QUALITATIVE UND QUANTITATIVE
UMWELTSYSTEMWISSENSCHAFTEN

Auf dieser Seite sind einige Angaben zu benutzter und weiterführender Literatur und Websites zu finden, die ich für die Seminare im Bereich Umweltsystemwissenschaften an der KF-Universität Graz zusammen gestellt habe.

NICHTLINEARITÄT UND CHAOS

Hauptziel der Seminare ist, ein Verständnis der Mechanismen von nichtlinearen Systemen zu vermitteln. Schwerpunkt sind Populationsdynamiken, es werden aber auch andere Beispiele erläutert. Zunächst werden allgemeine Aspekte der Systemwissenschaften wiederholt und die Bedeutung und Tücken von Simulationen erläutert. Die Studierenden lernen dann Grundbegriffe für den Umgang mit nichtlinearen Systemen, darunter auch chaotische. Es werden diskrete und kontinuierliche Dynamiken behandelt, die mathematisch mit Differenzengleichungen bzw. Differentialgleichungen beschrieben werden. Auch der Bezug zu gemessenen Zeitreihen wird hergestellt und die wichtigsten Verfahren zu ihrer Analyse diskutiert. Die behandelten nichtlinearen Systeme sind in der Regel nicht langfristig vorhersagbar. Es lassen sich aber strukturelle Aussagen machen und vor allem Stabilitätskriterien angeben. Wichtige Kenngrößen chaotischer Systeme sind der Lyapunov-Exponent und die fraktale Dimension, die mittlerweile als diagnostische Maße gute Dienste leisten. Die Evidenz, dass chaotische Systeme die Physiologie und die Ökologie stark mitbestimmen, nimmt ständig zu. Es ist daher dringend geboten, grundlegende Konzepte des Umgangs mit nichtlinearen Systemen zu erlernen.

COMPUTERSIMULATION

Ohne Computersimulationen ist die Erforschung komplexer, nichtlinearer Systeme kaum denkbar. Die meisten nichtlinearen dynamischen Modelle in Form von Differentialgleichungen besitzen - so der Jargon der Mathematiker - keine geschlossenen Lösungen. Dies bedeutet im Klartext, dass solche dynamischen Modelle numerisch gelöst werden müssen, was nicht ohne Diskretisierungs- und Rundungsfehler geht. Computer lassen die Simulationen sehr komplexer Systeme zu, was aber zu einem Verlust an Überblick über die numerischen Probleme führen kann. Es wurde bisweilen in Bezug auf Simulationen bemängelt - leider oft berechtigt -, dass damit eine Rationalität in die beschriebenen Systeme getragen wird, die eventuell gar nicht vorhanden ist. Genau genommen, findet diese Schein-Rationalisierung schon bei der mathematischen Modellierung statt, wenn die Modellierer sich ihrer heuristischen Vorgehensweise nicht bewusst sind oder diese verschleiern wollen. Im Seminar werden diese Probleme zwar nicht vertieft behandelt, das bleibt anderen Lehrveranstaltungen vorbehalten, aber falls nötig wird anhand von Beispielen immer wieder darauf hingewiesen.

Erwähnen möchte ich die Pionierleistung des MIT-Forschers Jay W. Forrester, den Mitbegründer des bekannten "Club of Rome", der in den 1960er Jahren begann, Simulationsergebnisse seiner sogenannten Weltmodelle vorzulegen. "Ein Weltmodell statt Flickwerkspolitik" forderte er. Auf seinen Modellen beruhten auch die Simulationsergebnisse des Club of Rome, die 1972 durch das Buch "The Limits to Growth" schlagartig großen Bekanntheitsgrad errangen. Das Ergebnis der ziemlich komplexen Simulation kann aus heutiger Sicht als beinahe so trivial wie die 200 Jahre alte Einsicht von Thomas Malthus beschrieben werden, der für das exponentielle Wachstum der Menschheit eine Apokalypse prognostizierte. Trotzdem ist die Bedeutung für die Systemwissenschaften beträchtlich, weil ein Problembewusstsein geschaffen und Detailzusammenhänge ins Visier genommen wurden. Die damals fehlenden und heute noch häufig vernachlässigten Qualitätskriterien bei Simulationen brachte einigen Studien nicht nur Ruhm ein. Milton Grodsky formulierte 1967 jedoch: "It seems clear that simulation can never achieve the complete realism of the operational system. However, it appears to be the best available." Dem schließe ich mich an und werde im Seminar durchgehend auf Computersimulationen beruhende Studien von nichtlinearen dynamischen Systemen vorstellen. Ich spare dabei nicht an Visualisierung, sodass ein hoher Grad an Anschaulichkeit trotz Komplexität gewahrt bleibt.

