1. La ciencia y el método científico
La ciencia es el conjunto de conocimientos objetivos y verificables que se obtienen mediante la observación y la experimentación y con los que, tras un razonamiento sistemático y estructurado, se deducen principios y leyes.
El método científico es un procedimiento que, a través de una serie de pasos ordenados, permite llevar adelante un estudio, adquirir nuevos conocimientos o corroborar la veracidad de determinados fenómenos.
La palabra geología deriva de "geo" (tierra) y "logos" (tratado o conocimiento), en definitiva, la ciencia de la tierra.
La Geología es la ciencia que estudia la composición, estructura, dinámica e historia de la Tierra, incluyendo sus recursos naturales (energía, minerales, agua…) así como los procesos que repercuten en su superficie y, por tanto, en el medio ambiente.
La ciencia ambiental se define como la disciplina que estudia el manejo de los sistemas ecológicos y sociales para el beneficio y supervivencia de la vida en el planeta, así como el impacto que las sociedades llegan a generar sobre la estructura y el funcionamiento de los sistemas ecológicos y sociales.
1.1. Etapas del método científico
Las etapas o fases del método científico son:
a) Planteamiento del problema; Se parte de un problema o pregunta que tiene que resolverse en base a una observación en el campo o en laboratorio que se describe con detalle y se toman todas las medidas necesarias. A continuación es necesario recopilar toda la información relacionada con el problema.
b) Formulación de una hipótesis; Se establece una hipótesis que tiene que poder probarse, por una observación directa y contrastable experimentalmente, con un resultado correcto o erróneo.
c) Diseño de experimentos; Se realizarán experimentos que permitan comprobar si se cumple la hipótesis planteada. Para esto se preparan versiones simplificadas del problema (modelos) que nos permitan controlar y definir todas las variables importantes implicadas.
d) Interpretación de los resultados; Los resultados obtenidos experimentalmente tienen que ser analizados para comprobar si se confirma la hipótesis. Si no se confirmara la hipótesis decimos que ha sido refutada y debemos modificarla o plantear otra diferente. Si la hipótesis se ha comprobado correctamente se reflejará formulando principios, leyes o teorías.
e) Comunicación de los resultados; Una vez confirmada la hipótesis, se comunican los resultados a la comunidad científica. Esta comunicación debe incluir el enunciado del problema, su análisis, el detalle de las hipótesis formuladas y su discusión, el detalle de los experimentos realizados y el análisis de sus resultados, la descripción del modelo experimental empleado y las conclusiones obtenidas. Debe permitir que otros investigadores puedan realizar las pruebas en condiciones similares y se realiza en artículos de revistas científicas, tesis doctorales, ponencias en congresos científicos, ...
1.2 El trabajo científico
Podemos diferenciar dos lugares donde se desarrolla el trabajo científico:
a) Laboratorio (bata); es un espacio con los instrumentos y materiales necesarios para realizar experimentos de forma controlada y segura. Tiene la ventaja de que se controlan las variables que pueden afectar a nuestro experimento, se pueden realizar controles y es fácil realizar la toma y el registro de los datos.
b) Campo (bota); se trabaja in situ y a tiempo real. No podemos controlar las variables como en el laboratorio así que debemos diseñar y planificar la expedición con tiempo y teniendo en cuenta todos los factores posibles (tiempo, costes, personal). Realizaremos observaciones, tomas de datos e incluso recogidas de muestras (que deben hacerse con mucho cuidado y aportando toda la información posible).
1.3 Características del método científico
El método científico tiene las siguientes características definitorias:
a) Es empírico (se basa en la experimentación y la observación de hechos).
b) Es objetivo (no depende de la persona que realiza el estudio).
c) Es reproducible (el estudio dará los mismos resultados cuando lo realicen otras personas).
d) Es refutable (siempre es provisional y puede ser modificado o descartado completamente por estudios posteriores).
e) Es acumulativo (se construye en base al trabajo de científicos anteriores y servirá de base para el trabajo de científicos posteriores).
1.4 Modelos, leyes y teorías científicas
Un modelo científico es una representación teórica y simplificada de un fenómeno o sistema que nos sirve de ayuda para realizar experimentos o formular teorías.
Una ley científica es una proposición que refleja una hipótesis ampliamente confirmada y que suele plasmarse en una expresión matemática que nos permite hacer predicciones sobre el fenómeno.
Una teoría científica es un conjunto de conceptos, modelos y leyes científicas que intentan explicar un fenómeno o sistema complejo.
