Текст книги "Люди и кибернетика"

Моделирование климата планеты

Общие точки зрения являются всего лишь исходной позицией. Конечно, если позиция выбрана неверно, то добиться успеха почти невозможно. Но от ее выбора до выигрыша сражения очень не близко. Сказав, что нам необходима общая модель климата, мы только ставим проблему. А дальше начинается неизвестное. Что должна представлять собой климатическая модель планеты, какие требования должны быть к ней предъявлены и что, в конце концов, мы должны понимать под словом «климат»?

Ответить на подобные вопросы отнюдь не просто.

И наши ответы будут в значительной степени субъективны, ибо они отражают определенную позицию, к изложению фрагментов которой мы и переходим.

Мы будем опираться на то определение климата, которое было предложено советскими учеными А. Мониным и Ю. Шишковым. Они считают, что климат – это «статистический ансамбль состояний, которые проходит система «океан – суша – атмосфера» за период времени в несколько десятилетий».

В этом определении отражена роль трех компонентов, вносящих основной вклад в состояние окружающей среды: инерционного океана, легкой неустойчивой атмосферы и наиболее подверженной человеческому влиянию суши.

Модель климата должна опираться на две базовые модели – модель гидродинамики атмосферы и модель гидродинамики океана. Их выбор – очень важный этап исследования, имеющий своей целью решение задач управления. Не создание новых, а именно выбор, потому что специалисты по метеорологии и океанологии уже разработали многочисленные модели подобного рода.

И задача тех, кто разрабатывает управленческий инструментарий, состоит прежде всего в выборе уже существующих и очень разных моделей, их стыковке между собой и их адаптации для целей управления, то есть превращения их в инструмент кибернетического анализа.

Этот выбор отнюдь не прост, ибо модели должны удовлетворять многочисленным требованиям, зависящим от целей исследования и возможностей анализа. Во-первых, они должны быть достаточно просты, чтобы оказаться доступными для вычислительных средств; но, с другой стороны, эти модели должны быть и достаточно детализированы, чтобы с их помощью кибернет мог делать заключения о влиянии климата на хозяйственную деятельность людей и выбирать такой образ поведения, который в наибольшей степени отвечал бы интересам всех людей планеты.

Например, чтобы решить вопрос о переброске стока рек, исследователь должен иметь возможность с помощью модели оценивать сезонные значения средней температуры, интенсивность фотоактивной радиации, количество осадков и многое другое. И что интересно, информация, характеризующая отклонение этих величин от их средних значений (то есть соответствующие величины аномалий и дисперсий), также является существенной при разработке стратегий активного поведения общества.

Требования к модели климата должны включать в себя и «уровень разрешения». Модель климата для кибернета что микроскоп для естествоиспытателя. Человеческий глаз может отличать одну деталь от другой лишь в том случае, если их размеры не менее одной десятой миллиметра. Такова его «разрешающая способность». Уже первый микроскоп позволил увидеть микробы. Разрешающая способность современного оптического микроскопа в тысячи раз больше, а электронный микроскоп позволяет различать частицы, отличающиеся друг от друга на миллионные доли миллиметра. И в зависимости от объекта исследования экспериментатор выбирает микроскоп, обладающий той или иной необходимой силой разрешения.

Так и при изучении природных явлений мы должны согласовать разрешающую способность модели климата с нашими потребностями и задачами. Чересчур «сильная» модель потребует больше времени для своего анализа. Модель же малой разрешимости может не заметить и упустить важные детали. Для исследования региональных особенностей климата и обоснованных оценок продуктивности естественных и искусственных ценозов модель климата должна различать на поверхности земли квадраты размерами порядка 4-5 градусов по широте и долготе. Только в этом случае можно достаточно хорошо выделить основные промышленные и сельскохозяйственные регионы, например отличить климат Поволжья от климата Центральной России. Кроме того, модель должна допускать реальную возможность анализа эволюции климата в течение нескольких десятилетий.

