, puesto que forma parte de los seres vivos en una alta proporción, les aporta diversos hábitats (ríos, humedales, mares,…) y mantiene la temperatura global en los márgenes adecuados para el desarrollobiológico. 7 La geosfera. La dinámica interna del planeta repercute en el superficie terrestre (orogénesis, fenómenos tectónicos,…) y tiene efectos sobre los otros subsistemas. Por ejemplo, las erupciones volcánicas, que liberan gases que modifican localmente la composición atmosférica. Es fundamental, además, para la formación de los suelos.
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