Una simulación para interpretar el Calentamiento Global del planeta Tierra
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Una simulación para interpretar el Calentamiento
Global del planeta Tierra
Javier Martín 1, Leticia Garcia 2, Maricel Occelli 3
Resumen - Con el propósito de trabajar el problema del calentamiento global en el sistema educativo formal, se desarrolló un
modelo que relaciona la temperatura de equilibrio de la Tierra con la concentración de CO2 en la atmósfera producto del
crecimiento de la población humana. Este modelo pretende abordar con los estudiantes de Ingeniería de los primeros años, de qué
manera influye el aumento de la población mundial sobre la temperatura media de nuestro planeta.
Palabras Clave – Calentamiento global, dinámica de sistemas, simulación
A Simulation to Understand Global Warming in Planet Earth
Abstract - A model was developed to relate the equilibrium temperature of the Earth with the concentration of CO2 in the
atmosphere accumulated as a consequence of human population growth. The purpose of the model is to consider the problem of
global warming in the formal education system, specifically with engineering students. The model intends to bring the attention,
during the early years of engineering education, about how the global population growth affects the average temperature of our
planet.
Key words – Global warming, Simulation, System Dynamics
INTRODUCCIÓN Un modelo científico puede ser una traducción de una
realidad física, química o biológica que permite aplicar
La construcción de modelos es crucial en la comprensión instrumentos y técnicas de las teorías matemáticas para
del mundo real. En términos generales, puede afirmarse que estudiar -generalmente de manera simplificada- el
un modelo es una representación parcial y simplificada de comportamiento de sistemas complejos, y posteriormente
alguna entidad que se construye con una finalidad hacer el camino inverso para traducir los resultados numéricos
determinada. Lo específico de los modelos de ciencias entra a la realidad (Mazzei y Torrealba, 2006).
por el objeto que se estudia y por la función que cumple el El proceso y producto del modelado pueden ayudar a una
modelo (Godoy, 2008). Si bien los fenómenos que ocurren en organización o una sociedad a resaltar las discontinuidades
el mundo real son multifacéticos, interrelacionados y difíciles que hay en la comprensión de sus procesos y ayudar a
de entender, los modelos permiten que centremos la atención identificar los parámetros más importantes en un sistema. Los
en un conjunto particular de características del mundo real o sistemas exhiben tanto procesos de retroalimentación positiva
de la estructura que subyace al proceso que deseamos explicar como negativa que tienen fortalezas diferentes y variadas. Las
(Hannon, 2003). variaciones en los procesos de retroalimentación pueden surgir
En la elaboración de un modelo en general se sigue un de relaciones no lineales. Se puede usar el modelo para jugar
conjunto de procedimientos, se comienza con el planteo de con escenarios alternativos del tipo “que pasa si” con el fin de
preguntas acerca de lo que se observa, se identifican los encontrar los controles que hagan que el modelo se comporte
elementos claves de los procesos, particularmente las variables erráticamente y los que lo hagan comportar más suavemente
que describen los eventos, y las relaciones entre variables y de (Hannon, 2003).
esa forma se establece la estructura del modelo. Una vez que Uno de los propósitos de la ciencia es producir
está construido el modelo, de la operación con él se derivan explicaciones del mundo natural. Una de las funciones
conclusiones y predicciones acerca de los eventos. A través de principales de los modelos en la enseñanza de las ciencias es
la comparación entre las predicciones y los eventos reales, se la posibilidad de construir explicaciones a partir de
evalúa si el modelo se falsa, se acepta o se revisa (Hannon, experimentar con modelos. De manera simplista, una
2003). explicación es una respuesta que se provee a una pregunta
1
Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, Universidad Nacional de Córdoba, Córdoba, Argentina, jmartin.cba@gmail.com
2
Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, Universidad Nacional de Córdoba, Córdoba, Argentina, leticiagarcia_@hotmail.com
3
Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, Universidad Nacional de Córdoba, Córdoba, Argentina, mariceloccelli@yahoo.com.ar
Note. The manuscript for this paper was submitted for review and possible publication on December 15, 2008, and accepted for publication on March 1, 2009
This paper is part of the Latin American and Caribbean Journal of Engineering Education, Vol. 3, No. 1, pp. 27 - 34 , 2009. © LACCEI, ISSN 1935-0295.
