Текст книги "Люди и кибернетика"

Системность и междисциплинарность

Одна из основных трудностей подобных исследований – это обеспечение их системности, комплексности.

Очень трудно выделить какой-либо объект биосферы и изучить его самостоятельно. Биосфера – это единое целое с очень высокой степенью взаимообусловленности.

Отдельный, локальный выброс углекислого газа в атмосферу рассеивается через несколько дней и приводит к изменению состава атмосферы над всеми регионами планеты. Нельзя описать процессы, происходящие на суше, не принимая во внимание недавно обнаруженные мощные аномалии в течениях глубинных вод океана.

Разгадку климатических аномалий в одной части земного шара, как правило, следует искать за многие тысячи километров. Так, например, урожайность в районах Волги и Казахстана тесно связана с интенсивностью осенних штормов в северной части Атлантики.

Если там бывают продолжительные осенние штормы, то океан отдает очень много тепла в атмосферу, и в следующую весну и лето он бывает холоднее обычного.

Но тогда атлантические ветры (так называемый «Западный перенос»), зона действия которых простирается за Уральский хребет, бывают также холоднее обычного и несут с собой большее количество осадков.

В Центральной России и Прибалтике в это время можно ожидать холодного и дождливого лета, зато эти неприятности с лихвой окупаются благами, которые получают восточные и юго-восточные районы страны: влажные холодные ветры, проникая в глубину Евразии, парируют азиатские ветры, дующие с севера или, что еще опаснее, из среднеазиатских пустынь. В подобных ситуациях можно ждать хороших урожаев в степных районах Советского Союза.

Точно так же нельзя отделить процессы, протекающие в биоте, от атмосферных процессов. Прежде всего именно биота – живая часть атмосферы определяет структуру углеродного цикла. А количество углекислоты в атмосфере влияет на температуру атмосферы, создавая так называемый парниковый эффект. Суть его в том, что атмосфера Земли, практически прозрачная для коротковолновой солнечной радиации, сама непосредственно солнцем нагревается очень слабо: один хороший шторм в океане, оказывается, отдает тепла атмосфере больше, чем солнечная радиация за целый год.

Нагревание атмосферы происходит главным образом за счет теплового излучения нагретой солнцем подстилающей поверхности суши и океана! Присутствие же углекислоты (СО2) в атмосфере препятствует уходу в космос этого тепла. Другими словами, СО2 экранирует тепловое излучение Земли, и атмосфера нагревается сильнее, ее температура повышается, нарушается структура образования облаков, меняется циркуляция атмосферы (характер ветров) и т. д. Одним словом, меняется климат.

Но биота влияет на климат не только через углеродный цикл. Изменение характера растительности меняет альбедо планеты, то есть отражательную способность ее поверхности, и, следовательно, непосредственно влияет на ее тепловой баланс. Наконец, растительность определяет интенсивность испарения влаги с подстилающей поверхности, непосредственно влияя на водный баланс.

И существенно влияют на биосферу, что нас интересует больше всего, факторы антропогенного характера, то есть нагрузки на нее, которые создает человечество. Сегодня в литературе обсуждаются прежде всего три аспекта этой проблемы: роль антропогенных выбросов в атмосферу, прежде всего углекислоты и аэрозолей; влияние искусственной энергии на тепловой баланс атмосферы; влияние изменения альбедо, обусловленного урбанизацией, сведением лесов и заменой естественных ценозов искусственными.

Но есть еще целый ряд вопросов, изучение которых необходимо для того, чтобы понять те последствия наших действий, которые будут определять условия нашей жизни. Это прежде всего крупные проекты перестройки геологических масштабов. Ныне обсуждается множество самых различных проектов, начиная от относительно «безобидного» перераспределения стока рек до проектов глобального характера вроде перекрытия Берингова пролива. Все экологические следствия подобных предложений пока анализируются только на интуитивном уровне.