Existe la idea popular que una ley científica es lo que ocurre cuando una teoría científica se prueba al 100% porque la palabra “teoría” tiene otro significado cuando la usamos normalmente pero esto no es cierto. Cuando en ciencia usamos la palabra teoría no hablamos de una hipótesis (como ocurre cuando la usamos en el lenguaje cotidiano).
2. Ramas de la Geología
Como en otras ciencias, la Geología se divide en un conjunto de especialidades que pueden agruparse así:
a) Geología fundamental
b) Cristalografía: ciencia que estudia los cristales, sus formas, estructura interna y propiedades.
c) Mineralogía: ciencia encargada de la identificación de minerales y el estudio de sus propiedades físicas y químicas, origen y clasificación.
d) Petrología: estudio de las rocas, sus propiedades físicas, químicas, mineralógicas, espaciales y cronológicas y los procesos responsables de su formación.
e) Geoquímica: estudia el origen, distribución y dinámica de los elementos químicos, utilizando principalmente muestras de rocas y minerales.
f) Geodinámica Interna: estudia las transformaciones de la estructura interna de la Tierra en relación con las fuerzas que actúan en su interior, usando técnicas de prospección (técnicas geofísicas). Pueden diferenciarse:
g) Geología estructural: estudia los procesos que intervienen en la deformación de las rocas de la corteza terrestre.
h) Tectónica: estudia los procesos relacionados con las placas litosféricas.
i) Sismología: se encarga del estudio de terremotos y la propagación de las ondas sísmicas.
j) Vulcanología: estudio de los volcanes y fenómenos geológicos asociados.
k) Geodinámica Externa: estudia la acción erosiva y de modelado producida sobre la capa superficial de la Tierra a partir de los agentes atmosféricos externos (viento, aguas marinas y continentales, hielos, glaciares y gravedad) así como la posterior formación de rocas sedimentarias a partir de los materiales desprendidos.
l) Geomorfología: estudia el relieve y los procesos que lo generan.
m) Hidrogeología: estudia las aguas subterráneas (origen, circulación, condicionamientos geológicos y captación).
n) Geocronología: se encarga de establecer la sucesión temporal de acontecimientos geológicos.
o) Paleontología: estudia los seres vivos que han poblado anteriormente la Tierra, sus relaciones y distribución temporal, y lo hace mediante el estudio de los fósiles.
p) Estratigrafía: estudio e interpretación de las rocas sedimentarias estratificadas y de la identificación, descripción, secuencia (tanto vertical como horizontal), cartografía y correlación de las unidades estratificadas.
q) Sedimentología: estudia los procesos de formación, transporte y depósito de materiales que se acumulan como sedimentos en ambientes continentales y marinos y que normalmente forman rocas sedimentarias.
r) Geología aplicada: estudia aplicaciones de procesos geológicos relacionados con la energía, el medioambiente o los recursos, entre otros.
s) Edafología: (del griego edafos, "suelo", logía, "estudio", "tratado") es la ciencia que estudia la composición y naturaleza del suelo en su relación con las plantas y el entorno que le rodea.
t) Geología ambiental: estudio, diagnóstico y corrección de riesgos geológicos naturales o antropogénicos.
u) Geotecnia: estudia las propiedades del terreno para su aplicación a la obra civil.
3. Ámbitos de desarrollo profesional de la Geología
El grado de diversificación de la Geología y de sus aplicaciones prácticas es muy amplio. Estos son los principales sectores de empleo para profesionales de la geología:
A) Recursos naturales
· Energía. Industrias relacionadas con las energías renovables (geotérmica, hidroeléctrica, mareomotriz, eólica) y no renovables (energía nuclear, térmica, hidrocarburos).
· Minerales y metales estratégicos. Las industrias tecnológicas (telefonía, motores eléctricos, paneles solares, aerogeneradores) tienen elevadas necesidades de metales y minerales especiales. Lo mismo ocurre con la agricultura.
· Rocas industriales. La construcción de grandes infraestructuras y edificios demanda la extracción de enormes cantidades de rocas de diversos tipos (arena, caliza, pizarras, mármoles, granitos).
· Agua (Hidrogeología). Exploración y localización de acuíferos. Gestión sostenible de las aguas subterráneas y protección frente a la contaminación.
B) Construcción
· Obras públicas e infraestructuras. Su diseño y construcción eficientes (túneles, carreteras, ferrocarril, embalses, puertos) tienen una base geológica rigurosa.
· Obra civil (estudios geotécnicos para la construcción de edificios).
C) Medio ambiente
· Almacenamiento de residuos radiactivos y ubicación de vertederos de residuos sólidos urbanos.
· Planificación del territorio y estudios de impacto ambiental.
· Suelos contaminados y áreas degradadas.
