Undersøgelse undersøger sammenbrud af naturlige eller sociale systemer

Et vendepunkt er en kritisk tærskel, hvor et dynamisk system undergår en irreversibel transformation, typisk på grund af en lille ændring i input eller parametre. Dette koncept er meget bredt og kan referere til udryddelse af et dyr eller en planteart, udtømning af en vandkilde, eller en institutions kollaps blandt mange andre naturlige og sociale fænomener.

Numeriske simuleringer af vippepunkter af Everton Santos Medeiros, en forsker ved University of São Paulo's Physics Institute (IF-USP) i Brasilien, give en bedre forståelse af egenskaberne ved dette point of no return og hvad der sker med et system efter dets forekomst. Undersøgelsen er blevet offentliggjort i Videnskabelige rapporter .

"Oceanisk, atmosfærisk, økologisk, økonomiske og andre systemer kan undergå sådanne overgange, "Medeiros fortalte Agência FAPESP." Systemets parametre ændres gradvist, indtil en grænse er nået, hvor en lille ændring forårsager en pludselig og irreversibel overgang. Begrebet et vendepunkt er velkendt i litteraturen. Vores undersøgelse gik ud på at undersøge, hvad der sker kort efter denne kritiske overgang. "

Medeiros designet et generisk cyklisk dynamisk system til at modellere denne type overgang. Han valgte et cyklisk system, fordi de fleste naturfænomener er cykliske som reaktion på periodiske tvang, såsom forskelle i sollys forbundet med årets årstider.

"Derfor er vores præference for et generisk cyklisk dynamisk system, der kan beskrives ved en simpel differentialligning, "Medeiros forklarede." Vores numeriske simuleringer varierede ligningens parametre, indtil de nåede et vippepunkt defineret ved eliminering af den adfærd, de beskrev. "

Professor Iberê Luiz Caldas, medforfatter af artiklen, lavede en vigtig skelnen:"Vores undersøgelse fokuserer ikke på komplekse dynamiske systemer, men på simple dynamiske systemer, der kan vise kompleks adfærd, dvs. dynamiske systemer beskrevet af ikke-lineære differentialligninger, der har komplekse løsninger. "Disse systemer blev undersøgt af den store franske fysiker, matematiker og filosof Henri Poincaré (1854-1912).

Hysterese er et centralt træk ved de overgange, der er klassificeret som vendepunkter:Når den kritiske tærskel er nået, og det dynamiske regime pludselig ødelægges, regimet kan ikke genoprettes ved blot at vende den tendens, der forårsagede sammenbruddet. Udryddelse af en dyreart, udtømning af et vandreservoir og optøning af en gletscher følger alle denne type hysteretisk mønster, hvor irreversibel skade sker, når vippepunktet nås.

"Men hvad vores undersøgelse viste, og dette er dets vigtigste bidrag, er det for visse cykliske fænomener, systemets dynamik varer i en vis tid efter vendepunktet, og denne vedholdenhed kan maskere selve overgangen, "Sagde Medeiros." Tag en truet art, for eksempel. Det kan have passeret point of no return og blive irreversibelt dømt. Alligevel, enkelte medlemmer af arten fortsætter med at eksistere og reproducere sig i naturen. Denne forbigående effekt skjuler det faktum, at i det lange løb arten er allerede uddød. I vores undersøgelse, gennem numerisk simulering, det lykkedes os at observere denne forbigående effekt efter singulariteten, der konfigurerer et vendepunkt. "

Dermed, fundamentet i et fænomen ændrer sig irreversibelt ved vendepunktet, men på grund af en slags "resteffekt" ser processen ud til at bevare sine oprindelige egenskaber i et stykke tid, maskere den transformation, der er sket.

"På grund af den forbigående effekt, hysteretisk ændring forveksles med gradvise ændringer, der let kan rettes. Overgangen kan virke glat, men kan faktisk være kritisk. I dette tilfælde, eliminering af årsagen er ikke tilstrækkelig til at vende systemets sammenbrud, "Sagde Medeiros.

"Det er svært at vide i virkelige situationer, om der er nået et vendepunkt eller ej, "Sagde Caldas." F.eks. kan den atlantiske regnskov mellem São Paulo og Santos rehabiliteres, eller er det uigenkaldeligt tabt? Der er stadig meget vegetation i området, så folk får indtryk af, at det kan genoprettes ved initiativer, der er i stand til at afhjælpe de skader, der er sket. Men er det tilfældet? Er den resterende vegetation ikke bare en forbigående effekt, så skovens kollaps i den region ikke kan vendes? En lærdom, der kan drages af vores undersøgelse, er, at der skal udvises stor forsigtighed, når symptomer på forringelse opstår. Ikke enhver forringelse kan vendes. "