3. Концепция приемлемого риска
advertisement
Кафедра геоэкологии и геохимии Курс «Техногенные системы и экологический риск» Лекция 3 КОНЦЕПЦИЯ ПРИЕМЛЕМОГО РИСКА ОСИПОВА Н.А., доцент кафедры ГЭГХ ПРОБЛЕМА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЧЕЛОВЕКА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В СОВРЕМЕННЫХ КОНЦЕПЦИЯХ «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 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» МЕТОД СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА • 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. 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. 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, то есть состояний системы. 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 будет 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.
