Компьютеры и ордер на «экологическую нишу»

Прошло совсем немного лет с тех пор, как В. И. Вернадский выдвинул понятие ноосферы, и вот экологическая проблема рассматривается уже в практической плоскости. Избежать заметного влияния человека на природу, конечно, невозможно, но все ли разумно в «сфере разума»? К сожалению, нет. Подводят традиционная методология принятия решений, отсутствие научно обоснованных прогнозов.

Их результаты налицо. Осушение полесских болот привело к нарушению водного режима Днепра и подтоплению земель в его среднем и нижнем течении. В то же время осушенные площади оказались не столь пригодными для сельского хозяйства, как ожидалось. Житейское представление о болотах, которые вроде бы и не стоят особого внимания, не должно переноситься в хозяйственную политику. Болота — ценнейшие запасники природы. Воспетый К. Г. Паустовским залив Кара-Бугаз перекрыт и давно высох, а соль с его дна разносится ветром на большие расстояния. Между тем уровень Каспия за последние годы заметно повысился

Предлагались еще более грандиозные проекты, например повернуть вспять часть стока северных рек, регулировать течения в Босфорском проливе, перекачивать морскую воду из умеренных широт в полярный бассейн.

А чем может помочь математическое моделирование экологических процессов? В настоящее время созданы довольно сложные и подробные математические модели экологии. Средняя модель включает в себя несколько десятков искомых величин и описывает самые разнообразные явления — от производства фитопланктона и динамики лесного покрова до круговорота воды и циклов углерода, кислорода и азота. Учитываются, разумеется, и основные антропогенные воздействия. Эта работа требует внимания ко всем звеньям триады «модель — алгоритм — программа». Иначе «диалог» между исследователем и ЭВМ будет малоинформативным и медленным.

Пока компьютерные модели научились отвечать на вопросы типа «если… то». Это значит, что задается некоторый сценарий экологической политики и определяются возможные последствия. Обнадеживающий результат. Появляется возможность определять экологические тенденции как результат той или иной хозяйственной деятельности, обозначать опасные ситуации.

Например, «если» изъять 30% стока сибирских рек и направить их в Среднюю Азию, «то» в Европе заметно увеличится число осадков и понизится температура. А «если» забрать 50% стока, «то» изменится, как говорят, «экологическая ниша» и новая растительность появится там, где ее раньше не было и не могло быть. Вправе ли человек отбирать у природы ее исконные привилегии и насколько далеко может простираться это право, покажут дальнейшие исследования.

Мы же подробнее обсудим один частный, но характерный результат экологического вычислительного эксперимента (В. Ф. Крапивин, Ю. М. Свирежев, А. М. Тарко). Пусть имеются два одинаковых по своим начальным условиям, размерам и другим свойствам региона — «альтруист» и «эгоист». «Альтруист» борется, принимает меры для снижения скорости загрязнений к 2000 г. в 2 раза, для уменьшения расходования минеральных ресурсов на 15%, для возрастания продуктивности животноводства на 10% и т. д. А «эгоист» все оставляет по-прежнему… Тогда в целом по планете улучшение окружающей среды будет незначительным и экологический кризис неизбежен. При равных возможностях регионов никакие меры по охране среды только в одном из них не предотвратят катастрофы, а лишь отодвинут ее. «Альтруист» может не опасаться своего соседа и самостоятельно избегнуть кризиса. Но лишь в том случае, если природные ресурсы «эгоиста» (минеральные ископаемые, площадь и др.) находятся в отношении 1:50 к ресурсам «образцового» региона. Серьезный аргумент против национальной и социальной ограниченности, в пользу глобального сотрудничества во взаимосвязанном мире.

Компьютер предупреждает — ядерный конфликт приведет к климатической катастрофе. Это предостережение — тоже аргумент математического моделирования. До недавнего времени в лексиконе специалистов по моделированию климатических процессов не было слов «конфликт», «мегатонна», «атака». Они скрупулезно занимались построением математических моделей климата и разработкой численных методов их решения.

Климатические процессы невероятно сложны. Для их описания требуется учесть массу факторов и связей — солнечную радиацию, вращение Земли, движение атмосферы, энергообмен с океаном… Но дело не в громоздкости моделей. Эти процессы наделены всеми атрибутами нелинейных систем.

Например, атмосфера турбулентна, т. е. ее характеристики совершают пульсации, масштаб которых достигает сотен километров. Вычислители пока умеют аккуратно рассчитывать только простейшие турбулентные течения в трубах. К тому же атмосфера неустойчива, и это также роковым образом сказывается на ее численном моделировании. Задавшись, даже абсолютно точно (что, конечно, невозможно), начальным состоянием, вычислитель через некоторое время получает столь «разболтанную» картину, что ее никак невозможно интерпретировать. И дело не в мощности компьютеров, ограничивающей число расчетных точек, а в принципиальных трудностях описания, которые еще не решены.

