Контур положительной обратной связи
advertisement
ЛЕКЦИЯ 1 Наименование дисциплины «УСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА» Лекций-8 час. Практических занятий – 8 час. Магистерская программа «Экология и природопользование» • • • • На фото (Москва, 2004): Осипова Нина Александровна, доцент кафедры геоэкологии и геохимии, к.х.н., лауреат Премии Президента РФ в области образования (2001 г.) Денис Медоуз, один из основателей Римского клуба, автор книг «Пределы роста», «За пределами роста» Премию Н.А.Осипова получила в составе коллектива авторов за работу «Система непрерывного образования в области устойчивого развития: научно-методические основы и реализация в Российской ФЕДЕРАЦИИ» ОСНОВНЫЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ «Наступил момент, когда на человека воздействует …измененная человеком природа. Это – экологическая опасность. Эта опасность тем реальнее, чем выше технико-экономический потенциал и численность человечества» Н.Ф.Реймерс • • • • • “Н.Ф.Реймерс был своего рода образцом служения науке и научной истине, он посвятил ей всю сознательную жизнь до последнего вздоха” • ГЛОБАЛЬНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ АНТРОПОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ • 1.Сокращение площади естественных экосистем со скоростью 0,5 – 1 % в год на суше 2.Изменение климата 3. Увеличение концентрации парниковых газов, ускорение темпов роста для диоксида углерода и метана 4. Нарушение биогеохимических круговоротов, особенно в отношении углерода Истощение озонового слоя, снижение концентрации озона в стратосфере на 1-2 % в год, рост площади озоновых дыр Загрязнение и изменение околоземного космического пространства Повышение уровня и объема Мирового океана (1-2 мм в год, возможно ускорение), убывание оледенения Загрязнение окружающей среды, рост массы и числа загрязнителей («Химические бомбы») Обезлесивание, сокращение площади лесов со скоростью 200 тыс. км кв. в год Опустынивание, расширение площади пустынь со скоростью 60 тыс. км кв. в год Деградация земель, скорость эрозии почв 24 млрд. тонн в год, снижение плодородия, роста загрязнения, засоление, закисление Потеря биоразнообразия, утрата видов Обострение проблемы «чистой воды» Увеличение потребления первичной продукции до 80-85 % Обострение проблемы отходов • • • • • • • • • • • • • • КОНЦЕПЦИЯ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ • Концепция устойчивого развития формировалась в ходе постепенного осознания обществом природоохранных, экономических и социальных проблем, оказывающих влияние на состояние природной среды. Это – конструктивная реакция общества на наблюдаемые и активно освещаемые в научных публикациях и средствах массовой информации процессы деградации природы под усиленным антропогенным давлением. Впервые кислотные дожди были отмечены в Западной Европе, в частности в Скандинавии, и Северной Америке в 1950-х гг. Кислотные дожди атмосферные осадки в виде дождя или снега, содержащие соединения серы. Кислотные дожди поступают в атмосферу в результате выброса отходов металлургической и химической промышленности. В 1982 г. над Великими озерами в США и Канаде зафиксирован показатель рН осадков, равный 2,83. Смог, Лос-Анджелос, (впервые 1940 г.) • 1) Снижение урожайности основных сельскохозяйственных культур (пшеницы, ржи, кукурузы и т.д.),поскольку в закисленных почвах гибнет почвенная биота.. • 2) Гибель лесов. Из-за кислотных дождей деревья теряют иммунитет, заболевают разными болезнями, у них снижается фотосинтез, и они погибают. Сегодня поражена значительная часть лесов Европы, а в США и Канаде масштабы бедствия еще больше. Такие леса выглядят как после пожара: голые стволы и ни одного листочка. • • 3) Гибель закрытых водоемов (озер). От кислотных дождей погибает водная биота. Не остается ни рыб, ни улиток, ни червяков. Происходит это постепенно, и механизм здесь таков: под действием кислоты растворяются алюмосиликатные породы (там, где они есть), а алюминий токсичен. Гибель всей живности ученые наблюдают именно при таком рН, при котором концентрация алюминия в водоеме достигает летальной дозы. • 4) Коррозия и разрушение известковых, каменных зданий, металлических крыш и разных сооружений. • Не может быть большего заблуждения, чем трактовать экологический кризис только как угрозу дикой природе и загрязнение. Экологический кризис есть кризис ума и духа. Кризис касается нас самих, и вопрос состоит в том, что мы должны изменить в себе, чтобы выжить. Линтон К. Колдуэлл Выбросы от сжигания топлива Численность населения в мире и средняя продолжительность жизни История становления концепции устойчивого развития • 1968 г. – 30 ученых из 10 стран собрались, чтобы обсудить настоящие и будущие проблемы человечества. Эта группа вошла в историю как «Римский клуб» • Римский клуб - международная организация, объединяющая около 70-ти представителей мировой политической, финансовой, культурной и научной элиты. С самого начала смыслом работы Клуба было прогнозирование мирового развития на XXI век. Президентом Клуба стал вицепрезидент компании "Оливетти", член административного совета компании "Фиат" Аурелио Печчеи. • 1968 1971 г.