Проект Томского школьника Матюшина Антона, участника конкурса "Зеленые Изобретения".
Проект содержит взгляд молодого поколения на проблему изменения климата.

Заозерная средняя школа с углубленным изучением отдельных предметов №16 г. Томска

 

Принципы управления климатом на разных уровнях иерархии системы.

 

Выполнил: Матюшин Антон

ученик 10 А класса

Руководитель: Макаревич А.А.

учитель экологии

Томск 2010

 

Содержание

 

Введение.

 

Человек всё чаще и чаще встречается с катаклизмами в своей жизни. Они имеют разное происхождение, но масштаб и мощность их всё возрастают с течением времени. Для человека всерьёз возникает угроза существования, и поэтому важно решить возникающие проблемы. Решение одной проблемы занимает время и требует ресурсов, которые не бесконечны на нашей планете. Поэтому важно, прежде чем действовать, понять суть проблемы. Человечество постепенно становится мощной силой на планете, но осознания своей власти и своих возможностей в современном обществе нет. Поэтому необдуманное воздействие человека на природу является причиной или сопутствующим фактором во многих катаклизмах.

Одним из таких катаклизмов является глобальное потепление климата. Человек на сегодняшнем уровне своего развития уже способен управлять климатом, и вполне логично, что он может решить назревшую глобальную проблему. В своей работе я хочу рассмотреть универсальный вариант решения проблем через метод анализа систем, к которым относится и биосфера, и климат в целом.

 

Гипотеза: на современном этапе развития человеческая цивилизация способна решать глобальные проблемы, но недостаточное развитие науки не даёт возможности полностью управлять системой.

 

Цель: опираясь на принцип иерархичности систем и ТРИЗ, предложить пути решения проблемы глобального потепления.

 

Задачи:

1. использовать для рассмотрения приём ТРИЗ (системный оператор) для построения иерархичности системы климатообразования.

2. рассмотреть способы управления климатом на разных уровнях иерархии системы.

3. оценить возможности мирового сообщества для решения проблемы глобального потепления.

Глава 1: Метод ТРИЗ (теория решения изобретательских задач): Системный оператор.

Схема №1

Девятиэкранная схема мышления.(1)

 

 

Прошлое Надсистемы		Надсистема (настоящее)		Будущее Надсистемы
Прошлое Системы		Система		Будущее Системы
Прошлое Подсистемы		Подсистема (настоящее)		Будущее Подсистемы

 

Девятиэкранная система мышления помогает развитию системных представлений в ТРИЗ, являясь конкретизацией принципа иерархичности. Это метод анализа развития системы, которым мы будем пользоваться.(1)

Система (от греч. «составленный») — множество взаимосвязанных объектов и ресурсов, организованных процессом системогенеза в единое целое и, возможно, противопоставляемое среде.

Свойства систем

Связанные с целями и функциями

Синергичность — однонаправленность (или целенаправленность) действий компонентов усиливает эффективность функционирования системы.

Приоритет интересов системы более широкого (глобального) уровня перед интересами её компонентов.

Эмерджентность — цели (функции) компонентов системы не всегда совпадают с целями (функциями) системы.

Мультипликативность — и позитивные, и негативные эффекты функционирования компонентов в системе обладают свойством умножения, а не сложения.

Связанные со структурой

Целостность — первичность целого по отношению к частям.

Неаддитивность — принципиальная несводимость свойств системы к сумме свойств составляющих её компонентов.

Структурность — возможна декомпозиция системы на компоненты, установление связей между ними.

Иерархичность — каждый компонент системы может рассматриваться как система (подсистема) более широкой глобальной системы.

Связанные с ресурсами и особенностями взаимодействия со средой

Коммуникативность - существование сложной системы коммуникаций со средой в виде иерархии.

Взаимодействие и взаимозависимость системы и внешней среды.

Адаптивность — стремление к состоянию устойчивого равновесия, которое предполагает адаптацию параметров системы к изменяющимся параметрам внешней среды (однако «неустойчивость» не во всех случаях является дисфункциональной для системы, она может выступать и в качестве условия динамического развития).

Надёжность — функционирование системы при выходе из строя одной из её компонент, сохраняемость проектных значений параметров системы в течение запланированного периода.