VIREALITÄT

Da der Mensch zunehmend in einer "Virealität" (Michael Klein) zurecht kommen muss, d.h. in einer Umwelt, die, neben der "Realität" immer mehr die "virtuelle Realität" (z.B. Internet) beinhaltet, möchte ich in dem Seminar explizit diese neue Umwelt in die systemischen Betrachtungen einbeziehen. Der Mensch ist hier quasi per constructionem Bestandteil eines kybernetischen Systems, zu dessen kritischer Analyse systemisches Denken noch zwingender als bisher Voraussetzung geworden ist. Besonders wichtig ist mir in den Seminaren, die Ausbildung einer kritischen Urteilskraft bezüglich der Modellierung von Gesellschaft und der daraus enstehenden ethischen Problematik einer Kontrollgesellschaft zu fördern. Meine Auffassung von Umweltsystemwissenschaft beinhaltet eine kritische Reflexion von Soziophysik, Soziobiologie und Sozioökonomie.

SOZIODYNAMIK

Der richtige Umgang mit komplexen Systemen erfordert systemisches Denken. Wie wir entscheiden und handeln ist selbst ein Gegenstand systemischer Psychologie bzw. Soziologie. Aber: Die unbestreitbaren Erkenntnisse der soziobiologischen Systemtheorie werden teilweise durch einen extremen Utilitarismus konterkariert. Menschliches Verhalten wird oft auf einen "Biologismus" reduziert.

In meinen Seminaren setze ich mich kritisch mit einer systemisch motivierten Ethik bzw. systemisch abgeleiteten Kulturevolution auseinander. Bereits seit einigen Jahrzehnten werden die dynamischen Gleichungen für Intra- und Inter-aktionen verschiedener Spezies auf individueller Basis mit strategischen Funktionen erweitert, die dem Sozialverhalten Rechnung tragen sollen. Damit werden "altruistische" Verhaltensweisen funktional erklärt und sowohl durch genetische als auch cerebrale Untersuchungsergebnisse gestützt. Die Ausdehnung biologisch-dynamischer Modelle auf die Beschreibung sozialer oder sogar kultureller Phänomene soll kritisch besprochen werden. Auch das Umweltbewusstsein schlägt sich in solchen Modellen als ökologischer Nutzen, der über den ökonomischen Vorteil hinausgeht, in Form einer "rationalen" Funktionalität nieder. Innerhalb dieser Themenblocks bespreche ich auch einige Anwendungen der Netzwerktheorie und der umstrittenen aber weitverbreiteten Theorie zur memetischen Dynamik. Diese Modellansätze beschäftigen sich mit unserer Kopplung an die virtelle Umwelt, das Internet.

EINE GANZ SANFTE EINFÜHRUNG ZUR VORBEREITUNG

  • Studium generale zur Komplexität. Herausgegeben von Hans H. Diebner.
    Das Buch ist die Zusammenfassung einer Vorlesungsreihe für ein breiteres Publikum. Es setzt keine profunden mathematischen Kenntnisse voraus. Es werden zahlreiche Gebiete der Komplexitätsforschung angesprochen. Eine sanfte Einführung in die Themen des Seminars. Zur Vorbereitung empfehlenswert.