Любые проекты, так или иначе влияющие на экологическую обстановку того или иного региона, задевают судьбы людей. Ведь, как уже говорилось, общество состоит из различных групп, имеющих разные, порой несовпадающие интересы, различные представления о целях своего развития, различные шкалы ценностей.

Поэтому каждый проект, могущий повлиять на экологическую обстановку, неизбежно приводит к определенным конфликтам, приводит к определенным напряжениям социального характера, и кибернету необходимо немалое усилие, недюжинные способности для их преодоления и снятия. Вот почему исследования климатических последствий реализации того или иного проекта должны сопрягаться с анализом той конфликтной ситуации, которая при этом может возникнуть. Ясное понимание всех подобных обстоятельств поможет лицу, ответственному за принятие решений, правильно его выбрать.

Региональные климатические характеристики

Изучением характеристик климата различных районов Земли занимается огромная армия исследователей.

Их усилия направлены на описание современного состояния климата того или иного региона и выяснение закономерностей и механизмов, его порождающих; и изучение взаимообусловленности климатических характеристик различных зон земного шара и выявления последствий антропогенных воздействий на их изменения.

Что касается первого вопроса, то он достаточно хорошо изучен. Многолетние наблюдения позволяют не только описать климат того или иного региона, но и дать определенные заключения о механизмах, его порождающих. Например, мы хорошо знаем особенности «Западного переноса», который определяет климат Европы, можем подробно объяснить причины засушливости Сахары и т. д.

Географическая климатология накопила немалое количество фактов, которые с успехом используются при изучении механизмов, управляющих климатом.

Вместе с тем мы все время сталкиваемся с погодными аномалиями, объяснить которые, а тем более предсказать не в состоянии. Мы, например, почти ничего не знаем о причинах бедствий, постигших страны Сахеля (страны, расположенные к югу от Сахары), когда в течение целого ряда лет в этой засушливой, но в целом благодатной зоне не выпало ни одной капли дождя.

Нам до сих пор памятен 1976 год, когда Западная Европа была затоплена дождями, а влажная, в обычные годы лесная зона европейской части России задыхалась от жары и вызванных ею лесных пожаров. Объяснить подобные аномалии даже ретроспективно мы пока не умеем.

И тем не менее те сведения, которые накоплены климатологией, очень важны и их нельзя недооценивать. Известным русским климатологом А. Воейковым еще в XIX веке был сформулирован принцип: тепло на севере (имеется в виду северное побережье Советского Союза в районе Баренцева моря), сухо на юге – и наоборот: холодно на севере – дождливо на юге страны. И этот закон выполняется с удивительной точностью. Так, например, в конце 40-х годов началось похолодание Арктики. И немедленно начали происходить заметные изменения климата южных районов Советского Союза. И сейчас, когда в Арктике и на севере температура в среднем понизилась на величину, меньшую одного градуса, растительность юга сразу же отозвалась на это. Особенно чувствительный индикатор – это флора пустынных и околопустынных районов. Так, например, за последние 27 лет в районах барханных песков восточной Туркмении количество растений в самих барханных песках увеличилось в 8 раз! В аридной зоне, примыкающей к пустыне Каракум, плотность естественной растительности увеличилась на 20-25 процентов, и в настоящее время там происходит интенсивное восстановление кустарников, погибших в предыдущий более засушливый период.

Эти циклы периодического похолодания и потепления Арктики, а одновременно и наступления более влажных или более засушливых периодов в аридных южных районах страны, получили название циклов Бракнера. Знание подобных закономерностей позволяет с известной правдоподобностью оценивать тенденции в климатических изменениях, а следовательно, и возможную эффективность сельскохозяйственного производства, а также судить о региональных климатических эффектах тех или иных инженерных проектов.

Сегодня рождается много проектов перестройки климата нашей планеты. Их авторы, стремясь улучшить ситуацию в каком-либо одном районе мира, не учитывают тех изменений, которые вследствие их действий могут произойти в других районах.

