Кибернетика, ноосфера и проблемы мира

Построение и исследование глобальных моделей опирается на взаимосвязь диалектических принципов системности и развития. На предмодельной фазе исследования в концепцию модели вводятся мировоззренческие принципы марксизма-ленинизма; в свою очередь, проведение экспериментов на работающей в диалоговом режиме системе моделей развития глобальных процессов подтверждает и конкретизирует марксистскую теорию мирового исторического процесса. Выявляя количественные характеристики различных сторон этого процесса, система глобального моделирования позволяет обнаружить возможные альтернативы будущего состояния глобальных процессов и помогает при принятии решения выбрать наилучшие для человека, предотвращая при этом осуществление негативных возможностей.

Глобальное моделирование — одно из эффективных направлений системного анализа, использующее данные общественных, естественных и технических наук для выявления наиболее вероятных вариантов конкретной реализации социально-экономических процессов в исторически определенные отрезки времени[10].

Системное моделирование глобальных процессов, опираясь на философско-методологические принципы управления сложными системами, позволяет сформировать целостную картину взаимоотношений научно-технического прогресса с развитием общества.

Говоря об общих чертах системности глобального моделирования, следует указать на его органическую связь с диалектически обоснованными принципами системного подхода. Глобальное моделирование опирается на концепцию междисциплинарной целостности всего процесса изучения глобального объекта, на принцип системной интеграции знания (в глобальных моделях синтезируются данные, добываемые практически всеми современными научными дисциплинами), на материалистическую концепцию единства природы, обосновывающую возможность плодотворного научного синтеза, на идею человека как цели исторического процесса (речь идет о принципиальной привязке всех критериев, принципов и сторон системного подхода и системного моделирования к потребностям и интересам человека как высшей ценности). В этой связи важно отметить ограниченность узкоэкономических подходов к оценке развития мировой системы и к оценке социальных последствий научно-технического прогресса.

Диалектико-материалистическое обоснование системного анализа и системного моделирования глобальных процессов исходит из ряда методологических принципов:

• реализация концепции системности глобального объекта как движение от целого к части, от системы к элементам;

• выделение структурных уровней системы элементов и построение той или иной иерархии;

• движение от изучения свойств к изучению отношений;

• ориентация на функционирующее в диалоговом режиме многомодельное описание сложного глобального объекта;

• определение оптимальных масштабов системы-модели, способной неуклонно повышать меру своей адекватности изучаемому системному объекту;

• учет противоречий, присущих системе, и в первую очередь борьбы и соревнования двух противоположных социально-экономических систем.

Очевидно, что практическая реализация перечисленных принципов лучше всего может быть обеспечена работой многодисциплинарного научного коллектива, в деятельности которого сочетаются фундаментальные и прикладные исследования. В то же время заметим, что все эти принципы ориентируют на системную структуризацию изучаемого объекта.

Если обратиться к анализу тенденций глобального моделирования, то нельзя не отметить нарастание системности в методах построения моделей и в разрабатываемых человеко-машинных диалоговых системах. Так, если на первых подступах к построению глобальных моделей строилась жесткая структура, без механизма обратных связей, то ныне разработаны человеко-машинные диалоговые системы моделирования процессов глобального развития. В нашем понимании построение и анализ человеко-машинных моделей глобального развития — одно из важных направлений развития системных исследований.

Нам думается, что системный характер глобального моделирования наиболее полно выражается, во-первых, в диалектическом характере как предмета, так и метода глобального моделирования, во-вторых, во все более адекватном приближении к системной сложности масштабных природных и социоприродных объектов и, в-третьих, во все более полном учете социальных факторов развития глобальной системы.

Вот на этих трех принципиально важных обстоятельствах мы бы и хотели сосредоточить внимание.

* * *

В проблеме структуризации объекта глобального моделирования проявляются два важных принципа системной методологии: движение от целого к части (выделение элементов) и представление объекта как многоуровневой системы. Важно в то же время иметь в виду, что вся глубокая противоречивость процессов мирового развития не отрицает элементов целостности, присущих глобальной системе, судьбы которой неразрывно связаны с судьбой нашей планеты.

Структуризация объекта глобального моделирования как системы взаимосвязанных элементов со своими специфическими характеристиками следует из предметного рассмотрения самого объекта, а также из перечня проблем, которые необходимо анализировать. Последовательный просмотр элементов объекта с точки зрения исследовательских задач, возникающих в глобальном моделировании, позволяет выделить то необходимое для анализа глобальной проблематики множество подсистем, развитие которых собственно и определяет ход и течение процессов в глобальной системе.

В сложной совокупности этих подсистем ведущая роль принадлежит вопросам обеспечения прочного мира, прекращения гонки вооружений. Ныне — это вопросы жизни или смерти для всей глобальной системы. Здесь, действуют два взаимосвязанных процесса — во-первых, только в условиях мирного сосуществования при гарантированной равноправной безопасности всех стран и народов на нашей планете могут быть успешно разрешены острые современные проблемы сохранения природной среды, обеспечения растущего населения энергией, продовольствием, повышения уровня здоровья населения; во-вторых, значительные материальные средства, которые высвободились бы в результате прекращения гонки вооружений, можно было бы использовать как базу финансирования крупномасштабных мероприятий по экологической перестройке технологии, но наращиванию производства продовольствия, по подъему уровня здоровья населения.

