1. teoría de sistemas2
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TEMA 1. SISTEMAS Y MODELOS
1. Programación
2.- Aproximación a la teoría de Sistemas
DEPARTAMENTO DE BIOLOGÍA-GEOLOGÍAI.E.S. SANTA CLARA
BELÉN RUIZhttp://biologiageologiaiessantaclarabelenruiz.wordpress.com/bachillerato-
internacional/sistemas-ambientales-y-sociedades/
Utilizan conocimientos procedentes de ciencias reduccionistas
1. Características de las ciencias ambientales.
Tienen un enfoque sistémico
Utilizan un método de trabajo interdisciplinar
Se basan en la teoría de sistemas
1. EL ESTUDIO DE MEDIO AMBIENTE ES INTERDISCIPLINAR
BIOLOGÍA
QUÍMICA
INFORMÁTICA
DERECHO
GEOGRAFÍA
GEOLOGÍA
MATEMÁTICAS …….
METODOS DE ESTUDIO DE LAS CIENCIAS
AMBIENTALES
2. EL MÉTODO CIENTIFICO
ENFOQUE REDUCCIONISTA
El reduccionismo , considera que únicamente puede conocer un proceso
cuando se conoce con exactitud todos los elementos que participan.
Muchas ciencias lo utilizan : la física , la química , la biología molecular.
El desarrollo de la ciencia ha experimentado históricamente un proceso de especialización formándose diferentes disciplinas científicas y dentro de éstas, subdisciplinas, lo cual tiene aspectos positivos, como es el de formar a gente especialista que sabe mucho de una pequeña parcela, pero este tipo de saber también presenta aspectos negativos, se sabe muy poco de las cuestiones más generales.
EN PROCESOS COMPLEJOS EN QUE LAS PARTES INTERACTÚAN (UN ORGANISMO VIVO), EL ESTUDIO DETALLADO DE CADA PIEZA NO SIRVE PARA COMPRENDER SU
FUNCIONAMIENTO COMO UN TODO..
1º ENFOQUE REDUCCIONISTA (MÉTODO ANALÍTICO)(MÉTODO CIENTÍFICO) :
”Consiste en dividir o fragmentar nuestro objeto de estudio en sus componentes más simples y observarlos por separado”
Se basa en la especialización.
Problema Ambiental:la fuga radiactiva de Chernobil.
Para estudiar las causas del accidente, controlar y aminorar los efectos de la radiactividad sobre las personas y el medio se precisa la intervención de numerosos especialistas: físicos, químicos, biólogos, ecólogos, radiólogos, meteorólogos, etc. Cada especialista emitirá un dictamen según su punto de vista que en muchos casos será contradictorio con el de otros colegas.Serán los políticos, tras asesorarse de todos ellos, quienes deban de tomar las decisiones pertinentes acerca de evacuación de la población, control de la contaminación, retirada de tierra fértil contaminada, seguimiento de la contaminación, etc. A los políticos les gustaría que los distintos expertos y sectores implicados (agricultores, ganaderos, ciudadanos) facilitaran su tarea mostrando puntos de acuerdo importantes y no opiniones parciales y divergentes. ¿Hay alguna forma de hacerlo?
3. ENFOQUE SISTÉMICO U HOLÍSTICO
Los procesos complejos sólo pueden entenderse cuando se consideran
globalmente
Por muy bien que consideremos la constitución de las diferentes partes de
un organismo , si las consideramos por separado nunca comprenderemos
su funcionamiento
Ambos enfoques son complementarios , pero en las Ciencias Ambientales predomina el Sistémico
2º ENFOQUE HOLÍSTICO (MÉTODO SINTÉTICO, GLOBAL) :
“Trata de estudiar la globalidad y sus relaciones entres sus partes”
“No se detiene en los detalles”
Consecuencia
APARECEN PROPIEDADES EMERGENTES
Un equipo de baloncesto es un sistema; antes de fundarse el equipo, los jugadores no formaban parte de un conjunto, únicamente poseían destrezas individuales, pero una vez formado, el conjunto adquiere nuevas destrezas, mientras que algunas que poseían los individuos deben sacrificarse para mejorar el juego del equipo.
4. APROXIMACIÓN A LA TEORÍA GENERAL DE SISTEMAS
1.- ¿Qué es un sistema ?
