Новые задачи, стоящие перед наукой

Макарьева А.М., Горшков В.Г., Старцев А.А. По случаю года экологии в России. 2017.

следующий раздел

Введение

С утра садимся мы в телегу;
Мы рады голову сломать
И, презирая лень и негу,
Кричим: "пошeл, ...!"
А.С. Пушкин, "Телега жизни"

Всё время своего существования наука боролась с враждебной человеку окружающей средой. Благодаря открытию электричества, двигателя внутреннего сгорания и химических удобрений за последние два столетия уровень жизни людей вырос скачкообразно. Большинство современных людей в развитых странах никогда не испытывали физических перегрузок и голода. В этом они впервые в истории человечества сравнялись с жителями естественной климатической зоны человека. Последние, живя в высокопродуктивной экосистеме при оптимальном климате, тратили на добывание пропитания лишь небольшую часть своего времени (и потому никогда не имели стимула для развития науки и техники).

Там, где эта задача - обеспечение едой, одеждой и жилищем без физических перегрузок вне естественного ареала Homo sapiens - была решена, научно-технический прогресс ожидаемо перестал приводить к улучшению жизни людей. Фундаментальная наука проскочила область размеров и энергий, соизмеримых с потребностями людей. Интенсивные исследования продолжаются на масштабах, не затрагивающих жизнь человека: в физике высоких энергий, намного превосходящих энергии ядерной физики, и в астрофизике, перешедшей к исследованию космоса, удалённого от нас на миллионы световых лет. Общество ощущает уменьшившуюся отдачу от инвестиций в научно-технический прогресс [1]. Авторитет науки вообще и занятой научной деятельностью части общества падает.
[1] Mokyr J. (2013) Is technological progress a thing of the past? VOX (CEPR's policy portal).

Эта ситуация опасна, так как никогда прежде человечество так сильно не зависело от науки. Наша экспоненциально растущая цивилизация неустойчива, а незыблемость современного уклада жизни - иллюзорна. Популяция человека выросла почти до десяти миллиардов, на несколько порядков превысив естественную численность видов животных размера человека. Помимо этого, каждый современный человек потребляет в единицу времени в пятьдесят раз больше энергии, чем он потреблял бы в естественной окружающей среде. Из-за запредельного воздействия человека на биосферу повсеместно деградируют почвы и растительный покров, разрушаются круговорот воды и температурный режим.

Перед наукой встала новая задача - сохранить достигнутый уровень прогресса. Как не допустить экологического коллапса и следующего за ним глобального падения уровня жизни и социального хаоса?

Чтобы решить эту задачу, необходимо заменить историческое противостояние науки и окружающей среды принципиально иными подходами к изучению биосферы. Но новые подходы развиваются медленно. Проблемы окружающей среды по-прежнему рассматриваются по примитивной схеме ассенизации (борьбы с загрязнениями).

Главным белым пятном в современной науке является вопрос о том, как устроены не нарушенные человеком экосистемы - леса, болота, океаны. Каким образом жизнь в этих экосистемах не прерывалась, а окружающая среда оставалась пригодной для жизни в течение сотен миллионов лет? Именно устойчивость отличает первозданную природу от всех без исключения антропогенных биосистем, включая и саму современную глобальную цивилизацию.

В странах-чемпионах технологического прогресса, которые сегодня определяют мировую научную повестку, идеи антропогенного преобразования природы исторически наиболее влиятельны, а дикая природа, как следствие, утрачена. В некоторых других странах, где ненарушенные леса ещё есть, нет научной базы и стимула для их изучения, так как высокая численность и, следовательно, низкий уровень жизни населения обуславливают быструю распродажу и уничтожение остатков естественной природы. В России и Бразилии сложилась более благоприятная ситуация: помимо самостоятельной научной базы на значительной части территории этих стран сохранились малонарушенные экосистемы [2].
[2] Kobyakov, K.N., Shmatkov, N.M., Shvarts, E.A., Karpachevsky, M.L. (2015) Loss of Intact Forest Landscapes in Russia and Effective Forest Management in Secondary Forests as Its Alternative for Biodiversity Conservation and Sustainable Rural Development. XIV World Forestry Congress, Durban, South Africa, 7-11 September 2015.

