Характеристика основных методов анализа и моделирования экологических процессов - раздел Экология, Экология: экзаменационные ответы Надорганизменные Системы, Которые Изучает Экология — Популяции, Биоценозы, Эк...
Надорганизменные системы, которые изучает экология — популяции, биоценозы, экосистемы — чрезвычайно сложны. В них наблюдается огромное количество взаимосвязей, прочность и постоянство которых постоянно меняются. Одни и те же внешние воздействия могут привести к различным, иногда прямо противоположным результатам, в зависимости от того, в каком состоянии находилась система в момент воздействия.
Предвидеть ответные реакции системы на действия конкретных факторов можно лишь через сложный анализ существующих количественных отношений и закономерностей. Поэтому в экологии широкое распространение получил метод математического моделирования как средство изучения и прогнозирования природных процессов.
Одной из первых экологических моделей была модель Вольтерра-Лотки. В любом биоценозе происходит взаимодействие между всеми элементами: особи одного вида взаимодействуют с особями и своего вида, и других видов. Эти взаимодействия могут быть мирными, а могут иметь связь типа «хищник-жертва». Было замечено, что численность хищных рыб колеблется в обратной пропорции относительно колебаний численности мелких рыбешек, которые служат им пищей. Анализ этих колебаний позволил математику Вито Вольтерра (1860 — 1940) вывести необходимые уравнения. Если бы в биоценозе было только два вида (очень большое упрощение), то даже и в этом случае динамика численности каждого из видов сильно отличалась бы от картины их независимого существования.
Кроме ситуаций «хищник-жертва» и «конкуренция-сосуществование» может моделироваться ситуация «симбиоз». Модель симбиоза отражает кооперацию отдельных видов в борьбе за существование, когда один вид помогает или покровительствует другому (кооперация пчел, кооперация деревьев). Математические модели, настроенные на устойчивость такой системы, показывают, что при достаточно больших начальных значениях численности всегда будет происходить экспоненциальный рост популяций, что в определенных случаях соответствует действительности. Биосфера сформировалась по собственному плану без участия человека. Качественно новый этап в развитии биосферы начался с появлением человека в конце третичного периода. Сначала деятельность человека мало отличалась от деятельности других существ. Добывание огня выделило человека из ряда других животных. При этом человек не только сумел расселиться в районы холодного климата, пережить оледенения и защититься от хищников, но и научился уничтожать органические остатки, вмешиваясь в круговорот веществ в биосфере. Сейчас происходит интенсивная перестройка природы в результате человеческой деятельности. Перед человечеством вырисовывается угроза голода, самоотравления, разрушения биологической основы наследственности. Для предотвращения угрозы надо знать ее причины. В этих целях строились глобальные экологические модели.
Первой моделью прогнозирования расхода ресурсов была модель Т. Мальтуса (1798), который исходил из геометрического роста численности населения и арифметического роста средств существования. Последующий опыт проиллюстрировал упрощенность и ошибочность этого подхода.
Дж. Форрестер (1970) предложил динамическую мировую модель, учитывающую изменение численности населения, капитальных вложений; природных ресурсов, загрязнение среды, производство продуктов питания. Принятые в модели взаимосвязи достаточно сложны. Например, рост численности населения поставлен в зависимость от его плотности, обеспеченности питанием, уровня загрязнения окружающей среды, наличия ресурсов, материального благосостояния; темп смертности увязан с уровнем жизни, питанием; загрязнение среды связано с объемом фондов и т.д. Многофакторная модель Форрестера позволяет рассматривать динамику показателей состояния мировой системы в зависимости от варьирования различных факторов. Одним из результатов исследования Форрестера были графики расхода природных ресурсов при стабилизации численности населения, фондов и «качества» жизни.
Группа Д. Мероуза (1972) построила динамическую модель на базе пяти основных показателей: ускоряющаяся индустриализация, рост численности населения, увеличение числа недоедающих, истощение ресурсов, ухудшение окружающей среды. В модель заложен большой набор частных связей, в три раза больше, чем в модели Форрестера. Прогноз по модели Мероуза по различным вариантам показал, что вследствие исчерпания природных ресурсов и растущего загрязнения в середине XXI века произойдет мировая катастрофа. Единственным вариантом для ее исключения может быть стабилизация численности населения и увеличение объема промышленности, стимулирование капиталом развития сельского хозяйства.