Se define Sistema como una parte del universo que deseamos separla del resto para estudiarla
Puede ser tan grande ( La Tierra , un bosque ., un edificio .) o pequeño ( una charca , una gota de agua ..) como se quiera .
Es importante establecer sus límites . Todo lo que quede fuera se denominará ENTORNO
A la hora de estudiarlo analizaremos los flujos de energía y materia
TEORÍA GENERAL DE SITEMAS(ENFOQUE HOLÍSTICO)
SISTEMA
CONJUNTO DE OBJETOSQUE MANTIENEN RELACIÓN
O INTERACCIÓNES (INTERCAMBIO DE ENERGÍA,
MATERIA, INFORMACIÓN)ENTRE SÍ Y CON SU ENTORNO
CONSECUENCIA APARECEN PROPIEDADES
EMERGENTES (están ausentes en el estudio
de las partes por separado)
Una playa (la energía de la playa y el oleaje muevenlas partículas de arena constantemente de modo que interaccionan entre ellas, con las rocas y con los seres vivos que habitan).
Un instituto
Un ecosistema ……
S ISTEMAS
cerillas
NO
SON
S ISTEMAS
El sistema Tierra
Sistema Tierra
Sistema Sol
Sistema espacio
Sistema Luna
Magnetosfera
Geosfera
Atmósfera
Hidrosfera
Biosfera
El medio ambiente es el conjunto de elementos exteriores a él con los que intercambia materia y
energía o información.
Interacción de
Medio Natural
ATMÓSFERAHIDROSFERA YCRIOSFERA
GEOSFERA BIOSFERA
S = A U H U B U G U C
2. Tipos de Sistemas
Sistemas Abiertos : Intercambian matería y energía con el entorno . Seres vivos.
Sistemas Cerrados : Intercambian energía pero no materia ( se recicla dentro del sitema ) . Ecosistemas
Sistemas Aislados : No intercambian materia y energía.
Tipos de sistemas
SISTEMASOLAR
CHARCACHARCA
ABIERTOS CERRADOS AISLADOS
CIUDAD
MATERIA ENERGÍA
MATERIA(productos desechoymanufacturados)
ENERGÍA(calor)
MATERIA ENERGÍA MATERIA ENERGÍA
MATERIA(se recicla)
ENERGÍA
ENERGÍAMATERIA
¿ Qué tipo de sistemas somos los seres vivos ?
¿ Por qué ?
Una ciudad , una charca y el universo
¿ de qué tipo es cada sistema ? ¿ Por qué ?
Tipos de sistemas
SISTEMASOLAR
CHARCACHARCA
ABIERTOS CERRADOS AISLADOS
CIUDAD
MATERIA ENERGÍA
MATERIA(productos desechoymanufacturados)
ENERGÍA(calor)
MATERIA ENERGÍA MATERIA ENERGÍA
MATERIA(se recicla)
ENERGÍA
ENERGÍAMATERIA
2. LOS SISTEMAS Y LA ENERGÍA
En un sistema no resulta importante estudiar en detalle cada componente sino las interacciones
que serán las que nos permitirán conocer el funcionamiento global ( Enfoque Holístico )
Las relaciones entre los componentes de un ecosistema consisten en flujos o intercambios de
materia o energía , por lo que los sistemas han de seguir las leyes de la termodinámica
1.- LEY DE LA TERMODINÁMICA
La energía ni se crea ni se destruye , sólo se transforma de una forma a otra
( sin embargo cierta cantidad de energía se libera en forma de calor , y aunque no
desaparece , se pierde a efectos prácticos pues no sirve para realizar trabajos prácticos )
PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA: “CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA”: La energía no se destruye, sólo se transforma”
E EN NE TR RG AÍ NA T E
ENERGÍAENERGÍAALMACENADAALMACENADA
E SN AE LR IG EÍ NA T E
ENERGÍA ENTRANTE = ENERGÍA ALMACENADA + ENERGÍA SALIENTE
1º PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
2 .- LEY DE LA TERMODINÁMICA : LA ENTROPÍA
En cada transferencia , la energía se transforma y suele pasar de una forma más concentrada y
organizada a otra más dispersa o desorganizada
Según la 2ª ley de la termodinámica , sólo los procesos exergónicos pueden ocurrir
espontáneamente
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA: “LEY DE LA ENTROPÍA”:
consecuencia
transformación
ENTROPÍA (GRADODE DESORDEN)
consecuencia
Energía dispersadesorganizada
ENTROPÍA (GRADODE DESORDEN)=>orden
Energíaorganizada y concentrada
El Universo tiende hacia un estado de máxima entropía (máximo desorden)
En Los procesos naturales espontáneos ,siempre aumenta la entropía ( 2º principio de la termodinámica ).