LITERATUR UND LINKS ZU ÖKOSYSTEME UND POPULATIONSDYNAMIK MIT EINEM SCHWERPUNKT AUF NICHTLINEARITÄT UND CHAOS

Links:

  • The chaotic rhythms of life. Ein "populärwissenschaftlicher" Beitrag von Robert May. Lord May ist der Altmeister der Populationsdynamik und epidemiolgischen Modellierung, der 1976 den grundlegenden Beitrag "Simple mathematical models with very complicated dynamics" publizierte. In den Seminaren wird die diskrete logistische Abbildung, die auch Bob May behandelt, als grundlegendes Beispiel einer chaotischen Dynamik besprochen. May behauptet, dass der Stoff bereits in der Schule behandelt werden kann.
  • Introduction to population ecology. By Edward B. Radcliffe. Enthält neben einer Einführung ins Thema der Populationsdynamik einen Link zu dem vermutlich ersten systematischen Beitrag zur Populationsdynamik von Thomas Malthus, sowie Abhandlungen von Charles Darwin. Die website enthält Daten zu Räuber-Beute-System. Solche Systeme werden in den Seminaren behandelt.
  • Nonlinear population dynamics. An interdisciplinary research program. Eine Arbeitsgruppe stellt sich vor; mit vielen nützlichen Publikationen und Links.
  • Population ecologyy. By Alexei A. Sharov. Insbesondere der Teil Quantitative population ecology ist für meine Seminare relevant.
  • Modellierung von Wachstumsprozessen. Von Wolfgang Seiler (ps-file). Eine gute Einführung in die Populationsdynamik.

    • Literatur:

  • Mathematical Biology. By Murray, James D. Springer-Verlag.
    Dieses Buch ist fast obligatorisch für alle, die über das Studium hinaus mit quantitativen Methoden der Ökologie und Biologie befasst sein werden. Es ist sowohl eine gute Einführung, als auch ein bleibendes Nachschlagewerk.
  • Nonlinear Dynamics of Interacting Populations. By Alexander D. Bazykin.
    Leider werden in diesem ansonsten guten Buch nur kontinuierliche Modelle behandelt, diese allerdings in die Tiefe. Eher für ehrgeizige Einsteiger und solche, die über die Seminare hinaus am Thema weiter arbeiten wollen, geeignet.
  • Chaos in Ecology: Experimental Nonlinear Dynamics. By J.M. Cushing, R.F. Costantino, B. Dennis, R.A. Desharnais, S.M. Henson.
    Im Gegensatz zu Bazykins Buch wird hier umfangreich chaotisches Verhalten untersucht und ausserdem viele diskrete Modelle behandelt. Es empfiehlt sich, auch die website Nonlinear population dynamics der Forschungsgruppe einer der Autoren, J.M. Cushing, zu besuchen. Sowohl auf der Cushings website als auch in meinem Seminar werden Beispiele aus dem Buch behandelt.
  • Nonlinear Dynamics and Chaos. With Applications to Physics, Biology, Chemistry, and Engineering. By Steven H. Strogatz. Perseus Books, Reading, Massachusetts, 1994.
    Eine allgemeine Einführung, die aber zahlreiche Beispiele aus der Populationsdynamik enthält. Didaktisch gut. Hier ist die homepage des Autors.

