Posts Tagged ‘Gunderson’

Over Veerkracht (Resilience) (in Dutch)

Monday, April 2nd, 2012

De leer van de thermodynamica is in de 19e eeuw ontstaan uit natuurkundig onderzoek dat werd uitgevoerd om de efficiëntie van de stoommachine te verbeteren. Inmiddels heeft deze wetenschap belangrijke wetten over het Universum ontdekt.

Volgens de thermodynamica beweegt de energie in het Universum op de lange termijn zich van een onmogelijke extreem hete situatie, de Big Bang, naar een toestand van extreme kou en een hoge waarschijnlijkheid, de Big Freeze, waarin alles netjes uniform verdeeld is. Het universum beweegt van extreme chaos naar extreme ordening.

Energie stroomt daarom altijd van hoge (chaos) naar lage temperatuur (orde). Vrijwel alle energie op aarde komt van de zon in de vorm van electro-magnetische straling. Met behulp van deze zonnestraling transformeren planten, algen en bacteriën simpele chemische structuren in complexe biomassa (chemische energie). Bacteriën en schimmels breken deze structuren weer af waardoor de cyclus wordt gesloten.

Biomassa wordt door de rest van de organismen op aarde direct of soms veel later (olie/gas/steenkool) geconsumeerd. Het consumeren van de primaire zonne-energie vindt plaats in voedselketens waarin de organismen ook zelf weer worden geconsumeerd.

Vanuit ons menselijk perspectief interpreteren wij het consumeren van de participanten in een voedselketen als een competitie (“survival of the fittest”) maar we kunnen het ook zien als een uiterst flexibele keten van chemische reacties die worden uitgevoerd in bewegende zichzelf reproducerende chemische fabrieken.

 Energie is de mogelijkheid om iets in beweging te krijgen of te houden. De opgeslagen (potentiële) energie in de aarde wordt soms in meerdere stappen omgezet in beweging (kinetische energie). Tijdens deze omzetting gaat er altijd warmte verloren (dissipatie, wrijving, weerstand, erosie).

De energiestroom van de zon wekt door de rotatie van de aarde stroom-systemen (flow-systems) op. Stroom-systemen hebben een boom-structuur als de stroom van een punt naar een oppervlak of een volume gaat. Een voorbeeld zijn het weersysteem en een meanderende rivier-delta. De longen en de bloedvaten in ons lichaam hebben precies dezelfde opbouw omdat hetzelfde proces ook in ons lichaam optreedt.

Volgens de Constructal Theory van Adrian Bejan verbeteren de stroomsystemen zich steeds opnieuw en dat doen ze door gebruik te maken van de permanente slijtage (dissipatie, wrijving, weerstand, erosie) die de stroombeweging veroorzaakt.  Uiteindelijk vindt er altijd weer ergens een doorbraak plaats in de meander.

Adrian Bejan heeft de Constructal Theory volledig analytisch afgeleid uit de wetten van de Thermodynamica. Hij  beschouwt het principe van de verbeterende stroomsystemen (“construction”)  als een Hoofdwet van de Thermodynamica. Volgens hem is ontwerpen niet een intelligente actie maar een volstrekt logisch gevolg van de werking van ons Universum.

De stroom van onmogelijkheid naar uniformiteit, van hoge onwaarschijnlijkheid naar hoge waarschijnlijkheid gaat gepaard met allerlei tussenstadia waarin de bestaande structuren de nieuwe structuren de weg wijzen.

De doorbraken in de meanderende stroompatronen maken beter gebruik van de huidige mogelijkheden maar de oude paden behouden lange tijd hun functie. Hierdoor is een stroomsysteem niet afhankelijk van één pad en is daardoor ook bestand tegen calamiteiten (bijv. een sterk verhoogde regenval in het stroomgebied van de rivier).

Het systeem waar de stroomsystemen onderdeel van uitmaken bestaat uit Machines (Constructal Engines) en Barrières (Brakes).

De machines en de barrieres zorgen ervoor dat de aarde niet te warm of te koud wordt.

De machines zoeken de weg van de minste weerstand, optimaliseren de stroom, bouwen structuren op, slopen de barrieres, produceren kinetische energie en minimaliseren de slijtage. De machines slechten het pad naar de Big Freeze waarin alles gelijk zal zijn en alles stil zal staan.

De barrières bevatten potentiële energie, leveren de weerstand om de minste weerstand te vinden, slopen de machines, optimaliseren daardoor de dissipatie en produceren een maximale hoeveelheid straling met een hogere golflengte als de binnenkomende zonnestraling die de aarde weer verlaat.