Интерактивность

Иные

Интегративность - наличие системообразующих, системосохраняющих факторов.

Эквифинальность - способность системы достигать состояний независящих от исходных условий и определяющихся только параметрами системы.

Наследственность.

Развитие - необратимое, направленное, закономерное изменение, универсальное свойство.

Порядок.

Самоорганизация. (7)

 

 

 

Таблица №1

Иерархия технических и естественных систем.(1)

 

№	Уровень иерархии в технике	Аналоги в природе
1	Техносфера (техника + люди + ресурсы + система потребления)	Биосфера	Биогеосфера
2	Техника (все отрасли)	Фауна	Геосфера
3	Отрасль (например, транспорт)	Тип	Климат
4	Объединение (например, аэрофлот)	Класс	Климатические зоны
5	Предприятие (завод, метро, аэропорт)	Организм	Погода
6	Машина (локомотив, автомобиль)	Органы (сердце, лёгкие и т.п.)	Физические факторы среды
7	Механизм (совокупность узлов, позволяющая осуществлять перевод энергии и вещества одного вида в другой), например, двигатель внутреннего сгорания	Клетка (элементарная живая система, состоящая из мембран, цитоплазмы, органоидов и являющаяся основой строения, развития и жизнедеятельности всех организмов, кроме вирусов)	Микроклимат
8	Пара деталей: ось и два колеса (появляется новое свойство – способность качения)	Молекула, образованная разными радикалами	Рельеф и круговорот паров воды (процесс)
9	Неоднородная деталь (при разделении образует неравные части), например, винт и гайка	Несимметричная углеродная цепь С=С=С-С-С-С-С	Рельеф, вода, склон, растительность, экспозиция склона.
10	Однородная деталь (балка)	Углеродная цепь -С-С-С-С-С-	-
11	Неоднородное вещество (сплавы)	Смеси, растворы (морская вода, горная порода)	-
12	Однородное вещество (химически чистое железо)	Простое вещество (кислород, азот)	-

 

Таблица №2 рассматривает настоящее время иерархичности системы, более подробно выделяя иерархические уровни организации систем.

Наименьшим функциональным звеном климата является микроклимат. Это элементарная единица, из которой строится любой климат, поэтому его можно соотнести с уровнем механизмов в технике или с уровнем клетки в живых системах. На один уровень ниже располагаются взаимодействующие составные части системы. Микроклимат характеризуется разными составными частями, например, рельеф и круговороты вещества (воды) и энергии, как процессы. Эти части микроклимата взаимодействуют между собой, формируя микроклимат, как систему, на ограниченной территории. Ниже располагается уровень неоднородной детали системы, и в звене климата ему будут соответствовать различные факторы микроклимата (Рельеф, вода, склон, растительность, экспозиция склона, освещение, угол падения солнечных лучей, и т. д.). Нижние уровни организации не представляют практического интереса.

Следующий функциональный уровень климата это погода. Погода существует, как отдельный организм, по своим правилам и имеет свои составные части, в совокупности называемые факторами среды. И действительно, сравнение погоды с организмом или заводом – удачно, вполне достаточное для отражения сути этого явления.

Следующее звено это - непосредственно климат, «отрасль геосферы». В разных областях нашей планеты климат разный, поэтому выделяют разные климатические зоны. Они различаются главным образом суммой климатических факторов, формирующих собственно климат. Например: широтная поясность, расположение по отношению к крупным водоёмам, погода, рельеф, флора, деятельность ледников, внутренние процессы планеты, распределение атмосферных газов (парниковых в том числе).

Глава 2: Принципы (примеры) управления климатом на разных уровнях иерархии системы.

