КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ИТВЭ. Історія екології та екологічні дослідження в Україні

• Название: Історія екології та екологічні дослідження в Україні
• Анкор: КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ИТВЭ.doc
• Дата: 11.08.2018
• Размер: 1.63 Mb.
• Имя файла: КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ИТВЭ.doc
• Тип: Документы; #22825
• страница: 2 из 10

2 Інформаційні технології в екології

Екологія та технологія протягом півтора століть – від виникнення поняття екології в сучасному розумінні – залишались антагоністами. Вони не просто протистояли одне одному – існування одного виключало можливість існування другого. Але якщо перший етап розвитку обох явищ був боротьбою протилежностей, то після виходу і екології, і технології на якісно новий рівень відбулося єднання цих протилежнотей. Висхідною точкою для них стала поява комп’ютера та мережних технологій – відбулася свого роду революція, наближення якої навряд чи усвідомлювалося навіть напередодні початку нової фази розвитку.

Коли технології стали інформаційними (та телекомунікаційними), вони змогли сприйняти цілі й цінності екології. А екологія не просто отримала потужного союзника у перетворенні людського суспільства – вона набула реального, практичного змісту, перестала бути просто теорією, стала більш чи менш усвідомлюваним фоном повсякденного життя для більшості людства.

Інформаційні та телекомунікаційні технології, включивши в себе екологію як гуманні підвалини розвитку, перетворились на ідею Інформаційного суспільства, стали способом життя людства, запорукою нового циклу розвитку цивілізації та планети.

Технології, що вивели людину в космос, продовжують свою роботу. Технології надають екологічним ідеям “i колір, i звук, i плоть” – ірреальна в силу своєї ідеальності будівля набуває формату наповнення. Ця роль під силу лише новітньому сегменту технологій – інформації та телекомунікаціям. Найбільш ґрунтовні зміни в способі життя та мислення відбуваються саме під їхнім впливом. Під їхнім впливом людське суспільство набуває ознак Інформаційного. Цифрова революція перетворює основи людської цивілізації, формуючи глобальну, всепланетну людську спільноту, основою існування якої є знання та інтелектуальна творчість.

Спосіб взаємодії Інформаційного суспільства з планетою визначить майбутнє і нинішньої цивілізації, і людини як біологічного виду, і біосфери планети – цю глобальність зумовлює потужність сил, що ними сьогодні маніпулює людство за допомогою технології. Це означає потребу у свідомій кореляції розвитку екології та технології. Фактично, дійсне Інформаційне суспільство – це їх співіснування, паралельний взаємопов’язаний інтерактивний процес, керований Людиною, в якому основними імперативами є на рівних – інтелект та духовність.

Тобто, на сьогодні основними практичними проблемами є екологічність інформаційних і телекомунікаційних технологій та технологічність (перш за все “інформаційність”) екологічних потреб.

Якою мірою враховано інтереси людини, природи та планети у новітніх технологічних розробках? Якою мірою екологічні вимоги можуть бути практично втілені за допомогою цих технологій (але перш за все – доведені до відома мешканців Землі)?

Останні дані дозволяють нам зробити висновок якщо не про абсолютну екологічну ефективність інформаційно-телекомунікаційних технологій, то про їх чітку екологічну спрямованість. Так, найпотужніші комп’ютери світу працюють на екологічні програми: на сьогоднішній день найбільш потужним у світі суперкомп’ютером визнано IBM ASCI White. Його встановлено в американській урядовій дослідницькій лабораторії Lawrence Livermore National Laboratory й використовувано для створення повноцінної тривимірної моделі термоядерної реакції. Це означає, що більше не треба здійснювати вибухи або запускати ненадійні – експериментальні – реакторні установки.

Зникає ще одна небезпека для людини і природи: не забруднюватиметься атмосфера і грунт при видобуванні радіоактивних та захороненні відпрацьованих елементів, а отже - менше хворітимуть мешканці відповідних районів та працівники, задіяні в цьому. Для реального втілення вибухової установки чи реактора не знадобиться виробництво, перевезення та утилізація матеріалів. Тварини, рослини і люди не піддаватимуться випробуванням, пов’язаним з випромінюванням. Немає небезпеки аварії чи будь-якого виходу фізичних процесів з-під контролю дослідників. Не відчужуються території під закриті об’єкти. Й при цьому людина не втрачає можливість здобувати знання та вдосконалювати способи енергообміну зі Всесвітом.

