CC BY
89
УДК: 502:004
© 2011: В.Ф. Крапивин, ФНО «XXI Век»
ЭКОИНФОРМАТИКА И ПРОБЛЕМЫ ГЛОБАЛЬНОЙ ЭКОДИНАМИКИ
В.Ф. Крапивин
Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН
Эл. почта: vfk@ms.ire.rssi.ru
Получено редакцией 03.11.2010, принято к печати 15.01.2011
Обсуждаются задачи глобальной экодинамики и рассматривается конструктивный подход к их решению. В качестве эффективного метода исследования глобальных биосферных процессов в условиях антропогенного вмешательства в их динамику предлагается глобальная модель системы природа-общество. Рассмотрен путь формирования нового научного направления, получившего название экоинформатика. Приводятся примеры решения задач глобальной экодинамики методами экоинформатики.
Ключевые слова: экодинамика, экоинформатика, глобальная модель, система природа-общество, биосфера, биосложность.
ECOINFORMATICS AND GLOBAL ECODYNAMICS PROBLEMS
V.F. Krapivin
V.A. Kotelnikov Institute of Radio-engineering and Electronics, Russian Academy of Sciences
E-mail: vfk@ms.ire.rssi.ru
The problems of global ecodynamics are reviewed and a constructive approach to their solution is discussed. A global model of the nature-society system is proposed as an efficient method for investigations of global biospheric processes under the anthropogenic impact. Prospects for the development of a new scientific discipline, which may be named ecoinformatics, are outlined. Some examples of solving of global ecodynamic problems using ecoinformatics-based approaches are given.
Keywords: ecodynamics, ecoinformatics, global model, nature-society system, biosphere, biocomplexity.
Экоинформатика
Одним из разделов современной информатики является экоинформатика [1, 4, 7, 8, 31], которая изучает закономерности получения, отбора, хранения, передачи, преобразования и применения экологической информации в научной, производственной, социальной, политической и культурной деятельности человечества. Экоинформатика направлена на обеспечение устойчивого развития земной цивилизации путем оптимизации мониторинга окружающей человека среды, биосферы в целом и отдельных ее подсистем, рационального использования природной среды и ее природных ресурсов (прежде всего невозобновляемых), сохранения биоразнообразия и генофонда биосферы.
Одной из важных задач экоинформатики является прогнозирование состояния природной среды и предупреждение о нежелательных изменениях ее характеристик. Для решения этой задачи создаются сложные многоканальные системы мониторинга, базирующиеся на спутниковых, самолетных, наземных и водных носителях. Для предметного анализа данных наблюдений создаются различной сложности математические методы, ориентированные на эффективное использование систем мониторинга. Экоинформатика обеспечивает обратную связь между техническими и теоретическими средствами природного мониторинга, помогая ответить на вопросы, возникающие при принятии решения, в частности:
- какие приборы целесообразно использовать для проведения наземных и дистанционных измерений;
- какие финансовые средства выделить для проведения наземных и дистанционных измерений;
- как сбалансировать количество наземных измерений и объем дистанционных данных с учетом их информационного содержания и стоимости;
- какие математические модели пространственно-временных изменений параметров природных объектов целесообразно использовать для интерполяции и экстраполяции данных контактных и дистанционных наблюдений с целью уменьшения объема (количества) последних и, соответственно, уменьшения стоимости работы в целом, а также для получения прогноза функционирования наблюдаемого объекта.
Таким образом, ведущиеся в области экоинформатики исследования нацелены на получение ответа на базовый вопрос: какова должна быть структура и режим работы систем наблюдения за элементами окружающей среды, чтобы обеспечивались надежные оценки ее текущего состояния и прогноз развития на ближайшее и перспективное будущее.
Среда обитания человека ограничена
Тема, которую в последние десятилетия усиленно обсуждают экологи, математики, политики и даже руководители государств, касается практически каждого человека, живущего на планете Земля. Речь идет о выживании человека как вида. По этому поводу российский космонавт В.П. Савиных, который побывал в космосе три раза и провел там более 250 суток, рассказывая о своих впечатлениях, отмечает, каким маленьким кажется наше жизненное пространство из космоса. В своих воспоминаниях он пишет: «А вот из космоса, когда я воочию убедился, что Земля - шар, всего лишь
27
шарик в бездонных просторах Вселенной, она вдруг предстала передо мной до боли беззащитной». И далее: «Наша планета так нуждается в хозяйском и бережном к ней отношении, в человеческой ласке. Нет, она не беспредельна для людской расточительности и эгоизма, и каждая отравленная вредоносными выбросами река - как вышедший из строя кровеносный сосуд на ее прекрасном теле, и этот участок ее обречен» [18]. Ведь мы все хотим жить комфортно, уютно и богато. Но все это, в конечном счете, основано на расходовании энергетических и природных запасов, которые, как мы все это понимаем, ограничены [5, 6, 12, 16].
Природа предоставила человечеству три среды. В основном человек обитает на суше, пространство которой ограничено. Атмосфера и водные просторы используются для передвижения. Мировой океан и моря, кроме того, поставляют пищу. Существуют рассуждения о том, что человечество рано или поздно перейдет на использование возобновляемых ресурсов, к которым относятся солнечная энергия, биоэнергия и атомная энергия. Безусловно, такая, еще слабая, тенденция наблюдается, но проблема даже не столько в этом. Ограниченность земного пространства, рост численности населения с нарастающими темпами потребления - вот главный враг человечества. Развивая промышленность и сельское хозяйство, человечество преобразует и загрязняет окружающую природу и тем самым снижает ее жизненные потенциалы. Другими словами, человек от ситуации в историческом прошлом, когда он был элементом природы, начиная с XIX века, отделил себя от природы и поставил вопрос о взаимодействии с ней. По существу, переходя на язык биологии, можно говорить о том, что в настоящее время человек вышел из своей экологической ниши.
