El aprendizaje de cualquier ciencia tiene cuatro puntos de partida

Geodinámica Externa LG-IG 2007-08
1. Introducción
Tema 1. Introducción
TEMA 1. INTRODUCCIÓN
1
APRENDER UNA CIENCIA
1
¿QUÉ ES LA GEOMORFOLOGÍA?
4
¿Qué es la Geomorfología?
4
¿Qué hacen los geólogos?
4
¿Qué hacen los geógrafos? (o en qué se diferencian de los geólogos)
4
¿Qué hacen los geomorfólogos?
5
Otros profesionales
6
¿Qué es necesario para “practicar” la Geomorfología?
7
¿Para qué sirve la Geomorfología?
8
FUENTES DE ENERGÍA, RELIEVE Y PROCESOS MORFOGÉNICOS
9
Energía endógena y relieve
10
El Agua en la Superficie
10
TEORÍAS DE SISTEMAS, UMBRALES Y CATÁSTROFES… Y LOS NUEVOS ENFOQUES EN
GEOMORFOLOGÍA
12
Equilibrio
15
Cambio y evolución en los sistemas naturales
15
Umbrales y Teoría de Catástrofes
17
COMENTARIO FINAL
17
Aprender una ciencia
El aprendizaje de cualquier ciencia tiene cuatro puntos de partida fundamentales:
1.
2.
3.
4.
1.
2.
El marco conceptual en el que se desarrolla la ciencia.
Los métodos de trabajo (herramientas teóricas o físicas).
Los conocimientos actuales (o resultados aceptados de la investigación).
Los problemas pendientes (las interrogantes que más preocupan a los profesionales de dicha ciencia).
El marco conceptual, las teorías generales (situadas en un plano superior a la ciencia en cuestión) e incluso el
marco histórico o social, condicionan los objetivos, los métodos y los resultados de cada ciencia. Por ejemplo, la
biología moderna tendría otros objetivos si no existiesen la teoría de la evolución o las teoría genéticas básicas.
Los métodos de investigación también condicionan los objetivos resultados de la investigación. Además, y esto
es muy importante, el aprendizaje de una ciencia como profesión tiene por objetivo el dominio de estos métodos
para poder enfrentarse a la solución de los problemas pendientes de esa ciencia y diseñara investigaciones nuevas.
Se pueden contar los resultados de la ciencia sin conocer los métodos utilizados para resolver los problemas, pero
esto se llama divulgación. El verdadero científico, en cualquier campo, necesita conocer el camino que hay entre
cualquier pregunta y una respuesta aceptable; esta es la forma de buscar caminos ante nuevas preguntas. Por
ejemplo, se puede leer que en la cueva de Atapuerca se han encontrado restos del homínido más antiguo de Europa,
se puede saber todo sobre esos restos y haber estudiado las interpretaciones sobre su modo de vida, pero no se es
por ello investigador; para serlo, es necesario conocer como se ha llegado a esas interpretaciones y es imprescindible
estar en condiciones de diseñar pruebas que verifiquen o refuten esas interpretaciones.
En resumen, debe conocer las herramientas.
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1. Introducción
3.
Los conocimientos o resultados de la investigación son, a pesar de lo anterior, una parte fundamental de la ciencia,
además de ser la parte más frecuentemente divulgada. Su conocimiento es esencial para el científico porque, de lo
contrario, cualquier investigación debería partir de cero.
Estos conocimientos previos son utilizados por el científico moderno de dos formas bien distintas:
Aquellos conocimientos más próximos a su especialidad son continuamente sometidos a verificación. De hecho, para la
mayoría de los científicos la pregunta a resolver es sólo esa: si la interpretación de otro es cierta o no. Sólo algunos
científicos llegan a plantear interpretaciones realmente nuevas de los hechos, el resto debe conformarse con ese trabajo
de comprobar, encontrar evidencias o rebatir.
a) Los conocimientos más amplios, aquellos que proceden de ciencias más alejadas son siempre un recurso de
ideas (analogías, comparaciones, etc.) para el investigador.
Para el profesional, que aplica su ciencia en la industria o la administración, el esquema es el mismo. Pero los métodos de
investigación deben conocerse con otro objetivo. En una situación teórica, el profesional no tiene que enfrentarse a
problemas nuevos (si se encuentra con ellos, probablemente recurra a la ayuda de un especialista) sino saber como se han
resuelto problemas análogos a los que le debe resolver.
Además, el profesional suele tener un grado de especialización algo menor, y debe ser más versátil, porque su actividad
no suele permitirle trabajar suficiente tiempo en un mismo asunto.
En Geomorfología, es muy frecuente empezar un curso básico por un repaso al marco conceptual y continuar por una
descripción de las formas del relieve y los procesos que las generan; esto es, por un repaso a los conocimientos actuales
de la Geomorfología. La primera parte puede parecer aburrida y muchos profesores la desechan y los métodos de trabajo
son a menudo ignorados por falta de tiempo o de interés. En cualquier caso, ese curso “típico” de Geomorfología
merece algunas críticas:
1.
2.
3.
Dedicar el 80% o más del curso a describir formas y procesos tiene varios problemas:
• requiere, para hacerse con eficacia, mucho material gráfico,
• buena parte de la descripción puede suplirse con el estudio y la biblioteca,
• cualquier descripción es siempre incompleta,
• lo que se llama descripción de formas y procesos es, en realidad, el relato de interpretaciones.
Dedicar una parte (entre el 20% y el 40%) al marco conceptual puede resultar inadecuado (y poco motivador) en
grupos de estudiantes con escasa formación científica.
Abandonar la enseñanza de los métodos implica quedarse en la divulgación y renunciar a la formación de verdaderos
científicos.
La dificultad está en encontrar el equilibrio entre las tres partes, seleccionar lo esencial (dentro de los límites del curso) y
transmitir la interacción entre esos tres aspectos de la investigación.