г. – компьютерное моделирование , глобальные модели будущего (Дж. Форрестер, Массачусетский технологический институт) • В 1971 году вышла его книга "Мировая динамика", основанная на применении компьютерного метода для анализа сценариев развития планеты. Ее вывод неизбежность наступления катастрофы в результате прогрессирующего роста населения и связанного с этим загрязенения среды ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ: • при существующих темпах роста промышленного потребления, ресурсов, численности населения к 2050 -2100 г.г. человечество ожидает катастрофа: истощение природных ресурсов, сокращение объема промышленного производства на душу населения, резкое падение численности населения, неконтролирумый рост загрязнения природной среды • 1972 г. Д., Д.Медоуз «Пределы роста» • 1972 г. 113 стран, Стокгольм, I Всемирная конференция по окружающей среде и развитию; • 1983 г. – создана Международная комиссия по окружающей среде и развитию • 1987 г. – доклад Международной комиссии по окружающей среде и развитию (Г.Х. Брунтланд) «Наше общее будущее» Ключевые позиции: • народонаселение и ресурсы не могут расти бесконечно на конечной планете; • технологический процесс неизбежен, но необходимы также социальные, экономические и политические изменения; • недостаточно изучена емкость среды, т.е. неизвестно, до какой степени физическая среда Земли и системы жизнеобеспечения смогут удовлетворять нужды и потребности будущего роста населения; • в сложившейся ситуации сотрудничество имеет большую ценность, чем конкуренция УСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ • – (от английского sustainable development)это развитие, при котором достигается удовлетворение жизненных потребностей ныне живущих людей, и для будущих поколений сохраняется возможность удовлетворять свои потребности (Международная комиссия ООН по окружающей среде и развитию, 1987 г.) • 1992 г. – Конференция ООН, г. Риоде-Жанейро «Декларация по окружающей среде и развитию», Повестка дня на XXI век 17 тыс. чел. из 178 государств • 2002 г. – «Саммит Земли», г. Йоханнесбург – подведение итогов прошедшего десятилетия • Принцип 1 определяет центральное место людей в устойчивом развитии • Принцип 2 определяет, что государство является гарантом обеспечения должного качества окружающей природной среды • Принципы 3–5 устанавливает необходимость взаимоувязки целей социальноэкономического развития, включая борьбу с бедностью, с целями сохранения окружающей среды для нынешних и будущих поколений. • В принципах 7–9, 12, 14 подчеркивается важная роль всех государств и их сотрудничества в области охраны окружающей среды, Западная концепция устойчивого развития близка к отечественной концепции рационального природопользования: • В.И.Вернадский «Учение о ноосфере» предтеча концепции устойчивого развития - • Президент Российской Федерации В.В. Путин на Деловом Саммите Азиатско-тихоокеанского экономического сотрудничества во дворце Брунейского султана в ноябре 2000 г. сказал: • « Владимир Вернадский в начале двадцатого века, создал учение об объединяющем человечество пространстве – ноосфере. В нем сочетаются интересы стран и народов, природы, общества, научное знание и государственная политика. Именно на фундаменте этого учения фактически строится сегодня концепция устойчивого развития» В.И. Вернадский отмечал, что человек практически забывает, что он сам и всё человечество неразрывно связаны с биосферой, одной из геосфер планеты Земля, в которой они живут. «Они геологически закономерно её материально энергетической стихийно человек от неё неотделим» связаны с структурой, (В.И.Вернадский, 1988) • В.И. Вернадский прозорливо предупреждал на возможность использования научной мысли, научных открытий «на злое и вредное». • Предостерегал от злоупотребления научными открытиями, В.И. Вернадский всё же не ожидал, что превращение человечества в мощную геологическую среду может обернуться экологическим кризисом цивилизации и что научная мысль, как планетное явление, может оказаться самой разрушительной антибиосферной силой. • 1964 г. «Нам и внукам» Д.Л.Арманд, физико-географ, ландшафтовед, практик охраны природы – своего рода манифест рационального природопользования • 70-ые годы- становление новых направлений исследования взаимодействия природы и общества – медицинская география, экология человека, космическое землеведение, урбоэкология и т.