Имитационно-балансовая модель устойчивости региональных геосистем

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

УДК 574.5

ИМИТАЦИОННО-БАЛАНСОВАЯ МОДЕЛЬ УСТОЙЧИВОСТИ РЕГИОНАЛЬНЫХ ГЕОСИСТЕМ

© 2009 Ахмедова Л.Ш.

Дагестанский государственный университет

Предлагается модифицированный вариант биосферной концепции - геосферная концепция, согласующаяся с региональным анализом энергетики геосистем.

The author of the article offers the modified variant of biospheric concept, i.e. geosferic concept concordant with the regional analysis of geosystem energetics.

Ключевые слова: экоразвитие, возобновимые ресурсы, невозобновимые ресурсы, биосфера, геосферная концепция.

Keywords: ecodevelopment, renewable resources, nonrenewable resources, biosphere, geospheric concept.

Для выработки эффективной

национальной доктрины и региональных программ (проектов) адаптивного экоразвития, а также согласованного международного сотрудничества в этой области необходимо рассмотреть базовые показатели места человеческой

деятельности в естественных и сбалансированных круговоротах вещества и энергии биосферы.

Предложенные к настоящему времени модели экоразвития мира и отдельных стран дают общие представления о состоянии биосферы и угрожающих

тенденциях роста антропогенной нагрузки. Это обстоятельство и принудило мировое сообщество к

принятию известных документов о стабилизации окружающей среды (КОСР-92, Рио-де-Жанейро). Однако в обобщенных показателях мирового экоразвития теряются специфика и своеобразие отдельных регионов в их воздействии на биосферу. Поэтому

вопрос создания региональной модели антропогенной нагрузки на территорию Республики Дагестан с учетом ее физико-географических условий и экологических ресурсов является одним из приоритетных. Другая задача -определить, какую часть биосферы составляет данная территория и в какой мере она воздействует на биосферу.

Совокупная антропогенная нагрузка регионов, стран и всей цивилизации должна быть согласована с критериями пределов стационарной биосферы. В различных моделях мира эти критерии различаются существенно, и поэтому необходимо осуществить выбор модели мирового экоразвития, относительно которой и следует оценивать показатели антропогенной нагрузки на территорию региона. Согласно наиболее известной формулировке Комиссии Г. Х. Брундландт: «Устойчивое развитие - это такое развитие, при котором удовлетворяются потребности

настоящего поколения и не ставится под угрозу возможность будущих поколений удовлетворять свои потребности» [11]. В последующие годы было предложено множество формулировок устойчивого развития, которые, как и исходное определение, в явной или скрытой форме сходились в двух основных требованиях:

1) учет интересов будущих поколений в удовлетворении своих потребностей в ресурсах жизнеобеспечения, включая и благоприятную окружающую среду;

2) обеспечение справедливости, т.е. равнодоступности стран и народов в распределении природных ресурсов.

Как показывает выполненный нами анализ, ни одно из этих требований не может быть выполнено, если не произойдет радикальной смены в стратегии экоразвития стран и всей цивилизации.

Принципиальная невыполнимость первого требования очевидна в отношении невозобновимых ресурсов, поскольку эксплуатационные запасы большинства ресурсов недр находятся на грани истощения и, видимо, будут исчерпаны при нынешнем поколении землян. Другой аспект проблемы заключается в очевидных тенденциях перехода основных возобновимых ресурсов жизнеобеспечения (почва, биота, питьевая вода и воздух) в категорию незобновимых [6, 7].

Вторая установка концепции также не выдерживает сопоставления с реальными фактами и тенденциями развития мирового хозяйства. В частности, население США,

составляющее 4% землян, потребляет более 40% ресурсов Земли с очевидными тенденциями к дальнейшей

экономической экспансии. И если следовать требованию

равнодоступности, то либо США должны в 10 раз сократить потребление мировых ресурсов, либо остальные 96% землян должны во столько же раз увеличить ресурсопотребление. Первое абсолютно нереально, и в этом мы убедились на примере отказа США ратифицировать Киотский протокол, преследующий высокие

гуманистические цели стабилизации биосферы. Что же касается второго

условия, то оно в принципе

невыполнимо, поскольку таких ресурсов в Природе не существует.

