Syndrome des globalen Wandels

Transkript

1 Syndrome des globalen Wandels - ein analytisches Werkzeug zur Detektion von globalen Mustern der Nicht-Nachhaltigkeit Dr. J.P. Kropp Materialien: potsdam.de/nsp/

2 Ansatz: heuristisch, basierend auf Literaturanalyse Idee: viele Mechanismen sind global ähnlich Ziel: Erklärung globaler Kernprobleme Komponenten: Symptome (Subdynamik des GW) Syndrome selbst

3 GW-Kernproblem: Globale Entwaldung ORIGINAL AND CURRENT FOREST COVER Tropical moist forest original Tropical moist forest current area Tropical dry forest original Tropical dry forest current area Temperate broadleaf and mixed forest original Temperate broadleaf and mixed forest current area Needleleaf forest original Needleleaf forest current area Quelle: WWF

4 GW-Kernproblem: Anthropogene Bodendegradation

5 GW-Kernproblem: Globaler Klimawandel Globale Erwärmung seit 1900 ca. 0.8 C Temperaturzunahme in Potsdam seit / um 1.23 C (Jahresmittel T)

6 Übersicht Analyse typischer anthropogener Schädigungsmuster des Globalen Wandels (GW) Identifikation der regionalen Anfälligkeit gegenüber anthropogenen Gefährdungsmustern Abschätzung der Stärke des Auftretens der Gefährdungsmuster Identifikation von regionalen und globalen Auswirkungen dieser Muster Prognose möglicher Entwicklungen der Gefährdungsmuster Identifikation und Bewertung von präventiven und kurativen Handlungsoptionen

7 Symptomsammlung zum Globalen Wandel Symptomsammlung BIOSPHÄRE Resistenzbildung ATMOSPHÄRE PEDOSPHÄRE Zunahme anthropogener Artenverschleppung Stoffliche Überlastung natürlicher Ökosysteme Fragmentierung natürlicher Ökosysteme Gen- und Artenverluste Verstärkung von biosphärischen Quellen BEVÖLKERUNG Bevölkerungswachstum Urbanisierung Zunehmende Übernutzung biologischer Ressourcen Konversion natürlicher Ökosysteme Schädigung von Ökosystemstruktur und-funktion Verlust von biosphärischen Senken Internationale Migration Zersiedelung Zunehmende Gesundheitsschäden durch Umweltbelastung Wachsendes Umweltbewußtsein Erhöhung der Mobilitätsbereitschaft Zunehmendes Partizipationsinteresse Sensibilisierung für globale Probleme PSYCHOSOZIALE SPHÄRE Stand: 1999 Landflucht Anspruchssteigerung Emanzipation der Frau Zunahme fundamentalistischer Strömungen Ausbreitung westlicher Konsum- und Lebensstile Meeresspiegelanstieg Reduktion stratosphärischen Ozons Zunehmende lokale Luftverschmutzung Änderung ozeanischer Strömungen Verstärkter Treibhauseffekt Süßwasserverknappung Soziale und ökonomische Ausgrenzung Individualisierung Institutionalisierung von Sozialleistungen Troposphärenverschmutzung Globaler und regionaler Klimawandel HYDROSPHÄRE Veränderte Frachten von partikulären & gelösten Stoffen Veränderung der Eiskappen und Gletscher Veränderung der lokalen Wasserbilanz Veränderung des Grundwasserspiegels Veränderung der Wasserqualität (Patogene, Nährstoffe, Toxine) Zunahme der internat. sozialen und ökonomischen Disparitäten Rückgang traditioneller gesellschaftlicher Strukturen Politikversagen Zunahme ethnischer und nationaler Konflikte Demokratisierung Zunahme der internationalen Abkommen und Institutionen Bedeutungszunahme der NRO Verstärkung des nationalen Umweltschutzes Zunahme der strukturellen Arbeitslosigkeit GESELLSCHAFT. ORGANISATION Ausweitung landwirtschaftlich genutzter Intensivierung Flächen der Fertilitätsverlust (Humus, Nährstoffe) Erosion, morhologische Änderungen Versiegelung Verdichtung Intensivierung der Landwirtschaft Rückgang der traditionellen Landwirtschaft Zunehmender Tourismus Steigerung der Nahrungsmittelproduktion Wissens- und Technologietransfer Zunehmende Deposition und Akkumulation von Abfällen Steigerung der Arbeitsproduktivität Tertiärisierung Zunehmender Protektionismus Versalzung, Alkalisierung Überdüngung Versauerung. Kontamination Zunehmender Verbrauch von Energie und Rohstoffen WIRTSCHAFT Steigerung der Ressourcenproduktivität Zunahme umweltverträglicher Wirtschaftsweisen Zentralisung Wirtschaftspolitischer Strategien Fortschritt in der Informationstechnologie Verbesserung des technischen Umweltschutzes Entwicklung regenerativer Energie und Rohstoffe Ausbreitung der Geldwirtschaft Intensivierung von Ausbildung und Qualifikation Medizinischer Fortschritt Steigerung der Kapitalintensität Internationale Verschuldung Industrialisierung Zunahme der Welthandelsströme Ausbau der Verkehrswege Globalisierung der Märkte Wachsendes Verkersaufkommen Aufbau technischer Großprojekte Wachsendes Technologierisiko Automatisierung, Mechanisierung Fortschritt in der Biound Gentechnologie Entwicklung neuer Werkstoffe, stoffliche Substitution TECHNIK / WISSENSCHAFT

