Введение Основы взаимодействия окружающей среды и человека

Все, что мы можем наблюдать в окружающем нас мире, в той или иной мере систематизировано, и упорядоченность этих состояний распространяется на все процессы, происходящие вокруг нас. При любом изменении упорядоченности наступает реструктуризация системного порядка, при этом системные изменения зависят от степени воздействия, в результате чего происходят изменения в системах различной степени - от их преобразований до разрушения существующих систем и образования новых системных построений.

Процессы, происходящие в системах, имеют различную степень развития – от незначительных перемещений ее элементов до наступления динамического хаоса.

К системам различного ранга относятся Земля в целом, каждая из ее оболочек, биосфера, почва, живой организм и т.д. Географическая оболочка и биосфера могут рассматриваться как природные системы наиболее высокого, глобального уровня организации. В свою очередь, в их составе могут быть выделены многочисленные и разнообразные системы более низких рангов.

Системы в зависимости от их состояния (структуры) разделяют на статические и динамические:

элементы (объекты) статической системы неподвижны, и сама система не способна изменяться, если на нее ничто не воздействует извне;

в динамической системе элементы подвижны, связи между ними сложнее, и сама система способна к самопроизвольным изменениям.

Системы в зависимости от генезиса подразделяются на:

абиогенные системы, включающие лишь неорганическое вещество;

биологические системы – живые организмы и их ассоциации, например, биоценозы;

биокосные системы, для которых характерно тесное взаимопроникновение живых организмов и неорганической («косной» по В.И. Вернадскому) материи (почвы, коры выветривания, ландшафты, океаны и самая крупная биокосная система – биосфера);

техногенные системы – промышленные предприятия, города, транспортные артерии и т.д.

Системы подразделяются на открытые и закрытые, при этом открытые системы при воздействии на них внешних сил и потоков способны изменяться и приспосабливаться к воздействиям на них, а закрытые системы по структуре и внутренним связям элементов (объектов), ее составляющих, более совершенны и, следовательно, более подвержены к саморазрушению под внешними воздействиями.

Всякая большая система обладает структурой - организацией связей и отношений между элементами (объектами) системы, составом этих элементов, наделенных определенными функциями. Структуры могут быть многоуровневыми и одноуровневыми, иерархическими и полиструктурными. При изучении больших систем важное значение имеет состояние равновесия. Равновесие можно рассматривать в статике и в динамике. Если при внешнем воздействии на систему ее равновесные свойства сохраняются, то данное состояние равновесия называется устойчивым, в противном случае состояние равновесия называется неустойчивым.

Устойчивость системы - способность динамической системы сохранять движение по намеченной траектории (поддерживать намеченный режим функционирования), несмотря на воздействующие на нее возмущения (потоки).

Степень открытости систем можно оценить показателем:

, (1)

где:

S₀ - общее число элементов системы;

S_p - число элементов системы, зависящих от воздействия на систему.

Показатель U изменяется от нуля до единицы. Предельная открытость системы достигается при U=1.

Большие системы характеризуются чрезвычайной сложностью, поэтому приведение системы к оптимальному или рациональному режиму функционирования предполагает понимание свойств системы, закономерностей ее существования, функционирования и развития. Получение оптимальных значений конечных показателей функционирования системы предполагает, прежде всего, целенаправленное воздействие на систему в целом и на ее отдельные составляющие.

При изучении систем необходимо исследовать их вещество, энергетику, информацию. Информационный подход приобретает особенно большое значение, т.к. с ним связаны понятия центр, структура, обратная связь, сложность, упорядоченность, самоорганизация и другие важные характеристики систем.

Природные среды Земли, как и Земля в целом, являются открытыми системами, через границы которых и между которыми осуществляется обмен энергией и веществом (геосфера (литосфера) – атмосфера – гидросфера – биосфера как целостные природные системы окружающей среды и Земля – Солнце – планеты – Космос как составные планетарно-звездные элементы Галактики – Вселенной в целом).

Существующий вне систем беспорядок процессов внутри открытых систем преобразуется в упорядоченные процессы стабилизации, до момента нового воздействия внешних процессов на них. Таким образом, открытые системы воздействуют друг на друга, изменяя и преобразуя объекты воздействия. При этом, обладая большим потенциалом равновесия внутри самих себя, они являются чаще всего самодостаточными системами, через которые внешние воздействия могут проходить транзитом, не нарушая ее относительного других систем равновесия и способности к совершенствованию.

В закрытых системах, в отличии от открытых систем, действуют закон сохранения энергии и закон роста энтропии в результате всей суммы преобразований.

Термин "энтропия" был введен в 1865 году немецким физиком Рудольфом Клаузиусом, который сформулировал этот парадокс в виде предположения о неизбежной "тепловой смерти" Вселенной, а математическое определение энтропии как представления о порядке и беспорядке дал Людвиг Больцман в 1872 году.

Термин «энтропия» определяется через множественные показатели «случайностей» чисел и количественно выражается в логарифмических величинах.

Если в результате арифметической перестановки числа всех "случайных мест" в качестве количественной меры беспорядка произвести подсчет всех вариантов-перестановок с ростом количества "мест" и "предметов", их количественные показатели приведут к астрономическим числам. Но при логарифмировании этих величин показатели сократятся до десятков чисел, а сам логарифм числа возможных состояний системы и будет показателем энтропии.

