1. Introducció a les Ciències de la Terra

CONTINGUTS DE LA UNITAT DIDÀCTICA

1. La teoria de sistemes aplicada a l’estudi del medi

1.1. Què és un sistema
planeta

1.2. Tipus de sistema

1.3. Relacions causals

2. La Terra com a sistema

3. La relació de l’ésser humà amb el medi

3.1. Recursos

3.2. Riscos naturals

3.3. Impactes

3.4. Gestió ambiental

1. La teoria de sistemes aplicada a l’estudi del medi

El concepte de Medi Ambient

El terme medi ambient ha passat en els últims anys a ocupar un primer pla en els mitjans de comunicació i en la nostra vida diària. Com tots els termes que es converteixen en patrimoni dels ciutadans després de pertànyer al vocabulari particular d’una ciència, el seu correcte significat pot ser no el coneixem:

L’any 1972 es va celebrar a Estocolm (Suècia) la Primera conferència Mundial sobre el Medi Ambient organitzada per les Nacions Unides. Allà es va definir el medi ambient com:

El Medi Ambient és el conjunt de components físics, químics, biològics, socials i culturals capaços de causar efectes directes o indirectes en un termini curt o llarg sobre els éssers vius i les activitats humanes.

En relació amb aquesta definició hem de comprendre que el medi ambient no és simplement l’entorn, l’ésser humà i les seves activitats formen també part del medi. El medi doncs, no és pas una cosa estàtica; per contra, és essencialment dinàmic i canviant, i les seves característiques variaran al llarg del temps, i no només per l’acció humana, ja que hi ha processos d’origen natural que desemboquen en brusques alteracions de l’entorn. Tots aquests factors (físics, químics, biològics, socials, culturals) interaccionen entre si de manera que uns influeixen sobre els altres, en una sèrie de repercussions en cadena, conegut amb el nom d’efecte dòmino.

L’estudi del Medi Ambient i de les seves problemàtiques és quelcom complex, perquè intervenen molts elements i perquè entre ells s’estableixen relacions causa-efecte. Això ens obliga a abordar l’estudi del Medi Ambient amb caràcter multidisciplinari, i tenir presents els coneixements que aporten diferents ciències com Geologia, Biologia, Ecologia, Física, Química, Matemàtiques, així com altres disciplines de l’àmbit social: economia, política, dret, religió, ètica…

Per abordar aquest estudi interdisciplinari del nostre medi ambient ens cal un nou enfocament. L’enfocament reduccionista no és suficient i cal un enfocament holístic.

  • El reduccionisme és la concepció que qualsevol sistema o entitat complexa es pot entendre i analitzar millor si es descompon en els elements que la formen, ja que tot conjunt s’explica per les propietats dels seus components. La visió reduccionista ha guiat a la ciència durant bona part del seu camí.
  • L’holisme (del grec holos, ‘total’) considera que la totalitat del conjunt és més gran que la suma de les parts. Tracta de conèixer les relacions entre els components, encara que no es coneguin amb detall els mateixos. Apareixen les propietats emergents, aquelles que sorgeixen de la interacció entre les parts.

Un exemple: Si estudiem un cotxe des d’un enfocament reduccionista podrem analitzar tots els seus components per separat (volant, vidres, porta, botons, seients, rodes …) però no podrem entendre la propietat per la que es caracteritza: el moviment.  Quan s’analitza el cotxe des d’un punt de vista holístic apareix la propietat emergent de l’automoció. De manera similar, l’estudi de la cèl·lula amb visió reduccionista és insuficient per entendre completament el seu significat i la propietat que sorgeix de la suma de les parts: la vida.

vull tornar a l’índex del tema

La Teoria de Sistemes

D’entre els models teòrics corresponents a l’enfocament holístic, destaca la Teoria General de Sistemes desenvolupada pel biòleg Ludwig von Bertalanffy (1901-1972).