Lo que sigue es una posible lista de los “contenidos” de los tres apartados en un curso de Geomorfología. No es una lista
exhaustiva, ya que ningún curso de duración “normal” lo permitiría, y tampoco es tan básica que deba completarse
necesariamente. Los cánones de referencia raramente son aceptados más que por su autor I .
1.
Marco conceptual
• Teorías marco de investigación
I
En 1992, el presidente de la Asociación Internacional de Geomorfología, Prof. Denis Brunsden, propuso ante el
congreso de la asociación en Hamilton (Ontario, Canadá) unos “Diez Mandamientos del Geomorfólogo”. La respuesta
fue una lluvia de críticas llegadas de todo el mundo.
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2.
3.
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• Teoría de Sistemas.
• Teoría de Catástrofes.
• Marco social contemporáneo
• Interés por la ciencia aplicada.
• Preocupación (práctica) y ética ambientales.
• Globalización.
• Marco histórico de los conocimientos aceptados
• Teoría de la Evolución.
• Tectónica de Placas.
Herramientas y métodos
• Observación (campo, fotografía y fotografía aérea, satélite, mapas).
• Descripción (texto, mapa, corte, bloque, etc.).
• Medida (morfometría, cambios, procesos).
• Datación (relativa o absoluta).
• Métodos de suplantación espacio-tiempo.
• Predicción (empírica, estadística, etc.).
Conocimientos (el programa “clásico” de Geomorfología de los procesos y las formas)
• Factores de control del relieve (tiempo, estructura y procesos).
• Creación y modelado del relieve.
• Agradación y degradación.
• Herencia.
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1. Introducción
¿Qué es la Geomorfología?
¿Qué es la Geomorfología?
Explicar qué es la Geomorfología es la forma habitual de comenzar cualquier asignatura. Ante una pregunta parecida, un
antiguo profesor de esta Facultad, el prof. Amorós, citaba dos respuestas:
P.- ¿Qué es la Ciencia?
R1.- Ciencia es cualquier cosa así considerada por una autoridad competente.
R2.- Ciencia es lo que hacen los científicos.
Como el concepto de “autoridad competente” no está nada claro, parece mejor acudir a la segunda respuesta. Como la
mayoría de los geomorfólogos son geólogos o geógrafos, es conveniente empezar por entender las diferencias entre
ambos.
¿Qué hacen los geólogos?
Los geólogos estudian el planeta Tierra. Esto significa describir, reconstruir su historia (origen, causas, evolución),
predecir su evolución (los cambios y procesos del futuro). El orden en el que se han expuesto estos objetivos es una
forma muy escueta de contar la historia de la Geología. De hecho, la escasa capacidad predictiva de la Geología ha sido
siempre una de las características más utilizadas para criticarla. No se trata de defender la falta de predicciones, sino su
escala “poco” precisa en el tiempo y en el espacio. No debemos nunca olvidar que la ciencia moderna no se entiende si
no hace predicciones verificables, porque este tipo de predicción es la única forma de comprobar la veracidad de la
investigación científica (propiedad que se conoce como falsabilidad).
En estos objetivos se incluyen todas las partes del planeta. Sin embargo, los geólogos han prestado generalmente más
atención a las partes sólidas y el estudio de las partes fluidas (atmósfera e hidrosfera) ha sido siempre más interdisciplinar.
¿Qué hacen los geógrafos? (o en qué se diferencian de los geólogos)
La Geografía estudia también la Tierra. Pero a diferencia de la Geología, existe una Geografía Física y una Humana. Los
geógrafos estudian de la superficie terrestre y de las capas fluidas sin olvidar la descripción de los asentamientos humanos
y sus construcciones. También describen los procesos superficiales, incluidos los procesos humanos (migraciones, usos
del territorio, etc.). La reconstrucción del pasado ha sido menos frecuente entre los geógrafos físicos, aunque los
geógrafos humanos sí hacen historia y, por tanto, retrospección. En cuanto a la predicción, lo geógrafos no la tenían
entre sus objetivos mientras fueron considerados humanistas, pero la practican desde que se incorporaron al campo de
las ciencias de la Tierra.
La diferencia entre geógrafos y geólogos depende de la formación recibida. En España o Francia, las facultades de
Geografía provienen de facultades de humanidades y la formación en Geografía Física ha recibido un trato secundario
(del que a menudo se quejan los Geógrafos Físicos). En otros países, como Gran Bretaña o Estados Unidos, los
geógrafos físicos han recibido siempre una formación científica muy parecida a la de los geólogos, aunque más dirigida
hacia los aspectos relacionados con la superficie terrestre. Hoy en día, en el campo de la Geodinámica Externa y la
Geomorfología, geólogos y geógrafos trabajan juntos muy a menudo.
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1. Introducción
¿Qué hacen los geomorfólogos?
Los geomorfólogos estudian el relieve, es decir, la geometría de la superficie que
separa la Tierra sólida de la hidrosfera y la atmósfera. Esta superficie es bastante
difícil de definir según la escala de observación porque el aire y el agua penetran
en el suelo (en sus poros) y, en detalle, la superficie no es la que observamos a
simple vista. Pero es la superficie “visible” a escala del ojo humano la que
configura el relieve de cualquier territorio, lo que habitualmente llamamos la
superficie terrestre. De todas formas, el estudio de esta superficie puede
realizarse de muchas formas, y la manera de enfrentarse a ello por cada
profesional no hace entender mejor los objetivos de la Geomorfología.
Ante un relieve como el representado en la figura, cada profesional (no sólo
científico, como veremos a continuación) actúa de diversa forma en ese proceso de descripción, reconstrucción y
predicción porque sus objetivos, sus conocimientos previos y sus herramientas son muy diferentes.
El geólogo general podría redactar una explicación de este estilo:
“aquí hay una falla inversa (que indica una compresión en la dirección AB) que pone en contacto un bloque levantado
(por ejemplo, unas rocas graníticas de edad paleozoica) con una serie sedimentaria posterior. La falla está fosilizada por
una formación superficial (un cono de deyección posterior a cualquier fase de deformación que pueda detectarse)”.