В «Политической декларации государств — участников Варшавского Договора» подчеркивается: «В конце XX века перед человечеством остро встали глобальные проблемы социально-экономического, демографического, экологического характера. Нынешний уровень развития производительных сил, науки и техники в мире обеспечивает необходимые материальные и интеллектуальные ресурсы, чтобы взяться за практическое решение этих грандиозных проблем. Но развитию международного сотрудничества в этих целях препятствуют силы реакции, ведущие линию на консервацию отсталости целых континентов, на разобщение и противопоставление одних государств другим»[11].

Оздоровление международной обстановки — в первую очередь сокращение ядерных вооружений — это и острейшая глобальная проблема, и предпосылка решения всех других глобальных проблем. Нет сейчас более важной задачи, чем отодвинуть нарастающую угрозу ядерной войны, взять под контроль, прекратить гонку ядерных вооружений.

Экономика как элемент глобальной системы лежит в основе всех глобальных процессов и имеет большое количество связей с остальными элементами. Динамику экономической активности населения мира можно охарактеризовать ростом валового мирового продукта. Из подсистемы экономики специально выделяется элемент, связанный с производством продовольствия, которое наряду с обычной для экономических элементов зависимостью от производственных фондов, трудовых ресурсов и научно-технического прогресса еще специфически зависит от площади обрабатываемой земли (лимитирующий фактор) и природно-климатических условий.

Запасы природных ископаемых ресурсов — элемент глобальной системы, определяемый не только физическими объемами, но также их концентрацией и доступностью. От двух последних факторов во многом зависит стоимость добычи и переработки ресурсов, а сама стоимость выступает как критерий экономической целесообразности замещения одного ресурса другим. Поэтому для этого элемента чрезвычайно важен геологический прогноз условий добычи. Другая его важная черта — неравномерность распределения природных ресурсов, в частности энергетических, по регионам мира, из-за чего при регионализации объекта моделирования приходится учитывать не только демографические, экономические, социальные и политические характеристики стран, но и степень обеспеченности природными ресурсами.

С добычей и использованием природных ресурсов во многом связано загрязнение среды обитания — того элемента мировой системы, для которого, по мнению экспертов, ожидаются наиболее серьезные последствия стихийного, неконтролируемого развития. В числе возможных последствий называют «кислотные» дожди, частичное разрушение озонного слоя, повышение концентрации С0₂в атмосфере, разрушение почв, гибель многих биологических видов, превращение в пустыни значительных земельных площадей. Кроме загрязнений, на среду обитания сильное влияние могут оказать изменения климата, индуцируемые антропогенной деятельностью. Необходимо отметить, что именно о динамике этого элемента до последнего времени у экспертов не было единодушного мнения, хотя, по-видимому, большинство их стало считать вероятным общее потепление климата.

Наравне с перечисленными элементами в глобальной системе как объекте моделирования обязательно выделяют такой специфический элемент, как научно-технический прогресс, в силу его чрезвычайно важной роли в процессах мирового развития: он генерирует новые технологии, позволяющие непрерывно повышать эффективность экономики, а также заменять исчерпанные и использовать новые природные ресурсы. В соответствии со многими моделями экономического роста темп экономической активности населения связан с темпом демографического роста и темпом научно-технического прогресса. Последний же обусловливает не только изменение условий жизнедеятельности человека, но и его растущее воздействие на среду обитания даже при стабильной численности населения.

Среднегодовые темпы научно-технического прогресса можно оценить только после принятия ряда гипотез о его природе. Если считать, что научно-технический прогресс индуцирован капитальными вложениями и расходами на научно-исследовательские разработки, то эти темпы поддаются определенной оценке.

Одна из важных глобальных проблем, характеризующая всю глобальную систему, — проблема населения мира, численность которого к 2000 г. по последним прогнозам возрастет до 6,1–6,4 млрд. человек при среднегодовом темпе роста 1,7–1,8 %. Неоднородность демографических процессов в различных странах и регионах мира заставляет рассматривать эти процессы в первую очередь в региональном разрезе. Регион выступает в качестве обязательного элемента рассмотрения глобальной системы в силу исключительного многообразия последней. Необходимость акцентирования внимания на данном элементе диктуется разнородностью экономических и социально-политических процессов в различных регионах земли. Нельзя упускать из виду и заметные различия географических и климатических условий.

Говоря о населении в глобальном аспекте, ни в коем случае нельзя ограничиваться только демографическими характеристиками, т. е. вопросами рождаемости и смертности, половозрастной и семейной структур. Ведь способы удовлетворения духовных и материальных потребностей и сами эти потребности зависят от классовых, идеологических и социально-политических установок, ценностной ориентации, сложившихся норм поведения, эволюционирующих под влиянием развития способа производства. Таким образом, элементом объекта глобального моделирования является население не столько как биологическая популяция, но прежде всего как социально активная, целеполагающая сила. Поэтому специально должна быть выделена в качестве элемента объекта моделирования социально-классовая структура общества. Социальные процессы обусловливают устойчивость социальной структуры общества, трудовую активность населения, его систему ценностей. Социальный портрет общества определяется соотношением классов. Существенны к тому же профессиональные и образовательные структуры населения, структуры занятости и бюджетов времени.

Социальная активность населения (и определяемые ею демографическая, экологическая и другие формы активности) в различной степени регулируется механизмами управления, которые по целям, методам и структуре существенно различаются для стран с социалистической, капиталистической и многоукладной экономикой. Очевидно, что альтернативные сценарии развития, возможные для реализации, различны для противоположных механизмов управления и, следовательно, при рассмотрении глобальных процессов необходимо выделять элемент, характеризующий социальное устройство общества.

