stringtranslate.com

Критический переход

Критические переходы – это резкие изменения в состоянии экосистем , климата , финансовых систем или других сложных динамических систем , которые могут произойти, когда изменяющиеся условия проходят критическую точку или точку бифуркации . По существу, они представляют собой особый тип смены режима . Восстановление после таких сдвигов может потребовать чего-то большего, чем простое возвращение к условиям, в которых произошел переход, — явление, называемое гистерезисом . [1] [2] [3] [4] Помимо природных систем, критические переходы изучаются также в психологии, [5] медицине, [6] [7] экономике, [8] [9] социологии, [10] военные, [11] и ряд других дисциплин.

Сигналы раннего предупреждения

Критическое замедление

Графическое представление альтернативных стабильных состояний и направления критического замедления перед критическим переходом (взято из Lever et al. 2020). [12] На верхних панелях (а) показаны ландшафты устойчивости в различных условиях. Средние панели (b) показывают темпы изменений, аналогичные наклону ландшафтов стабильности, а нижние панели (c) указывают на восстановление после возмущения к будущему состоянию системы (cI) и в другом направлении (c.II).
Временные изменения устойчивости лесов и ее ключевые факторы [13]
Новые сигналы снижения устойчивости лесов в условиях изменения климата [13]

Значительные усилия были предприняты для выявления сигналов раннего предупреждения о критических переходных процессах. [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, при этом дисперсионные спектры имеют тенденцию к более низким частотам [15] [18] [19] и «направлению критического замедления» в состоянии системы. пространство может указывать на будущее состояние системы, когда отложенные отрицательные обратные связи, ведущие к колебательной или другой сложной динамике, слабы. [12] Исследователи изучили сигналы раннего предупреждения в озерах, динамику климата, тропические леса Амазонки , [22] леса по всему миру, [13] пищевые сети, переходы на засушливые территории и приступы эпилепсии. [15]

Примеры

Исследования показывают, что более трех четвертей тропических лесов Амазонки с начала 2000-х годов потеряли устойчивость, согласно данным CSD [22] , и что тропические, засушливые и умеренные леса существенно теряют устойчивость. [13] Было высказано предположение, что потеря устойчивости лесов «может быть обнаружена по усилению временной автокорреляции (TAC) в состоянии системы, отражающей снижение темпов восстановления из-за критического замедления (CSD) системы». процессы, происходящие на порогах». [13]

Мерцающий

Вышеупомянутый подход (поиск критического замедления) – это то, как большинство исследователей оценивают неизбежность критического перехода. Однако в высокостохастических (случайных) системах альтернативные бассейны притяжения будут достигнуты задолго до того, как будут достигнуты точки бифуркации. [23] Таким образом, возмущения могут привести к «мерцанию» системы между бассейнами притяжения.