Таким образом, реализуемая в национальных доктринах и программах, концепция устойчивого развития по своим установкам не разрешает, а скорее усугубляет проблемы экологии и текущий экологический кризис. Очевидно, нужны другие, более реалистичные международные и

региональные механизмы и

инструменты для снятия противоречий между стратегиями двух великих эволюций - Природы и Цивилизации.

Во всем спектре обсуждаемых моделей мира крайние позиции занимают ресурсная и биотическая концепции.

Предложенная Д. Медоуз и соавторами [10] модель развития основана на идеях сохранения современной структуры экономики, потребления ресурсов природы на уровне конца ХХ в., продолжении роста численности населения до 7-8 млрд человек и антропогенной нагрузки до 125 кВт/км2. Как показал последующий анализ, Земля подобными ресурсами не располагает, а современный уровень потребления вывел биосферу за пределы стационарного режима и стремительно приближает ее к границам

климатического запрета.

На биосферном уровне наиболее предпочтительной представляется

концепция биотической регуляции

окружающей среды [6, 7]. В ней

показаны физические пределы

устойчивости биосферы и уникальная роль биоты в поддержании пригодных для жизни условий окружающей среды в локальных и глобальном масштабах. Актуальная задача заключается в разработке на основе биосферной концепции методов и приемов оценки антропогенной нагрузки на геосистемы в локально-региональном масштабах, а также реализации эффективных проектов по вхождению антропогенной

нагрузки в допустимые пределы техноемкости геосистем.

Согласно этой концепции основные показатели пределов антропогенной нагрузки на биосферу выражаются в следующих критериях:

1. Мощность антропогенного

энергопотребления (Ра_) за счет

небиологическых источников

(возобновимых и невозобновимых) - до 1 ТВт (ТВт=1012Вт).

2. Потребление биопродукции (Рь) -не более 1% от первичной продукции (0,01 Р+) - правило 1%.

3. Численность населения (М) - до 1 млрд человек.

4. Удельная антропогенная нагрузка на Землю - до 15 кВт/км2.

5. Сохранение природных сообществ

биоты в объеме, способном обеспечить стабильность окружающей среды при внешних возмущениях, не

превышающих допустимого предела на основе принципа Ле Шателье - Брауна.

В настоящее время нагрузка по двум первым пунктам превышена более чем на порядок. По имеющимся оценкам, на площади более 60% суши естественные сообщества разрушены человеческой деятельностью и биота перестала подчиняться принципу Ле Шателье -Брауна [6].

В изложенных обстоятельствах и наблюдаемых тенденциях роста населения Земли - потребителей природных ресурсов, в том числе и первичной продукции - основного стабилизатора окружающей среды, требуется иная трактовка

концептуальных основ устойчивости жизни. По теоретическим основаниям и возможностям реализации

предпочтительней представляется

следующая формулировка: «Устойчивое развитие - повышение качества жизни людей в пределах естественных порогов экологической техноемкости среды» [4]. Данная трактовка понятия имеет под собой два безусловных требования (принципа, императива). Первое -замена понятия «уровень жизни» понятием «качество жизни»,

включающим в себя не только

экономическое благосостояние людей, но и качество окружающей природной среды как нравственно-этической категории. Второе требование заключается в необходимости соблюдения порогов устойчивости биосферы. Совместить две эти противоположные установки можно только на условиях депопуляции человечества до экологически допустимых пределов и приведения занимаемой человеком современной экологической ниши в соответствие с его генетической программой. Политические пути гуманного и эмоционально приемлемого решения данной проблемы обсуждались в отдельных работах [4].

В соответствии с принятой формулировкой устойчивого

экоразвития предлагается

модифицированный вариант биосферной концепции - геосферная концепция, которая хорошо согласуется с региональным анализом энергетики геосистем [1].

Универсальная для геосистем суши имитационно-балансовая модель

устойчивой (стабильной) биосферы приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Структура потока солнечной радиации (усл. ед.) в

устойчивой (невозмущенной) биосфере суши.

Квадраты и ромбы - соответственно, естественные и антропогенные

ячейки преобразования солнечной энергии

При создании модели использованы данные фундаментальных исследований по энергетике биосферы [3, 6, 8, 9].