Другим за потужністю визнано комп’ютер, встановлений у дослідницькому центрі National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). Крім того, суперкомп’ютер центру NERSC визнано першим за потужністю серед систем, відкритих для загального користування. Ним користуються 2 тисячі різних дослідників, що займаються розробками у галузі створення екологічно чистих і більш економічних видів палива, вивченням глобальних змін клімату планети та іншими проблемами.

Використання інформаційних технологій для моніторингу екологічних систем та моделювання їх розвитку уможливило й інші серйозні міжнародні проекти. Так, Організація об’єднаних націй має намір провести вивчення екологічного стану Землі. До реалізації настільки масштабного проекту буде залучено більш як півтори тисячі вчених. В результаті фахівці-екологи повинні дати оцінку теперішньому стану лісів, лук та полів Землі, а також прісних та солоних водойм.

Щоб там не говорили, глобальна інформаційна мережа покращила екологію людини, бо спростила процес спілкування, відкрила людину назустріч світу – назустріч людству і планеті. Адже здатність до комунікації – основа гармонійних стосунків. Інтернет наблизив знання до кожної людини, а отже – створив основу для перенесення зусиль з самореалізації особистості до сфери духовної, творчої. Людина Мережі, таким чином, має більшу повагу до себе, до інших особистостей, до довкілля – до того, що складає її буття, її світ.

Інтернет оберігає планету від надмірного антропогенного втручання, бо він став продовженням людини. Глобальні мережі поширили ареал “тут і тепер” на цілу планету. Тож коли щось негаразд на дні океану, на гірській вершині, в тропосфері, на полярній шапці тощо — “мережне суспільство” дійсно займається вирішенням проблеми, дійсно непокоїться за своє майбутнє і майбутнє планети.

Інформаційні технології сьогодні є більш екологічними за інші види активної людської діяльності, проте їх ще не можна назвати справді екологічними. Скажімо, ефективність інформаційних мереж напряму залежить від кількості користувачів, тобто від кількості комп’ютерів, включених до мережі. Але для виготовлення одного звичайного персонального комп’ютера потрібно від 15 до 19 т матеріалів. Це порівнювано з 25 т, потрібними для виготовлення автомобіля. На кожен функціонуючий комп’ютер (використовуваний в середньому протягом 4 років) припадає 1,5 комп’ютера виготовленого. А близько третини комп’ютерів ніколи не буває продано взагалі – через швидкість, з якою вони втрачають технологічну актуальність. Ми маємо підтримувати розвиток інформаційних технологій та їх застосувань зі скороченням використання енергії та отруйних речовин, а також легко ремонтовних апаратних засобів з довшим життєвим циклом виробів.

Ми потребуємо нової концепції розвитку інформаційних технологій – основаної на екоефективності, включаючи спільне використання машин, повторне застосування та ремонт. Але це не єдиний шлях підвищення екологічної ефективності інформаційно-телекомунікаційних технологій. Нещодавно крупний виробник мобільних телефонів – компанія “Nokia” – повідомила про наміри протягом кількох років розробити мобільні телефони з компонентами, що біорозкладаються. В компанії вже розпочато випробування таких корпусів для мобільних телефонів, але поки що серед полімерних матеріалів не вдалося знайти таких, що були б при цьому стійкими до дії гострих предметів (тобто матеріалів, на яких не залишається подряпин).

Обсяги виробництва продуктів інформаційно-телекомунікаційних технологій та частота їх заміни на нові моделі змушують й інші компанії замислюватись над проблемою біодеградації. Успіхи в цій галузі допоможуть, серед іншого, компаніям-виробникам зменшити податки, котрі вони сплачують зараз за утилізацію застарілих моделей. Останнє тим більше важливо, оскільки робить екологізацію економічно вигідною, тож спрямовує у цю сферу дедалі більше зусиль дослідників та довгострокових капіталовкладень.

