Was sind komplexe Systeme?

Komplexe Systeme sind durch das komplizierte Zusammenspiel unterschiedlicher Systemkomponenten (z.B. verschiedene Arten in einem Ökosystem oder Temperatur, Druck und Luftgeschwindigkeit in der Atmosphäre) charakterisiert. Dabei treten zeitliche und räumliche Veränderungen auf, die durch Modellsysteme berechnet werden können. Im Laufe der Zeit zeigen komplexe Systeme in Abhängigkeit der Umweltbedingungen “geordnetes” oder “zufälliges“ Verhalten.

Forschungsansätze

Wir untersuchen, unter welchen Bedingungen „Ordnung“ oder „Chaos“ zu erwarten ist. Ziel der Forschung in der AG Theoretische Physik/Komplexe Systeme ist die Entwicklung von Methoden zur Analyse komplexer Systeme auf der Basis der Nichtlinearen Dynamik. Schwerpunkte der theoretisch-methodischen Arbeit sind dabei:

• Bildung von räumlichen Strukturen
• Zeitliche Vorhersage des Verhaltens eines Systems bei Veränderung von Umweltbedingungen
• Studium des Einflusses von Störungen, z.B. menschliche Eingriffe in die Natur oder fluktuierende natürliche Umweltfaktoren
• Zusammenspiel unterschiedlicher Teilsysteme, z.B. Biologie im Ozean und Strömungen im Ozean
• Synchronisation verschiedener Teilsysteme durch Kopplung, z.B. Synchronisation von Neuronen im Gehirn
• Entwicklung von Steuerungsmethoden zur gezielten Beeinflussung von Umweltsystemen, um ein gewünschtes Verhalten zu erzwingen, bzw. unerwünschtes Verhalten zu unterdrücken

Im Ergebnis solcher Untersuchungen kann man Aussagen über das Verhalten komplexer Systeme bei Änderung von Umweltparametern machen. Umschläge im Systemverhalten bei kritischen Parameterwerten signalisieren besondere Empfindlichkeit, die ein System zum Zusammenbruch führen können. Anwendungsschwerpunkt bilden dynamische Systeme in den Umweltwissenschaften.