Междисциплинарная концепция биотической регуляции, сформулированная в России и разрабатываемая международной группой учёных, количественно доказывает, что окружающая среда остаётся пригодной для жизни в результате воздействия на неё естественных экосистем, т.е. самой жизни. Мощность стабилизирующего воздействия естественных экосистем пропорциональна их площади. Поэтому не эксплуатируемые человеком экосистемы суши и океана должны занимать достаточно большие площади так, чтобы их суммарное воздействие было достаточным для поддержания глобальной окружающей среды в устойчивом состоянии. Если порог разрушения естественных экосистем превышен, окружающая среда деградирует до непригодного для жизни человека состояния независимо от наличия или отсутствия прямых антропогенных загрязнений типа выбросов углерода.

Современное человечество обязано науке не только своими достижениями, но и своей постоянно возрастающей уязвимостью. Избежать коллапса наша цивилизация сможет только в том случае, если фундаментальная наука изыщет внутренние резервы и мобилизуетcя для решения проблем устойчивости биосферы, окружающей среды и человеческого общества. Для этого, в частности, необходимо изучать экологические особенности человека как одного из видов биосферы. В этой статье мы кратко обсудим две из важнейших проблем устойчивости: круговорота воды и психического здоровья людей при перенаселённости. В заключительном разделе мы рассмотрим фундаментальную экологическую проблему крупных животных (включая человека) как фактора дестабилизации экосистем суши.

предыдущий раздел :: наверх :: следующий раздел

Откуда берётся вода?

В 2015 году руководство Саудовской Аравии объявило, что следующий год станет последним годом урожая пшеницы [3]. Такое апокалиптическое заявление связано с исчерпанием подземных вод в этой пустынной стране с утроившимся за последние сорок лет населением. Страна, недавно ещё экспортировавшая зерно, осталась без воды. Согласно имеющимся оценкам [4], скорое исчерпание подземных вод угрожает многим крупным сельскохозяйственным регионам, включая Калифорнию, Индию и Китай.
[3] Halverson N. (2015) What California can learn from Saudi Arabia's water mystery.
[4] Famiglietti, J.S. (2014) The global groundwater crisis. Nature Climate Change 4: 945-948.

Пока численность населения была малой, воды было достаточно, и изучать, откуда она берётся, было незачем. Поэтому значимых успехов в понимании устойчивости круговорота воды современная наука не достигла. Проблема вот в чём.

Круговорот воды на суше и лесной насос
Рис. 1. Стационарный круговорот воды на суше.

Суша возвышается над океаном, поэтому вода на ней долго не задерживается и под действием силы тяжести стекает в океан (рис. 1). Пресной воды в почве, озёрах, реках и горных ледниках мало: вся она может стечь в океан всего за несколько лет. Обратный приток воды из океана происходит по воздуху. Вода испаряется с поверхности океана и переносится ветром на сушу в виде водяного пара. Здесь влажный воздух обязательно должен подняться, так как именно при подъёме он охлаждается, водяной пар превращается в воду или лёд и выпадает осадками на земную поверхность. Осадки, таким образом, зависят от того, во-первых, будет ли дуть ветер с океана на сушу, и, во-вторых, будет ли приносимый с океана воздух подниматься.

