Куда идти дальше!

Начав в 70-х годах работать над системой «Гея», мы ставили весьма ограниченные цели. Мы стремились лишь к тому, чтобы научиться изучать биосферу как единое целое, создать инструмент, способный объединять усилия специалистов, изучающих отдельные фрагменты биосферы, - инструмент, способный заменить прямое экспериментирование. Теперь, когда первые эксперименты с системой «Гея» уже позади, когда мы осознали место подобным системам в формировании теория развития ноосферы и убедились в эффективности создаваемого инструмента, пришло время поговорить и о перспективах его использования и дальнейшего совершенствования. Такой разговор - это, по существу, обсуждение программы работ, изучающих проблему коэволюции (гармонического развития) Человека и биосферы с позиции математического моделирования, с позиций исследователя, стремящегося найти критические значения характеристик биосферы, узнать, что Человеку дозволено, а что запрещено раз и навсегда, более точно - в обозримом будущем.

Но такая программа требует надежного научного обоснования, решения многочисленных, чисто профессиональных вопросов, направленных на совершенствование самой системы моделей и средств ее использования, то есть всей той очень непростой системы математического обеспечения, которая призвана облегчить исследователю доступ к «Гее» и наладить общение с ней в режиме диалога.

Я не буду утомлять читателя обсуждением этих подробностей, носящих узкопрофессиональный характер. И хотел бы только заметить, что подобная работа связана с огромной затратой труда и требует от коллектива очень высокой квалификации.

Одновременно с совершенствованием самой системы «Гея» мы предполагаем поставить несколько больших экспериментов, а точнее - задать с ее помощью природе несколько вопросов. О двух из них я постараюсь рассказать.

Но прежде я хотел бы заметить, что любая вычислительная система, а система «Гея» - это прежде всего вычислительная система, должна все время находиться в работе. Ее надо непрерывно эксплуатировать, решать с ее помощью» все новые и новые задачи. Только в этом случае «она не заржавеет», и исследователь сможет узнать ее сильные свойства и слабости. Это даст ему возможность наиболее эффективно использовать ее потенциал и совершенствовать ее.

Одним словом, система «Гея» - это экспериментальная установка, с помощью которой исследователь способен проникать в святая святых Природы, и она все время должна находиться в работе, то есть создавать новые знания.

Первый из задуманных экспериментов - это естественное развитие того первого большого эксперимента, который мы провели еще в 1982 году и который уже был описан в этой книге. Тогда мы поставили себе целью узнать, как будет изменяться продуктивность биоты, если в атмосфере концентрация углекислоты удвоится. Теперь мы хотим поставить вопрос шире.

Удвоение концентрации углекислоты приводит к нагреванию атмосферы, к повышению ее средних температур и перераспределению температуры, осадков и облачности на поверхности Земли. Но ведь нагревание Земли происходит не только от сжигания углеводородного топлива. Любая энергия, произведенная на Земле, так или иначе сказывается на характере теплового баланса планеты и нагревает ее атмосферу. Поэтому очень интересно с чисто научной целью изучить влияние развития энергетики на климат нашей планеты.

Сегодня количество искусственной энергии, то есть энергии, производимой людьми, составляет сотые доли процента энергии, которую Земля получает от Солнца, и эффект нагревания пока еще не заметен. Однако скоро многое может измениться, поскольку удвоение производства энергии происходит, как мы уже говорили, за 15- 18 лет. И к середине следующего века доля искусственной энергии в общем энергетическом балансе планеты может оказаться весьма заметной. Вспомним, что нам надо сравнивать количество производимой энергии не с энергией, которую Земля получает от Солнца, а с разностью энергий, получаемой от Солнца и излучаемой Землей в космос.

Ныне существуют несколько сценариев развития энергетики. Согласно одним предположениям в ближайшее столетие по-прежнему опережающее развитие будет иметь традиционная технология получения энергии на основе ископаемых углеводородов (прежде всего угля). Согласно другим - непрерывно будет расти доля ядерной энергетики. Реализация этих сценариев будет иметь неодинаковые последствия. Их изучение с позиций глобальной экологии снабдит ученых и инженеров важнейшей экологической информацией. Кроме того, в рамках подобной программы исследований у нас появится реальная возможность оценить те предельно допустимые количества энергии искусственного происхождения, которые ограничивают производство энергии в современных условиях, то есть найти еще одну точку «Роковой черты».