Se define ENTROPÍA magnitud que mide la relación entre la energía y el grado de
desorden . Cuanto mayor orden exista ,más concentrada será la energía y más baja
será la entropía
LA ENERGÍA NO SE PUEDE RECICLAR, FLUYE INELUDIBLEMENTE EN UNA DIRECCIÓN
¿Cómo se mide la calidad de energía que tienen los seres vivos?
se mide por la capacidad que tienen los seres vivos para realizar trabajo utilizando esa energía
energía de alta calidad
(de baja entropía).Se denomina: concentrada,
útil o disponible.
energía de baja calidad
(de alta entropía).Se denomina:
dispersa, no útil o no disponible.
En un sistema aislado, la energía útil que contiene está
destinada a agotarse, a transformarse en energía de alta
entropía
Entropía Máxima => EQUILIBRIO TERMODINÁMICO
SISTEMA NO TIENE CAPACIDAD
DE REALIZAR TRABAJO
Los seres vivos son sistemas
ordenados (baja entropía ) a
expensas de comer y
expulsar al entorno
moléculas (CO y calor ) de
elevada entropía
los seres vivos son sistemas abiertos que reducen su entropía a base
de aumentar la del entorno
BAJA ENTROPÍA
CALOR
CO2
VAPORDE AGUA MANTIENEN
SUBAJA ENTROPÍAINTERIORLIBERANDO AL ENTORNOALRESPIRARCO2
YVAPOR DE AGUA (MOLÉCULASDE ALTA ENTROPIA)
SERES VIVOS SON:
SISTEMASORDENADOS
SISTEMASABIERTOS
¿Cómo cumplen el 2º Principio de la Termodinámica?
UN SER VIVO QUE NO SE ALIMENTA:UN SER VIVO QUE NO SE ALIMENTA:
PRONTO ALCANZARÍA SU EQUILIBRIO PRONTO ALCANZARÍA SU EQUILIBRIO
TERMODINÁMICO,TERMODINÁMICO,
LA MUERTELA MUERTE
(entropía máxima)(entropía máxima)
En los sistemas abiertos o cerrados
La entropía puede mantenerse
constante disminuirse
Seres Vivos
La entropía de su interior
¿Cómo?
la disminuyen
pero
Energía útil sistema +entorno disminuye(aunque la delsistema aumente)
Introducen energía del medio constantemente
Energíaexergónica del Sol
Realizan reaccionesendergónicas:construyen macromoléculas
Con la respiraciónaumentan la entropía delentorno
Seres Vivos
La entropía de su interior
¿Cómo?
la disminuyen
1. Las variables o factores se relacionan con flechas y signos (+) , (-)
Relación directa o positivaRelación directa o positiva: “un aumento de A produce un aumento de B” / “una disminución de A produce una disminución de B”.
Relación inversa o negativa: “un aumento de A produce una disminución de B o viceversa”