Produceren (Machines) en Consumeren (Vernietigen, Slijten) houden het wankele evenwicht van Moeder Aarde in stand.

De evolutie van ecologieën, steden, organismen (wet van Kleiber), talen (wet van Zipf), organen (de longen, bloedvaten), sporten en technologieclusters voldoen aan de Constructal Theory.

In 2002 hebben Holling en Gunderson het boek Panarchy: Understanding Transformations in Human and Natural Systems gepubliceerd.

Panarchy bevat een integrale visie op de evolutie en de adaptieve cyclus van  de constructal engines die men ecosystemen noemt.

Panarchy is ontstaan door het combineren van ogenschijnlijk conflicterende theorieën. Die theorieën leken conflicterend omdat ze betrekking hadden op de verschillende fasen (Zie Plaatje Phase Space hieronder) van de adaptieve cyclus die een ecologie doorloopt.

De combinatie van de vier mogelijke fasenruimten levert een op-en neergaande cyclus op waarin op een zeker moment een sprong (bifurcatie) wordt gemaakt naar een compleet nieuwe ruimte. Nadat deze sprong heeft plaatsvonden stopt de dynamiek van de oude ecologie.

De meest herkenbare fase is de Exploitatie-fase (B).  Dit is de opgaande lijn waarin de ecologie een hoge mate van orde bereikt en overschotten (Potential) produceert.

De vier fasen van de Panarchy Cyclus voorgesteld als een landschap met een rollende bal

Aan het eind van deze fase neemt de potentie af en wordt er van alles gedaan om de levensduur van de ecologie zo lang mogelijk te rekken (C -Conservation). In deze fase zijn de structuren verouderd geraakt en zijn er op allerlei plaatsen reeds alternatieven (bypass) ontstaan die beter passen op de huidige vraag naar beweging.

De ecologie is in de conservatie-fase vrijwel tot stilstand gekomen en besteed al zijn energie aan het onderhouden  van zijn eigen structuur.

Tijdens de langzaam opgaande lijn van de Exploitatie-fase neemt de verbondenheid en vooral de afhankelijkheid (Connectedness) tussen de participanten onderling enorm toe waardoor de ecologie steeds kwetsbaarder wordt voor verstoringen.

De constructal engines in de ecologie gaan steeds efficienter samenwerken wat ten koste gaat van de diversiteit en de variatie in de ecologie.

De ecologie kan verstoringen opvangen totdat de  verschillende paden nog niet zijn dichtgeslibd maar een verstoring die alle paden tegelijkertijd raakt is dodelijk.

Op het laatst wordt de Veerkracht (Resilience) enorm op de proef gesteld en kan het gebeuren dat de Ecologie volledig ten onder gaat (Release) of na een grondige Reorganisatie weer aan een nieuwe levensloop kan beginnen.

De resilience van een ecologie wordt gemeten door de snelheid te meten waarmee een ecologie zich weer herstelt van een verstoring.

Volgens Panarchy beweegt een Ecologie zich op verschillende schalen en plaatsen en kan op die plaatsen in verschillende fasen verkeren waardoor er allerlei soorten van interactie mogelijk zijn. Hoe hoger de schaal hoe langzamer de cyclus verloopt. Hoge schalen dempen de fluctuaties van de lagere schalen.

Een snelle lokale reorganisatie kan zich plotseling heel snel verspreiden (een lopend vuur (Revolt)) terwijl een langzame geleidelijke ontwikkeling (een organisatie) een snelle ontwikkeling weer kan dempen of tot stilstand kan brengen (de organisatie van de Brandweer (Remember)).

Panarchy is een Zelf-Refererend Cyclus-Model dat bestaat uit Vier Fasen en (minstens) drie Schaalniveaus.  De panarchische golfbeweging bestaat uit twee stappen n.l. de  positieve weg Omhoog naar de Top (exploitation, conservation)  en de negatieve weg Omlaag naar het Dal (depressie, reorganization).

Op een bepaald moment kan de golfbeweging zich splitsen waardoor een nieuw (ander) niveau van organisatie optreedt. Deze sprongen doen zich volgens een vaste regelmaat voor.

Als we kijken naar terminologie en inhoud valt het op dat er een groot verband bestaat tussen Ecologische-, Economische- en Persoonlijkheidstheorien. De natuur, de economie en de mens lijken onderhevig te zijn aan dezelfde wetten.

