3. Aproximació a la teoria de sistemes

3.1. Tipus de relacions causals
3. 2. Clasificació dels sistemes
3.3. L'energia en els sistemes
3.4 . Models per entendre la complexitat
3.5. La terra com a sistema climàtic

3- Aproximació a la teoria de sistemes

Definició de sistema

Anomenem sistema a un conjunt de parts operativament interrelacionades, és a dir, que interactuen les unes amb les altres i del que interessa considerar fonamentalment el seu comportament global. Un sistema és qualque cosa més que la suma de les seues parts, ja que d'aquesta interacció entre les seues parts emergeixen noves propietats (anomanades emergents) i que eren absents en l'estudi de les parts per separat

Com a exemples de sistemes podem citar el nostre propi cos, una cèl·lula, un institut, una família, un bosc o el medi ambient. Sol passar que els components d'un sistema estan formats, al seu torn, per altres de més elementals, amb les seues pròpies relacions (per exemple, un ecosistema té dos components: biotop i biocenosi, però al seu torn el biotop està constituït per altres elements, com el sòl, aigua, temperatura, pluviositat, etc; i la biocenosi se subdivideix en organismes productors, consumidors, descomponedors, etc).

 

 

En els sistemes causals, com actualment es tendeix a denominar-los, s'estableix una sèrie d'interaccions o relacions causals, les quals poden ser de diferent tipologia i se solen representar amb diagrames de fletxes, per establir la relació causa-efecte entre diferents variables.

3.1. Tipus de relacions causals

A - Relacions simples, que poden ser directes, inversas i encadenades.
Aquestes relacions consisteixen en una inflüència unilateral d'una variable del sistema sobre otra.

A1 S'anomenen directes si una desviació (augment o disminució) en un sentit d'una variable produeix una desviació en el mateix sentit en l'altra variable. Exemples :

(+)[ CO2 ] atmosférica -------------->(+)Biomasa vegetal (+)Temperatura ----------------------->(+)Biodiversidad

A2 Són inverses si una desviació en un sentit implica altra desviació en sentit contrari (un augment produeix una disminució i a la inversa). Exemples:

(-)Depredadors ----------------> (+) Preses (-) Boscos --------------------> (+) Erosió edàfica (del sòl)

 

A3 Les relacions encadenades es produeixen entre més de dues variables, encara que el resultat global serà de tipus directe o invers. Exemple :

(+)Producció CO2 ---> (+) Temperatura mitjana ---> (-)Gel polar ---> (+)Nivell del mar Resultado global: (+)Producció CO2 ------------> (+)Nivel del mar

B - Relacions complexes. Apareixen quan una variable influeix sobre altra o altres i aquesta/es determinen una variació de la primera; per tant, es forma una cadena de relacions causals en cercle, per la qual cosa es denomina al conjunt de relacions d'aquest tipus bucle de retroalimentació, de realimentació o feedback. La retroalimentació pot ser:

B1 Positiva: quan un increment d'una variable produeix un altre increment, en el mateix sentit, en una altra variable i aquesta, al seu torn provoca el mateix tipus de desviació en la primera variable.

B2 Negativa: Aquests bucles de retroalimentació negativa són els estabilitzadors dels sistemes. Quan una variable augmenta, provoca la disminució d'altra/es variable/s, Tenim l'exemple del termostat de la calefacció: si la temperatura ambient és menor que la que hem programat, encendrà la calefacció, mentre que si es major, la desconectarà. Amb aquest procediment aconseguim mantenir estable la temperatura. Un altre exemple el tenim en la gràfica següent:

 

Els sistemes que s'equilibren mitjançant l'existencia d'un o més bucles de realimentació negativa se coneixen amb el nom de sistema homeostàtic. Exemple: La regulació enzimàtica

Gràfica que explica com és el mecanisme de regulació de l'acció enzimàtica

Els sistemes es poden classificar des d'un punt de vista termodinàmic, és a dir, respecte al seu intercanvi de matèria i energia amb altres sistemes :

- Sistemes oberts. Es caracteritzen perquè poden intercanviar matèria i energia amb el seu entorn. Per exemple, en una ciutat entra i surt energia; a més, entra matèria i eixen productes manufacturats i residus. Als sistemes oberts pertanyen els éssers vius, els ecosistemes, el planeta Terra, etc. L'aportament d'energia externa manté el sistema en ordre.

