УДК 504.062.2+519.868

Хабарова Ирина Андреевна,

Старший преподаватель кафедры Землепользования и кадастров,

Государственный университет по землеустройству, г. Москва

irakhabarova@yandex.ru

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ: ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

MODELING OF THE ENVIRONMENT: CHALLENGES AND PROSPECTS

Аннотация

В статье рассмотрены причины невозможности моделирования всей биосферы планеты Земля. Приводится пример создания американскими учеными модели биосферы, которую они назвали «Биосфера-2». Также подробно изложена проблема моделирования глобального круговорота воды, круговорота углекислого газа CO2, а так же моделирования всех климатических зон на поверхности земли. В заключение описываются результаты этого дорогостоящего эксперимента.

Summary

The article considers the reasons for the impossibility of modeling the entire biosphere of the Earth. The example of the creation of the American scientists model the biosphere, which they called «Biosphere 2». Also described in detail the problem of modeling the global water cycle, the cycle of carbon dioxide CO2, and modeling all climatic zones on the earth’s surface. In conclusion describes the results of this expensive experiment.

Ключевые слова: биосфера, моделирование, климатические зоны,  редукционистские программы.

Keywords: biosphere, modeling, climatic zones, reductionist programs.

Почему же так сложно прогнозировать «поведение» биосферы?

Действительно, на ее состояние влияет очень много факторов. Из-за этого сложно проводить теоретические расчеты и строить математические модели по ведения биосферы Земли, а поставить эксперимент на «натурной» модели по понятным причинам невозможно.

Теперь понятно, почему так важно было создать модель нашей биосферы: построить такую систему, которая была бы абсолютно изолирована от остального мира, в которой была бы своя атмосфера, своя почва, был бы свой океан, свои джунгли, свои животные, свои растения — такая своеобразная мини-модель Земли. Система, в которую поступает только солнечная энергия, точно так же, как это происходит с нашей планетой. Построив такой мир, можно было бы начать эксперименты, например, увеличив содержание углекислого газа или иного вещества, посмотреть на последствия. Кроме того, интересно посмотреть, как будет развиваться эта другая биосфера в будущем, если ее предоставить самой себе. И, конечно, такой опыт может понадобиться в будущем, при постройке человеческих поселений на других планетах [1].

В начале девяностых годов XX столетия такая биологическая система была создана!

Эту уникальную систему построили в американском штате Аризона и назвали ее «BIOSPHERE 2» — «Биосфера-2». Имеется в виду, что Биосфера 1 — это наша Земля.

«Биосфера-2» представляет собой крупнейшее в мире здание под стеклом площадью 1,28 га и объемом 203,6 тыс. м3 (общий вид комплекса представлен на рисунке 1).

Рисунок 1.  Общий вид комплекса

Оно почти герметично — обмен воздухом с атмосферой происходил, по разным оценкам, 1–10 % в год. Система должна была существовать за счет энергии солнца и обмениваться с окружающим миром информацией по линиям связи. «Биосфера-2» была разделена на жилую, сельскохозяйственную и природную зоны. Последняя «включала в себя экосистемы влажного тропического леса, саванны, пустыни и океана (разделение комплекса на зоны показано на рисунке 2).

Рисунок 2. Разделение комплекса на зоны

Каждое из этих подразделений само достаточно сложно. Так, комплекс «океан» представлял собой водоем с морской водой глубиной до 8 м, перемешиваемый волновой машиной, пляж, заросли солелюбивых растений в зоне заплеска, кокосовые пальмы на морском песке, приморские болота (марши) с водой разной солености, пресноводные болота, водоемы, протоки и ручей, впадающий в океан. Экосистемы тропического леса, саванны и пустыни не менее сложны. За некоторыми исключениями комплексы не были взяты целиком из природы, а создавались искусственно. Растения и животные были перенесены из разных мест обитания и даже с разных континентов в соответствии с замыслом авторов: предполагалось, что полноценные экосистемы разовьются в процессе функционирования. Поэтому они создавались с избытком видов, часть из которых должна была погибнуть и заместиться наиболее приспособленными (так, в «океан» было внесено более 20 видов кораллов и 40 видов рыб). В сельскохозяйственной зоне на искусственных почвах выращивали различные растения методами, сходными с обычной агрокультурой, разводили кур и коз. На каждого человека приходилось 125 м² жилой и 250 м² сельскохозяйственной площади [2].

