Modelle von Geo- und Ökosystemen

Übersicht
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19.10.
26.10.
2.11.
9.11.
16.11.
23.11.
30.11.
7.12.
14.12.
21.12.
11. 1.
18. 1.
25. 1.
1. 2.
8.2
Einführung (cb, mh)
Motive, Konzepte, Begriffe und Definitionen (cb)
Erdgeschichte (mh)
Evolutionsgeschichte (mh)
Organismen und ihre Autökologie (cb)
Funktionen, Prozesse, Wechselwirkungen (cb)
C-Kreislauf, Modelle abiotischer Systeme (mh)
Populationsökologie (cb)
Metapopulation und Trophiestufen (cb)
Biozönosen und Ökosysteme (Synökologie) (cb)
Zeitliche Muster (mh)
Evolutionsgeschichte Mensch (mh)
Kulturgeschichte Mensch (mh)
Landwirtschaft, Fischerei (mh)
Modelle und Zusammenfassung (cb,mh)
Lektionen aus Nutzungsgeschichten
von Ökosystemen
• Im Aufbau: Weltweit ungleiche Ausstattung mit
Möglichkeiten und Risiken
– Durch Erd- und Evolutionsgeschichte vorgegeben
– Teilweise bereits durch die Ausbreitungsgeschichten des
Menschen vorgegeben (Übergang zur Landwirtschaft)
• Im Zusammenbruch von Kulturen:
–
–
–
–
–
Selbst ausgelöste Umweltzerstörungen
Klimaänderungen
Feindliche Nachbarn
Verlust von Handelbeziehungen
Kulturelle Organisation von Problemlösungen
• Welche Modelle benötigen wir heute ?
– Welche Beispiele und Lehren aus der Geschichte bleiben aktuell ?
Modellierung von Ökosystemen
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•
•
•
Was soll (für welchen Zweck) modelliert werden?
Welche Abstraktionen ?
Welche Daten
Welche theoretische Grundlage, welche Vorbilder?
- Zustandsbasierte Modelle (Theorie dynamischer Systeme)
- Empirische Modelle und Verhaltensregeln (Traditionen der
Nutzung von Ökosystemen)
• Welche Techniken stehen dafür zur Verfügung?
- Algorithmische Modelle
- Interaktive Modelle
• Was sind die bisherigen Erfolge und Schwierigkeiten ?
- Bei unbelebten Umweltsystemen ?
- Bei Ökosystemen ?
Modelle für Astro- und Geosysteme
• Kopernikanische Wende:
- Einfache Beschreibung der Daten (Kepler 1609)
• Newton‘sche Mechanik (1686)
- Einfache Erklärung der Daten
- Zustandsmodelle erlauben Vorhersagen
• Anwendung auf die Atmosphäre
- Perspektiven der Wettervorhersage (Bjerkenes 1904)
- Heutige „high-end“ Wettervorhersage (Kachelman)
• Anwendungen auf die Erde
- Perspektiven der Erdvorhersage (Schellnhuber 1999)
- Heutiges Wissen entspricht der „low-end“ Wettervorhersage von
1904 ?
• Eine Geschichte mit Fortsetzung ?
Aspekte auf die heutige
Zivilisationen „aufpassen“ sollten:
• Erfindungen sollen keine unbeabsichtigte
Effekte haben
– was man mit Technik bewirken kann (z.B.
Ozonloch)
• Entdeckungen sollten nicht unbeabsichtigt
verloren gehen
– wie man Ökosysteme bewerten und nutzen kann
(z.B. Forstreform in Bayern)
• Zur Behandlung beider Aufgaben eigenen sich
Computermodelle
– Aber das sind zwei völlig unterschiedliche
Modelltypen
Modellierung von Systemen
(aus Smith & Smith 1999)
Theoretisch fundierte Zustandsmodelle
Empirisch fundierte Modelle
www.wettermedia.de
www.wetter.de vom 19.11.2002
(aus Nature 1997)
zum Vorhersageproblem:
IBM entwickelt neuen Supercomputer
Finanzen.net
Der amerikanische Technologiekonzern IBM hat
von der US-Regierung den Auftrag erhalten,
einen neuen Supercomputer zu entwickeln. Mit
diesem will die Regierung Nuklear-Tests
durchführen.
...