Проблемы глобализации
Сейчас все - экологи, политики, экономисты и государственные деятели - говорят о глобализации. Впервые это понятие было введено в 60-х гг. XX века. Среди российских ученых, которые на формальном научном уровне сформулировали это понятие, были академики К.Я. Кондратьев и Н.Н. Моисеев [5-7, 14, 15, 23-29].
Глобализация означает процесс расширения, углубления и ускорения самых различных процессов в современном обществе. По существу глобализация связана с интенсивным распространением по земному шару экономической, политической и социальной активности, увеличивая пространственную протяженность властных органов и структур. Пожалуй, главная особенность процесса глобализации состоит в росте концентрации и монополизации финансовых ресурсов и мощи транснациональных корпораций, а также глобальных финансовых структур. При этом наблюдается усиливающееся неравенство стран и различных групп населения. Но это отдельный вопрос. Нас интересует проблема сохранения окружающей природной среды в складывающихся условиях процесса глобализации.
Хотелось бы, чтобы человеческое общество на Земле жило в устойчивом надежном мире в широком понимании этого слова, имело бы достаток и комфортные условия жизни. В связи с этим различные исследователи выдвигают самые невероятные прогнозы развития системы природа-общество. Эти прогнозы варьируются от состояния благополучия до апокалиптических. Действительно, например, в США на душу населения
потребляется в 1,6 раза больше энергии, чем в России, и в 8,5 раз больше, чем в Зимбабве. Это говорит о наличии неравенства между странами. Отсюда следует, что риск неблагоприятного направления в развитии остается для многих бедных стран достаточно высоким по причине наличия элемента присвоения избыточных ресурсов в стратегии развитых стран. Поэтому вопрос о включении страны или региона в процесс глобализации является важным именно с позиции оценки риска последствий. Ведь используемый для оценки этого риска индекс глобализации, включающий переменные, которые характеризуют уровень экономической интеграции, развития технологий, политические аспекты и открытость общества для информационных контактов, не предусматривает передачи избыточных ресурсов от одних стран другим. Здесь, по мнению В. Lomborg [30], присутствует элемент запугивания населения грядущими катастрофами, чтобы современная имперская политика глобализации продолжалась в будущем, сохраняя негативные тенденции в развитии современного общества с его торговыми войнами, концентрацией капитала, искажением инвестиционных процессов и скрытым ограничением социальных прав.
Математики предлагают технологию для решения глобальных проблем
В планетарном масштабе все живое население биосферы тесно связано специфической формой организации и механизмами регуляции потоков энергии и круговорота веществ, представляя собой единую биокибернетическую систему высшего ранга. В пределах континентов и океанов, как следующих за биосферой структурных единиц, процессы преобразования энергии и вещества протекают в какой-то степени обособленно. Наземные биогеоценозы характеризуются распределенной продуктивностью, являющейся на многих территориях управляемой функцией, а потому зависящей от развития научно-технического прогресса. Мировой океан представляет в настоящее время около 1% потребляемых человечеством ресурсов и является практически неуправляемым элементом биосферы. Это связано с недостаточной изученностью продукционных процессов в океанах.
Так или иначе, взаимосвязь уровня жизни человеческого общества с природными процессами в последние годы становится все более принципиальной. Исследование биосферы как сложной иерархически устроенной уникальной системы становится насущной проблемой всего человечества, ибо жизнь его целиком зависит от состояния биосферы. В этом исследовании одно из центральных мест занимает экоинформатика - наука о применении методов математического моделирования и вычислительной техники к исследованию функционирования экологических систем биосферы. Развитие этого направления привело к новым идеям в области изучения глобальных изменений в результате реализации многочисленных антропогенных проектов, в связи с чем возникли различные научные дисциплины, такие как Географические Информационные Системы (ГИС), глобальное моделирование, ГеоИнформационные Мониторинговые Системы (ГИМС), теория живучести и системология [2, 3, 31-33]. Однако каждое из этих направлений обладает ограниченным спектром возможностей изучения динамики природных подсистем при различных пространственно-временных ограничениях.
28
Поэтому встал вопрос о развитии междисциплинарного направления науки, которое бы объединяло ГИС, глобальное моделирование, ГИМС, экспертные системы и учитывало бы социально-экономические аспекты природоохранной деятельности человечества. Таким направлением стала экоинформатика.
В последние годы XX века прошло множество международных мероприятий, тематика которых наиболее тесно связана с задачами экоинформатики и на которых затрагивались особенности наук о Земле, пытающихся решить отдельные разрозненные проблемы охраны окружающей среды и дать рекомендации по организации глобального экологического мониторинга. Анализ этих и аналогичных материалов показывает, что в России предложен совершенно новый подход к построению комплексной информационной системы для совместного описания биосферных и климатических процессов, с учетом тенденций в антропогенной деятельности. Основная идея этого подхода состоит в создании таких информационных технологий, которые бы позволяли строить ряды моделей в условиях отрывочной и искаженной информации о происходящих в природе и обществе процессах [6, 10].