ALLGEMEINE LITERATUR ZUR NICHTLINEARITÄT, CHAOS UND KOMPLEXITÄT

  • Chaos in dissipativen Systemen. Von Roland W Leven, Bernd P Koch, Bernd Pompe. Akademie-Verlag (1994).
    Handlich und kompakt. Eine gute Einführung ins Thema. Für Anfänger etwas zu technisch aber für Fortgeschrittene durchaus empfehlenswert.
  • Die Erforschung des Chaos. Von J. Argyris, G. Faust u. M. Haase.
    Ein exzellentes und anspruchsvolles Buch. Ein umfangreiches, sehr grundlegendes und mathematisch rigoroses Buch für Physiker und Ingenieure. Die Beipiele des Buches sind hauptsächlich aus der Physik oder bleiben auf der mathematischen Ebene. Es begleitet den Forscher als Nachschlagewerk über das Studium hinaus. Obwohl es mathematisch in die Tiefe geht, führt es zunächst in die einzelnen Bereiche didaktisch sehr anschaulich ein.
  • Axel A. Hoff: Chaoskontrolle, Informationsverarbeitung und chemische Reaktionssysteme. Logos Verlag, Berlin, 1997.
    Chaoskontrolle und Synchronisation ist eine zunehmend wichtiges Thema. Axel Hoffs Dissertation stellt eine gute Einführung dar.
  • Kunihiko Kaneko and Ichiro Tsuda: Complex Systems: Chaos and Beyond. Springer, Berlin, 2001.
  • Timo Meynhardt and Ewald Johannes Brunner (Eds.): Selbstorganisation managen - Beiträge zur Synergetik der Organisation. Waxmann, Münster, 2005.
    Ein Kapitel mit 3 Aufsätzen bezieht sich auf die Synergetik des Kunstbetriebs als mögliches Vorbild für ein innovatives Umfeld in betrieblichen Organisationen. Im Seminar werden Bezüge zu diesem Thema hergestellt. Hier die 3 Aufsätze:
    • Hans H. Diebner: Über die Rolle von Kunst in den Sozial- und Organisationswissenschaften. In: Timo Meynhardt and Ewald J. Brunner (Eds.): Selbstorganisation managen - Beiträge zur Synergetik der Organisation. Waxmann, Münster, 2005, pp. 117-134.
    • Martin Tröndle: Das Orchester als Organisation: Exzellenz und Kultur. In: Timo Meynhardt and Ewald Brunner (Eds.): Selbstorganisation Managen - Beiträge zur Synergetik der Organisation. Waxmann, Münster, 2005, pp. 153-169. Siehe Witschaftsästhetik
    • Wolfgang Tschacher and Martin Tröndle: Die Funktionslogik des Kunstsystems - Vorbild für betriebliche Organisation? In: Timo Meynhardt and Ewald J. Brunner (Eds.): Selbstorganisation managen. Beiträge zur Synergetik der Organisation. Waxmann, Münster, 2005, pp. 135-152. Witschaftsästhetik
  • Practical Numerical Algorithms for Chaotic Systems. By Thomas S. Parker, Leon O. Chua. Springer Verlag (1991).
    Das Buch entält die wichtigsten Algorithmen zur Simulation dynamischer Systeme sowie Analyse-Verfahren für simulierte und experimentelle Daten. Es zeichnet sich durch einen angenehmen Schreibstil aus und ist auch für Anfänger gut lesbar. In meinen Seminaren werden Algorithmen nicht vertieft. Das Buch ist als Ergänzung zu den Seminaren gedacht
  • Holger Kantz and Thomas Schreiber: Nonlinear Time Series Analysis. Cambridge University Press, Cambridge, UK, 2004.
    Dieses sehr gute Buch geht zwar über den Seminarstoff hinaus, ist aber für alle, die mit Zeitreihenanalysen von komplexen Systemen zu haben, sehr empfehlenswert. Eine kleine Auswahl der in diesem Buch behandelten Verfahren werden im Seminar diskutiert.

LITERATUR ZUR SYSTEMTHEORIE UND KYBERNETIK:

