Sistemas Complejos – 1

Todos los sistemas de la naturaleza, incluidos los átomos y los electrones interaccionan constantemente con todos los demás. Hasta un electrón en el espacio intergaláctico “ve”, “siente”, interacciona con el resto de los sistemas de universo. No existe el electrón, aislado. Existen los electrones en interacción. 

Los cuerpos, y los sistemas de cuerpos del universo, interaccionan todos con todos, con mayor o menor intensidad, pero las interacciones existen y no se pueden apantallar. Los electrones de una antena de radio, dentro de una caja de cobre conectada al suelo, no reciben las señales de las emisoras, pero sí las fuerzas electrostáticas y magnéticas de los otros electrones de la pantalla y del suelo, que interaccionan con ellos. Esto mismo ocurre con cualquier otro cuerpo o sistema de cuerpos (“sistema”) del universo. 

Cuando las interacciones implican una energía de interacción del mismo orden de magnitud que las energías propias de los sistemas (por ejemplo, de sus energías cinéticas) el sistema se considera “complejo”. Imaginemos una carretera en la cual los coches (indeformables) se atraigan y se repelan con energías del mismo orden que sus energías cinéticas. El tráfico resultará caótico, con los coches chocando constantemente, imposible de organizar. 

Un sistema mucho más complejo es aquel formado por muchos otros subsistemas en interacción, cuando las interacciones son no lineales y las escalas de tiempo, espacio y energía son muy diversas. Las interacciones no lineales son aquellas en las que, por ejemplo, la cantidad de algo que tenemos hoy es la que teníamos ayer elevada a cuadrado, o extraída su raíz cuadrada.  O el juego en el tablero de ajedrez en el cual se pone un céntimo en el primer cuadrado, 2 en el segundo, 4 en el tercero, de forma que en el cuadrado 64 tiene que haber  exactamente 2 elevado a 63 que es aproximadamente igual a 10 elevado a 19 céntimos, es decir, unos cien mil billones (españoles) de euros. 

El mejor ejemplo de uno de estos sistemas sistemas complejos no lineales es el clima. La Tierra está cubierta en su superficie por dos fluidos de características muy distintas, el aire y el agua. La densidad del agua es 1000 kg/m3, la del aire, casi mil veces menor: 1.2 kg/m3 (un m3 son mil botellas de agua de un litro).  El agua se mueve en las cuencas con un fondo y paredes sólidas, el aire no tiene paredes ni techo. La energía que almacena el agua es al menos mil veces mayor que la del aire, y cómo solo pierde energía por su superficie, una vez adquirida ésta tarda milenios en perderla. El aire se mueve muy deprisa, el agua en los océanos mucho más despacio. Los movimientos de ambos son no lineales, de manera que se amplifican las fluctuaciones de sus velocidades, y el movimiento es turbulento en torbellinos, que pueden llegar a convertirse en huracanes en el aire y maelstroms en el agua. El aire y el agua están en interacción constante, el aire se mueve por el calentamiento desde la superficie del agua, y las corrientes marinas se generan empujadas por los vientos. 

Al mismo tiempo, las lluvias (condensación del vapor de agua de la atmósfera) dependen de la existencia de bosques en la superficie de la Tierra, y la vegetación cambia las propiedades de reflexión del suelo, lo mismo que el hielo ártico y antártico. Los vientos en altura, que arrastran a los vientos en superficie, dependen de la diferencia de temperaturas entre la superficie del mar y del suelo en los trópicos y la de los Polos. 

Es un sistema muy complejo, caótico en escalas de más de cinco días e imposible de predecir en detalle a más de esos cinco días, aunque sí es predecible de manera estadística.

Las corrientes de agua en los ríos, en los mares, en la atmósfera, dependen para su movimiento de las condiciones en sus orillas, en la superficie por dónde se deslizan: las condiciones de contorno Pero en su movimiento, estas corrientes cambian las orillas y las superficies, las condiciones de contorno, en esquemas de realimentación positiva. Dependen de algo que ellas mismas cambian. 

Las cuencas de los océanos se modifican por los movimientos geológicos, que fueron causantes de que la Antártida se cubriese de hielo, y luego, de la secuencia de glaciaciones del último millón de años. 

Finalmente la temperatura del planeta depende de la absorción de radiación infrarroja por los gases poliatómicos de la atmósfera, vapor de agua, CO2 y metano, principalmente. En las glaciaciones, cuando la Tierra se cubre de hielo y baja el nivel de mar, se libera metano, que calienta la atmósfera y ésta el océano. Al calentarse el océano, libera CO2, (como gaseosa recalentada) que aumenta aún más la temperatura, de manera que se calientan atmósfera y agua. Desaparecen los glaciares y se deshiela la tundra y Groenlandia, de forma que en vez de reflejarse la luz en hielo, se absorbe, y la Tierra se calienta más, como en el juego del ajedrez. ¿Hasta cuándo?

En un momento dado, el agua del Ártico está tan caliente que no se hunde hacia el fondo y se interrumpe la circulación oceánica. La Corriente del Golfo deja de llegar al norte y el Polo Norte comienza a helarse de nuevo. El CO2, limitado, se va absorbiendo poco a poco por el océano, gracias a las olas. La Tierra se enfría otra vez, y así milenios tras milenios, en escalas de unos cien mil años de épocas glaciales y veinte mil años de interglaciales.

Ahora los seres humanos estamos lanzando mucho más CO2 a la atmósfera del que sale del mar en los ciclos naturales. Estamos perturbando la secuencia natural de cambios climáticos. Estamos causando el Cambio Climático actual, antropogénico.

Otro sistema complejo es la sociedad humana. Se desarrollan estructuras que se exageran y colapsan. La evolución de la sociedad cambia las condiciones de contorno en las que evoluciona, y lo que ayer servía hoy es obsoleto. Se producen cambios sociales y económicos turbulentos y repetidos con modificaciones, una y otra vez. 

Esto será el tema de otro post.