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Can we reach a future that is both environmentally and socially sustainable? Many issues characterise global developments at the end of the twentieth century: globalization of the economy, unemployment, social problems, environmental pollution, resource waste, ecological destruction. Earth at a Crossroads offers a holistic systems view of the development of human society within the natural environment on which it depends for support. The book stresses the dynamic nature of interconnected feedback processes, traces possible future paths of societal development and their impacts, determines their sustainability, and points at necessary changes. Two alternative visions of the future are presented: a Path A resulting from continuation of current trends, and a contrasting Path B that would result from adhering to principles of sustainability and protection of the natural system in the interests of future generations. This book will become an important reference in the discussion of global society’s path into the next millennium.

Models and simulations of all kinds are tools for dealing with reality. Humans have always used mental models to better understand the world around them: to make plans, to consider different possibilities, to share ideas with others, to test changes, and to determine whether or not the development of an idea is feasible. The book Modeling and Simulation uses exactly the same approach except that the traditional mental model is translated into a computer model, and the simulations of alternative outcomes under varying conditions are programmed on the computer. The advantage of this method is that the computer can track the multitude of implications and consequences in complex relationships much more quickly and reliably than the human mind. This unique interdisciplinary text not only provides a self contained and complete guide to the methods and mathematical background of modeling and simulation software (SIMPAS) and a collection of 50 systems models on an accompanying diskette. Students from fields as diverse as ecology and economics will find this clear interactive package an instructive and engaging guide.

Das Buch zeigt, wie mit den Verfahren der Modellbildung das Verhalten dynamischer Systeme simuliert werden kann. Zum Buch gibt es jetzt auch die Software im Internet unter ftp://ftp.usf.uni-kassel.de/pub/simulation/dynsim2b.zip.

9 1. Systemanalyse: Eine Einfuhrung 1. 0 Oberblick Unsere Wirklichkeit wird nieht so sehr gepdigt durch die Einzelfunktionen ihrer vielen Bestandteile, sondern vielmehr durch deren Zusammenwirken. Manche Kom ponenten wirken stark aufeinander, andere nur schwach, weitere schlief3lich haben iiberhaupt nichts miteinander zu tun. Wir verwenden das Wort 'System', urn damit eine Anzahl von Bestandteilen abzugrenzen, die untereinander relativ stark, mit ihrer gemeinsamen Systemumwelt aber nur relativ schwach interagieren und das so, daf3 man dem beobachteten VerhaIten dieses Systems einen 'Zweck' zuordnen kann. Bei niiherer Betrachtung ist unsere Realitiit voll solcher Systeme, und sogar voller Sy sterne von Systemen: Menschen, Tiere, Pflanzen, Okosysteme, Maschinen, Fabriken, Stiidte, Staaten. Urn die Rolle der Systemanalyse zu dlskutieren, befassen wir uns hier beispielhaft mit den komplexesten dieser Systeme: mit natiirlichen Systemen (Orga nismen und Okosystemen). 1m Laufe der Evolution haben nur diejenigen natiirlichen Systeme iiberleben konnen, denen es gelungen ist, System prozesse zu entwickeln, die ihre Erhaltung sichern, d. h., die die Fiihigkeit erworben haben, auch unter schwierigen und unerwarteten Bedin gungen zu iiberleben. Allerdings sind die meisten natiirlichen Systeme nicht in der Lage, erfolgreich mit den schweren Storungen fertigzuwerden, die ihnen durch den hohen Ressourcenverbrauch und die Umweltbelastungen der modernen Gesell schaften aufgezwungen werden. Urn die Zerstorung der okologischen Basis und der natiirlichen Ressourcen zu vermeiden, mussen wir lernen, diese Systeme in ihrem Verhalten besser zu verstehen und die Folgen unserer Handlungen zuverliissig abzu schiitzen. Das Werkzeug fur diese Aufgabe ist die Systemanalyse."