Таким чином, подальше поширення інформаційних технологій не збільшить, а навпаки – зменшить техногенне навантаження на довкілля. Переходячи до другого аспекту проблеми – реалізації цілей екології через інформаційно-телекомунікаційні технології, ми знову зауважимо, що передумовою перетворення цих технологій на дієвий інструмент екології є масове їх поширення. Вони мають змінити спосіб життя достатньої кількості людей, родин, підприємств для того, аби ці зміни відбилися на суспільстві в цілому. Тож основною перевагою такого значущого на сьогодні фактора людської діяльності, як інформаційні мережі є не стільки їх “інформаційність”, скільки “електронність”, себто доступність, простота, зручність та швидкість задоволення потреб користувача.

За інакших обставин поява інформаційних мереж практично не позначилася б на способі життя людей, бо не здобула б їхньої прихильності. Це означає, що тільки широке розповсюдження інформаційно-телекомунікаційних технологій забезпечить досягнення помітного екологічного ефекту. І що тільки коли інформаційна мережа стане глобальною, залучить значну кількість людей на кожному континенті, в кожній країні, екологічні пріоритети набудуть справжньої ваги.

Екологія – явище, можливе лише в масштабах планети та людства. Коли основною цінністю суспільства є свідомий вибір – екологічність виробництва стає рівноправним фактором досягнення його економічної ефективності. Україна впевнено крокує до ринково регульовної економіки, тож маємо всі шанси незабаром запровадити таку добровільність і в себе [1].

3 Визначення антропогенного впливу на довкілля (розрахунок гранично допустимих викидів шкідливих речовин, методи та засоби очищення викидів)

У наш час людство переживає надзвичайно важливий, критичний період своєї історії – період небаченого досі, загрозливого для існування цивілізації зростання низки негативних факторів: деградації природи, деградації людської моралі, зростання бідності, поширення хвороб, голоду, злочинності, агресивності, зростання до критичного рівня конфлікту між техносферою і біосферою.

Провідні вчені, мислителі і політичні діячі більшості країн світу докладають величезних зусиль у пошуках виходу з цього кризового стану.

Природа, в якій вам, молодим, доведеться жити, забруднюється, піддається руйнуванню, знищується. Чи багатьом з вас щастило бачити прозору річкову воду, чистий пісок, насолоджуватися тишею без реву моторів, дихати чистим повітрям без домішок бензину, мазуту, пестицидів? Ваше майбутнє може стати жахливим, якщо не почати негайно лікувати цю проказу. Прийшов ваш час діяти.

Вирішальну роль у здійсненні переорієнтації напрямів та характеру майбутнього розвитку суспільства і гармонізації відносин між людиною і природою відіграватиме сучасна молодь.

Погіршення стану більшості екосистем біосфери, значне зменшення біопродуктивності і біорізноманіття, катастрофічне виснаження грунтів і мінеральних ресурсів при одночасному небаченому зростанні забруднення всіх геосфер пов’язані з інтенсивним зростанням населення Землі та розвитком науково-технічної революції протягом останніх 40-50 рр.

До розвитку глобальної екологічної та соціально-економічної кризи, яка сьогодні загрожує існуванню нашої цивілізації призвели кілька “вибухів”: демографічний, промислово-енерготехнічний, вибух насильства над природою.

Вчений Р.Маккамари припускав, що на початку ХХІ ст. населення планети щорічно збільшуватиметься на 100 млн., причому 90% з них – за рахунок країн, що розвиваються. У 1650 р. чисельність населення світу становила близько 500 млн. чоловік, протягом наступних 200 р. вона збільшилась вдвічі, і ще раз удвоє зросла уже всього за 80 наступних рр.; у 1975 р. кількість населення Землі досягла 4 млрд. чоловік. Протягом хвилини населення світу збільшується на 172 чол. Це означає, що кожного тижня до населення Землі додається 1,7 млн. людей – стільки, скільки мешкає сьогодні в таких містах України, як Запоріжжя, Вінниця, Житомир, разом узятих.

Прогнозні оцінки показують, що у найближчому майбутньому чисельність населення продовжуватиме зростати » на 3 чол./сек., тобто » 90 млн. чол./різ. і досягне в 2000 р. 7-8 млрд. А до 2100 р. чисельність населення становитиме » 9-13 млрд. чол., хоча для всіх цих людей природних ресурсів і можливостей біосфери для підтримки життя буде вже абсолютно недостатньо. Навіть при 7-8 млрд. будуть мати місце масові вимирання від голоду й хвороб.