Под стеклянными куполами со слоем почвы, который достигает местами 5 м, и водой «океана» находится технический этаж, изолированный от грунта бетоном и нержавеющей сталью. Здесь расположены насосы водяной и воздушной циркуляции, биологические фильтры для воды, обеспечивающие ее возвращение в круговорот, и дополнительная система фильтрации воздуха через слоистую искусственную почву для очистки воздуха в обитаемом отсеке (рисунок 3).

Рисунок 3. Круговорот воды в необитаемой зоне

Здесь же находился компьютерный центр, обобщающий данные более 900 датчиков внутренних параметров и обеспечивающий, по идее создателей, управление процессами в биосфере.

Газообмен внутреннего пространства «Биосферы-2» с окружающей атмосферой в значительной степени определяется разностью атмосферного давления внутри и снаружи комплекса (рисунок 4) [3].

Рисунок 4. Газообмен внутреннего пространства «Биосферы–2»

Чтобы свести этот фактор к минимуму, были построены два управляемых компенсатора давления, связанные подземными коммуникациями с главным комплексом. Они представляли собой здания диаметром 48 м с подвесным подвижным резиново-металлическим потолком, положение которого регулируется при изменении температуры и давления внутри и снаружи так, что разность давлений сохранялась минимальной. Одно из этих зданий служило также главным резервуаром воды в системе циркуляции.

Тепловой режим регулировался водяной циркуляционной системой, в которой имелись две внешние системы испарительного охлаждения, обеспечивающие охлаждение летом, когда в Аризонской пустыне жарко. Инженерные системы представляли собой неразрывную часть комплекса: температура, влажность, водяные и воздушные потоки в нем регулировались техническими средствами. Это регулирование требовало значительного расхода электроэнергии. По замыслам создателей, комплекс был рассчитан на 100 лет эксплуатации. Поддержание работы этих систем в течение нескольких лет, несомненно, является техническим достижением, которое не было в достаточной степени оценено[4].

«Биосфера-2» должна была выполнять две задачи: во-первых, поддерживать функционирование нескольких связанных экосистем и проводить исследования в них и, во-вторых, обеспечить жизнь людей в замкнутом пространстве в течение двух лет. Экипаж состоял из восьми человек — четырех мужчин и четырех женщин, ни один из которых не был исследователем, но большинство работали над созданием «Биосферы-2». Предполагалось, что научное руководство будут осуществлять ученые снаружи и каждый член экипажа будет заниматься исследованиями четыре часа в день.

С самого начала многие ученые высказывали критические замечания в отношении организации работ, а также адекватности процессов в экспериментальных и естественных экосистемах. Первая группа замечаний состояла в следующем:

–– невозможность выполнять независимые параллельные измерения на объектах;

–– отсутствие контроля;

–– противоречивость самих целей;

–– затруднения в выполнении исследований выбранным персоналом.

Среди второй группы замечаний главное заключалось в том, что несмотря на размеры комплекса, каждое сообщество в нем сравнительно мало (некоторые болота имеют площадь всего 1–2 м²), поэтому отношение между поверхностью, объемом, длиной границ, а также между запасом углерода и биогенных элементов в живой и неживых частях системы резко отличалось от земного. Например, на Земле биомасса диоксида углерода в океане и атмосфере на несколько порядков превосходит его содержание в живом веществе. В комплексе соотношение обратное, и сомнительно (даже с учетом технического регулирования), что процессы в «Биосфере-2» будут сходны с природными и могут быть их моделью.

Серьезные трудности выявились еще до начала первого масштабного эксперимента. Чтобы ускорить рост растений, были использованы почвы с высоким содержанием органического вещества, в некоторых случаях практически компост.

В замкнутой системе в них интенсивно размножались бактерии, окислявшие органическое вещество, а выделение диоксида углерода значительно превосходило расчетные оценки. Замена 30 000 т почвы требовала больших расходов и надолго задерживала начало эксперимента. В техническом этаже были установлены химические поглотители СО₂, которые рассчитывали использовать лишь временно, до стабилизации процессов в системе. К августу 1991 г. в комплексе был выращен трехмесячный запас пищевых продуктов; предполагалось, что к концу эксперимента будут сохраняться запасы для следующего экипажа. Эксперимент был начат 26 сентября 1991 г., герметичные двери были закрыты и запечатаны.