...
der Rechner wird über 12.000 Power-PC
Prozessoren, 50 Terrabyte (1012) RAM und zwei
Petabyte (1015) Festplattenkapazität verfügen.
(www.consors.de vom19.11.2002)
Worin unterscheiden sich Geo- und
Biosysteme ...
• In der Komplexität des Aufbaus ?
- in der Relation von Struktur und Funktion ihrer Objekte?
• In der Interaktivität des Verhaltens ?
- in der Bewertung und Möglichkeit der Kontrolle von Strömen ?
• Wie lässt sich künstliche Komplexität mit
Computermodellen erstellen ?
- Zur Rolle von Theorie und Zustandsmodellen
• Wie lässt sich virtuelle Interaktivität in
Computermodellen erstellen ?
- Zur Rolle von Erfahrungen und Heuristiken praktischer
Ökosystemnutzungen
Modellierung von Geosystemen (1888)
(aus Schellnhuber 1999)
Earth System Analysis (1999)
(aus Schellnhuber 1999)
Zustands-Konzept: Übertragen auf die gesamte Geo- und
Biosphäre
Schellnhuber
in Nature: 2.12.1999
Figure 3 A 'theatre world' for representing paradigms of sustainable
development. The space of all conceivable co-evolution states P=( N, A) ...
Sven Eric Jørgensen
(Hrsgb. Der Zeitschrift Ecological Modeling)
„Der Unterschied zwischen Physik und Biologie könnte am
Besten durch ein Zitat eines bekannten Physikers beschrieben
werden:…“
St. Weinberg (1975): „Die Menschheit hat schon
immer die Hoffnung besessen, einige wenige,
einfache Gesetze zu finden, mit denen erklärt
werden kann, warum die Natur in all ihrer
scheinbaren Komplexität und Vielfalt so ist wie
sie ist.
...Kein Biologe würde jemals so eine (lächerliche) Hoffnung
äußern.“
Modellbildung: Der rote Faden
• Rätsel-Erzählen (1. Sem.)
– Von der Rekonstruktion zur Bewertung
• Modelle in der Geoökologie (4. Sem.)
– Zustandsmodelle light (1 Typ von 2)
• Simulationsmodelle: Zustandsmodelle light : (4sws)
– selbst erstellt und analysiert
• Ökologische Modellbildung (2 von 2)
(2sws)
– Modelle zur Rekonstruktion komplexer Systeme
– Modelle zur Bewertung interaktiver Systeme
• Zeitreihen: Methoden zur Unterscheidung
• Schweden Prakt. Zustandsmodelle (plus)
(2sws)
(<10sws)
– Vom Experiment zum Modell, Scheitern unter Aufsicht
• Seminare: Mehr Rätsel (AL)
(2sws)
• Wallenfels Seminar (mit P&E):
(>2sws)
– Forschungs-Werkstatt
Ziele der Veranstaltung
•
•
Einstieg in und Motivation für das
Geoökologiestudium
Orientierung über Lehrstühle, Abteilungen
und Disziplinen im Grundstudium
•
Gedankliches Grundgerüst der Ökologie
schaffen
•
Verschiedene Zugangsmöglichkeiten
diskutieren (historisch, funktionell)
•
Rätselstoff lernen (für spätere
Lösungsversuche)
Kernpunkte der Veranstaltung
• Der erste Zugang (Physik und Chemie) orientierte sich
an den lokalen bis globalen Stoff – und Energieflüssen
- Ziel: Die Vorhersage und Bewertung von Änderungen
• Der zweite Zugang orientiert sich an den Organismen
- Ziel: Individualität und Geschichtlichkeit charakterisieren
• Der dritte Zugang orientierte sich an der Natur- und
Kulturgeschichte
- Ziel: interaktives Inganghalten einer Servicefunktion
• In welchen Verhältnis stehen das wissenschaftliche
Verständnis und die Begründung von praktischen
Entscheidungen in Ökosystemen ?
Geoökologie aus dem Studienführer
• „Geoökologie ist ein interdisziplinäres
naturwissenschaftliches Fach. Geoökologie zielt auf das
Verständnis der Funktions- und Wirkungsweise der
Umwelt, insbesondere um Probleme im Zusammenhang
mit der menschlichen Nutzung zu erkennen und zu
lösen.“
• ...auf solider naturwissenschaftlicher Grundlage sind
Geoökologen „Spezialisten für Zusammenhänge“.