Фундаментальная идея экоинформатики состоит в создании универсальной по тематическому содержанию глобальной модели, описывающей взаимодействие природных и антропогенных процессов. Наиболее сложным и недостаточно изученным является моделирование социальных взаимоотношений и их трансформации в зависимости от состояния окружающей среды. Вопрос же о прогнозировании этих процессов в глобальном масштабе с целью выработки оптимальных политик поведения на государственном уровне является самым сложным в глобальном моделировании. Тем не менее, экоинформатика предлагает подход к решению и этой проблемы [5, 6].
Базовая модель экоинформатики исходит из того, что природа и человеческое общество составляют единую планетарную систему, имея при этом самостоятельные иерархические структуры, цели и стратегии поведения. С математической точки зрения, взаимодействие природы и общества можно рассматривать как случайный процесс с неизвестным законом распределения, представляющим уровень напряженности во взаимоотношении этих систем или оценивающий состояние одной из них. Цели и поведение систем являются функциями показателя результатов такого взаимодействия. В различных ситуациях поведение систем может быть антагонистическим, индифферентным и кооперативным. Основная цель общества состоит в достижении высокого жизненного уровня с гарантией долговременного выживания. Аналогично, цель природы может быть определена в терминах выживания. Поведение природы определяется объективными законами коэволюции. При этом общество располагает технологиями, наукой, экономическим потенциалом, промышленным и сельскохозяйственным производствами, социологическим устройством, численностью населения и т.д. Процесс взаимодействия природы и общества может быть оценен некоторым показателем, способным достигать значения, за пределами которого человечество перестает существовать, а природа выживает. Такая несимметричность вызывает изменение цели и стратегии общества. Экоинформатика обеспечивает методы разрешения такого противоречия между природой и обществом.
Глобальная модель системы природа - общество
Опыт глобального моделирования, опирающийся на традиционные методы математического моделирования, показывает, что при стремлении повысить точность создаваемой модели исследователи неизбежно сталкиваются с множеством противоречий, вызванных ограниченностью технических средств сбора и обработки данных мониторинга. Очевидно, что создание модели, адекватной биосфере и климатической системе Земли, в конечном счете, сталкивается с множеством проблем и на первый взгляд кажется невозможным. Действительно, с одной стороны, полный учет всех параметров биосферы и климатической системы приведет к эффекту, называемому «проклятием многомерности», с другой - простые модели, учитывающие малое количество параметров, неадекватны и практической ценности не имеют. Кроме того, во многих областях науки, таких как физика океана, геофизика, социология и климатология, создание адекватной модели принципиально невозможно из-за практической недостижимости полноты информации.
Хорошо известны проблемы синтеза климатических моделей, где непреодолимые трудности в основном возникают из-за нестационарности исследуемых процессов. Развитый в конце ХХ столетия подход к глобальному моделированию предлагает преодолевать эти трудности путем комбинирования двух подходов к синтезу элементов глобальной модели. Первый (традиционный) подход опирается на балансовые соотношения и уравнения движения [15]. Второй подход использует эволюционное моделирование, теорию игр и сценарии [31]. Однако созданные таким образом модели оказываются привязанными к экспертным оценкам и, как показали вычислительные эксперименты, неэффективны при изучении стрессовых состояний окружающей среды. Выход из этих трудностей видится в применении эволюционной технологии к построению моделей плохо параметризуемых процессов. Он состоит в применении эволюционной технологии синтеза модели изучаемого объекта или явления. Конечно, здесь требуется дополнительное исследование с целью придания этой схеме конструктивного характера за счет наполнения критериями и алгоритмами совместной обработки результатов моделирования и мониторинга. Конструктивный механизм реализации такой схемы заложен в идее ГИМС-техно-логии [26], основные принципы которой включают:
- объединение, интеграцию и координацию баз данных;
- оптимизацию систем контроля окружающей среды;
- согласование и совместимость информационных потоков;
- централизацию доступа к информации;
- согласование пространственных масштабов;
- использование единой системы классификации.
Первая глобальная модель биосферы была создана в
середине XX века в Вычислительном центре РАН [10, 15] под руководством академика Н.Н. Моисеева. Затем эта модель многократно улучшалась [26-28]. В настоящее время, как видно из рис. 1, она параметризует большинство сред. Реальное воплощение этой модели представлено схемами рис. 2 и 3. Каждый блок глобальной модели содержит описание на математическом языке конкретного процесса функционирования одной из сред. На рис. 4 представлен пример блока, параметризующего глобальный круговорот углерода.
29
Рис. 1. Организация глобальной модели функционирования системы природа - общество. Воспроизведено из [6].
Рис. 2. Элементы системы природа - общество, включенные в глобальную модель. Воспроизведено из [5].
30
Рис. 3. Концепция глобального моделирования как средства изучения причинно-следственных связей в окружающей среде. Воспроизведено из [6].
Рис. 4. Блок-схема глобального биогеохимического круговорота углекислого газа в системе атмосфера - суша - океан. Описание резервуаров и потоков СО2 дается в табл. 1. Воспроизведено из [5].
31
Экоинформатикаре пробл
ешает глобальные проблемы
Экоинформатика как наука развивается в интерактивном режиме, создавая новые методы, модели, алгоритмы и технологии для решения постоянно возникающих глобальных проблем взаимодействия человека и природы. На этом пути рождаются новые взгляды на процессы глобальной экодинамики, возникают предложения, как управлять биосферными процессами без негативных последствий для общества.