Aparte de esta explicación, el geólogo
presentaría un mapa geológico del estilo del de
la figura, con una leyenda y con el relieve
representado por curvas de nivel, si están
disponibles (pero estás no serían una parte
imprescindible).
Gneises (Cámbrico)
Granitoides (Carbonífero)
Areniscas (Neógeno)
Conglomerados y arenas
Algo importante, el mapa no tiene sentido (es
(Cuaternario)
inútil) sin esa leyenda que, además, se caracteriza
0
X Km
por tener las distintas unidades ordenadas en el
tiempo. Porque el mapa geológico es un documento histórico (de hecho, el párrafo entrecomillado, si se lee con cuidado,
encierra una sucesión de acontecimientos ordenados en el tiempo). Algo característico de la Geología es que sus
explicaciones son siempre históricas.
En resumen, el geólogo explicaría la historia de unos materiales y una estructura. En esa historia el relieve es algo
accesorio, que bien podría no aparecer en la descripción gráfica o escrita.
El tectónico (un geólogo especializado en un tipo de procesos) diría probablemente que puede detectar tres fases de
deformación:
1. La que produce, por metamorfismo, los gneises,
2. La que produce la intrusión de los granitoides y
3. La que produce la falla inversa, aunque esta falla ha podido funcionar en varias ocasiones.
El cuaternarista (un especialista en un periodo de la historia geológica) se preocuparía sólo del depósito de
conglomerados. Lo describiría como un cono de deyección, definiría varios episodios en su formación, probaría varios
métodos de datación para conocer la edad de formación de cada una de sus partes, y trataría de reconstruir las
condiciones ambientales de formación de cada episodio.
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1. Introducción
El geomorfólogo (un especialista en un fragmento del planeta) clásico haría una interpretación del estilo de la siguiente y
la acompañaría de un mapa similar al de la figura:
“Se trata de dos planicies de arrasamiento (cortan a los materiales subyacentes) separadas por un escarpe de línea de falla.
La falla afecta a los materiales cenozoicos. La superficie superior (1) arrasa a los materiales más antiguos y, por tanto es
post-cámbrica. La superficie inferior corta a los materiales cenozoicos. La falla está fosilizada por un cono de deyección
formado a la salida de una garganta
torrencial encajada en el escarpe.
Superficie de arrasamiento 1
Probablemente, la garganta y el cono
son la respuesta al funcionamiento de
Superficie de arrasamiento 2
la falla en algún momento, aunque
puede haber otros condicionantes
Escarpe de línea de falla
climáticos. El cono de deyección es
posterior a la falla y, a falta de otras
Cono de deyección
dataciones, puede considerarse de
edad cuaternaria”.
Borde superior de escarpe (convexo)
Borde inferior de escarpe (cóncavo)
La principal diferencia respecto las
0
X Km
descripciones anteriores es la
importancia que se concede al relieve. Además, un geomorfólogo más moderno que el autor del párrafo precedente,
intentaría medir los procesos actuales.
De hecho, en la geomorfología moderna, la reconstrucción de la historia del relieve se abandona a menudo y la
investigación se centra en medir los procesos que están funcionando, su magnitud, frecuencia y su efecto sobre el relieve.
Muy probablemente, el geomorfólogo moderno podría olvidarse de una descripción como la citada antes y escribir algo
así como:
“Se trata de un sector interesante porque permite medir las relaciones entre la actividad de una falla (su salto y velocidad
de desplazamiento), la creación de un escarpe entre dos fragmentos de superficie aproximadamente horizontal, las tasas
de erosión del escarpe, las de sedimentación al pie de éste y las tasas de extracción de sedimentos de la cuenca.”
Puede ser exagerado, pero tampoco se aparta demasiado de un posible escrito publicado en una revista de elevado
impacto.
La mayoría de los geomorfólogos actuales (ni antiguos ni modernos) prefieren adoptar posturas intermedias. Tratan de
entender el relieve actual estudiando los procesos activos, los procesos antiguos y la herencia que nos han dejado (el
relieve heredado). Este tipo de postura es muy razonable porque no debemos olvidar que los procesos actuales (los que
están modelando el relieve y afectándonos ocasionalmente en forma de riesgos naturales) actúan sobre un relieve
producido por la dinámica tectónica y superficial antigua, a veces, muy antigua.
Otros profesionales
Aunque pueda parecer excesivo, no debemos que otros profesionales prestan atención al relieve desde puntos de vista
cercanos o muy alejados de los de la Geología. Hoy en día no es extraño que un geólogo acabe trabajando con un
licenciado en Bellas Artes en el diseño de un centro de interpretación de la Naturaleza, de forma que conviene mantener
una actitud abierta. Veamos algunos ejemplos:
El topógrafo mide la geometría de la superficie y la representa mediante símbolos (sin ninguna explicación en texto salvo
las leyendas). Mientras un mapa geomorfológico representa la geometría del relieve para explicar la génesis y
funcionamiento de los procesos de formación de relieve, el topográfico sólo lo describe.
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El pintor de paisajes representa en un plano lo que ve frente a el, lo que el paisaje le sugiere o le hace sentir o un paisaje
imaginado. Para este pintor, el objetivo es comunicar sus sensaciones mediante un documento gráfico, sin texto alguno,
hasta el punto de no ofrecer leyenda alguna.
El escritor es una mezcla curiosa: puede representar un relieve o un paisaje, real o imaginado, como el pintor, pero
renuncia a otro símbolo que el lenguaje. De este modo su descripción, que puede incluir mucha información sobre lo que
allí pasa (los procesos) se parece a una leyenda sin mapa de forma que el lector debe disponer en el espacio su
interpretación del texto.
¿Qué es necesario para “practicar” la Geomorfología?