От простого к сложному. Наименьшей функциональной единицей климата является микроклимат. Сам же микроклимат из определения состоит из различных составляющих. Например, воды, рельефа, растительности, наличия склона, его экспозиции и прочих. Рассмотрим микроклимат территории, связанный с наличием реки. Естественно, для всех организмов, живущих на этой территории, река будет формировать условия микроклимата в разные сезоны. Ярким примером является ощущения человека в разных местах города в один и тот же момент времени. Площадь Ленина в центре города Томска имеет большой остановочный комплекс. Вся площадь заасфальтирована. В ста метрах от остановки расположена вниз по рельефу набережная реки Томи. В жаркий летний день, когда температура воздуха поднимается до 28-30 °С, на площади Ленина асфальт накаляет воздух, поднимается пыль, и человек, естественно, ощущает сильный жар и духоту. Находиться в таких условиях долго очень трудно и опасно для здоровья. А на набережной дышится легко, свободно, ощущается охлаждающе влияние воды. Почему микроклимат сопряженных территорий так различен? Всё дело в том, что асфальт на площади сам сильно нагревается, накаляя приземный воздух и пыль в воздухе. Можно наблюдать эффект сухой бани. Возле реки за счет испарения воды температура снижается, повышается влажность, благотворно влияющая на ощущения и здоровье человека. На этом этапе уже прослеживается управляющее воздействие деятельности человека: заасфальтировав площадь, он изменил микроклимат на этой территории.

В перспективе генплана архитектуры города Томска, планируется «взять в трубу» малую реку Ушайку, протекающую через центр города и площадь Ленина. Её влияние на микроклимат площади очевидно. При проектировании были учтены преимущества для города: улучшается транспортная сеть и облагораживается центр города, однако экологическое состояние резко ухудшится. Заасфальтировав всю площадь, на которой проходят транспортные магистрали города, жители получат территорию с очень неблагоприятным для здоровья микроклиматом. Вывод: при планировании перспективного плана развития архитектуры города не были учтены механизмы системы микроклимата территории.

Человек может, воздействовав всего лишь на одну характеристику, и тем самым, изменить остальные. Например, построив запруду на малой реке, человек изменяет сток реки, скорость её течения, образуя пруд или озеро с большей площадью поверхности воды. Такие действия возможны для хозяйственных или рекреационных нужд. Наблюдается увеличение испаряемости с этой поверхности, увеличение увлажнения воздуха прилегающей территории, увеличение количества осадков в виде рос, изменение микроклимата вблизи водоёма и соседних биогеоценозах. В конечном итоге при длительном снижении стока реки может получиться заболачивание прилегающей к реке территории.

Другой пример. Если мы имеем открытую эродированную поверхность почвы, например, после строительства, она оказывает негативное воздействие на микроклимат территории. Открытая поверхность перераспределяет водные потоки от осадков, провоцирует эрозионные процессы, нарушает тепловой режим территории и отрицательно влияет на визуальное восприятие. Проведя рекультивацию территории, посадив газонную траву и другие растения, можно изменить микроклимат. Трава, плотно закрыв поверхность почвы, изменит тепловой режим и круговорот воды, тем самым уменьшится эрозия. Вывод: грамотное управление территории заключается в правильном подборе механизмов в системе.

Если мы воздействуем сразу несколькими факторами, то их эффект не просто складывается, а перемножается. Пример. В городе Томске и пригородном посёлке Светлом наблюдается разная температура воздуха зимой и летом, хотя они находятся близко друг к другу. Это можно объяснить так: зимой солнце приблизительно одинаково согревает посёлок и город, но температура воздуха в Томске будет на 2-3°С выше чем в поселке. В городе количество отдающих тепло поверхностей будет кратно выше, чем в посёлке. Отдают тепло стены домов, открытые форточки, тротуары, под которыми проходят тепломагистрали. Так же тепло поступает в атмосферу за счет выбросов автотранспорта и котелен, чего гораздо больше в городе. Вывод: два фактора (отдача тепла от поверхностей и тепловые выбросы) регулируют температурный режим территории.

Погоду можно рассматривать как целостную систему, сопоставимую с уровнем организма или предприятия. Как руководитель управляет предприятием, а доктор контролирует здоровье организма, так и человек, в принципе, может управлять погодой. Для это нужны свои механизмы управления системой. Погода формируется за счет различных факторов. Одним из ведущих является сезонность, определяющаяся за счет вращения планеты Земля вокруг солнца и углом поступления солнечного света на поверхность. Следовательно, сезонность – это космический фактор, неподвластный управлению человека. Таких факторов (не подвластных человеческой воле) достаточно много. Есть и такие, которыми можно управлять, но это просто не выгодно экономически. Поэтому, опираясь на структуру управления, надо искать наиболее рациональный вариант решения открытой проблемы. Например, если проблема решается только экономическими рычагами, а средств на это недостаточно, то включаются механизмы политического регулирования.

