Vorhersage von Katastrophen

Forschung: Verlässt ein komplexes System einen stabilen Zustand, kann dies katastrophale Auswirkungen haben. Solche kritischen Zustandsänderungen erscheinen oft unvorhersehbar. In einer Übersichtsarbeit in der Zeitschrift Nature wurden kürzlich allgemeingültige Vorboten für das Verlassen des Gleichgewichtszustands diskutiert.

Stabile Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass Störeinflüsse rasch ausgeglichen werden, so dass es nicht zu einer anhaltenden Entgleisung des Systems kommt. Bevor ein solches Gleichgewicht zusammenbricht lassen sich Warnsignale identifizieren, welche sich in erstaunlicher Weise für sehr unterschiedliche Systeme recht gleichförmig darstellen (z.B. das Klima, Finanzmärkte oder die Entstehung epileptischer Anfälle) erläutern Marten Scheffer und Mitarbeiter in ihrer Arbeit "Early-warning signals for critical transistions" in Nature 461 (2009), 53-59.

Vor dem Zusammenbruch werden Störeinflüsse wesentlich langsamer ausgeglichen ("critical slowing down"), d.h. es dauert länger bis das System nach Störungen zum Ruhewert zurück kehrt, es steigt die Variabilität der beobachteten Zustände des System und die sog. Autokorrelation nimmt zu.
Ein weiteres Frühwarnsignal ist die Schiefe ("skewness") der Abweichungen vom Ausgangswert: Weicht ein System vorwiegend nach einer Seite ab statt um den Mittelwert symmetrisch zu undulieren spricht dies für die Annäherung an einen kritischen Wendepunkt. Die Steigerung hiervon stellt das Flackern ("flickering") dar. Hierbei geht ein System schon vorübergehend in einen neuen, intermediär stabilen Zustand über bevor es wieder in den Ausgangszustand zurück fällt.

Diese Erkenntisse könnten helfen, die Vorhersage von Katastrophen zu verbessern.