Neue Forschungsergebnisse modellieren kritische Klimakollapsbedingungen in ökologischen und biologischen Systemen

Da der Mensch weiterhin für Umweltschäden durch den Klimawandel verantwortlich ist, wird die Vorhersage von Punkten, an denen es kein Zurück mehr gibt, wichtiger denn je. Weltweit kämpfen Mensch und Natur gleichermaßen mit steigenden Temperaturen, Dürren, Waldbränden, Hurrikanen, steigenden Meeresspiegeln und vielem mehr.

Ying-Cheng Lai, Regents-Professor für Elektrotechnik an den Ira A. Fulton Schools of Engineering der Arizona State University, leitet Projekte, die die Auswirkungen von zinsbedingtem Kippen auf die natürliche Umwelt untersuchen. Beim rateninduzierten Kippen wird die Geschwindigkeit quantifiziert, mit der sich ein System verändert, um einen Kipppunkt zu erreichen, oder den kritischen Zeitpunkt, zu dem größere Schäden für das Ökosystem auftreten, beispielsweise das Aussterben lebenswichtiger Arten.

Die jüngsten Bemühungen von Lai und seinen Kollegen analysierten die Auswirkungen des geschwindigkeitsbedingten Kippens auf Organismen, deren Überleben voneinander abhängt, wie etwa die Photosynthesezellen und die Korallen, die in einem Riff von ihnen abhängig sind. Anhand mathematischer Modelle fanden die Forscher heraus, dass ein System zur Vermeidung von Umweltkatastrophen seine Änderungsrate so weit wie möglich zum Stillstand bringen und nicht nur verlangsamen muss.

Die Forschung des Teams hat sich gelohnt resultierendes Papier„Rateninduziertes Kippen in komplexen hochdimensionalen ökologischen Netzwerken“, ein Spot in der Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Eine neue Grenze für die Forschung zu preisinduziertem Trinkgeld

Während die Erforschung von Kipppunkten ein gut etabliertes Gebiet ist, haben Lai und seine Kollegen – zu denen für dieses Projekt Shirin Panahi gehörte, eine Postdoktorandin für Elektrotechnik an der Fulton School; Younghae Do, Professor für Mathematik an der südkoreanischen Kyungpook National University; und Alan Hastings, ein angesehener emeritierter Professor mit Spezialisierung auf theoretische Ökologie an der University of California, Davis – verfolgten einen neuen Ansatz zur Untersuchung der Geschwindigkeitsentwicklung der Zustände eines Systems, um herauszufinden, wann ein System zusammenbrechen wird.

Sie fanden heraus, dass sich frühere Untersuchungen auf diesem Gebiet speziell auf bestimmte Punkte im Phasenraum konzentrierten, der auf räumlichen Positionen von Systemzuständen und den damit verbundenen Raten beruht, anstatt das vollständige Bild aller zugänglichen Punkte im Zustandsraum des zugrunde liegenden Systems zu beobachten .

Lai und sein Team versuchten, die Wahrscheinlichkeit eines zinsinduzierten Kippens im gesamten Zustandsraum zu ermitteln, und nutzten dann die entsprechenden Daten, um eine mathematische Theorie zu entwickeln, die allgemein auf Systeme im ökologischen und biologischen Bereich angewendet werden konnte.

Bewertung der Umweltauswirkungen

Ein ökologisches Beispiel für die Anwendung der Forschung ist die Analyse der Auswirkungen der durch den Klimawandel verursachten Umweltzerstörungsraten auf Korallen und ihre Zooxanthellen, bei denen es sich um mikroskopisch kleine Organismen handelt, die in den Korallen leben und sie durch Photosynthese mit Nahrung versorgen.

Während sich die Ozeane erwärmen, weil sie mehr Kohlenstoff aus vom Menschen verursachten Emissionen absorbieren, können Wissenschaftler mithilfe der rateninduzierten Kippungsforschung bestimmen, wann das heißere Wasser irreversible Schäden an Korallen verursachen wird. Ein Beispiel für systemkollapsierende Schäden ist, wenn thermischer Stress dazu führt, dass sich Zooxanthellen von den Korallenwirten lösen und die Korallen in einem gefährdeten Zustand zurückbleiben – was häufig durch Korallenbleiche sichtbar wird.

Da Korallen eine Vielzahl von Rifflebewesen beherbergen, hat die Korallenbleiche große Auswirkungen auf die Ökosysteme vorgelagert, einschließlich der menschlichen Bevölkerung, die als Nahrung auf Fische angewiesen ist, die in Riffen leben.

„Wenn die Geschwindigkeit der Parameteränderung einen kritischen Wert überschreitet, kann ein System in relativ kurzer Zeit im Sinne eines massiven Aussterbens zusammenbrechen“, sagt Lai. „Die wichtigste Erkenntnis ist, dass selbst eine langsame Parameteränderung plötzlich zu einem Systemzusammenbruch mit katastrophalen Folgen führen kann.“

Über den Klimawandel hinaus kann die Forschung auch auf biologische Systeme angewendet werden, etwa um abzuschätzen, welche Veränderungsrate dazu führt, dass eine Zelle ihre genetisch bestimmte Funktion nicht mehr erfüllt.

Den Verlauf zukünftiger Ereignisse ändern

Letztendlich möchte Lai die Menschheit darauf vorbereiten, zukünftige Katastrophen zu vermeiden oder ihre Auswirkungen durch seine Forschung zu zinsinduzierten Trinkgeldern abzumildern. Seine zukünftigen Projekte in diesem Bereich zielen darauf ab, sein aktuelles Wissen zu erweitern.

Lai plant, seine Erkenntnisse aus der Forschung zum zinsinduzierten Trinkgeld zu nutzen, um Modelle für maschinelles Lernen zu entwickeln, die systemische Katastrophen für spezifischere Anwendungen lokalisieren können. Er hofft beispielsweise, ein Modell zu erstellen, um den möglichen Zusammenbruch der Atlantischen Meridionalen Umwälzzirkulation vorherzusagen, einem Strömungssystem, das warmes und kaltes Wasser durch den Ozean transportiert und das Klima in Westeuropa mild hält.

Mit der Erwärmung der Ozeane verlangsamt sich die Bewegung der Strömungen, und das Modell des maschinellen Lernens würde auf Lais etablierter Forschung aufbauen, um zu bestimmen, wann Westeuropa sich auf schwerwiegende Klimaveränderungen aufgrund des Rückgangs der Strömungen vorbereiten sollte.