Процессы глобального развития во многом — процессы межстрановых и межрегиональных взаимодействий, под которыми подразумеваются не только мировой рынок и внешнеторговые потоки между странами, но и обмен технологиями, миграция трудовых ресурсов, культурный обмен и другие межстрановые процессы. Поэтому в мировой системе должен быть выделен такой элемент, как межрегиональные взаимодействия. Через него осуществляются связи стран и регионов (объединение стран в регионы проводится экспертно или с помощью факторного анализа).

В приведенной здесь структуризации мировой системы указывается минимальное количество элементов. Оно может быть увеличено при более детальном описании объекта, когда перечисленные элементы, в свою очередь, структуризуются и возникает более подробное иерархическое описание. Кроме того, в принципе возможен и выбор других оснований для деления объекта глобального моделирования на элементы.

* * *

Глобальные проблемы представляют собой некоторое противоречие и в то же время целостное системное единство. Этот диалектический характер глобальной проблематики необходимо постоянно учитывать в ходе моделирования, исходя из того факта, что решение одной проблемы может ухудшить возможности разрешения другой глобальной проблемы. Чтобы этого не случилось, необходимо выходить на некоторый оптимум, учитывающий противоречивые тенденции в анализе всех проблем, взятых в виде целостной совокупности.

В части проблематики, допускающей использование количественных показателей, с формальной точки зрения восходящей к наиболее общим принципам системности, требуется тщательный анализ особенностей поведения определенных подсистем, с тем чтобы избежать неоправданного распространения присущих им специфических особенностей на систему в целом. Так, отдельные проблемы могут выражать порожденную системой частной собственности несбалансированность темпов развития отдельных элементов мировой системы, существенную неоднородность мировой системы по ряду показателей, возможность приближения некоторых показателей к «критическим» значениям, за которыми система в целом или крупные ее подсистемы резко меняют структуру. Отметим и различие между двумя типами показателей, описывающих систему. К первому относятся так называемые переменные состояния (фазовые переменные), на которые нельзя повлиять непосредственно. Ко второму типу относятся управляющие воздействия, которые хотя и не могут принимать произвольные значения, так как обычно выбираются в рамках определенных ограничений, однако их можно варьировать в зависимости от имеющихся целей развития системы.

Эта классификация показателей как переменных состояний и управляющих переменных требует различать сценарии развития, построенные в терминах управляющих воздействий (управляющих переменных), и сценарии развития, выраженные в терминах переменных состояний. При наличии теоретического аппарата, устанавливающего взаимосвязи между обоими типами сценариев, возможны две постановки задачи. В первой — из набора альтернативных вариантов задается сценарий в терминах управляющих воздействий и ставится вопрос: каким при данных управляющих воздействиях окажется развитие системы, т. е. каков будет сценарий, выраженный в терминах переменных состояний? Вторая постановка задачи предполагает сначала подготовку сценария развития системы в терминах переменных состояний, после чего необходимо подобрать сценарий, построенный в терминах управляющих воздействий, отвечающий первоначально заданному сценарию развития системы. С технической точки зрения вторая постановка задачи обычно намного сложнее первой, так как в ней приходится решать проблему существования и единственности управляющих воздействий в пределах имеющихся ограничений.

В свете вышесказанного каждая глобальная проблема должна быть не только связана с различными элементами системного объекта моделирования, но и описана с помощью определенного сценарного аппарата. Именно сценарии обычно служат мостом, соединяющим концептуально-теоретические исследования глобальной проблематики с непосредственно модельными исследованиями, ибо позволяют учесть неформализуемые аспекты проблем.

Проблема сохранения мира, разрядки и прекращения гонки вооружений воздействует на такие элементы мировой системы, как население, среда обитания, межрегиональные взаимодействия, экономика. По оценкам экспертов, на военные цели в мирное время тратится значительная часть валового мирового продукта и направляется примерно 40 % всех расходов на научные исследования и разработки[12]. Одним из примеров сценария, связанного с данной проблемой, могла бы стать постановка следующей задачи: как будут развиваться различные элементы глобальной системы, если страны начнут ежегодно сокращать на 3 % объем военных расходов и передавать эти средства развивающимся странам в виде капитальных вложений в производственную сферу.

Увеличение численности населения мира влияет не только на такие элементы мировой системы, как экономика, производство продовольствия и среда обитания, но и на межрегиональные взаимодействия.

Неравномерность демографического роста по регионам мира ведет к быстрому изменению соотношений между численностью населения развитых и развивающихся стран, что создает новую ситуацию в механизме межрегиональных взаимодействий.

Предметом исследования здесь были бы сценарии активной демографической политики, проводимой в странах с самым многочисленным населением, и сценарии международной миграции трудовых ресурсов. Что касается глобальной проблемы обеспечения продовольствием увеличивающегося по численности населения Земли, то следует отметить следующее. Если сравнивать многоплановые оценки темпов роста мирового производства продовольствия и темпов роста населения — производство продольствия на душу в среднем в мире повышается. Однако если рассматривать эту проблему в региональном разрезе с учетом разных возможностей оплаты продовольствия развитыми и развивающимися странами, то возникает проблема увеличения в определенных регионах численности людей, получающих недостаточное питание.