Заметим, что подобная работа может породить целый ряд новых исследований, которые в настоящее время звучат почти фантастически. Так, например, вполне реальной станет проблема рационального размещения сельскохозяйственного производства в преддверии сдвигов климатических зон. Еще более странной для современного человека покажется проблема отвода тепла в космическое пространство, позволяющая сохранить в необходимых пределах среднюю температуру планеты. Сейчас даже трудно предсказать, какую цепочку новых исследований и новых технических проектов потянет за собой изучение проблемы влияния развития энергетики на климат.

Отвод тепла в космическое пространство

Вместе с этим надо учитывать и новые тенденции, которые начинают проявляться в отношении потребления и производства энергии.

Сейчас мы говорим об удвоении количества вырабатываемой энергии за каждые 15--18 лет. Производство энергии вот уже сотни лет значительно опережает рост других производств, и это считается нормой «здоровой» экономики, если угодно, одним из ее законов. И, кроме того, до самого последнего времени происходил рост энергоемкости традиционных производств.

Так, например, в XX веке урожайность зерновых за счет химизации, мелиорации, использования более совершенной техники и технологии выращивания растений, то есть интенсификации сельскохозяйственного производства, увеличилась в развитых странах в 3-3,5 раза. Это привело к ряду совершенно новых явлении. Скажем, страны Западной Европы из импортеров сельскохозяйственной продукции превратились в ее экспортеров.

Но одновременно энергетические затраты на производство одной тонны зерна возросли во много десятков раз. Замена лошади трактором, навоза - химическими удобрениями и многое другое - вот что является причинами повышения энергоемкости. Конечно, цена - точнее, себестоимость - сельскохозяйственной продукции при этом значительно уменьшилась, ибо энергия пока еще дешевая. Человеку легче добыть и использовать энергию из угля, нефти или реки, чем держать волов или лошадей. Так же обстоит дело и в других отраслях.

Но ситуация понемногу начинает меняться. Прежде всего появляются новые производства, не требующие большой затраты энергии. Такие, например, как микроэлектроника и биотехнология, и они во все большей степени определяют лицо современной промышленности, Влияние таких неэнергоемких технологий уже начало сказываться на мировом экономическом процессе. Мировой валовой продукт последние годы стал расти несколько быстрее энергетики. Темпы ее роста перестали быть опережающими. Тезис о необходимости опережающего роста энергетики перестал быть аксиомой. Может оказаться, что современные представления о сценариях будущего развития энергетики потребуют коренного пересмотра! Однако как бы ни развивалась в будущем энергетика, иметь достаточно полное понимание ее взаимосвязи с климатом, а следовательно, и с продуктивностью сельского хозяйства кажется очень важным.

Второй эксперимент на системе «Гея» должен быть посвящен более детальному изучению влияния на климат процессов, происходящих в океане. До самого последнего времени «наш океан», то есть океанический блок в первой версии системы «Гея», которую мы использовали для анализа последствий ядерной войны, был очень примитивен. Мы учитывали только влияние верхнего слоя океана, то есть модель учитывала только верхний слой океана и была чисто термодинамической, то есть движением океанических вод мы пренебрегали. (Для описания термодинамики океана мы использовали модель Реснянского Ю. Д. и Троснякова И. В., следуя их статье «Параметризация деятельного слоя океана при моделировании зональной циркуляции атмосферы». Труды Гидрометеоцентра СССР, 1980, с. 229.) Такой подход себя оправдывает в тех исследованиях, где изучаются процессы, которые не приводят к существенным изменениям современной структуры течений, или процессы, продолжительность которых невелика (то есть когда исследования проводятся на малых временных интервалах - как это, например, было при изучении «ядерной ночи» и «ядерной зимы»).

Но если мы хотим изучать долговременные перспективы, да к тому же связанные с существенным изменением климатических характеристик, то такая модель океана уже не будет удовлетворительной. Для подобных исследований необходима новая версия системы «Гея», у которой будет значительно усовершенствован океанический блок. Предполагается, что в новой версии будет учитываться структура течений и возможность их перестройки. Вот тогда мы, может быть, окажемся в состоянии понять особенности климата времен максимума голоцена и разгадать его загадку.

