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Modellbildung in der Geoökologie (G5, 103) SS 2004. 29.4. Einführung, Modelle, Modellklassen 6.5. Zustandsmodelle, Rekursion 13.5. Beispiel Phyllotaxis, Definition von Ökosystemen 27.5. Populationsmodelle (FK) 3.6. Individuenbasierte Modelle (FK) - PowerPoint PPT Presentation
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Modellbildung in der Geoökologie (G5, 103) SS 2004
- 29.4. Einführung, Modelle, Modellklassen- 6.5. Zustandsmodelle, Rekursion- 13.5. Beispiel Phyllotaxis, Definition von
Ökosystemen - 27.5. Populationsmodelle (FK)- 3.6. Individuenbasierte Modelle (FK)- 17.6. Transportgleichungen und -modelle - 24.6. Konzeptionelle Modelle der Hydrologie- 1.7. Fallbeispiel Gårdsjön: Parameteridentifikation- 8.7. Modelle zur Gewässerversauerung- 15.7. Flussnetzwerke, Modelle in der Geomorphologie- 22.7. Besprechung der Übungsaufgaben (FK)
- 1-2 weitere Termine: Besprechung der Übungsaufgaben (FK)
Modellierung (nach Robert Rosen)
Natural System
ENCODING
DECODING
Formal
System
INFER
EN
CE
CA
US
ALIT
Y 1
2
4
3
Naturgesetze
NewtonMandelbrot
Fibonacci
Beispiel für distiche Blattstellung:Junger Ahorn
Selbstorganisation geometrischer Strukturen:
Phyllotaxis
Anordnung von Blättern: • nur drei Lösungen evolutionär "gefunden":1. distiche Blattstellung
(Eschen, Ahorne, Kastanienbäume, Flieder, ...)2. wirteliges Muster
(Schachtelhalm, Labkraut, Waldmeister, ...) 3. Spiralen (oft zwei gegenläufige Spiralen)
Beispiel für wirtelige/quirlige Anordnung: Echtes Labkraut
Beispiel für Spiralen: Berberitze
Definition des Divergenzwinkels
Jeder 14. Dorn steht genau über dem 1. nach 5 Umdrehungen:
''41'2713813/360*5
Der „goldene Schnitt“
Wenn man das Verhältnis von zwei aufeinander folgenden Fibonacci-zahlen bildet, erhält man die Reihe:
1/1 = 1, 2/1 = 2, 3/2 = 1·5, 5/3
= 1·666..., 8/5 = 1·6, 13/8 =
1·625, 21/13 =
1·61538 ...
Die Fibonacci-Zahlen
1,
1
0
21
1
0
kFFF
F
F
kkk
,...55,34,21,13,8,5,3,2,1,1,0F
Grenzwert der Quotienten:
1lim
k
k
k F
F
1
11limlimlim
1
1
1
1
1
2
1
k
k
kk
kk
kk
k
k F
F
F
FF
F
F
012 2
15 Goldener Schnitt
508,13712 Goldener Winkel
Experimentelles Modell der Phyllotaxis
Douady und Couder (1993)
180,1 G 2,1,150,7.0 jiG
5,3,139,15.0 jiG
Modellierung (nach Robert Rosen)
Natural System
ENCODING
DECODING
Formal
System
INFER
EN
CE
CA
US
ALIT
Y 1
2
4
3
Naturgesetze
NewtonMandelbrot
Fibonacci
Wdh.: Grundlagen der Modellbildung
• Chroniken: die aufeinander folgenden Werte stehen in keiner Beziehung
• Rekursion: die aufeinander folgenden Werte gehen (rekursiv) auseinander hervor– Mandelbrotmenge
– Fibonacci
– Ackermann - Funktion
• Zustandssysteme: die zu einem Zeitpunkt aktuellen Zustandsvariablen gehorchen einer (analytischen) Funktion mit der Trajektorie für jeden beliebigen Zeitpunkt berechnet werden kann (als Lösung einer Differentialgleichung, z.B. ) axx
Ein weiteres Beispiel für Rekursion:
))1,(,1(),(
)1,1()0,(
1),0(
mnaaamna
nana
mma
Die Ackermann Funktion:
Übungsaufgabe: ?)3,2( a
Die Ackermann Funktion ist nicht „primitiv rekursiv“, aber berechenbar (mit einer TURING Maschine)
primitiv rekursiv: Nachfolger-Funktion
Was ist ein Ökosystem ?
• Das wichtigste Konzept in der Ökologie
• Wie der Begriff des Lebens nicht präzise definiert
– Die häufigsten Definitionsvorschläge lassen sich in zwei Klassen („bio“ und „geo“) einteilen
– Wir betrachten diese Klassen unter dem Aspekt des „Encoding“, der Übersetzung in ein formales Modell
Beispiele für Definitionen
• An ecosystem is the dynamic and interrelating complex of plant and animal communities and their associated non-living environment.
• The physical and climactic features and all the living and dead organisms in an area that are interrelated in the transfer of energy and material.
• An interacting complex of a community and its environment functioning as an ecological unit in nature. Differs from "system" in being a more rigorous definition that encompasses and requires assumptions of energetics, ecological interactions, species adaptations and so forth.