Сегодня хорошо известно, что решающим фактором, определяющим региональные характеристики климата, является структура воздушных течений. Они, в свою очередь, зависят от характера океанических течений.

Поэтому многие инженерные проекты «усовершенствования» климата так или иначе связаны с созданием сооружений, изменяющих направления течений. И хорошим помощником авторам этих проектов служит палеореконструкция климата, то есть анализ климата предшествующих эпох.

Так, показательна, например, история оледенения Антарктиды. Ее географическое положение уже более 50 миллионов лет не меняется и близко к современному, как не меняет своего положения и Южный полюс, располагаясь в ее центре. Однако долгое время этот континент не был ледовым. Конечно, на нем были ледники, особенно в горах, достигавших в те времена 5 километров и больше. И вокруг него возникали ледяные поля. Но сплошной ледяной щит появился относительно недавно.

Первое значительное похолодание Антарктиды произошло на рубеже эоцена и алигоцена – около 38 миллионов лет назад. Оно связано с заглублением ЮжноТасманийского поднятия и возникновением пролива Дрейка, отделившего Антарктиду от Южной Америки, Благодаря этому около 27 миллионов лет назад сформировалось так называемое циркумполярное течение, которое заблокировало воды Антарктиды от других океанов. Появление этого течения, омывающего Антарктиду, привело к формированию устойчивой цепочки циклонов, сопровождающих это течение, изолируя саму Антарктиду от остальных морей Мирового океана.

Из-за этих циклонов летние месяцы под континентом стали дождливыми и облачными; в течение пасмурного лета снег, накапливающийся за зиму, таять практически не успевает, и Антарктида превратилась в насос, выкачивающий воду из океана. В итоге влага в виде снега и льда непрерывно накапливается в ледяном панцире материка, а уровень Мирового океана падает. За время образования антарктического ледяного щита он понизился по меньшей мере на 50-60 метров. Этот факт имеет огромное общепланетное значение. В частности, с понижением уровня океана резко увеличилась засушливость климата на всей планете.

Если бы сегодня удалось снова перекрыть пролив Дрейка, то вся картина циркуляции вод Мирового океана качественно бы изменилась. Исчезло бы циркумполярное течение, прекратилась бы изоляция Антрактиды, летние месяцы в ней стали бы ясными и солнечными, к ее берегам подошли бы теплые воды, нагретые у экватора подобно Гольфстриму и Куро-Сио, и льды Антарктиды начали бы таять!

Вот подобные этому рассуждения и служат основанием для проектов изменения климата планеты.

В свое время мировую известность получил проект изменения течения Гольфстрима. Известно, что из-за существования силы Кориолиса теплое течение Гольфстрим, зародившись в Карибском море и пройдя более тысячи километров вдоль восточного побережья Америки, поворачивает на восток, создавая над Европой мягкий морской климат. Благодаря этому здесь на широте Копенгагена растут буковые леса. В то же время в Канаде на той же широте господствуют тундровые ландшафты.

Если у Ньюфаундлендской банки поставить что-то вроде плотины, то значительная часть Гольфстрима направится дальше на север вдоль берегов Лабрадора, и тогда, по замыслам авторов проекта, климат северной части США и Канады резко улучшится, то есть значительно потеплеет!

Не будем сейчас говорить о том, что произошло бы при этом с климатом Европы и какая трагедия нависла бы над ней. Нам хотелось лишь показать, как легко в таких вопросах может подвести интуиция, ибо климат Северной Америки изменился бы возможно совсем не так, как предполагают авторы проекта.

Конечно, на Лабрадоре, Ньюфаундленде и в северной части провинции Квебек климат стал бы несколько мягче. Но те устойчивые северо-восточные ветры, которые определяют холодный континентальный климат северных территорий Канады, запада провинции Онтарио и провинции Саскачеван, сделались бы влажными.

В результате здесь стал бы формироваться ледовый щит, как в период последнего оледенения (около 20 тысяч лет назад), когда на широте Великих озер лежал ледник километровой толщины (Висконсинское оледенение).