La Geomorfología es practicada en todo el mundo por geólogos y geógrafos (siempre que tengan formación en
Geografía Física, esto es en Geología). Todos ellos conocen los principios básicos del trabajo en Geología (tiempo
geológico, actualismo, superposición, etc.), tienen conocimientos sobre los procesos y relieves más frecuentes, manejan
los métodos de investigación y conocen el marco conceptual que determina los objetivos de la investigación
geomorfológica. Con este párrafo queda justificado el texto del capítulo uno y doy una pista sobre el enfoque del curso.
Tabla 1. Relación entre la Geomorfología y otras ciencias (según Summerfield,1991)
EJEMPLO DE CONTRIBUCIÓN
EJEMPLO DE CONTRIBUCIÓN A LA
DISCIPLINA
GEOMORFOLOGÍA
GEOMORFOLOGÍA
Geofísica
Sedimentología
Geoquímica
Hidrología
Climatología
Edafología
Biología
Mecanismos
y
velocidades
de
levantamiento del relieve
Reconstrucción de episodios erosivos
antiguos a partir de una secuencia
sedimentaria
Tasas y naturaleza de las reacciones
químicas en la alteración de rocas
Frecuencia e intensidad de las
inundaciones
Efecto de los elementos climáticos
sobre las velocidades y naturaleza de los
procesos geomórficos
Efecto de las propiedades del suelos
sobre la estabilidad de vertientes
Efecto de la vegetación sobre las tasas
de erosión
Ingeniería
DE
LA
Respuesta erosiva de la superficie al
levantamiento
Geometría de los canales para la
interpretación de sedimentos fluviales
Movilización
de
elementos
en
ambientes de la superficie terrestre
Organización de sedimentos en los
canales
Efecto de los depósitos superficiales y
el relieve sobre el clima.
Control topográfico de los procesos de
formación de suelos
Control
topográfico
sobre
los
microambientes y el crecimiento de las
plantas
Identificación de formas de relieve
indicadoras de inestabilidad
Interpretación de relieves planetarios
por analogía con los terrestres
Técnicas de análisis de la estabilidad de
laderas
Geoplanetología
Contexto
para
entender
las
características de ambientes terrestres
donde se generan formas de relieve
Además, la Geomorfología es una ciencia interdisciplinar. Por ello es necesaria la colaboración con expertos de otros
campos. Summerfield (1991) sugiere la siguiente relación entre la Geomorfología y otras ciencias. Lo interesante es que, a
diferencia de otras tablas similares, ésta incluye aportaciones en los dos sentidos.
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1. Introducción
¿Para qué sirve la Geomorfología?
Todas las ciencias tienen una utilidad básica y varias secundarias. La utilidad básica, el objetivo mismo de la Ciencia, es
satisfacer el deseo de conocimiento, entender el mundo. Las utilidades secundarias son todas las formas de obtener
beneficio de ese conocimiento.
En todo caso, la Ciencia moderna no se entiende sin sus fuentes de financiación y, habitualmente, la ciencia básica recibe
pocos fondos si nadie cree que habrá otros beneficios además de la adquisición de conocimiento. Así se ha llegado a una
situación en la que los efectos teóricamente secundarios de la Ciencia son los que “mantienen” a la investigación básica.
Este asunto es muy importante, porque tiene un profundo calado ideológico y político. Mientras la Ciencia fue financiada
por dinero privado procedente de mecenas o de los propios científicos (que al principio fueron siempre aristócratas
pudientes), la ciencia no tenía que dar cuentas a la sociedad de sus resultados. Esto tenía la ventaja de mantener una
exploración muy abierta, pero el inconveniente de impedir el acceso de cualquiera, es decir, ser una ciencia muy poco
democrática y muy clasista.
Pero cuando la Ciencia empezó a depender de dinero público (contribuyente que pagan impuestos en contra de su
voluntad), la sociedad empezó a pedir a los científicos resultados “rentables” y a dirigir la investigación hacia los campos
más “interesantes”.
Eso también explica la historia de la Geomorfología. El conocimiento de la superficie terrestre, su exploración y su
descripción, la reconstrucción de su historia eran actividades que reportaban conocimiento y una profunda satisfacción a
los primeros “naturalistas”. Pero eran también actividades que no aportaban a la sociedad más que satisfacción por el
conocimiento. Esa primera Geomorfología era obra de privilegiados y aristócratas que muy a menudo financiaban su
propio trabajo con sus fortunas. La primera Geología, en cambio, se dedicaba a la búsqueda de minerales (una Ingeniería
de Minas) y en consecuencia tenía un porte mucho menos noble que, sin embargo, encontró financiación en todas las
sociedades (desde las monarquías absolutas a las democracias burguesas).
Desde principios del siglo XX, la Geomorfología empezó a depender de los impuestos y, a cambio de su democratización
y de permitir entrar en sus filas a científicos de clase media, tuvo que ofrecer algunos resultados útiles.
¿Qué aporta actualmente la Geomorfología a la sociedad? Empecemos por una lista de temas que pueden tener más o
menos interés para cada parte de la sociedad pero que, en todos los casos, mueven un campo económico y se relaciona
con las demás de manera muy diversa:
1.
2.
3.
Conocimiento y divulgación del conocimiento en una época de la Historia en la que la sociedad desea “saber” y estar
informada.
Información básica para la investigación en otros campos:
- Hidrogeología
- Geología regional
Información básica para algunas actividades de la estructura social, económica y política:
- Planificación del Territorio (en especial en la detección, prevención, predicción y control de riesgos)
- Ingeniería Geológica
- Minería
El primer grupo puede parecer poco relevante desde el punto de vista práctico, pero no debe olvidarse que la cultura y el
turismo son dos actividades muy importantes en los países desarrollados, tanto desde el punto de vista de satisfacer la
demanda social como desde la perspectiva económica.
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1. Introducción
En cuanto al segundo grupo, buena parte de la investigación básica en Geología depende de un buen reconocimiento del
relieve, y la relación con otras ciencias es bastante amplia, como hemos visto en la tabla 1.
Que el campo número 3 sea el de más evidentes implicaciones económicas es sólo una visión parcial. Pero, en todo caso,
es cierto que muchas actividades humanas están condicionadas por el relieve y los procesos superficiales de modo que
estos parámetros acaban por condicionar en gran medida el funcionamiento de las sociedades modernas.