Хорошо известен замысел переброски вод сибирских рек в Среднюю Азию с целью спасти гибнущее Аральское море. Все началось в 1959 г. с создания Каракумского канала (современное название -канал Туркмен-баши). Его строительство было завершено в 1988 г. Он обеспечивает водой южные и юго-западные районы Туркмении. Его протяженность 1300 км. Канал начинается от реки Амударьи, расход воды в начале канала около 600 м3/с.
Это было чисто экономическое решение без эксперимента на модели. В историческом аспекте водный режим среднеазиатских регионов - это сложная динамика перемещающихся русел рек. Посредством суперканала собирались объединить реки Волгу и Аму-дарью, соединить Арал с Каспием, Азовом, Черным морем, Балтикой и Арктикой. Тем самым планировали организовать невиданный по протяженности водный путь из Средней Азии в Европу. Теперь мы говорим о крупнейшей экологической катастрофе. Аральское море практически высохло. Из-за мощных утечек воды из канала образовались новые моря. Пески и соль со дна высохшего Арала ветрами переносятся на огромные расстояния и уничтожают все на своем пути [13].
Сейчас появилось немало сторонников реанимации, казалось бы, забытого проекта переброски части вод сибирских рек в Среднюю Азию. Снова поднимается вопрос о строительстве нового канала из Сибири через Казахстан в Узбекистан. На пресс-конференции 4 сентября 2006 г. в Астане президент Казахстана Нурсултан Назарбаев заявил, что необходимо вновь рассмотреть вопрос о повороте сибирских рек в Центральную Азию. Эту идею поддержал Ю.М. Лужков в своей книге [11].
И здесь мы можем получить катастрофу еще большего масштаба, чем Аральское море. Снижение стоков сибирских рек в Арктический океан может привести к расширению площадей вечной мерзлоты в самом безобидном случае, если не к понижению глобальной температуры. Поднимая эту проблему, никто не говорит о том, что для оценки последствий неплохо было бы посмотреть эти последствия с помощью модели. Возможно, существует безопасный вариант такой переброски вод или другие методы решения водной проблемы в Средней Азии.
Известно, что вариации распределения атмосферных осадков на обширных территориях от степей Ставрополья и Калмыкии до горных массивов Памира и Тянь-Шаня во многом предопределяются крупномасштабными пространственно-временными изменениями потоков атмосферной влаги с акваторий Каспийского и Аральского морей, залива Кара-Богаз-Гол, крупных водохранилищ и накопителей коллекторно-дренажных стоков, солончаков и других типовых испарителей поверхностных и грунтовых вод на территории Средней Азии. В работе [7] предложена довольно простая схема спасе-
ния Арала. По западному побережью Каспийского моря имеется множество котловин с уровнем поверхности ниже уровня моря. Из них только залив Кара-Богаз-Гол заполнен водой. Если эти котловины заполнять каспийской водой, то за счет температурных перепадов возрастет испарение и с учетом розы ветров повысится поток влаги в сторону Арала. Возможные последствия реализации такого сценария были оценены с помощью модели водного баланса Средней Азии, с учетом роли прилегающих регионов Калмыкии и Ставрополья [3]. Расчеты показали, что если бы эта идея начала реализовываться в 2000 г., то уровень Арала 1960 г. был бы достигнут в 2012-2014 гг. Если этот сценарий начать реализовывать в 2010 г., то уровень Арала может восстановиться только к 2030-35 гг.
Второй показательный пример успешного решения глобальной проблемы связан с глобальным потеплением. Этой проблемой сейчас кто только не занимается. Здесь имеется два диаметрально противоположных мнения. Одни эксперты указывают на наличие глобального потепления. Другие его отрицают. Существует так называемый Киотский протокол, который расписывает, какой стране сколько выбрасывать парниковых газов в пересчете на углекислый газ. При этом полностью отсутствует научное обоснование этих ограничений.
Возьмем Россию. Она, к сожалению, ратифицировала этот протокол. А на самом деле именно территория России является мощным стоком углекислого газа из атмосферы. Это наши бореальные леса и арктические моря поглощают из атмосферы значительную часть избыточной углекислоты. Наоборот, такие страны как США должны платить России за то, что ее территория поглощает выбрасываемые ими парниковые газы. США этот протокол не ратифицировали и не собираются это делать. Потому что они умеют считать. Не углубляясь сильно в эту проблему, отметим, что по заключению академика К.Я. Кондратьева [23] никакого глобального потепления нет. Дело в том, что за счет запугивания населения и правительств последствиями глобального потепления многие группы экспертов получают приличное финансирование на исследование этой проблемы. А если нет глобального потепления, то нет и финансирования. К.Я. Кондратьев и др. [24, 26], опираясь на технологию глобального моделирования, показали, что хозяйственная деятельность человека в плане использования энергии в промышленности и сельском хозяйстве не повлияет заметным образом на климат вплоть до конца XXII века, если не будут уничтожаться леса и загрязняться нефтепродуктами Мировой океан.
