Компьютерные модели.
2.1. Суть, объект и метод исследования. Объект исследования представляет собой глобальную мировую систему, состоящую из «Среды обитания» (природы) и разумной деятельности в ней человека.
Биосфера - земное пространство, в котором существует или принципиально может существовать жизнь. Верхняя граница - озонный слой - 20 км над поверхностью, нижняя - 3-3,5 км в глубине (стр. 9), эта граница определяется температурой Т<10000C (Вернадский В.И.).
Ноосфера - биосфера и разумная деятельность человека.
2.2. Компьютерная модель - единственная возможность научного исследования и прогноза поведения. глобальных мировых систем. Метод исследования – компьютерное моделирование, главным образом определяется невозможностью применения эмпирических методов: опыт, эксперимент. Чтобы изучить свойства биосферы, и прежде всего, ее возможные отклики на самые различные воздействия со стороны “хозяйничающего” человека, необходимо было бы проведение множества экспериментов (сложность системы - многообразие ее связей). Что не только баснословно дорого, но и принципиально невозможно, из-за непредсказуемости последствий. Социальные системы принадлежат к классу сложных нелинейных систем со многими цепями обратной связи. В таких системах причина и следствие «тесно» (функционально) не связаны ни во времени, ни в пространстве. Причины какого-либо наблюдаемого симптома могут лежать в очень отдаленном секторе социальной системы. И более того, иногда воздействие на социальную систему может, когда-то и где-то, дать прямо противоположный результат - тезис контриктуитивности ? поведения сложных систем.
Остается только один метод изучения биосферы - математическое моделирование. Математическая модель является единственным средством получения информации о возможном состоянии биосферы после воздействий на нее человека. Математическая модель биосферы имеет «сумасшедшую» размеренность из-за огромного числа входящих в нее подсистем, причем все подсистемы находятся в динамическом взаимодействии друг с другом. Изучение таких систем стало возможным только с появлением мощных вычислительных машин - компьютерные модели.
Главная особенность сложных социальных систем - наличие «петель обратных связей». Петля обратной связи - это замкнутая цепочка взаимодействий, которая связывает исходное действие с его результатом, изменяющим характеристики окружающих условий, которые, в свою очередь, являются «информацией», вызывающей дальнейшее изменение.
Сложные системы имеют два типа особых переменных - уровни и темпы.
Уровни - это накопители системы. Темпы - это потоки, вызывающие изменение уровней. Например, банковский баланс - это системный уровень. Темп - денежные потоки « в » и « из ». Население - уровень мировой системы, темпы - потоки рождаемости и смертности.
В 1968 году ООН образована независимая, неофициальная организация Римский клуб. Цель проведения исследований по проблеме «Проект затруднений человечества». Инициатор создания Аурешо Печчен, руководитель фирмы «Италконсульт». Руководили работами Джей Форрестер, затем Деннис Медоуз. 1972 год - доклад «Пределы роста», МИР-1, МИР-2, МИР-3 - название созданных моделей. Описание моделей в соответствующей литературе. 1974 год - «Человечество на перепутье» М. Несорович и Э.Пестель (США, ФРГ). 1980 год “Пределы роста”, 1995 – “За прделами роста “
В модели учитывались пять подсистем:
ü население;
ü сельскохозяйственное производство;
ü естественные ресурсы;
ü промышленное производство;
ü окружающая среда.
(Нет военного сектора, гражданских беспорядков, коррупции, стихий и других пессимистических подсистем, существующих в биосфере).
В компьютер были введены все имеющиеся данные об этих системах, их взаимосвязях и взаимодействии. Проведено множество экспериментов с разными допущениями и вариациями.
2.3. Тестирование и адекватность модели.
Тестирование модели осуществлялось вводом в систему исходных данных статистической отчетности за 1900 год и сравнением полученных на модели результатов для 1970 года с фактической отчетностью за этот год. Результаты тестирования моделей удовлетворяли всем предложенным критериям.
3. Глобальные прогнозы модели Мир-3.
Проведем краткий анализ событий, предсказываемый группой профессора Д. Медоуза с помощью компьютерной модели МИР-3 («За пределами роста», 1994).
Что же произойдет по реалистичному варианту? В 1990 г. производство промышленной продукции на душу населения 260 долларов в год (в среднем). Объем производства продуктов питания с 2015 г. начнет падать ( на душу падает уже сейчас, а с 2015 г. возрасте срорость падения).