Проведя с этих позиций сравнение имеющихся в нашем распоряжении многочисленных моделей глобальной циркуляции атмосферы, мы в ВЦ АН СССР остановили свой выбор на одной американской модели (так называемой модели Гейтса – Минца – Аракавы). Эта гидротермодинамическая модель атмосферы была создана в интересах прогноза погоды, но для подобных целей она оказалась чересчур грубой, поскольку это, по существу, двухслойная модель тропосферы и она не учитывает целый ряд деталей, важных для предсказания погоды на ближайшее время. Для наших же целей ее точность была более чем достаточна. Нас устраивало, что она учитывает не только реальное распределение материков и океанов, но и распределение горных систем, характер ледяного и снежного покрова и т. д.

Эта модель обладала еще одним достоинством – она давала весьма полную картину источников и стоков энергии, которые формируются в атмосфере за счет солнечной радиации и фазовых переходов воды, содержащейся в атмосфере и в подстилающей поверхности, в пар, в лед, в снег или в воду. Это очень важное достоинство модели. В самом деле, перенос влаги, сопровождаемый испарением и конденсацией воды, возникновением и исчезновением облаков, играет колоссальную роль в механике и энергетике атмосферы. Достаточно сказать, что на испарение затрачивается около трети всего поглощаемого планетой солнечного тепла.

Как, наверное, уже обратил внимание читатель, мы все время употребляем термин «модель климата», В действительности же это некоторая «система моделей», описывающих все те процессы, которые в своем взаимодействии и определяют климат. Подобно тому как современное здание состоит из отдельных, но связанных между собой блоков, система моделей климата – это тоже конструкция, обладающая собственной архитектурой. Кроме блока моделей, отражающих процессы, протекающие в атмосфере, в Системе моделей климата должен присутствовать и блок моделей, описывающих состояние океана, который в наибольшей степени определяет структуру климата, изменение его характеристик.

Выбор модели океана, то есть способ описания его динамики, тоже очень не прост. С одной стороны, эта модель не должна быть очень сложной и допускать возможность проведения многократных пересчетов, а с другой – она должна учитывать основные особенности обмена энергией, а также потоки влаги и углекислоты в зависимости от широты и долготы.

Пробный анализ показал, что эти сложнейшие процессы обладают одним важным свойством, которое нам позволяет упростить модель. Дело в том, что океан очень инерционен и существенная перестройка его состояния требует сотен лет! Поэтому если мы хотим изучить тенденции изменения климата, которые может создать человеческая деятельность в течение десятков лет, то мы можем не учитывать движения глубинных океанических вод. Это обстоятельство сильно упрощает исследование. Оно позволяет воспользоваться достаточно простой моделью взаимодействия атмосферы и океана, разработанной в главной геофизической обсерватории в Ленинграде (профессор Е. Борисенков).

К числу перечисленных моделей следует добавить еще модель образования морского льда, динамику материкового льда и т. д.

Наконец, нам нужны не просто уравнения, описывающие изменения гидротермодинамических элементов атмосферы и океана, но и статистическая модель, прослеживающая эволюцию таких характеристик, как средняя температура, влажность, облачность и т. д.

Не будем подробно описывать все те трудности, преодоление которых необходимо для завершения подобного исследования. Пока еще мы далеки от окончания этой работы. Но первый шаг уже сделан: как говорят кибернетики, модель может «считать». Конечно, еще далеко не все, еще очень медленно, но тем не менее она «считает»! И мы уже видим, что та, казалось бы, фантастическая задача, которая была поставлена в середине 70-х годов, не столь уж фантастична. Может быть, пройдет 10-15 лет, и с этим инструментом анализа климатических изменений ученые начнут работать так же, как, например, работают сейчас с системой расчетов ядерных реакторов и электростанций.

Составителей модели подстерегает еще одна трудность – идентификация модели, проверка ее достоверности. В физике для этого обычно проводят эксперимент и его данные сравнивают с расчетными величинами.

Здесь же все гораздо сложнее. Мы наблюдаем лишь один-единственный вариант погоды, наша же модель статистическая, и предполагается, что описывать ей придется эволюцию средних характеристик. Значит, надо брать много средних данных о многих вариантах погоды. А где их взять, эти средние характеристики? Правда, метеослужба сейчас работает довольно интенсивно и ее наблюдения достаточно полны. Следовательно, пройдет лет 50-100, и тогда, наверное, накопленных данных окажется достаточно для построения «средних характеристик» погоды. Ну а сейчас?