De theorie over de Menselijke Natuur heeft erg veel weg van de Theorie die wij over de Natuur zelf hebben ontwikkeld. De mens is een zelfstandig bewegende ecologie, een stromend stroomsysteem waaraan een groot aantal participanten deelnemen.

Bacteria wisselen DNA uit

Die participanten hebben zich in de loop der tijd verenigd omdat een samenwerkingsverband veel efficienter bleek te zijn dan een solitaire ontwikkeling.

In het begin bestond het samenwerkingsverband uitsluitend uit simpele chemische fabriekjes, bacteriën, die genetische ontwerpinformatie (DNA) van hun fabriekjes uitwisselenden. De eerste fundamentele stap in de samenwerking van de bacterien was de statische spons. De mens heeft erg veel ontwerp-informatie gemeen met de spons.

Spons

Later gingen de organismen bewegen en waarnemen. Hierdoor gingen ze als individuen samenwerken met andere organismen die genetisch op hen leken (zie Genetic Similarity Theory).  Het uitwisselen en combineren van ontwerp-informatie ging gewoon door (sex).

In volgende fasen ontstonden er hogere ordeningen, zoals lichamen die lichamen konden bevatten (huizen, steden, vliegtuigen, onderzeeboten en auto’s).

Op dit moment is de (grote) stad het hoogste niveau van koppeling maar niets houdt de “Constructal Law” (of de Entropie) tegen om een ordening te gaan scheppen op  het niveau land of aarde.

Dat betekent dat er nieuwe slagaderen moeten komen om de ontwerp-informatie en de energie die tussen de grote steden gaat stromen te faciliteren. Overduidelijk is dat het Internet de basis vormt van het zenuwstelsel van de aardse informatievoorziening.

De thermodynamica is een statistische theorie. De kansverdeling van een Systeem wordt de Entropie van het Systeem genoemd.

Om een kans te kunnen berekenen moet je de kansruimte (de Phase Space) bepalen. Die bestaat uit alle mogelijkheden.

Het aardige is dat je niet hoeft te beschikken over kennis van alle combinaties van alle componenten van een specifiek systeem om erg veel te weten te komen over een kansruimte.

Je kunt gaan spelen met willekeurige componenten (a,b,c,d,e,….), de combinaties in een matrix stoppen, gaan tellen en patronen zoeken in de getallen die er dan worden gevonden. Je bent dan bezig met de statistiek van de statistiek of beter de waarschijnlijkheid van de waarschijnlijkheid. De mogelijke patronen worden beschreven in de Driehoek van Pascal.

Wat dan blijkt is dat er achter het patroon van Pascal weer een patroon zit (zie plaatje).  Dat patroon bevat wederom driehoeken en het is zeer waarschjinlijk dat er achter de driehoeken weer driehoeken zitten. Driehoeken in driehoeken in driehoeken in…. noemt men een fractal, een zelf-herhaling.

De  (on)waarschijnlijkheid is eigenlijk heel mooi en vooral ook simpel geordend en komt voort uit een zichzelf herhalend patroon, de Drie-Eenheid, dat in iedere godsdienst op aarde voorkomt.

Wetenschap en Godsdienst gaan uiteindelijk over hetzelfde.

LINKS

Over de Big Bang

Over Thermodynamica

Over Constructal Theory

Waarom een stad een organisme is

Waarom de genen bepalen wie we aardig vinden 

Over Pan en Anarchie

Over de Wet van Kleiber

Over de orde achter de wanorde (Over de Driehoek van Pascal)

Over de Uitgebreide Driehoek van Pascal

Over de drie-eenheid.

About Pan and Anarchy

Thursday, September 20th, 2007

panIn 2002 the book Panarchy: Understanding Transformations in Human and Natural Systems, (Gunderson, L.H and Holling, C.S (eds)) was published. To my knowledge this is one of the most important books of our time.

Panarchy is the first theory that is able to explain the behavior of complex ecosystems. It is an integration of many former theories in economics, biology, ecology, sociology, mathematics, psychology and other sciences.

Have a look at RA to learn more about Panarchy. You will be surprised by the amount of interesting articles and insights.

In this blog I will use long citations: “The world has not collapsed because natural ecological systems have the resilience to experience wide change and still maintain the integrity of their functions.

The world also has not collapsed because of human behavior and creativity. People do learn, however spasmodically. Change and extreme transformations have been part of humanity’s evolutionary history. People’s adaptive capabilities, have made it possible not only to persist passively, but to create and innovate when limits are reached.