PLANETA TIERRA
Fuentes de energía, relieve y procesos morfogénicos
ATMÓSFERA E
HIDROSFERA
En líneas generales, la Tierra puede considerarse un
sistema cerrado puesto que hay un constante
intercambio de energía con el exterior mientras que el
intercambio de materia es prácticamente despreciable,
al menos a la escala de tiempo de los procesos
geomórficos más frecuentes 1 .
Si consideramos la superficie sólida, donde se
producen los procesos geomórficos, como un sistema,
se trata entonces de un sistema abierto, puesto que
hay intercambio de energía, con el exterior y el
interior del planeta, y de materia, con el interior. El
intercambio de energía es el motor de buena parte de
la dinámica superficial y conviene entender la relación
entre las fuentes de energía y los procesos implicados
SUPERFICIE
TERRESTRE
INTERIOR
TERRESTRE
en la configuración del relieve.
FLUJO GEOTÉRMICO
TECTÓNICA
VOLCANISMO
ENERGÍA SOLAR
+ GRAVEDAD
RÍOS
VIENTO
GLACIARES
MOVIMIENTOS EN MASA
METEORIZACIÓN
ISOSTASIA
DESTRUCCIÓN DE
RELIEVE
CREACIÓN DE
RELIEVE
La energía gravitatoria de la superficie de la Tierra tiene una distribución heterogénea. Se ha definido una superficie
teórica equipotencial (de igual energía potencial gravitatoria) en la que la atracción gravitatoria es igual en todos los
puntos: el geoide.
No debe olvidarse que, a otras escalas temporales, la entrada de asteroides ha podido jugar un papel importante
en la evolución de los sistemas terrestres, tanto exógenos como endógenos.
1
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1. Introducción
El relieve 2 de la superficie terrestre es el resultado de la interacción de procesos que crean irregularidades en el geoide y
otros que tienden a eliminar las irregularidades. La mayor parte de los procesos que crean irregularidades, es decir,
aumentan o disminuyen la energía potencial de un lugar, son movidos por energía procedente del interior del planeta 3 .
Estos procesos son conocido como procesos endógenos (tectónica, volcanismo, isostasia) y, al crear irregularidades
respecto al geoide, se dice que crean relieve 4 . En cambio, la energía solar y la energía gravitacional se combinan para
reducir las irregularidades mediante una serie de procesos que, por su fuente de energía, se denominan procesos
exógenos.
TECTÓNICA
VOLCANISMO
ISOSTASIA
EROSIÓN Y SEDIMENTACIÓN
Como la energía, de origen endógeno o exógeno, llega a la
superficie con una distribución heterogénea, se crean gradientes de
energía potencial o térmica que son el motor de la circulación de la
atmósfera y la hidrosfera. Esta circulación arrastra materiales
detríticos o en disolución y, junto a los procesos de vertiente (que
no necesitan al aguan o el aire como vehículos), produce el
transporte de materiales y la redistribución de energía.
La figura (basada en Summerfield, 1991) muestra los efectos de los
principales procesos endógenos y exógenos sobre la creación de
elevación o energía potencial sobre el geoide.
Energía endógena y relieve
SUBIDA Y BAJADA NIVEL DEL MAR
La fuente endógena de energía es fundamentalmente el flujo
geotérmico. Este calor es el que hace funcionar todo el sistema de
tectónica de placas litosféricas y contribuye así a la creación de
relieves. Un esquema con las grandes unidades morfológicas de la
Tierra da una buena idea de la relación entre tectónica de placas y
relieve.
El Agua en la Superficie
La tabla refleja la cantidad de agua contenida en los principales
almacenes exógenos. El agua oceánica constituye el 97,3% de toda el agua disponible. Aunque su intervención como
agente geomórfico directo está limitado a la acción del oleaje y las mareas en las costas, la circulación oceánica ejerce un
papel importante como regulador en el sistema climático. Tampoco son agentes geomórficos directos importantes las
aguas superficiales o los lagos, a pesar de la cantidad de agua que contienen.
ALMACEN
VOLUMEN
%
La palabra relieve tiene varias acepciones en relación con la Geomorfología. En el Diccionario de uso del
español de María Moliner, relieve es “cualquier parte saliente en la superficie”. Esta acepción se usa cuando decimos “la
sierra de Guadarrama es un relieve que ha dificulta la comunicación entre las dos mesetas”. Pero, en Geomorfología y en
el lenguaje común, aunque no lo digan los diccionarios, también usamos la palabra relieve para referirnos a la geometría
de la superficie terrestre. Eso es lo que queremos decir con frases como “el relieve de la península Ibérica es muy
accidentado”, “estamos estudiando la evolución del relieve de esta región” o “el relieve influye en la riqueza de una
región”
3
¿Cuáles son las fuentes de energía del interior de la Tierra?
4
¿A qué acepción de la palabra relieve se hace mención en esta frase?
2
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1. Introducción
Océanos
Glaciares (Criosfera)
Aguas subterráneas (hasta 800 m de profundidad
1230000000
28600000
4000000
97,39865
123000
127000
1200
0,00974
0,00095
0,00010
100
Lagos (de agua dulce)
Atmósfera
Ríos
TOTAL
0,31674
Según el U.S Geological Survey y Botkin & Keller, 1995
Lagos
0,009%
Continentes
3%
Océanos
97%
Aguas
subter.
12%
Atmósf.
0,0009
%
Ríos
0,0001
%
Glaciar
88%
Los glaciares, a pesar de estar situados sólo en las regiones
polares y montañosas, son agentes erosivos muy potentes. A
esto de (y no debe olvidarse que su extensión ha variado
notablemente en distintos momentos de la historia
geológica. Además, los glaciares de montaña actúan en las
regiones con mayor energía del relieve del planeta, de modo
que afectan sustancialmente al balance global de erosión y
sedimentación.
