Моделирование эколого-экономических систем в моделях Н.Н. Моисеева

Однако  полностью отказаться от задавания  эффектов можно будет только в  идеальной модели. Современные же модели не включают важные биологические и химические эффекты, которые приходится параметризовывать.

Несмотря  на казалось бы явное преимущество «полных» моделей, упрощенные модели продолжают использоваться и разрабатываться. Это вызвано следующими причинами. Во-первых, так называемые «полные» модели на самом деле, как уже отмечалось, далеко не полны, некоторое включенные в них параметризации очень грубы, а именно несовершенство отдельных блоков определяет несовершенство модели в целом. Во-вторых, упрощенные модели проще, их практическая реализация гораздо, принципиально легче, чем «полных» моделей. Они требуют меньшего (на порядки!) быстродействия компьютеров и поэтому на них возможно выполнение длительных компьютерных экспериментов, выполнение предварительных расчетов, тестирование новых парамеризационных схем. В четвертых, упрощенные модели дают гораздо более понятные, легче интерпретируемые результаты, чем «полные» модели. Эта «прозрачность» результатов иногда позволяет изучить с помощью упрощенной модели какой-либо отдельный эффект – например, вычленить прямые и обратные связи термического режима и альбедо поверхности, тщательно изучить радиационные эффекты малых газовых примесей и др.

Если  выполнить ранжирование моделей  климата по степени их физической полноты, и одновременно, по сложности, а также по возрастанию требований к компьютерным ресурсам (быстродействию, скорости обмена с внешними устройствами), то самыми простыми будут так называемые модели типа Будыко-Селлерса, затем следуют модели «промежуточной сложности» и, наконец, полные модели, климатические модели.

Все модели, до того, как начинают использоваться для целей диагноза и прогноза изменений климата, проходят стадию валидации. Она заключается в  проверке того, способны ли модели при  заданном наборе параметров, отвечающих современному состоянию климатообразующих факторов, адекватно реальности воспроизводить текущий климат. Если это осуществляется достаточно успешно, то можно рассуждать так: если модель способна правильно отреагировать на данный (случайный, вообще говоря) набор внешних условий, то она столь же успешно воспроизведет условия отвечающие другому набору параметров. Естественно, что данное условие будет правдоподобно только в том случае, если модель предполагается полной, то есть лишенной каких-либо настроечных параметров и связей.

Энергобалансовые  модели (модели типа Будыко-Селлерса) основаны на упрощенном выражении уравнения бюджета энергии климатической системы, в котором в качестве неизвестной величины выступает только одна величина – температура. На основе моделей этого типа впервые продемонстрирована эффективность обратной связи термического режима и альбедо поверхности. Существуют одномерные (с зависимостью температуры от широты) и двумерные (широта и долгота) версии моделей.

Положительные стороны моделей промежуточной сложности очевидны. Они не предъявляют специальных требований к вычислительной технике, и поэтому могут использоваться для выполнения длительных экспериментов; получаемые результаты, как у всякой «простой» модели, достаточно ясны для интерпретации. Также понятны и недостатки – принципиальный заключается в том, что отсутствует уверенность в том, способны ли упрощенные модели воспроизводить климат в других, отличных от современного, условиях климатообразования.

Следующая ступень в развитии моделей – это так называемые модели общей циркуляции атмосферы. Это название закреплено за глобальными трехмерными моделями, основанными на так называемых полных уравнениях термогидродинамики. Пространственное разрешение МОЦА - примерно от 200х200 км по широте и долготе и около 20 уровней и до ~30х30 км и 60 уровней в атмосфере. Уже в 90-е годы было достигнуто понимание оптимальной структуры МОЦА, компромиссно отвечающей задачам моделирования и ресурсам вычислительной техники.

Совершенствование климатических моделей идет по пути улучшения моделирования океана. Уже сейчас появляются модели с разрешением в несколько первых десятков километров с несколькими десятками уровней по вертикали, обладающие важнейшим для моделей свойством – вихри в океане, основные циркуляционные и энергонесущие образования, воспроизводятся в них автоматически, без использования параметризаций.