Отметим, что прогнозы многих сторонников глобального потепления основаны на глобальных климатических моделях, которые опираются на весьма сомнительные данные и сами по себе очень неустойчивы. В исследованиях К.Я. Кондратьева и др. [23-29] используются детерминированные описания всех глобальных процессов с их дискретизацией по глобальной географической сетке 1x1 км и использованием данных спутникового мониторинга. Все математические соотношения в глобальной модели носят характер балансовых уравнений. Более того, в Институте биофизики СО РАН под руководством члена-корреспондента РАН А.Г. Дегерменджи развит метод синтеза малоразмерных глобальных моделей, опирающихся только на хорошо проверенные и оцененные параметры. При этом ре-
32
Табл. 1.
Резервуары и потоки углерода в форме СО2 в биосфере, учитываемые в схеме рис. 4
Резервуары и потоки углекислого газа Идентификатор Оценка резервуара (109т) и потока (109т/год)
Углерод
атмосферы СА 650-750
фотического слоя океана 580-1020
глубоких слоев океана гумуса почв 34 500-37 890 1500-3000
Выделение при сжигании
растительности Н С Н 6,9
ископаемого топлива 3,6
Десорбция НС 97,08
Сорбция НС 100
Выветривание горных пород НС 0,04
Вулканические эманации НС 2,7
Поглощение наземной растительностью НС 224,4
Дыхание
растений НС 50-59,3
людей Н1С0 0,7
животных НС 4,1
Выделение
при разложении гумуса почв НС 139,5
корнями растений К 56,1
Жизнедеятельность
населения НС 0,3
животных к 3,1
Отмирание растительности НС 31,5-50
Выпадение в донные осадки НС6 0,1-0,2
Растворение морских отложений НС 0,1
Разложение детрита
в фотическом слое Н22 35
в глубоких слоях океана НС 5
Подъем с глубинными водами НС 45
Опускание с поверхностными водами и за счет гравитационного оседания Н С 40
Фотосинтез Н2С1 69
Подземный сток Н2С3 0,5
Поверхностный сток Н2С4 0,5-0,6
Дыхание живых организмов в океане Н2С5 25
._.
Междисциплинарный научный и прикладной журнал «Биосфера», 2011, т. 3, № 1 33
зультаты моделирования проверяются на искусственной биосфере [21, 22]. Но это не означает, что таким образом глобальные проблемы решены.
Возвращаясь к вопросу о глобализации, следует отметить, что главной проблемой является устойчивое развитие системы природа-общество. Эта проблема на международном уровне впервые была сформулирована в 1972 г. на Стокгольмской конференции ООН в виде лозунга «Только одна Земля» и детально обсуждена в 1992 г. в Рио-де-Жанейро на Конференции ООН по окружающей среде и развитию. Конечно, это обсуждение в основном носило концептуальный характер. Наверное, поэтому сформулированная тогда концепция устойчивого развития была расплывчатой и не имела конкретности. Затем было множество дискуссий на эту тему, как в научной печати, так и на различных международных форумах.
Еще в 1627 г. английский философ, историк, политический деятель, основоположник эмпиризма Френсис Бэкон (1561-1626) высказал идею о том, что наука должна быть способна обеспечить доминирование человека над природой. Конечно, если понимать, как развивается природа и как ею управлять без нанесения ущерба и природе и человеку. Но ему возразил французский мыслитель Рене Декарт (1596-1650), сказав, что человек никогда не сможет познать все законы природы, а значит, не сможет безопасно ею управлять. В 1633 г., когда осудили Галилея, Декарт уже в основном обдумал или даже набросал свой трактат «Мир» ("Le Monde"), в осмыслении Вселенной и ее движения созвучный идеям Галилея. Далее к этой проблеме возвращались Исаак Ньютон, разработчик американской декларации революции Томас Джефферсон (1743-1826, вице-президент в администрации президента США Джона Адамса), французские философы Вольтер (1694-1778, Франсуа Мари Аруэ) и Жан-Жак Руссо (1712-1778), шотландский экономист Адам Смит, Фридрих Энгельс и многие другие. Далее был период, когда обсуждались идеи английского священника и ученого, демографа и экономиста Томаса Роберта Мальтуса, который провозгласил тезис о перенаселении Земли. По Мальтусу население растет в геометрической прогрессии, тогда как пища в лучшем случае - только в арифметической. Отсюда он заключает, что для благоденствия рода человеческого, для сохранения равновесия между народонаселением и необходимыми средствами пропитания нужно, чтобы естественное размножение людей встречало препятствия и задержки.
Далее многие ученые в различных формах высказывали озабоченность относительно физических пределов природных ресурсов. Но первые наиболее конструктивные подходы к анализу этой проблемы были сформулированы академиками РАН К.Я. Кондратьевым и Н.Н. Моисеевым [5, 6, 14]. Именно их работы впервые в мире сдвинули проблему устойчивого развития с бесконечных словесных споров к конструктивному диалогу специалистов в области глобальной экологии, климата и демографии. Молодежь уже не знает, а люди старшего поколения помнят, как в 80-х гг. прошлого столетия все газеты регулярно описывали страсти «ядерной зимы».