В зависимости от сезона, погода формируется из эффекта воздействия всех микроклиматических образований на данной территории и пришедших воздушных масс. Если мы сможем управлять элементами микроклимата на отдельной территории, то сможем изменять и погоду.

Например: город Томск располагается на юго-востоке Западно-Сибирской низменности с резко континентальным климатом. Летом в городе Томске часто бывает дождливая погода, хотя в соседних районах солнечно и сухо. Это происходит из-за того, что город, находясь в зоне стыка хребта и низменности, испытывает на себе влияние тёплой сухой воздушной массы с Алтайских гор и холодной и влажной с севера и Васюганского болота, потому и идут летом обильные холодные дожди, а зимой снег.

Климат - многолетний статистический режим погоды, характерный для данной местности в силу её географического положения.

Климат — статистический ансамбль состояний, через который проходит система: гидросфера → литосфера → атмосфера (геосферы в общем) за несколько десятилетий. Под климатом принято понимать усреднённое значение погоды за длительный промежуток времени (порядка нескольких десятилетий) то есть климат — это средняя погода. Таким образом, погода — это мгновенное состояние некоторых характеристик (температура, влажность, атмосферное давление). Отклонение погоды от климатической нормы не может рассматриваться как изменение климата, например, очень холодная зима не говорит о похолодании климата. Для выявления изменений климата нужен значимый трен характеристик атмосферы за длительный период времени порядка десятка лет.

Факторы климата

1. солнечная активность, которая влияет на состояние озонового слоя, или просто на общее количество излучения

2. изменение наклона оси вращения Земли (прецессия и нутация)

3. изменение эксцентриситета орбиты Земли

4. изменения состояния земного ядра, которые влекут за собой изменения магнитного поля Земли

5. извержения вулканов

6. деятельность ледников

7. перераспределение газов на планете

8. выделение газов и тепла из недр планеты

9. изменение отражающей способности атмосфер

10. катастрофы наподобие падения астероидов

11. деятельность человека (сжигание, выброс различных газов, развитие атомной энергетики)(7)

Деятельность человека выделена как один из климатообразующих факторов, а это значит, что теоретически человечество уже способно изменять климат. Кроме того, на данном уровне развития науки и техники возможно ослабление влияния других факторов на глобальный климат планеты, например, возможно уменьшение отражающей способности атмосфер или выделения газов и тепла из недр планеты.

Климат является системой, и стабильность климата зависит от стабильности этой системы.

Схема №2: Равновесные состояния системы.

 

 

Относительную стабильность любой естественной системы можно схематично показать на трёх примерах:

Положение 1: Стабильное состояние системы, при котором силам, действующим на систему, сложно вывести её из равновесного состояния. В этом случае ничто не мешает развитию системы.

Положение 2: Тоже состояние стабильности системы, но более «шаткое»: внешние и внутренние силы могут сдвинуть равновесие в одну или другую сторону. В этом варианте развитие система развивается, но прервать это развитие достаточно легко даже при несильном воздействии.

Положение 3: Нет стабильности системы, а это значит, нет и её развития, т. е. система деградирует, даже если действие силы, выводящеё её из равновесного состояния, прекратилось.

Стоит отметить, что одним из свойств системы является саморегуляция, направленная на стабильность. Климатические катастрофы последних лет показали, что климат вышел из равновесия, и находится, пока, между вторым и третьим положениями схемы. Природа противодействует пагубным изменениям, и ещё может вернуть стабильность, если уменьшить или скомпенсировать силы, действующие на систему.

Глава 3: Глобальное потепление.

Сам факт глобального потепления, который нельзя отрицать, является лишь следствием изменения климата. Для разрешения этой проблемы надо найти силы, смещающие равновесие системы.