К 2020 г. невозобновимых ресурсов останется только на 30 лет, а население вырастет в 1,5 раза. За первые 20 лет следующего века человечество использует невозобновимых ресурсов, сколько глобальная экономика за все предыдущее столетие.
Поскольку и продовольствие, и ресурсы становятся все недоступнее, капитал все сильнее отвлекается на их производство и добычу, и не6т средств на решение других проблем. В конце концов численность населения тоже начинает снижаться из-за уменьшения продуктов питания и услуг здравоохранения. Это приводит к коллапсу.
Отметим, что так будет необязательно, так будет, если сегодняшние тенденции не изменятся.
Поищем какие-нибудь спасительные идеи. Компьютерная модель позволяет проверить их очень много.
Есть ли какие-либо важные факторы, которые не учитывает модель МИР-3 и которые могут влиять на сроки наступления коллапса? Есть. В модели МИР-3 нет военного сектора, выкачивающего капитал и ресурсы из производственного сектора. Здесь отсутствуют войны, разрушающие капитал и земельные ресурсы или производящие загрязнения. Нет в ней гражданских беспорядков, забастовок, коррупции, наводнений, землетрясений, извержения вулканов, Чернобылей, эпидемий СПИДа и т.д. Поэтому модель чересчур оптимистична. Ее прогнозы могут отражать наиболее благоприятные пути развития реального мира.
Итак, мы выяснили, что главной причиной выхода за пределы является рост населения. Логично проанализировать возможность выхода из кризиса с помощью преднамеренного ограничения роста населения. Разумеется, Медоуз не упустил возможности такого анализа. Предполагается, что весь мир осознает важность ограничения роста населения и размер семьи будет добровольно ограничен 2-мя детьми, в результате темп роста населения снижается, но вследствие инерции, обусловленной возрастной структурой населения наступит тот же коллапс. Основные причины - рост промышленного производства и загрязнение среды (Объем производства растет быстрее, потому что больше свободного капитала, который можно направить на эти цели, ну а росту производства сопутствует рост загрязнения, что приводит к снижению урожайности.)
Просмотрим еще один вариант.
Например:
1. Принимается решение снизить загрязнение до уровня 1975 г. систематически вкладывать средства на эти цели.
2. Предполагается, что любая новая технология, ведущая к уменьшению загрязнения окружающей среды, разрабатывается и внедряется в течении всего лишь 20 лет.
3. Принимается решение увеличить производство сельскохозяйственной продукции до уровней, превышающих те, которые обеспечиваются уже известными технологиями (т.е. используются всяческие открытия).
На это также выделяются средства.
И так далее. Имеется ввиду, что все самые современные технологии и в промышленности, и в сельском хозяйстве внедряются по всему миру.
Коллапса нет.
Нормальными условиями жизни обеспечивается население Земли 7,7 млрд человек.
Вывод; после изучения моделей мирового развития: «Учитывая всю совокупность, ограничивающих факторов и имеющиеся тенденции развития мировой системы заключаем «В предложении отсутствия крупных изменений в существующей системе рост населения и промышленности обязательна прекратится не позже следующего столетия». (рис.9 стр. 54; рис.10 стр. 56; рис. 11,12 стр. 58,59).
4. Физика о принципиальной возможности выхода из кризиса.
Рассмотрим вопрос о допустимых антропогенных нагрузках на биосферу. Из теории сложных динамических систем, примером которой, несомненно, является биосфера, следует, что когда нагрузки на систему начинают превосходить некоторый предел (а он неизвестен для биосферы), то состояние системы теряет устойчивость, и система как бы выходит на пересечение нескольких началов эволюционного развития. Это означает, что становятся допустимыми множество новых состояний (карандаш поставленный вертикально, причем aстремится к нулю). Такие точки ветвления состояний сложной системы с потерей однозначности траектории развития называются точками бифуркации. Какой из «возможных каналов» эволюции выберет системы, по какой траектории пойдет ее развитие после точки бифуркации предсказать заранее нельзя по принципиальным соображениям. Выбор траектории развития системы зависит от большого числа случайных факторов, причем, что самое важное, малой амплитуды (теория катастроф). Таким образом, если сложная нелинейная система, какой является биосфера, теряет стабильность, то начинается ее необратимый переход в некое новое, квазистабильное состояние. Какое оно мы не знаем, и более чем, вероятно, что в этом новом состоянии параметры биосферы окажутся совсем неприемлемыми для жизни человека, например: Земля, может перейти в равновесное состояние вещества существующего на Марсе или Венере. «Чем не конец света?».