1. Systemanalyse: Eine Einführung 1. 0 Überblick Unsere Wirklichkeit wird nicht so sehr geprägt durch die Einzelfunktionen ihrer vielen Bestandteile, sondern vielmehr durch deren Zusammenwirken. Manche Kom­ ponenten wirken stark aufeinander, andere nur schwach, weitere schließlich haben überhaupt nichts miteinander zu tun. Wir verwenden das Wort 'System', um damit eine Anzahl von Bestandteilen abzugrenzen, die untereinander relativ stark, mit ihrer gemeinsamen Systemumwelt aber nur relativ schwach interagieren und das so, daß man dem beobachteten Verhalten dieses Systems einen 'Zweck' zuordnen kann. Bei näherer Betrachtung ist unsere Realität voll solcher Systeme, und sogar voller Sy­ steme von Systemen: Menschen, Tiere, Pflanzen, Ökosysteme, Maschinen, Fabriken, Städte, Staaten. Um die Rolle der Systemanalyse zu diskutieren, befassen wir uns hier beispielhaft mit den komplexesten dieser Systeme: mit natürlichen Systemen (Orga­ nismen und Ökosystemen). Im Laufe der Evolution haben nur diejenigen natürlichen Systeme überleben können, denen es gelungen ist, Systemprozesse zu entwickeln, die ihre Erhaltung sichern, d. h. , die die Fähigkeit erworben haben, auch unter schwierigen und unerwarteten Bedin­ gungen zu überleben. Allerdings sind die meisten natürlichen Systeme nicht in der Lage, erfolgreich mit den schweren Störungen fertigzuwerden, die ihnen durch den hohen Ressourcenverbrauch und die Umweltbelastungen der modernen Gesell­ schaften aufgezwungen werden. Um die Zerstörung der ökologischen Basis und der natürlichen Ressourcen zu vermeiden, müssen wir lernen, diese Systeme in ihrem Verhalten besser zu verstehen und die Folgen unserer Handlungen zuverlässig abzu­ schätzen. Das Werkzeug für diese Aufgabe ist die Systemanalyse.

Konzepte Verfahren und Modelle zum Verhalten dynamischer Systeme.

"...geeignet für alle, die gewohnt sind, ihre Entscheidungen aufgrund von Fakten und Argumenten zu treffen, und denen so mancher umweltrelevanter Zusammenhang 'von irgendwoher' bekannt ist. Mit Bossels Buch kann dieses 'Irgendwoher' genauer lokalisiert werden und höchstwahrscheinlich gleich eine passende, aussagekräftige Graphik gefunden werden." (Der Wirtschaftsingenieur)"Wer sich im weiten Feld der Umweltproblematik einen raschen, aber dennoch fundierten Überblick verschaffen möchte - ist mit diesem Typosksript gut bedient. Eine klare Gliederung, viele Computer-Grafiken und nicht zuletzt ein sehr ausführlicher Index gewährleisten einen hohen Gebrauchswert." (Naturschutz und Landschaftsplanung)

This book is the the English Language Version of the very successful German textbook, "Modellbildung und Simulation". It provides a self-contained and complete guide to the methods and mathematical background of modeling and simulation software of dynamic systems. Furthermore, an appropriate simulation software and a collection of dynamic system models (on the accompanying disk) are highlights of the book/software-Package.Dies ist die englischsprachige Ausgabe des sehr erfolgreichen Lehrbuches "Modellbildung und Simulation". Geboten wird eine vollständige Einführung in die Methoden der Simulation dynamischer Systeme, wobei auch der notwendige mathematische Hintergrund vermittelt wird. Außerdem ist eine Simulationssoftware Bestandteil des Werkes; auf der beiliegenden Diskette befinden sich ferner 50 Beispielsysteme ("Systemzoo"), die zur spielerischen Einübung der verwendeten Verfahren hilfreich sind.