Модель М. Месаровича и Э. Пестеля (1974) отличается размерностью и детальностью связей. В ней содержится более ста тысяч уравнений, описывающих мировую систему как совокупность региональных систем. Авторы выделили наиболее крупные страны (Россия, Китай, Вьетнам и др.) и регионы (Северная Америка, Западная Европа, Северная Африка и др.), 10 групп населения, 5 категорий машин, 2 разновидности сельскохозяйственного производства, 19 разновидностей промышленного капитала, 5 видов капитала в энергетике. На базе этой модели авторы рассмотрели различные сценарии развития мировой системы.
В Пенсильванском университете создана система совместного функционирования национальных моделей. Ее математическая часть состоит из более чем 20 тысяч уравнений.
Группой экспертов ООН под руководством В. Леонтьева в конце 70-х годов разработана межрегиональная модель межотраслевого баланса мировой экономики.
В конце тех же 70-х годов под руководством Н.Н. Моисеева была разработана математическая модель биосферы «ГЕЯ». Она состояла из двух взаимосвязанных систем. Первая описывала процессы, происходящие в атмосфере и океане. Вторая — круговорот веществ в природе. В ее основу положены такие локальные модели, как испарения с поверхности океана и конденсация воды в атмосфере, поглощение углекислоты морской водой, перенос энергии атмосферой, реакции фотосинтеза, отмирание растений, распределение биомассы на поверхности Земли и др. На базе модели «ГЕЯ» был выполнен расчет различных сценариев изменения климата на планете под воздействием ядерного взрыва, крупного пожара, извержения вулкана, создания крупного локального топливно-энергетического комплекса, изменения горного ландшафта.
В первой половине 80-х годов ученые различных стран создавали глобальные математические модели с целью прогнозирования последствий ядерной войны. Наиболее обширными были модель американского астронома К. Сагапа и модель «ГЕЯ». В значительной степени эти исследования I стимулировали политические решения государств по сокращению ядерного вооружения.
Практически в построении математических моделей сложных процессов выделяются следующие этапы:
• тщательное изучение тех реальных явлений, которые нужно смоделировать; выявление главных компонентов и установление законов, определяющих характер взаимодействия между ними; формулировка тех основных вопросов, ответы на которые должна дать модель;
• разработка математической теории, описывающей изучаемые процессы с необходимой детальностью; на ее основе строится модель в виде системы абстрактных взаимодействий; установленные законы должны быть облечены в точную математическую форму; конкретные модели могут быть представлены в виде логической схемы машинной программы;
• проверка модели — расчет на основе модели и сличение результатов с действительностью. При этом проверяется правильность сформулированной гипотезы. При значительном расхождении модель отвергают или совершенствуют. При согласованности результатов модели используют для прогноза, вводя в них различные исходные параметры.
Расчетные методы, в случае правильно построенной модели, помогают увидеть то, что трудно или невозможно проверить в эксперименте; позволяют воспроизводить такие процессы, наблюдение которых в природе потребовало бы огромных сил и больших промежутков времени;
В настоящее время моделируют различные по масштабам и характеру процессы, происходящие в реальной среде. Математическими моделями описываются и проверяются разные варианты динамики численности популяций, продукционные процессы в экосистемах, условия стабилизации сообществ, ход восстановления систем при разных типах нарушений. Строятся математические модели по регулированию промыслового усилия, модели промышленных популяций; модели трофических связей по решению проблемы с вредителями, модели эксплуатации лесного хозяйства, стратегические модели использования сырья, математические модели выбора способов производства, модель оптимизации платы за воду и многие другие;
В настоящее время необходимы глобальные математические модели, в которые входили бы подсистемы взаимодействия между атмосферой и водой, атмосферой и поверхностью почвы, процессы в каждом из элементов окружающей среды, взаимодействие верхнего слоя атмосферы с космосом, механизмы саморегулирования в природе, влияние деятельности человека на окружающую среду. При значительном объеме возможностей подобная модель должна быть достаточно детальна для регионов Земли. На такой модели можно будет оценить крупные инженерные решения, деятельность городов, варианты гидросистем, размещение заводов и т.д.
Все темы данного раздела:
IV.БИОСФЕРА. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ
Понятие о биосфере. Современные концепции биосферы
Структура биосферы
Функции биосферы
Границы жизни в биосфере
Круговорот веществ в биосфере
Биогенная
VI. ЧЕЛОВЕК И БИОСФЕРА
Что изучает экология человека
Экологическая дифференциация человечества. Понятие об адаптивных типах
Человечество как экологический фактор
Связь между экологической ситуа
Основные методы экологии
Традиционное деление экологии на общую, (изучение основных принципов организации и функционирования биологических систем) и частную (изучение конкретных групп живых организмов) отражает не стольк
Среда обитания
Одним из важнейших понятий экологии является среда обитания. Среда — это совокупность факторов и элементов, воздействующих на организм в месте его обитания.