Но самое страшное, что подобный переход вызванный потерей равновесия, происходит со скоростью, возрастающей по экспоненте. Это означает, что когда катастрофа станет видна всем скептикам, то никакие наши действия уже не смогут ничего изменить.
Итак проблема стабильности биосферы - это проблема проблем, или глобальная проблема современности, имеющая всеобъемлющий международных характер.
Но и в точках бифуркации действуют законы природы. Наиболее общие из них и изучает физика. Может ли физика что-нибудь сказать о глубинной сущности идущих сейчас кризисных процессах, или даже не столько о сути процессов, а больше о направлении выхода из них. Видимо может и указывает направление выхода второе начало термодинамики, а точнее нелинейная термодинамика неравновесных процессов, иначе синергетика.
Термодинамика (термо - тепло + динамика - изменение) - первоначально возникла как наука о закономерностях превращения тепла в работу при помощи тепловых машин.
p, V, Т - макропараметры термодинамической системы.
Система находится в термодинамическом равновесии, если макропараметры, определяющие ее состояние остаются постоянными.
Процесс, состоящий из непрерывной последовательности равновесных состояний, называется равновесным или квазистатическим.
Равновесный процесс обратим.
Функцией состояния системы называется такая функция, которая независимо от предыстории системы в данном состоянии имеет присущее этому состоянию значение.
I - Начало термодинамики.
Количество тепла сообщенное системе, идет на приращение внутренней энергии системы и на совершение системой работы над внешними телами.
Невозможен вечный двигатель первого рода, т.е. двигатель, производящий работу из ничего.
Теорема Карно.
Любая тепловая машина, работающая при данных температурах, нагревателя Т1 и холодильника Т2, не может изменить КПД больше, чем машина работающая по обратимому циклу Карно при тех же температурах холодильника и нагревателя, причем КПД машин не зависит от рода рабочего тела, а зависит только от температуры холодильника Т2 и нагревателя Т1.
II - начало Термодинамики.
ð Невозможен вечный двигатель второго рода, т.е. двигатель с КПД=100%.
ð Иначе, невозможно превратить все подводимое к рабочему телу тепло в работу, часть тепла необходимо передается холодильнику.
ð Энтропия изолированной системы не может убывать.
Энтропия изолированной системы является функцией состояния этой системы.
Изолированными называются системы, которые не обмениваются с внешней средой ни энергией, ни веществом.
Если в изолированной системе протекает обратимый процесс, то его энтропия равна нулю, если необратимый, то энтропия возрастает.
Процесс с ростом энтропии характеризует переход системы из менее вероятного состояния в более вероятное. А более вероятное состояние характеризуется большим беспорядком. Энтропия является мерой беспорядка системы. В состоянии равновесия беспорядок системы максимальный.
Биосфера является не замкнутой, а открытой системой. За счет потока солнечной энергии энтропия биосферы может понижаться. Биосфера на протяжении многих миллионов лет упорядочивалась, повышалась ее организованность. Благодаря фотосинтезу накапливалось органическое топливо, оно скапливалось в определенных местах, аналогично скапливались полезные ископаемые, и совсем уж “целесообразно”, благоларя естественному отбору и изменчивости видов, складывалась гармония в живой природе т.е. биосфера упорядочивалась и энтропия ее уменьшалась.
Долгое время природа, как бы, подготавливалась к разумной жизни человека. Только Человек выступил в биосфере как активный катализатор механизма бурного роста ее энтропии. Копились запасы отрицательной энтропии (органического ископаемого топлива) миллионы лет, а сжигаются весьма стремительно. В результате энтропия биосферы стала возрастать, что ведет к глобальному мировому кризису.
Примеры процессов ведущих к возрастанию энтропии биосферы, т.е. к росту раз упорядочивания системы и приближения ее к хаосу.
ü распыление полезных ископаемых по всей биосфере: например за год в нашей стране 250–260 млн.т. железа рассеивается вследствие трения, коррозии, обработки.
ü сокращаются площади пахотных (продуктивных) и просто участвующих в фотосинтезе земель (урбанизация, опустынивание, эрозия.) 1975–2000 год площадь пахотных земель сократится на 300 млн. га.