The controls determined by each set of biotic structuring processes within terrestrial ecosystems are remarkably robust and the behaviors resulting are remarkably resilient. That robustness comes from functional diversity and spatial heterogeneity in the species and physical variables that mediate the key processes that structure and organize patterns in ecosystems and landscapes.

The stability domains that define the type of system (e.g. forest, savanna, grassland, or shrub steppe) are so large that external disturbances have to be extreme and/or persistent before the system flips irreversibly into another state. Except under extreme climatic conditions, Mother Nature is not basically in a state of delicate balance. If She were, the world would indeed have collapsed long ago“.

panarchy model

The books starts with a description of the five metaphors or world-views that are used to look at Nature. These metaphors are the same metaphors Bhaktin uses to describe the proces of the evolving narratives in human culture.

The World-Views are connected to Mathematical Models that are commonly used in Science to explain an Ecology. The authors show that every model has its consequences. The most beautifull thing they show is that these models are not wrong. They are needed to keep the Cycle of the Ecology running.

panarchy levels

What they also show is that a Panarchy-cycle uses a memory when the Ecology is collapsing. Somewhere a small area is preserved. It contains the “seeds” of the new Cycle. We have to look back when we want to move foreward. We also have to look back to learn form our mistakes. “People do learn, however spasmodically”. Learning is not copying. We have “to create and innovate when limits are reached”.

Somewhere in History the Seeds of the New Cycle are available. A beautifull example is the Sacred Groove. It is a place where very old trees are preserved by the local community. They need the trees to aquire medicine to cure deseases or snake bites.

Because the new Cycle has to be based on Harmony I feel you have to have a look at China. China is not only the Economy Power that is able to destroy the World when it moves on the way it moves. It is also the Culture where Harmony was the basic Concept. When you read my blogs you will see that I use many Chinese Concepts to explain.

The theory is a Self-Referencial (“Fractal“) theory and uses the Moebius Ring as the central concept. You understand why I was flabbergasted when I found Panarchy on the Internet.

The last thing that made me very enthousiastic is the name Panarchy. It is based on the name of the Old Greek God of Joy and Nature, Pan.

Pan was “Goat-legged, enthusiastic, a lover of ectacy, dancing among the stars, weaving the harmony of the Cosmos into playfull song” (The Orphic Hymns). The myth was told in Early Creece that he had left the Earth. It is of a high urgency that we ask Pan to come back. We can only save Mother Nature when we become enthusiastic again to weave Harmony all over the World.

Pan is also the God of Dance and Rythm:

Complex natural systems work in rhythms – with a front-loop phase of slow, incremental growth and accumulation, and a back-loop stage of rapid reorganisation leading to renewal, to, collapse. The front-loop phase is more predictable with higher degrees of certainty.

In both the natural and social worlds, it maximises production and accumulation. The consequence of this is an accumulation and concentration of wealth, but also emergence of greater vulnerability, due to the increasing number of interconnections that link that wealth, and those that bear it, in efforts to sustain it.

Little time and few resources are available for alternatives that explore different visions or opportunities. Emergence and novelty is inhibited. This growing connectedness leads to increasing rigidity in its goal to retain control, and the system becomes ever more tightly bound together. This reduces resilience and the capacity of the system to absorb change, thus increasing the threat of abrupt change.

We can recognise the needs for change but become politically stifled in our capacity to act effectively. Wealth and broadening wealth accumulated to lead to our present vulnerability on a world stage.

We are entering the back loop of re-organisation that entails the collapse of accumulated connections, the release of bound up knowledge and capital. But it also opens a creative potential and the opportunity for ‘creative destruction“.

The World and Our Society is now in the non-predictable back-loop stage of rapid reorganisation, creative destruction, collaps and renewal. It will soon jump back to an early stage where the Seeds of the New Cycle of Creation are Stored.

Because the Long Term Cycle of Earth is now Collapsing we have to look back for a long time to find the Seeds. The most impressive collaps of our World happened when the Great Flood appeared at 3117 BC.

Strangely enough 3117 BC is the start of the Mayan Calendar and the Indian Kali Yuga (“The Dark Age“).  Before that time the Humans lived in the Green Sahara also called Paradise. At that time Pan, the God of Nature,  was still there.

Do we have to move back to Paradise to Start All over Again?

LINKS

About Panarchy

About the Great Flood

About Social Cohesion

About World View

About Chinese Concepts

About the Fractal Universe

About the Green Sahara and Paradise