Die Geschichte einer berquerung des Alpenhauptkamms mit dem Gleitschirm - und gleichzeitig die Lebensgeschichte eines im Zweiten Weltkrieg aufwachsenden 'Kriegskindes'. In diesem Lebenslauf spiegelt sich die Zeitgeschichte von mehr als sieben Jahrzehnten. - Auf der Zugfahrt in die Alpen erinnern den Autor Landschaft und Orte an Kindheitserlebnisse. Auf der Alm, von der aus er seine Fl ge unternimmt, zwingen ihn die beharrlichen Fragen einer jungen Slowakin, weiter in seinen Erinnerungen zu bohren. - In einer st ndig bombardierten Stadt aufgewachsen, ist der Autor vom Kriegsgeschehen gepr gt und gleichzeitig vom Fliegen fasziniert. Er wird Segelflieger und Luftfahrtingenieur, arbeitet als Ingenieur, Wissenschaftler und Hochschullehrer auf allen Kontinenten, ger t immer mehr in die Umweltforschung, setzt sich f r eine kologisch und sozial verantwortbare Entwicklung ein. - Der Autor kn pft Nachdenkliches an seine Erinnerungen an Bombenn chte, Judenverfolgung, Hitlerjugend, Einmarsch der Amerikaner, Hunger, Leben auf dem Lande, nazistische Lehrer, Farmarbeit und Fabrikarbeit in USA und Europa, Studium, Auswanderung, Arbeit als Ingenieur und Professor in Kalifornien und Deutschland, Hippies und Anti-Vietnam-Proteste in USA, Arbeit als Wissenschaftler im sowjetischen Sibirien, in China und Malaysia, Entwicklung von Computer-Modellen f r Club of Rome, Landwirtschaft und Forstwirtschaft, Gr ndung des ko-Instituts und Auseinandersetzungen zur Atomenergie und zur 'nachhaltigen Entwicklung'. Seine Frau Rike unterst tzt ihn bei der Arbeit, zieht die drei Kinder gro und begleitet ihn bei vielen seiner Auslandsaufenthalte. - Geschichte einer Generation in einem einzelnen Lebenslauf: Eine Auseinandersetzung mit turbulenten zeitgeschichtlichen Entwicklungen anhand eigener Erfahrungen, verbunden mit eigenem Erleben in einsamen Fl gen in unsichtbaren Turbulenzen.

Komplexe dynamische Systeme aus Technik, Umwelt und Gesellschaft sind ohne Modellbildung und Computersimulation kaum zu verstehen oder erfolgreich zu lenken. Das hierfür notwendige Wissen wird schrittweise und an konkreten Beispielen entwickelt: Wortmodell, Wirkungsstruktur, Wirkungsbeziehungen, Dimensionsanalyse, Simulationsdiagramm, Simulation, Parameterempfindlichkeit, Globalanalyse, Szenario- und Pfadanalysen, mathematische Systemanalyse, Bewertungskriterien und Bewertung, Optimierung, Systemlenkung und Regelung. Für einfache Simulationen (Schwingungen, Sättigung, Chaos, Räuber-Beute-System) wird die auf jedem PC verfügbare Tabellenkalkulation verwendet. Komplexere Modelle (kleines Weltmodell, Rotationspendel, Fischereibetrieb, Balancierer) werden mit frei im Internet verfügbarer professioneller Simulations-Software entwickelt und bearbeitet. Eine kompakte Darstellung der mathematischen Systemtheorie, ein umfangreiches Literaturverzeichnis sowie Kurzbeschreibungen von etwa 100 Simulationsmodellen runden das Buch ab und geben einen Überblick über die breiten Anwendungsmöglichkeiten in u.a. Technik und Physik, Klimaforschung und Pflanzenphysiologie, Ökosystem- und Ressourcenforschung, Betriebswirtschaft und Ökonomie, und bei der Untersuchung gesellschaftlicher Prozesse und der globalen Entwicklung. Geeignet als Lehrbuch und Leitfaden für Ausbildung und Systemuntersuchungen.