· Calidad del aire.
· Gestión ambiental en todas las administraciones públicas.
C) Riesgos geológicos
· Protección ante riesgos sísmicos, volcánicos, inundaciones, tsunamis, deslizamientos del terreno.
D) Cambio climático
· Estudio de los cambios climáticos acaecidos en la Tierra en tiempos pasados para aplicarlo en la gestión de los cambios futuros.
· Captura y almacenamiento geológico de CO2.
E) Exploración planetaria
· Elaboración de criterios geológicos, determinantes en los programas espaciales.
· Formación de astronautas e investigadores para la exploración de los planetas más próximos a la Tierra.
F) Investigación, educación y divulgación
· Investigación en la Universidad y Centros Tecnológicos.
· Educación en todos sus niveles, incluyendo las enseñanzas media y superior.
· Comunicación-Divulgación científica (Gobiernos de distinto nivel, museos).
G) Patrimonio natural y cultural
· Conservación-Restauración de monumentos.
· Protección del patrimonio geológico (Parques geológicos) y minero.
· Conservación y gestión del patrimonio natural y del paisaje.
4. Ámbitos de desarrollo profesional de Ciencias Ambientales
Los ambientólogos tienen competencias comunes basadas en las asignaturas troncales estudiadas por todos y competencias adquiridas específicamente según el plan de estudios cursado. La Coordinadora Estatal de Ciencias Ambientales (CECCAA), basándose en los planes de estudio existentes y la experiencia acumulada durante los últimos años, ha elaborado un listado de competencias.
El campo laboral del ambientólogo es amplísimo:
a) Calidad ambiental: prevención y control de la contaminación.
b) Gestión ambiental en el sector público.
c) Ecogestión, ecoauditoría y ecoetiquetado.
d) Responsabilidad social corporativa.
e) Ecoeficiencia y ecoinnovación.
f) Asesoramiento científico y técnico sobre temas de sostenibilidad ambiental.
g) Asesoramiento, desarrollo y aplicación de la legislación ambiental.
h) Planificación, análisis y gestión de la biodiversidad.
i) Ordenación y gestión del territorio.
j) Estudio, análisis y gestión de los recursos naturales: agua, aire y suelo.
k) Salud ambiental.
l) Negociación, participación y mediación en conflictos ambientales.
m) Sensibilización, educación y comunicación ambiental.
n) Gestión del riesgo ambiental: riesgos naturales y antrópicos.
o) Planificación y gestión de la movilidad.
p) Evaluación y restauración de ecosistemas.
q) Gestión de residuos.
r) Gestión de recursos hídricos.
s) Interpretación, diseño y valoración del paisaje.
t) Prevención de riesgos laborales.
u) Construcción sostenible.
v) Evaluación ambiental estratégica y evaluación de impacto ambiental.
w) Economía verde.
y) Cambio climático y energía.
z) Docencia.
5. La investigación en las Ciencias Geológicas y Medio-ambientales
La Geología y las Ciencias Medioambientales se encuentran actualmente en auge debido a la necesidad de conseguir recursos naturales y hacer un uso sostenible de ellos y a la obligación de minimizar los problemas ambientales y los riesgos geológicos.
Los principales temas de investigación de estas ciencias son los siguientes:
a) El estudio geológico del terreno, que incluye el análisis de minerales, rocas y suelos y el estudio de las formas del relieve y su historia geológica.
b) Los procesos geológicos, hidrológicos y atmosféricos, como la tectónica de placas, el magmatismo, el metamorfismo, la orogénesis, el modelado del relieve, la diagénesis, la dinámica atmosférica, el ciclo hidrológico o el clima
c) Los riesgos geológicos derivados de las inundaciones. los deslizamientos y desprendimientos, los terremotos o la actividad volcánica, entre otros fenómenos.
d) La diversidad y la dinámica de los ecosistemas, así como la influencia del ser humano en su equilibrio.
e) Los problemas ambientales, como el agotamiento de los recursos naturales, la contaminación, la acumulación de residuos, la destrucción de los medios naturales, la extinción de especies o el cambio climático.
f) La gestión del planeta, mediante la planificación para un uso sostenible de los recursos naturales y el cambio hacia un modelo de desarrollo sostenible.
Para abordar estos temas, la geología y las ciencias medioambientales utilizan métodos de estudio directos e indirectos.
5.1 Métodos de estudio directos
Los métodos directos se aplican sobre las zonas del planeta a las que tenemos acceso (la atmósfera, la hidrosfera, la biosfera y la corteza terrestre). Son observaciones sobre el terreno o análisis de las muestras recogidas.
