Systemwissenschaften

Einführung in die Umweltsytemwissenschaften
001.601
1.0
Einführung in die Umweltsystemwissenschaften:
Systemwissenschaften
Prof.Dr. Anton Huber
Institut für Chemie
http://chemie-graz.at
[email protected]
Karl-Franzens Universität Graz
http://www.kfunigraz.ac.at/
Umweltsystemwissenschaften
http://www.uni-graz.at/uswwww/
Was sind Systeme ?
Ansatz: Systemerfassung → Systemanalyse → Systemkontrolle
Struktur / Zusammensetzung / Aufbau von Systemen
Störung & Systementwicklung
Systemeigenschaften
KF-Universität Graz
Prof. Dr. Anton Huber
Institut für Chemie (IfC) chemie-graz.at
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Einführung in die Umweltsytemwissenschaften
001.601
1.0
Was sind Systeme ?
System, griech. → Zusammenstellung
Brockhaus
Ein System ist ein ganzheitlicher Zusammenhang von Dingen, Vorgängen und Teilen.
Ein System kann von der Natur gegeben oder vom Menschen hergestellt sein.
ESS - Earth System Sciences / NASA
http://education.gsfc.nasa.gov/ESSSProject/ess_definition.html
http://www.usra.edu/esse/essmp/essmp.html
The objective of Earth System Science is to understand how the Earth is changing and the consequences for life
on Earth with a focus on enabling prediction and mitigation of undesirable consequences.
This requires an identification and description of how the Earth system is changing, the ability to identify and
measure the primary forcings on the Earth system from both natural and human activities, knowledge of how the
Earth system responds to changes in these forcings, identification of the consequences of these changes for
human civilization, and finally, the ability to accurately predict future changes with sufficient advanced notice to
mitigate the predicted effects.
To achieve this level of knowledge and understanding a multidisciplinary approach to studying Earth as a system is
needed. Such an approach involves studying the processes and interactions (cycles) among the atmosphere,
hydrosphere, cryosphere, biosphere, and geosphere from a global to local point-of-view, and across the time
scales (minutes to eons) in which these spheres interact. It requires the use of physical and chemical laws with
mathematics to describe the physical, chemical and biological processes within each sphere and the interactions
between the spheres. These descriptions are used along with observations from ground, airborne, waterborne, and
spaceborne instruments to construct models through which complex interactions of the spheres are studied. It is
through the understanding of these complex interactions that accurate, predictive models are developed.
Earth System Science http://www.acad.carleton.edu/curricular/GEOL/DaveSTELLA/intro ESS/intro.html
Exploring the Dynamics of Earth Systems
a guide to constructing and experimenting with computer models of Earth systems using STELLA
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Einführung in die Umweltsytemwissenschaften
001.601
1.0
Ansatz: Systemerfassung → Systemanalyse → Systemkontrolle
REPEAT
Erhebung des 'status quo' → Stand des Wissens / Stand des Könnens
Datensammlung / Faktensammlung mit aktuell gültigen, kulturell spezifischen Operationsregeln
Formulierung von Kausalzusammenhängen und Erstellung von Konzepten, Theorien, Modellen für die Natur oder Teile der Natur
Anpassung des 'status quo + neue Daten / Fakten / Theorie' zur assymptotischen Annäherung der Beschreibung an eine 'objektive' Realität
Überprüfung der Theorie/Modell-Vorhersage-Kapazität zur Systemkontrolle → Test mit logischen Verfahren: z.B. Falsifikation
IF Vorhersage / Kontrolle = FALSE then
REPEAT
Zielformullierung [überarbeitete Variante]
Abschätzung technologisch / gesellschaftlicher Kosten / Nutzen
IF Aufwand = TRUE then (gerechtfertigt / vertretbar)
BEGIN
Erhöhung der Problem-Differenzierung (Spezialisierung)
nicht-lineare Steigerung des Aufwandes (Theoriebehandlung, Energie, Kosten, ...)
Anpassung: Daten / Theorie / Modelle
Überprüfung der Theorie-Vorhersage-Kapazität
END
ELSE BEGIN
Formulierung alternativer Ziele (zur Systembeschreibung & Systemsteuerung)
Entwicklung alternativer Konzepte, Theorien, Modelle, ...
neue / zusätzliche Datensammlung
......
END
UNTIL Vorhersage / Kontrolle = TRUE
UNTIL Systemverständnis / Systemkontrolle = TRUE (vollständig)
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Einführung in die Umweltsytemwissenschaften
001.601
Was versteht man unter einem System ?
Was macht ein System ?
Systeme sind Konstrukte zum Verständnis
& zur Kontrolle unserer Welt.
Jedes System entwickelt sich
in seinem Phasenraum
in die Richtung von Attraktoren
(stabilisierend, destabilisierend)
zur bestmöglichen Verwaltung
vorliegender Energieeinträge
(Störungen).
Systeme sind Modelle für Ausschnitte der
Natur, die in verschiedenen Disziplinen,
insbesondere in
Naturwissenschaften / Technik
Wirtschaftswissenschaften
Geisteswissenschaften
benutzt werden,
um diese Ausschnitte zu studieren
und / oder zu kontrollieren.
