Развитие энергетики России Тепловые станции Экологический аспект Электрофильтры Регенеративные методы Математическое моделирование экологических систем Аварийные ситуации на АЭС

Введение в экологию энергетики

Структурные свойства систем определяются характером и устойчивостью отношений между элементами. По характеру отношений между элементами структуры делятся на многосвязные и иерархические. Очень трудно найти примеры сложных иерархических систем – все они имеют, как правило, сетевую организацию, когда один и тот же элемент структуры может входить (в зависимости от точки зрения или по определению) в несколько подсистем более высокого уровня. Например, один и тот же вид организмов в зависимости от условий может трактоваться как "хищный" или "нехищный". Различают также детерминированные, стохастические и хаотические структуры. Детерминизм, как и индетерминизм, имеет свою иерархию совершенства. Например, типично вероятностные структуры экосистем на нижнем уровне (особь, группа организмов) претерпевают чисто случайные изменения, но на более высоких уровнях эти изменения становятся целенаправленными за счет естественного отбора и эволюции.

Композиционные свойства систем определяются способом объединения элементов в функциональные группы и соотношением этих групп. Различают следующие группы элементов и подсистем:

эффекторные – способные преобразовывать воздействия и воздействовать веществом и энергией на другие подсистемы (например, техногенные компоненты экосистем);

рецепторные – способные преобразовывать внешние воздействия в информационные сигналы, передавать и переносить информацию (биоиндикаторные компоненты);

рефлексивные – способные воспроизводить внутри себя процессы на информационном уровне (измеряющие компоненты). Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии Энергия солнца Солнечное излучение — экологически чистый и возобновляемый источник энергии. Запасы солнечной энергии огромны, годовое количество поступающей на Землю энергии составляет 1,05 • 1018 кВт/ч, из них 2 • 1017 кВт • ч приходится на поверхность суши. Из этого количества энергии 1,62 • 1016 кВт • ч в год могут быть использованы без ущерба для окружающей среды, что эквивалентно сжиганию 2 • 1012 т условного топлива (т. у. т.) в год. Последняя цифра в 60 раз превышает прогнозируемое на 2020 год производство всех видов энергоресурсов на земном шаре (34,2млрд. т. у. т.).

Морфологическое описание входит составной частью в тезаурус системы – совокупность полезной внутренней информации системы о себе, которая определяет ее способность распознавать ситуацию и управлять собой. Для полноты картины остановимся на формальных определениях основных объектов морфологической структуры экологических систем, которые мы будем использовать в последующем изложении [Бигон с соавт., 1989].

Поскольку анализ гидробиологических процессов на уровне отдельной особи выходит за рамки рассматриваемых нами экосистем, характеристики индивидуальных организмов не включаются в морфологическое описание, хотя особь может быть определена как первый уровень иерархии.

Вторым уровнем экосистемы является группа (когорта) I – множество особей, параметры состояния которых одинаковы или находятся в некоторых заданных пределах. Например, множество особей, находящихся на одинаковой стадии развития, образуют Nt стадийные группы. По иному определяющему признаку могут быть скомплектованы весовые группы, возрастные группы и т.д. Состояние группы Ii Î P определяется ее мгновенной численностью и статистической функцией распределения всех регистрируемых показателей функционирования отдельных организмов [Меншуткин, 1971].

Третий уровень иерархии экосистемы составляют популяции P – множество особей или групп особей, обладающих свойством самовоспроизведения и способностью совместно адаптивно реагировать на изменение внешней среды [Шварц, 1971]. Большинство характеристик и свойств группы особей можно перенести и на популяцию. Так появляется понятие о численности популяции N, как суммы показателей по всем возрастным группам, составляющим популяцию, а также среднем возрасте   и среднем весе особи , которые рассчитываются, например, как средневзвешенные значения по обычным статистическим формулам.