8 Liste der Syndrome (WBGU 1994)

9 Syndrome des GW - Anthropogene Schädigungsmuster Interaktionsmuster komplexer Phänomene interdisziplinäre und intersektorale Ursache-Wirkungskomplexe charakteristische Konstellation von Symptomen des GW über die einzelnen Sphären des Erdsystems hinweg formuliert Bisher wurden 16 Syndrome in folgende Gruppen identifiziert: Syndromgruppe Nutzung unangepaßten Nutzung von Naturressourcen als Produktionsfaktoren Syndromgruppe Entwicklung Mensch-Umwelt-Probleme aus nicht-nachhaltigen Entwicklungsprozessen Syndromgruppe Senken Umweltdegradation durch nicht angepaßte zivilisatorische Entsorgungsanforderungen

10 Das Syndromkonzept KERNPROBLEME Klimawandel X Bodenerosion X Entwaldung X Armut/Unterernährung X Entwicklungsdisparitäten X Biodiversitätsverlust Bevölkerungswachstum X Süßwasserverknappung X Anspruchssteigerung Das Sahel-Syndrom: Landwirtschaftliche Übernutzung schlechter Standorte durch verarmende Bevölkerung

11 Das Syndromkonzept KERNPROBLEME Klimawandel X X Bodendegradation X X Entwaldung X X Armut/Unterernährung X Entwicklungsdisparitäten X Biodiversitätsverlust X Bevölkerungswachstum X Süßwasserverknappung X X Anspruchssteigerung... X Das Dust-Bowl-Syndrom: Profitorientierte nichtnachhaltige industrielle Nutzung von Böden und Gewässern

12 Zuordnungsmatrix

13 Strategie

14 Das Beziehungsgeflecht als Grundlage zur Syndromdiagnose Disposition syndromspezifisches Beziehungsgeflecht Intensität

15 Stufen der Syndromanalyse 1. Hypothesenbildung: durch Expertenwissen und Fallstudienanalyse gesteuert verbale Beschreibung des nicht-nachhaltigen Ursache- Wirkungsmusters Erstellung eines syndromspezifischen Beziehungsgeflecht mit den wichtigsten Symptomen (Trends) und ihren Wechselwirkungen 2. Syndromdiagnose: GIS-gestützte Datenanalyse geographische Beschreibung und Lokalisierung 3. Syndromprognose: modellgestützte Prognose der dynamischen Musterverläufe Syndromvalidierung (Hindcasting) durch Fallstudienauswertung Bewertung von präventiven und kurativen Handlungsempfehlungen

16 Syndromdiagnose Fragestellungen in der Syndromdiagnose: Welche Regionen sind Anfällig für das Syndrom (DISPOSITION)? Welche Faktoren lösen den Ausbruch eines Syndroms aus (EXPOSITION)? In welchen Regionen ist das Syndrom aktiv (INTENSITÄT)? Analysemethoden: Verwendung von Konzepten der Fuzzy-Logic zur Integration qualitativer und quantitativer Informationen über Zustände und Beziehungen Räumliche Verortung mit Hilfe eines Geographischen Informationssystems (GIS)

17 Beispiele

18 Syndrome des GW - Das Sahel-Syndrom Armutsgetriebene Landwirtschaftliche Übernutzung marginaler Standorte Teufelskreis: Verarmung Ausweitung landwirtschaftlicher Aktivitäten Bodendegradation Ertragsverlust Verarmung Beispiele: Überweidung in ariden und semiariden Regionen Brandrodungswanderfeldbau in tropischen / subtropischen Waldregionen