  • Eine Einführung zu "Systemisches Denken" des Kollegen Günther Ossimitz, der selbst Seminare in den Umweltsystemwissenschaften abhält. Der Aufsatz enthält weitere Literaturtipps, u.a. Dietrich Dörner, der für seine psychologischen Untersuchungen zum "Denken in komplexen Situationen" bekannt wurde. Weitere Publikationen von G.O. finden sich auf seiner Institutsseite.
  • Ludwig von Bertalanffy: General System Theory. George Braziller, New York, 1969.
    Ein Muss für alle, die es mit der Systemtheorie ernst nehmen. Auf Bertalanffy geht der Begriff der allgemeinen Systemtheorie zurück. Er gibt in diesem Buch einen visionären Blick auf das Potential der Systemtheorie, greift aber auch einige Einwände auf, die von Kritikern des Ansatzes vorgebracht wurden. Es ist zwar schon in die Jahre gekommen, aber dennoch ziemlich aktuell, da er weniger den Formalismus behandelt, als grundlegende Paradigmen der Systemtheorie diskutiert. Aus Bertalanffy spricht ein gewisser Enthusiasmus, der durchaus auch mit einer Prise Kritik betrachtet werden muss. Man hat den Eindruck, dass er eine Theorie für Alles zu entwickeln versucht.
  • Heinz von Förster: KybernEthik. Merve Verlag, Berlin, 1993.
    Hier diskutiert von Förster die Grenzen der Kybernetik und den Übergang zur Ethik. Lesenswert, sollte aber mit einem kritischen Blick ins Visier genommen werden. Der Zusammenhang von Kybernetik und Ethik ist meines Erachtens teilweise etwas weit hergeholt. Löblich aber ist, dass die menschlichen Freiheitsgrade zu ihrer Geltung kommen. Sehr anregend.
  • Norbert Wiener: The Human use of Human Beings - Cybernetics and Society. Da Capo Press, New York, 1954.
    Sehr lesenswert, da Wiener den Utopismus der Kybernetik selbstkritisch hinterfragt. Eine lobenswert frühe Einsicht in die Grenzen der Kybernetik mit einem dennoch optimistischen Grundtenor.
  • Norbert Wiener: Cybernetics: or Control and Communication in the Animal and the Machine. MIT Press, Cambridge, Massachusetts, 1999.
    Das Original. Für Anfänger schwierig.

LITERATUR UND LINKS ZUR SOZIODYNAMIK

Links:

Literatur:

  • Theory of Games and Economic Behavior. By John von Neumann and Oskar Morgenstern. Princeton University Press, Princeton, 1944.
    Ein Klassiker, der erwähnt werden muss. Nicht für Anfänger geeignet.
  • Robert Axelrod: The Complexity of Cooperation: Agent-based models of Competition and Collaboration. Princeton University Press, Princeton, New Jersey, 1997.
  • Robert Axelrod: Die Evolution der Kooperation. Scientia Nova Oldenbourg, München, 2000.
  • Duncan J. Watts: Small Worlds - The Dynamics of Networks Between Order and Randomness. Princeton University Press, Princeton, New Jersey, 1999.

BLICK ÜBER DEN TELLERRAND

Kritische Beiträge zur Systemtheorie:

Künstlerische Interventionen:

  • RSA Arts and Ecology
  • Greenmuseum - Online Umwelt-Kunst-Museum
  • Luminous Green - Eine ökologische Kunst & Wissenschaft-Initiative
  • Ruri - She expresses her ideas through performances, multi media, sculptures, environmental art on a grand scale, or installations ...
  • Ökomedien. Ökologische Strategien in der Kunst heute. 12. Oktober - 13. Januar 2007. Edith-Ruß-Haus Oldenburg.
  • c-lab Projects. Artistic Investigations.
  • Atmospheric Pollution is a display about anthropogenic contaminants issued to our atmosphere. By DreamAddictiveLab.
  • Antarktika von Frank Halbig: Eine Klimatische Zeitreise. Konzert für Streichquartett/Live Elekronik/Video. "Antarktika macht den Versuch, die klimatischen Veränderungen kompositorisch umzusetzen: auf der Grundlage der EPICA-Eisbohrkern-Daten entstand ein Werk für Streichquartett, das in seinem zeitlichen Verlauf die Klimaentwicklung unseres Planeten widerspiegelt."
  • Earthscore is a notational system like classical music. The Earthscore system is designed to use electronic technologies, particularly video, to interpret the environment ... By Paul Ryan.
  • Eco Art Blog Ecological Aesthetics - Art Research - Land Poetry