С экологической точки зрения популяция представляет собой "биохорологическую единицу" [Шварц, 1971] вида. Биологический вид – это система географически или экологически викарирущих (замещающих) популяций [Тимофеев-Ресовский с соавт., 1973]. Видовой принцип в настоящее время господствует в исследованиях структуры сообществ, между тем такой подход ряд исследователей считают явно односторонним [Чернов, 1971], отмечая недостаточность разбиения живых компонентов экосистемы только по генетическому (таксономическому) признаку. Не углубляясь в эту дискуссию, будем считать, что вид – не более чем "системологический префикс" (метка), используемый для предметной идентификации других экосистемных объектов: особи, группы особей или популяции.

Множество популяций, характерных сходными кормовыми связями, образует трофический уровень. Такие "простые свойства", как численность или биомасса, выраженные в абсолютных значениях, уже не вполне корректны в качестве объективных интегральных характеристик трофического уровня, поскольку сильно зависят от видового состава, формируемого не столько экотопом, сколько самим исследователем, исходя из его субъективных убеждений. В качестве оцениваемых параметров трофического уровня используются некоторые "модельные" биоэнергетические характеристики, описывающие трофический уровень в соизмеримых единицах энергии (или информации), о чем пойдет речь в главе 4.

Мем № 11:  «сообщество – это система организмов, живущих совместно и объединенных взаимными отношениями друг с другом и со средой обитания. Сообщество и его среда, рассматриваемые как функциональная система, ...называются экосистемой» Р. Уиттекер [1980].

Подпись:  
Раймонд Лаурел ЛИНДЕМАН
(R.L. Lindeman, 1915-1942)
автор всего шести публикаций, определивших трофико-динамическое направление исследований в экологии
Концепция трофических уровней позволила рассматривать процессы потребления, продуцирования и деструкции в сообществах во всей их взаимосвязи. Однако застывшая детерминированность трофических цепей не свойственна реальным экосистемам. Во многих случаях особи одного и того же вида на разных стадиях развития или при изменении внешних условий могут легко переходить с одной пищи на другую, а также менять тип и способ питания. Более строгое представление о трофических взаимодействиях дает односвязная трофическая сеть, т.е. более разветвленная по сравнению с трофическими уровнями система трофических связей, имеющая следующий формализм [Меншуткин, 1971]. Пусть на множестве популяций (или групп особей) задан граф трофических связей Г(P), где два любых узла могут быть связаны ребром, направленным от хищника к жертве. Каждому ребру поставлена в соответствие трофическая ценность j-й жертвы по отношению к i-му хищнику как априорная вероятность ее поедания этим хищником. Тогда под биотическими сообществами (или биоценозами) B можно понимать связные компоненты этого графа – фрагменты узлов сети, внутренне неразделимые, но изолированные друг от друга на некотором статистическом уровне значимости. Иными словами, биоценоз признается как условно однородная часть континуума (основное требование к сообществу – однородность его строения, чаще всего оцениваемая "на глаз").

Пусть для произвольного биотического сообщества B, состоящего из множества организмов и их популяций Pi, имеют место следующие условия:

cообщество развивается в выбранном пространственно-временном континууме – некотором "ящике" произвольных, но априори установленных размеров S,

область пространства S наполнено некоторыми техно-геофизическими ресурсами Е, причем предполагается существование некоторой функциональной взаимосвязи между абиотическими Е и биотическими B составляющими;

биотические компоненты  B (напрямую или через посредство внутрисистемных абиотических факторов) функционально связаны потоком вещества и энергии R с некоторой окружающей средой – "глобальным источником и приемником";

сообщество B способно к самоорганизации, т.е. менять свое поведение и структуру, адаптируясь к изменениям внешних воздействий.

Тогда множество популяций биотического сообщества, составляющих изолированный фрагмент трофической сети, вместе с замкнутыми циклами биогенных элементов и компонентами неживой природы образуют экосистему [Розенберг с соавт., 1999]:

(B Ç E) Î S ® R .

Из данного определения следует, что экосистема в отличие от сообщества обязательно включает в себя автотрофные элементы, т.к. в противном случае невозможно получение замкнутых биогеохимических циклов.


На главную