A mitjans del segle XX Ludwig von Bertalanffy, a contracorrent dels enfocaments reduccionistes i analítics de la ciència imperant en aquell moment, va aplicar la visió sistèmica i holística a la biologia, estudiant els organismes vius com a sistemes.

Ell mateix desenvoluparia més tard una teoria general capaç d’elaborar principis i models que fossin aplicables a tots els sistemes, fos quina fos la naturalesa dels seus elements i el nivell d’organització, anomenada la Teoria General de Sistemes.

Actualment la dinàmica de sistemes (també es pot anomenar així la teoria general de sistemes) ha esdevingut un camp d’estudi aplicable gairebé a totes les disciplines, amb especial força en la investigació de sistemes complexos i en constant evolució. Aquesta teoria s’utilitza tant en disciplines clàssiques, com les matemàtiques, les ciències socials i naturals, com en camps emergents, com la intel·ligència artificial, les xarxes neurals, etc.

1.1. Què és un sistema?

El terme sistema fa referència a un tot organitzat i complex; un conjunt o combinació d’elements o parts, interrelacionades entre si, que formen una unitat per complir alguna finalitat o tasca.

que es un sistema

Un sistema és quelcom cosa més que la suma de les seves parts, ja que de la interacció entre les parts emergeixen noves propietats (anomenades propietats emergents) i que eren absents en l’estudi de les parts per separat.

Una cèl·lula, un ordinador, un institut, una ciutat, un bosc… es poden considerar sistemes.

Així, en un sistema, cal considerar els següents aspectes: composició (elements o parts constituents), estructura (disposició d’aquests elements en l’espai), funcionament (processos que es desenvolupen en un cert temps) i entorn o ambient extern (el que està fora del sistema però pot influir en ell).

Els sistemes presenten les característiques següents:

  • Estan formats per elements relacionats entre si.
  • Cada element té una funció en el sistema, que pot ser imprescindible o no. Si un element no té cap funció, no forma part del sistema.
  • El canvi en un element afecta la resta i al funcionament global del sistema.
  • De la interacció entre els elements sorgeixen les propietats emergents.
  • Els sistemes no estan aïllats, els arriben matèria i energia necessàries per al seu funcionament, i, a més, reben informació de l’exterior del sistema (que pot desencadenar la seva activitat)
  • Els sistemes també produeixen matèria i emeten energia i informació com a resultat de la informació que desenvolupen.
  • Hi ha mecanismes autoreguladors que tendeixen a restablir l’equilibri dins uns límits.

Ús de models teòrics

Per estudiar la realitat des de la perspectiva de la dinàmica de sistemes és fonamental recórrer a l’ús de models; és a dir, interpretacions simplificades de la realitat que ens permeten aïllar variables i obviar aquells detalls irrellevants per al nostre estudi.

Un model és una representació idealitzada i simplificada de la realitat, que s’elabora per facilitar la seva comprensió i estudi.

Quan es dissenya un model s’han de fer simplificacions i s’han d’eliminar elements irrellevants per al nostre objectiu. Això fa que un mateix sistema pugui ser representat per molts models, segons la parcel·la concreta de realitat que volem estudiar.

En l’anàlisi de sistemes podem treballar amb dos tipus principals de models:

Model de sistema caixa negra: S’utilitza quan només ens interessa estudiar les relacions d’un sistema amb l’exterior o amb altres sistemes sense importar-nos, la seva composició, la seva estructura i el seu funcionament. És a dir, només ens fixem en les seves entrades i sortides de matèria, energia i informació (intercanvis amb l’entorn), el que hi ha dins del sistema no ho volem veure (és una caixa negra).

caixa negra

Model de sistema de caixa blanca: En un model de sistema caixa blanca, en canvi, no només es consideren els intercanvis de matèria i energia amb l’entorn, sinó que també s’estudia l’interior del sistema. En aquest cas, cal definir les variables del sistema i establir les relacions que tenen entre si, sempre tenint en compte que no cal incloure aquelles d’irrellevants, ja que només afegirien dificultat a l’hora d’interpretar el sistema.