На країни, що розвиваються, припадає 80% приросту населення, в розвинених країнах він не перевищуватиме і 1%.

Добробут людей тісно пов’язаний зі збільшенням кількості населення, розвитком господарства й станом довкілля.

Вченими підраховано, що сучасна біосфера Землі здатна підтримати нормальне функціонування і розвиток людства, кількість якого не перевищуватиме 4-5 млрд. чол., та ще й за умов оптимального розподілу національних прибутків, взаємодопомоги, взаємо підтримки, і взаєморозуміння націй, ефективного використання загальнолюдського інтелекту для забезпечення всіх людей планети, раціонального, природокористування і охорони довкілля.

Нерегульоване примноження населення веде до зростання енерго- та промислового виробництва і як наслідок – зростання забруднень довкілля, утворення кислотних дощів, озонових дір, парникового ефекту, хвороби, зубожіння більшості населення.

Сьогодні » 10 млн. дітей у світі недоїдають, а понад 200 млн. харчуються неповноцінно. За матеріалами ООН, близько 25 млн. чол. сьогодні не мають якісної питної води.

Військова справа і виробництво зброї в розвинених країнах є найжадібнішим споживачем природних ресурсів і одним із найсерйозніших забруднювачів довкілля. Для задоволення своїх зростаючих потреб і збільшення комфортності існування людство розвинуло до незвичайно високого рівня енергетику, хімічну, нафтопереробну, металургійну, гірничо-видобувну, машинобудівну і легку промисловість, транспорт і засоби зв’язку.

Близько 500 млн. автомобілів щорічно викидають в атмосферу Землі 400 млн. т. оксидів вуглецю, понад 100 т. вуглеводів, сотні тисяч тонн свинцю. Промислові підприємства, теплові електростанції, засоби авто- і автотранспорту щорічно спалюють понад 5 млрд. тон вугілля, нафти і більше трильйона кубометрів газу. А в природні водойми щорічно спускається близько 500 млрд. тон промислових і побутових стоків, у тому числі кілька млн. тонн нафти. Щорічно в промисловому виробництві утворюється 2100 млн. тонн твердих відходів, із них 338 млн. тонн потенційно небезпечні.

Вчені стверджують, що у наступні 20-30 років через зміни в навколишньому середовищі, спричинені людською діяльністю, світ може втратити більше мільйона видів рослин і тварин.

За даними ООН, близько 900 млн. чол. проживають у посушливих зонах нашої планети, землі яких зазнають негативного впливу явища опустелювання.

Охорона природи повинна стати моральною категорією і користуватись пріоритетом за будь-яких політичних ситуацій і компромісів.

Отже, як бачимо, такі явища, як опустелювання, деградація грутів, деградація біосфери і зменшення її біорізноманіття, збільшення кількості кислотних дощів, розвиток парникового ефекту та поява озонових дір у атмосфері, тобто глобальні негативні кліматичні й біологічні зміни розвиваються під впливом неконтрольованої, неузгодженої з законами життя природи антропогенної діяльності. Чим активніша ця діяльність, тим сильніша зворотна реакція Природи, яка відплачує людям за їх бездумне втручання у віками налагоджений ритм і режим життя біосфери. Яскравим прикладом можуть бути регіони великих міст промислових і енергетичних центрів, де за комфорт існування люди розплачуються хворобами, стресами, неповноцінними дітьми, скороченням тривалості життя. Величезна кількість отруйних речовин виноситься поверхневими і ґрунтовими водами в ріки, звідки – в моря й океани. До них додаються забруднювачі, що переносяться вітрами. У результаті в багатьох прибережних районах Європи, Азії, Америки, Африки за останні 20 років дуже погіршилися екологічні умови, зменшилась кількість риби, молюсків, планктону, птахів, збільшилась кількість захворювань людей, почастішали явища “червоних” припливів, “цвітіння” води, що приносить із собою загибель усього живого від нестачі кисню і створюють все більші “мертві зони”.

Хижацький вилов риби у Світовому океані й внутрішніх морях протягом останніх 20 років призвів до катастрофічного зменшення рибних запасів в усьому світі, до повного зникнення деяких найбільш цінних видів риби.