Los principales métodos de estudio directos son:
a) Los estudios sobre el terreno (in situ). Se llevan a cabo en el lugar de estudio. Las herramientas tecnológicas han aumentado mucho el alcance y la precisión de estas observaciones. Así se estudian:
– Los afloramientos de rocas, donde se pueden observar parámetros como su composición, su disposición, los pliegues y fracturas que los afectan, su grado de meteorización, los fósiles que contienen, etc.
– La hidrosfera. En las aguas superficiales, incluidos los océanos, se pueden estudiar directamente su estado o su dinámica, incluso a gran profundidad. A los acuíferos se puede llegar mediante perforaciones.
– La atmósfera y sus contaminantes se estudian mediante estaciones de medición situadas en superficie. En la actualidad, también se cuenta con medios aéreos que acceden a las capas más altas de la atmósfera.
– La biosfera. Se estudia directamente su diversidad, la distribución de las especies, los movimientos migratorios, la actividad de las plantas o del fitoplancton, los comportamientos, etc.
b) La recolección de muestras. Se pueden tomar partes de minerales, rocas, sedimentos, fósiles, agua, aire o seres vivos. Al recoger una muestra se registran la ubicación y la fecha de recogida, así como su disposición en la zona de estudio.
Los materiales situados a cierta profundidad, como rocas del interior de la corteza o hielo de los glaciares, se obtienen mediante perforaciones con un taladro hueco (sondeos rotatorios) que recogen muestras cilíndricas llamadas “testigos”.
También se pueden tomar muestras de materiales encontrados en minas (de cielo abierto o de galería) o de los materiales expulsados en las erupciones volcánicas.
c) El análisis de muestras en el laboratorio. Las muestras de rocas y minerales se someten a métodos fisicoquímicos cuya finalidad es determinar la composición y algunas propiedades como la conductividad, la dureza, la densidad, la estructura cristalina.
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Las muestras biológicas pueden ser sometidas a análisis in vivo, que observan la actividad vital del organismo estudiado, o a pruebas in vitro para revelar detalles sobre su bioquímica.
5.2 Métodos de estudio indirectos
Los métodos indirectos son técnicas que se aplican para estudiar partes del planeta a las que no podemos llegar, como el interior terrestre por debajo de los primeros kilómetros de la corteza.
Los principales métodos de estudio indirectos (pregunta importante) son:
a) El método gravimétrico. Consiste en medir, con un gravímetro, el valor real de la gravedad en un lugar, y compararlo con el valor teórico. Permite detectar anomalías gravimétricas debidas a la presencia de zonas más o menos densas que la media bajo la superficie terrestre. Se utiliza, por ejemplo, en la búsqueda de yacimientos minerales.
Las anomalías gravimétricas positivas se dan en zonas de la Tierra donde el manto está más próximo a la superficie, pues aquí la densidad es mayor (3,3 g/cm3). Sin embargo, en zonas donde la corteza está engrosada, las anomalías gravimétricas son negativas debido a la menor densidad de la corteza continental (2,8 g/cm3).
La densidad media de la Tierra es de 5,52 g/cm3 y la densidad media de las rocas de los continentes es de 2,7 g/cm3. Debido a esta discrepancia Wiechert postuló que en el núcleo terrestre debería haber materiales más densos.
Un mineral que respondería a esta mayor densidad y que es lo suficientemente abundante en el sistema solar es el hierro. La hipótesis de un núcleo de hierro explicaría la presencia del potente campo magnético terrestre.
b) EI método geotérmico. Implica medir el flujo térmico, es decir, el calor que emite el interior de la Tierra hacia la superficie. Este calor se origina a partir de la desintegración de elementos radiactivos y del calor residual de su formación.
En la parte de la corteza a la que podemos acceder el aumento de la temperatura con la profundidad se da a razón de unos 3º C cada 100 m (gradiente geotérmico). Valores mayores que la media esperada pueden ser síntoma de la presencia de masas de magma bajo la litosfera.
Por supuesto este gradiente disminuye con la profundidad o la temperatura en el núcleo sería demasiado alta. La relación de la temperatura y la presión explica las fusiones de los materiales a distintas profundidades.
c) El método magnético. Se lleva a cabo midiendo, con un magnetómetro, el campo magnético real de una zona y comparándolo con el valor teórico esperado. Así se detectan anomalías magnéticas positivas debidas a la presencia de yacimientos de rocas o minerales de hierro (que son magnéticos) o negativas.
d) EI método astronómico. Es el estudio de la composición de los meteoritos que caen a la Tierra. Se considera que estos cuerpos son restos de planetas que fueron similares a la Tierra pero se disgregaron en los primeros momentos de la formación del sistema solar. Así la composición de estos cuerpos se considera similar a la de las capas internas de la Tierra: los menos densos serían similares a las rocas de la corteza, los intermedios, similares a las rocas del manto, y los metálicos, de mayor densidad, similares a los materiales del núcleo terrestre.
e) EI método sísmico. Consiste en emplear redes de sismógrafos para realizar un seguimiento preciso de la trayectoria y la velocidad de propagación de las ondas sísmicas que atraviesan la Tierra cuando se produce un terremoto.