При изучении этой проблемы представляют несомненный интерес сценарии взаимодействия такого элемента глобальной системы, как производство продовольствия, со средой обитания и с возможными изменениями климата планеты.

Проблема разрыва в уровнях экономического развития между развитыми и развивающимися странами, так же как и предыдущая, просматривается лишь при структуризации мира в страновом и региональном разрезе. Более чем 10-кратный разрыв в уровнях развития сказывается не только на межрегиональных взаимодействиях, но также тормозит распространение научно-технического прогресса. Ведь технологии, разрабатываемые в развитых странах, ориентированы на высокую фондовооруженность рабочих мест и высокий профессиональный уровень рабочей силы. Эти технологии не могут найти массового применения в странах с 10 — 15-кратным отставанием по фондовооруженности.

Расходы на научные исследования сконцентрированы сейчас в нескольких высокоразвитых в промышленном отношении странах. Поэтому при исследовании проблемы снижения разрыва в уровнях экономического развития представляют интерес не только сценарии с финансовой помощью со стороны развитых стран менее развитым, но и сценарии специализированной научно-технической помощи, позволяющей повысить темпы научно-технического прогресса в развивающихся странах и соответственно темпы экономического роста в расчете на душу населения.

Проблема изменения характеристик среды обитания в результате антропогенных воздействий сейчас находится скорее в стадии предмодельных разработок и построения моделей, чем модельного анализа. Но именно этот элемент мировой системы, по мнению части экспертов, может претерпеть наиболее серьезные структурные изменения. Здесь в первую очередь представляют интерес сценарии развития, позволяющие удерживать систему в состоянии гомеостаза.

Уже перечисленный далеко не полный перечень элементов системного объекта моделирования и глобальных проблем показывает, что система моделирования процессов мирового развития обладает особой степенью сложности.

Междисциплинарный характер глобальной проблематики, наличие у объекта исследования большого количества взаимосвязанных элементов различного типа с различными целями управления, динамическое поведение и иерархическая структура объекта, принципиальная неопределенность некоторых видов информации о нем, невозможность формализованного описания многих процессов — все эти особенности, взятые в совокупности, приводят к необходимости реализации системного подхода при использовании методов глобального моделирования как нового технического приема познания социально-экономических процессов современности.

* * *

Обострение глобальных проблем тесно связано с противоречивым развитием научно-технического прогресса в современном мире. С одной стороны, наука и техника вносят значительный вклад в преобразование окружающей природы и способствуют удовлетворению материальных потребностей людей. С другой — использование достижений науки и техники нередко ведет к непредвиденным негативным последствиям, угрожающим не только жизни отдельного человека, но и существованию всего живого на Земле. Этот конфликт между негативными и позитивными последствиями научно-технического прогресса оказывается столь углубляющимся во второй половине XX в., что вызывает серьезную озабоченность у широких масс, у политиков и общественных деятелей, у многих ученых, обеспокоенных обострением глобальных проблем и кризисных процессов в современном мире.

В условиях частнособственнического хозяйства конфликт между негативными и позитивными последствиями научно-технического прогресса приобретает угрожающий характер. Не случайно, поэтому именно сейчас на Западе широкое хождение приобрели различного рода концепции и теории, авторы которых пытаются разобраться в истоках возникновения глобальных проблем и кризисных ситуаций, в существе вопросов, связанных с трудностями и противоречиями экономического роста, а также в возможностях и перспективах развития современного буржуазного общества.

Почти во всех работах буржуазных авторов независимо от их апологетического или либерально-критического настроя предпринимаются многочисленные попытки рассмотреть проблемы и противоречия западного мира как глобальные, характерные якобы для всех социально-экономических систем, для человечества в целом. Все это ведет к таким интерпретациям глобальной проблематики, которые характеризуются существенными искажениями в понимании причин возникновения и существа глобальных проблем в современном мире.

В последние годы в связи с нависшей над человечеством ядерной угрозой, обусловленной небывалым наращиванием военной мощи и нагнетанием милитаристского психоза в капиталистических странах, на страницах западных книг, журналов и газет все чаще высказывается мысль о том, что глобальные проблемы современности — это, прежде всего проблемы «выживания».

Известно, что человечество располагает такими средствами массового уничтожения, практическое применение которых в считанные минуты может стереть с лица земли не только отдельные города, но и целые регионы. Более того, в мире накоплен колоссальный ядерный потенциал, использования которого в разрушительных целях вполне достаточно для того, чтобы человек как биологический вид навсегда прекратил свое существование. Поэтому было бы преступлением не осознавать всей пагубности последствий безрассудного отношения к накопленному оружию массового уничтожения. Следует отметить, что во многих работах западных исследователей вся глобальная проблематика неправомерно сводится только к «выживанию» рода человеческого. Однако подлинно научный подход не может ограничиваться лишь умозрительной, бесстрастной трактовкой этих фактов, а призван вооружить людей обоснованной программой практической борьбы за сохранение человеческой цивилизации, за разоружение и неприменение ядерного потенциала в военных целях.

КПСС, опираясь в своей деятельности на научную теорию общественного развития, выступая в авангарде всех прогрессивных сил мира, борющихся за великие идеалы будущей человеческой цивилизации, постоянно выдвигает конкретные мирные предложения, направленные на предотвращение новой войны, рассматривая проблему сохранения мира на Земле как одну из первоочередных, от решения которой зависит будущее человечества.

