CST-317: Introdução à Modelagem do Sistema Terrestre
Aulas 2011
Introdução do Curso
- Aula: Introdução à disciplina
- Exemplo de programa em TerraME: Jogo da Vida
- Exemplo termostato.
- Exemplo investimento.
Modelo hidrológico: o caso do Mono Lake
Este modelo se baseia no caso do MonoLake, um lago alcalino no estado da Califórnia, EUA. A partir de 1941, a água do lago foi desviada para servir à cidade de Los Angeles. Em 1982, o Mono Lake havia perdido 31% de sua superficie, causando grande prejuízo ao seu ecosistema. Ecologistas e pesquisadores formaram então o Mono Lake Committee, que mobilizou mais de 15.000 pessoas e consegui proteger o lago.
Exercício para os alunos: Implementar os modelos sobre o Mono Lake, propostos no capítulo 5 do livro-texto “Modelling the Enviroment” (veja informação adicional aqui).
Modelos ecológicos com realimentação: Daisyworld
Daisyworld é um planeta hipotético concebido por James Lovelock e Andrew Watson para ilustrar a hipótese de Gaia. O planeta tem apenas duas formas de vida: margaridas pretas e margaridas brancas. As margaridas brancas crescem melhor em clima mais quente, e as pretas preferem um clima mais frio. Só que as plantas brancas refletem a luz e tornam o planeta mais frio, e as pretas absorvem a luz e tornam o planeta mais quente. Este efeito de realimentação faz com que o planeta consiga manter a temperatura da sua superfície Daisyworld quase constante mesmo quando a energia solar varia.
Exercicio para os alunos: Implementar uma versão 2D do DaisyWorld, baseado no capítulo 11 do livro-texto “Modelling the Enviroment”, no paper de Lovelock e na versão 2D do Daisyworld descrita por van Bloh.
- Lenton, T.M.; J.E. Lovelock (2001), "Daisyworld revisited: quantifying biological effects on planetary self-regulation".
- Wood et al.(2008), "Daisyworld: A review".
- Lenton (1998), "Daisyworld: A review".
Veja o ótimo site de van Bloh: "Daisyworld: a tutorial approach to geophysiological modelling".
Modelos ecológicos do tipo predador-presa: os cervos do Kaibab National Forest
A Floresta Nacional Kaibab fica perto do Grand Canyon, no Arizona, EUA. São florestas temperadas com presença de álamos e pinheiros. No início do século 20, a Floresta Kaibab tinha cerca de 4.000 cervos. Para preservar e ampliar esse rebanho, a partir de 1907 o Serviço Florestal Americano matou seus predadores naturais, como leões de montanha, lobos, coiotes e linces foram mortos. A população de veados aumentou muito, chegando a um máximo nos anos 30 e depois começou a se deteriorar rapidamente por falta de comida. O incidente mostra os riscos de desequilibrar um ecosistema retirando os predadores e fazendo com que as populações de animais aumentem muito além de seu equilíbrio natural.
Exercicio: Implementar os modelos dos cervos da Floresta de Kaibab, baseados no capítulos 20 e 21 do livro-texto “Modelling the Enviroment”.
Vejam também a controvérsia sobre o caso Kaibab: "Predation: Lies, Myths, and Scientific Fraud".
Modelos de Agentes e Simulação Social
Aula: "Agent-based models and social simulation".
A Simulação Social é um campo de pesquisa que aplica métodos computacionais para estudar as questões das ciências sociais. Os temas explorados incluem problemas de sociologia, ciência política, economia, antropologia, geografia, arqueologia e lingüística. Seu objetivo é tentar representar os comportamentos e as interações que constroem a realidade social.
A simulação social usa em normas especificidas através de algoritmos e gera dados que podem ser analisados indutivamente. Em geral, as condições de início são geradas arbitrariamente e não partem de medição direta do mundo real. A enfase é construir sociedades artificiais que forneçam insights sobre como a sociedade real funciona.
Modelos de simulação social são usualmente implementados através de sistemas de agentes. Um modelo baseado em agentes (ABM) descreve o comportamento da cada indivíduo e de sua interação com os demais e com o ambiente no qual vive. Tais modelos simulam as ações de vários individuos (agentes) em uma tentativa de reconstruir configurações que se aproximem da realidade. Partindo do micro (indivíduos e suas interações) tenta-se reproduzir o macro (comportamentos coletivos). As regras para agentes fazem-nos agir de acordo com seus interesses individuais, tais como reprodução, ganho económica ou condição social, com conhecimento limitado. Modelos de agentes podem incluir regras para aprendizado, adaptação e reprodução.
Modelos de Simulação Social: Segregação
A segregação racial e social é um tema recorrente em estudos sociais. O entendimento usual é que a segregação resulta de intolerância, quando as pessoas não aceitam ter muitos vizinhos de cor ou origem social distinta. Em 1969, Tom Schelling publicou o artigo (hoje clássico) "Modelos dinâmicos de segregação", onde mostra uma pequena preferência para os vizinhos para ser da mesma cor pode levar à segregação total. O ciclo de feedback positivo da segregação acontece em diferentes populações.
