Книга: Основы геоэкологии

I.3. Системный характер проблем геоэкологии

I.3. Системный характер проблем геоэкологии

Система – это вещественно-энергетическая совокупность взаимосвязанных компонентов, объединенных прямыми и обратными связями в некоторое единство. Экосфера – очень сложная экосистема. Геоэкологические проблемы отличаются, как правило, системностью. Прежде всего, это вытекает из того обстоятельства, что они сами – результат взаимодействия сложных систем, как геосфер между собой, так же как и между геосферами и обществом, то есть они суть сплав естественных, социальных, экономических и политических проблем.

Геоэкологические системы – это, как правило, сложные саморегулируемые и самоорганизующиеся системы. Существуют системы закрытые, когда не происходит обмен веществом, энергией, информацией через их внешние границы, и, наоборот, системы открытые. Естественные природно-территориальные системы (экосистемы, ландшафты), как правило, закрытые, с высокой степенью сбалансированности их компонентов. По мере усиления антропогенного воздействия их сбалансированность снижается, а степень открытости увеличивается.

В природе, а тем более во взаимодействии общества и природы, существует бесчисленное множество прямых и обратных связей между компонентами, далеко не всегда хорошо изученных. Приведем примеры прямой и обратной связи. Неравномерное нагревание Земли на различных широтах вследствие наклона земной оси к плоскости движения Земли вокруг Солнца вызывает мередиональную циркуляцию атмосферы. Чем больше наклон оси, тем неравномернее нагревание и, следовательно, интенсивнее циркуляция. Это прямая связь. А вот пример отрицательной обратной связи. Известно, что чем температура воздуха выше, тем интенсивнее фотосинтез. Это приводит к увеличению поглощения растительностью содержащегося в атмосфере углекислого газа, а значит, к уменьшению парникового эффекта и, следовательно, в конечном итоге работает на понижение температуры воздуха.

Отличительная особенность экосферы – наличие гомеостазиса, то есть состояния внутреннего динамического равновесия системы, поддерживаемого регулярным возобновлением ее структур, вещественно-энергетического состава и постоянной функциональной саморегуляцией ее компонентов.

Современный английский философ Д. Лавлок приводит следующие примеры гомеостазиса. Соленость воды Мирового Океана составляет 35 г/л, а при солености 60 г/л основная часть клеток существовать не может. Вынос солей реками в океан удваивал бы концентрацию солей каждые 80 млн лет, если бы не природные процессы, выводящие соли из океанской воды. При этих условиях относительная стабильность солености океана поддерживается уже несколько сотен миллионов лет.

Содержание кислорода в атмосфере около 21 %. При 16 % дыхание останавливается, а древесина не горит. При повышении содержания кислорода до 25 % даже влажные леса способны гореть. И в этих пределах кислородная атмосфера Земли существует два миллиарда лет!

За последние 3,5 миллиардов лет излучение Солнца увеличилось на 30 %. При этом, вследствие гомеостазиса экосферы, ее тепловой и водный балансы остались в пределах, способствовавших не только поддержанию жизни, но и ее развитию, то есть ее удивительной эволюции.

Еще одним примером гомеостазиса экосферы является поддержание глобального баланса углерода с точностью до 10^-8 при геологических масштабах времени и с точностью до 10^-4 при масштабах времени порядка нескольких тысяч лет.

Наряду со свойством гомеостазиса существуют и другие свойства геоэкологических систем: стабильность (отсутствие или быстрое затухание колебаний в системе), устойчивость (способность восстановления прежнего состояния системы после ее возмущения), упругость (согласно канадскому экологу Б. Холлингу, это способность системы переходить из одного устойчивого состояния в другое). В общем случае можно сказать, что геоэкологические системы подчиняются принципу Ле-Ша-телье: внешнее воздействие, выводящее систему из равновесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздейстия. Этот принцип, хорошо известный химикам и физикам, распространил в 1925 г. на геоэкологические системы американский биофизик и демограф А. Лотка.

Многие процессы в геоэкологических системах нелинейны, то есть малое приращение фактора может приводить к непропорционально большим (или непропорционально малым) изменениям результата. Во многих случаях в природно-общественных системах существуют пороги, когда происходит резкое, непропорциональное воздействию в данный момент времени изменение свойств системы, в то время как до и после порога сохраняется линейная зависимость. Например, в озерах Фенно-Скандии постепенный рост кислой реакции среды вызывает плавные изменения состояния озера в сторону большего подкисления. Затем, при определенной величине рН (обычно pHi5,5), происходит выделение свободного алюминия, чрезвычайно токсичного для рыбы и некоторых других представителей водной фауны, и состояние озерной системы преображается. При дальнейшем снижении величины рН снова устанавливается плавная реакция системы на внешние возмущения.

