Біосфера як наука

Реферат на тему:

Екологія та управління якістю навколишнього середовища


26 вересня 1991 року у безлюдному районі американського штату Арізона, недалеко від містечка Оракл вісім дослідників (чотири чоловіки та чотири жінки) увійшли в герметичне приміщення, схоже на величезну оранжерею, площею 2,5 га, де вони повинні були провести 2 роки у повній ізоляції від навколишнього середовища. Так почався експеримент, діставший назву "Біосфера – 2" (назву "Біосфера – 1" автори проекту далі нашій планеті. 

Протягом семи років тривало проектування та будівництво комплексу, вартість якого перевищила 100 млрд. дол. Автори проекту поставили за мету створити зменшену копію земної біосфери, гармонічно об’єднану з техносферою. Ця міні-біосфера повинна була функціонувати на основі самозабезпечення, бути абсолютно незалежною та ізольованою від "Біосфери-2" (зовні поступала тільки сонячна енергія та інформація), а головне – повністю керуватися людьми. В майбутньому модель схожої штучної біосфери, за задумкою авторів, могла б використовуватись для створення колоній людей на Місяці, Марсі й у відкритому космосі. Таким чином, автори проекту намагались створити замкнуту систему життєзабезпечення зі штучно підтримуваним гомеостазом, тобто здійснити, хоч і не у великих масштабах, мрію В.І.Вернадського про біосферу, що керується людським мозком (ноосферу). 

З мільйонів живих організмів Землі для "Біосфери-2" було відібрано 3800 видів – представників флори та фауни, при цьому головним критерієм відбору була користь, яку вони могли принести колоністам (споживання в їжу, використання в лікувальних цілях, очищення повітря, переробка відходів і т.д.). Під скляним дахом відсіків "Біосфери-2" було створено 5 комплексів: вологий тропічний ліс, савана, пустеля, болото, та море (басейн глибиною біля 8 метрів із живим кораловим рифом, в якому спеціальна установка створювала хвилі). Крім того, комплекс мав город та ферму, де експериментатори збирались вирощувати овочі, фрукти, рис, розводити свиней, курей та кіз. Для їжі можна було використовувати також дикоростучі фрукти із тропічного лісу та рибу зі штучного моря та річки. З харчових продуктів, вирощених у "Біосфері-1", було взято тільки великий запас кофе. 

Техносфера комплексу, крім городу та ферми, мала помешкання для людей, бібліотеку, спортзал, лабораторію, численне технічне обладнання, дощові установки, насоси для забезпечення циркуляції води та повітря, а також комп’ютерну систему з 2500 датчиками, яка повинна була забезпечити безперервний автоматизований моніторинг життєво важливих параметрів "Біосфери-2"(вологість, температура і газовий склад атмосфери, освітлення і т.д.). У разі необхідності комп’ютер умикав або вимикав системи підігріву або охолоджування повітря, керував роботою інших агрегатів. Чистоту повітря та води забезпечували 60 фільтрів, переважно, біологічних, очищувачами в яких були рослини, водорості, мікроорганізми як і в "Біосфері-1". 

Експеримент закінчився з негативним результатом – не пройшло і півроку, коли його змушені буди зупинити, а дослідників евакуювати з "Біосфери-2" у "Біосферу-1". Бажаного управління процесами й збалансованості техносфери та "Біосфери-2" досягти не вдалось. Основні параметри системи вийшли з під контролю і стали загрозливими для здоров’я дослідників. Відбулися непередбачені зміни у складі об’єднань мікроорганізмів, що заселяли штучні комплекси "Біосфери-2", а головне – швидко збільшилась кількість вуглекислого газу у повітрі. Коли вона досягла небезпечного для здоров’я рівня, та ніякими засобами повернути стан атмосфери до оптимального складу не вдалось, експеримент був зупинений.. 

Крах "Біосфери-2" ще раз підтвердив справедливість принципу, сформульованого американським математиком Джоном фон Нейманом: "Організація системи нижче певного мінімального рівня призводить до погіршення її якості". Повна збалансованість усіх процесів, кругообіг рідини та енергії, гомеостаз біосфери можливі тільки в масштабах Землі, де ці процеси відпрацьовувалися природою протягом мільйонів років. Ніякі комп’ютери не можуть керувати системою, складність якої набагато вище за їх, власну – це суперечить правилу Ешбі (система, якою керують, ніколи не буває складнішою, ніж та, що нею керує, вона завжди простіша) та другому закону термодинаміки. 

Абсолютно нереальною сьогодні вбачається ідея Вернадського, згідно якій розум людини здатен керувати усіма процесами у біосфері. За підрахунками вчених, на Землі існує 1027 екземплярів живих організмів, а інформаційні потоки у біосфері на десять порядків перевищують межі можливості усіх комп’ютерів світу. Для того щоб досягти швидкості обробки інформації природним комплексом живих організмів, людству необхідно було б покрити всю поверхню Землі, в тому числі й океани, суцільним шаром ідеальних комп’ютерів розміром із бактерію кожний, із блоками пам’яті молекулярних розмірів та розробити програми їх дії по типу генетичних програм кількох трильйонів біологічних особин, що живуть на Землі. Цей штучно створений комплекс повинен був бути складнішим природного (згадаємо правило Ешбі). Крім того, він поглинав би не менше, ніж 99% енергії, яку споживає цивілізація. Таким чином, на задоволення потреб людства залишився б лише один відсоток енергії, а збільшення енергоспоживання призвело б до згубних змін клімату Землі. Таким чином, втіливши ідею Вернадського про управління біосферою, людство одержало б стільки ж продукції природного живого комплексу, скільки вона мало до цієї титанічної роботи від природної, некерованої людиною біосфери. 