• An ecosystem consists of a dynamic set of living organisms (plants, animals and microorganisms) all interacting among themselves and with the environment in which they live (soil, climate, water and light). An ecosystem does not have precise boundaries - it can be as small as a pond or a dead tree, or as large as the Earth itself. An ecosystem can also be defined in terms of its vegetation, animal species or type of relief, for example.
Biowissenschaften: eine Grobgliederung
Innere Beziehungen: Physiologie
Aufbau und Struktur: Morphologie
Umwelt • belebt: Biowissenschaften• unbelebt: Geowissenschaften
äußere Beziehungen: Ökologie
Das „Encoding“ und „Decoding“ bei der ökologischen
Modellierung• Vorbild und Ausgangspunkt ist die
„physikalische Modellbildung“, die in den Zustandssystemen zur Anwendung kommt:
– Trennung der Welt in Subjekte (Beobachter) und Objekte (Zustände und Kräfte)
– Intersubjektive Verfahren der Beobachtung von Objekten
– Suche nach einem einfachen, erklärenden (rekonstruierenden) Modell
– Test durch Überprüfung („Decoding“ und Beobachtung) von möglichst contra-intuitiven Vorhersagen des Modells
Damasio (1999) „ There is no such thing as a
pure perception of an object within a sensory channel, for instance vision ... To perceive an object, visually or otherwise, the organism requires both specialised sensory signals and signals from the adjustment of the body, which is necessary for the body to occur.”
Klassifikation nach Objekten (Zuständen)und Umgebungen (Kräfte) im Raum
Beobachtete Wirklichkeit
Einfluss der Perspektive
Ansätze der ökologischen Modellbildung
Natural System
ENCODING
DECODING
Formal
System
INFER
EN
CE
CA
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ALIT
Y 1
2
4
3
biologisch def.
physikalisch def.
Warum Ökosysteme ?• „Von außen“:
– z.B. als globale Perspektive auf den Wasserkreislauf, die solange verfeinert wird bis biotische Effekte bemerkbar werden
– z.B. Verbreitung von Schadstoffen und deren toxikologische Wirkung auf Organismen
• „Von innen“: – Z.B. als organismische Perspektive die solange
integriert werden bis globale geochemische Effekte bemerkbar werden
– z.B. Ausbreitung oder Domestikation von Organismen mit neuern Strategien und deren Wirkung auf geochemische Stoffumsätze
• Ökosysteme: Verknüpfungen auf mittleren Skalen– Landschaftseinheiten (hydrologische
Wassereinzugsgebiete)– Nahrungsnetze (Energieflüsse über Trophiestufen)– Nutzungstraditionen
Klima-variablen im Holozän
Aus: Ruddiman (2003)
Klima-variablen im Holozän
Aus: Ruddiman (2003)
Varianten der Bedeutung von „Ökosystem“
Bedeutung/Verwendung Einfache Aspekte
Kontext
I. Biotisch fokussiert:(„..enthalten Leben...“)
Bausteine ohne Gedächtnis, ohne Individualität
Biologie, Ökologie
II. Abiotisch fokussiert :(„..und sind offen “)
Einfache, externe Input- Output Funktionen
Geowissenschaften, z.B. Hydrologie
Bedeutung/Verwendung
Beispiele Beispiel
I. Biotisch: Biozönose als Ökosystem, Nahrungsnetze, etc.
Kratakau Vulkaninsel durch Ausbruch 1883 sterilisiert
II. Abiotisch: Hydrologische Einzugs-gebiete
Hubbard Brook, USAfrühe Ökosystemforschung
Varianten der Bedeutung von „Ökosystem“ (3. Forts.)
Bedeutung/Verwendung
Explizit, definiert Erklärungsprinzip
I. Biotisch: Anfangskonfiguration (-Zustand), Abgrenzung von Epochen
Zerlegung (oder Abstraktion) in nicht interagierende Teile
II. Abiotisch: Randbedingungen, äußere Ränder
Aggregation (oder Abstraktion)in nicht interagierendes System
Varianten der Bedeutung von „Ökosystem“ (1. Forts.)
Wiederbesiedlung nach einem Vulkansausbruch (Krakatau 1883- 1998)
aus: Whittaker (1998)
Wiederbesiedlung der Rakata Insel mit Pflanzen (Krakatau-Gruppe)
aus: Whittaker (1998)
Wiederbesiedlung in Abhängigkeit der Art der Verbreitung
aus: http://www.geo.arizona.edu/Antevs/ecol438/lect13.html
Hubbard Brook Experimental Forest
http://www.hubbardbrook.org/
Eine Abfluss-Messstelle: Im Idealfall der einzige Ausgang für gelöste und suspendierte Stoffe
Aus: Begon et al. (2001)
Auswirkungen des Kahlschlages auf Konzentrationen gelöster Ionen im Abfluss
Zusammenfassung
• Phyllotaxis als ein Beispiel von Rekursion (mit decoding)
– Mandelbrot: ohne „En- oder Decoding“
– Newton: Komplettes Zustandsmodell mit „En- und Decoding“
– Fibonacci: nur „Decoding“
• Beobachtung und Modellbildung in der Ökologie
• Definitionen von Ökosystemen