vull tornar a l’índex del tema

1.2. Tipus de sistemes

Tots els sistemes estan sotmesos a les lleis de la termodinàmica i els podem classificar emprant com a criteri l’intercanvi de matèria i energia amb altres sistemes. Des del punt de vista termodinàmic podem distingir tres tipus de sistemes:

  • Sistema obert: Són aquells que intercanvien matèria i energia amb l’entorn. Per exemple, en un organisme viu entra i surt energia, a més entra i surt matèria (aliment i residus). Una ciutat també és un sistema obert.

  • Sistema tancat: En els sistemes tancats no hi pot haver intercanvi de matèria amb el seu entorn, però sí d’energia. En aquests es compleix la llei de conservació de l’energia. En són exemples el cicle de l’aigua i els cicles biogeoquímics, en els quals la matèria es pot transformar químicament.

  • Sistema aïllat: Es consideren sistemes aïllats aquells en els quals no hi ha intercanvi de matèria ni d’energia amb l’entorn. Cal dir que en la natura no existeix cap sistema totalment aïllat en realitat, però idealment se’n podria construir un emprant material opac, tancaments hermètics i aïllants tèrmics.

Sovint considerem els sistemes com tancats o aïllats per facilitar-ne l’estudi. No obstant això, la immensa majoria dels sistemes presents en la realitat són oberts, ja que intercanvien matèria i energia amb el seu entorn.

Stma. Obert tancat

vull tornar a l’índex del tema

1.3. Relacions causals

Els elements que formen els sistemes estan relacionats entre si, i funcionen de manera coordinada. Els elements del sistema que es poden mesurar i varien en funció d’uns altres s’anomenen variables.

Per. ex. Analitzem la relació que es pot establir entre les pluges i l’aigua que baixa pels rius:

Les precipitacions es poden mesurar en mm/m mitjançant un pluviòmetre.

• Part de l’aigua procedent de les precipitacions baixa pels vessants de les muntanyes fins a formar part de l’aigua dels rius.

• Si les precipitacions són abundants, els rius transporten més aigua. En canvi, si les precipitacions són escasses, baixa el nivell d’aigua en els rius.

Per tant podem afirmar que la quantitat d’aigua que baixa pels rius és una variable que depèn d’una altra variable, la quantitat precipitacions.

Les relacions causals són les relacions causa-efecte entre les variables d’un sistema. Les relacions entre els valors d’aquestes variables es poden representar mitjançant fletxes i signes (+/-). A la representació de les variables i fletxes se l’anomena diagrama causal. El diagrama causal aporta informació quantitativa sobre el funcionament general del sistema.

Les relacions causals poden ser simples, encadenades o compostes:

Relacions causals simples: Es donen quan es relacionen dues variables. Poden ser de dos tipus:

a) Positives. L’increment d’una variable causa l’increment de l’altra, o bé la disminució d’una provoca la disminució de l’altra (és a dir, són directament proporcionals).

Per exemple, com menys precipitació, menys cabal en els rius.

b) Negatives. L’increment d’una variable causa la disminució de l’altra, o a l’inrevés ( són inversament proporcionals).

Per exemple, com més contaminació hi ha al riu, menys peixos hi trobem.

relacions simples

Relacions causals encadenades: Es donen quan es relacionen més de dues variables, sense que l’última es relacioni amb la primera. És una seqüència de variables oberta.

Per exemple, si augmenta la concentració de CO2, augmenta l’efecte d’hiver­nacle al planeta; si aquest efecte augmenta, disminueix l’amplitud tèrmica; si aquesta disminueix, s’atenua la forca del vent.

relacions encadenades

Relacions causals compostes

Es donen quan dues o més variables es relacionen, de manera que l’última es connecta amb la primera. D’aquesta manera es forma una cadena de relacions en bucle, per la qual cosa al conjunt de relacions d’aquest tipus es denomina bucle de retroalimentació, de realimentació o feedback.