En la actualidad es tan preciso que se suele comparar con una especie de ecografía de la Tierra. Aporta mucha información sobre el estado físico, la densidad, la composición o incluso los movimientos de los materiales de las capas internas del planeta. Es el más importante de los métodos que usamos para estudiar las capas internas de nuestro planeta.
El estudio de la propagación de las ondas sísmicas por el interior terrestre facilita una información de gran interés sobre la naturaleza de los materiales que forman nuestro planeta, puesto que su velocidad de propagación depende de propiedades físicas como la densidad, la rigidez y la compresibilidad de los materiales que atraviesan.
ONDAS SÍSMICAS
En el hipocentro se generan dos tipos de ondas:
A) Ondas P o primarias; son las más rápidas, se propagan a velocidades de 6-13 km/s, y por tanto las que llegan antes. Las partículas vibran en la misma dirección en que se transmite la onda, por eso son ondas longitudinales.
La velocidad de estas ondas es mayor cuanto menor es la densidad de la roca y mayor cuanto más rígida es. Aunque se transmitan a menor velocidad, las ondas P pueden transmitirse en fluidos.
B) Ondas S o secundarias; son más lentas, se propagan a velocidades de 3-8 km/s. Las partículas vibran transversalmente a la dirección de propagación, por lo que son ondas transversales.
C) Ondas superficiales; son ondas que se desplazan por la superficie del terreno (salen del epicentro cuando llegan al mismo las ondas P y S). Son ondas de baja frecuencia y gran longitud de onda cuya acción conjunta es la responsable de los desastres producidos por los terremotos. No aportan información sobre la estructura del interior de la Tierra. Hay dos tipos: ondas Rayleigh (movimientos elípticos) y Ondas L o Love (movimientos transversales).
Las ondas sísmicas, como todo fenómeno vibratorio (luz, sonido, etc.), se refractan, es decir, cambian su dirección de propagación al pasar de un medio a otro donde la velocidad de propagación es distinta. La dirección de la onda refractada depende de que su velocidad de propagación aumente o disminuya al pasar de uno a otro.
El estudio de muchos sismogramas ha permitido conocer cuál es la trayectoria de las ondas sísmicas en el interior de la Tierra, así como la velocidad a la que se transmiten por las distintas capas de nuestro planeta.
Debemos mirar, por tanto, las dos gráficas al mismo tiempo -la de velocidades y la de trayectorias de las ondas sísmicas, para comprender bien lo que sucede con dichas ondas en el interior de la Tierra.
Como puede verse en el gráfico de velocidades, las ondas sísmicas van incrementando su velocidad según aumenta la profundidad hasta llegar a los 2 900 km de profundidad; por eso las trayectorias en ese tramo son cóncavas. Al llegar a los 2 900 km de profundidad suceden varias cosas:
· Las ondas P disminuyen bruscamente de velocidad, de ahí que su trayectoria se haga convexa.
· Las ondas S dejan de transmitirse; por eso, en la zona opuesta a donde se ha producido el terremoto solo llegan las ondas P.
· A causa del cambio de trayectoria, primero cóncava y, en los 2 900 km, convexa, se va a producir una zona de silencio sísmico (zona de sombra) en la que no se reciben las ondas sísmicas.
DISCONTINUIDADES SÍSMICAS
Las zonas internas de la Tierra donde las ondas sísmicas se reflejan y se refractan, es decir, aquellas que separan capas de distinta composición o diferente estado físico, se denominan discontinuidades sísmicas.
Según sea su importancia, podemos distinguir dos grupos:
A) Discontinuidades de primer orden. Son aquellas en las que las ondas sufren unos cambios de velocidad muy bruscos y fácilmente observables en todos los lugares de la Tierra:
· Discontinuidad de Mohorovicic; también denominada «Moho». Señala la separación entre la corteza y el manto. Varía entre los 35 km y los 70 km de profundidad bajo los continentes, y entre los 8 km y los 10 km bajo los océanos. Al atravesarla, tanto las ondas P como las S aumentan su velocidad.