Такое понимание глобальной проблематики открывает путь к конструктивному решению проблем современного мира в условиях разрядки и международного сотрудничества.

Новейшие направления научно-технического прогресса, связанные с развитием производства микропроцессоров, роботов, со всей силой ставят вопрос о способности капиталистической социально-экономической системы воспринять эти революционизирующие изменения в сфере общественного производства. Как подчеркивали на Международном симпозиуме «Научное прогнозирование и человеческие потребности» (проведенном под эгидой ЮНЕСКО в Тбилиси в декабре 1981 г.) А. Кинг (президент ИФИАС) и американский ученый Р. Эйрес, именно роботизация и микропроцессоры бросают вызов западной цивилизации, подвергая ее проверке на адаптивность к этому революционному технологическому нововведению, создающему угрозу резкого увеличения безработицы в развитых капиталистических странах. Для капиталистического мира грозно звучит предостережение, о том, что дешевый робот будет вытеснять труд людей.

Принципиально иная перспектива применения микропроцессоров, роботов и многих других интенсивно развивающихся новых технических средств в СССР и других социалистических странах. Возможности использования микроэлектроники при социализме поистине огромны. Развивать производство и обеспечить широкое применение автоматических манипуляторов, встроенных систем автоматического управления с использованием микропроцессоров и микро-ЭВМ, создавать автоматизированные цехи и заводы — одна из насущных и важных задач нашего промышленного развития.

Учет благоприятных возможностей, открываемых научно-техническим прогрессом и реализуемых при соответствующих общественных отношениях, весьма существен при системном исследовании путей успешного разрешения глобальных проблем, на что именно и ориентированы все построения глобального моделирования.

КИБЕРНЕТИКА И НООСФЕРА

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОХРАНА ПРИРОДЫ

_{Г. И. МАРЧУК}

Воздух, вода, почва, растения, животные и люди — все, что мы видим вокруг себя, — входит в общий, взаимосвязанный и легкоуязвимый экологический кругооборот. И именно мы, живущие сегодня, ответственны за то, чтобы сохранить грядущим поколениям необходимые жизненные условия. В нашей стране этой проблеме уделяется первостепенное внимание. Впрочем, охрана окружающей среды уже стала поистине международной проблемой, так что в проведении природоохранных и природовосстановительных мероприятий, а также соответствующих научных исследований требуются согласованные усилия всех стран мира.

Самый «чувствительный» компонент природной среды — воздух. Ему принадлежит ведущая роль в жизни человека. В результате хозяйственной деятельности в атмосферу ежегодно поступает около 200 млн. т двуокиси серы, 50 млн. т углеводородов, примерно столько же окиси азота и много других загрязнителей. Масса выбрасываемых веществ в целом составляет незначительную долю от массы атмосферы. Однако большая часть всех загрязнений сосредоточена в промышленных районах, занимающих менее 5 % земной поверхности (Европа, восточная часть Северной Америки, Япония), а также в зонах с наибольшей плотностью населения. Поэтому здесь загрязнения антропогенного характера намного сильнее естественных, что наносит природе значительный ущерб и угрожает здоровью населения.

Но загрязняющие выбросы влияют на окружающую среду не только в промышленных районах. Воздушные течения переносят частицы примесей в самые отдаленные уголки планеты, так что воздействие человека на природную среду все более приобретает глобальный характер. Подтверждением служит обнаруженный впервые в 1957 г. арктический «туман» — облака, состоящие из мельчайших частиц углерода. Весной, когда в арктической атмосфере находится много таких частиц и увеличивается интенсивность солнечной радиации, усиливается так называемый парниковый эффект в атмосфере и температура из-за этого тумана может повышаться в среднем от нескольких десятых до одного градуса, что, в свою очередь, влияет на климат всего земного шара.

Загрязнение атмосферы самым тесным образом связано с развитием энергетики. Прогресс цивилизации немыслим без непрерывного и весьма быстрого роста выработки энергии. Однако с увеличением производства энергии растет и масса сжигаемого топлива. А поскольку все виды топлива содержат серу (уголь — в среднем около 2 %, нефть — 2,5 %, газ — 0,05 %), неуклонно усиливается загрязнение атмосферы двуокисью серы. Около одной пятой всех выбросов двуокиси серы приходится на производство цветных металлов. Двуокись серы в атмосфере вступает в химические реакции и в виде серной или сернистой кислот либо сульфатов переносится на сотни и тысячи километров от источника загрязнения. Выпадая на поверхность земли, соединения серы оказывают пагубное влияние на животный и растительный мир, ускоряют коррозию материалов, разрушают сооружения из мрамора и известняка, закисляют почвы и водоемы. К аналогичным последствиям приводит и загрязнение атмосферы окислами азота.

Перечень примеров нетрудно продолжить, упомянув, например, о тяжелых металлах, способных накапливаться в почве, воде и растениях, передаваться по пищевым цепям, оказывая токсическое воздействие на живые организмы, о влиянии на азотный, хлорный и водородный циклы в атмосфере, запылении атмосферы, загрязнении почвы и водоемов пестицидами и канцерогенами и т. д.