- Sistemes tancats. Són aquells que no poden intercanviar matèria amb el seu entorn, pero sí energia. En aquests es compleix la llei de conservació de l’energia i en ells existeix la possibilidad de transformació de la matèria dins del sistema per reacció química. Els cicles biogeoquímics i els cicle del’aigua són sistemes tancats. Amb certes limitacions podem cosiderar el planeta Terra com a un sistema tancat

- Sistemes aïllats. En aquests sistemes no hi ha intercanvi de matèria ni de energia. En realitat no hi ha cap sistema aïllat natural, però podem considerar com a sistema aïllat un aquari dins d'una caixa opaca hermèticament tancada i amb un aïllant tèrmic. De manera que no pot entrar ni eixir matèria ni energia. Amb el temps el sistema es degrada i l'ordre inicial esdevé un desordre d'àtons i molècules amb moviment aleatori.

 

En realitat, la immensa majoria dels sistemes són oberts. Tanmateix els podem considerar com tancats o aïllats per facilitar el seu estudi. Per exemple, se sol dir que els ecosistemes són sistemes oberts per a l'energia i tancats per a la matèria, la qual es recicla dins de l'ecosistema, és a dir, es considera un sistema tancat. En realitat, si que hi ha un intercanvi de matèria entre l'ecosistema i l'entorn (altres ecosistemes) fins i tot, si prenem la biosfera com a escosistema també hi ha entrada (encara que despreciable respecte a la massa de la Terra) de meteorits, i alguns gasos atmosfèrics, o les naus espacials, es perden.

 

3.3. L'energia en els sistemes

Els sistemes segueixen les lleis de la termodinàmica, que són les que determinen els intercanvi de matèria i energia.

- 1ª llei de la termodinàmica: conservació de l'energia .

La conservació de l'energia serà una norma fonamental a l'hora de plantejar els nostres models: "l'energia ni se crea ni es destrueix, solament es transforma d'una forma a una altra forma". Segons això, durant qualsevol transformació, la suma de l'energia interna d'un sistema més la de l'ambient extern roman constant, abans i després de la transformació. Per això, serà necessari que en tot sistema que modelem, l'energia entrant equivalga a l'energia emmagatzemada dins del sistema més l'energia que surta. Tanmateix, en qualsevol transformació energètica, una certa quantitat d'energia s'allibera en forma de calor i, tot i que no desapareix, es perd a efectes pràctics, ja que no serveix per a realitzar un treball útil.

Transformacions de l'energia, segons la primera llei de la termodinàmica. Podeu fixar-vos en el fet que en cada transformació hi ha una pèrdua en forma de calor

- 2� llei de la termodinàmica: entropia .
" En un sistema amb intercanvis i conversions d'energia, que no guanya ni perd energia, l'energia potencial de l'estat final és sempre menor que l'energia potencial de l'estat inicial".
L'energia no es perd, però d'alguna forma disminueix en "qualitat". Aquesta apareix associada a l'ordre existent en nostre sistema. Quant major ordre existisca, més possibilitats haurà de produir energia; si existeix un major desordre, haurà menys possibilitats de generar-la. Els físics han denominat entropia a una mesura d'aquesta qualitat, i tot els intercanvis d'energia realitzats han d'incrementar-la.

