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 и в психологии. ^[5] лекарство, ^[6]^[7] экономика, ^[8]^[9] социология, ^[10] военный, ^[11] и ряд других дисциплин.

Сигналы раннего предупреждения

Критическое замедление

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, ведущее к все более медленному восстановлению после возмущений. Это, в свою очередь, может привести к увеличению (пространственной или временной) автокорреляции и дисперсии, в то время как дисперсионные спектры имеют тенденцию к более низким частотам, ^[15]^[18]^[19] а «направление критического замедления» в пространстве состояний системы может указывать на будущее состояние системы, когда запаздывающие 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, переход на сушу и приступы эпилепсии. ^[15]

Примеры

Исследования показывают, что более трех четвертей тропических лесов Амазонки потеряли устойчивость с начала 2000-х годов, 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) происходящих системных процессов». у порогов». ^[13]

Мерцающий

Вышеупомянутый подход (поиск критического замедления) – это то, как большинство исследователей оценивают неизбежность критического перехода. Однако в высокостохастических (случайных) системах альтернативные зоны притяжения будут достигнуты задолго до того, как будут достигнуты точки бифуркации. ^[23] Таким образом, возмущения могут заставить систему «мерцать» 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, эвтрофикация озера ^[26]) и к более крупным системам, таким как потенциальный коллапс Атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции . ^[27]

См. также

Ссылки

^ 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 . ПМИД 11595939 . S2CID 8001853 .
^ Схеффер, Мартен (26 июля 2009 г.). Критические переходы в природе и обществе . Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0691122045 .
^ 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 . ПМИД 19727193 . S2CID 4001553 .
^ 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 . ПМИД 23087241 . S2CID 4005516 .
^ 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 темпов роста 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 .
^ 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 .
^ де Муай, Сюзанна ММ; Уайтс, 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.дои 10.1016 : /j.cmpb.2020.105448 . hdl : 11245.1/e60d3e2e-5305-40fe-8ea2-9d2320a04f60 . ISSN 0169-2607 .
^ Смаг, Д. (2018) Критические переходы в финансовых моделях: явления, вызванные бифуркацией и шумом https://ore.exeter.ac.uk/repository/handle/10871/36063?show=full
^ Син, Кай; Ян, Сяогуан (01 января 2020 г.). «Прогнозирование уровня дефолта путем отслеживания критических переходов в макроэкономической системе» . Письма о финансовых исследованиях . 32 : 101107. doi : 10.1016/j.frl.2019.02.007 . ISSN 1544-6123 .
^ Маскареньо, Альдо (01 декабря 2020 г.). «Близко к грани: от кризиса к критическим переходам в теории социальных систем» . Социальная система . 25 (2): 251–276. дои : 10.1515/sosys-2020-0026 . ISSN 2366-0473 .
^ Шлебир, Миха (15 июня 2022 г.). «НА ПУТИ ПОНИМАНИЯ КРИТИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДОВ В ВОЙНЕ» . Обрана стратегия (Защита и стратегия) . 22 (1): 055–074. дои : 10.3849/1802-7199.22.2022.01.055-074 .
^ Jump up to: ^а ^б 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 . ПМЦ 6916369 . ПМИД 31707763 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и
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.
^ Биггс, Р. и др. (2009) Возвращаясь от пропасти: вовремя обнаружить надвигающуюся смену режима, чтобы предотвратить ее. P Natl Acad Sci USA 106, 826–831
^ Jump up to: ^а ^б ^с Шеффер М. и др. (2009) Сигналы раннего предупреждения о критических переходах. Природа 461, 53–59
^ 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
^ Дакос, В. и др. (2010)Пространственная корреляция как ведущий индикатор катастрофических сдвигов. Теория Экол 3, 163–174.
^ Jump up to: ^а ^б Дакос В. и др. (2008) Замедление темпов роста как ранний сигнал предупреждения о резком изменении климата . P Natl Acad Sci Usa 105, 14308–14312
^ Jump up to: ^а ^б ван Нес, Э.Х., и Шеффер, М. (2007) Медленное восстановление после возмущений как общий индикатор ближайшего катастрофического сдвига. Являюсь. Нат. 169, 738–747
^ ван Нес, Э., и Шеффер, М. (2005) Последствия пространственной неоднородности для катастрофических сдвигов режима в экосистемах. Экология 86, 1797–1807 гг.
^ Гастингс А. и Уишам Д.Б. (2010) Сдвиги режима в экологических системах могут произойти без предупреждения. Эколь Летт , 1–9
^ Jump up to: ^а ^б
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.
^ Дакос, Василис (2013). «Мерцание как сигнал раннего предупреждения». Теоретическая экология . 6 .
^ Монбиот, Джордж. «Мерцание» земных систем предупреждает нас: действуйте немедленно, иначе наш и без того деградировавший рай будет потерян» . Хранитель . Проверено 16 декабря 2023 г.
^ Шеффер, Мартен (2015). «Общие показатели экологической устойчивости: определение вероятности критического перехода». {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Ронг, Ван (2012). «Мерцание дает сигналы раннего предупреждения о критическом переходе озера в эвтрофное состояние». {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ 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

Уолчовер, Натали . «Система критического предупреждения природы» . Журнал Кванта .
«Изменение климата: шесть переломных моментов, которые, вероятно, будут преодолены» . Новости Би-би-си . 08.09.2022.

[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 . ПМИД 11595939 . S2CID 8001853 .

[2] Схеффер, 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 . ПМИД 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 . ПМИД 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 темпов роста 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 Муай, Сюзанна ММ; Уайтс, 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.дои 10.1016 : /j.cmpb.2020.105448 . hdl : 11245.1/e60d3e2e-5305-40fe-8ea2-9d2320a04f60 . 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 отслеживания 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.). «Близко к грани: от кризиса к критическим переходам в теории социальных систем» . Социальная система . 25 (2): 251–276. дои : 10.1515/sosys-2020-0026 . ISSN 2366-0473 .

[11] Шлебир, Миха (15 июня 2022 г.). «НА ПУТИ ПОНИМАНИЯ КРИТИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДОВ В ВОЙНЕ» . Обрана стратегия (Защита и стратегия) . 22 (1): 055–074. дои : 10.3849/1802-7199.22.2022.01.055-074 .

[auto11-12] Jump up to: ^а ^б 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 . ПМЦ 6916369 . ПМИД 31707763 .

[10.1038/s41586-022-04959-9-13] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и 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] 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

[auto12-15] Jump up to: ^а ^б ^с 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.

[auto14-18] Jump up to: ^а ^б Дакос В. и др. (2008) Замедление темпов роста как ранний сигнал предупреждения о резком изменении климата . P Natl Acad Sci Usa 105, 14308–14312

[auto15-19] Jump up to: ^а ^б 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

[10.1038/s41558-022-01287-8-22] Jump up to: ^а ^б 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.

[24] 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}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[26] Ронг, Ван (2012). «Мерцание дает сигналы раннего предупреждения о критическом переходе озера в эвтрофное состояние». {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[Boers21-27] 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.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]