Дуже швидкими темпами деградують грунти в усьому світі. Як відомо, для утворення родючого грунту потрібні тисячі, а то й мільйони років. А сучасна людина здатна зруйнувати грунт за 1-2 роки.

Щороку землі України втрачають близько 24 млн. тонн гумусу. Підприємства Мінхімпрому й Міндобрив скидають у ріки й водойми України щорічно » 50 млн. тонн агресивних речовин, що містять зокрема, фтор, фенол, формальдегід, пестициди.

Величезну тривогу в світі викликає перезабруднення шкідливими газами атмосфери, що призвело до збільшення озонових дір і розвитку парникового ефекту на планеті.

В результаті знищення лісів у Бразилії, США, Південній Азії, Карпатах, Альпах значно почастішали катастрофічні повені на ріках, що завдає людству чимраз більших збитків. Люди забули, що іншого джерела, окрім біосфери та її ресурсів, для підтримки існування життя на Землі, в тому числі й людини не існує. Їм лише здається, що вони існують в умовах достатньої кількості природних ресурсів. Насправді ж навіть при сучасній енергоозброєності й найпередовіших технологіях швидкість використання ресурсів набагато перевищує можливість їх відтворення.

Довкілля – природній капітал, без якого неможливий розвиток і задоволення потреб людини, створення комфортних умов для існування. Враховуючи той факт, що йде швидке скорочення всіх видів наявних ресурсів – лісів, грунтів, корисних копалин. чистої прісної води, повітря, риби, тварин тощо, вихід із критичної ситуації що склалася, може бути лише один: реалізація в глобальному масштабі стратегії самообмеження, ресурсозбереження й запровадження нових технологій природокористування, які не суперечать законам нормального функціонування екосистем біосфери.

Пам’ятайте!

Кожної години на нашій планеті:

1700 актів продуктивної землі стає пустелею;

близько 2000 дітей помирає з голоду;

55 чоловік отруюються й гинуть від пестицидів та інших хімічних речовин;

1000 чоловік вмирають від отруєння водою;

2000 тонн кислотних дощів випадає у Північній півкулі;

5-6 видів тваринного чи рослинного світу зникають.

Кожної хвилини:

знищується більше 51 акра тропічних лісів;

використовують близько 35000 барелів нафти;

знищується 50 тонн родючого грунту через неправильне його використання;

виділяється більше 12000 тонн вуглекислого газу в атмосферу.

Ми отримали в спадок невимовно прекрасний і багатообразний сад, але біда наша в тому, що ми погані садівники, що не засвоїли найпростіших правил садівництва. Із зневагою ставлячись до цього саду, ми робимо це з благодушним самозадоволенням неповнолітнього ідіота, який шматує ножицями Рембрандта.

Необхідні подальші величезні зусилля, щоб дії людини набули мудрості, неупередженості й обачності. Якщо ж в її поведінці, як і досі, переважатимуть роз’єднаність, антагонізм, жадібність, то зруйнуються найтонші механізми, що підтримують рівновагу сил природи, яка оточує нас. І тоді навряд чи в людини залишаться шанси вижити.

Розділ 2. Методи математичного моделювання в екології та прилади систем екологічного моніторингу

1 Основні принципи та системний підхід до побудови математичної моделі в екології

2.1 Особливості математичного моделювання

Впровадження математичних методів в екологію, а також формування математичної екології пов’язані з моделюванням стану довкілля (еколого-географічних об’єктів (утворень, процесів), їх властивостей і відношень).

Математизація екології – це передусім розвиток математико-еколого-географічного моделювання. При цьому виділяють дві самостійні, хоч і взаємопов’язані проблеми: 1) використання формальної (штучної) математичної мови; 2) застосування власне математичних методів. Перше стосується побудови моделей, друге – їх дослідження і використання у числових розрахунках.