A pesar de su pequeño volumen, los ríos constituyen el
principal agente de transporte en las regiones templadas e
intertropicales.
En cuanto a la atmósfera, aunque su papel indirecto como
9 ADVECCIÓN
elemento principal del
sistema climático es lo
ATMÓSFERA
más destacado, no debe
olvidarse que la acción
directa del viento y las
gotas de lluvia constituyen
PRECIPITACIÓN
PRECIPITACIÓN
agentes erosivos de primer
79
21
orden.
El agua que participa en
los
procesos
antes
88
12
mencionados circula en el
EVAPOentorno de la superficie
EVAPORACIÓN
TRANSPIRACIÓN
terrestre en relación con
OCÉANOS
CONTINENTES
procesos
atmosféricos,
9 ESCORRENTÍA
hidrosféricos
y
listosféricos.
Los
elementos principales aparecen en la figura y ele esquema adjunto.
Lo más importante desde el punto de vista geomorfológico es que la transferencia de agua en la parte superficial del ciclo
es motor principal de los agentes de denudación y modelado del relieve. Por la importancia del agua en los procesos
geomórficos, merece la pena prestar atención al sistema complejo involucrado.
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1. Introducción
Teorías de Sistemas, Umbrales y Catástrofes… y los nuevos enfoques
en Geomorfología
Un sistema es un conjunto de elementos cualquiera, su estado instantáneo y sus interrelaciones. Los sistemas suelen estar
compuestos por elementos contiguos en un espacio finito.
El estado del sistema en un momento dado puede describirse mediante parámetros que miden su composición (p. ej., en
un sistema formado por una cuenca de drenaje, la carga de sedimentos), organización (pendiente) y dinámica (caudal).
Estos parámetros se denominan variables internas o de estado. Por otra parte, el cualquier sistema que tenga alguna
relación con el “exterior” puede modificar su funcionamiento, organización o composición en función de parámetros
“externos”, es decir que no están definidos dentro del sistema. Este conjunto de parámetros, que influyen al sistema
“desde fuera”, se conocen como variables externas, ambientales o de control. La trayectoria de los frentes de
borrasca , la velocidad del viento o los procesos tectónicos pueden considerarse ejemplos de variables externas a nuestra
cuenca de drenaje.
En el campo de la Geomorfología, los primeros enfoques próximos a la teoría de sistemas se produjeron en el campo de
la Geomorfología climática. El concepto de Sistema Clima-Proceso (CPS) de Wilson (1969) fue una de las primeras
aplicaciones en este sentido, pero ya había trabajos
A. MODELOS O SISTEMAS DE CAJA BLANCA
anteriores que, sin una mención al concepto de
Sistema, reflejaban el interés por la influencia de
variables ambientales (climáticas) sobre los relieves y
los procesos geomórficos (Peltier, 1950). La
Geomorfología climática fue siendo abandonada
desde mediados del siglo pasado, pero la
Geomorfología funcional o de los procesos buscó en
la teoría de Sistemas una herramienta para organizar
las observaciones cuantitativas y realizar predicciones.
En este sentido, la teoría de Sistemas se ha
B. MODELOS O
?
convertido en un nuevo lenguaje para la
SISTEMAS DE
Geomorfología moderna y, como ocurre a menudo
CAJA GRIS
?
con el lenguaje, una nueva forma de expresarse ha
?
dado lugar a nuevas observaciones e interpretaciones.
Primera clasificación
El uso de la teoría de sistemas ha dado lugar a un
C. MODELOS O
uso de la palabra sistema que puede dar lugar
SISTEMAS
DE
confusión. Un sistema es, a la ves, una porción de la
CAJA NEGRA
realidad y una representación o modelo 5 de ella. Es
decir, llamamos sistema tanto a una cuenca de
drenaje como a un modelo de esa cuenca. La primera
clasificación de los sistemas (se refiere a los modelos de la realidad) se basa en el grado de parecido entre el modelo y la
realidad o, de otra forma, en nuestro grado de conocimiento de la realidad, que reflejamos en el modelo. Un sistema es
Isomórfico si es exactamente igual al sistema real que representa (algo muy poco frecuente cuando se trata de sistemas
?
Un modelo es una representación de la realidad o de nuestra intrerpretación de la realidad. Un mapa, el relato de la
evolución de una especie o una hipótesis sobre el origen de la Tierra son modelos de este tipo.
5
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Geodinámica Externa LG-IG 2007-08
1. Introducción
naturales). Los sistemas Homomórficos son similares a la realidad. Los modelos isomórficos se llaman sistemas de caja
blanca, los homomórficos pueden ser sistemas de caja gris (si representan un conocimiento parcial del interior del
sistema, es decir, de sus variables internas) o de caja negra (si son modelos que sólo reflejan las relaciones del sistema con
el exterior, las entradas o salidas, algo que también aparece en los modelos de caja blanca o gris).
En un sistema isomórfico o de caja blanca, conocemos todos los elementos del sistema, su organización y la dinámica en
cada momento. Si sus elementos son complejos, esto es, si hay subsistemas dentro del sistema principal, conocemos
también todos los elementos e interacciones. En un sistema de caja blanca conocemos todas las rutas del sistema, el
camino que sigue la materia y energía que entra y sale del sistema.
En un sistema de caja gris, conocemos las entradas y salidas del sistema, y comprendemos aproximadamente las rutas
interiores del sistema. Pero desconocemos algunos detalles o algunos de los subsistemas.
En un sistema de caja negra, sólo conocemos las entradas y salidas, pero desconocemos absolutamente la estructura y
dinámica dentro del sistema.
Con una afirmación como la anterior, surge inmediatamente la pregunta, ¿para qué sirve un modelo de caja negra, una
representación de un fragmento de la realidad en la que sólo aparecen sus relaciones con el exterior? Este tipo de
modelos son, por supuesto, una primera aproximación. Por sí mismos tienen cierto valor; porque, a veces, una predicción
de los resultados de una entrada de materia puede ser de gran interés. Por ejemplo, predecir que se producirá un
deslizamiento porque el agua que ha entrado en el suelo ha superado un determinado valor es de una utilidad innegable –
aunque no conozcamos el mecanismo que relaciona la entrada (el agua) y la salida (el deslizamiento).