Erosión + Colmatación
Contaminación Vida-
3. DIAGRAMAS DE FORRESTER. REGLAS PARA LA ELABORACIÓN DE DIAGRAMAS CAUSALES.
Si es impar
Relación
-
Si es par (Cero es par)
Relación+
Relaciones encadenadas: “formadas por una serie de variables unidas mediante flechas”
Se reducen a una sola relación:
Se cuenta el número de relaciones Se cuenta el número de relaciones negativasnegativas
Tala Bosque Erosión Colmatación
Volumen de Agua
++
-
Relaciones Negativas: 1 => impar => Relaciones Negativas: 1 => impar => RELACIÓN -RELACIÓN -
Diagramas de Forrester
Relación directa entre variables Relación inversa entre variables
Oleaje
OleajeViento
Viento Radiación
RadiaciónNubosidad
Nubosidad
+
+ ▬
▬
Actividad volcánica
Polvo en la atmósfera
Radiación solar en el suelo
Temperatura del suelo
Evaporación desde el suelo
Humedad del suelo
+ + + ▬▬
Relaciones complejas: bucles de realimentación o retroalimentación
“Una relación causal que se cierra sobre sí misma”
TIPOS DE BUCLES
REALIMENTACIÓNPOSITIVA
REALIMENTACIÓNNEGATIVA U HOMEOSTÁTICOS
BUCLES DE REALIMENTACIÓNPOSITIVA
Cadenas cerradas que tienen un número par (o cero) de relaciones negativas
sedimentacióntamaño obstáculo(duna)+
+
+
Refleja la potencialidad del sistema para crecer descontroladamentesistema para crecer descontroladamente, por loque se dice que presenta un comportamiento explosivocomportamiento explosivo que desestabiliza los
sistemas
ALBEDO
TEMPERATURA
SUPERFICIEHELADA
-
-
+ +
Escribe el bucle de retroalimentación establecido entre: Espesor del suelo fértil , infiltración en el suelo y erosión.
BUCLES DE REALIMENTACIÓNNEGATIVA U HOMEOSTÁTICOS
Cadenas cerradas que tienen un número
impar de relaciones negativas
Presa Depredador-
+
-
Este tipo de bucles tienden a estabilizarlos sistemas, son estabilizadores u homeostáticosestabilizadores u homeostáticos
Curva sigmoidea o logística
Límite de carga o capacidad de cargaLímite de carga o capacidad de carga (nº máximo de individuos que se pueden mantener en unas determinadas condiciones ambientales)
ACTIVIDADEscribe el bucle de retroalimentación establecido entre : Radiación solar en el suelo , temperatura en el suelo , evaporación desde el suelo , nubosidad
Límite de carga (k)
Tiempo
Nº individuos
(N)
Crecimiento exponencial
Crecimientologístico
Equilibrio estacionario =>fluctuaciones de la
población entorno al límite de carga
EL ALBEDO
TEMPERATURA
ALBEDO
SUPERFICIEHELADA-
-
++
NUBES
EFECTO INVERNADERO
+
+
+
+
+
-
RADIACIÓN INCIDENTE
+
ERUPCIONES VOLCÁNICAS
Polvo , SO2,
H2SO4
CO2,+
+
+
+
RADIACIÓN REFLEJADA
+
consecuencia
Hay dos bucles positivos
Albedo Efecto Invernadero
Están en equilibrio dinámicoequilibrio dinámicoque podría peligrar por un cambio brusco (catastrófico)de las condiciones Ambientales que inclinaría laBalanza en uno u otro sentidoSiendo casi imposible retornarA la situación de equilibrio
Actividad volcánica
Polvo en la atmósfera
Radiación solar en el suelo
Temperatura del suelo
Evaporación desde el suelo
Humedad del suelo
+ + + ▬▬
Nubosidad
+▬ Bucle de realimentación
Radiación solar en el suelo
▬ +
Evaporación desde el suelo
Nubosidad
▬
+Temperatura del suelo
+Espesor de suelo fértil
+ ▬
Infiltración en el suelo
Erosión
▬
+
Simulación y análisis de sistemas mediante diagramas de Forrester
+
▬Fusión de la nieve
+Temperatura de la atmósfera
Temperatura del suelo
Energía solar absorbida por la superficie
Superficie cubierta de nieve
Albedo terrestre
Factores astronómicos (excentricidad de la órbita terrestre y otros)
Emisión de cenizas y aerosoles por la actividad volcánica
Transparencia de la atmósfera
▬
▬
+
+
+
+
Simulación y análisis de sistemas mediante diagramas de Forrester
+
Oxígeno disuelto en aguas profundas
Emisión de CO2 por la actividad volcánica
Abundancia de animales
Acumulación de materia orgánica
Convección en las masas de agua
Estratificación de las masas de agua
Temperatura de la atmósfera
Actividad de bacterias anaerobias
Producción de CO2, H2S y metano
Concentración de estos gases en la atmósfera
Efecto invernadero
Emisión de CO2 por la actividad industrial
+
+
+
+
+
++
+
▬
▬
+
+
Factores externos que pueden alterar el ciclo
ACTIVIDAD:
Establecer las relaciones encadenadas y verificar el tipo de relación final del proceso de la
eutrofización en un un ambiente acuático entre las siguientes variables dadas en orden
Uso de fertilizantes del suelo →nutrientes minerales en las aguas → algas → organismos
desintegradores→ oxígeno disuelto en el agua→ vida acuática
Ej la eutrofización de ambientes acuáticos
Seguimos practicando
1.- Establece las relaciones causales entre :
tasa de mortalidad →defunciones → población
2.- Más dificil todavía :
tasa de natalidad →nacimientos →población→ tasa de mortalidad →muertes → población
Sistemas complejos
Concentración de CO2 en la atmósfera
+
▬
Radiación térmica emitida al espacio
Temperatura de la atmósfera
Efecto invernadero
▬ ▬
Temperatura de los océanos
Solubilidad del CaCO3
Formación de conchas y esqueletos de CaCO3
Acumulación de CaCO3 en el fondo marino + ▬
▬
CO2 (en forma de CaCO3)
▬
CO2
Relaciones entre el efecto
albedo , el CO2
atmosférico las
erupciones volcánicas y la
temperatura de la Tierra.
