stringtranslate.com

Критический переход

Критические переходы — это резкие изменения в состоянии экосистем , климата , финансовых систем или других сложных динамических систем , которые могут происходить, когда изменяющиеся условия проходят критическую или бифуркационную точку . Как таковые, они представляют собой особый тип смены режима . Восстановление после таких сдвигов может потребовать большего, чем простого возврата к условиям, при которых произошел переход, явление, называемое гистерезисом . [1] [2] [3] [4] Помимо естественных систем, критические переходы также изучаются в психологии, [5] медицине, [6] [7] экономике, [8] [9] социологии, [10] военном деле, [11] и ряде других дисциплин.

Ранние сигналы оповещения

Критическое замедление

Графическое представление альтернативных стабильных состояний и направления критического замедления перед критическим переходом (взято из Lever et al. 2020). [12] Верхние панели (a) показывают ландшафты стабильности при различных условиях. Средние панели (b) показывают скорости изменения, близкие к наклону ландшафтов стабильности, а нижние панели (c) показывают восстановление после возмущения в направлении будущего состояния системы (cI) и в другом направлении (c.II).
Временные изменения устойчивости лесов и ее основные факторы [13]
Новые сигналы снижения устойчивости лесов в условиях изменения климата [13]

Значительные усилия были предприняты для выявления сигналов раннего оповещения о критических переходах. [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] Системы, приближающиеся к точке бифуркации, демонстрируют характерное поведение, называемое критическим замедлением, приводящее к все более медленному восстановлению после возмущений. Это, в свою очередь, может привести к увеличению (пространственной или временной) автокорреляции и дисперсии, в то время как спектры дисперсии имеют тенденцию к более низким частотам, [15] [18] [19] а «направление критического замедления» в пространстве состояний системы может указывать на будущее состояние системы, когда отложенные отрицательные обратные связи, приводящие к колебательной или другой сложной динамике, слабы. [12] Исследователи изучили сигналы раннего оповещения в озерах, динамике климата, тропических лесах Амазонки , [22] лесах по всему миру, [13] пищевых сетях, переходах на засушливые земли и приступах эпилепсии. [15]

Примеры

Исследования показывают, что более трех четвертей тропических лесов Амазонки теряют устойчивость с начала 2000-х годов, как измеряется CSD [22], и что тропические, засушливые и умеренные леса существенно теряют устойчивость. [13] Было высказано предположение, что потеря устойчивости в лесах «может быть обнаружена по возросшей временной автокорреляции (TAC) в состоянии системы, отражающей снижение темпов восстановления из-за критического замедления (CSD) системных процессов, которые происходят на пороговых значениях». [13]

Мерцание

Вышеуказанный подход (поиск критического замедления) — это то, как большинство исследователей оценивают, неизбежен ли критический переход. Однако в высокостохастических (случайных) системах альтернативные бассейны притяжения будут достигнуты задолго до достижения точек бифуркации. [23] Поэтому возмущения могут заставить систему «мерцать» между бассейнами притяжения.