Вскоре стало очевидно, что развитие событий не соответствует планам, и экипаж встретился с серьезными трудностями [5].

Концентрация диоксида углерода спустя месяц в пять раз превосходила величину для земной атмосферы; это не представляло прямой опасности для людей, но делало невозможными какие-либо эксперименты с измененной газовой средой. Выявилось значительное поглощение газов бетоном, которое препятствовало оценке газового баланса. «Океан» становился все более кислым, и кораллы погибали. Влажность превосходила расчетную, «пустыня и саванна» зарастали влаголюбивыми видами растений. Одни виды растений росли очень интенсивно, другие вымирали. Исчезали некоторые виды интродуцированных животных, но одновременно размножались муравьи и тараканы, занесенные вместе с растительностью. В целом это можно было предвидеть — при изменении условий развивались оппортунистические виды, приспособленные к быстрой колонизации среды в широком диапазоне абиотических факторов, и угнетались специализированные виды устойчивых комплексных сообществ.

В сельскохозяйственной зоне оказалось невозможным получить расчетную продуктивность. Куры и козы не обеспечивали экипаж даже минимальным количеством животного белка. На грядках размножались вредители; попытки удалить их механически или с помощью серы и мыла оказались неэффективными. Но даже вегетарианский рацион при жестком рационировании едва поддерживался на минимальном уровне (1700 ккал в день вместо 2000–2500), и за первый год члены экипажа похудели в среднем на 10 кг. Экипаж вынужден был тратить основное время на поддержание функционирования систем и на получение, хотя бы, минимального урожая. Научные программы исполнялись не систематически и на низком уровне, что вызывало недовольство научных руководителей. Исследования биогеохимических циклов серы, азота и фосфора не выполнялись.

Стало выявляться падение концентрации кислорода в атмосфере — его парциальное давление соответствовало уже высоте 3500 м над уровнем моря. Появились симптомы хронической гипоксии. Возникла угроза необходимости прервать эксперимент. Менеджеры подвезли цистерны с жидким кислородом, чтобы пополнить атмосферу. Это было сделано скрытно, но не прошло незамеченным и вызвало бурную общественную реакцию. Попытки скрыть проблемы быстро становились лакомым куском для журналистов и подавались как газетные сенсации; отсутствие научных результатов все более портило репутацию проекта.

Эксперимент все же продолжался, но на второй год эконавтам стали скрытно доставлять продукты, которые составили 15 % рациона. Выживание стало основной и, почти единственной, задачей.

Через два года первая фаза была закончена, исхудавшие члены экипажа вышли из станции в атмосфере неодобрения и резкой критики [6].

В феврале 1994 г. был начат новый эксперимент, главной задачей которого было поставлено выживание в замкнутой системе. Ученые теперь допускались внутрь системы для передачи материалов и инструкций и выполнения опытов.

Экипаж имел задачи исследовательского характера, а срок пребывания не был жестко фиксирован (от 4 до 12 месяцев).

Этот эксперимент был прекращен через семь месяцев, т. к. помимо причин, общих с первым опытом, наблюдалось усиление нитрификации и накопление оксидов азота в воде и атмосфере. Питьевая вода (конденсат со стекол) была загрязнена нитратами, а в воздухе их концентрация достигла опасного уровня.

Была проведена независимая экспертиза комплекса, его состояния, возможностей и предложенных программ. Эксперты отметили высокий технический уровень систем комплекса, его уникальность и желательность использования для научных целей. Вместе с тем как «оранжерея» он очень дорог (систему обслуживают 20 техников; эксплуатация обходится в 10–12 млн. долларов в год). Освещенность комплекса недостаточна, т. к. стекла пропускают лишь половину солнечного света. Основным преимуществом представлялась возможность проводить опыты на деревьях высотой до нескольких метров. Эксперты отметили, что хотя биоценозы в системе имеют искусственный характер, они могли бы быть использованы для экологических исследований общего характера, особенно с использованием стабильных изотопов. Но, несмотря на большое количество предложений по комплексному исследованию взаимодействий в экосистеме и биоразнообразию, один из трех экспертов, ранее входивший в руководящий комитет Национального научного фонда США, отметил, что ни одно из них не основано на оригинальных идеях и достаточно конкретно, чтобы получить федеральную поддержку. Лучше обстояло дело с редукционистскими программами, требовавшими выполнения экспериментов в контролируемых условиях (с контрольными опытами и повторами), но для их проведения были нужны серьезные изменения в конструкции комплекса. Эксперты отметили, что вторым экипажем были получены обещающие результаты по взаимовлиянию растительности и почвенных микробов — увеличение содержания диоксида углерода в атмосфере вызвало не только ускорение роста растений, но также активизацию метаболизма почвенных бактерий и усиление выделения диоксида углерода. Чтобы подтвердить этот факт, нужно было или вновь выполнить эксперименты в замкнутой среде, или внести существенные изменения в их постановку. И то, и другое представляло серьезные трудности.