Tanmateix, els éssers vius "naden contra corrent", oposant-se a l'augment d'entropia (desordre), i és ací on radica la clau de la vida. Aconseguixen mantenir la seua baixa entropia (organització estructural alta) expulsant a l'entorn molècules d'elevada entropia. Es tracta, doncs, d'un sistema obert que rebaixa la seua entropia a base d'augmentar la de l'entorn. La figura següent explica un exemple del que hem dit

Entropia és una paraula molt utilitzada en la termodinàmica dels sistemes químics. Sense entrar en precisions massa tècniques, podem dir que és una mesura del grau de desordre d'un sistema. Un sistema tendeix a augmentar la seua entropia, és a dir, el seu grau de desordre, a no ser que estiga rebent energia des de fora que li permitisca mantenir l'ordre. Qualsevol conjunt d'objectes, com una habitació, pot servir d'exemple per a entendre aquest concepte. Amb el pas del temps tendeix a desordenar-se, a no ser que s'utilitze energia en mantenir les coses al seu lloc.
Els organismes vius i els ecosistemes són sistemes que es mantenen ordenats amb el pas del temps perquè estan constantement rebent energia. Això es fa a costa d'augmentar el desordre general de l'Univers que és el que aporta l'energia. (Segona Llei de la Termodinàmica).

 

3.4. Models per entendre la complexitat

Com es pot estudiar i entendre una cosa tan formidablement complexa com és la biosfera, o una selva tropical, o el clima?. Necessariament, cal utilitzar simplificacions que tinguen en compte solament les propietats més importants i bàsiques. Aquestes versions simplificades de la realitat s'anomenen models. Un model és una representació simplificada de la realitat, per tal de facilitar la seua comprensió i estudi.Si pretenem que el model siga únicament la imatge d’un objecte, utilitzarem models estàtics, però es més utilitzats i interessants són els models dinàmics, que permeten descriure processos o fenòmens concrets

Tipus de models

Un model pot ser tan senzill com una simple explicació amb paraules d'allò fonamental d'una realitat(model verbal) . En altres models utilitzem diagrames on es dibuixen d'una forma simplificada els components del sistema tot assenyalant amb fletxes les accions d'uns sobre altres. Són els models gràfics. En els models numèrics s'utilitzen magnituds i equacions matemàtiques per a descriure amb exactitud els diferents components del sistema i les relacions entre ells, com el cas de les corbes de creixement d'una població (Nt=N0Rt). El desenvolupament dels ordinadors ha fet possible emprar una gran quantitat de dades i per això ara s'utilitzen, cada vegada més, models computacionals, on amb programes d'ordinador s'imita el funcionament dels sistemes complexos. Aquest tipus de models són els més perfeccionats i han permès simular relativament bé, processos molt complicats com el funcionamient de l'atmosfera. Gràcies a ells s'han aconsegit grans avanços com, per exemple, prediccions fiables del clima.

 

2 models gràfics de cicle hidrològic: A- molt general i senzill B- més precís i complicat

Models caixa negra i caixa blanca

Els sistemes reals es poden representar per mitjà de models de sistemes (per abreujar, simplement sistemes). Tot i que això puga semblar complicat, no et serà massa difícil diferenciar entre sistema real i sistema model, ja que per a treballar en temes ambientals, s'utilitzen molt els models.
Un model de sistema caixa negra és aquell on el sistema real es representa com una caixa, dins de la qual no volem mirar i , per tant, únicament es fixem en les entrades i eixides d'energia i matèria, és a dir, en els intercanvis amb l'entorn. El primer que cal fer en dissenyar un sistema de caixa negra és marcar els seus límits, els quals, tot i que poden ser ficticis o arbitraris, ens ajuden a aïllar-lo de la resta.
En un model de sistema caixa blanca, a més dels intercanvis amb l'entorn, també ens fixem en l'interior del sistema. Cal definir les variables que composen el sistema i unir-les amb fletxes que els relacionen entre si. Cal incloure únicament les variables que siguen necessàries, ja que si aquestes són moltes, el codel per claretat i és difícil de comprendre

 

Representació del models de sistema caixa negra (esquerra) i model de caixa blanca (dreta)

Si prenem la Terra com a sistema, podem fer models tipus caixa negra o caixa blanca. En el cas del model de caixa negra únicament ens interessarà representar els intercanvis energètics: Entra energia en forma de radiació del Sol i eix energia en forma de calor. (Considerem ací que la Terra és un sistema tancat perquè no hi ha intercanvi de matèria- despreciem l'entrada de matèria dels meteorits)