Развитие  блока суши идет по пути подробного описания гидрологических процессов  и тепловлагообмена суша - атмосфера  с учетом роли растительного покрова. В некоторых случаях, в зависимости от ориентации моделей, к МОЦА пристыковываются блоки динамики континентального оледенения.

Дальнейшее  развитие моделей предполагает последующее  наращивание детализации моделируемых полей. Это требует совместных усилий физиков, математиков, специалистов по архитектуре современных компьютеров, Вообще говоря, неясно, приведет ли это к искомой физической «полноте» модели, к приближению ее к идеальной, поскольку сразу же возникают новые проблемы следующего, более глубокого рассмотрения процессов, проблемы недостаточности сети данных наблюдений и др. Так, принципиальный переход от уравнений Рейнольдса, использующихся для описания крупномасштабной динамики, к уравнениям Навье-Стокса породит появление новых проблем, в частности, понадобится подробнейшая информация о пространственном распределении коэффициента молекулярной вязкости и т.д. 

5. Использование модели 

Модель  климата ВЦ РАН активно использовалась для расчетов атмосферных и климатических процессов на Земле. Проведены расчеты, которые воспроизвели современный климат, выполнены многочисленные эксперименты по оценке антропогенных и естественных изменений климата (последствия ядерной войны, увеличение концентрации углекислого газа, крупных вулканических извержений, изменений подстилающей поверхности и др.).

В начале и середине 1980-х годов на основе модели климата были сделаны ставшие всемирно известными расчеты климатических последствий крупномасштабной ядерной войны – «ядерной зимы». Этот эффект связан с выбросами огромного количества сажи, дыма и пыли в атмосферу, которые почти полностью и надолго перекрывали поступление солнечной радиации на поверхность Земли в регионах северного полушария, подвергшихся ядерным атакам. Первые расчеты климатических последствий ядерной войны между США и СССР на основе сценария американского астронома К. Сагана, проведенные В.В. Александровым и его коллегами, работавшими под руководством Н.Н. Моисеева, дали географическое распределение всех метеорологических характеристик в зависимости от времени, прошедшего с момента ядерного конфликта. Одновременно сходные результаты по согласованному сценарию развития ядерной войны были получены американскими учеными. Был обнаружен главный климатический эффект ядерной войны, независимо от ее сценария, - резкое, исключительно сильное и длительное

охлаждение  воздуха над континентами - «ядерная зима». За короткий срок в разных регионах температура понизилась бы приблизительно на 15о-40о С. Особенно тяжелых последствий следовало ожидать в летний период, когда на обширных территориях северного полушария температура могла бы упасть ниже точки замерзания воды. Иными словами, все то живое, что не сгорело во время ядерных пожаров, должно было бы вымерзнуть. «Ядерная зима» повлекла бы за собой лавину губительных последствий. Возникли бы существенные температурные контрасты между сушей и Мировым океаном, поскольку океан обладает огромной термической инерцией, и воздух над ним практически не охлаждался бы. С другой стороны, изменения в атмосфере подавили бы конвективные процессы, и над погруженными в ночь, скованными холодом континентами разразились бы жестокие засухи. Под руководством Н.Н. Моисеева были разработаны и экологические модели, с помощью которых были спрогнозированы экологические и демографические последствия ядерной зимы, такие как глобальное похолодание и увеличение ультрафиолетового излучения. После «ядерной зимы» биосфера не погибла бы, но осталась бы в «подавленном» состоянии. Исследования ученых, в частности коллектива, который организовал Н.Н. Моисеев в ВЦ РАН для моделирования экологических процессов, показали, что человек мог бы погибнуть в «послеядерной» биосфере. Таким образом, было обнаружено, что биосфера может быть в таком состоянии, в котором человеку как виду нет места.