· Discontinuidad de Gutenberg. Es muy nítida. Se encuentra a unos 2 900 km de profundidad y separa el manto terrestre del núcleo. En ella, las ondas P disminuyen su velocidad; en cambio, las ondas S dejan de transmitirse, de lo que se deduce que el núcleo externo se encuentra en estado líquido.
B) Discontinuidades de segundo orden. En ellas hay cambios de velocidad menos evidentes; se manifiestan mediante cambios en el gradiente de propagación (variación de la velocidad de propagación de las ondas sísmicas con relación a la distancia recorrida en profundidad):
· Discontinuidad de Repetti (zona de transición del manto). Está situada entre los 670 km y los 1 000 km de profundidad. Separa el manto superior del inferior. Aquí las ondas sísmicas sufren un fuerte aumento en su velocidad.
· Discontinuidad de Lehman (zona de transición del núcleo). Localizada entre los 4 900 km y los 5 150 km de profundidad, separa el núcleo externo del núcleo interno. Las ondas P sufren un importante aumento de velocidad, de lo que se deduce que el núcleo interno se encuentra en estado sólido.
5.3 Otras herramientas de estudio
Ya las hemos mencionado antes pero recordamos que hay otras herramientas muy útiles en el estudio geológico y ambiental como son:
a) Las representaciones gráficas: La representaciones gráficas de los datos obtenidos mediante los estudios permite visualizarlos de una forma que facilita la obtención de conclusiones.
Por ejemplo: los datos sobre las características geológicas de un lugar se resumen en mapas topográficos y geológicos, cortes geológicos y columnas estratigráficas...
b) Los modelos: Son representaciones de la estructura o de la dinámica del objeto de estudio, o de la forma en la que tiene lugar un proceso.
Por ejemplo, se pueden hacer modelos del clima de una zona, de un ecosistema, del proceso de formación de la Tierra y la Luna o de la estructura de la Tierra…
6. El estudio del sistema Tierra
Aunque la dinámica de sistemas se desarrolló inicialmente para el análisis de modelos económicos actualmente suele usarse para el estudio de la Geología y las Ciencias Medioambientales.
6.1 Los sistemas y la dinámica de sistemas
Un sistema es un conjunto de elementos o componentes que están funcionalmente relacionados entre sí, es decir, influyen unos sobre otros de modo que dan al sistema un comportamiento global.
Así, los sistemas son mucho más que la simple suma de sus componentes, ya que, gracias a las relaciones que hay entre ellos, el sistema adquiere unas propiedades emergentes, que no tiene ninguno de los componentes por separado.
Con el fin de estudiar los sistemas, el estadounidense Jay Forrester desarrolló un método que, en principio, se aplicó al mundo empresarial: la dinámica de sistemas.
La dinámica de sistemas es un método que estudia entornos complejos considerando las relaciones entre todos sus elementos y expresándolas en forma de modelos que permitan prever el comportamiento del conjunto.
Así, este método aborda el estudio de los sistemas desde un punto de vista global u holístico, en lugar de detenerse en el estudio individual de cada uno de sus elementos.
6.2 La modelización de sistemas
Los modelos son simplificaciones del sistema real en las que se seleccionan las variables de interés, se eliminan aquellas que no son objeto del estudio y se determinan las relaciones entre dichas variables.
Un buen modelo debe permitir realizar simulaciones y predicciones sobre el comportamiento del sistema en unas determinadas condiciones.
La modelización de un sistema se hace en tres pasos:
a) La elaboración de un modelo mental. Implica la elección de las variables de estudio tras observar el sistema.
b) La construcción de diagramas causales y diagramas de flujo del sistema, que reflejen las relaciones entre sus elementos.
c) La creación de un modelo formal matemático, estableciendo algoritmos para realizar simulaciones y predicciones sobre el sistema.
6.2.1. Las relaciones causales
Se establecen entre dos variables o elementos de un sistema, cuando el cambio de un elemento (la causa) produce una variación sobre el otro elemento (el efecto). Podemos distinguir:
A) Relaciones causales simples. Un elemento del sistema influye sobre otro sin que la variación de este segundo tenga efecto sobre el primero.
Pueden ser de tres tipos:
• Directas: La variación de un elemento causa la de otro elemento en el mismo sentido. Se representan mediante signos positivos.
• Inversas: La variación de un elemento causa la de otro elemento en sentido opuesto. Se representan mediante signos negativos.
• Encadenadas: Se producen entre más de dos elementos, entre los que se establecen relaciones sucesivas. Se pueden expresar como una única relación entre el primer y el último elemento, que será directa si el número de relaciones inversas es 0 o par, e inversa si el número de relaciones inversas es impar.