La retroalimentació pot ser positiva o negativa:

RETROALIMENTACIÓ

Bucles de retroalimentació positiva.

Són sistemes en què les variables creixen o disminueixen de manera incontrolada, ja que quan una variable augmenta o disminueix provoca un canvi en l’altra en el mateix sentit. Desequilibra el sistema en amplificar o multiplicar els efectes de la variable d’entrada.

Per exemple, si una persona té una hemorràgia i perd 2 litres de sang, la quantitat de sang de l’organisme queda a un nivell tan baix que el cor no és capaç de bombar eficaçment, de manera que cau la pressió arterial i disminueix el flux de sang que arriba cap al múscul cardíac a través dels vasos coronaris, amb el que es debilita el cor, disminuint el bombament, una altra vegada produint una disminució del flux i afeblint tant fins que arriba un punt en què es produeix la mort.

Un altre exemple, que mostra que, de vegades, la retroalimentació positiva és útil és en moment del part: la dilatació del coll de l’úter provoca un augment dels nivells d’oxitocina, hormona que estimula les contraccions uterines i la dilatació del coll. A més contraccions, més dilatació i més oxitocina. A més oxitocina, més dilatació… i així fins que s’aconsegueix l’expulsió del fetus.

En el cas de retroalimentació positiva, la informació s’utilitza per activar els mecanismes de creixement que condueixen a un desajust de l’homeòstasi i a un moviment cap al canvi.

Bucles de retroalimentació negativa.

Quan una variable augmenta, provoca la disminució d’altra/es variable/s. Això comporta l’autoregulació del sistema fins a arribar a un equilibri. Els bucles de retroalimentació negativa són els estabilitzadors dels sistemes.

Per ex. retroacció insulina-glucagó per regular els nivells de glucosa.

Els sistemes que s’equilibren mitjançant l’existència d’un o més bucles de retroalimentació negativa es coneixen amb el nom de sistema homeostàtic. Els sistemes homeostàtics són molt abundants a la biosfera. Podem afirmar que la biosfera té una capaci­tat d’autoregulació molt important.

Per tant, quan un sistema utilitza la retroalimentació negativa, el sistema s’auto corregeix i torna a l’estat inicial (no canvia). Quan un sistema utilitza la retroalimentació positiva, el sistema passa a un altre estat (canvia).

vull tornar a l’índex del tema

2. La Terra com a sistema

El nostre planeta és un sistema tancat (intercanvia energia amb l’exterior però no matèria); rep un flux d’energia constant, la radiació electromagnètica solar, i emet a l’espai exterior energia, la radiació terrestre infraroja (calor). Aquest flux d’energia sosté al cicle de matèria.

Terra és un sistema tancat

Dins del “sistema Terra” es consideren quatre subsistemes: geosfera, atmosfera, hidrosfera i biosfera.

Tots aquests subsistemes són oberts, cada un d’ells intercanvia amb els altres matèria i energia. Per això constitueixen sistemes interrelacionats, interactuen, es relacionen establint un equilibri dinàmic de manera que el canvi en un d’ells repercuteix en els altres; qualsevol alteració en un d’ells té la capacitat de modificar a tots els altres. No són entitats aïllades sinó que funcionen com un tot, interaccionant en un conjunt complex.

Atmosfera: és l’embolcall gasós de la Terra, que es va originar per desgasificació de les roques durant la fusió del planeta primitiu. La seva composició original era molt diferent de l’actual: sense oxigen, amb gran quantitat de nitrogen i CO2 i enormes quantitats de vapor d’aigua. L’activitat fotosintètica dels éssers vius canviaria la seva composició de manera fonamental: va aparèixer l’oxigen i es va reduir la concentració de CO2 per la fixació durant la fotosíntesi.