Además, los modelos de caja negra son el primer paso para empezar a emitir hipótesis e investigar la organización del
sistema.
Segunda clasificación
Todo sistema ocupa un espacio finito y tiene por eso unos límites espaciales. Esos límites pueden ser más o menos
permeables a la materia y la energía. Según su relación con el exterior en términos de materia y energía los sistemas
pueden ser aislados, cerrados o abiertos.
SISTEMA
AISLADO
SISTEMA
AISLADO
SISTEMA
AISLADO
MATERIA
ENERGÍA
Clasificación de los sistemas según sus relaciones con el exterior.
Tercera clasificación
Otra forma de clasificar se basa en la interacción entre las entradas y salidas de energía del sistema.
Sistema Pasivos son aquellos en que la entrada y salida de energía del sistema son independientes del funcionamiento
del sistema. Un tubo de ensayo es un sistema que no ejerce ninguna influencia en las entradas y salidas.
Sistemas retroalimentados son aquellos en los que el funcionamiento interno condiciona las entradas y
salidas. La mayoría de los sistemas naturales muestra varios tipos de retroalimentación. Los siguientes
son algunos ejemplos:
•
•
La destrucción de las cordilleras por la erosión limita la entrada de agua en el sistema, porque la reducción
de relieve reduce la precipitación.
La erosión del suelo influye en la densidad de la cubierta vegetal y, con ello, en la energía solar captada y
reflejada por unidad de superficie.
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1. Introducción
Cuarta Clasificación
B. SISTEMA EN CASCADA
A. SISTEMA MORFOLÓGICO
ÁREA DE LA
CUENCA DE
DRENAJE
AGUAS
ARRIBA
HUMEDAD ATMOSFÉRICA
PRECIPITACIÓN
AGUA SUPERFICIAL
GRADIENTE
DEL CANAL
PENDIENTE
MEDIA
INFILTRACIÓN
AGUA EN EL SUELO
PENDIENTE
MÁXIMA
Basándose en el tipo de subsistemas y el tipo de relaciones entre ellos.
C. SISTEMA PROCESO-RESPUESTA
Retroalimentación negativa
D. SISTEMA PROCESO-RESPUESTA
Retroalimentación positiva
LEVANTAMIENTO
TECTÓNICO
TORMENTA
GRADIENTE
DEL CANAL
ESCORRENTÍA
SUPERFICIAL
TASA
EROSIÓN
DE
INFILTRACIÓN
EN EL SUELO
VELOCIDAD DE
FLUJO EN EL
CANAL
EROSIÓN
SUELO
DEL
En Geomorfología la mayoría de los sistemas estudiados son fragmentos de territorio. Esta afirmación es más
importante de lo que parece. Es por eso por lo que los sistemas geomorfológicos tienen límites geográficos. El objeto de
estudio es la superficie del territorio y no los modelos de este.
En todo caso, conviene tener en cuenta que los modelos (o sistemas) más empleados en Geomorfología son de tres tipos
básicos: sistemas morfológicos, sistemas en cascada y sistemas retroalimentados.
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1. Introducción
Equilibrio
Un sistema abierto está en equilibrio con su entorno si muestra alguna
respuesta a las variaciones de éste. Esto se traduce en que las variables
internas cambian, de una u otra forma, si lo hacen las variables externas.
Cuando un sistema no responde a las variaciones externas se dice que no
está en equilibrio con el entorno. Las dis
A
t→
B
t→
Cambio y evolución en los sistemas naturales
En los sistemas naturales el cambio de estructura, composición o dinámica
se mide mediante los cambios en las variables internas o de estado. Las
secuencias acumuladas de cambios en las variables de un sistema son lo que
se denomina evolución del sistema.
Una forma frecuente de representar los cambios y la evolución de los
sistemas es utilizar gráficos variable interna – tiempo. Este tipo de gráficos
se basa en la elección de variables relevantes que representen el estado del
sistema. Con gráficos como éstos permiten algunas definiciones
interesantes.
t→
C
D
t→
Comportamiento de las
variables internas en función del tiempo
A
t→
B
t→
C
t→
Otra forma de clasificar los sistemas se basa en el comportamiento de las variables
internas con el transcurso del tiempo. En la terminología de la teoría de sistema las
distintas formas de comportamiento se llaman formas o tipos de equilibrio. Los
primeros cuatro tipos reflejan la forma de comportamiento en función del tiempo, al
margen de cualquier cambio de las condiciones o variables externas.
Sistema estático (equilibrio estático): las variables internas elegidas como representativas
mantienen un valor constante a lo largo del tiempo.
Sistema estable (steady state): las variables oscilan alrededor de un valor medio constante.
Equilibrio termodinámico: las variables internas cambian (el sistema evoluciona) hacia un
valor de máxima entropía.
Equilibrio dinámico: las variables oscilan alrededor de un valor medio que cambia con el
tiempo.
Respuesta a las perturbaciones externas
t→
D
z
E
y
t→
z
F
x
y
t→
Los sistemas abiertos (la mayoría de los naturales son sistemas abiertos) muestran
alguna reacción cuando cambian las condiciones externas. Como esto es lo que hemos
llamado “estar en equilibrio con las condiciones ambientales”, las distintas formas de
reacción constituyen una nueva clasificación de formas de equilibrio. Las
modificaciones de las variables externas que afectan al funcionamiento del sistema se
llaman perturbaciones y pueden ser instantáneas (cuando las condiciones externas se
modifican durante un instante para volver a las condiciones anteriores
inmediatamente) o duraderas (cuando que producen un cambio hacia nuevas
condiciones que permanecen posteriormente). Los gráficos variable-tiempo de la
figura representan los tipos de equilibrio.