Отже, для людства, принаймні, в означеному майбутньому, завдання управління глобальними біосферними процесами є нереальним. 

Разом із цим існують певні можливості управління якістю навколишнього середовища в регіональних (локальних) масштабах. 

Узагалі, під управлінням розуміють організацію взаємозв’язків між будь-якими складовими частинами, які призводять до бажаних результатів. 

У природокористуванні відрізняють два види управління: "жорстке" та "м’яке". 

"Жорстке" управління – безпосереднє, "командне" управління природними ресурсами та системами. Це, як правило, технічний та техногенний вплив та втручання у природні процеси, їх "виправлення" шляхом корінної зміни самих механізмів та систем природи (наприклад, розорювання земель, будівництво гребель, міжбасейновий перерозподіл вод). "Жорстке" управління дає найбільший господарський ефект, але тільки у відносно короткому часовому інтервалі та при локальному (регіональному) масштабі, коли його використання не веде до підриву природно-ресурсного потенціалу. Воно побудоване на штучному перенапруженні чи на граничному омолодженні природних систем. 

"Жорстке", як правило, технічне управління природними процесами може мати ланцюгові природні реакції, значна частина яких є екологічно, соціально та економічно неприйнятними в тривалому інтервалі часу (правило неминучих ланцюгових реакцій). Це пов’язано, насамперед, із тим, що "хірургічне" втручання в життя природних систем викликає дію закону внутрішньої динамічної рівноваги та значне збільшення енергетичних витрат на підтримку природних процесів (підсилює дію закону зниження енергетичної ефективності природокористування). У зв’язку із зазначеним, "жорсткі" управлінські рішення, такі як рішення до міжзонального перерозподілу річних вод, зрошення здавна сухих степів і тому подібні заходи або потребують суттєвих компенсацій (промивка засолених земель, боротьба з осередками захворювань, які виникають після втручання, та масового розмноження шкідників і т.п.), або повинні впроваджуватись з величезною обережністю та обачливістю. Це пов’язано з тим, що інформація при проведенні активних змін у природі завжди є недостатньою для апріорних висновків про всі можливі наслідки (особливо у далекій перспективі) здійснюваного заходу (принцип неповноти інформації). У свою чергу, це пов’язано з виключною складністю природних систем, їх індивідуальною унікальністю та неминучістю ланцюгових реакцій, напрямок яких нерідко важко передбачити. Для зменшення ступеню невизначеності, особливо при експертизі проектів, моделювання слід доповнювати безпосередніми дослідженнями у природі, натурними експериментами та з’ясуванням існуючої динаміки природних процесів. Принцип неповноти інформації являє собою важливе обмеження у використанні методу аналогій в екологічному прогнозуванні, бо аналогія завжди не повна через індивідуальність природних систем, до того ж, як правило, будь-який ступінь передбачення не знімає загрози дії 4-го наслідку закону внутрішньої динамічної рівноваги. 

Правило неминучих ланцюгових реакцій доповнюється принципом природності, або "старого автомобіля": з часом еколого-соціально-економічна ефективність технічних пристроїв, що забезпечують "жорстке" управління природними системами та процесами, зменшується, а витрати на їх підтримку – збільшуються. В той же час м’яке управління, як правило, дозволяє підтримувати природні системи у рівновазі на протязі будь-якого часу. З цього випливає необхідність поєднання типів управління природою та пріоритет "м’якого" управління перед "жорстким" у господарській діяльності. 

"М’яке" управління – головним чином, опосередкований вплив у природокористуванні, як правило, за допомогою використання природних механізмів саморегуляції (іноді і шляхом технічного конструювання цих механізмів). Прикладом може служити агролісомеліорація. "М’яке" управління природними ресурсами, як правило, здатне викликати бажані природні ланцюгові реакції, а тому є соціально та економічно переважнішими за "жорстке", техногенне. На відміну від "жорсткого" управління "м’яке" управління, яке базується на відновленні колишньої природної продуктивності екосистем або її підвищенні шляхом цілеспрямованої та заснованої на використанні об’єктивних законів природи серії заходів, дозволяє спрямовувати природні ланцюгові реакції у сприятливому для господарювання та життя людей напрямку. Прикладом може служити співставлення двох форм ведення лісового господарства – суцільнолісопросічне ("жорсткий" вплив) та вибіркової вирубки дерев ("м’який" вплив). Вважається економічно більш рентабельною суцільна вирубка, при якій за один прийом збирається вся деревина. При вибірковій вирубці виникає багато ускладнень технічного характеру, тому деревина виявляється дорожчою. При цьому передбачається на суцільних лісосіках можливість та необхідність відновлення лісу шляхом його масової посадки (і цей захід є в цілому не дорогим). Але при суцільній вирубці поступово нищиться саме лісове середовище, що веде до падіння рівня рік, в інших місцях – до заболочення, заростання лісосіки не лісними видами рослин, які заважають росту лісу, та призводять до виникнення осередків розмноження шкідників. Більш низькі початкові витрати "жорсткого" заходу дають ланцюг збитків, що потребують у подальшому великих витрат на їх ліквідацію. Навпаки, при вибіркових вирубках поновлення лісу полегшується завдяки збереженню лісового середовища. Підвищені початкові витрати поступово окупаються внаслідок запобігання шкоди. 

Різні форми по-справжньому розумної меліорації насамперед побудовані на "м’якому" управлінні природою. При цьому, згідно другому наслідку закону внутрішньої динамічної рівноваги, можливо викликати сильніші позитивні зміни, ніж унаслідок "жорсткого" управління природою. Перехід від "м’якого" до "жорсткого" управління є доцільним при одночасній зміні екстенсивних форм господарства найбільш інтенсивними та, як правило, в межах відносно короткого терміну. У тривалій перспективі ефективним є тільки "м’яке" управління природними процесами.