Побудова математичних моделей базується тільки за допомогою певних кількісно чітко визначених величин, які у процесі дослідження можуть змінюватись або залишитись незмінними (константами). Тому перш ніж будувати математичну модель або застосовувати уже відомі математичні методи і моделі, необхідно розчленувати об’єкт дослідження на ті елементи (компоненти), які характеризують найбільш істотні властивості даного об’єкта (процесу, явища). Потім кожному елементу утвореної таким чином системи ставиться у відповідність певна кількісна величина. Внаслідок цього одержимо деяку абстрактну систему взаємопов’язаних елементів (компонентів), що представляє (моделює) ту реальну систему або об’єкт, які ми досліджуємо. Процес (процедура) побудови такої абстрактної спрощеної системи називається математичною формалізацією реального об’єкта, явища або системи. Тому побудована абстрактна система і є певною моделлю реальної системи. Але це ще не математична модель у повному розумінні цього поняття (слова). Необхідно ще встановити зв’язки між окремими елементами системи та між елементами системи і середовищем, в якому функціонує ця система. На етапі встановлення кількісних зв’язків та співвідношень між елементами побудованої системи (моделі) застосування математичних методів можна вважати традиційним. Тут широко використовуються методи математичної статистики, методи побудови емпіричних формул, менше – комбінаторний та логічний аналіз. Статистичний аналіз давно застосовується майже в усіх описових науках і тим більше в еколого-географічних дослідженнях.

Математичне або імітаційне моделювання є однією з найбільш корисних і ефективних форм моделювання, яке виражає (відображає) найістотніші риси реальних об’єктів, процесів, явищ і систем, що вивчаються різними науками.

Створити математичну модель того чи іншого реального процесу або явища в повному розумінні цього поняття, не завжди вдається чітко математично описати реальний об’єкт, процес, явище або, як кажуть, реальну систему. Вихід з даного становища надає імітаційне моделювання. Суть якого полягає в тому, що модель реальної системи будується спочатку словесно (вербально), концептуально, а потім залучаються всі існуючі методи для формалізації і математичного опису моделі, включаючи методи інформатики, системного аналізу і математичного моделювання. Основною умовою побудови імітаційної моделі є використання сучасних електронних обчислювальних машин (ЕОМ). Основою якого є широке використання інтуїції науковця, дослідника чи спеціаліста та їх робота в діалоговому режимі з ЕОМ. Отже, поступаючись в точності математичного опису окремих елементів реальної системи, імітаційна модель, як правило, повинна мати перевагу відносно її інформативності та практичного використання. З огляду на останнє зауваження випливає, що усяка математична модель, яка успішно використовується для розв’язання складних практичних задач і проблем, з повним правом може називатися імітаційною моделлю або імітаційним моделюванням.

Отже, існує різноманітність способів і прийомів математичного моделювання, причому в назві математичної моделі часто відбивається назва того чи іншого математичного методу, що застосовується при побудові моделей. Наприклад, розрізняють моделі дискретні і неперервні, детерміністичні і стохастичні, аналогові і символічні та ін.

Властивості математико-екологічних моделей є те, що вони виступають не лише в ролі посередника між дослідником і об’єктом дослідження, а й проміжним об’єктом між теорією та дійсністю, відбиваючи певну одиничну, індивідуальну систему.

Математична мова у процесі моделювання використовується для опису у більшості випадків сформованої на основі еколого-географічних теорій і концепцій задачі дослідження об’єкта.

2.2 Суть системного аналізу довкілля

Системний аналіз – це методологія дослідження об’єктів з метою визначення найбільш ефективних методів управління ними.

Системи можна представити як упорядковану послідовність елементів, кожен з яких є самостійною підсистемою по відношенню до елементів, розташованих на одній горизонталі є складовими по відношенню до підсистеми більш високого порядку, розташованої вище по вертикалі.

Структурний аналіз передбачає декілька етапів. На першому експерти формулюють мету, уточнюють область дослідження. На другому етапі здійснюють первинну структуризацію системи – окреслюють межі системи, що досліджується, зовнішнє середовище, прогнозують вплив системи на середовище і навпаки. Якщо система мало залежить від зовнішнього середовища, вона вважається замкненою. Система, яка залежить від зовнішнього середовища, але сама на нього впливає мало, є відкритою. На цьому етапі виділяють окремі складові частини – її елементи.

На третьому етапі формулюють математичну (статичну) модель системи, що досліджується. Вона включає підсистеми і елементи, з яких складається система. Поділ системи на частини є відносним, умовним. Він залежить від мети моделювання. Розрізняють декілька етапів моделювання системи.