Но основной эксперимент, для которого создают новые версии системы, связан с оценкой влияния загрязнения океана на климат. Дело в том, что тонкая (иногда мономолекулярная) пленка, образующаяся на поверхности моря из-за ее загрязнения, существенно изменяет спектральную структуру энергообмена «океан - атмосфера» и уменьшает поток энергии, идущий от океана к атмосфере. Кроме того, и это, наверное, самое опасное, - вместе с появлением поверхностного загрязнения уменьшается испарение. Измерения, проводившиеся в акваториях портов или заливов, где судоходство достаточно напряженно, а в воду, вольно или невольно, сбрасываются многие тонны нефтепродуктов, испарение с поверхности уменьшается на 25 - 30 и даже больше процентов. Поэтому вполне естествен вопрос: а как такое уменьшение испарения повлияет на климат, на его влажность, распределение осадков и, наконец, на характер общей циркуляции атмосферы?

Может быть, сейчас эти факторы и не играют существенной роли в формировании климата (впрочем, кто знает?), но это загрязнение стремительно растет. Представим себе, например, что будет, если произойдет катастрофический выброс нефти из скважин Мексиканского залива. Эта катастрофа может существенно изменить характер энергообмена и испарения в районе, где формируется Гольфстрим - то течение, которому Европа обязана своим хорошим климатом и процветанием! В океане существуют, по-видимому, некоторые критические зона изменение характеристик которых может бедственно отразиться на общей климатической картине.

Сегодня нам становится очевидной необходимость иметь несколько версий системы «Гея». Об одной я уже рассказал. Но нужны и другие версии.

Система «Гея» содержит биотический блок. Но пока что он очень примитивен. Я уже говорил о том, что мы были вынуждены ограничиться описанием только одного углеродного цикла. Этого может быть на первых порах и достаточно, пока мы основное внимание обращаем на климат, причем изучаем его изменения на небольших временных отрезках. Но если мы хотим более глубоко изучить судьбу биоты, перестройку ее структуры под действием тех или иных факторов на относительно больших интервалах времени, то мы уже не можем ограничиться одним углеродным циклом. Следующим по важности элементом, если здесь уместна какая-либо ранжировка, является азот. Кругооборот азота в природе - это важнейший процесс, определяющий жизнедеятельность растений.

Изучение азотного цикла неизмеримо сложнее углеродного. Его нельзя рассматривать изолированно, как мы это можем делать с углеродным циклом. Круговорот азота тесно связан с водным циклом и процессами в почве. Значит, теперь нам необходима еще модель почвы, а моделирование процессов, происходящих в почве, - это уже совсем иная форма деятельности.

Почва, почвенный покров занимает ключевое место в биоте суши. Не будет преувеличением сказать, что почва - это основа биосферы. В ней сосредоточена значительная часть биомассы планеты. Воздействие на почву - это наиболее прямой и эффективный путь подъема жизнедеятельности полей, лугов, лесов. Плодородие почвы - это основа благополучия человечества. Вот теперь нам предстоит разработать модель почвенного покрова и научиться объединять ее с остальными блоками модели «Гея».

Практическая значимость тех выводов, которые уже получены с помощью системы «Гея», ведет нас к известной ревизии исходных посылок. До сих пор мы изучали прежде всего процессы глобального характера. Но среди тех крупномасштабных воздействий человека на окружающую среду заметное место занимают крупные инженерные проекты.

Серьезно обсуждается проект создания канала, соединяющего Средиземное море со впадиной Катар в Ливийской пустыне, что приведет к появлению внутреннего моря в Северной Африке. Обсуждаются различные проекты изменения течений в океане. Говорят, например, о канале, который рассечет Канин Нос и даст возможность северной ветви Гольфстрима подойти к Карскому морю. В печати в свое время дискутировался вопрос о строительстве дамбы в районе Ньюфаундлендской банки, которая повернет одну из струй Гольфстрима вдоль побережья полуострова Лабрадор, и т. д.

Каждый из проектов подобного масштаба может оказать весьма сильное воздействие на окружающую среду, причем воздействие глобального масштаба. Прежде чем обсудить детали его инженерной реализации, необходимо тщательно изучить те экологические последствия, которые он может вызвать. Единственный путь получения необходимой информации - это путь машинной имитации, путь создания вычислительных систем типа системы «Гея» и проведения с ее помощью направленного машинного эксперимента.