19 Syndromspezifisches Beziehungsgeflecht des Sahel-Syndroms

20 Fuzzy-logischer Bewertungsbaum

21 Sahel Syndrome: Overuse of Marginal Land

22 Globale Disposition gegenüber dem Sahel-Syndroms Disposition niedrig hoch eisbedeckt Projektion: Mollweide (flächentreu)

23 Dynamic Pattern: Poverty Degradation Spiral (Overuse of marginal land) good bad Soil erosion Intensification of Agriculture (e.g. unsuitable Methods) Current disposition (2000) Expansion of Agriculture Impoverishment enforcing mitigation Change of disposition considering Climate Change Potential that the mechanism will become active is aggravated under climate change! Source: PIK/further examples, e.g. Schellnhuber et al. (1997), Kropp et al. (2001), Lüdeke et al. (2004), Kropp et al. 2002, Kropp et al. 2007, Eisenack et al. (2007), Eisenack/Tekken Kropp (2006),.. unchanged decline

24 Sahel-Syndrome: a problem aggravated under climate change! Regions, where a presently low disposition may become large:

25 Favela Syndrom Das Favela-Syndrom: Umweltdegradation durch ungeregelte Urbanisierung in Entwicklungsländern

26 Favela Syndrome: uncontrolled urban growth in developing countries

27 Diagnostic: Indicator - tree

28 Results for the Problem Complex: Favela Syndrome Which conclusions can be drawn?

29 Syndrome des GW - Das Raubbau-Syndrom Raubbau an natürlichen Ökosystemen zunehmende Übernutzung biologischer Ressourcen (terrestrische und marine Ökosysteme) Überschreiten der natürlichen Regenerationsfähigkeit motiviert durch gesellschaftliche und wirtschaftspolitische Entwicklungen

30 Syndromspezifisches Beziehungsgeflecht des Raubbau-Syndroms

31 Kern des Raubbau-Syndroms

32 Disposition des Raubbau-Syndroms

33 Syndrome des GW - Das Dust-Bowl-Syndrom Nicht-nachhaltige industrielle Bewirtschaftung von Böden oder Gewässern unter hohen Energie-, Kapital- und Technikeinsatz Intensivierung / Ausweitung der Landwirtschaft Beispiele: Pflanzung von großflächigen Monokulturen großflächige Konversion von Waldgebieten zu landwirtschaftlicher Nutzfläche

34 Syndromspezifisches Beziehungsgeflecht des Dust-Bowl-Syndroms Verlust von biosphärischen Senken BIOSPHÄRE Resistenzbildung Zunehmende Übernutzung biologischer Ressourcen Degradation natürlicher Ökosysteme Konversion natürlicher Ökosysteme Verstärkung von biosphärischen Quellen Verstärkter Treibhauseffekt ATMOSPHÄRE Globaler und regionaler Klimawandel Fertilitätsverlust (Humus, Nährstoffe) Erosion, morphologische Änderungen Verdichtung PEDOSPHÄRE Versalzung, Alkalisierung Überdüngung Versauerung, Kontamination Gen- und Artenverluste BEVÖLKERUNG Zunehmende Gesundheitsschäden Süßwasserverknappung HYDROSPHÄRE Veränderung der Stofffrachten Veränderung der lokalen Wasserbilanz Veränderung des Grundwasserspiegels Veränderung der Wasserqualität (Pathogene, Nährstoffe, Toxine) Steigerung der Nahrungsmittel- produktion Rückgang der traditionellen Landwirtschaft Intensivierung der Landwirtschaft Ausweitung der Landwirtschaftsfläche Zunehmender Protektionismus Bedeutungszunahme nationaler wirtschaftspolitischer Strategien Zunehmender Verbrauch von Energie und Rohstoffen WIRTSCHAFT Internationale Verschuldung Industrialisierung Zunahme der Welthandelsströme Wachsendes Verkehrsaufkommen Globalisierung der Märkte Wachsendes Umweltbewußtsein Anspruchssteigerung Ausbreitung westlicher Konsum- und Lebensstile Wissens- und Technologietransfer Automatisierung, Mechanisierung Fortschritt in der Biound Gentechnologie PSYCHOSOZIALE SPHÄRE GESELLSCHAFTLICHE ORGANISATION WISSENSCHAFT / TECHNIK