B) Relaciones causales complejas o bucles de retroalimentación. Un elemento del sistema influye sobre otro, que tiene a su vez un efecto sobre el primero. La causa provoca un efecto, que actúa a su vez como causa. Son consecuencia de relaciones encadenadas circulares, en las que el primer y el último elemento son el mismo. Pueden ser:
• Bucles positivos: Son desestabilizantes, ya que hacen que el aumento de una variable desencadene un aumento aún mayor de dicha variable, o viceversa. Estos bucles llevan al sistema a situaciones extremas. Por ejemplo, el aumento de una población con recursos ilimitados y reproducción sin control o el calentamiento global y la fusión de los polos.
• Bucles negativos: Son homeostáticos, ya que implican que el aumento de una variable provoque su propia disminución, o viceversa. Llevan al sistema al equilibrio. Por ejemplo, un sistema de calefacción o refrigeración regulado por un termostato o el bucle depredador-presa.
6.2.2. Los diagramas causales
Los diagramas causales son representaciones gráficas del modelo de un sistema. En ellos se indican, mediante flechas y símbolos, las relaciones causales que existen entre las variables del modelo.
Los diagramas de flujo se construyen a partir de los diagramas causales y son la base de los modelos matemáticos que se utilizarán para poder hacer simulaciones del sistema mediante algoritmos matemáticos.
Los avances tecnológicos han revolucionado la manera de trabajar en ciencias geológicas y ambientales, aumentando su eficiencia y revelando aspectos que en el pasado eran invisibles o indetectables.
a) La toma de datos: Aunque aún se realiza un trabajo de campo básico con mapa, libreta y brújula, en la actualidad se cuenta con barcos, aeronaves y satélites artificiales equipados con cámaras, radares, sonares y sensores de todo tipo que permiten obtener registros a distancia de zonas del planeta poco accesibles o de aspectos imperceptibles por nuestros sentidos.
b) El tratamiento de los datos: Los dispositivos electrónicos y sus sistemas informáticos son capaces de procesar los datos de una manera muy eficiente, de almacenarlos de forma sistemática y ordenada y de compartirlos en tiempo real para que varios equipos de investigación puedan trabajar con ellos.
c) Los modelos de simulación: A través del procesamiento de los datos, la tecnología actual puede establecer y vincular las relaciones causales en alguno de los complejos sistemas terrestres y aplicar algoritmos para crear modelos de simulación.
Así, existen modelos sobre el clima, sobre el crecimiento poblacional, sobre la evolución de la capa de ozono, sobre la pérdida de biodiversidad por las acciones humanas sobre el medioambiente, sobre la dinámica de un volcán, sobre riesgos sísmicos en una región, sobre la forma en la que se desplaza un glaciar, etc.
Los modelos que se aplican actualmente a los sistemas terrestres permiten prever su evolución con mucha precisión. Por ejemplo, un buen modelo sobre la evolución del clima permite realizar previsiones que pueden ser útiles para la agricultura, para el transporte o para evitar o minimizar los daños por desastres climáticos.
7.1. Los sistemas de posicionamiento global por satélite (SPGS)
Una herramienta básica en geología y ciencias medioambientales son los mapas. Para su elaboración, en la actualidad se han hecho imprescindibles los sistemas de posicionamiento global por satélite (SPGS o GNSS en inglés), como GPS, GLONASS, BEIDOU o GALILEO, ya que proporcionan datos precisos y fiables sobre la posición de un punto sobre el planeta.
Un SPGS es un sistema que nos permite conocer nuestra posición en cualquier lugar de la superficie terrestre, con gran precisión, en tiempo real y en cualquier condición meteorológica.
Los SPGS cuentan con “constelaciones” de satélites artificiales de tal manera que 5-8 de ellos siempre estén al alcance desde cualquier punto del planeta. El receptor que presenta el dispositivo que llevamos triangula las señales que emiten estos satélites permitiendo localizarlo en el mapa así como calcular su velocidad y trayectoria.
Además de utilizarse en cartografía para elaborar mapas muy precisos, los SPGS ayudan a las ciencias de la Tierra a ubicar fenómenos atmosféricos, a monitorizar el movimiento de los glaciares o de las placas litosféricas, a registrar el retroceso de acantilados, a registrar los movimientos migratorios de animales, a determinar el alcance de impactos ambientales, etc. Además, los SPGS son la base de los sistemas de navegación de la mayor parte de los vehículos actuales.
7.2 Los sistemas de teledetección
La teledetección es la observación y toma de datos a distancia de áreas de la superficie terrestre, gracias a sensores situados en aviones o satélites.