На наше счастье, синоптикам известен ряд явлений, повторяющихся с точностью удивительной! Существует, например, «Западный перенос» атмосферы – движение воздуха в Северной Атлантике и Европе, которое осуществляется серией циклонов, устремляющихся с запада на восток. Известен, например, так называемый Азорский максимум – зона повышенного давления, располагающаяся зимой над Азорскими островами. В это время там устанавливается отличная погода, и состоятельные люди Америки и Западной Европы проводят зимние каникулы на Азорских островах! В январе устанавливается знаменитый Сибирский антициклон. Особенно постоянно наблюдается круговое движение воздуха летом вокруг Антарктиды. Можно привести еще целый ряд подобных явлений, которые можно использовать в качестве тестов для проверки моделей.

Итак, первейшее требование к модели – она должна воспроизводить подобные, повторяющиеся явления. В противном случае ее нельзя использовать для прогнозов.

Модель, построенная в ВЦ АН СССР, с большой точностью воспроизводит те картины, которые привыкли наблюдать синоптики. То есть с точки зрения описания глобальных экологических процессов она не противоречит наблюдаемым фактам. Это уже много, хотя и недостаточно.

Но, сделав первый шаг, мы уже более уверенно можем приступить к нашей главной задаче – оценке возможных климатических сдвигов как следствий антропогенной нагрузки на биосферу. Эта оценка будет представлять собой результат расчетов, проведенных на основе построенной модели. Она укажет на возможные изменения основных метеорологических величин, таких, как средние температуры и влажности, количества фотоактивной радиации, величины балла облачности, количества осадков и ряд других факторов, влияющих на производственную деятельность, в зависимости от изменения некоторого базисного набора параметров – альбедо, концентрации СО2, количества искусственной энергии… Значения этих параметров определяются, в свою очередь, промышленной и другой деятельностью людей в настоящее время или в обозримом будущем. В частности, с помощью разрабатываемой климатической модели, точнее, системы моделей мы надеемся научиться рассчитывать климатические эффекты различных проектов как регионального, так и глобального характера.

Другими словами, мы предполагаем однажды в обозримом будущем иметь систему моделей, позволяющих проводить оценки параметров климата – оценки, которые необходимы для выбора рациональных стратегий хозяйственной деятельности в различных регионах мира.

Сейчас еще рано говорить о том, что такие расчеты могут быть сегодня эффективно реализованы. Нас ждет еще много трудностей, но перспектива уже видна.

Региональные конфликты и коллективные решения

До сих пор мы обсуждали проблемы биосферы и климата. Читателю может показаться что все это очень далеко от вопросов кибернетики. Но это не совсем так.

Чтобы управлять, чтобы принимать те или иные решения, надо прежде всего ясно видеть связи, существующие между нашей действительностью, которой мы можем управлять (в той или иной степени), и изменениями, которые могут происходить в биосфере. Особое значение для нас имеют факторы, связанные с реализацией проектов, способных изменять климатические характеристики, либо шаги, предпринимаемые для достижения каких-либо экономических целей и так или иначе влияющие на характеристики климата.

Мы сформулировали некоторую точку зрения на те пути, которые позволяют получить количественные оценки последствий антропогенных нагрузок, и рассказали о тех первых шагах, которые уже сделаны в этом направлении.

Предположим теперь, что речь идет о каком-либо большом проекте, например о перераспределении стока рек. Предположим также, что в нашем распоряжении уже есть инструмент, то есть разработана система моделей и способы ее использования, позволяющие производить все необходимые экологические и климатические расчеты, все необходимые оценки будущего проекта.

Достаточно ли этого, чтобы решить проблему выбора его характеристик?

Ответ однозначен: нет! В самом деле, любое изменение экологических условий создает определенную конфликтную ситуацию: одним планируемое изменение полезно, другим менее полезно, третьим просто вредно.

И кибернет, принимая решение, обязан заранее понять содержание конфликта, возможные действия разных людей и организаций, а самое главное – попытаться найти возможные пути преодоления всех противоречий, способных перечеркнуть благие начинания!

Значит, теория, имеющая своей целью создать основу для анализа экологических проблем (в том числе и климатических), необходимо должна включать в себя главу, посвященную проблемам региональных конфликтов и коллективных решений. Подчеркнем последнее: благополучное разрешение любого конфликта – это всегда коллективное решение.