В геоэкологии часто встречается такой тип связи между воздействием и результатом, когда постепенные, относительно плавные воздействия на систему или ее часть приводят к столь же постепенному накоплению изменений состояния системы. Каждый шаг воздействий, хотя и неблагоприятен для системы, но незначителен; столь же плавно накапливаются неблагоприятные изменения. В таком случае невозможно в точности указать момент, когда состояние системы было еще приемлемым, а когда стало уже неприемлемым. Такие изменения американский социолог М. Гланц называет ползучими. Типичный пример такого явления – состояние почвы: деградация почв вследствие эрозии в большинстве случаев постепенна, каждый день (или год) приносит незначительные, и потому малозаметные изменения, но через несколько десятилетий после начала сельскохозяйственного освоения какой-либо территории природное плодородие почвы оказывается уже намного меньше первоначального или даже катастрофически низким. Примеров таких плавных воздействий, приводящих к неблагоприятным результатам, чрезвычайно много.

Разновидностью ползучих геоэкологических изменений является так называемая «химическая бомба замедленного действия». Благодаря способности почв и рыхлых отложений удерживать в стабильном или малоподвижном состоянии токсичные химические вещества, непосредственные результаты загрязнения, поступающего в почву, могут быть не видны. Однако относительно небольшие, но продолжительные изменения химического состояния экосистемы могут вызвать процессы, приводящие в конечном итоге к внезапным вредным воздействиям. При этом время между поступлением химических веществ в геоэкосистему и их внезапным воздействием может быть весьма продолжительным, то есть бомба замедленного действия налицо.

Типичным примером «химической бомбы замедленного действия», а также и «ползучей геоэкологической деградации», является поведение иона алюминия (Al⁺⁺⁺) в почве. Алюминий в почвенном профиле неподвижен, если показатель кислотной реакции почвы (рН) превышает определенную величину. В случае уменьшения величины рН подвижность алюминия увеличивается. Антропогенные кислотные осадки, выпадающие из атмосферы, начинают влиять на кислотность почвы, содержащей ион алюминия, но показатель кислотной реакции остается неизменным, пока почвы еще содержат запас катионов, играющих роль буфера против увеличивающейся кислотности. Так продолжается до той поры, пока не израсходуется буферная способность почвы, после чего рН резко уменьшается и ион алюминия становится подвижным, вызывая гибель рыбы в озерах, ухудшение состояния лесов и другие неблагоприятные геоэкологические эффекты.

Очень часто изменение состояния сложной системы во времени под влиянием внешнего воздействия описываются (лучше сказать, аппроксимируются) так называемой логистической кривой, имеющей форму, близкую к S-образной, и отражающей переход от одного устойчивого состояния системы к другому (рис. 2). Самым типичным примером является кривая изменения численности населения мира: слабый и неустойчивый рост числа людей на Земле, характерный для истории человечества до начала этого века, сменился в середине ХХ века его резким ростом, замедляющимся в настоящее время, с ожидаемым прекращением роста и выходом на очень слабое, асимптотическое приращение к середине XXI века. Переход от одного состояния системы к другому, описываемый логистической кривой, – чрезвычайно типичный процесс для многих геоэкологических систем.

Рис. 2. Типичная переходная (логистическая) кривая

Поведение систем значительно различается в зависимости от продолжительности воздействия на них (по Х. Бёсселю, Германия):

В геоэкологии мы можем наблюдать все приведенные выше типы поведения природно-общественных систем.

Рассматривая геоэкологические проблемы как сложные системы, можем сказать, что для понимания и решения проблемы исследование взаимодействия между элементами (т. е. исследование структуры системы) важнее, чем исследование самих компонентов. Такой подход фактически традиционен для географии, и такой же подход характерен для геоэкологии.

Геоэкологические проблемы по большей части междисциплинарны. Проблема возникает часто как общественная, но корни ее лежат в вопросах естественного характера. Для ее решения необходимо предпринять определенные действия в социальной сфере, изменяя тем самым природные условия, к которым, в свою очередь, должно приспосабливаться общество.

Например, катастрофическое снижение уровня Аральского моря привело к существенным экономическим потерям (прекращение рыболовства, засоление почв из-за разноса солей с обнажившегося дна ветром и др.) и имело очень большой общественный резонанс. Падение уровня произошло в результате изменения составляющих его водного баланса: вследствие развития орошения резко уменьшился приток в море воды Амударьи и Сырдарьи. Для восстановления более высокого, чем сейчас, уровня Арала необходимо такое коренное изменение социальных условий в бассейне, которое бы в конечном итоге способствовало снижению водопотребления (снижение доли сельского населения, изменение структуры посевов, пересмотр стратегии развития сельского хозяйства и пр.). Таким образом, проблема Арала, внешне видимая как естественная, в основном по происхождению гидрометеорологическая, а фактически социальная. Она уходит своими корнями в советский период развития Центральной Азии и связана с очень сложной жизнью современного общества новых государств. Разделить такую проблему на отдельные, привычные науки практически невозможно, и решение ее может быть только на основе системного подхода.