Биосфера обладает значительной устойчивостью по отношению к загрязняющим примесям, основанной на естественной способности различных компонентов природной среды к самоочищению. Вместе с тем способность биосферы «усваивать» без заметного ущерба различного рода примеси небезгранична, так что перед человечеством стоит сложная проблема сохранения чистоты окружающей среды. Изучение этой проблемы в целом требует, прежде всего, интеграции исследований в различных областях науки, порой довольно далеких друг от друга. Это, в частности, биология и география, экономика и медицина, химия и юриспруденция, физика атмосферы и разработка безотходных технологий, математика и космические исследования и т. д.

Комплексность и многогранность проблемы, необратимость «натурных» экологических экспериментов, масштабность народного хозяйства неизбежно ведут к тому, что зачастую единственно возможным способом решения многих конкретных природоохранных задач становится математическое моделирование.

Как же строятся математические модели, используемые для решения таких задач? Чтобы понять это, вспомним хорошо знакомую всем картину — шлейф дыма над трубой тепловой электростанции. Этот шлейф состоит из мелких частичек различных примесей, которые переносятся воздушными потоками на большие расстояния. Отсюда сразу следует, что одним из первых шагов в моделировании процесса переноса примесей должно быть определение таких потоков. Они описываются системой нелинейных дифференциальных уравнений гидротермодинамики атмосферы, выражающих в математической форме известные физические законы сохранения массы, энергии, количества движения системы, а также основные термодинамические соотношения.

Расчет распределений метеорологических параметров на основе уравнений термодинамики — чрезвычайно сложная задача, решение которой немыслимо без привлечения современных методов вычислительной математики и мощных ЭВМ. Сегодня уровень знаний в этой области позволяет прогнозировать изменения распределений различных характеристик, определяющих метеорологические условия в том или ином районе, на сроки порядка недели. Имея в виду практическую значимость борьбы с загрязнениями окружающей среды отходами промышленных предприятий и необходимость оценивать долгосрочные последствия таких загрязнений, в настоящее время следует считать весьма актуальными исследования распространения загрязнений с учетом данных о крупномасштабных атмосферных процессах, влияющих на климат. Выбор такого масштаба позволяет использовать основные характеристики динамики атмосферы за текущий период (скажем, за последние десять лет) и проанализировать воздействие загрязнений на биосферу в предположении, что за последующий (сравнимый по продолжительности) промежуток времени существенных изменений климата не произойдет. Но для этих исследований необходимы специализированные базы данных по климатическим характеристикам атмосферы и соответствующее математическое обеспечение. Этот подход применим только для тех слоев атмосферы, влияние земной поверхности на которые пренебрежимо мало. В нижней же ее части так называемом пограничном слое (толщиной до 2 км), где сосредоточены все антропогенные источники загрязнений, динамический режим атмосферы приходится определять исходя из глобальных климатических характеристик свободной атмосферы с учетом различных метеорологических процессов среднего масштаба. Детерминирующие этот режим процессы, протекающие в планетарном пограничном слое, описываются, как отмечалось, уравнениями гидротермодинамики атмосферы, которые решаются на мощных ЭВМ.

Таким образом, удается разрешить первую проблему, с которой встречаешься, наблюдая за дымовым шлейфом, — определить потоки ветра. Можно заметить, что по мере удаления от источника шлейф постепенно «разбухает», приобретая форму, напоминающую вытянутый конус, расширяющийся в направлении движения, и затем распадается на отдельные образования, увлекаемые на значительные расстояния.

Тут мы сталкиваемся с другой проблемой необычайной сложности — турбулентностью.

В атмосфере постоянно образуются невидимые вихри, имеющие различные пространственные и временные масштабы. Большие вихри с течением времени распадаются на меньшие, те, в свою очередь, на еще более мелкие и т. д., пока энергия самых маленьких вихрей не превратится в тепло. Возможен и обратный процесс образования больших вихрей из малых. Именно эти вихри, взаимодействуя с дымовым шлейфом, «растаскивают» частицы примесей в разные стороны, что и приводит к наблюдаемому увеличению его поперечных размеров. Это явление получило название турбулентной диффузии по аналогии с молекулярной диффузией, где перенос вещества происходит из-за хаотического движения молекул. В турбулентной диффузии роль «молекул» играют случайно возникающие и хаотически движущиеся вихри. Ясно, что чем больше размеры аэрозольного облака, тем с большими вихрями оно может взаимодействовать. Если же вихрь по размерам намного превосходит облако, то примеси распространяются вдоль линий тока этого вихря и диффузии примесей не происходит.

Разработка математических моделей для описания процесса диффузии связана с именами А. Эйнштейна, А. Фоккера, М. Планка. Однако только в середине тридцатых годов А. Н. Колмогоров — один из создателей современной теории турбулентности — построил строгую математическую модель и доказал ее применимость к описанию движения частиц в потоке с хаотически возникающими и перемешивающимися вихрями. В уравнение турбулентной диффузии в качестве известных параметров входят скорость ветра и мощность источника загрязнения. Кроме того, к параметрам модели относятся так называемые коэффициенты турбулентной диффузии, характеризующие взаимодействие облака примеси с турбулентными вихрями. В модели А. Н. Колмогорова значения этих коэффициентов, равные изменениям во времени квадрата дисперсии (среднего арифметического из квадратов отклонения от среднего значения) плотности примеси, находятся в каждой точке по данным о размерах облака и характере пульсаций турбулентных вихрей.

Замкнутая теория для конструктивного определения характеристик турбулентных пульсаций до сих пор не создана, и для вычисления коэффициентов турбулентной диффузии при решении конкретных задач пользуются различными эмпирическими упрощениями.