Факторы глобального потепления можно разделить на три группы по происхождению: абиотические, биотические и антропогенные. Абиотический фактор включает в себя воздействие неживой природы, и влияние космоса. Космические циклы имеют огромную силу, но повторяются эти циклы через большое время. Глобальное потепление – кратковременный процесс, и не связан ни с какими-либо космическими циклами, ни с температурными циклами Земли. Самым значительным из абиотических факторов является парниковый эффект. Биотический фактор - это влияние живой природы на систему. Природа так устроена, что не будет действовать себе во вред, а если есть такое действие, то оно обязательно скомпенсировано. Антропогенный фактор в наше время является решающим: глобальное потепление началось из-за выбросов человека в атмосферу, сейчас человек нарушает и те природные процессы, которые возвращают стабильность природе и мешают жизнедеятельности человека.

Международное сообщество в решении проблемы изменения климата

Киотский протокол

Киотский протокол был заключён в декабре 1997 г. к дополнение к Рамочной конвенции ООН об изменении климата в Киото (Япония) и является одним из самых значимых международных документов по защите окружающей среды. Период подписания с 16 марта 1998г. по 15 марта 1999 г. Протокол был подписан 181 страной мира, на которые в совокупности приходится 61% мировых выбросов парниковых газов (стоит заметить, что США не ратифицировали договор). На смену Киотскому соглашению планировалось заключить новое в Копенгагене в декабре 2009г. на конференции ООН по изменению климата.

Протокол обязывает страны с переходной экономикой уменьшить или стабилизировать выбросы парниковых газов (CO₂, CH₄, гидрофторуглеводороды, перфторуглеводороды, N₂O, SF₆) в период с 2008 г. по 2012 г. по сравнению с 1990 г. на 5,2%. Основные обязательства взяли на себя индустриальные страны:

• Евросоюз должен сократить выбросы на 8 %

• Япония и Канада — на 6 %

• Страны Восточной Европы и Прибалтики — в среднем на 8 %

• Россия и Украина — сохранить среднегодовые выбросы в 2008—2012 годах на уровне 1990 года.

Развивающиеся страны, включая Китай и Индию, обязательств на себя не брали.

Соглашение также предусматривает механизмы гибкости:

• проекты совместного осуществления — проекты по сокращению выбросов парниковых газов, выполняемые на территории одной из стран полностью или частично за счёт инвестиций другой страны;

• механизмы чистого развития — проекты по сокращению выбросов парниковых газов, выполняемые на территории одной из стран (обычно развивающейся) полностью или частично за счёт инвестиций страны.

• торговлю квотами, при которой государства или отдельные хозяйствующие субъекты на его территории могут продавать или покупать квоты на выбросы парниковых газов на национальном, региональном или международном рынках;

Киотский протокол является одним из самых важных международных документов урегулированию выбросов, применяющий рыночные механизмы регулирования.

Копенгагенская конференция.

Дата с 7 декабря по 18 декабря 2009 года.

Конференция в Копенгагене, несмотря на возложенные на неё ожидания, не имела результатов, подтвержденных в международных договорах. В ходе встречи обострились разногласия между развитыми и развивающимися странами, из-за того, что снизить выбросы парниковых газов планировалось за счет сокращения выбросов развивающихся стран, что сильно вредит росту экономики. В ходе конференции были представлены работы исследовательских групп по вопросу глобального потепления. Они говорят о том, что темпы потепления постепенно снижаются и будут снижаться, если ещё больше уменьшить выбросы парниковых газов. В рамках встречи были продемонстрированы экономичные технологии, уменьшающие выбросы загрязнителей (модели электромобилей). Примечательна позиция ЕС по этому вопросу. ЕС ещё до Копенгагенской конференции заявил, что, несмотря на его итоги, будет сокращать выбросы по технологиям, предложенным в Киото.

«Вместо всеобъемлющего, юридически обязывающего, реально работающего, и одновременно удовлетворяющего интересам каждой из сторон соглашения в датской столице в ночь на 19 декабря был фактически принят новый "меморандум о намерениях", не имеющий обязательной силы, и лишь декларирующий желание сторон и дальше искать глобальное решение климатической проблемы.»(6)

В Копенгагене не был подписан новый договор о каком - либо противодействии глобальному потеплению. На саммите лишь всё ярче проявились противоречия между развитыми и развивающимися странами по поводу «точки отсчета» парниковых квот, т. е. экономические и политические противоречия в погоне за прибылью. Срок действия киотского протокола истекает в 2012 году, но к нему так и не присоединились США, Китай и Индия (на долю этих стран приходится до трети выбросов в атмосферу). «Промышленно развитым странам (в первую очередь США и Китаю) выгодно в качестве отправной точки взять 2005 год, поскольку в таком случае им не придется существенно сокращать объемы выброса в атмосферу СО2. Однако это абсолютно неприемлемо для потенциальных владельцев крупных квот на вредные выбросы»(4).Налицо неэффективность экономического метода регулирования и неспособность мирового сообщества решать глобальные проблемы.