Все общемировые геоэкологические проблемы можно разделить на две большие категории: проблемы глобальные и проблемы универсальные. Глобальные проблемы охватывают всю экосферу в целом, но могут проявляться по-разному в различных районах мира. Универсальные проблемы многократно повторяются, в определенных модификациях, складываясь в общемировую проблему. Разрушение озонового слоя Земли – характерный пример глобальной проблемы, в то время как деградация почв – типичный пример универсальной проблемы. Такое деление удобно, потому что стратегии решения глобальных и универсальных геоэкологических проблем различаются. В частности, в первом случае действенным методом решения проблемы может быть международное соглашение, выполняемое затем на национальном уровне, а во втором случае зачастую достаточно концентрировать действия по решению проблемы на локальном уровне, имея в виду решение общенациональной или всемирной задачи.

Очень большая трудность в решении геоэкологических проблем заключается в том, что природные ресурсы и процессы чрезвычайно затруднительно, а то и невозможно выразить в денежной форме, а без этого нельзя оценить истинную стоимость затрат и потерь. Возможно, например, оценить стоимость древесины в лесу, но эта оценка будет намного ниже истинной стоимости леса, которая должна бы включать величину и интенсивность его биологической продукции, его видовое и ландшафтное биологическое разнообразие, его климатические и гидрологические свойства, красоту и привлекательность лесного ландшафта, роль данного конкретного леса в традиционной хозяйственной деятельности и многие другие показатели. Без решения таких системных задач невозможна полная оценка результативности хозяйственных мероприятий, затрагивающих окружающую среду.

На национальном уровне, чтобы знать истинное состояние страны, необходимо, наряду с традиционно выполняемыми ежегодными расчетами макроэкономических показателей, таких как валовый национальный продукт (ВНП), учитывать также геоэкологическое состояние страны, его приращения и потери. Оценка «истинного состояния прогресса» США, выполненная одной из исследовательских групп, включала (весьма приближенно) такие факторы, как стоимость загрязнения окружающей среды, потерю пахотных земель, расходование невозобновимых ресурсов, долгосрочный ущерб окружающей среде, потери первичных лесов и пр. Расчеты показали, что в 1950–1973 гг. происходил рост «истинного» экономического состояния США, а с тех пор и до настоящего времени происходит его неуклонное снижение. Подобные попытки расчетов делались и для других стран (Нидерланды, Франция, Австралия, Канада) и были получены похожие результаты (см. также раздел IV.6).

Другая трудность в решении геоэкологических проблем в том, что многие ценные свойства и процессы в экосфере принадлежат всем, а значит, никому. К этой категории относятся, например, атмосфера, глобальный круговорот воды и его отдельные звенья, леса и почвы, если они коллективного или общенационального пользования, и пр.

Гаррет Хардин (США) назвал эту ситуацию «трагедией всеобщего достояния». Он приводит следующий пример. На общественном лугу пасется N групп коров, каждое из которых состоит из n голов, принадлежащих N хозяевам. Пока все коровы на лугу потребляют траву в пределах ее годового прироста, ситуация устойчива. Затем один из хозяев решает увеличить свое стадо, состоящее из n коров, на одну корову. Для него это означает заметное увеличение богатства (на 1/n-ую часть), а для луга в целом приращение антропогенного давления составит всего лишь 1/(n+1). Видя такую выгодную для отдельного лица ситуацию, другой хозяин принимает подобное решение, затем третий, четвертый, и так все N хозяев. Суммарное приращение антропогенного давления становится уже N/(n+1).

Рост численности скота продолжается, даже если хозяева понимают, что их действия ведут к избыточному количеству коров, превышающему потенциальную емкость луга, то есть к перевыпасу и, в конечном итоге, к снижению продуктивности луга. Персональная алчность оказывается сильнее, чем коллективный интерес. Договориться о совместных действиях до наступления критического состояния обычно не удается, и продуктивность луга начинает снижаться, зачастую катастрофически. Иногда, но не всегда, удается, наконец, договориться о совместных действиях, но уже не по оптимальной эксплуатации луга, а по выходу из критической ситуации.

Приведенный выше пример чрезвычайно типичен для многих геоэкологических ситуаций. Если не удается найти стратегию совместных действий нескольких хозяев на одном лугу, то насколько сложнее выработать согласованную стратегию решения совместных задач для Земли в целом!

Итак, в геоэкологии возникает много задач системного характера, отличающихся следующими чертами.

• Взаимодействие естественных и общественных процессов и закономерностей.

• Междисциплинарность задач, ведущая к интеграции различных наук.

• Обычно существует не один пользователь ресурса или системы, а несколько, причем зачастую с различными интересами.

• Многие критерии носят качественный характер и тем более не могут исчисляться в денежном выражении.

• Одновременно встречаются явления, хорошо описываемые количественно и плохо описываемые количественно.

• Состояние системы или проблемы не может быть описано одним показателем, и необходимо разработать систему геоэкологических индикаторов и индексов.