Todo sistema de teledetección debe contar con, al menos, tres tipos de componentes:
a) Sensores. Son equipos capaces de captar algún tipo de energía, como vibración (sonido, ondas sísmicas) o radiación electromagnética (radio, infrarrojos, luz visible, microondas, láser, etc.). codificar la información captada y retransmitir esa información para su proceso. Pueden ser activos (solo captan la energía que les llega) o activos (emiten energía y recogen su reflejo).
b) El vehículo de observación. Los sensores pueden situarse sobre la superficie terrestre para estudiar el interior de la geosfera, en barcos para estudiar las profundidades oceánicas y, más frecuentemente, a gran altitud (más de 800 km), sobre aviones o satélites.
c) El centro de recepción. Es un dispositivo que, mediante antenas, recoge la información digitalizada que manda el sensor, la procesa, la corrige y genera imágenes o gráficos que distribuye a través de un sistema telemático.
7.2.1. Tipos de sensores
Dependiendo del tipo de datos que sean capaces de captar existen sensores de varios tipos:
a) Los sensores multibandas o multiespectrales. Son sensores pasivos semejantes a cámaras, que captan las radiaciones que reflejan o emiten los objetos de estudio. Estos sensores recogen radiación en diferentes bandas de frecuencias del espectro electromagnético que no son absorbidas por la atmósfera. Sobre todo captan en estas:
· Luz visible (V), o región central. Contiene las frecuencias de los siete colores del arco iris de la luz del Sol.
· Infrarrojo (IR). La región del IR próximo (IRP) es útil para detectar masas vegetales; la del IR medio (IRM) es ideal para percibir la humedad de diferentes medios; y la del IR lejano o térmico (IRT) sirve para captar la presencia de seres vivos u otras fuentes de calor, como los incendios o el flujo geotérmico terrestre.
b) Los sensores de microondas. Son sensores activos. El más usado es el radar, que emite microondas y recoge la señal de retorno o reflejada. Captan datos sin necesidad de luz solar, pueden discriminar la distancia hasta el objeto estudiado, la textura de la superficie (si es lisa dispersa poco las microondas, mientras que si es rugosa las dispersa mucho) y pueden atravesar nubes, vegetación o incluso capas superficiales del terreno, para estudiar lo que hay debajo.
c) Los sensores LIDAR. Son sensores activos que emiten pulsos de láser y captan su retorno. No dependen de la luz solar y son más rápidos y precisos que el radar, ya que el láser apenas se dispersa.
Para que podamos visualizar e interpretar la información de los sensores, debemos transformarla en imágenes. Pueden ser:
a) Imágenes en escala de grises. El sensor asigna un valor a cada área mínima que puede detectar, en función de la cantidad de radiación que capta de ella. A cada una de esas áreas mínimas se le asocia un cuadrado de información o píxel, de un tono de gris proporcional a la intensidad de radiación captada.
b) Imágenes en color. Las imágenes monocromas generadas por los sensores se transforman en imágenes en color con la ayuda de un ordenador, combinando de varias formas las bandas del espectro. Las diferentes combinaciones de estas bandas para dar la imagen final permiten obtener distintos resultados según los aspectos que se quieran resaltar y estudiar.
La teledetección permite observar periódicamente la superficie terrestre y obtener un gran número de imágenes. Esto es muy útil para realizar mapas temáticos y para establecer comparaciones temporales y detectar variaciones en una zona concreta. Por citar algunos ejemplos, las imágenes obtenidas mediante teledetección se están aplicando a:
• El estudio de los usos del suelo.
• La monitorización del avance y el retroceso de los desiertos o de los glaciares.
• El estudio del cambio climático.
• La detección de impactos ambientales.
• Los estudios meteorológicos.
Los sistemas de información geográfica o SIG son programas informáticos que contienen una gran cantidad de datos de una zona, organizados en capas sobre un mapa digital.
Un SIG está formado por un conjunto de ordenadores, los programas informáticos y una base de datos que almacena, interpreta, analiza y presenta los datos geográficos.
La estandarización de todos los mapas en una proyección común permite gestionar fácilmente toda la información sobre un territorio: visores cartográficos, hidrografía, litología, usos del suelo, infraestructuras, etc.
Los SIG son herramientas muy potentes que nos permiten aplicarlos a muchos ámbitos, como la topografía, el urbanismo, la gestión de redes de saneamiento, de abastecimiento eléctrico, el control de compras o el paisajismo. Permite así mismo hacer seguimiento del cambio que sufren determinadas zonas y establecer predicciones mediante modelos.
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