Что такое ядерная зима? Лет 40 назад над человечеством серьезным образом висела опасность ядерной войны между СССР и США. Ученые как в Америке, так и в
СССР усиленно пытались оценить ее последствия для всей планеты. Это как раз тот пример, когда произвести реальный эксперимент невозможно. В связи с этим усиленно создавались сложные климатические модели, с помощью которых разыгрывались различные сценарии и рассчитывались эти последствия. Получалось, что при взрывах огромного количества ядерных боеприпасов в атмосферу должно поступить много пыли и в зависимости от продолжительности ее нахождения в атмосфере могли произойти изменения средней планетарной температуры. Сажа, дым и пыль в атмосфере над Северным полушарием, подвергшемся атакам, распространятся на огромные площади, через 2 недели накрыв все Северное полушарие и частично Южное. Сажа и пыль будут находиться в атмосфере, создавая непрозрачную пелену, не пропускающую свет. Частицы пыли будут долго оседать на землю под действием силы тяжести и вымываться дождями.
Расчеты показали, что пыль и сажа в атмосфере сохранятся значительно дольше, чем полагали прежде. Приземный воздух окажется холоднее находящегося выше, так называемый круговорот воды в природе значительно ослабеет, осадков станет меньше. Все это приведет к тому, что ядерная зима затянется. Резкое, сильное (от 15 до 50 градусов в разных регионах) и длительное охлаждение воздуха над континентами погубит практически все живое. Особенно тяжелыми последствия оказались бы летом, когда над сушей в Северном полушарии температура упадет ниже точки замерзания воды. Ядерная зима повлекла бы за собой лавину губительных эффектов. Это, прежде всего, резкие скачки температуры между сушей и океаном, которые вызовут сильнейшие ураганы. Над погруженными в ночь, скованными холодом континентами разразятся жестокие засухи. Растения не успеют приспособиться к низким температурам и погибнут. Многие животные в Северном полушарии не выживут из-за недостатка пищи и сложности ее поиска в «ядерной ночи». В тропиках и субтропиках важным фактором будет холод. Погибнут многие виды млекопитающих, все птицы.
В 70-х гг. в Вычислительном центре РАН под руководством академика Н.Н. Моисеева была создана специальная рабочая группа по изучению возможных последствий ядерной войны [14]. В США такие работы уже велись. Были созданы модели общей циркуляции атмосферы и на мощных суперкомпьютерах с большим пространственным разрешением велись расчеты. Эти модели были доступны всем специалистам из СССР. Именно эти исследования явились толчком к зарождению нового научного направления, получившего наименование экоинформатика. Созданная глобальная модель описывала не только климатические характеристики, но экологию и человеческую активность. В результате спектр вычислительных экспериментов был расширен до рассмотрения проблем глобальной экодинамики.
Сейчас одной из проблем в ряде регионов земного шара является мониторинг и прогнозирование природных катастроф, интенсивность которых в последние годы нарастает. Существует мнение, что это защитная реакция природы на расширение и усиление воздействий человека на нее. Вот недавний пример извержения вулкана в середине апреля в Исландии. Природа парализовала огромное количество аэропортов. 200 лет вулкан молчал. Вообще, прогнозирование извержений вулканов и землетрясений - это пока не решен-
34
ная задача. Аналогично обстоит дело и с прогнозированием ураганов, приводящих к огромным потерям в экономике и гибели людей [3].
Некоторое время назад в Научном центре аэрокосмического мониторинга «Аэрокосмос» под руководством академика РАН В.Г. Бондура на основе методов экоинформатики был предложен метод решения задачи раннего обнаружения ураганов [3]. Если у американцев, наиболее страдающих от ураганов, попытки прогнозировать ураганы оправдываются в 35% случаев, то этот метод дает более 90%. Метод прост. На основе данных международных центров (их 11) слежения за изменением климата в режиме реального времени рассчитывается индикатор нестабильности системы атмосфера-океан. Если этот индикатор превысит определенный порог, то подается сигнал о возможном зарождении урагана в зоне конкретной метеостанции. С этого момента в течение нескольких часов начинается более тщательный анализ поступающих данных и по истечении этого времени принимается решение, будет ураган или нет. В этом случае могут быть приняты меры по подавлению источника урагана.
Сценарии развития, возможные последствия
Глобальная экодинамика все в большей мере сопровождается природными катастрофами. Динамика развития системы природа-общество говорит о том, что многообразие природных катастроф в будущем может только расшириться за счет возникновения новых типов катастроф, связанных с расширением областей применения новых технологий. При этом количество антропогенно обусловленных катастроф будет возрастать несмотря на повышение эффективности систем природного мониторинга. Проблема взаимоотношения природной и антропогенной составляющей в глобальной экодинамике приобретет многомерный характер в пространстве характеристик воздействия различных типов катастроф на общество. Геологические, климатические, экологические и медицинские разрезы этого пространства будут выглядеть совершенно иначе, чем они воспринимаются населением планеты в современных условиях начала XXI столетия. Это будет связано с изменением ритмичности катастроф и трансформацией понятий реального и субъективного риска.
Экоинформатика предлагает самый простой и безопасный способ прогнозирования реакций биосферы на антропогенные процессы. Формируется сценарий развития общества, и с помощью глобальной модели осуществляется прогноз глобальной экодинамики. В качестве простого примера рассмотрим такой сценарий:
- антропогенные выбросы парниковых газов до 2050 г. подчинены закономерности 2010 г., а после этого уменьшаются на 25%;
- добыча и потребление невозобновимых ископаемых топлив в период до 2050 г. растет на 0,5% в год в развитых странах и на 0,7% в год в развивающихся странах, после чего стабилизируется;
- подушный валовый внутренний продукт возрастает в развитых и развивающихся странах с постоянными скоростями 2,5% и 1,5% соответственно;
- инвестиции в борьбу с загрязнениями окружающей среды по всем странам до 2050 г. возрастают на 0,2% ежегодно, а затем сохраняются на постоянном уровне;
- процессы сведения и восстановления лесов начиная
с 2015 г. сбалансированы так, что суммарная площадь лесов по состоянию на 2010 г. сохраняется, а площадь тропических лесов уменьшается не более чем на 5%;
- загрязнение Мирового океана нефтью в XXI веке подчинено закономерностям последнего десятилетия XX столетия;
- продуктивность сельского хозяйства повышается равномерно до 80% в 2100 г.