Systemzoo 1 Elementarsysteme, Technik und Physik Um die in komplexen Systemen ablaufenden dynamischen Prozesse verstehen zu k nnen, m ssen sie mit den Mitteln der Systemanalyse, der mathematischen Modellbildung und der Computersimulation erschlossen werden. In den drei B nden des 'Systemzoos' werden etwa hundert Simulationsmodelle aus allen Lebensbereichen vollst ndig dokumentiert. Sie sind ausgepr ft und lauff hig und k nnen mit frei verf gbarer Simulationssoftware betrieben werden. Der 'Systemzoo 1' enth lt Modelle elementarer Systeme und komplexerer Systeme aus Technik und Physik, darunter: exponentielles und logistisches Wachstum, Schwingungen, Verz gerungen, Speicher-, Ansteckungs-, bergangs- und berlastungsph nomene, komplexe Systeme mit Grenzzyklen, mehrfachen Gleichgewichtspunkten und chaotischen Attraktoren, sowie Anwendungen aus Regeltechnik, Flugdynamik, Aerodynamik und W rme bergang. 'Systemzoo 2' enth lt Simulationsmodelle zu Klima, Pflanzenwuchs, kosystemen und Ressourcen; 'Systemzoo 3' zu Wirtschaft, Gesellschaft und globaler Entwicklung. Der 'Systemzoo' ist besonders geeignet f r Lehrveranstaltungen, Praktika und Projektarbeit in Schule, Hochschule und Forschung und zum Selbststudium.

Um die in komplexen Systemen ablaufenden dynamischen Prozesse verstehen zu können, müssen sie mit den Mitteln der Systemanalyse, der mathematischen Modellbildung und der Computersimulation erschlossen werden. In den drei Bänden des 'Systemzoos' werden etwa hundert Simulationsmodelle aus allen Lebensbereichen vollständig dokumentiert. Sie sind ausgeprüft und lauffähig und können mit frei verfügbarer Simulationssoftware betrieben werden. Der 'Systemzoo 2' enthält Simulationsmodelle des Wasser- und Kohlenstoff-Haushalts, der Photoproduktion der Pflanzen, des Waldwachstums und des Wasser-, Energie- und Nährstoffhaushalts in der Landwirtschaft sowie der Interaktion von Pflanzen, Tieren und Menschen mit anderen Organismen und Ressourcen durch Konkurrenz um Nahrung und Nährstoffe und durch Nutzung erneuerbarer und Ausbeutung nicht erneuerbarer Ressourcen. 'Systemzoo 1' enthält Modelle elementarer Prozesse und komplexer Systeme aus Technik und Physik; 'Systemzoo 3' zu Wirtschaft, Gesellschaft und globaler Entwicklung. Der 'Systemzoo' ist besonders geeignet für Lehrveranstaltungen, Praktika und Projektarbeit in Schule, Hochschule und Forschung und zum Selbststudium.

Um die in komplexen Systemen ablaufenden dynamischen Prozesse verstehen zu können, müssen sie mit den Mitteln der Systemanalyse, der mathematischen Modellbildung und der Computersimulation erschlossen werden. In den drei Bänden des 'Systemzoos' werden etwa hundert Simulationsmodelle aus allen Lebensbereichen vollständig dokumentiert. Sie sind ausgeprüft und lauffähig und können mit frei verfügbarer Simulationssoftware betrieben werden. Der 'Systemzoo 3' enthält Modelle aus Wirtschaft, Gesellschaft und globaler Entwicklung: Produktion, Lagerhaltung, Verkauf und Konsum, Konkurrenz, Lebensplanung, Arbeitslosigkeit, Ökosteuer, Eskalation, Abhängigkeit, Aggression, Bevölkerungsentwicklung, kommunale Entwicklung, Schuldenkrise, Globalisierung, sowie die Weltmodelle des Club of Rome von Forrester und Meadows und Beispiele der nichtnumerischen Wissensverarbeitung für Folgenabschätzungen und zur Simulation von Entscheidungsvorgängen. 'Systemzoo 1' enthält Modelle elementarer Prozesse und komplexer Systeme aus Technik und Physik; 'Systemzoo 2' zu Klima, Pflanzenwuchs, Ökosystemen und Ressourcen. Der 'Systemzoo' ist besonders geeignet für Lehrveranstaltungen, Praktika und Projektarbeit in Schule, Hochschule und Forschung und zum Selbststudium.