Підсистема – компонент системи, більший порівняно з елементом і детальніший, ніж система в цілому. Вона має властивості системи (наприклад, властивість цілісності), чим відрізняється від групи елементів.

Структура системи – це склад її за елементами, взаємовідношення між елементами та їх групами, які мало змінюються при змінах у системі, забезпечують існування системи та її основних властивостей. Найчастіше структуру відображають графічно.

Зв’язок відбиває відношення між елементами системи. Він характеризується напрямом, силою, характером. Розрізняють зв’язки направлені й ненаправлені, сильні й слабкі, підпорядкування, породження, рівноправні, управління, внутрішні й зовнішні, прямі й зворотні тощо.

Стан системи – це її характеристика в певний момент часу.

Поведінка. Якщо система здатна переходити з одного стану в інші (наприклад, S1 → S2 → S3), то кажуть, що вона має поведінку.

Рівновагу системи розглядають як її здатність за відсутності зовнішніх збурюючих дій (або при постійних діях) зберігати свій стан.

Стійкість – здатність системи повертатись до стану рівноваги після того, як вона була з цього стану виведена зовнішніми збурюючими діями. Ця здатність притаманна системі при відхиленнях, що не перевищують певної межі.

Розвиток системи – це її перехід з одного стану в інший.

Метою системи є заздалегідь продуманий результат свідомої діяльності людини. У багатьох детермінованих задачах системного аналізу метою є знаходження оптимуму певного показника.

Навколишнім середовищем для системи є все те, що не входити до її складу.

Рішенням називається будь-який вибір суб’єктом дослідження параметрів. Прийняття рішень є компетенцією осіб, яким надано право остаточного вибору ОПР (особа, що приймає рішення). Поряд з результатами, отриманими в результаті математичних розрахунків.

Адаптація – здатність системи проявляти цілеспрямовану пристосувальну поведінку в складних середовищах, а також сам процес такого пристосування.

Функція – здатність об’єкта до виконання дій, спрямованих на досягнення мети. Функціональна система сукупність об’єктів, об’єднаних однією функцією, яка виділяє цю сукупність з оточуючого середовища і визначає на ній множину функціонально значимих відношень.

Розглянемо основні закономірності систем

Цілісність. Закономірність цілісності проявляється в системі у виникненні нових якостей, не притаманних її окремим елементам.

Інтегративність. Інтегративними називають системоутворюючі, системозберігаючі фактори, для яких важливими є неоднорідність та суперечливість їх елементів.

Комунікативність. Кожна система не є замкненою. Великою кількістю комунікацій вона пов’язана з зовнішнім середовищем, яке також є не однорідним, а складним утворенням, містить надсистеми чи надсистеми, що задають вимоги та обмеження системі, що досліджується, підсистеми і системи одного з нею рівня.

Ієрархічність. Закономірність цілісності проявляється на кожному рівні ієрархії. Завдяки цьому на кожному рівні виникають властивості, котрі не можуть розглядатися як сума властивостей елементів.

Закон необхідного різноманіття полягає в тому, що для створення системи, здатної вирішувати проблему, яка має певне різноманіття, ніж різноманіття проблеми, що вирішується, або була здатною створити у собі це різноманіття.

Закономірність здійсненності та потенційної ефективності систем. Складність структури системи пов’язана зі складністю її поведінки. Маючи кількісні вираження граничних законів дійсності, перешкодостійкості, керованості та інших якостей систем з огляду на певну якість, а об’єднуючи якості – граничні оцінки життєздатності та потенційної ефективності складних систем.

Закономірності формування мети залежать від обраного методу подання і аналізу систем.

2.3 Системний підхід до побудови математичних моделей

Системний підхід пронизує всі питання побудови математичних моделей в еколого-географічних дослідженнях, а тому варто коротко зупинитись на цьому важливому понятті з точки зору математики і знакової символіки, яка дозволяє формалізувати як поняття системи, так і її складові елементи.

Якщо елементи, що утворюють деяку систему, позначити символами x1, x2, x3, ., xn , де n – число елементів, то множину (вектор) , природно назвати складом системи S.