Un modelo no es una representación de la realidad sino una simplificación de la misma.
No es aplicable fuera del entorno para el que ha sido formulado.
Cuando un modelo no funciona, porque no explica satisfactoriamente la realidad, se modifica o se desecha y se sustituye por otro.
MODELO: representación MODELO: representación simplificada de la realidad.simplificada de la realidad.
MODELOS DE SISTEMAS O MODELOS DE SISTEMAS O SISTEMASSISTEMAS
MODELO DE CAJA NEGRA
MODELO DE CAJA BLANCA
MODELO DE SISTEMAS DE CAJA MODELO DE SISTEMAS DE CAJA NEGRANEGRA
“Sólo nos fijamos en las entradas y en las salidas, de materia, energía e información”
SISTEMASISTEMA
ENTRADAS
SALIDAS
TIPOS DE SISTEMAS CAJA NEGRA
ABIERTOS: intercambio de materia y energía.
CERRADOS: intercambio de energía
AISLADOS: sin intercambio.
EJEMPLOS DE SISTEMAS
SISTEMASOLAR
CHARCACHARCA
ABIERTOS CERRADOS AISLADOS
CIUDAD
MATERIA ENERGÍA
MATERIA(productos desechoymanufacturados)
ENERGÍA(calor)
MATERIA ENERGÍA MATERIA ENERGÍA
MATERIA(se recicla)
ENERGÍA
ENERGÍAMATERIA
MODELO DE SISTEMAS DE CAJA MODELO DE SISTEMAS DE CAJA BLANCABLANCA
“Observamos el interior de un sistema. Su representación forma un diagrama causaldiagrama causal”
ENTRADAS
SALIDAS
A B
C
D
E
Modelos de un sistema
Modelos analógicos de algunos sistemas
Túnel del viento
Maqueta Maqueta
Variables independiente y dependiente
Características de un modelo numérico
Variable independiente: toma valores sin verse afectada por lo que ocurre en el sistema.
Variable dependiente: es cualquiera cuyos valores dependan del que tomen la variable independiente.
La variable independiente suele llamarse x y la dependiente y.
La gráfica representa la
relación entre el espacio (variable dependiente) y el tiempo (variable independiente)
Ecuaciones diferenciales dependientes del tiempo
Características de un modelo numérico
Gradientes
Características de un modelo numérico
Ecuaciones lineales y no lineales
Características de un modelo numérico
Modelos digitales de algunos sistemas
Previsión de riesgos
Sistemas de alerta temprana
Ordenación del territorio Diseño de estructuras
BIBLIOGRAFÍA
Ciencias de la Tierra y Medioambientales. 2ºBachillerato. CALVO, Diodora,
MOLINA, Mª Teresa, SALVACHÚA, Joaquin. Editorial McGraw-Hill Interamericana.
Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente. 2º Bachillerato. LUFFIEGO GARCÍA,
Máximo, ALONSO DEL VAL, Francisco Javier, HERRERO MARTÍNEZ, Fernando,
MILICUA ARIZAGA, Milagros, MORENO RODRÍGUEZ, Marisa, PERAL LOZANO,
Carlota, PÉREZ PINTO, Trinidad.
Ciencias de la Tierra y mediambientales 2º bachillerato. MELÉNDEZ, Ignacio,
ANGUITA, Francisco. CABALLER, María Jesús.
Dar sombra a la Tierra. KUNZING, Robert. National Geographic. Octubre 2009.