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específica. En una explicación científica la pregunta en producir en el clima de la Tierra. Sin embargo, en la
cuestión se refiere algún fenómeno o evento del mundo, y la educación formal no se advierte la presencia de un tratamiento
respuesta se fundamenta en algún procedimiento o científico del cambio climático, esto puede deberse quizás a
metodología aceptada por los científicos. En el ámbito que los docentes de ciencias naturales, no han sido
educativo hay dos roles importantes, el que hace la pregunta y adecuadamente formados para abordarlo. En indagaciones
el que la responde. Los modelos permiten que los estudiantes propias hemos observado que los libros de texto abordan al
busquen las explicaciones experimentando con ellos (Godoy, cambio climático de manera escasa o cualitativa. El enfoque
2008). que priorizan incluye las consecuencias sobre la vida de
Los alumnos tienen la oportunidad de experimentar distintas especies, en algunos casos con cierta
aspectos excitantes e interesantes de la producción del espectacularidad, sin incorporar un abordaje desde la físico
conocimiento científico, de pensar sobre los propósitos de la química que explique las razones y cuantifique la magnitud
ciencia, de poder formular preguntas más críticas y atinadas, del mismo (Capuano y Martín, 2007).
de proponer explicaciones y previsiones, y de evaluar el El sol emite radiación electromagnética, que llamamos de
modelo propuesto para obtener informaciones que puedan onda corta, como un cuerpo negro a una temperatura de
ayudar a la reformulación del mismo (Justi, 2006). aproximadamente 5.777 K (alrededor de 5.504 ºC). La Tierra -
En una propuesta didáctica que incorpore la utilización que recibe parte de esta radiación- a su vez emite radiación
de modelos, las actividades experimentales que se diseñen electromagnética, llamada de onda larga, en función de la
deben fomentar el trabajo de investigación de los alumnos, es temperatura de su superficie (alrededor de 288 K que
decir, deben proporcionarles la oportunidad de pensar, de equivalen a aproximadamente 15 ºC) y de algunas
utilizar sus conocimientos previos y destrezas en la solución características de su atmósfera. No existe otro proceso de
de problemas de los que no tienen una respuesta evidente. La transmisión de energía térmica entre el sol y la Tierra. Para
experimentación debe utilizarse para ayudar a la elaboración, que la Tierra este en equilibrio térmico, es decir mantenga su
evaluación y revisión de los modelos (Justi, 2006). El modelo temperatura media constante, debe ocurrir que la parte de
que hemos construido y presentamos a continuación permite el radiación solar que recibe sea igual a la que escapa del
diseño de unidades didácticas con las características antes planeta.
descriptas. La Tierra, incluyendo su atmósfera, recibe radiación solar
y del total que recibe refleja una porción importante al espacio
EL CALENTAMIENTO GLOBAL DEL PLANETA TIERRA interestelar. La radiación devuelta de la Tierra es llamada
albedo ( ), y corresponde aproximadamente el 31% del total
Se diseñó un modelo para el proceso del calentamiento de radiación solar recibida. La superficie terrestre emite
global de del Planeta Tierra. Los fundamentos teóricos que radiación electromagnética de onda larga, una parte ( ) de la
dan sustento al mismo se desarrollan a continuación. cual es absorbida en los primeros kilómetros de atmósfera y
La opinión pública ha reaccionado con preocupación ante devuelta a la Tierra. Este fenómeno se denomina efecto
los efectos negativos que el desarrollo tecnológico y el abuso invernadero (EI) (figura 1). La temperatura media de la Tierra
en la utilización de los recursos naturales del planeta pueden resulta de una compleja interacción entre la energía recibida y
la energía entregada por ella.
1- =0,60 1- =0,69
60% 69%
115% 100%
Figura 1: Radiaciones recibidas y emitidas por la Tierra.
=0,31
=0,40 31%
40%
Figura 1: Radiaciones recibidas y emitidas por la Tierra.