В рамках этих предположений динамика системы природа-общество характеризуется следующими показателями:
- численность населения к 2100 г. достигнет уровня 12,7 млрд чел., причем соотношение между возрастными группами будет характеризоваться следующими средними показателями: 0-15 лет - 32%, 16-65 лет -53% и старше 65 лет - 15%, нетрудоспособная часть населения составит 17%;
- обеспеченность населения белковой пищей возрастает на 6,8% к 2030 г. (вклад Мирового океана составляет 12,1%), а затем спадает по отношению к 2010 г. на 3,2% (доля Мирового океана возрастает до 22,1%);
- концентрация СО2 в атмосфере достигнет 486 миллионных долей с соответствующим повышением средней планетарной температуры на 0,87°С;
- динамика пространственного распределения стоков атмосферного СО2 характеризуется нарастанием роли Мирового океана и наземных экосистем, доли которых в середине XXI века составят 31% и 19% соответственно, а затем к концу столетия доля Мирового океана сократится до 26,7% с продолжающимся нарастанием роли наземных экосистем до 24,4%;
- замена 5% площади тропических лесов городскими экосистемами приведет к сокращению общего стока СО2 на 1,2%;
- полная замена влажных тропических лесов травяной экосистемой к 2050 г. в последующие годы отражается на глобальном изменении климата за счет нарушения регионального влагооборота на границе атмосфера-суша, увеличения с обезлесенной территории потока уходящей длинноволновой радиации на 4,3 Вт/м2, возрастания альбедо этой территории на 5,7%, уменьшения поглощаемого потока коротковолновой радиации на 4,1%, повышения температуры почвы на 1,3°С и сокращения осадков и испарения на 0,7 и 0,9 мм/сут. соответственно.
Такие оценки, полученные с помощью глобальной модели, важны в познавательных целях при рассмотрении гипотетических вариантов взаимодействия человека и природы [17, 19, 20].
Высокая чувствительность системы природа-общество проявляется по отношению к возможным изменениям глобальной структуры почвенно-раститель-ных формаций. Так, например, если к 2050 г. площади лесов равномерно будут сокращены всего на 10% по отношению к 2010 г., то концентрация атмосферного СО2 в 2100 г. достигнет уровня 611 миллионных долей, т.е. почти удвоится. Но если площади лесов увеличить к 2050 г. на 15%, то в 2100 г. парциальное давление СО2 составит 475 миллионных долей.
Важным показателем состояния биосферы и ее реакции на изменения климата и антропогенные воздействия является индикатор биологической сложности (биосложности), который является интегральным показателем состояния окружающей среды с учетом
35
Рис. 5. Зависимость индикатора биосложности от антропогенной стратегии воздействия на лесные экосистемы: 1 - скорость изменения площади лесов остается на уровне 1970-2000 гг.; 2 - к 2050 г. все леса исчезают; 3 - к 2050 г. площадь лесов сокращается на 10%; 4 -на 50%; 5 - к 2050 г. площадь лесов возрастает на 10%; 6 - на 30%. Воспроизведено из [3].
биологической способности, биоразнообразия и выживаемости [16, 17]. Именно этот индикатор является достоверным показателем перехода системы природа-общество между ее фазовыми состояниями и особенно при наступлении критических событий. Для примера на рис. 5 приведены реакции биосферы на ряд антропогенных воздействий.
Приведенные результаты моделирования реакций системы природа-общество на возможные антропогенные изменения ее параметров показывают, что предлагаемая экоинформатикой методика позволяет оценивать динамику различных компонентов
этой системы в зависимости от гипотез о возможных темпах этих изменений с ошибками прогноза 15% и 25% на 10 и 20 лет соответственно. Следовательно, имитационные эксперименты с использованием глобальной модели при наличии достоверных данных о предыстории системы природа-общество позволят выявить условия, ограничивающие развитие цивилизации, и установить механизмы ее выхода на устойчивое развитие. Для этого необходимо сконцентрировать усилия международных и национальных исследовательских программ на синтезе глобальных баз данных, используя самые современные технологии [9].
Литература
1. Арский Ю.М., Захаров Ю.Ф., Калуцков В.А. и др. Экоинформатика. - СПб.: Гидрометео-издат, 1992. - 520 с.
2. АрскийЮ.М., Крапивин В.Ф., Потапов И.И. Информационное обеспечение экологических исследований в задачах диагностики окружающей среды // НТИ. - 2000. - 7. - С. 7-11.
3. Бондур В.Г., Крапивин В.Ф., Савиных В.П. Мониторинг и прогнозирование природных катастроф. - М.: Научный мир, 2009. - 691 с.
4. Бурков В.Д., Крапивин В.Ф. Экоинформатика: алгоритмы, методы и технологии. - М.: МГУЛ, 2009. - 430 с.