Постараемся еще раз пояснить смысл термина «конфликтная ситуация», анализ которой является одной из важнейших задач кибернета. Мы не раз говорили, что общество (страны, регионы, провинции, отдельные люди) следует рассматривать как противоречивое единство некоторого множества субъектов. Единство-потому что эти субъекты (предприятия, регионы и т. д.) связаны общностью судеб, производственными, юридическими и прочими формами связи. Противоречивое – поскольку каждый из субъектов имеет свои собственные интересы и цели, возможно нетождественные целям других объектов. Он стремится к их достижению и обладает для этого определенными возможностями.

Когда мы говорим об интересах, то для их количественной характеристики обычно вводят некоторую систему показателей. Это может быть величина дохода, степень загрязненности реки, на которой расположено предприятие, количество выпадающих осадков, мощность электростанций… Показатели, которыми можно охарактеризовать интересы, бывают очень различны.

Итак, управляющий или какое-нибудь другое руководящее лицо, выбирающее параметры проекта, сталкивается с тем фактом, что каждый из заинтересованных субъектов (организации, регионы, отдельные лица) стремится использовать свой ресурс так, чтобы максимализировать свою собственную систему показателей. И он оказывается в очень трудном положении. Ресурсы, необходимые для реализации проекта, находятся в руках субъектов, и приказать расходовать их по его усмотрению он не может. Есть ли у него какие-либо возможности воздействовать на субъектов так, чтобы они приняли необходимое коллективное решение и выделили на реализацию проекта необходимые ресурсы?

Оказывается, есть! Эти возможности определяются тем фактом, что достичь своей цели тот или иной субъект самостоятельно не может, это зависит не только от него самого, но и от действий других субъектов. В самом деле, чистота реки зависит не только от того, как ее очищают на заводе, но и от того, какую воду сбрасывают в реку коммунальные предприятия города. И прежде чем предложить вариант своего решения по охране вод реки, кибернет должен провести тщательный анализ целей партнеров, так как они могут быть совершенно различными, и не исключено, что он столкнется с проблемами совершенно разной природы.

I. Первая проблема – это перечисление показателей, то есть установление структуры интересов и целей субъектов и исследование тех возможностей, которыми они располагают для достижения своих целей. Это проблема социального и экономического анализа общественных отношений.

Поведение других субъектов всегда скрыто завесой неопределенности. И кибернету никогда не бывают точно известны условия, в которых протекает деятельность той или иной организации или жизнь региона. Ему приходится считаться с тем фактом, что действуют люди далеко не всегда по строгим законам логики. Поэтому условие того, что данный субъект будет во всех случаях жизни стремиться к увеличению определенных показателей, всегда является гипотезой. Однако, не сделав какого-либо предположения о поведении этого субъекта, говорить об эволюции кибернетической системы смысла не имеет. Но гипотеза гипотезе рознь! И задача кибернета – провести такие исследования, которые повысили бы его уверенность в справедливости его гипотезы.

II. Вторая проблема – вычисление значений показателей по тому способу использования ресурсов, который будет избран субъектами. Это проблема уже совсем другого типа – она потребует конкретных природоведческих и экономических исследований (о ней и шла речь в предыдущих параграфах этой главы). Развитие системы моделей и соответствующих наблюдений, их регистрации, составления банков данных и т. д. позволит рассчитать эти показатели.

III. И последняя проблема – принятие коллективных решений. Поскольку любая характеристика системы зависит от действия всех субъектов системы, то выбор способа использования ресурсов есть не что иное, как некоторая коллективная акция. Значит, проблема выбора стратегий в использовании ресурса относится к совершенно иному типу проблем, чем те, о которых мы говорили до этого. Ими занимается «Теория коллективных решений», которую, вероятно, лучше было бы назвать «Теорией конфликтов», ибо цели и интересы различных субъектов между собой довольно часто не совпадают.