Словом, не стоит упрекать тех, кто предсказывает погоду. Точный прогноз на несколько дней — уже успех. Чуть проще дело обстоит с изучением климата, характеризуемого значениями средних величин на достаточно длинном отрезке времени (годы, десятилетия). Влияние на них пульсаций и неустойчивостей осредняется и становится менее существенным.

Первые адекватные и доступные для расчета на ЭВМ модели климата были созданы лет 10-15 назад, и вычислители начали вести с ними «диалог». Например, имея в виду «парниковый эффект», спрашивали: «Как изменится средняя температура атмосферы у подстилающей поверхности, если количество углекислого газа в ней удвоится?». После вычислительного эксперимента получали ответ: «Произойдет глобальное потепление на 1.4°С». Сходные вопросы задавались относительно аэрозолей, отражающих солнечный свет и способствующих охлаждению. Сравнивали модели, уточняли алгоритмы.

Этот опыт позволил дать быстрый и точный ответ на вопрос ученых — сторонников мира: «Каковы будут климатические последствия термоядерного конфликта?» Только ли ударные волны, радиация и излучение являются поражающими факторами? Бомбардировки крупных городов во второй мировой войне во многих случаях приводили к гигантским пожарам. Какова их роль?

Вычислители принялись разыгрывать новые сценарии, например «атаку на города». Это значит, что используется суммарный ядерный боезапас 100 Мт — (1% от общего количества), а в атмосферу после пожаров выбрасывается 100 млн. т дыма. «Задымив» атмосферу в математической модели, ученые провели расчет и сначала не поверили своим глазам. Средняя температура воздуха у подстилающей поверхности через несколько дней уменьшилась на 15° С. А региональные изменения вообще чудовищны.

Результаты, полученные впервые советскими учеными (В. В. Александровым и Г. Л. Стенчиковым), были всесторонне проверены ими самими и их коллегами из других стран. Вывод был однозначным: после конфликта наступит «ядерная зима». Это новое понятие образно описывает климатическую катастрофу. Дым поглощает солнечный свет в верхних слоях атмосферы и даже в наиболее «мягком» случае, когда используется «всего» 1% боезапаса, солнечный поток у поверхности Земли уменьшается в 20 раз. Возникает сверхустойчивая инверсия температуры, длящаяся от нескольких месяцев до года. Температура на высоте горных ледников, наоборот, сильно возрастает, что вызывает наводнения континентального масштаба. Потоки воды, скатываясь на переохлажденные равнины, покрывают их ледяной коркой. Океан из-за своей большой теплоемкости остывает гораздо медленнее, и контраст температур между водой и сушей приводит к невиданной силы ураганам.

Можно привести еще немало устрашающих выводов, но мы подчеркнем лишь одно обстоятельство — катастрофа глобальна. Дым, выделившийся в отдельном регионе, распространяется на всю планету и приносит «ядерную зиму» в любую точку, в том числе и ту, откуда был нанесен удар. Поднявший меч от него и погибнет, даже если не будет ответного удара. Ибо пережить «ядерную зиму» не удастся ни отдельному региону, ни всей Земле в целом.

Этот вывод дал еще один неопровержимый аргумент человечеству против ядерной войны, в том числе против так называемой ограниченной ядерной войны. Понятие «ядерная зима» вошло как предостережение в сознание миллионов людей, в язык политиков и деятелей культуры. Хотя, конечно, не все знают, что это понятие рождено математическим моделированием, которое сделало еще один шаг к насущным проблемам человека.

Компьютеры не вырабатывают энергию и не варят сталь. Они имеют дело с информацией, знаниями. Поэтому они универсальны. В отличие, например, от лазеров или ускорителей, сосредоточенных в руках специалистов, вычислительной техникой к концу нынешнего столетия будут пользоваться большие группы населения развитых стран. Но отсюда и трудности широкого применения ЭВМ, «встраивания» их в нашу жизнь.

Математическое моделирование и вычислительный эксперимент, казалось бы, лишь одна из областей использования ЭВМ. Однако при внимательном взгляде обнаруживается, что триада модель — алгоритм — программа присутствует практически во всех видах деятельности, связанных с информатикой, т. е. с применением вычислительной техники, в том числе в информационных и управляющих системах. Это присутствие может быть как явным, так и завуалированным внешним компьютерным сервисом, но оно всегда есть.

Нельзя всерьез надеяться управлять сложными объектами и явлениями без глубокого проникновения в их сущность с помощью вычислительного эксперимента. Удельный вес этих методов будет постоянно увеличиваться с ростом задач и потребностей, возникающих перед обществом.

Построение моделей, создание алгоритмов и разработка программ остаются в наших руках. Компьютер лишь замыкает созданную человеком цепочку. Применение ЭВМ — своего рода «многоборье», поэтому конечный успех обеспечивают прочные позиции в каждом «виде». Иначе компьютер превращается в дорогостоящую и порой опасную игрушку.

Только во всеоружии знаний, опираясь на весь накопленный духовный и интеллектуальный опыт, человек сможет поставить вычислительную технику себе на службу.


Комментарии запрещены.





Статистика

Рейтинг@Mail.ru