д. • В.А.Коптюг. Информационный обзор по итогам Конференции ООН по окружающей среде и развитию», Новосибирск, 1992 • Моисеев Н.Н. «Биологический рационального Восхождение к сегмент» разуму. концепции природопользования – Н.Ф.Реймерс, В.Е.Соколов, А.В.Яблоков • 1 апреля 1996 г. – подписан Указ Президента РФ №440 «О концепции перехода Российской Федерации к устойчивому развитию» • 1996 – 2004 г.г. – формируется фундамент для развития образования в области устойчивого развития. • 2003 г. – принята «Экологическая доктрина РФ» • «Устойчивое развитие – это такое развитие, при котором воздействия на окружающую среду остаются в пределах хозяйственной емкости биосферы, так что не разрушается природная основа для воспроизводства жизни человека». 1. КОНЦЕПЦИЯ БИОТИЧЕСКОЙ РЕГУЛЯЦИИ ( (по В.Г.Горшкову). Объяснение устойчивости биосферы с использованием методов системного анализа «Системы, поддерживающие жизнь, напоминают гигантскую паутину, в которой отдельные связи могут подвергаться значительным нагрузкам, но при этом сохранять свою целостность. Такая «эластичность» сформировалась в ходе эволюционного процесса, занявшего миллиарды лет». 15 млрд. лет назад зародилась Галактика В геологической шкале масштаб времени плохо воспринимается. Если все 15 миллиардов лет геологической истории Галактики уместить в календаре на 1 год, час в таком году будет равен 1.71 миллиона лет: 15·млрд лет = 365 дней 1.7 млн. лет = 1 час Поскольку Земля возникла 4,6 млрд лет назад, в нашем календаре это соответствует 25 сентября, т.е. через 9 месяцев после зарождения Вселенной Космическая хронология •Большой взрыв 1января 00:00:00 •Образование галактик (2~10) 10 января •Образование Солнечной системы 9 сентября •Образование Земли 14 сентября •Возникновение жизни на Земле 25 сентября •Образование древнейших скал на Земле 2 октября •Появление бактерий и синезеленых водорослей 9 октября •Возникновение фотосинтеза 12 ноября •Первые клетки с ядром 15 декабря ТРАЕКТОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ В МАСШТАБЕ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ШКАЛЫ • В истории Земли имели место бифуркации, когда эволюционные процессы претерпевали значительные изменения в результате внешних воздействий. Однако это происходило на отрезках времени геологической шкалы. • Отклик на внешнее воздействие может быть: малым (адекватным), когда изменения соизмеримы с масштабом воздействия. • Либо возникающие изменения могут быть несоизмеримы с масштабом воздействия . В последнем случае говорят о бифуркациях. БИФУРКАЦИИ • – всевозможные качественные перестройки или метаморфозы различных объектов при изменении параметров, от которых они зависят. Бифуркации происходили в масштабах времени геологическим пластами. • – скачкообразные изменения , возникающие в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий. ПРИМЕРЫ БИФУРКАЦИЙ • 200 миллионов лет прошло, пока синезеленые водоросли произвели бифуркацию. Все это время благодаря наличию буферной емкости у биосферы старая система сопротивлялась. Буферная емкость – способность сопротивляться воздействию. Таким образом, глобальные экологические катастрофы протекали сотни тысяч – миллионы лет в геологическом прошлом. Катастрофы современности характеризуются быстрым (на протяжении жизни одного поколения), непредсказуемым характером. • Развитие биосферы – динамический процесс, цепь бифуркаций с непредсказуемыми исходами. Для описания таких больших систем стал применяться системный анализ. • Серьезные глобальные проблемы и их последствия – многочисленные бедствия, катастрофы, чрезвычайные ситуации – говорят о том, что предшествующая траектория развития стала неустойчивой, и человечество находится в точке бифуркации. • Устойчивость системы – способность сохранять движение по намеченной траектории, несмотря на воздействующие на нее возмущения. Развитие биосферы характеризуется крайней неустойчивостью. Как удерживаются параметры биосферы в пределах, позволяющих сохраняться живому веществу? Системный анализ для исследования сложных систем «Чтобы обеспечить безопасность, надо внимательно следить за изменением системных свойств нашего мира» Системный анализ позволяет достичь понимания степени целостности природы и взаимосвязанности разнообразных и внешне независимых процессов • МЕТОД СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА состоит в целостном восприятии объекта исследования и всестороннем анализе связей между отдельными элементами в рамках широкого целого. • Системные свойства связаны с тем, что у сложной системы, у целого, могут появиться качества, которыми не обладают части. В нынешнем, быстро развивающемся мире создаются и уничтожаются сотни и тысячи новых причинно-следственных связей. • Длинная цепь таких связей может привести к тому, что объект начинает вести себя парадоксальным образом. • Кибернетика ввела принципиально важное понятие обратной связи и показала, что мы живем в мире систем. При этом принципиальными становятся взаимодействия, механизмы, взаимосвязи, благодаря которым у целого как у совокупности элементов появляются свойства, которыми отдельные элементы не обладают. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА • Метод системного анализа применим для описания больших открытых систем, находящихся во взаимодействии с внешней средой, таких как биосфера, регион, предприятие. Динамика биосферы зависит от взаимодействия экономических, технических, политических, социальных факторов. В последние годы метод системного анализа стал применяться для решения таких проблем окружающей среды и общества, как загрязнение окружающей среды, экономический анализ региона, функционирование предприятий, и др. Исследование развития больших систем основывается на анализе и прогнозировании характеристик системы на определенный момент. УПРОЩЕННАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ • Всякая большая система обладает структурой - организацией связей и отношений между элементами этой системы, составом этих элементов, наделенных определенными функциями. • Систему отделяет от окружения заметная граница • Воздействия, идущие от окружения, определяются как «вход». • Воздействие системы на окружение, определяется как «выход». • Между входами и выходами системы происходит определенное взаимодействие. • Система в совокупности с сигналами на входе и выходе образует контур. • Характер воздействия на входах модифицируется посредством ОБРАТНОЙ СВЯЗИ через воздействие на выходах. • I. Системы с обратными связями. • Система – взаимосвязанная совокупность элементов, нечто большее, чем сумма ее составляющих. • Контур обратной связи – замкнутая цепь причинных связей. • Контур положительной обратной связи – цепь причинно-следственных связей, в которой увеличение любого из элементов контура вызывает последовательность изменений, которая еще больше увеличивает исходный элемент (саморазгоняющаяся обратная связь) Положительная связь • Связь между событиями покажем простой стрелкой . Простейший случай – два события (причина следствие), что отражается следующей записью АВ. Знак «плюс» около конца стрелки указывает, что увеличение (или уменьшение) одного параметры системы вызывает увеличение (или уменьшение) другого параметра . ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ СВЯЗЬ • Знак «минус» около конца стрелки указывает, что увеличение (или уменьшение) одного параметра вызывает изменение другого параметра в противоположном направлении ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ • Как правило, между двумя и более событиями возникает не только прямая, но и обратная связь. Тогда говорят, что два или группа событий образуют контур обратной связи. • Понятие ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ (feed back) является центральным понятием системного анализа– обратное воздействие результатов управления системой на процесс этого управления. Контур положительной обратной связи • Контур положительной обратной связи генерирует все ускоряющийся рост. • Система с положительной обратной связью неустойчива. • ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ – не значит благоприятная. Она может быть как добродетельной (рост числа дрожжевых клеток в тесте, накопление денег на счете в банке), так и порочной (массовое появление сельско-хозяйственных вредителей в почве, размножение вируса гриппа, рост числа боеголовок). • • Это зависит от того, желателен ли рост. Как видно из приведенных примеров, он желателен при одних обстоятельствах и нежелателен при других. Примеры обратной связи легко найти в природе, обществе, экономике, политике, и т.