Примеры

Эта идея привлекла значительный интерес в последние несколько лет, в какой-то степени войдя в мейнстрим. [24] Идея широко применялась к исследованиям экологической устойчивости [25] (например, эвтрофикации озера [26] ) и к более крупным системам, таким как потенциальный коллапс Атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции . [27]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Шеффер, Мартен; Карпентер, Стив; Фоли, Джонатан А.; Фолке, Карл; Уокер, Брайан (октябрь 2001 г.). «Катастрофические сдвиги в экосистемах». Nature . 413 (6856): 591–596. Bibcode :2001Natur.413..591S. doi :10.1038/35098000. ISSN  1476-4687. PMID  11595939. S2CID  8001853.
  2. ^ Шеффер, Мартен (26 июля 2009 г.). Критические переходы в природе и обществе . Princeton University Press. ISBN 978-0691122045.
  3. ^ Шеффер, Мартен; Баскомпт, Хорди; Брок, Уильям А.; Бровкин, Виктор; Карпентер, Стивен Р.; Дакос, Василис; Хелд, Герман; ван Нес, Эгберт Х.; Риткерк, Макс; Сугихара, Джордж (сентябрь 2009 г.). «Сигналы раннего оповещения о критических переходах». Nature . 461 (7260): 53–59. Bibcode :2009Natur.461...53S. doi :10.1038/nature08227. ISSN  1476-4687. PMID  19727193. S2CID  4001553.
  4. ^ Шеффер, Мартен; Карпентер, Стивен Р.; Лентон, Тимоти М.; Баскомпт, Хорди; Брок, Уильям; Дакос, Василис; Коппель, Йохан ван де; Лемпут, Ингрид А. ван де; Левин, Саймон А.; Нес, Эгберт Х. ван; Паскуаль, Мерседес; Вандермеер, Джон (19 октября 2012 г.). «Предвидение критических переходов». Наука . 338 (6105): 344–348. Бибкод : 2012Sci...338..344S. дои : 10.1126/science.1225244. hdl : 11370/92048055-b183-4f26-9aea-e98caa7473ce . ISSN  0036-8075. PMID  23087241. S2CID  4005516.
  5. ^ ван де Лемпут, Ингрид А.; Вичерс, Марике; Крамер, Анжелика О.Дж.; Борсбум, Денни; Тюрлинкс, Фрэнсис; Куппенс, Питер; ван Нес, Эгберт Х.; Фихтбауэр, Вольфганг; Гилтай, Эрик Дж.; Агген, Стивен Х.; Дером, Кэтрин; Джейкобс, Неле; Кендлер, Кеннет С.; ван дер Маас, Хан Л.Дж.; Нил, Майкл К. (07 января 2014 г.). «Критическое замедление как раннее предупреждение о начале и прекращении депрессии». Труды Национальной академии наук . 111 (1): 87–92. дои : 10.1073/pnas.1312114110. ISSN  0027-8424. ПМЦ 3890822 . PMID  24324144. 
  6. ^ Трефуа, Кристоф; Энтони, Пол MA; Гонсалвес, Хорхе; Скупин, Александр; Баллинг, Руди (2015-08-01). «Критические переходы при хронических заболеваниях: перенос концепций из экологии в системную медицину». Current Opinion in Biotechnology . Системная биология • Нанобиотехнология. 34 : 48–55. doi : 10.1016/j.copbio.2014.11.020 . ISSN  0958-1669.
  7. ^ де Муи, Сюзанна ММ; Бланкен, Тесса Ф.; Грасман, Рауль ППП; Рамаутар, Дженнифер Р.; Ван Сомерен, Юс Дж.В.; ван дер Маас, Хан LJ (01 сентября 2020 г.). «Динамика сна: изучение критических переходов и сигналов раннего предупреждения». Компьютерные методы и программы в биомедицине . 193 : 105448. doi : 10.1016/j.cmpb.2020.105448. hdl : 11245.1/e60d3e2e-5305-40fe-8ea2-9d2320a04f60 . ISSN  0169-2607.
  8. ^ Смаг, Д. (2018) Критические переходы в финансовых моделях: явления, вызванные бифуркацией и шумом https://ore.exeter.ac.uk/repository/handle/10871/36063?show=full
  9. ^ Син, Кай; Ян, Сяогуан (01.01.2020). «Прогнозирование ставок дефолта путем учета критических переходов в макроэкономической системе». Finance Research Letters . 32 : 101107. doi : 10.1016/j.frl.2019.02.007. ISSN  1544-6123.
  10. ^ Маскареньо, Альдо (01.12.2020). «Близко к краю: от кризиса к критическим переходам в теории социальных систем». Soziale Systeme . 25 (2): 251–276. doi :10.1515/sosys-2020-0026. ISSN  2366-0473.