Хотя проблемами коллективных решений ученые занимаются уже не один десяток лет, соответствующая теория не богата какими-либо результатами. Большой группе субъектов найти компромисс, приемлемый для всех, всегда очень непросто. Людям всегда трудно договориться между собой. А иногда и просто невозможно, когда компромисса, который устраивал бы всех, просто нет. В этом случае мы говорим, что цели субъектов антагонистичны. (История немало дает нам примеров конфликтов антагонистического характера.) И тем не менее «Теорией коллективных решений» установлены некоторые факты, и о них полезно знать людям, ответственным за принятие решений.

Приведем одно важное рассуждение, показывающее, что во многих случаях поиски компромисса не бесполезны и должны следовать некоторым правилам. Конечно, при этом мы будем считать, что проект выгоден всем договаривающимся сторонам – одним больше, другим меньше…

Прежде всего, что означают слова: компромисс принят? Это значит, что все субъекты, в распоряжении которых находятся ресурсы, договорились, что каждый из них будет следовать определенной стратегии их распределения и для реализации проекта он выделит определенный ресурс.

Предположим теперь, что существует другой выбор, другой способ распределения ресурса, который обладает тем свойством, что он обеспечивает всем субъектам лучшие значения их показателей. Очевидно, второй выбор следует предпочесть первому, поскольку он выгоднее всем! А первый мы сразу можем отбросить – он не может котироваться в выборе коллективного решения.

Таким образом, следует изучать лишь такие компромиссы, то есть такие выборы, такие стратегии, которые нельзя одновременно улучшить по всем показателям. Этот принцип называется принципом Парето – по имени итальянского экономиста Парето, который его сформулировал более 80 лет тому назад. Он совершенно очевиден и позволяет сократить множество возможных альтернатив, другими словами – упростить анализ.

Но одного принципа эффективности мало. Необходима еще известная гарантия, что субъекты, согласившиеся сделать тот или иной выбор, действительно его сделают.

Ведь может оказаться так, что кому-то из участников будет более выгоден какой-либо другой способ поведения, отличный от того, который он должен произвести согласно договоренности. Это значит, что предлагаемый компромисс (выбор распределения ресурсов) должен обладать некоторым свойством устойчивости и не допускать возможность обмана. Это свойство состоит в следующем. Предположим, что все субъекты договорились о некоторой единой стратегии: каждый субъект должен выделить на реализацию проекта некоторый вполне определенный ресурс. Мы говорим, что этот выбор будет устойчив в том случае, если любой субъект, выделивший не то количество ресурса, которое оговорено соглашением, потерпит убыток – его результат окажется хуже, чем если бы он выполнил условия компромисса; значение его показателей, в которых он заинтересован, будет меньше тех значений, которые он имел бы, придерживаясь договоренности. Устойчивый компромисс тем и хорош, что отступать от него не выгодно никому!

Так вот, предположим, что нам удалось найти такой компромисс, который одновременно и эффективен и устойчив. Тогда есть достаточно оснований считать, что он будет принят всеми участниками конфликта. В самом деле, каждый из субъектов знает, что другого компромисса, который был бы выгодней всем одновременно, нет. Кроме того, при нем никто никого не обманет, поскольку нарушающий договоренность терпит ущерб, другими словами, КОУТТООУИСС устойчив.

Но вся беда «Теории коллективных решений» как раз и состоит в том, что в тех конфликтных ситуациях, которые довольно часто встречаются на практике, эффективные компромиссы неустойчивы, то есть устойчивых и одновременно эффективных компромиссов просто нет! Именно это обстоятельство, вероятно, и служит причиной бедности «Теории коллективных решений».

Ведь если нет достаточно эффективного компромисса, удовлетворяющего (приемлемого) для всех субъектов, и нет гарантии против обмана, то и нет никакой основы для заключения договора.

Эти трудности характеризуют общее состояние теории. Однако в некоторых конкретных ситуациях, когда речь идет об анализе экологических вопросов и, в частности, о решении проблем регионального характера, появляется целый ряд обстоятельств, выделяющих эти системы со многими субъектами из общего класса.

Мы рассмотрим лишь одну типичную ситуацию, полагая, что проблемы I и II для нее мы решать умеем.

Другими словами, мы знаем показатели, которые в первую очередь интересуют субъектов – участников конфликта, знаем те ресурсы, которыми они обладают, и, наконец, располагаем достаточно совершенными моделями, позволяющими вычислить эти показатели.

И поэтому остановимся только на проблеме III, на структуре возможных компромиссов.