д. Контур отрицательной обратной связи • Контур отрицательной обратной связи стремится ограничить рост, не позволяет системе выйти за допустимые пределы или возвращает ее в устойчивое состояние • ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ в контуре показывает, что внешнее возмущение не выводит ее из состояний установившегося квазиравновесия. Система с отрицательной обратной связью устойчива. • Классический пример отрицательной обратной связи в природе – явление гомеостаза • Гомеостаз – устойчивое состояние равновесия открытой системы, относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды, устойчивость основных физиологических функций организма Урожайность “+” Внесение удобрений Разрушение ППК “+” Рис. 2а. Положительная обратная связь. Истощение прородно-почвенного комплекса при внесении удобрений “-” Численность “-” Стойкость Смертность “-” Плодовитость “-” Рис. 2б. Гомеостаз - пример устойчивой отрицательной связи в ненарушенных экосистемах (естественная саморегуляция численности) • В реальной сложной системе можно выделить несколько последовательно и параллельно связанных между собой контуров положительной и отрицательной обратной связи. • ПРИМЕР1. Какой тип обратной связи существует между нищетой и численностью населения в слаборазвитых странах? • «У богатых прибавляются деньги, а у бедных - дети»(старая поговорка) • Рост численности населения замедляет рост промышленного капитала вследствие возрастающих расходов на содержание школ, больниц, добычу ресурсов и удовлетворение жизненно важных потребностей населения, уменьшая тем самым инвестиции в промышленность. • Нищета способствует непрерывному росту численности населения, так как сохраняются условия для низкого уровня образования, здравоохранения, отсутствия планирования семьи и свободы выбора. • Единственный путь выхода из нищеты в этих странах видят в создании больших семей, надеясь, что дети помогут родителям своим заработком или трудом. • ПРИМЕР 2. Какой тип обратной связи реализуется в системе, элементами которой являются травяной покров и травоядные животные • Во всем мире пространства, покрытые травянистой растительностью, служат местами обитания травоядных животных: оленей, бизонов, антилоп, кенгуру. Когда трава съедается, оставшиеся стебли и корни забирают из почвы больше воды и питательных веществ, и трава разрастается еще больше.. • Численность травоядных животных регулируется хищниками и сезонными миграциями • При этом экосистема не разрушается. Но если хищники отсутствуют, или если миграции не происходит, или если данное пастбище перегружено, то разрастающаяся популяция травоядных животных может съесть траву до самых корней. “+” антропогенный выброс CO 2 Атмосферный CO 2 Океанический CO 2 “-” “+” антропогенный выброс CO 2 Атмосферный CO 2 CO 2 В разрушенной биоте “+” Снижение массы биоты Рис. 3. Нарушение предела устойчивости биосферы смена устойчивых “-” связей на неустойчивые “+” связи Объяснение устойчивости биосферы с позиций системного анализа • Устойчивость системы – способность сохранять движение по намеченной траектории, несмотря на воздействующие на нее возмущения. Развитие биосферы характеризуется крайней неустойчивостью. Как удерживаются параметры биосферы в пределах, позволяющих сохраняться живому веществу? Хозяйственная емкость биосферы • - предельно допустимое антропогенное воздействие на биосферу, превышение которого переводит ее в возмущенное состояние и со временем должно вызвать в ней необратимые деградационные процессы. Чистая первичная продукция (продукция растений суши или потребляемый поток поступающей энергии, используя все известные источники ее получения и технологии производства, в соответствии с распределением потоков энергии по размерам консументов, в ненарушенной биоте распределяется следующим образом: 90 % потребляется микроорганизмами, бактериями и грибами, 9 % насекомыми, 1 % - крупными животными, в том числе человеком. УСТОЙЧИВОСТЬ БИОСФЕРЫ • Биота компенсирует возмущение окружающей среды, обеспечивает регуляцию и стабилизацию. 1 % ЧПП (чистой первичной продукции биоты) расходуется крупными животными и человеком. Нарушение устойчивости биосферы Человек потребляет до 40 % ЧПП, чем превысил хозяйственную емкость биосферы. УСТОЙЧИВОСТЬ БИОСФЕРЫ Все виды биоты сохраняют генетическое постоянство и устойчивость в течение геологических периодов времени. Глобальные переходы из одного состояния устойчивости в другое очень длительны Нарушение устойчивости биосферы При быстрых антропогенных возмущениях окружающей среды скорости разрушения естественных экосистем и исчезновение видов превышает на порядок когда-либо наблюдавшиеся на Земле. УСТОЙЧИВОСТЬ БИОСФЕРЫ • Невозмущенная биота поглощает избыток углекислого газа в атмосфере от антропогенных источников Нарушение устойчивости биосферы Биота суши утратила эту возможность, поступление углекислого газа из разрушенной биоты суши пропорционально индустриальным выбросам • Таким образом, биосфера с включенной в нее цивилизацией находится в зоне перехода от превышения порога возмущения до катастрофического порога разрушения. При этом процесс развивается в сторону состояния катастрофы, когда в результате скачкообразного изменения структуры и функций и включения положительных обратных связей происходит разрушение биоты и окружающей среды и становится невозможным возвращение к устойчивому состоянию биоты и окружающей среды.