Структура потока солнечной энергии (рис. 1) является универсальной для

устойчивой биосферы, то есть модель может быть использована для оценки как территориальных геосистем, так и суши в целом. В системе обобщенных показателей геосферная модель устойчивого экоразвития конструируется в следующих параметрах:

10 - мощность приходящей к земной поверхности солнечной радиации: для Земли 10 - 105 ТВт, для всей суши (без Антарктиды и Гренландии) - 20-103 ТВт;

Р+ - мощность органического синтеза: для Земли - 130 ТВт, для суши - 80 ТВт;

F - мощность физического круговорота вещества;

G - мощность деструкции биопродукции гетеротрофами (0,99 Р+);

Рь- - нормированная мощность

прямого антропогенного потребления первичной продукции (0,01 Р+);

Pf_ - мощность антропогенного

потребления геофизической энергии биосферы - двойной эквивалент потребления биопродукции (0,02 Р+);

Ра_ - суммарная мощность

антропогенного потребления энергии биосферы - емкость геосистем (0,03 Р+), что соответствует средней для суши допустимой плотности мощности антропогенной нагрузки 20 кВт/км2;

А - мощность длинноволновой радиации, поступающей в атмосферу и отводимой за пределы биосферы (А = ¡о).

Как следует из модели и приведенных показателей, устойчивое развитие разномасштабных геосистем

обеспечивается за счет потребления нормированной мощности

возобновимых источников биосферы (Рь_ и Р^) при полном отказе от невозобновимых ресурсов. При

соблюдении этих условий душевое потребление энергии составит 3,42 кВт/чел (уровень энергопотребления развитых стран с немилитаризованной экономикой - Швейцария, Новая Зеландия и др.), в том числе мощность прямого потребления биопродукции -1,14 кВт/чел и геофизической энергии -2,28 кВт/чел. При этих показателях нормированная численность населения, соответствующая емкости (стационарная биосфера), составит 2,3-3,0 млрд человек.

В настоящее время численность населения (6,5 млрд чел.) вдвое превышает емкость биосферы, что обеспечивается использованием

невозобновимых источников энергии ископаемого топлива мощностью до 18 ТВт. Продолжающийся

экспоненциальный рост численности населения Земли ведет к переэксплуатации ресурсов биосферы и выводит ее в экологически запрещенную область разрушения [5, 6].

Современное состояние возмущенной структуры энергетики биосферы демонстрирует имитационно-балансовая модель (рис. 2).

Рис. 2. Структура потока солнечной радиации

биосфере суши. Пунктирные линии и ячейки - антропогенное искажение универсального распределения потоков

энергии для устойчивой биосферы

Антропогенные нарушения

универсальной (устойчивой) структуры энергетики геосистем суши вызваны двумя причинами: ростом численности населения Земли сверх допустимого уровня и использованием энергии ископаемого топлива (Е на рис. 2) для обеспечения растущего населения мощностью до 18 ТВт. Вследствие этого прямое антропогенное потребление биопродукции увеличилось в настоящее время до Рь~ = 7,41 ТВт, что составляет

0,09 Р+, и это в 9 раз превышает допустимую долю деструкции биопродукции всеми позвоночными суши. Потребление ископаемого топлива мощностью 18-20 ТВт означает ввод в биосферу дополнительной тепловой энергии и неизбежно приводит к наблюдаемому повышению приземной температуры. Благодаря этому мощность длинноволнового излучения Земли на

0,06 единиц превышает мощность поступающей солнечной радиации. С этим связано глобальное повышение средней температуры почти на 10С, сопровождаемое наблюдаемыми

возмущениями циркуляции атмосферы на значительной части суши. Из этого следует вывод, что для восстановления устойчивости биосферы необходимо осуществить депопуляцию до емкости среды (2,5-3 млрд чел.) и отказаться от использования ископаемого топлива.

Для выработки эффективной программы действий по обеспечению устойчивости территорий во всем диапазоне иерархии геосистем необходимо продолжить не только обсуждение проблем выживания на концептуальном уровне, но и выявление новых и уточнения имеющихся фактов, подтверждающих роль биоты в стабилизации среды. Для начала следует уточнить количественные критерии устойчивости среды в системе обобщенных показателей и

характеристик. На локальном и

региональном уровнях особую актуальность приобретает проблема разработки достаточно точных методов оценки первичной биопродуктивности и антропогенной нагрузки в сочетании с эффективным экологическим

мониторингом среды.