Com a exemple de model de sistema de caixa blanca de la Terra tenim l'anomenada màquina climàtica que és el model de que regula el clima del planeta i que està format per la interacció d'un conjunt de subsistemes terrestres : atmosfera, hidrosfera, geosfera i biosfera, en contínua interrelació, tal com es veu a la figura següent:

 

 

Les interaccions entre tots els sistemes terrestres tenen com a resultat la regulació del clima, de manera que el sistema Terra pot comsiderar-se com un sistema climàtic i, tot i que en les unitats didàctiques següents anirem estudiant amb detall el funcionament de cadascun dels seus components, oferirem ara una visió global per poder treballar de forma pràctica la teoria de sistemes.

La Terra constitueix un sistema climàtic

 

3.5. La terra com a sistema climàtic. El sistema Terra

 

El clima terrestre es veu afectat per diferents factors climàtics; alguns ho fan de forma molt lenta, com és el cas dels canvis en els paràmetres orbitals, en el flux tèrmic i la radiació solar i en la distribució de masses continentals i oceàniques, mentre que altres factors tenen un efecte més ràpid, com és el cas de l'efecte hivernacle o l'albedo. Anem a explicar-los de forma breu.

L'efecte hivernacle
Alguns gasos presents en la part inferior de l'atmosfera, com el CO2, permeten el pas de la radiació solar (longitud d'ona curta) però no a la radiació infrarroja emesa per la superfície terrestre després de ser escalfada pel Sol. Aquesta radiació no pot escapar i incrementa la temperatura de l'atmosfera. Aquest procés natural rep el nom d'efecte hivernacle i ha fet possible la vida en el planeta, ja que en absència d'aquests gasos la temperatura mitjana de la superfície seria de ­18ºC. No debem confondre aquest efecte beneficiós amb el que seria un increment de l'efecte hivernacle causat per la contaminació humana

 

Efecte albedo
L'albedo és el percentatge de radiació que és reflectida per la Terra respecte de la radiació total procedent del Sol. Aquest albedo és major en superfícies de color clar, com és el cas de l'arena, els núvols de pols i la neu o gel. Així, per exemple, si augmenta la superfície de gel del planeta, augmenta l'efecte albedo, arriba menys radiació solar a la superfície, disminueix la temperatura i, per tant, augmentarà l'extensió de gel. Aquest bucle de realimentació positiva accelera l'efecte de les glaciacions, quan aquestes es presenten.
Els núvols generen una doble acció. Per una banda, incrementen l'albedo i, per altra banda, retornen a la superfície terrestre radiació infraroja, incrementant l'efecte hivernacle

c- Abundància de núvols a l’atmosfera

Els núvols generen una doble acció. Per una banda, incrementen l’albedo i, per altra banda, retornen a la superfície terrestre radiació infraroja, incrementant l’efecte hivernacle. Si ho representem per mitjà d’un model de relacions causals, obtindrem dos bucles de retroalimentació. Un de positiu i un de negatiu.

d- Presència de pols en l’atmosfera

El pols en suspensió en l’atmosfera incrementa l’albedo d’aquesta i afectarà per tant a la temperatura. Aquesta pols en suspensió pot ser deguda a erupcions volcàniques, impacte de meteorits o el transport de partícules fines per l’acció eòlica

e- Radiació solar incident

La radiació solar que arriba a la Terra varia al llarg del temps com a conseqüència de les variacions en les constants astronòmiques del nostre planeta (forma el·lipsi, moviment precessió, etc) Es creu que aquestes variacions cícliques poden ser les responsables de les èpoques glaciars del passat

Canvis en els paràmetres orbitals de la Terra
Ja sabeu que el nostre planeta posseix tres tipus de moviments: rotació, translació i precessió. El clima de la Terra ha canviat contínuament al llarg de la seua història i l'explicació de la majoria d'aquests canvis es fonamenten en lleugeres variacions de la posició de la Terra respecte al Sol, tal com va explicar M. Milankovitx

 

RECORDA ELS MOVIMENTS ORBITALS DE LA TERRA

Principals canvis dels paràmetres orbitals de la Terra

La inclinació de l'eix de la Terra varia aproximadament entre els 21,8º i 24,4º en cicles d'uns 40.000 anys.