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Los gases atmosféricos por una parte son prácticamente CARACTERÍSTICAS DEL MODELO DESARROLLADO
transparentes a la radiación solar de onda corta y por otra
parte, retienen una fracción importante de la radiación de onda Se diseñó un modelo utilizando el software comercial
larga emitida por el planeta. Este fenómeno natural, ha Stella v.9.0.2, que es un software específico para la
permitido la existencia de la biosfera tal como la conocemos. construcción y simulación de modelos ofrecido por la firma
Entonces, ¿dónde está el peligro del efecto invernadero, si en Isees System. Se podría hacer un desarrollo totalmente
un principio nos beneficia? El peligro no está en el EI, sino en equivalente al aquí descripto utilizando otros programas
la intensificación del mismo. Si la concentración de aquellos gratuitos como, por ejemplo, el software Vensim (2008), que
gases que provocan el EI, aumenta en la atmósfera, la es muy similar a Stella.
temperatura de la Tierra también aumentará. El modelo consiste en tres módulos (figura 2), el primero
Se denominan “gases de efecto invernadero” a los que modeliza la evolución de la población mundial entre el año
contribuyen a la absorción de la radiación de onda larga 1950 y 2100. En este módulo se toma a la población como una
emitida por la superficie terrestre y por la propia atmósfera. El variable de estado, con un valor inicial correspondiente al
principal gas del EI es el vapor de agua responsable de número poblacional en el año 1950, y dos variables de flujo
aproximadamente un 60%. Sin embargo, el más popular es el nacimientos y muertes (figura 3). Tanto los nacimientos como
dióxido de carbono (CO2) debido a que es el principal las muertes son calculados como el producto de la población
producto derivado de la quema de combustibles fósiles y que total por la tasa de natalidad y mortalidad respectivamente.
en consecuencia responde a la presencia del hombre en el Los valores de las tasas de natalidad y de mortalidad se
planeta. Otros contaminantes atmosféricos antropogénicos son introducen en el modelo a través convertidores en forma de
los clorofluorcarbonos (CFCS), distintos óxidos de nitrógeno tablas. Los datos de la población inicial y de las tasas de
(NOx), y el metano (CH4) (Capuano y Martín, 2004). natalidad y mortalidad se tomaron de The Development
Los gases de efecto invernadero vienen aumentando su Education Program of The World Bank Group (2008), del
concentración en la atmósfera terrestre a partir de la Fondo de Población de la Naciones Unidas (2008) y de U.S.
revolución industrial en la medida que ha ido creciendo la Census Bureau, Population Division (2008).
población del planeta. Esta tendencia hace pensar que en un El segundo módulo vincula los cambios en la
futuro los gases de EI tendrán marcada influencia en el concentración de CO2 atmosférico con la variación de la
desarrollo del clima ya que se prevé que la población del población humana (figura 2). Para establecer esta relación se
planeta seguirá creciendo hasta el año 2075 donde se analizaron los valores de concentración atmosférica de CO2
alcanzará el límite de sustentabiliad del planeta lo que frenará medidos en los últimos 50 años en el Observatorio Mauna Loa
la curva de crecimiento (Revelle, 1986). (2008) ubicado en las islas Hawaii, con los valores
correspondientes a la población mundial. Se estableció una
línea de tendencia a partir de los datos disponibles y se utilizó
esta línea para extrapolar los datos desconocidos hasta el año
2100, utilizando un convertidor (figura 4).
Figura 2: Módulos del modelo “El calentamiento global del planeta Tierra”.
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Figura 3: Modelización de la variable de estado población
Figura 4: Modelización de la variable Temperatura
En el tercer módulo, se modeliza la temperatura media del el albedo terrestre ( ) y el coeficiente de absorción
planeta Tierra utilizando la ecuación deducida por Capuano y atmosférica ( ) de la Tierra (figura 4). Los datos
Martín (2004). Esta ecuación permite calcular la temperatura correspondientes a la formulación del modelo se pueden ver
media de la Tierra a partir de unos pocos datos que tienen en en la figura 5.
cuenta la geometría del Sistema Solar, la temperatura del Sol,
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Figura 5: Imagen de la pestaña “ fórmulas” del modelo “ El calentamiento global del planeta Tierra” desarrollado en Stella
Los resultados de la simulación del modelo se pueden natalidad y la tasa de mortalidad a intervalos de un año (figura
visualizar mediante tablas y gráficos (Figuras 3 y 4). Por 6), y el gráfico del mismo nombre representa la población en
ejemplo, la tabla “ población” muestra los valores de la función del tiempo (figuras 7).
población mundial, los nacimientos, las muertes, la tasa de
Figura 6: Imagen de la Tabla que contiene los valores de la población mundial, los nacimientos, las muertes, la tasa de
natalidad y la tasa de mortalidad a intervalos de un año.