В соответствии со вторым началом термодинамики рост случайных величин должен продолжаться самопроизвольно, без создания условий равновесности системы, при этом, если система достигла равновесия, рост энтропии прекращается, и наступает предел любых форм развития системы.

Энтропия определяет качество закрытой системы. При воздействии на системы с максимумом порядка и большим потенциалом к преобразованиям в этих системах порядка становится меньше, нарушается динамическое равновесие, растет хаос, возможность системы уменьшается. При достижении максимума хаотичности происходит выравнивание энергетических потенциалов частей (объектов, элементов) системы с сохранением прежнего количества энергии, в результате чего возможность дальнейших преобразований исчерпывается и должна наступить, по Клаузиусу, «тепловая смерть» системы. И если открытым системам из-за их взаимодействия и обмена энергией и веществом с окружающей средой «тепловая смерть» не грозит, то закрытые системы, несмотря на их кажущееся совершенство, наиболее подвержены процессу разрушения.

Вместе с тем в природе наблюдаются равновесные состояния ее объектов. Горные породы, как составная часть литосферы Земли, есть "тупик равновесия" для составляющих их элементов – минералов, которые, в свою очередь, являются тупиковым элементом для кристаллов, их составляющих, а кристаллы, образующие структуры связей - кристаллические решетки - для ионов или атомов решетки. Но условие равновесия всегда неустойчиво. В результате тектонических процессов под воздействием внешних сил в горных породах происходят эндогенные или зкзогенные процессы (в зависимости от направления воздействия), в соответствии с ростом энтропии (температуры и давления) выводящие стабильные системы из равновесия, разрушающие их и преобразующие системы горных пород, минералов и кристаллов, их составляющих, в другие равновесные состояния. Осадочные породы преобразуются в метаморфические при воздействии на них высоких температур в результате эндогенных сил - излияния магматических пород из глубин на поверхность Земли. Те, в свою очередь, в дальнейшем подвержены экзогенному воздействию – процессу выветривания, с образованием из коры выветривания осадочных пород. И так до следующих природных катаклизмов.

Любое воздействие на систему, находящуюся в равновесном состоянии, приводит к ее изменениям под воздействием внешней силы, выражающейся в поступлении в систему дополнительных веществ или энергии. В последующем система начинает взаимодействовать с внешним воздействием, что приводит к появлению в ней новых элементов, изменению самой системы или ее разрушению.

Большинство открытых систем, кроме примитивных (в данном случае не рассматриваемых), нелинейны (не могут быть описаны простыми линейными зависимостями) и диссипативны (подвержены энергетическим и вещественным преобразованиям), и их преобразование и развитие необратимо, что определяет способность таких систем к самоупорядочиванию и совершенствованию. Это свойство самоорганизации делает эти системы более совершенными по сравнению с закрытыми системами (Пригожин, Стенгерс, 1986).

Таким образом, главными принципами, характеризующими процессы самоорганизации систем и позволяющими производить анализ происходящих в них процессов, являются (Пригожин, Стенгерс, 1986; Трифонов, Караханян, 2008):

принцип подчинения – позволяет свести анализ множества процессов в сложной системе к решению небольшого числа уравнений с сильно укороченным набором переменных, что дает возможность описывать реальное поведение системы во времени с помощью медленно меняющихся переменных. При этом при оценке уровня порядка медленно меняющиеся переменные занимают доминирующее положение в системе, и часто быстро меняющиеся переменные (краткие динамические события) даже катастрофического значения редко оказывают решающее значение на систему в целом;

принцип конкуренции мод – основан на том, что любое движение в пространстве можно представить как сочетание нормальных мод (значений с различными величинами длин и частот) с усилением некоторых из них быстрее других, при этом на определенных этапах динамические воздействия становятся сильнее усиливающейся моды, и их роль оказывается решающей.

Открытая диссипативная система в процессе развития испытывает флуктуации, которые при малой величине воздействия на систему могут давать при определенных значениях их параметров стационарные устойчивые решения. Но при превышении каким-либо параметром критического значения под влиянием тех же внешних сил будут возникать новые структуры в пространстве и во времени.

Система эволюционирует и переходит в автоколебательный режим. При этом ресурс для таких колебаний может возрастать медленно, а переменная, потребляющая ресурс, изменяться быстро, пока ресурс не исчерпается.

При сильных колебаниях или воздействиях система разрушается и на смену ей может прийти более примитивная или более сложная на порядок система, а открытые системы при этом меняют свои основные свойства во времени по количественным и качественным показателям (рис. 1).

Рис. 1. Изменение состояния гидросферы как открытой системы во времени:

1- вода, дегазированная из мантии Земли; 2 – вода в океане; 3 – связанная вода в океанической коре; 4 – связанная вода в континентальной коре.

Таким образом, в открытых системах более низкого порядка происходит саморегулирование, приводящее к упорядочиванию и усложнению энтропии систем более высокого порядка. Оно осуществляется за счет разрушения более примитивных систем, не столь способных к самоорганизации, что ведет (Пригожин, Стенгерс, 1986) к возрастанию энтропии в объеме среды, включающей все эти системы. Свойство, обеспечивающее способность открытых систем к саморегуляции (антиэнтропийное саморегулирование) и усложнение систем неживой («косной», по В.И. Вернадскому) природы обуславливает появление и эволюцию протоживых и позднее живых материальных систем (объектов биосферы) и, наконец, человека и социума (человеческого сообщества) в целом.