Открытие феномена ядерной зимы имело научный интерес, и, кроме того, получило широкий общественный и политический отклик и повлияло на изменение военных доктрин. Эта работа принесла Никите Николаевичу мировую известность. Характеризуя биосферные проблемы, Н.Н. Моисеев особое внимание обращал на способность биоты регулировать процессы в биосфере. Он ввел понятия степень и скорость направленности эволюционного процесса, трактуя эволюцию как изменения биоты от зарождения жизни. Скорость может изменяться в разные этапы развития биосферы. Им были рассмотрены также некоторые конкретные механизмы, способствующие или не способствующие стабильному развитию биосферы. Так, при небольших антропогенных воздействиях на биосферу биота может частично компенсировать неблагоприятные воздействия, а при больших — наоборот усиливать результаты этих воздействий. Важным примером этого является глобальный цикл двуокиси углерода в биосфере, модель которого разработана А.М. Тарко по инициативе Н.Н. Моисеева. При небольших индустриальных выбросах двуокиси углерода в атмосферу часть их биота поглощает, и это через механизм парникового эффекта частично стабилизирует__ климат (принцип Ле-Шателье). Но если количество углерода в атмосфере станет достаточно большим, то не исключено, что биота начнет выделять двуокись углерода, тогда климат станет меняться еще сильнее, и в связи с этим биотические процессы будут угнетаться .

Результаты  исследований глобальных экологических  проблем были изложены в монографии, написанной в 1985 г. в соавторстве с В.В. Александровым и А.М. Тарко. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

6. Выводы и рекомендации 

Как уже  было сказано, модель климата, над которой  работал Н.Н.Моисеев, заставила ученых сделать предположения о таком феномене как «ядерная зима».

Уже почти  четыре десятилетия — с тех самых пор, как над миром нависла угроза ядерного конфликта, — прогрессивные ученые всего мира пишут книги и статьи, выступают с заявлениями, активно участвуют в антивоенных движениях. С ростом международной напряженности в последние годы выступления ученых против войны стали еще активнее.

Бесспорно, «ядерная зима» — не только научный, но и политический и социокультурный  феномен. Вместе с гипотезой о  «глобальном потеплении» (которую  многие климатологи также считают  спорной) ЯЗ быстро стала фактом массового сознания благодаря СМИ, художественной литературе и кинематографу.

Именно  благодаря ее наглядности — радиация незаметна и трудновообразима, а  многолетнюю зиму и ночь представить  может каждый — эта «страшилка»  стала той плодородной нивой, на которой вот уже два десятилетия успешно кормятся фантасты, пугающие нас очередным концом света, и «борцы за мир», призывающие великие державы отказаться от ядерного Дамоклова меча и искать более цивилизованные способы разрешения противоречий.

Несмотря на обоснованные сомнения, теория «ядерной зимы» относится к вещам, о которых говорят: "если бы этого не было, это стоило бы выдумать". Трудно поспорить с тем, что она сыграла свою положительную роль, поспособствовав прекращению гонки вооружений и разрядке международной обстановки. Ведь даже без климатического апокалипсиса разрушительные последствия ядерной войны оставляют человечеству слишком мало шансов на выживание.

Главной заслугой авторов теории ЯЗ можно  считать то, что они открыли  людям глаза на опасность косвенных эффектов ядерных ударов, которые могут быть гораздо опаснее прямых (ударной волны, проникающей радиации и др). Нельзя исключать, что ядерная война спровоцирует и другие вторичные эффекты, о которых пока ничего не известно.

Возможна  или нет «ядерная зима», окончательно можно будет сказать только после "эксперимента". Провести который, будем надеяться, не придет в голову ни одному безумному экспериментатору. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  литературы 
 

1.Моисеев Никита Н - Книга: "Люди и кибернетика"

2."Математическое моделирование экосистем" 1986.

3.Н.Н. Моисеев, В.В. Александров, А.М. Тарко. Человек и биосфера. М., 1985.

4.Российская Академия Наук  Проект «Научное наследие России» Моисеев Никита Николаевич. Москва 2009г.

5.Сайт http://4ygeca.com/nucwinter3.html- раздел Ядерная зима.

6. http://www.lomonosov-fund.ru/enc/ru/encyclopedia - раздел Модель климата