5. Кондратьев К.Я., Крапивин В.Ф., Лака-са Х., Савиных В.П. Глобализация и устойчивое развитие: экологические аспекты. Введение. - СПб.: Наука, 2006. - 241 с.
6. Кондратьев К.Я., Крапивин В.Ф., Савиных В.П. Перспективы развития цивилизации: многомерный анализ. - М.: Логос, 2003. - 573 с.
36
7. Крапивин В.Ф., Кондратьев К.Я. Глобальные изменения окружающей среды: эко-информатика. - СПб.: Изд-во СПб гос. ун-та, 2002. - 724 с.
8. Крапивин В.Ф., Потапов И.И. Методы экоинформатики. - М.: ВИНИТИ, 2002. - 496 с.
9. Крапивин В.Ф., Потапов И.И., Сол-датов В.Ю. Нанотехнологии и проблемы экологического мониторинга // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. -2010. - № 8. - С. 3-12.
10. Крапивин В.Ф., Свирежев Ю.М., Тарко А.М. Математическое моделирование глобальных биосферных процессов. - М.: Наука, 1982. - 272 с.
11. ЛужковЮ.М. Вода и мир. - М.: Московские учебники и картолитография, 2008. - 176 с.
12. Мазур И.И., Чумаков А.Н. (ред.) Глобалистика. Энциклопедия. - М.: Радуга, 2003. - 1328 с.
13. Марчук Г.И., Алоян А.Е. Динамика и кинетика газовых примесей и аэрозолей в атмосфере и их значение для биосферы // Биосфера. - 2009. - 1(1). - С. 48-57.
14. Моисеев Н.Н., Александров В.В., Тарко А.М. Человек и биосфера. Опыт системного анализа и эксперименты с моделями. - М.: Наука, 1985. - 272 с.
15. Моисеев Н.Н., Крапивин В.Ф., Свирежев Ю.М., Тарко А.М. На пути к построению модели динамических процессов в биосфере // Вестн. АН СССР. - 1979. - 10. - С. 88-104.
16. Пузаченко Ю.Г. Биологическое разнообразие в биосфере - системологический и семантический анализ // Биосфера. - 2009. -1(1). - С. 25-38.
17. Розенберг Г.С. Лики экологии. - Тольятти: Самарский научный центр РАН, 2004. - 224 с.
18. Савиных В.П. Вятка - Байконур - Космос. - М.: МИИГАиК, 2002. - 238 с.
19. Савиных В.П., Крапивин В.Ф., Потапов И.И. Информационные технологии в системах экологического мониторинга. - М.: Геодезкартиздат, 2007. - 388 с.
20. CracknellA.P., Krapivin V.F., Varotsos C.A. Global Climatology and Ecodynamics: Anthropogenic Changes to Planet Earth. -Chichester: Springer/Praxis, 2009. - 518 p.
21. Degermendzhi A.G., Bartsev S.I., Gubanov V.G., Erokhin D.V., Shevirnogov A.P.
Forecast of biosphere dynamics using small-scale models // A.P. Cracknell, V.F. Krapivin, C.A. Varotsos (eds) Global Climatology and Ecodynamics: Anthropogenic Changes to Planet Earth. - Chichester: Springer/Praxis, 2009. - P. 241-300.
22. Degermendzhi A.G. New directions in biophysical ecology // // A.P. Cracknell, V.F. Krapivin, C.A. Varotsos (eds) Global Climatology and Ecodynamics: Anthropogenic Changes to Planet Earth. - Chichester: Springer/Praxis, 2009. - P. 379-396.
23. Kondratyev K.Ya. Multidimensional Global Change. - Chichester: Wiley/PRAXIS, 1998. - 771 p.
24. Kondratyev K.Ya., Ivlev L.S., Krapivin V.F., Varotsos C.A. Atmospheric Aerosol Properties: Formation, Processes and Impacts. - Chichester: Springer/PRAXIS, 2005. - 572 p.
25. Kondratyev K.Ya., Krapivin V.F. Monitoring and prediction of natural disasters // Il Nuovo Cimento. - 2005. - 25C(6). - P. 657-672.
26. Kondratyev K.Ya., Krapivin V.F., Phillips G.W. Global Environmental Change: Modelling and Monitoring. - Heidelberg e.a.: Springer, 2002. - 316 p.
27. Kondratyev K.Ya., Krapivin V.F., Savinykh V.P., Varotsos C.A. Global Ecodynamics: A Multidimensional Analysis. -Chichester: Springer/PRAXIS, 2004. - 658 p.
28. Kondratyev K.Ya., Krapivin V.F., Varotsos C.A. Global Carbon Cycle and Climate Change. - Chichester: Springer/PRAXIS, 2003. - 344 p.
29. Kondratyev K.Ya., Krapivin V.F., Varotsos C.A. Natural Disasters as Components of Ecodynamics. - Chichester: Springer/PRAXIS, 2006. - 625 p.
30. LomborgB. (ed.). Global Crisis, Global Solutions. - Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2004. - 670 p.
31. Nitu C., Krapivin V.F., Bruno A. Intelligent Techniques in Ecology. - Bucharest: Printech, 2000. - 150 p.
32. Nitu C., Krapivin V.F., Bruno A. System Modelling in Ecology. - Bucharest: Printech, 2000. - 260 p.
33. Nitu C., Krapivin V.F., Pruteanu E. Ecoin-formatics: Intelligent Systems in Ecology. - Bucharest: Magic Print, 2004. - 411 p.
37