Exercicio:: Implementar o modelo de segregação de Schelling conforme descrito no exercicio.
Exercicio: Implementar o modelo “Urban Growth in Latin American cities:exploring urban dynamics through agent-based simulation” baseado na tese de Joana Barros Joana´s PhD thesis.
Esta tese estuda um tipo específico de crescimento urbano que acontece em cidades latino-americanas, chamado “periferização”, caracterizada pela formação de áreas de baixa renda residencial no anel periférico da cidade e uma perpetuação de um padrão espacial centro-periferia. A dinâmica de crescimento e mudança em cidades latino-americanas são exploradas utilizando simulação baseada em agentes. O objetivo é aumentar a compreensão dos fenômenos espaciais urbanas em cidades latino-americanas, o que é essencial para fornecer uma base para o planejamento das ações e políticas futuras. Veja ainda uma apresentação de Joana Barros sobre sua tese.
Modelos de simulação social: Teoria de Jogos no Espaço
Aula: "Game Theory".
A teoria dos jogos e a teoria dos autômatos celulares parecem à primeira vista a ser totalmente independentes (apesar de terem sido criadas na década pelo mesmo pai, John von Neumann). Na literatura recente, as duas disciplinas têm sido reunidas.
Um bom exemplo é o paper de Novak e May: "Evolutionary Games and Spatial Chaos". Os autores consideram um espaço celular, no qual cada célula pode ser ocupada por um jogador. Os jogadores se envolvem numa rodada do Dilema do Prisioneiro contra cada um dos seus vizinhos. Os jogadores podem ser cooperadores ou desertores (C ou D). Cada jogador escolhe uma estratégia, e joga o Dilema do Prisioneiro contra seus vizinhos. Depois, a próxima geração é formada. Cada célula escolhe a estratégia de maior pontuação na vizinhança (que inclui a própria célula e sua e vizinhança de von Neumann). Com isto, o automato celular propaga a transição para seus vizinhos. A mensagem básica do modelo de Nowak-May é que, para uma substancial subconjunto do espaço de parâmetros (ou seja, os valores R, S, T e P) e para a maioria das condições iniciais, desertores e cooperadores podem coexistir para sempre, quer de forma estática ou em padrões irregulares de modelos dinâmicos com flutuações caóticas previsíveis ao longo das médias de longo prazo. No caso das populações sem estrutura espacial os cooperantes acabam por desaparecer, Quando há uma estrutura territorial, os colaboradores conseguem sobreviver.
Veja ainda o artigo "Games on Grids"
Exercicio: Implementar o modelo de Nowak e May para várias configurações iniciais de colaboradores e desertores, e vários valores de ganho R (reward = ganho pela colaboração mutua), S (sucker´s payoff = prejuízo por colaborar quando o outro deserta), T (temptation = tentação para desertar), e P (punishment = punição por deserção mútua).
Teoria de Jogos e Governança de Bens Comuns
Aula: Governing the Commons using Game Theory
Recursos de uso comum são bens não-exclusivos e rivais, ou seja, não é possível excluir um consumidor pela capacidade de pagar pelo consumo de um bem ou serviço, mas o consumo de um bem por uma pessoa impede o consumo do mesmo bem por outra pessoa. Os exemplos mais claros e freqüentes de bens comuns são os recursos ambientais, onde não se pode excluir os consumidores, por não haver direito de propriedade sobre os bens, mas o consumo de um causa externalidades para outros, como a poluição ambiental e a extinção de espécies animais, pela caça por exemplo.
A abordagem teórica mais difundida para recursos de uso comum é o trabalho de Elinor Ostrom, que mostra que nem sempre uma abordagem top-down (controle completo) ou economicista (privatização) é a melhor solução. Leia os trabalhos "The Struggle to Govern the Commons", "A General Framework for Analyzing Sustainability of Social-Ecological Systems" e seu livro “Rules, games, and common-pool resources”.
Modelos de Interação Sociedade Natureza
Aula: Modelling human-environment interactions
Um dos grandes desafios da integração sociedade natureza é relacionar modelos de uso da terra com modelos climáticos. Um exemplo interessante é a tese de Thomas Piribauer, que procurou acoplar modelos de uso da terra com modelos de vegetação potencial. A partir dos trabalhos de Carlos Nobre e equipe, ele colocou no mesmo ambiente os modelos CPTEC-PVM e um modelo de mudança de uso da terra.
O trabalhos de Carlos Nobre e equipe ("Conseqüências das Mudanças Climáticas nos Biomas da América do Sul", "Savanização da Amazônia", “Climate change consequences on the biome distribution in tropical South America”). O grupo de Nobre dessenvolveu o modelo CPTEC-PVM (“Potential Vegetation Model”).
Os estudos de savanização da Amazônia fazem parte de um contexto mais amplo, descrito no artigo "Climate Change, Deforestation, and the Fate of the Amazon". Este artigo resultou da conferência "Climate change and the fate of the Amazon" realizada em Oxford em 2007. O objetivo do trabalho é acoplar modelos de vegetação potencial, uso da terra, e mudanças climáticas.