  11. ^ Шлебир, Миха (2022-06-15). «К ПОНИМАНИЮ КРИТИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДОВ В ВОЕННЫХ ДЕЛАХ». Обрана и стратегия (Defence and Strategy) . 22 (1): 055–074. doi : 10.3849/1802-7199.22.2022.01.055-074 .
  12. ^ аб Левер, Дж. Джелле; Лемпут, Ингрид А.; Вейнанс, Элс; Квакс, Рик; Дакос, Василис; Нес, Эгберт Х.; Баскомпт, Хорди; Шеффер, Мартен (2020). «Предвидение будущего мутуалистических сообществ после краха». Экологические письма . 23 (1): 2–15. дои : 10.1111/ele.13401. ПМЦ 6916369 . ПМИД  31707763. 
  13. ^ abcde Форциери, Джованни; Дакос, Василис; Макдауэлл, Нейт Г.; Рамдане, Алкама; Ческатти, Алессандро (август 2022 г.). «Возникающие сигналы снижения устойчивости лесов в условиях изменения климата». Nature . 608 (7923): 534–539. doi : 10.1038/s41586-022-04959-9 . ISSN  1476-4687. PMC 9385496 . PMID  35831499. 
    • Новостная статья: «Леса становятся менее устойчивыми из-за изменения климата». New Scientist . Получено 21 августа 2022 г.
  14. ^ Биггс, Р. и др. (2009) Возвращение от края пропасти: своевременное обнаружение надвигающегося изменения режима для его предотвращения. P Natl Acad Sci Usa 106, 826–831
  15. ^ abc Шеффер, М. и др. (2009) Сигналы раннего оповещения о критических переходах. Nature 461, 53–59
  16. ^ Контамин, Р. и Эллисон, А.М. (2009) Индикаторы смены режимов в экологических системах: что нам нужно знать и когда нам нужно это знать? Ecol. Appl. 19, 799–816
  17. ^ Дакос, В. и др. (2010) Пространственная корреляция как опережающий индикатор катастрофических сдвигов. Теор Экол 3, 163–174
  18. ^ ab Dakos, V., et al. (2008) Замедление как ранний сигнал предупреждения о резком изменении климата . P Natl Acad Sci Usa 105, 14308–14312
  19. ^ ab van Nes, EH, и Scheffer, M. (2007) Медленное восстановление после возмущений как общий индикатор близкого катастрофического сдвига. Am. Nat. 169, 738–747
  20. ^ Ван Нес, Э. и Шеффер, М. (2005) Влияние пространственной неоднородности на катастрофические изменения режима в экосистемах. Экология 86, 1797–1807
  21. ^ Хастингс, А. и Вайшем, Д.Б. (2010) Режимные сдвиги в экологических системах могут происходить без предупреждения. Ecol Lett , 1–9
  22. ^ ab Boulton, Chris A.; Lenton, Timothy M.; Boers, Niklas (март 2022 г.). «Явная потеря устойчивости тропических лесов Амазонки с начала 2000-х годов». Nature Climate Change . 12 (3): 271–278. Bibcode : 2022NatCC..12..271B. doi : 10.1038/s41558-022-01287-8 . ISSN  1758-6798. S2CID  234889502.
    • Новостная статья об исследовании: «Климатический кризис: переломный момент в тропических лесах Амазонки приближается, показывают данные». The Guardian . 7 марта 2022 г. Получено 18 апреля 2022 г.
  23. ^ Дакос, Василис (2013). «Мерцание как сигнал раннего оповещения». Теоретическая экология . 6 .
  24. ^ Монбиот, Джордж. ««Мерцание» земных систем предупреждает нас: действуйте сейчас, или мы увидим, как наш уже деградировавший рай будет потерян». The Guardian . Получено 16 декабря 2023 г.
  25. ^ Шеффер, Мартен (2015). «Общие показатели экологической устойчивости: вывод о вероятности критического перехода». {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  26. ^ Ронг, Ван (2012). «Мерцание подает ранние предупреждающие сигналы о критическом переходе озера в состояние эвтрофного озера». {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  27. ^ Boers, Niklas (август 2021 г.). «Observation-based early-warning signals for a collapse of the Atlantic Meridional Overturning Circulation». Nature Climate Change . 11 (8): 680–688. Bibcode :2021NatCC..11..680B. doi :10.1038/s41558-021-01097-4. S2CID  236930519 . Получено 5 августа 2021 г. .

Внешние ссылки