Другой подобный проект был связан с изменением течения Куро-Сио, которое, подобно Гольфстриму, покидает родные края и уходит на восток. Направляя одну из теплых струй этого течения в сторону Охотского моря, можно качественно улучшить условия жизни на его побережье. Но одновременно создался бы ледяной щит в центре Сибири. Парадоксально? Ничуть! Уровень средних температур Якутии гораздо ниже, чем в Гренландии. Однако в Гренландии лежит ледник мощностью до трех километров, а на севере Якутии, где под тонким слоем почвы находится полуторакилометровый слой вечной мерзлоты, растут травы в рост человека, пасутся стада оленей и растет лес! И причина этого контраста снова в структуре океанических течений. Благодаря Гольфстриму в Гренландии выпадает огромное количество осадков, которые не успевают таять за короткое пасмурное и влажное лето. А в Якутии нет ледников прежде всего потому, что зимой там мало снега, а летом ясное небо и много солнца. Страшны, оказывается, не зимние морозы, а избыток влаги в условиях холодного климата. Значит, поворот Куро-Сио обернется трагедией для центральной Сибири.

Вот о таких региональных следствиях инженерных задумок их авторы часто не догадываются.

Проекты, подобные описанным, затрагивают огромные пространства планеты; улучшая условия жизни одних регионов, они могут поставить на грань катастрофы жизнь целых континентов. Но и проекты гораздо меньшего масштаба могут оказать совершенно непредсказуемое влияние на региональный климат. Покажем это на двух примерах.

В печати уже давно, еще с довоенных лет, обсуждается проект канала Средиземное море – Мертвое море, лежащее в котловане почти на триста метров ниже уровня Средиземного моря. На этом канале может быть создан каскад гидроэлектростанций. С энергетической точки зрения проект очень выгоден. Жаркий климат и интенсивность испарения превратят энергетическую систему в своеобразный «перпетуум мобиле». Конечно, площадь Мертвого моря при этом значительно возрастет и будет затоплена низменная солончаковая равнина. Авторов проекта это беспокоит, так как при этом будет нарушен традиционный промысел по добыче соли. Но, как они утверждают, упадок солевого промысла с лихвой окупится тем, что из-за большого испарения пустынный климат прилегающей местности станет более влажным и приятным для жизни человека.

Однако этот вывод при ближайшем рассмотрении оказывается не совсем правильным. Климатические изменения действительно произойдут, но не в окрестностях Мертвого моря, а в горах Ирака. В чем же здесь дело?

Испарение с поверхности Средиземного моря огромно. Оно достигает 2500 кубокилометров в год, то есть равно стоку десяти таких рек, как Волга. Юг, юго-восток Европы, Причерноморье Советского Союза, в том числе и Кавказ, обязаны этому явлению своим климатом и продуктивностью сельскохозяйственного производства. Реки Месопотамии, то есть Тигр и Евфрат, и их притоки – это тоже продукт Средиземного моря, Увеличение зеркала Мертвого моря приведет к резкому увеличению испарения с его поверхности. Десятки кубических километров средиземноморской воды, которые устремятся по каналу в сторону Мертвого моря, действительно будут быстро испаряться с его увеличивающейся поверхности. Но направление господствующих ветров здесь таково, что эта влага станет уходить на северо-восток и выпадать в горах Курдистана. В результате значительно возрастет сток рек бассейна Тигра.

Другой, уже реализованный, проект – это перекрытие пролива, соединяющего залив Кара-Богаз-Гол с Каспийским морем. Из-за целого ряда выясненных и невыясненных причин уровень Каспийского моря долгое время непрерывно снижается. Этот факт не мог не вызвать беспокойства, так как один из самых продуктивных водоемов мира постепенно теряет свои качества. Как их восстановить?

Увеличить сток рек Волги, Терека и Урала мы не можем, поскольку их воды будут во все большей степени использоваться для орошения. Следовательно, надо попытаться уменьшить испарение самого моря. И вот возникает проект.