В задачах о распространении примесей встречаются и другие трудности, которые современная теория пока не в силах полностью устранить. В первую очередь это относится к взаимодействию облака примеси с земной поверхностью.

Но вернемся к рассмотрению движения этого облака, полагая, что ветровые потоки известны и построены алгоритмы и программы для решения уравнения турбулентной диффузии.

До сих пор мы говорили о частицах примеси, не конкретизируя их состава. Задавшись целью узнать его, мы неизбежно придем к вопросу о том, как он изменяется в процессе распространения примесей. Оказывается, что дать исчерпывающий ответ на этот вопрос не легче, чем рассчитать потоки ветра или решить уравнение турбулентной диффузии.

Состав атмосферы весьма сложен. В ней, помимо частиц примеси, в том или ином количестве присутствуют различные соединения, взаимодействующие с этими частицами. Кроме того, в атмосфере есть и соединения, ускоряющие химические реакции, — катализаторы, а также сильные окислители и вода. Наконец, днем атмосферу пронизывают мощные потоки солнечной радиации, оказывающей весомое воздействие на многочисленные химические преобразования, протекающие в атмосфере. Положение усугубляется еще и тем, что в различных местах планеты состав атмосферы неодинаков, так что фотохимические превращения примеси могут происходить с разной скоростью и давать в конечном счете различные соединения.

Таким образом, частицы примеси воздействуют не только с турбулентными вихрями, но и вступают в химические реакции с составными частями атмосферы. Образовавшиеся при этом соединения, в свою очередь, вступают в реакции и т. д. В результате получается цепочка преобразований, в которой часть исходного соединения переходит во второе, второе — в третье и т. д. В такой цепочке возможны и разветвления, когда часть некоторого соединения образует несколько новых соединений, дающих начало другим цепочкам.

Вспомним, однако, что все эти реакции протекают в процессе распространения примеси. Это означает, что для описания такого процесса в целом необходимо к уравнению турбулентной диффузии присоединить столько уравнений аналогичного типа, сколько образуется соединений в химических превращениях. При этом все уравнения новой системы оказываются взаимосвязанными — в каждом из уравнений присутствуют функции, входящие в другие уравнения, причем связь между функциями, как правило, нелинейная. На практике часто приходится рассматривать тот или иной регион, в котором действуют несколько промышленных предприятий, являющихся источником загрязнений. В этом случае количество уравнений в математической модели, описывающей процессы переноса, диффузии и трансформации примеси, соответственно увеличивается и становится равным сумме числа членов всех цепочек химических преобразований, начинающихся с момента выброса веществ промышленными предприятиями.

Модель для описания динамических характеристик атмосферы и отвечающая ей система уравнений гидротермодинамики должны учитывать и обратные связи, т. е. влияние выбросов промышленных предприятий на динамику атмосферы. Пример такого влияния в крупных масштабах — уже упоминавшийся арктический «туман». Воздействие антропогенных выбросов на атмосферные процессы среднего масштаба приводит к образованию «островов» теплого воздуха над крупными городами, где он поднимается вверх, а на его место с окраин устремляется более холодный. Так возникает специфическая «городская циркуляция». Особенно отчетливо она проявляется зимой, когда перепад температуры воздуха между центром города и окраинами значителен. Отсюда, в частности, следует вывод о необходимости строить промышленные предприятия не в пригороде (что не избавляет центр города от проникновения загрязнений), а на достаточном удалении от больших городов.

Обратимся, однако, снова к рассматриваемому облаку примесей. Рано или поздно его частицы вступают во взаимодействие с живой природой. Если модель адекватно отображает процессы, происходящие при распространении облака, можно узнать, какие именно загрязнители и в каком количестве принимают участие в этом взаимодействии. Но тут же встает очередной вопрос — как влияет определенное количество данного загрязнителя на конкретный объект или комплекс объектов биосферы и что будет, если это воздействие окажется длительным?

Математические модели эволюции популяций как элементов единой экологической системы строятся исходя из условия баланса изменений их биомассы, и формулируются обычно также в виде систем нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих взаимодействие популяций и скорость нарастания или убывания их биомассы. В общем случае каждое из уравнений системы включает в себя характеристики всех рассматриваемых популяций. Кроме того, в эти уравнения в качестве параметров входят величины, характеризующие скорость моделируемых процессов. Используются значения параметров из биологических экспериментов, а взаимозависимости характеристик популяций устанавливаются в соответствии с биологическими механизмами развития элементов экосистемы (определить эти параметры и детально описать каждый механизм развития популяции, конечно же, очень и очень не просто).

Воздействие загрязнителей на элементы экологической системы имеет, как правило, «пороговый» характер: если количество примеси меньше допустимой нормы, оно почти не сказывается на эволюции, если же превышает эту норму, то губит популяцию. Это означает, что скорость биологических процессов, а следовательно, и соответствующие им параметры модели, изменяются в зависимости от количества и типа загрязнений, причем она также носит весьма сложный «пороговый» характер.

При попытке оценить последствия загрязнений в общем случае мы снова сталкиваемся с необходимостью учета обратных связей. В самом деле, пусть некоторые из рассматриваемых компонентов экосистемы представляют собой те или иные виды растительности. Тогда вследствие воздействия загрязнений изменятся характеристики растительного покрова и, стало быть, такие важные свойства подстилающей поверхности, как способность отражать солнечное излучение или оказывать сопротивление ветровым потокам. Это, в свою очередь, влияет на взаимодействие примесей с подстилающей поверхностью, динамические характеристики атмосферы, так что, в конечном счете, приходится совместно решать системы уравнений гидродинамики атмосферы, турбулентной диффузии и динамики популяций.