Примеры

Эта идея в последние несколько лет вызвала значительный интерес и в некоторой степени вошла в мейнстрим. [24] Идея широко применялась для изучения экологической устойчивости [25] (например, эвтрофикации озера [26] ) и для более крупных систем, таких как потенциальный коллапс Атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции . [27]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Шеффер, Мартен; Карпентер, Стив; Фоли, Джонатан А.; Фольке, Карл; Уокер, Брайан (октябрь 2001 г.). «Катастрофические сдвиги в экосистемах». Природа . 413 (6856): 591–596. Бибкод : 2001Natur.413..591S. дои : 10.1038/35098000. ISSN  1476-4687. PMID  11595939. S2CID  8001853.
  2. ↑ Шеффер, Мартен (26 июля 2009 г.). Критические переходы в природе и обществе . Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0691122045.
  3. ^ Шеффер, Мартен; Баскомпт, Хорди; Брок, Уильям А.; Бровкин, Виктор; Карпентер, Стивен Р.; Дакос, Василис; Хельд, Германн; ван Нес, Эгберт Х.; Риткерк, Макс; Сугихара, Джордж (сентябрь 2009 г.). «Сигналы раннего предупреждения о критических переходах». Природа . 461 (7260): 53–59. Бибкод : 2009Natur.461...53S. дои : 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 . ПМИД  24324144. 
  6. ^ Трефуа, Кристоф; Энтони, Пол Массачусетс; Гонсалвес, Хорхе; Скупин, Александр; Баллинг, Руди (01 августа 2015 г.). «Критические переходы при хронических заболеваниях: перенос концепций из экологии в системную медицину». Современное мнение в области биотехнологии . Системная биология • Нанобиотехнология. 34 : 48–55. дои : 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. 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 января 2020 г.). «Прогнозирование уровня дефолта путем учета критических переходов в макроэкономической системе». Письма о финансовых исследованиях . 32 : 101107. doi :10.1016/j.frl.2019.02.007. ISSN  1544-6123.
  10. ^ Маскареньо, Альдо (01 декабря 2020 г.). «Ближе к грани: от кризиса к критическим переходам в теории социальных систем». Социальная система . 25 (2): 251–276. doi : 10.1515/sosys-2020-0026. ISSN  2366-0473.
  11. ^ Шлебир, Миха (15 июня 2022 г.). «К ПОНИМАНИЮ КРИТИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДОВ В ВОЙНЕ». Обрана стратегия (Защита и стратегия) . 22 (1): 055–074. дои : 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. ПМК 6916369 . ПМИД  31707763. 
  13. ^ abcde Форциери, Джованни; Дакос, Василис; Макдауэлл, Нейт Г.; Рамдейн, Алкама; Ческатти, Алессандро (август 2022 г.). «Появляющиеся сигналы снижения устойчивости лесов в условиях изменения климата». Природа . 608 (7923): 534–539. дои : 10.1038/s41586-022-04959-9 . ISSN  1476-4687. ПМЦ 9385496 . ПМИД  35831499. 
    • Новостная статья: «Леса становятся менее устойчивыми из-за изменения климата». Новый учёный . Проверено 21 августа 2022 г.
  14. ^ Биггс, Р. и др. (2009) Возвращаясь от пропасти: вовремя обнаружить надвигающуюся смену режима, чтобы предотвратить ее. P Natl Acad Sci USA 106, 826–831
  15. ^ abc Шеффер, М. и др. (2009) Сигналы раннего предупреждения о критических переходах. Природа 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? Экол. Прил. 19, 799–816
  17. ^ Дакос, В. и др. (2010)Пространственная корреляция как ведущий индикатор катастрофических сдвигов. Теория Экол 3, 163–174.
  18. ^ Аб Дакос, В. и др. (2008) Замедление темпов роста как ранний сигнал предупреждения о резком изменении климата . P Natl Acad Sci Usa 105, 14308–14312
  19. ^ Аб ван Нес, Э.Х., и Шеффер, М. (2007) Медленное восстановление после возмущений как общий индикатор ближайшего катастрофического сдвига. Являюсь. Нат. 169, 738–747
  20. ^ ван Нес, Э., и Шеффер, М. (2005) Последствия пространственной неоднородности для катастрофических сдвигов режима в экосистемах. Экология 86, 1797–1807 гг.
  21. ^ Гастингс А. и Уишам Д.Б. (2010) Сдвиги режима в экологических системах могут произойти без предупреждения. Эколь Летт , 1–9
  22. ^ Аб Бултон, Крис А.; Лентон, Тимоти М.; Бурс, Никлас (март 2022 г.). «Заметная потеря устойчивости тропических лесов Амазонки с начала 2000-х годов». Природа Изменение климата . 12 (3): 271–278. Бибкод : 2022NatCC..12..271B. дои : 10.1038/s41558-022-01287-8 . ISSN  1758-6798. S2CID  234889502.
    • Новостная статья об исследовании: «Климатический кризис: данные показывают, что надвигается переломный момент для тропических лесов Амазонки». Хранитель . 7 марта 2022 г. Проверено 18 апреля 2022 г.
  23. ^ Дакос, Василис (2013). «Мерцание как сигнал раннего предупреждения». Теоретическая экология . 6 .
  24. ^ Монбиот, Джордж. «Мерцание» земных систем предупреждает нас: действуйте немедленно, иначе наш и без того деградировавший рай будет потерян». Хранитель . Проверено 16 декабря 2023 г.
  25. ^ Шеффер, Мартен (2015). «Общие показатели экологической устойчивости: определение вероятности критического перехода». {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  26. ^ Ронг, Ван (2012). «Мерцание дает сигналы раннего предупреждения о критическом переходе озера в эвтрофное состояние». {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  27. ^ Бурс, Никлас (август 2021 г.). «Сигналы раннего предупреждения на основе наблюдений о коллапсе Атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции». Природа Изменение климата . 11 (8): 680–688. Бибкод : 2021NatCC..11..680B. дои : 10.1038/s41558-021-01097-4. S2CID  236930519 . Проверено 5 августа 2021 г.

Внешние ссылки