Презентация на тему «Техногенные системы и экологический риск»

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

Концепция устойчивого развития

КОНЦЕПЦИЯ БИОТИЧЕСКОЙ РЕГУЛЯЦИИ (по В.Г.Горшкову)

Концепция национальной безопасности

Концепция экологического риска

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 Образование галактик (2~10) Образование Солнечной системы Образование Земли Возникновение жизни на Земле Образование древнейших скал на Земле Появление бактерий и сине-зеленых водорослей Возникновение фотосинтеза Первые клетки с ядром

1января 00:00:00

10 января

9 сентября

14 сентября

25 сентября

2 октября

9 октября

12 ноября

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 сине-зеленые 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 А?В. 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

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.

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.