С поверхности Кара-Богаз-Гола влаги испаряется в год 7-8 кубометров. Если этот залив отделить от Каспия, то тем самым замедлится падение его уровня.

И кажется, что это перекрытие пролива не повлечет за собой никаких особо вредных последствий. По-видимому, так и рассуждали авторы проекта, который сегодня уже реализован.

Но и эти рассуждения нельзя принять без оговорок.

Прежде всего следует понять: а куда девается та вода, которая испаряется с поверхности Каспийского моря?

Она полностью оседает в горах Памира и Тянь-Шаня, поскольку за ними лежат безводные пустыни Такла-Макан и Гоби и сухое нагорье Тибета. На Тянь-Шане и Памире каспийские испарения создают ледники, которые и питают великие среднеазиатские реки Амударыо и Сырдарью – основу жизни наших Среднеазиатских республик. Исчезнет Кара-Богаз-Гол – может уменьшиться поступление влаги в ледники среднеазиатских горных систем, уменьшится сток рек и, следовательно, ухудшатся в какой-то степени условия сельскохозяйственного производства в Средней Азии.

Конечно, ответить на вопрос, насколько они ухудшатся и когда это произойдет, отнюдь не просто. Но в том-то и состоит трудность принятия сложного управленческого решения; надо узнать все это и учесть все те возможные последствия, которые оно может повлечь.

Итак, мы видим, что при принятии решения регионального масштаба требуется рассматривать и учитывать гораздо больше всевозможных факторов, чем это может показаться сначала. И особенно трудно высказать какие-либо суждения о возможных климатических сдвигах в тех или иных отдаленных районах планеты. Общая климатическая ситуация определяется также в результате наложения на естественные климатические циклы, которые довольно трудно изучать, еще и антропогенных факторов. Поступление в атмосферу углекислоты и выброс искусственно выработанной энергии создают определенные условия для повышения средней температуры планеты. В этом мнении сходятся практически все климатологи мира.

Итак, в XXI веке ожидается общее потепление. Но как при этом изменится климат в отдельных регионах земного шара? Несмотря на сложность проблемы, среди климатологов существует довольно определенное мнение о характере развития процесса. Общая схема рассуждений примерно следующая.

Известно, что изменение средней температуры Земли практически не затрагивает температуру экваториальной зоны. Зато при ее увеличении резко теплеет в арктических зонах. Следовательно, вместе с повышением средней температуры планеты уменьшатся температурные градиенты, то есть сгладятся перепады температур между экватором и полярными зонами. А поскольку именно эта величина определяет интенсивность циркуляции атмосферы, то она с повышением средней температуры сделается более вялой. В результате уменьшится также и перенос влаги. Значит, засушливые районы мира станут еще более засушливыми, а влажные – еще более влажными. Вот такую картину обычно рисуют климатологи.

Но здесь далеко не все так просто, как кажется, и в этих процессах немало загадок. Главная же из них – так называемая «загадка голоцена».

Голоценом называется тот период, который начался сразу, как окончилось последнее оледенение (оказывается, мы живем, таким образом, в голоцене). Науке известен так называемый «максимум голоцена» – период с чрезвычайно благоприятными климатическими условиями, отстоящий от нас на пять-семь тысяч лет. Средняя температура планеты тогда была на несколько градусов выше современной. В районе Архангельска и на побережье Белого моря шумели широколиственные леса, а все современные климатические пояса были как бы сдвинуты к северу на 300-600 километров.

Согласно схеме рассуждений, которую мы изложили, климат голоцена должен был бы при повышении средней температуры планеты обладать большей контрастностью: пустыни должны были быть знойнее и занять основную площадь континентов. Но ничего подобного тогда не было. В этот период Сахара представляла, по-видимому, засушливую саванну, как сейчас страны Сахеля. Ее пересекали полноводные реки, и ее обширные территории были пригодны для сельского хозяйства.