35 Kern des Dust-Bowl-Syndroms ATMOSPHÄRE PEDOSPHÄRE Verstärkter Treibhauseffekt Versalzung, Alkalisierung Überdüngung Degradation natürlicher Ökosysteme HYDROSPHÄRE WIRTSCHAFT Konversion natürlicher Ökosysteme BIOSPHÄRE Veränderung der lokalen Wasserbilanz Veränderung des Grundwasserspiegels Veränderung der Wasserqualität (Pathogene, Nährstoffe, Toxine) Ausweitung westlicher Konsum- und Lebensstile Anspruchsteigerung Intensivierung der Landwirtschaft Ausweitung der Landwirtschaftsfläche Industrialisierung Globalisierung der Märkte PSYCHOSOZIALE SPHÄRE

36 Disposition des Dust-Bowl-Syndroms

37 Intensität des Dust-Bowl-Syndroms

38 Syndromprognose

39 Qualitative Diffentialgleichungen Annahmen: es existiert eine den Mechanismus beschreibende Differentialgleichung die Variablen sind stetig und differenzierbar qualitative Änderungen des Zustands nur an landmarks (Wert: unbekannt) QDGls: benötigen keine weiteren quantitativen Informationen Die Beschreibung der DGls erfolgt über Monotonieannahmen und korrespondierende Werte. Zeit als qualitative Variable (geordnete ausgezeichnete Zeitpunkte) generieren verschiedene Lösungsklassen Es gibt keine DGl-Lösungen, welche nicht von den im QSIM- Algorithmus erzeugten Lösungen abgedeckt werden.

40 Qualitative Differential Equations: Output of qualitative models Qualitative state fish stock End state: bad outcome Possible changes in time Equilibrium End state: good outcome Change of harvest becomes indeterminated

41 Qualitative Differentialgleichungen Konventionelle Modellierung Zahlen auf der reellen Achse Reellwertige Funktion zur Modellierung des Zusammenhangs zwischen den verschiedenen Variablen System von Differentialgleichungen Eindeutige Lösung explizit in der Zeit Qualitative Modellierung mit QDGls Landmark Werte spezifizieren ausgezeichnete Werte, an denen die Beziehungen zu anderen Variablen sich qualitativ ändern; z.b. B 0 (siehe unten) Mögliche Variablenwerte: landmark oder das Intervall zwischen zwei landmarks, sowie die Richtung der Veränderung (,, oder ) nur qualitative Eigenschaften; z.b.: A wächst monoton mit B, A ist eine U-förmige Funktion von B mit B 0 als Umkehrpunkt, etc. Korrespondierende Anzahl von qualitativen constraints, die die Zustandsvariablen und deren Änderungen verknüpfen Lösungsbaum aller möglicher Lösungen die mit den constraints vereinbar sind. Zeit ist eine qualitative Variable, die über Ereignisse qualitativer Systemänderungen definiert ist

42 Syndromprognose - Qualitative Modellierung Aufgabe: Validierung und Rekonstruktion (hindcasting) durch Vergleich der aus dem Modell resultierende qualitative Zeitverläufe mit beobachteten Zeitverläufen aus Fallstudien ( qualitative Trajektorien - Kasperson 1995) Evaluierung und Identifizierung von Politikoptionen zur Abschwächung oder Vermeidung von Syndromen Abschätzung des dynamischen Verhaltens im Bezug auf Nachhaltige Entwicklung Als Modellierungswerkzeug zur Übersetzung der Ursache-Wirkungsketten eines Syndrommechanismus in einen mathematischen Formalismus werden Qualitative Differentialgleichungen (QDGls) genutzt.

43 Marine Overexploitation

44 Integrated Dynamic Fisheries Model Stock dynamics, and recruitment relation R(x) Aggregated harvest rate h which is an outcome of negotiation process Capital relation C, depending on investments and depreciation rate δ Investment function I Equality between marginal costs and marginal revenue x& C& v = R( x) = I& = h I C δc II 1 ( = 1 I ) ε N Nh (( η + δ ) c ( I ) + v ) p( Nh) I C h = TAC ( x, q0, q1, q 2 )

45 Example for abstraction of functions The standard recruitment case: Schaefer type f(t) x* 0 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t

46 (Marine) Overexploitation Syndrome (Unregulated Fisheries)

47 Zusammenfassung Das Syndromkonzept erlaubt : das Gefährdungspotential einer Region qualitativ abzuschätzen verschiedene syndromspezifische Triebkräfte der Gefährdung zu identifizieren qualitative Aussagen über die Stärke der Schadensmuster Prognose möglicher Entwicklungspfade der Schadensmuster Bewertung von Handlungsoptionen präventiver und kurativer Art Das Syndromkonzept bietet: ein analytisches Werkzeug zur Identifizierung von globalen Mustern der Nicht-Nachhaltigkeit eine transdisziplinäre Analysesprache für die komplexen Prozesse des GW