Die Eigenschaften eines Systems werden
dabei vom
gewählten Ausschnitt der Natur
(System + Systemumgebung),
den momentan gültigen
Operationsregeln der einzelnen
Disziplinen
und von den Eigenschaften der
handelnden Person(en)
(Beobachter / Operator)
bestimmt.
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Art des Energieeintrages
zeitlich begrenzt, unterkritisch
permanent , unterkritisch
permanent, überkritisch
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Struktur / Zusammensetzung / Aufbau von
Systemen ?
Klassifikation von Systemen:
Beobachter / System-Relationen
nach Modell-Typ
nach Art der Störung:
o
Der jeweilige System-Zustand kann
dabei
entweder als Funktion des
Endzustandes eines
Energieeintrages → statisch
oder als Funktion der
Entwicklung im Zuge einer
Störung → dynamisch
beschrieben werden.
Systemkomponenten
Wechselwirkung zwischen
Systemkomponenten
Systemgrenze
Systemumgebung
Kommunikation zwischen System
und Systemumgebung
o
o
o
(stabile) Systeme im / in der
Nähe des thermodynamischen
Gleichgewichtes
zeitlich begrenzt gestörte
Systeme in der Nähe des th.GGs
(asymptotisch stabil)
permanent, aber unterkritsch
gestörte Systeme
permanent und überkritsch
gestörte Systeme
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Einführung in die Umweltsytemwissenschaften
Energie:
001.601
1.0
Qualität der Störungen aus der Systemumgebung / Transformations-Resultate im Zuge der Systementwicklung
elektromagnetische Strahlung → E = h . ν
Materie → E = m . c 2
Information → Aufbau & Erhaltung funktionaler Strukturen; Kodierung, De-Kodierung, Speicherung & Transfer;
Entropie → nicht mehr transformierbare Energiekategorie → Irreversiblität
→ Masse ( Elektronen, Protonen, Neutronen )
Systementwicklung → Prozess
Prozess zur optimalen Verwaltung von
Energieeinträgen / Störungen.
Räumlich / zeitliche Veränderungen von
Systemzuständen
Strukturierung
Funktionalität
Verteilungsprofile
durch
Mischen
Transformation
Advektion (gerichteter Transport)
Diffusion (ungerichteter Transport)
Austausch an Grenzflächen
turbulente Diffusion
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→ ruhemassefrei ( Photonen )
Grundlagen zur Systemanalyse
Logik (2-wertig / mehrwertig)
2-wertig: Prinzip des
ausgeschlossenen Dritten
(Tertium non datur)
Werkzeug / Sprache →
Mathematik
Ursache→Wirkungs-Zusammenhang:
linear / nicht-linear
stetig / Sprungstellen
System / Beobacher - Verhältnis
anders + einander gegenüber;
Teil des Systems: ähnlich, aber
einander gegenüber;
Beobachter als Instanz des
Systems;
Ansatz zur Beschreibung von
Systementwicklung
Newton'sche Bewegungsgleichungen:
y ' = f (y )
oder
dx
= f (x)
dt
Phasenraum:
Entwicklung in einem Koordinatensystem
voneinander unabhängiger
Systemeigenschaften;
Modelle zur Beschreibung von
Systemzuständen
statisch
dynamisch
zeitlich diskret
räumlich kontinuierlich
stochastisch / turbulent
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Einführung in die Umweltsytemwissenschaften
Systemeigenschaften
001.601
1.0
→ abhängig von
Qualität + Quantität von Energieeinträgen aus der Systemumgebung / Störungen
Qualitäten des Systems: Sensorfähigkeit / Antwortvermögen
Eigenschaften / Leistungsfähigkeit des Beobachters
Antwortvermögen eines Systems auf einen Eintrag: Ursache → Wirkung
Wirkung
= Eintrag . Antwortvermögen X
linear: x = 0 → in der Nähe des thermodynamischen Gleichgewichts
nicht-linear: x > 0 → überkritisch entfernt vom thermodynamischen Gleichgewicht
Leistungsfähigkeit des Beobachters / Operators
kulturelles Umfeld → westlich orientierte Naturwissenschaft / Technik, Wirtschaftswissenschaft, Geisteswissenschaft, ...
Ansatz: reduktionistisch → Aufschlüsselung des Gesamtverhaltens in aufsummierbare Aspekte von Teilsystemen
Ansatz: holistisch → das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile
Das Eintreten prognostizierter Folgen in der 'realen Welt' wird nicht nur von der Qualität + Quantität des Energieeintrages und vom
Antwortvermögen des Systems, sondern von einer Reihe davon scheinbar unabhängiger 'operativer Instrumente' mitgesteuert:
Art der Prognosen / Art der Modellbildung / Art der Testverfahren (Weltbild)
subjektive Vorlieben (z.B.: erhöhte Akzeptanz eines tatsächlich eintretenden Erwartungswertes)
Art der Lösungsssuche (aktiv, passiv, ...)
(Nicht-) Verfügbarkeit von Mitteln
..... . . . . . . .
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