Как раз эти вопросы метеорология до сих пор оставляет без количественного ответа. Современные численные модели ветровой циркуляции построены путём подгонки ключевых параметров (главным образом, турбулентности) к наблюдениямх [5,6], и потому лишены предсказательной силы на временных масштабах, превышающих несколько дней (время оборота атмосферной влаги). Независимые измерения речного стока дают возможность проверить, верно ли модели описывают, сколько водяного пара поступает на сушу с ветром. Согласно закону сохранения вещества, воздушный приток влаги с океана должен быть равен речному стоку обратно в океан.
[5] Voudouri A. et al. (2017) Objective calibration of numerical weather prediction models. Atmospheric Research 190, 128-140.
[6] Makarieva A.M. et al. (2017) Kinetic energy generation in heat engines and heat pumps: the relationship between surface pressure, temperature and circulation cell size. Tellus A, 69, 1272752, doi: 10.1080/16000870.2016.1272752.

Модели не проходят этот тест. Например, для бассейна Амазонки модельный поток влаги с океана через атмосферу не равен речному стоку, а в два раза меньше. Расхождения имеют место для всех регионов, и никакими подгонками исправить их не удаётся [7].
[7] Hagemann S. et al. (2011) Impact of a statistical bias correction on the projected hydrological changes obtained from three GCMs and two hydrology models. J. Hydrometeor. 12, 556-578.

Метеорологическое сообщество признаёт наличие проблем, однако их решение ищут по принципу ещё больше того же самого. Считается, что увеличение вычислительной мощности компьютерных расчётов и количества метеорологических наблюдений, включая спутниковые, приведёт к существенным улучшениям в прогнозировании изменений климата. Однако, несмотря на постоянный рост как компьютерных мощностей, так и количества и качества наблюдений, значимого прогресса не происходит.

Например, ураганы. Современные модели ураганов строятся на представлении о том, что ураган возникает за счет экстракции тепла из океана; по этой логике, чем теплее океан, тем больше должно быть ураганов. В 2013 году, основываясь на наблюдениях аномально тёплой поверхности Атлантического океана, все крупнейшие мировые метеоцентры предсказали сверхактивный сезон ураганов. На самом деле ураганов в 2013 году практически не было вовсе. Этот "прокол" широко обсуждался в американских средствах массовой информации (которые, кстати говоря, гораздо больше обращают внимание на проблемы окружающей среды, чем российские).

Другой пример: несмотря на предсказание всех без исключения компьютерных моделей о том, что при глобальном потеплении глобальная ветровая циркуляция должна замедляться, она, напротив, ускоряется [например, 8]. О трудностях с предсказаниями муссонов см., например, [8a].
[8] Kociuba G., Power S. B. (2015) Inability of CMIP5 models to simulate recent strengthening of the Walker circulation: implications for projections, J. Climate 28, 20-35.
[8a] Acharya N., Kar S.C., Mohanty U., Kulkarni M.A., Dash S (2011) Performance of GCMs for seasonal prediction over India—a case study for 2009 monsoon. Theoretical and Applied Climatology 105, 505-520.

Недавно была высказана мысль о том, что необходимо не только больше компьютерных мощностей и наблюдений, но и больше научных работников. Журнал Nature Geoscience призвал молодых математиков и физиков заняться не астрономией или космологией, а построением более продвинутых численных моделей влажной атмосферы [9].
[9] Scheirmeier Q. (2015) Climatologists to physicists: your planet needs you. Nature 520, 140-141.

Между тем сравнение с физикой позволяет предположить, что проблема не только в недостаточной увлечённости молодёжи атмосферной наукой. Поразительные успехи физики отражают уникальное взаимодействие экспериментаторов и теоретиков, осмысляющих результаты экспериментов. Работа теоретика состоит в построении количественной картины изучаемого явления так, чтобы она не противоречила ни фундаментальным законам природы, ни всей совокупности накопленных эмпирических данных, включая данные из смежных дисциплин. Эта задача – построение непротиворечивой картины мира – требует особых навыков мышления и особых критериев успеха. Наивысшего расцвета эта научная культура достигла в современной физике, включая физику высоких энергий и астрофизику. Для решения междисциплинарной задачи сохранения устойчивости цивилизации необходимо распространение этой культуры на все остальные области науки.