Любое живое существо живет в сл
Вид и его экологическая характеристика
Вид — элементарная структурная единица в системе живых организмов, качественный этап в их эволюции.
Вид — это совокупность особей, обладающих сходством внутреннего и внешнего строения, би
Популяция как форма существования вида
Популяция — это совокупность особей одного вида, длительно существующая на определенной территории (ареале) и отделенная от других популяций той или иной формой изоляции. Популяция является элемен
Регуляция численности популяций в биоценозах
Современная теория динамики численности популяций рассматривает колебания численности популяции как авторегулируемый процесс. Выделяют две принципиально разные стороны популяционной динамики: моди
Характер связей между организмами в экосистеме
В состав любой экосистемы или биоценоза обычно входит множество видов растений, животных, грибов, бактерий, каждый из которых представлен здесь популяцией. Все живые организмы испытывают влияние
Гомеостатические реакции организмов на изменение экологической ситуации
Для большинства видов экологический оптимум биологической активности ограничен жесткими рамками. Сохранение должного уровня биологической активности, несмотря на колебания интенсивности экологич
Основные пути адаптации в экосистемах
Адаптация— это процесс приспособления строения и функций организмов (особей, популяций, видов) к меняющимся условиям среды. С течением времени любые условия существования изменяю
Концепция биогеоценоза
Всю полноту взаимодействия и взаимозависимости живых организмов и элементов неживой природы в области распространения жизни отражает концепция биогеоценоза В.Н. Сукачева.
Биогеоценоз — эт
Биоценоз и его главные характеристики
Биоценоз — это самоподдерживающаяся, саморегулирующаяся система, состоящая из определенного комплекса видов, в которой осуществляется круговорот веществ и энергии.
К важнейшим характерист
Понятие о динамике, или эволюции биоценозов
Биоценозы не остаются неизменными, они развиваются, эволюционируют, в них постоянно происходят изменения в состоянии и жизнедеятельности организмов и соотношении популяций. Все многообразные измене
Пищевые сети и цепи
Существование любого биоценоза возможно только при постоянном притоке энергии. По существу, вся жизнь на Земле существует за счет энергии солнечного излучения, которая переводится фотосинтезирующим
Экологическая пирамида. Правило экологической пирамиды
Экологическая пирамида — это графическое изображение потерь энергии в цепях питания.
Цепи питания — это устойчивые цепи взаимосвязанных видов, последовательно извлекающих материалы и энер
Сравнение биоценоза и агроценоза. Пути повышения продуктивности агроценоза
Агроценоз— это биоценоз, искусственно созданный человеком для своих целей с определенным уровнем и характером продуктивности.
В настоящее время агроценозами занято около
Понятие «биосфера». Современные концепции биосферы
Биосфера - это часть оболочек земного шара, населенная живыми организмами и активно преобразующаяся ими. Термин «биосфера» предложен австралийским геологом Э. Зюссом в 1875 г. для обозначения оболо
Структура биосферы
Биосфера— это часть оболочек земного шара, населенная живыми организмами, т.е. часть атмосферы, гидросферы и литосферы.
Атмосфера— воздушная оболочка Зе
Функции биосферы
Главную роль в теории биосферы В.И. Вернадского играет представление о живом веществе и его функциях.
Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов.
Границы жизни в биосфере
В.И. Вернадский определил биосферу как термодинамическую оболочку с температурой от —50 до +50 градусов и давлением около 1 атмосферы. Эти условия и определяют границы жизни для большинства органи
Круговорот веществ в биосфере
Главная функция биосферы заключается в осуществлении круговорота химических элементов. Глобальный биотический круговорот совершается при участии всех населяющих планету организмов. Он заключаетс
Биогенная миграция атомов
В.И. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, основа которой — взаимодействие живого и косного вещества: «живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и эн
Основные этапы эволюции биосферы
Эволюция биосферы на протяжении большей части ее истории осуществлялась под влиянием двух главных факторов: естественных геологических и климатических изменений на планете и изменений видового со
Понятия о биогенезе и ноогенезе
В настоящее время наиболее актуальным становится разработанное В.И. Вернадским учение о биосфере и неизбежности ее эволюционного превращения в принципиально измененную оболочку Земли, управляему
Условия устойчивости, стабильности биосферы
Биосфера выступает как огромная, чрезвычайно сложная экологическая система, работающая в стационарном режиме на основе тонкой регуляции всех ее составляющих частей и процессов.