Hidrosfera: és la capa discontínua d’aigua que envolta la superfície sòlida del planeta. Comprèn fonamentalment l’aigua líquida, continental i oceànica, i el gel glacial, encara que una petita quantitat forma part de l’atmosfera (vapor d’aigua) i dels éssers vius. La hidrosfera es va originar per condensació del vapor d’aigua de l’atmosfera en refredar el planeta. L’acció de l’energia solar sobre els oceans formats va iniciar el cicle de l’aigua. Com que gran part del CO2 atmosfèric passaria a causa de les precipitacions als oceans, dins l’aigua oceànica reaccionaria amb altres compostos i donaria lloc a les roques carbonatades com la calcària. Així l’atmosfera es va empobrir en CO2, mentre que el N2, menys reactiu i insoluble, quedaria com a component majoritari.

Geosfera: és la part sòlida del planeta, formada per un nucli dens i metàl·lic, un mantell rocós i una escorça de roques més lleugeres, a causa de la diferència gravitatòria dels materials terrestres. Per a nosaltres presenta especial interès la seva part més externa o litosfera, que comprèn tota l’escorça i part del mantell superior. La geosfera és una “esfera” dinàmica, moguda per l’energia interna que roman des dels seus orígens i la que es desprèn de certs elements radioactius presents en les seves roques internes. Aquesta energia interna és el motor de les plaques litosfèriques que en el seu desplaçament al llarg de la història terrestre han provocat la fragmentació continental i la formació de nous continents i oceans, fet que ha repercutit com veurem en el clima del planeta i en la distribució dels éssers vius.

Biosfera: està constituïda per tots els éssers vius del planeta i ocupa la part inferior de l’atmosfera, una part de la hidrosfera, i la part superior de la litosfera. La vida es va originar als mars primitius, rics en compostos orgànics fa aproximadament 3.500 m.a. Aquests primers organismes bacterians van ser procariotes, heteròtrofs i anaerobis i van anar evolucionant com a conseqüència de processos de mutació i selecció natural, adaptant-se a les canviants condicions ambientals i canviant-les en altres casos (veure hipòtesi Gaia), fins a originar les actuals formes de vida.

La dinàmica del sistema Terra 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 seva 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 instruments 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 l’anivellació del terreny.
  • La biosfera constitueix el subsistema més complex i dinàmic del planeta. En últim terme, la seva 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, físiques i químiques.

3. L’ésser humà i el medi

3.1. Recursos

Un recurs és un bé natural que pot tenir algun interès per a l’ésser humà. Aquest interès no ha pas de ser sempre de tipus econòmic, ja que es pot considerar,  per exemple, com a recurs la flora i la fauna d’un ecosistema, o un paisatge, sense pensar només en interès turístic.

Els recursos poden classificar-se en:

Renovables: aquell recurs que es renova a una velocitat tal que la demanda sempre és menor que la seva disponibilitat, o que la seva disponibilitat és tan gran que és impossible esgotar-la.

No renovables: aquell recurs que es renova a una velocitat menor que la seva demanda.

Els recursos també es poden dividir en:

Recursos energètics: aquells dels quals s’aprofita l’energia. Els principals  són els combustibles fòssils, els minerals radioactius i l’energia geotèrmica  (geosfera); l’energia hidràulica fluvial, la mareomotriu i la de les ones  (hidrosfera); i l’energia solar i eòlica (atmosfera). A la seva vegada, els  recursos energètics poden ser:

Energies convencionals, comprenen els combustibles fòssils, els minerals radioactius i l’energia hidràulica fluvial representen actualment les principals fonts energètiques i ocasionen certs  impactes en el medi.

Energies alternatives, que es caracteritzen per baixos o nuls impactes en el medi, així com pel seu caràcter renovable, però també per una baixa aplicació practica (tenen alts costos i baixa productivitat energètica).

Recursos no energètics, quan se n’aprofita una altra propietat diferent de  l’energia

3.2. Riscos