В мировом сообществе исследователей атмосферы ниша теоретиков практически отсутствует: сообщество делится на модельеров и экспериментаторов. В отсутствие теоретиков физические принципы атмосферной циркуляции не обсуждаются, не переосмысляются и превращаются в догмы. Единственная физическая идея, стоящая за всеми атмосферными моделями и предложенная несколько веков назад ещё Галлеем, - Архимедова плавучесть (тёплый воздух поднимается, холодный опускается). В любой задаче ветровой циркуляции отыскивается температурный градиент; затем все остальные параметры подгоняются так, чтобы на основе этого градиента воспроизвести наблюдаемые скорости ветров.

Однако существует новый подход, в котором показано, что движение влажного воздуха и транспорт атмосферной влаги обуславливаются конденсацией [10]. Наличие водяного пара в воздухе индуцирует его подъём, а исчезновение водяного пара из газовой фазы при конденсации приводит к появлению градиента давления воздуха, заставляющего ветер дуть в сторону области конденсации. Интенсивность ураганов и смерчей [11] определяется не экстракцией тепла из океана, а конденсацией водяного пара, накопленного в предшествующий урагану длительный период времени [12].
[10] Makarieva, A. M., Gorshkov, V. G., Sheil, D., Nobre, A. D., and Li, B.-L. (2013) Where do winds come from? A new theory on how water vapor condensation influences atmospheric pressure and dynamics. Atmos. Chem. Phys. 13, 1039-1056.
[11] Makarieva A.M., Gorshkov V.G., Nefiodov A.V. (2011) Condensational theory of stationary tornadoes. Physics Letters A 375, 2259-2261.
[12] Makarieva A.M., Gorshkov V.G., Nefiodov A.V., Chikunov A.V., Sheil D., Nobre A.D., Li B.-L. (2017) Fuel for cyclones: How the water vapor budget of a hurricane depends on its movement. Atmospheric Research 122, 7300-7307.

На суше главным источником водяного пара служат растения естественных экосистем, главным образом, лесов[13]. Деревья запасают влагу в почве и затем испускают водяной пар в атмосферу в процессе фотосинтеза. Регулируя содержание водяного пара, естественные леса управляют транспортом влаги с океана на сушу в континентальном масштабе.
[13] Makarieva A.M., Gorshkov V.G., Li B.-L. (2013) Revisiting forest impact on atmospheric water vapor transport and precipitation. Theoretical and Applied Climatology 111, 79-96.

В современных пустынях, включая Аравийскую, тысячелетия назад существовала богатая растительность. Как раз в этот период и были медленно заполнены древние подземные водоносные слои. Затем в этом и других пустынных сегодня регионах растительный покров по какой-то причине деградировал (возможно, под воздействием человека или других крупных животных), с ним прекратил существование и биотический насос атмосферной влаги[14,14a]. За последние десятилетия, пока страна стремилась к продовольственной независимости, не возобновляющиеся подземные запасы воды были израсходованы на ирригацию. Восстановление круговорота воды в Саудовской Аравии возможно лишь через восстановление естественного растительного покрова и "перезапуска" биотического насоса.
[14] Gorshkov V.G., Makarieva A.M. (2007) Biotic pump of atmospheric moisture as driver of the hydrological cycle on land. Hydrology and Earth System Sciences 11, 1013-1033.
[14a] Wright D.K. (2017) Humans as Agents in the Termination of the African Humid Period. Frontiers in Earth Science doi: 10.3389/feart.2017.00004, см. также Did humans create the Sahara desert?

И в России богатство пресной воды не гарантировано её географическим положением: великие реки нашей страны существует лишь до тех пор, пока российские леса сохраняют жизнеспособность, находящуюся сейчас под угрозой. Восстановление и поддержание управляющих климатических функций наших естественных лесов [15] - важнейшая, не терпящая отлагательств задача, интеллектуальный вызов, не сравнимый по сложности с раскрученными титульными проектами современной науки типа полётов на Марс.
[15] Коротков В.Н. (2017) Основные концепции и методы восстановления природных лесов Восточной Европы. Russian Journal of Ecosystem Ecology, 2, doi:10.21685/2500-0578-2017-1-1.