Сама же биосфера находилась в «ужасном» состоянии, и была предпринята операция по ее очистке. В двери были вмонтированы мощные шахтные вентиляторы и полностью заменена атмосфера. Произведена смена воды во всех системах, удалены десятки тонн отходов и использованной почвы. Оказалось, что в «смутные времена» были утеряны схемы размещения сотен датчиков, поэтому их невозможно найти и откалибровать. Датчики были заменены, их стало около 70; сменены устаревшие компьютеры управляющего центра.

В настоящее время в модуле пустыни проводят постепенный переход к сухим условиям (в замкнутом режиме влажность была слишком высокой, и разрослась влаголюбивая флора, которая теперь медленно вымирает). В этой части и в «океане», который характеризуется отсутствием планктона, преобладанием донных красных водорослей и непохож ни на один природный водоем, ведутся лишь ограниченные исследования и обучение студентов работе с различными датчиками.

Для выполнения редукционистских программ были получены гранты, самый крупный из которых (миллион долларов) выделен фондом Паккарда на исследования, связанные с глобальным потеплением и определением скорости роста и газообмена тропических деревьев при разной концентрации диоксида углерода в атмосфере. Сельскохозяйственный модуль разделен на три отдельных блока, изолированных гибкими перегородками. В блоках поддерживается разная концентрация диоксида углерода.

Жилой модуль используется для обучения и как административное здание; лишь жилище одного члена экипажа сохранено для показа туристам. В 1999 г. координатор проекта Дж. Берри отметил, что преобразование комплекса в исследовательский, оказалось трудным, поскольку он не был спроектирован для научных целей, и потребовалось больше времени, чем ожидалось: «Сейчас мы находимся на грани возможности выполнять сложные исследования — мы уже ставим простые опыты и скоро сможем перейти к комплексным».

Главной задачей Колумбийского университета было превращение «Биосферы-2» в учебный центр. Рядом с комплексом и в Оракле были построены либо реконструированы жилые и учебные помещения, найдены преподаватели и обслуживающий персонал, разработаны учебные курсы по экологии. В них используются как возможности «Биосферы-2», так и окружающей Аризонской пустыни.

Нужно отметить, что технический потенциал «Биосферы-2» пока не удалось использовать для комплексных экологических исследований. Это отражает не только (возможно, и не столько) особенности системы, сколько концептуальные, методические и технические трудности экспериментального синэкологического исследования. Хотя провозглашенные при создании комплекса цели оказались невыполнимыми, а средства не соответствовали задачам, следует признать, что эксперимент оказал значительное влияние на экологическое мышление и оценку экспериментальных возможностей проверки экологических гипотез.

Литература

1. Мельников А. А. Проблемы окружающей среды и стратегия ее сохранения. М.:   Академический проект. – 2009 .744 с.
2. Дрогомирецкий, И. И. Охрана окружающей среды: экономика и управление / И. И. Дрогомирецкий, Е. Л. Кантор. — Ростов-на-Дону: Издат. центр «МарТ», Феникс, 2010. — 393 с.
3. Хабарова И.А. Экологический менеджмент и экологический аудит.// Землеустройство, кадастр и мониторинг земель, №6, 2016, с.47-53.
4. Хабарова И.А., Дручинин С.С. Стратегия снижения экологической опасности – Славянский форум №3(13). – 2016. с. 312-321.
5. Хабарова И.А. Математическое моделирование эффективности использования земель – Приложение к журналу Известия вузов: геодезия и аэрофотосъемка, сборник статей по итогам научно-технической конференции №8. – 2015. с. 138-140.
6. Белолипецкий В.М., Шокин Ю.И. Математическое моделирование в задачах охраны окружающей среды. М.: ИНФОЛИО-пресс. -1997. 240 с.