LATIN AMERICAN AND CARIBBEAN JOURNAL OF ENGINEERING EDUCATION, Vol. 3(1), 2009 31Figura 7: Representación de la población en función del tiempo
El modelo también nos permite acceder a otras tablas y la variable temperatura media del planeta Tierra en función
gráficos que representan el estado de las variables que del tiempo. Esta gráfica se podría considerar como el resultado
intervienen en el fenómeno (Figuras 3 y 4). Merece ser final de la modelización.
destacada la gráfica de la figura 8 que muestra la evolución de
Figura 8: Representa los valores el valor de la temperatura media del planeta Tierra a intervalos de un año y el gráfico del
mismo nombre representa la temperatura media en función del tiempo
32 LATIN AMERICAN AND CARIBBEAN JOURNAL OF ENGINEERING EDUCATION, Vol. 3(1), 2009POSIBILIDADES DE AMPLIACIÓN DEL MODELO • ¿Cuál sería la variación de la Temperatura de la Tierra si
no se utilizara mas el petróleo como fuente principal de
Considerando que todo modelo es un recorte de la energía?
realidad, el modelo presentado sólo contempla algunos de los • ¿Qué variables relacionadas con el calentamiento global
aspectos vinculados con la problemática del calentamiento del no contempla este modelo?
planeta Tierra. En nuestro modelo se trabaja sólo con dióxido • Si incluyera alguna de estas variables ¿cómo cree que se
de carbono (CO2), uno de los gases que participan en el EI, modificaría la respuesta de la temperatura del planeta
que si bien es muy importante para explicar este fenómeno, no Tierra? ¿Por qué?
es el único. Por lo tanto para mejorar este modelo se podrían
agregar otros módulos que contemplen las concentraciones de Preguntas para profundizar el análisis
los clorofluorcarbonos (CFCS), distintos óxidos de nitrógeno
(NOx) y el metano (CH4). • ¿Cuáles son los gases que intervienen en el efecto
Otro aspecto a considerar, es que la concentración de invernadero del planeta Tierra?
algunos de los gases del EI no están directamente relacionadas • ¿Qué gases de efecto invernadero cambian su
con el crecimiento de la población mundial, sino mas bien con concentración atmosférica cuando aumenta la población
el desarrollo industrial. Desde esta perspectiva se podrían de la tierra?
incluir correcciones en el modelo que contemplen los niveles • ¿Cuáles de estos gases es mas importante a la hora de
de desarrollo industrial de las distintas regiones del planeta. modelizar el cambio de la temperatura de la Tierra por
efecto invernadero? ¿Por qué?
• ¿De qué factores depende la sustentabilidad del planeta
PROPUESTA DIDÁCTICA Tierra?
A continuación se presentan una serie de preguntas que
Evaluación
no constituyen un cuestionario para trabajar con los alumnos,
sino que pretenden ser una guía para orientar el trabajo del La evaluación de las actividades se pueden realizar
docente con este modelo desde el aprendizaje basado en teniendo en cuenta los criterios propuestos por el grupo Mistre
problemas (ABP). (Justi, 2006):
El ABP provee un entorno excelente para el desarrollo
• Adecuación: se refiere a la relación que existe entre
de las habilidades de pensamiento. Mediante esta estrategia,
el tipo de explicación y el tipo de pregunta
los estudiantes llevan adelante indagaciones que implican un
• Relevancia: considera si la explicación satisface las
pensamiento activo que permite establecer conexiones entre
necesidades de quien pregunta
conceptos y construir representaciones mentales. Las
habilidades requeridas en la resolución de problemas, tales • Calidad: es una medida del estatus científico de la
como formular preguntas de investigación, proponer hipótesis, explicación.
planear experimentos o sacar conclusiones, involucran estas
actividades cognitivas de orden superior. Algunas de estas CONCLUSIONES
actividades que permiten el desarrollo del pensamiento de
orden superior y se ponen en juego en el ABP son las de Actualmente en las asignaturas de física básica de las
analizar, sintetizar, evaluar, argumentar, hacer comparaciones, carreras de ingeniería se estudian los fenómenos de
resolver problemas no algorítmicos complejos, trabajar con transferencia de energía por radiación, pero no se los vincula
controversias e identificar suposiciones subyacentes (Torp & con problemas socio-ambientales. La presente propuesta,
Sage, 2007). puede ser implementada como un trabajo práctico para
relacionar los contenidos de la física teórica con la
Preguntas para trabajar con el modelo problemática del calentamiento global.