Проблему глобального потепления можно решить не только экономическим методом. Существуют версии о том, что во время холодной войны вместе с разработкой ядерного оружия, обеими сверхдержавами велись разработки климатического оружия: "У Пентагона так много денег, что меня бы удивило, если бы они этим не занимались, - утверждает он. - Подозреваю, что такие работы ведутся как в США, так и в России. Исследования погодных явлений невозможно остановить. Что же касается землетрясений, то здесь даже незачем тратить деньги на конкретные программы военного назначения - в этой области проводится масса исследований, которые можно легко адаптировать в соответствующих целях. Некоторые из высказываемых при этом идей вполне пригодны для практического применения". (5). И этому есть подтверждения. «Учеными нашей компании была разработана уникальная технология, которая позволяет воздействовать на климатический процесс без применения каких-либо химических компонентов или высокоэнергетических воздействий среды. «Главные технологии позволяют решать такие задачи, как изменение среднемесячных температур, изменение среднемесячного количества осадков, а также устранение пылевых бурь как явления.…Наша технология - это взаимодействие естественных природных процессов и высокоинтеллектуальных технологий. Зависит она от перераспределения природной, окружающей среды и ее энергии. При образовании циклона нами формируется канал для переброса необходимого количества влаги в определенные заданные районы за счет энергии самого циклона…» - Алексей Ловягин, представитель компании "Global Climate Trading”.(2). «Успехом завершился эксперимент по корректировке погоды над центром Москвы, проведенный в пятницу утром в районе Арбата специалистами ОАО «Московский комитет по науке и технологиям».»(3). Важен сам факт того, что современные технологии позволяют, пусть и не так значительно, изменять климат. Но недостаточно одних технологий для противодействия глобальному потеплению. Нужны более углубленные знания свойств естественных систем. Одним из таких свойств является «эффект бабочки», его нужно только правильно применить. Уровень развития человеческой цивилизации сегодня – техносфера (техника, люди, ресурсы, система потребления) – уже позволяет вмешиваться в естественные процессы, но такое управление не полноценно. Человек способен «сбить» глобальное потепление, но не способен управлять естественными процессами в полной мере. Уровень науки соответствует техносфере, а для полного контроля над природой, что необходимо человечеству, такой науки не достаточно. Если человеческая цивилизация сможет развить науку раньше, чем её сметет очередной катаклизм, более сильный чем глобальное потепление, то новым уровнем развития цивилизации будет ноосфера - сфера науки и разума, которая позволит управлять естественными процессами, стать человеку хозяином природы, правителем, но не бездумным, а мудрым и чутким.

Метод ТРИЗ: системный оператор способствует становлению «мудрого правителя». Метод способствует развитию системного мышления и пониманию иерархичности систем, на каждом уровне которой человек способен воздействовать. Именно воздействие на определённом уровне помогает изменять ситуации глобально при меньших затратах ресурсов.

Выводы:

1. Мировое сообщество оказалось неспособным решить глобальную климатическую проблему.

2. Метод ТРИЗ: системный оператор является действенным системах разного типа и позволяет решать проблемы на разных уровнях иерархии в системе.

3. С помощью метода «системный оператор» возможно решение проблемы глобального потепления.

 

Список литературы.

1. С. А. Филичев, О.Д. Лукашевич «Экологи изобретают: Решение экологических задач методами технического творчества». г. Томск. Издательство ТГАСУ 2010г.

2. http://www.ami-tass.ru/article/63462.html

3. http://www.homepage.ru/

4. http://www.podii.com.ua/politics/2009/12/18/113429.html

5. http://pogoda.ru.net/articles/article28.htm

6. http://www.warandpeace.ru/ru/news/view/42503/

7. http://ru.wikipedia.org