Я сказал - система типа системы «Гея». Сама система «Гея», направленная на решение задач только глобального масштаба, для этого не годится: она чересчур груба. При исследовании крупных инженерных проектов, их воздействия на Природу мы должны изучить разнообразные и важные детали, которые с помощью системы «Гея» изучены быть не могут. Другими словами, нам нужен новый микроскоп с большей силой разрешения, но направленный на один небольшой участок биосферы. Однако и без системы «Гея» нам обойтись не удастся.

Действительно, ведь любой район планеты является ее неотъемлемой частью. Любые изменения, которые произойдут в Ливийской пустыне, например, скажутся на всей Северной Африке и Средиземноморье. Это влияние может оказаться существенным и в более отдаленных районах. Заранее мы этого сказать не можем. Значит, вырисовывается необходимость и более общих, то есть глобальных, оценок отдельных локальных акций. А для этого мы должны располагать целой иерархией вычислительных систем, обладающих разной степенью разрешимости, должны иметь целый ряд «микроскопов». Эти системы должны быть информационно увязаны в одно целое, допускать разнообразные пересчеты и т. д. Одним словом, представляется необходимым и возможным создание целой специальной службы моделей, оценивающих те или иные природные последствия тех или иных проявлений человеческой активности.

Я не случайно употребил слово «служба». Во взаимоотношениях Человек - Природа непрерывно возникают проблемы, требующие компетенции самого различного рода, требующие реализации исследовательских программ, относящихся к самым разным сферам человеческой деятельности. Рядом с физиком должен работать биолог, рядом с геологом - математик и т. д. И вот в такой ситуации математические модели играют еще одну важную роль. И даже не одну. Во-первых, они формируют общий язык, а во-вторых, играют роль архитектора в создании схемы исследовательской программы. Поясним сказанное.

Сегодня, когда древо знаний бесконечно разрослось, возникла узкая специализация ученых. Каждый знает свое дело, роет свой шурф и находит в нем алмазные зерна. И иначе нельзя. Это веление времени. Все, что раньше лежало на поверхности, уже давно собрано. Река знаний разделилась на множество протоков, и в каждом из них появился собственный язык. Ученые, работающие даже в близких областях, часто не понимают друг друга. А они должны делать общее дело. Никому из них не под силу самостоятельно справиться с той или другой крупной экологической проблемой, имеющей жизненное значение для человечества, - требуется кооперация!

Как же организовать необходимые коллективные усилия? Для этого прежде всего нужен общий язык. Без него не избежать эффекта «вавилонской башни». Таким общим языком может быть только язык математических моделей. Следовательно, создание крупных вычислительных систем типа «Гея» тоже является знамением времени, когда у людей возникла необходимость решать проблемы не только междисциплинарного характера, но - я бы даже сказал точнее - наддисциплинарные проблемы.

Имитация реальности с помощью вычислительной системы является своеобразным каркасом, архитектурной схемой комплексных междисциплинарных (наддисциплинарных) исследований.

Каждый участник работы не только должен видеть в ней свое место, но и знать, каким требованиям должна удовлетворять его работа. Математические модели как раз и обеспечивают возможность согласовать информацию, которую должны добыть физики, химики, биологи...

Следовательно, коль скоро вычислительная система, имитирующая реальность, создана, это означает, что в руках у людей оказывается инструмент, с помощью которого они могут решать самые разнообразные задачи. И он должен постепенно превращаться в некоторую специальную, постоянно действующую службу. Для его обслуживания должен создаваться специальный сервис - система вспомогательных программ, облегчающая пользователю общение с системой, и банком данных - хранилища информации, знаний о тех процессах, имитация которых является задачей системы.

В эпоху ноосферы Человеку придется решать проблемы направленного развития окружающей Природы. И в этих условиях большие системы имитации процессов, протекающих в биосфере, сделаются, вероятно, основным инструментом анализа и селекции возможных решений, средством оценки стратегических замыслов, крупных инженерных проектов и т. д. Система «Гея» является прообразом тех будущих систем, с помощью которых Человек станет способен обеспечивать гармоничное развитие общества и Природы.