Debido a la cantidad de variables que se encuentran
involucradas en las problemáticas socio-ambientales, resulta
• ¿De qué factores depende la temperatura media de la
difícil diseñar una práctica experimental en los tiempos
tierra?
áulicos. Esto se debe a que las consecuencias de este tipo de
• ¿Cuáles de estos factores dependen de la cantidad de
fenómeno sólo se pueden cuantificar en largos períodos de
habitantes del planeta?
tiempo (años o décadas). Es por ello que, un trabajo práctico
• ¿De qué manera evolucionará la población mundial? ¿De con simulaciones se convierte en una estrategia eficaz para
qué factores depende? abordar estas problemáticas.
• ¿El modelo considera los límites de sustentabilidad del Además, las simulaciones permiten la visualización de
planeta Tierra? ¿Por qué? consecuencias del fenómeno, y abre posibilidades a la
• ¿Qué predicciones se pueden hacer sobre la concentración predicción, a la modificación de los valores que toman las
de CO2 en el planeta Tierra? variables del sistema y a contemplar nuevas variables, todas
• ¿Qué predicciones se pueden hacer sobre la evolución de habilidades indispensables en las prácticas científico-
la temperatura del planeta Tierra? tecnológicas.
LATIN AMERICAN AND CARIBBEAN JOURNAL OF ENGINEERING EDUCATION, Vol. 3(1), 2009 33Finalmente, el planteo de trabajos prácticos a partir de Justi, R. 2006. La enseñanza de ciencias basada en la
simulaciones para el estudio de fenómenos físicos en las elaboración de modelos. Enseñanza de las Ciencias 24
materias básicas de ingeniería, permite introducir a los (2), pp. 173-184.
alumnos en problemas de modelización. Considerando que la
modelización constituye una herramienta importante en el Mazzei M.E. y Torrealba J. 2006. Simulación de sistemas.
quehacer profesional del ingeniero, esta propuesta tiene la Universidad Nacional Abierta Centro Local Mérida -
potencialidad de vincular las materias básicas con las prácticas Caracas, Marzo.
profesionales.
Observatorio Mauna Loa (2008),
REFERENCIAS http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends (accedido el
12 de Diciembre de 2008)
Capuano, V. y Martín, J. 2004. El calentamiento global del
planeta Tierra. Un ejemplo de equilibrio dinámico. Revelle, R. 1986. Dinámica de suelos y sustentabilidad de la
Cordobensis. Agencia Córdoba Ciencia. ISBN 987- Tierra. Ambiente y Desarrollo 2(1), pp. 47-67.
22457-2-X.
The Development Education Program of The World Bank
Capuano, V. y Martín, J. 2007. El calentamiento global del Group (2008),
planeta Tierra: un ejemplo de equilibrio dinámico. http://www.worldbank.org/depweb/spanish/modules/glos
Revista de Enseñanza de la Física 20 (1-2), pp. 91-110. sary.htm (accedido el 12 de Diciembre de 2008)
Fondo de Población de la Naciones Unidas (2008), Torp, L. y Sage, S. 2007. El aprendizaje basado en
http://www.unfpa.org/swp/2001/ problemas. Desde el jardín de infantes hasta el final de
english/indicators/indicators2.html (accedido el 12 de la escuela secundaria. Amorrortu editores.
Diciembre de 2008)
U.S. Census Bureau, Population Division (2008).
Godoy, L. A. 2008. Modelos en la enseñanza de la ciencia y http://www.census.gov/ipc/www/idb/ worldpopinfo.html
la tecnología. Universitas. Córdoba. (accedido el 12 de Diciembre de 2008)
Hannon, B. 2003. Modelación dinámica en la Universidad Vensim (2008), versión 5.8c, Ventana Systems,
moderna: un tercer pilar educativo. Conferencia LS- http://www.iseesystems.com (accedido el 11 de
AMP, Ponce, Puerto Rico. Diciembre de 2008)
34 LATIN AMERICAN AND CARIBBEAN JOURNAL OF ENGINEERING EDUCATION, Vol. 3(1), 2009También puede leer