Ante una perturbación instantánea de las variables externas el sistema puede:
A. no mostrar ningún cambio (equilibrio estático),
B. mostrar cambios pasajeros, de forma que, pasado cierto tiempo, el sistema
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1. Introducción
recupera su configuración anterior (equilibrio estable)
C. adquirir cambios permanentes, que se mantienen una vez acabada la perturbación instantánea (equilibrio
inestable).
Las perturbaciones duraderas pueden recibir las mismas respuestas pero el equilibrio inestable puede producirse de varias
formas. El cambio de las variables internas puede:
D. producirse paralelamente al cambio de las variables de control (respuesta instantánea),
E. iniciarse simultáneamente pero tardar en estabilizarse más que el cambio de las variables de control (respuesta con
tiempo de retardo) o
F. iniciarse cuando el cambio de las variables de control ha alcanzado un cierto valor (cambio por superación de
umbrales o con tiempo de respuesta).
En las condiciones E y F, las condiciones internas desde que se inicia el cambio de las variables externas pueden ser
transitorias (y-z) o metaestables (x-y). En Geomorfología, las formas de relieve transitorias y metaestables son muy
frecuentes. Por ejemplo, cualquier forma del relieve producida por los glaciares pleistocenos y aún conservada es una
forma metaestable. Más aún, como la velocidad de cambio del relieve no es fácilmente apreciable, resulta difícil distinguir
entre formas transitorias y metaestables.
Todas las consideraciones anteriores introducen algunos términos importantes:
Herencia es el fenómeno por el que conservamos características del sistema (formas del relieve) que se originaron en
condiciones ambientales que ya no existen. Es decir, formas heredadas y formas metaestables son características
equivalentes.
Inercia es la resistencia del sistema a cambiar sus variables internas cuando cambian las externas. Un sistema de gran
inercia es un sistema de baja sensibilidad, y ambas propiedades tienen una gran importancia en temas ambientales.
Los conceptos de umbral y tiempo de respuesta, además requieren alguna aclaración más.
Un umbral es un valor de las variables de control (internas o externas) superado el cual se inicia un cambio en las
variables de estado o de la dinámica del sistema. En un sistema con umbrales, las ariables de estado no inician el cambio
hasta que no se supera el umbral, independientemente del tiempo que transcurra desde que se modificaron las variables
de control. Los umbrales pueden ser externos (los más frecuentes o mejor conocidos, cuando son valores de variables
externas) o internos (cuando un valor de una variable
interna provoca modificaciones de las demás variables
o del funcionamiento del sistema).
El tiempo de respuesta es el tiempo que transcurre
desde que cambian las variables de control hasta que se
inicia el cambio (o adaptación) de las de estado,
independientemente del valor que alcancen aquellas.
Como umbrales y tiempos de respuesta se combinan
de muy diversas formas, su estudio es uno de los
principales problemas de la teoría de sistemas. Además,
los umbrales constituyen una herramienta muy valiosa
en algunos temas ambientales, como la predicción de
riesgos y la evaluación de impactos.
La teoría de umbrales, sin embargo, ha gozado de
poco éxito, aunque el concepto se usa constantemente.
En Geología, su escaso éxito en Geología puede
relacionarse con el éxito del Uniformismo y el del Ciclo
Geográfico de Davis, modelos ambos que tienen un
enfoque gradualista y anticatastrofista.
En cambio, desde finales de los años 1970, un cierto
neocatastrofismo en Geología y el desarrollo de la
Teoría de Catástrofes ha hecho que se preste mayor
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1. Introducción
atención a los procesos discontinuos (catastróficos) en Geología y Geomorfología.
Umbrales y Teoría de Catástrofes
Los saltos bruscos en el funcionamiento de un sistema suponen un cambio en la economía o en el balance de éste
(glaciar, ladera, lago, etc.). Se trata de umbrales, en los que cambios progresivos de algunas variables, dentro o fuera del
sistema, dan lugar a cambios bruscos de otras. En este sentido, son situaciones como las descritas en la Teoría de
Catástrofes, de René Thom (1972).
La teoría de Catástrofes suministra un marco para describir estos sistemas con umbrales o saltos bruscos. Los siguientes
son los conceptos básicos de esta teoría:
- Supongamos un sistema descrito mediante m variables externas o de control y n variables internas o de estado.
- Los sistemas se describen en un espacio de m+n dimensiones.
- Cada estado del sistema puede representarse en un objeto de m+n-2 dimensiones.
- Ese sistema, o el objeto que lo representa, son estables cuando están contenidos en un espacio de m+n-1
dimensiones, cuya geometría básica viene determinada por el número de dimensiones consideradas.
Cada combinación de m y n dimensiones da lugar a una configuración llamada catástrofe. En concreto
Cuando podemos describir un sistema con dos variables de control y una de estado (m=2, n=1), el espacio de la
descripción tiene tres dimensiones, el espacio de estados estables posibles es una superficie de dos dimensiones y el
sistema es un punto (una dimensión). En este caso, la superficie de estabilidad es un plano plegado conocido como
catástrofe en cúspide. Las figuras muestran
esta configuración y sus propiedades.
Temperatura +
Para poder trabajar con este modelo es
necesario reducir a tres el número de
variables necesarias, pero esto e suficiente
para entender la esencia de muchos
sistemas geomórficos.
-
La última figura muestra un ejemplo de
cómo usar este tipo de modelo para
comparar el comportamiento climático en
varios planetas o satélites. La presencia de
agua y los cambios de estado que ésta
puede sufrir son fundamentales, como
+ Balance de radiación -
veremos en el siguiente tema, para entender el sistema climático terrestre.
Comentario final
Sería deseable que uno pudiera adentrarse en cualquier ciencia con tan pocos consejos iniciales. La realidad es más
compleja.
Algunos de los temas incluidos en este tema están ocultos en el trabajo de muchos científicos. Uno de trabaja con los
conceptos de la teoría de sistemas puestos sobre la mesa, pero influyen en muchas interpretaciones y en la forma de hacer
predicciones.
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