В идеале суммарный показатель соотношения между биопотреблением и биопродуктивностью в

субординированной системе (регион -страна - объединенные нации) не должен превышать допустимый предел устойчивости в 1% глобальной продукции [6]. Особенности в распределении биомасс (В) на суше и в океане, отношений Р+/В, а также протоков энергии фотосинтеза -показатель фундаментальной роли наземной биоты в регуляции окружающей среды. Одновременно это и сигнал для создания моделей устойчивого экоразвития, актуальности проблемы сохранения невозмущенной биоты на большей части суши.

Стабильность жизни и биосферы в целом на протяжении геологически

длительного времени обеспечивалась

высоким уровнем замкнутости

круговоротов веществ (биогенов) с точностью до четырех значащих цифр в системе «синтез - деструкция всей биоты». Все флуктуации геофизических факторов компенсировались в течение нескольких лет высокой скоростью обновления биоты и огромной

продуктивностью биосинтеза.

Современные экологические

проблемы вызваны разрушением

естественных компенсационных

механизмов биоты, ростом дисбаланса и разомкнутости биохимических

круговоротов в результате выхода человеческой популяции за отмеченные выше пределы устойчивости биосферы.

Предлагаемая нами геосферная концепция устойчивости геосистем может служить теоретической основой для создания и реализации региональных проектов стабильного экоразвития. Разработанный для территории Дагестана проект включает: 1) удельную и суммарную мощности

солнечной радиации с последующим ее распределением по двум моделям (рис.

1, 2); 2) экологическую емкость и

мощность антропогенной нагрузки и 3) систему рентных платежей за превышение емкости среды. Наиболее сложной в реализации оказалась первая задача. Для преодоления этой трудности нами ранее были разработаны номограммы, позволяющие оценить суммарную радиацию и радиационный баланс во всем диапазоне высотноширотных интервалов территории Дагестана [2]. Как показывает наш опыт, с точки зрения реализации наиболее эффективными представляются проекты районного и муниципального уровней.

Таким образом, геосферная концепция обеспечения устойчивости геосистем и биосферы в целом, по сравнению с двумя другими альтернативами, представляется более реалистичной в достижении целей устойчивого развития. Данная концепция позволяет не только оценить сложившуюся ситуацию, но и выработать конкретные проекты по территориям, включающим механизмы депопуляции (в необходимых случаях) и переориентации экономики на возобновимые ресурсы через рентные платежи.

Примечания

1. Ахмедова Л.Ш. Естественные ресурсы потенциала биопродуктивности земель Дагестана (Агроэкологический аспект). Автореф. дис... канд. биол. наук. Махачкала : ДГУ, 1998. 2. Ахмедова Л.Ш., Гасанов Ш.Ш. Информационно-статистический метод оперативной оценки показателей солнечной радиации на территории Дагестана // Труды Географического общества Дагестана. Вып. 31-32. Махачкала, 2004. С. 106-109. 3. Будыко М.И. Глобальная экология. М. : Мысль, 1977. 319 с. 4. Гасанов Ш.Ш. Введение в структурную экологию : Учебное пособие. Махачкала : ДГУ, 2004. 184 с. 5. Горшков В.Г. Границы устойчивости биосферы // Изв. Всесоюз. геогр. об-ва. Т.119. Вып.4. 1987. 6. Горшков В.Г. Физические и биологические основы устойчивости жизни. XXVIII. М. : ВИНИТИ, 1995. 7. Зубаков В.А. Быть или не быть? Анализ стратегии нами творимого будущего (к саммиту ООН «Рио+10») // Изв. РГО. Т.134. Вып.6. 2002. С. 57-67. 8. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. Л. : Гидрометеоиздат, 1979. 375 с. 9. Кондратьев К.Я. Актинометрия. Л. : Гидрометеоиздат, 1965. 691 с. 10. Медоуз Д.Х., Медоуз Д.Л., Рандерс И. За пределами роста. М., 1994. 11. Наше общее будущее. Доклад Международной комиссии по окружающей среде и развитию. М. : Прогресс, 1989. 376 с.

Статья поступила в редакцию 11.03.2009 г.