Атмосферная наука, а уж тем более наука об экосистемах, в течение последних ста лет воспринимались как нечто второ- и третьестепенное по сравнению с теми разделами физики, которые обеспечили взрывной технологический прогресс. Они долгое время не интересовали интеллектуальную элиту. Но сейчас, когда устойчивость круговорота воды и климата нарушена в глобальном масштабе, именно от качества этих наук и эффективности их взаимодействия судьба человечества зависит в наибольшей степени.

предыдущий раздел :: наверх :: следующий раздел

Психическое здоровье при перенаселённости

Утраченные экологические права

Технологический прогресс избавил людей от быстрого физиологического изнашивания и страданий, неизбежных при тяжёлом физическом труде. Но это имело свою цену: некоторые важнейшие экологические права, которыми человек располагал в естественной окружающей среде, у цивилизованных людей были незаметно утрачены. Например, личная свобода. В естественной среде каждый человек сам добывал себе пропитание и потому зависел только от себя и от своей небольшой социальной группы. В современном мире специализированного производства все люди сложным образом зависят друг от друга. Ни один человек, сколь бы здоров, умён и компетентен он ни был, не способен сохранить свой уровень жизни, если остальные люди в цивилизации перестанут работать.

В то же время окружающая среда практически повсеместно разрушена (деградировали почвы, вырублены леса, выловлена рыба). Добывать пропитание традиционными способами - то есть, независимо от миллионов незнакомых людей, - уже невозможно. Что более важно, в силу запредельно высокой численности населения масштабный возврат к любому типу натурального хозяйства (например, отказ от химических удобрений) лишь ускорит разрушение остатков естественной природы и приблизит экологический коллапс. При современной численности населения дороги назад к личной свободе и независимости у человечества нет. (При сокращении численности, возможно, есть дорога вперёд [16].)
[16] Makarieva A., Gorshkov V., Wilderer P.A. (2016) What Can We Learn from Natural Ecosystems to Avoid a Civilization Breakdown? Section 3.3 in Wilderer P.A., Grambow M. (eds.) Global Stability through Decentralization? In Search for the Right Balance between Central and Decentral Solutions. Series Strategies for Sustainability, Springer International Publishing Switzerland, doi: 10.1007/978-3-319-24358-0_3

Специализация производственного процесса обусловила урбанизацию - совместное проживание на малой территории большого числа незнакомых людей различных профессий. При этом плотность численности населения выросла (а индивидуальная территория - уменьшилась) на несколько порядков по сравнению с естественной окружающей средой человека. Как показали многочисленные исследования, у разных видов млекопитающих перенаселённость приводит к разным поведенческим отклонениям (включая агрессию и отказ от заботы о потомстве[17]), но для всех неизменно является глубоким стрессом. Для минимизации последствий этого перманентного стресса в культуру урбанизированных обществ были включены особые правила поведения, оберегающие психическое здоровье людей.
[17] Calhoun J.B. (1962) Population density and social pathology. Scientific American 206, 139-148.

Культура поведения при перенаселённости

В современной цивилизации индивидуальная территория человека сократилась с нескольких квадратных километров в естественной среде до десятков квадратных метров. Экологическое право человека на личную территорию нашло отражение в законе о неприкосновенности жилища. Этот закон, в той или иной форме присутствующий в юридических нормах всех стран, означает недопустимость вторжения чуждых лиц в замкнутое пространство проживания человека. Вторжение здесь предполагает воздействие чужака на зрение и осязание владельца жилища. Воздействие на остальные три из пяти органов чувств человека - слух, обоняние и вкус - практически не принимается во внимание этим законом. Однако без детального исследования экологических особенностей вида Homo sapiens невозможно создать удовлетворительную систему законов, гарантирующую устойчивость урбанизированного общества.

(Продолжение следует. Можно подписаться на новости и/или наш телеграм канал @bioticregulation)