Стабильнос
Характеристика потока энергии в биосфере
Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот веществ в экосистемах возможны только за счет постоянного притока энергии. Более 99% энергии, поступающей на поверхность Земли, составляет из
Характеристика химического состава атмосферы как геосферы и части биосферы
Атмосфера Земли — это газовая оболочка, окружающая Землю. Атмосферой называют ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с ней как единое целое. Масса атмосферы составляет 5,
Характеристика химического состава гидросферы как геосферы и части биосферы
Гидросфера — водная оболочка Земли. Вследствие высокой подвижности воды проникают повсеместно в различные природные образования. Вода находится в виде паров и облаков в земной атмосфере, формируе
Характеристика химического состава литосферы как геосферы и части биосферы
Земная кора- наиболее неоднородная оболочка Земли, образованная различными минеральными ассоциациями в виде осадочных, изверженных и метаморфических горных пород, различных форм за
Характеристика биомассы поверхности суши, почвы и Мирового океана
Биомассой называют количество живого вещества всех групп растительных и животных организмов в биосфере. Общая масса живого вещества на Земле была впервые подсчитана В.И. Вернадским, который в 1927
Ресурсы биосферы и современные демографические проблемы
С философской и экономической точек зрения, главной причиной ухудшения экологической инфраструктуры среды обитания человека следует считать процессы резкого расхождения интересов технократических
Закономерности зависимости организмов от факторов среды
В связи с деятельностью живого вещества планеты формируется современный химический состав атмосферы и растворенного вещества гидросферы. Поскольку все участки биосферы формируются в результате де
Сущность концепции экологического риска
Природная среда представляет человеку условия обитания и ресурсы для жизнедеятельности. Развитие хозяйственной деятельности человека улучшает условия существования людей, но требует увеличения р
Особенности экологии городов и крупных сельскохозяйственных районов
Экологические проблемы городов, главным образом, наиболее крупных из них, связаны с чрезмерной концентрацией на сравнительно небольших территориях населения, транспорта и промышленных предприятий,
Понятие о стратегии устойчивого экологического развития
Впервые идея разработки Всемирной стратегии охраны природы была выдвинута в конце 70-х годов международными организациями: Международным союзом охраны природы и природных ресурсов (МСОП), Программ
Экологические принципы охраны человека и природы
С точки зрения философии принцип целесообразности должен быть принят в качестве определяющего критерия организации. Принимая этот критерий за основной, понятие организации можно определить как цел
Понятие об экологическом кризисе
Качественно новый этап в развитии биосферы наступил с возникновением человеческого общества. На новых этапах антропогенеза интенсивность воздействия людей на среду обитания не отличалась от воздейс
Экологические принципы природопользования
Развитие человеческого общества невозможно без взаимодействия с окружающей средой, без воздействия на природу, без использования ее ресурсов. Человек получает от природы все необходимое для жизни
Понятия о биогеохимических провинциях и геохимических заболеваниях
Территории на земном шаре, на которых вследствие естественного неравномерного распределения химических элементов в литосфере, гидросфере и атмосфере наблюдается недостаток или избыток какого-то х
Экологическая экспертиза, ее цели и задачи
Важной функцией государственного экологического кон троля является экологическая экспертиза как комплекс мер юридического и экономического характера. Ее механизм воплощает три основных компонента:
Экологическая преступность. Виды экологических преступлений
Экологическая преступность— сложная совокупность экологических преступлений, то есть общественно опасных, виновных, противоправных, причиняющих вред окружающей природной среде и з
Понятие об экологическом паспорте предприятия
Комплексные экологические требования применительно к каждому отдельному предприятию конкретизируются в его экологическом паспорте. Экологический паспорт промышленного предприятия—
Что изучает экология человека
В настоящее время термином «экология человека» обозначают область экологии, касающуюся взаимодействия человека с окружающей средой. Особенностью экологии человека как самостоятельной науки являетс
Экологическая дифференциация человечества. Понятие об адаптивных типах
Результатом действия природных факторов на протяжении истории человечества является экологическая дифференциация населения земного шара, подразделение его на адаптивные типы.