Вспомним, что еще совсем недавно – во времена Древнего Рима – северная Африка была житницей империи.

Великая азиатская степь с ее пустынями Гоби, Каракум, Кызылкум, Такла-Макан и т. д. также была саванной.

И там безбедно существовали многочисленные племена скотоводов. В чем же дело? Почему наши, казалось бы, правдоподобные рассуждения на поверку оказались столь несостоятельными? В чем загадка голоцена? Какие механизмы определяли эти исключительно благоприятные условия для Евразии и Африки?

К сожалению, мы можем только гадать и строить гипотезы. Вот одна из них.

Климат определяется не только характером воздушных течений, но и течениями в океане. И климат Восточной Европы и Западной Сибири, в частности, во многом определяется течением Гольфстрим. Около берегов Кольского полуострова, точнее, в районе устья Белого моря он делает резкий поворот на север и уходит от берегов Советского Союза, не в силах прорваться через мелководья, которые отделяют Баренцево море от Карского. Из-за этого Карское море всегда одето в ледяной панцирь. А огромный сток реки Оби понижает его соленость, что только увеличивает мощность морского льда.

В результате над Карским морем и севером Западной Сибири формируются массы холодного воздуха. Над Баренцевым морем картина совершенно иная здесь зона пониженного давления, а в таких зонах гораздо теплее.

В этом районе возникают большие градиенты температур и давлений, вызывающие зарождение северо-восточных ветров. Они блокируют атлантические циклоны, что и определяет засушливый климат равнин, прилегающих к Уралу, и степной зоны южнее Уральского хребта.

В период максимума голоцена этого холодного «карского заслона», по-видимому, не было. Атлантические циклоны проникали далеко на восток, оттесняя сибирский антициклон к Тихому океану, создавая умеренную влажную зону в тех местах, где сейчас лежат барханные пески. Такая ситуация могла бы возникнуть, если бы Гольфстрим смог прорваться в Карское море. Значит, либо мощность Гольфстрима в ту пору была иной, либо изменилась как-то топография шельфовой зоны Баренцева и Карского морей. Можно лишь предположить, что имела место первая причина. Воды Мексиканского залива, наверное, в ту пору нагревались сильнее, и на север устремлялась более нагретая струя Гольфстрима.

Если это так, то ключ от климата великих степей Евразии лежит у берегов Мексики и Кубы.

Наш рассказ, наверное, убедил читателя в том, что проблемы управления климатом отдельных районов по-настоящему трудны. На интуитивном уровне и на уровне традиционных географических рассуждений ответить на многие вопросы, которые ставит практика, действительно невозможно. В то же время природопреобразующая деятельность человека не только продолжается, но и усиливается. И перед человечеством встает грандиозная задача управления этой деятельностью. Но для этого необходимо прежде всего научиться оценивать ее эффекты. Ведь они становятся такими, что оказывают воздействие на само существование человечества. И чтобы выявить степень этого воздействия, без кибернетики не обойтись.

Так кибернетика общественного развития поднимает перед естественными науками новые беспрецедентные проблемы. Как начинать исследования подобных проблем? Какова должна быть при этом отправная позиция?

Занимаясь этими вопросами в Вычислительном центре Академии наук СССР, мы пришли к однозначному утверждению: «Путь к решению частных проблем лежит через общее». Так учил нас еще академик В. Вернадский. Только создав фундаментальные климатические модели планеты в целом, можно будет более или менее правильно оценивать климатические изменения, вызываемые антропогенными факторами, и построить математический аппарат, создать тот инструментарий, который позволил бы описать различные управляющие воздействия. То есть не индуктивный путь исследования частных проблем и переход от них к общим схемам, а путь дедукции: от общей модели климата планеты к решению частных вопросов регионального управления. Биосфера это единый организм, а, как говорят медики, надо лечить не болезнь, а самого больного. Как это делать, мы и расскажем в следующем разделе.