ü сокращение в атмосфере земли кислорода и увеличение содержания углекислого газа. Ежегодно из атмосферы изымается 32 млрд. т. кислорода (стр. 43).
ü
4. Физика о принципиальной возможности выхода из кризиса.
На принципиальную возможность выхода из создавшейся и усугубляющейся критической ситуации указывает второй закон термодинамики. Необходимо сначала остановить, катализируемый человеком, рост энтропии биосферы, а затем возвратить ее в состояние с постоянным уменьшением энтропии.
Ориентиром здесь служит поток энергии от Солнца на Землю. Так как поток солнечной энергии упорядочивает биосферу, направлен на понижение ее энтропии, то если встречный поток используемой человечеством энергии (количество энергии получаемой от сжигания органического топлива) не будет повышать первый, то энтропия биосферы будет уменьшаться. Лучше было бы не трогать органическое топливо, а использовать только возобновляемые источники на основе солнечной энергии. Это возможно на основе энергосберегающих технологий. В настоящее время технического прогресса и на ближайшую перспективу полностью отказаться от использования запасенных га Земле органических топливных ресурсов человечество не в состоянии. Плюс «разумное» поведение разумных существ биосферы. Превращение биосферы в ноосферу (сферу разума В.И. Вернадского).
Например, (замена ламп накаливания флюоресцентными, позволяет сократить потребляемую энергию в 4 раза, замена стекол во всех окнах США на специальные с малой теплоотдачей (уже существующих у них) позволит уже сейчас съэкономить энергии в 2 раза больше, чем ее производится сейчас за счет всей нефти Аляски (а у нас - ?! А тройное остекление, а пластиковые окна, да даже оклеивание окон!) или пример технического прогресса: в 1970 году капитальные затраты на производство 1 Вт фотоэлектричества составили 150 долларов, то в 1990 году - 4,5 доллара. Результаты исследования, проводимые для Министерства энергетики США, показывают, что в ближайшие 40 лет США могут получать 57-70% потребляемой в настоящее время энергии за счет солнца, ветра, воды, геотермальных источников и биомассы (все это, в конечном счете, от Солнца). Поскольку уже сейчас, по меньшей мере, половина всей производимой на сегодняшний день энергии в этой стране, не может быть сэкономлена путем повышения эффективности ее использования, то вполне вероятно будущее, в котором всю энергию будут обеспечивать возобновляемые источники.
Итак, принципиальные возможности выхода из глобального кризиса имеются, но они требуют коллективных целенаправленных усилий всех стран. Поэтому, в настоящее время особую остроту приобретает вопрос о допустимом пределе роста мировой системы, те сколько времени у нас еще осталось для раздумий, устранения разногласий объединения своих усилий и возможностей.
Считается, что биосфера может компенсировать возмущения, производимые человеком, если доля потребления человеком не превышает 1% продукции биосферы. Однако (Лосев К.С. «Проблемы экологии России») современная доля антропогенного потребления продукции биосферы на порядок больше допустимого 1%. Анализ новейших данных и тенденций с помощью мощнейших компьютерных моделей приводит к выводу, что окружающая Среда не может выстоять, общество вышло за пределы. Если никакой коррекции не будет сделано, то «коллапс в той или иной форме не только возможен, но и неизбежен и может наступить еще при жизни сегодняшнего поколения». Д.Медоуз «Пределы роста» 1994г.).
Несмотря на осознание и понимание надвигающегося коллапса тенденции мирового развития не меняются:
ü сокращается объем производства пищевых продуктов на душу населения, прирост населения опережает. Сейчас голодает около 1 млрд. человек, или примерно каждый седьмой.
ü ежегодно вырубается 17 млн. га. тропических лесов, если даже предположить, что объемы вырубки не возрастут, то все леса исчезнут через 47 лет.
ü стремительно исчезают не возобновляемые ресурсы. По прогнозу 1998 года нефти хватит на 41 год, газа на 60 лет, угля на 326 лет.
ü весьма близким глобальным пределом является тепловое загрязнение – «парниковый эффект»;
ü состояние зеленой атмосферы продолжает ухудшаться по экспоненте;
Анализ различных сценариев развития мира на модели МИР-7.
Благоприятный сценарий:
1). 100% контроль рождаемости - 2 ребенка;
2). Промышленное производство ограничено 350 долларов на душу населения;
3). Загрязнение снизить до уровня 1975 года;
4). Самые современные технологии.