Ада
Человечество как экологический фактор
Человек в окружающей среде, с одной стороны, является объектом взаимодействия экологических факторов, с другой — сам оказывает воздействие на среду. С этой точки зрения человек и человечество в ц
Связь между экологической ситуацией и здоровьем населения. Причины и типы основных патологий
В нынешних условиях развития общества на первое место выдвигаются не количественные показатели потребления экономических благ на душу населения, а качественные, и среди них важнейшее значение имее
Изменение климата в результате деятельности человека
За последние 5 лет стало очевидно, что человеческая деятельность оказывает заметное влияние на глобальный климат, так как в результате сжигания ископаемого топлива, изменений в землепользовании и
Кислотные дожди
Одной из важнейших (глобальных) проблем является дальний перенос в атмосфере различных загрязняющих веществ. Впервые проблема дальнего переноса возникла в связи с распространением на большие расст
Разрушение озонового слоя
Одной из глобальных проблем является разрушение озонового слоя Земли. Озон образуется в стратосфере из молекулярного кислорода путем присоединения к нему атомарного кислорода, который образуется
Смог и фотохимический туман
В ряде городов атмосферные выбросы столь значительны, что при неблагоприятной для самоочищения атмосферы погоде (безветрие, температурная инверсия, при которой дым стелется к земле, антициклонал
Пути поступления вредных веществ в организм
Вредные вещества могут поступать в организм тремя путями: через легкие при вдыхании, через желудочно-кишечный тракт с пищей и водой, через неповрежденную кожу путем резорбции.
Поступлени
Распределение, превращение и выделение ядов из организма
Поступившие в организм вредные химические вещества подвергаются разнообразным превращениям, почти все органические вещества вступают в различные химические реакции: окисления, восстановления, гид
Комбинированное действие вредных веществ
В настоящее время, в связи с развитием промышленности и нарастанием процессов урбанизации, создаются условия поступления в организм человека одновременно нескольких или многих вредных химических в
Принципы нормирования химических веществ в окружающей среде
Каков же предел содержания химических веществ в окружающей среде, где количественные границы этого предела для безопасности жизнедеятельности? В связи с этой проблемой и возникло понятие предельн
Основные экологические нормативные показатели
Основными экологическими нормативными показателями предприятий, технических средств, технологий являются предельно допустимые выбросы и предельно допустимые сбросы.
Предельно допустимый
Порядок определения платы за загрязнение окружающей среды
В соответствии с Порядком определения платы за загрязнение окружающей среды, размещение отходов, другие виды вредной деятельности, введенным постановлением Правительства РФ, с августа 1992 года у
Основные положения экологического законодательства
Законодательство в области экологической безопасности представляет сложную систему, включающую все нормативно-правовые акты и нормы законодательства страны, предметом регулирования которых являют
Правовые аспекты охраны лесов
Лесное законодательство Российской Федерации направлено на обеспечение рационального и неистощительного использования лесов, их охрану, защиту и воспроизводство, исходя из принципов устойчивого у
Основные правовые принципы и положения в области охраны животного мира и особо охраняемых природных территорий
Основными принципами в области охраны и использования животного мира, сохранения и восстановления среды его обитания являются:
• обеспечение устойчивого существования и устойчивого исполь
Основные принципы государственного законодательства в области охраны атмосферного воздуха
Государственное управление в области охраны атмосферного воздуха основывается на следующих принципах:
• приоритет охраны жизни и здоровья человека, настоящего и будущего поколений;
Основы реализации, цели водного законодательства Российской Федерации
Водное законодательство Российской Федерации регулирует отношения в области использования и охраны водных объектов в целях обеспечения прав граждан на чистую воду и благоприятную водную среду; п
Техногенные системы и их взаимодействие с окружающей средой
Современная научно-техническая революция значительно усложняет взаимоотношения между обществом, производством и природой. Современные масштабы производственной деятельности, объемы которой удваи
Мониторинг окружающей среды. Цели, задачи, объекты исследования
Важнейшим вопросом стратегии регулирования качества окружающей природной среды (ОПС) является вопрос создания системы, способной определять наиболее критические источники и факторы антропогенного
Виды мониторинга окружающей среды
Мониторинг состояния окружающей среды предусматривает постоянное наблюдение за процессами, происходящими в природе и техносфере, с целью предвидения изменений их качества, ухудшения среды обитан
Существующие уровни мониторинга окружающей среды и его организация
Эффективность любой системы (вида) мониторинга во многом определяется его организацией, что представляет собой сложную, многоплановую задачу.
Прежде всего, сложность организации мониторинг
Новости и инфо для студентов