Fluctuacions en l'excentricitat de l'òrbita de la Terra al voltant del Sol (passa de circumferència a el·lípsi). Períodes de 100.000 anys.

Els moviments secundaris com el de precessió influeixen en les estacions de l'any : a hores d'ara, el nostre hivern coincideix amb el periheli (zona mes propera del Sol.). 13.000 anys després es trobarà en la situació oposada (afeli). Periode de 26.000 anys. Això pel que fa a l'hemisferi N. A l'hemisferi S, el periheli coincideix amb l'estiu, cosa que suposa un 7% més d'energia; a més a més està constituït fonamentalment per aigua, la qual provoca una major absorció que el continents on hi ha més reflexió.

 

 

EL SISTEMA TERRA

 

La segona meitat del segle XX ha revolucionat la perspectiva que tenim els humans del nostre planeta. La ciència del Sistema Terra ha sorgit a partir de l'era espacial, quan els humans hem pogut observar el nostre planeta des de l'exterior, i es tracta d'una aproximació holística a l'estudi de la Terra com un sistema format per components interacctius. De la mateixa manera que la fisiologia humana es pot explicar com un sistema de components en contínua interacció (sistema nerviós, endocrí, aparell circulatori, etc) també la Terra pot ser entesa com un sistema de quatre components principals (atmosfera, biosfera, geosfera i hidrosfera).

La Terra es troba sotmesa a canvis permanents. La seua dinàmica pot resumir-se en les idees bàsiques següents:
* El sistema Terra té dues fonts d'energia: una és la calor de l'interior del planeta; l'altra és una font externa. el Sol
* L'energia interna activa la circulació de la matèria dins de la geosfera: La seua dinàmica és explicada per la teoria de tectònica de plaques i inclou processos, com ara la mobilitat continental, la unió i fragmentació de continents, la formació de serralades i l'activitat volcànica i sísmica. La calor interna terrestre és en darrer terme, qui origina el relleu terrestre.
* L'energia solar activa la circulació de matèria en l'atmosfera i la hidrosfera, i té en el cicle de l'aigua un dels seus intruments més dinàmics. L'energia solar es troba en la base de tots els processos que intervenen en el modelatge del relleu (meteorització, erosió i transport)
* La gravetat exerceix un paper clau en la circulació de la matèria, tant en l'interior de la geosfera, com en la superfície. Impulsa l'estratificació per densitats, condiciona el cicle de l'aigua i afavoreix la nivellació del terreny.
* La biosfera constitueix el subsistema més complex i dinàmic del planeta. En últim terme, la seua font energètica és el Sol i es troba en permanent interacció amb l'atmosfera, geosfera i hidrosfera.
* L'activitat humana, de manera conscient o involuntària, està alterant el planeta.

 

Per a entendre el funcionament del sistema Terra i preveure el seu estat futur cal avançar en l'observació del sistema i fer models dels processos que hi tenen lloc, la qual cosa ens ajudarà a comprendre el clima i els sistemes biogeoquímics, és a dir, que inclouen les interaccions biològiques, fisiques i químiques.
La NASA està elaborant un model de sistema Terra que podem veure representat en la figura següent:

Hi ha autors com J.E. Lovelock i L. Margulis que sostenen que els éssers vius (biosfera) adquiriren la capacitat de control·lar el medi ambient global per cobrir les seues necessitats; de manera que la biosfera no és solament un catàleg d'espècies sinó una entitat major que la suma de les seues parts. Aquesta gran criatura hipotètica, amb una capacitat homeostàtica de regular els processos relacionats amb la vida , ha estat denominada Gaia, nom de la deessa grega de la mare terra.

 

Lectura - Gaia: és viva la Terra? Fes clic per poder llegir-la

Continuar el tema 1

Tornar a l'inici del tema 1