Sébastien Clodong

• One of the most striking features of ecological systems is their ability to undergo sudden outbreaks in the population numbers of one or a small number of species. The similarity of outbreak characteristics, which is exhibited in totally different and unrelated (ecological) systems naturally leads to the question whether there are universal mechanisms underlying outbreak dynamics in Ecology. It will be shown into two case studies (dynamics of phytoplankton blooms under variable nutrients supply and spread of epidemics in networks of cities) that one explanation for the regular recurrence of outbreaks stems from the interaction of the natural systems with periodical variations of their environment. Natural aquatic systems like lakes offer very good examples for the annual recurrence of outbreaks in Ecology. The idea whether chaos is responsible for the irregular heights of outbreaks is central in the domain of ecological modeling. This question is investigated in the context of phytoplankton blooms. The dynamics of epidemics inOne of the most striking features of ecological systems is their ability to undergo sudden outbreaks in the population numbers of one or a small number of species. The similarity of outbreak characteristics, which is exhibited in totally different and unrelated (ecological) systems naturally leads to the question whether there are universal mechanisms underlying outbreak dynamics in Ecology. It will be shown into two case studies (dynamics of phytoplankton blooms under variable nutrients supply and spread of epidemics in networks of cities) that one explanation for the regular recurrence of outbreaks stems from the interaction of the natural systems with periodical variations of their environment. Natural aquatic systems like lakes offer very good examples for the annual recurrence of outbreaks in Ecology. The idea whether chaos is responsible for the irregular heights of outbreaks is central in the domain of ecological modeling. This question is investigated in the context of phytoplankton blooms. The dynamics of epidemics in networks of cities is a problem which offers many ecological and theoretical aspects. The coupling between the cities is introduced through their sizes and gives rise to a weighted network which topology is generated from the distribution of the city sizes. We examine the dynamics in this network and classified the different possible regimes. It could be shown that a single epidemiological model can be reduced to a one-dimensional map. We analyze in this context the dynamics in networks of weighted maps. The coupling is a saturation function which possess a parameter which can be interpreted as an effective temperature for the network. This parameter allows to vary continously the network topology from global coupling to hierarchical network. We perform bifurcation analysis of the global dynamics and succeed to construct an effective theory explaining very well the behavior of the system.…
• Gegenstand der Dissertation ist die Untersuchung von wiederkehrenden Ausbrüchen (wie z.B. Epidemien) in der Natur. Dies gelang anhand von Modellen, die die Dynamik von Phytoplankton und die Ausbreitung von Krankheiten zwischen Städten beschreiben. Diese beide Systeme bilden hervorragende Beispiele für solche Phänomene. Die Frage, ob die in der Zeit wiederkehrenden Ausbrüche ein Ausdruck chaotischer Dynamik sein können, ist aktuell in der Ökologie und fasziniert Wissenschaftler dieser Disziplin. Wir konnten zeigen, dass sich das Plankton-Modell im Falle von periodischem Antreiben über die Nährstoffe in einem chaotischen Regime befindet. Diese Dynamik wurde als die komplexe Wechselwirkung zweier Oszillatoren verstanden. Ebenfalls wurde die Ausbreitung von Epidemien in Netzwerken wechselwirkender Städte mit unterschiedlichen Grössen untersucht. Dafür wurde zunächst die Kopplung zwischen zwei Städten als Verhältnis der Stadtgrössen eingeführt. Es konnte gezeigt werden, dass das System sich in einem globalen zweijährigen Zyklus, der auchGegenstand der Dissertation ist die Untersuchung von wiederkehrenden Ausbrüchen (wie z.B. Epidemien) in der Natur. Dies gelang anhand von Modellen, die die Dynamik von Phytoplankton und die Ausbreitung von Krankheiten zwischen Städten beschreiben. Diese beide Systeme bilden hervorragende Beispiele für solche Phänomene. Die Frage, ob die in der Zeit wiederkehrenden Ausbrüche ein Ausdruck chaotischer Dynamik sein können, ist aktuell in der Ökologie und fasziniert Wissenschaftler dieser Disziplin. Wir konnten zeigen, dass sich das Plankton-Modell im Falle von periodischem Antreiben über die Nährstoffe in einem chaotischen Regime befindet. Diese Dynamik wurde als die komplexe Wechselwirkung zweier Oszillatoren verstanden. Ebenfalls wurde die Ausbreitung von Epidemien in Netzwerken wechselwirkender Städte mit unterschiedlichen Grössen untersucht. Dafür wurde zunächst die Kopplung zwischen zwei Städten als Verhältnis der Stadtgrössen eingeführt. Es konnte gezeigt werden, dass das System sich in einem globalen zweijährigen Zyklus, der auch in den realen Daten beobachtet wird, befinden kann. Der Effekt von Heterogenität in der Grösseverteilung ist durch gewichtete Kopplung von generischen Modellen (Zelt- und Logistische Abbildung) in Netzwerken im Detail untersucht worden. Eine neue Art von Kopplungsfunktion mit nichtlinearer Sättigung wurde eingeführt, um die Stabilität des Systems zu gewährleisten. Diese Kopplung beinhaltet einen Parameter, der es erlaubt, die Netzwerktopologie von globaler Kopplung in gerichtete Netzwerke gleichmässig umzuwandeln. Die Dynamik des Systems wurde anhand von Bifurkationsdiagrammen untersucht. Zum Verständnis dieser Dynamik wurde eine effektive Theorie, die die beobachteten Bifurkationen sehr gut nachahmt, entwickelt.…