Таким образом, проследив за распространением загрязняющих выбросов от заводской трубы вплоть до их взаимодействия с элементами природной среды, удается в общих чертах обрисовать структуру модели в целом.

Может показаться, что само по себе построение такой модели уже позволяет выработать стратегию оптимального ведения хозяйства с учетом охраны природы. Однако это далеко не так. Действительно, пусть в заданном регионе нужно возвести новое промышленное предприятие, для которого тип и количество выбрасываемых, загрязнений определены заранее. В этом районе уже существуют объекты, особо нуждающиеся в охране от загрязнения (жилые массивы, лесные угодья, парки, зоны отдыха и т. п.). Требуется определить место для строительства предприятия так, чтобы воздействие на эти объекты распространяющихся загрязняющих выбросов было минимальным.

Очевидно, в идейном плане для решения такой задачи наиболее прост подход, при котором предприятие «размещается» по очереди во всех точках региона, а воздействие загрязнений на указанные объекты определяется в каждом случае с помощью рассмотренной модели. Но, как нетрудно убедиться, для этого понадобится произвести столько вычислений, что их не удастся реализовать в разумное время даже на самых мощных ЭВМ. Значит, необходимы новые методы решения оптимизационных задач, ориентированных на охрану окружающей среды. Эти задачи относятся к бурно развивающемуся в последнее время разделу математики — теории оптимального управления.

Задача оптимального управления в общем виде формулируется так: при каких значениях параметров модели достигается максимальный экономический эффект. Определенные из решения этой задачи значения параметров и «закладываются» в план хозяйственных действий, который должен привести к оптимальному результату. Отметим, что для решения каждой такой задачи необходимо задать экономический критерий — совокупность числовых показателей, изменяющихся в зависимости от результатов численного моделирования процессов в окружающей среде. Выбор подобного критерия — нелегкая проблема и требует большой работы по определению констант, связывающих свойства природной среды с производственными показателями.

В общем случае для нахождения оптимальных решений требуется учесть огромное число факторов: экономические затраты на строительство в данном месте, стоимость сооружения и эксплуатации коммуникаций (железных и автомобильных дорог, водопровода, линий связи), перспективы развития региона, расходы на здравоохранение и различные природоохранные мероприятия и т. д.

Наряду с необходимостью научного подхода к планированию строительства новых промышленных объектов для действенной охраны экологически значимых зон требуется выработать четкие требования к выбросам уже действующих предприятий.

В рамках небольшой статьи трудно даже просто перечислить все вопросы, возникающие при решении задач, связанных с охраной природы. Здесь упомянуты лишь немногие из них, образующие своеобразный скелет проблемы в целом и позволяющие составить некоторое представление о ней. Среди других важных научных направлений, имеющих большое самостоятельное значение и оказывающих заметное влияние на методику решения этих задач, следует выделить космическое зондирование пространственной структуры загрязнений, а также построение алгоритмов и разработку ЭВМ, ориентированных на данный класс задач.

Таким образом, математические модели для охраны окружающей среды (и в первую очередь для выработки оптимальных хозяйственных решений) представляет собой большой и сложный комплекс взаимосвязанных программ по различным научным дисциплинам. В некоторых направлениях здесь достигнуты значительные результаты, другие — еще только начинают развиваться. В целом же область науки, которую можно назвать математическим моделированием для охраны окружающей среды, переживает стадию становления. Предстоит много поработать, чтобы отдельные, пока еще разрозненные попытки решения комплексной по своей сути проблемы стали надежным подспорьем в нашей повседневной деятельности.

КИБЕРНЕТИКА, НООСФЕРА И МЕЖДУНАРОДНОЕ СОТРУДНИЧЕСТВО

_{Б. Е. БОЛЬШАКОВ, В. Е. ЧЕРКАСОВ}

Научные исследования, проведенные советскими и американскими учеными в области оценки возможных планетарных последствий ядерного конфликта, убедительно продемонстрировали мировой общественности угрозу ядерного омницида, против которого необходимо объединить усилия всем государствам мира. Только в таком случае откроются благоприятные возможности для решения коллективными усилиями всех государств глобальных проблем человечества.

В результате широкого обсуждения и анализа этих проблем выявлен ряд нерешенных вопросов методологического характера: каков механизм возникновения глобальных проблем? как они связаны между собой? каковы тенденции их развития? какие новые методы нужны для решения этих проблем? какой должна быть стратегия их решения? как повысить эффективность их решения, иными словами, как повысить эффективность международного сотрудничества по глобальным проблемам?

В среде советских и прогрессивных зарубежных ученых сформировалось осознание того, что для решения глобальных проблем необходима целостная и глубоко проработанная концепция глобальной системы как совокупности взаимосвязанных компонентов цивилизации и природы, возникающей и развивающейся в результате деятельности индивидов, социальных и культурных сообществ и всего человечества.

Естественнонаучным основанием этой концепции могут послужить научные представления о ноосфере как о качественно новой глобальной системе, обеспечивающей гармоническое взаимодействие человека — природы — общества в интересах сохранения и развития мира. Такая глобальная система постепенно образуется на нашей планете под воздействием труда и научной мысли всех прогрессивных сил человечества.