Елементи x1, x2, x3, . , xn об’єднуються в ціле (систему) певними відношеннями і зв’язками, які називаються системоутворюючими. Крім того, що ці елементи об’єднуються зв’язані між собою, вони зазнають впливу зовнішніх відносно S об’єктів. Таким чином, кожна система S впливає сама і зазнає впливу з боку нескінченної множини інших систем e1, e2, . ek, ek+1 . Якщо все ж таки вибрати певну міру інтенсивності взаємодії, то можна установити певне число зовнішніх систем v1, v2, v3, ., vm, що взаємодіють з даною системою S. Множину V, що складається з зовнішніх систем, які знаходяться в істотних (в певному сенсі) зв’язках з даною системою S, прийнято називати довкіллям і позначати таким символом (вектором): .

Множину відношень (зв’язків) між елементами системи та елементами системи і довкілля називають структурою даної системи S і позначають її так: .

де i – число всіх зв’язків, що утворюють структуру системи S.

Склад X, довкілля V і структура Σ можуть змінюватися в часі, що записується таким чином:



Функцією системи S називається закон (сукупність правил) F(t), за яким в залежності від зовнішніх чинників V(t) відбувається зміна в часі внутрішніх елементів X(t) і структури Σ(t).

Формалізоване означення поняття системи S(t), що функціонує в довкіллі V(t), називається множина об’єктів: S(t) = S (X,V,Σ,F), що утворена із сукупності внутрішніх елементів X(t), які зв’язані між собою і з довкіллям V(t) сукупністю зв’язків Σ(t), які змінюються в часі у відповідності з множиною функцій F(t).

Системний підхід до вивчення будь-яких реальних систем полягає : 1) у визначенні складових частин x1, x2, x3, ., xn, і взаємопов’язаних з ними елементів (чинників) довкілля v1, v2, v3, ., vm; 2) у вивченні структури внутрішніх зв’язків, а також зв’язків між елементами системи і зовнішніми чинниками; 3) у знаходженні законів функціонування системи F = {f1, f2, f3, ., fp}, що визначають характер зміни (динаміку) основних компонентів системи під дією зовнішніх об’єктів (елементів довкілля).

Для розв’язання цих завдань при еколого-географічних дослідженнях використовують різноманітні методи. Важливе місце належить математичному моделюванню.

Якщо позначимо систему через S = S0 ( X0,V0, S0, F0), тоді під її математичною моделлю S0 будемо розуміти деяку її модель S = S (X, V, Σ, F), у якої елементами (компонентами) множин X, V, Σ, F виступають математичні символи, як правило, змінні і постійні величини, зокрема скалярні функції від часу t , на інтервалі t0≤t≤ tN , а саме:









Структура Σ являє собою множину математичних співвідношень між компонентами множин, які записуються у вигляді рівнянь і нерівностей такого вигляду:



Як відомо, співвідношення зв’язують собою зовнішні і внутрішні моделі, які описують характеристики (властивості) як компонентів даної системи, так і чинників довкілля.

Функція F={f1, f2, . , fn} є ніщо інше, як розв’язувальний оператор, який за допомогою математичних співвідношень різного виду по заданим входом v1(t), v2(t), ., vm(t) з тією чи іншою точністю визначає функції x1, x2, . xn на інтервалі t0≤t≤tN:



які задовольняють рівнянням і нерівностям і заданим початковим умовам:



Попри всі переваги методу математичного моделювання не можна не відзначити, що нерідко відсутність чітких уявлень про характеристики цих процесів (явищ) підміняються наведенням великої кількості експериментальних даних, а за теоретичне (модельне) описування видається підібраний емпіричний вираз (одна або кілька формул) без зазначення границі області його застосування. Такий напівемпіричний опис може не мати нічого спільного з реальним процесом (явищем), особливо в тій частині області застосування моделі, яка лежить поза границею адекватності, що й робить побудовану модель мало ефективною. Ось чому тільки та математична модель, яка описує суть процесу чи явища, розкриває закономірності їх проходження і є адекватною в математичному описуванні окремих характеристик реальної системи.

2.4 Математичне та статистичне підґрунтя

Моделювання стану довкілля поділяється на теоретичне та прикладне, кожне з яких у свою чергу ділиться на класичне та байєсівське. В даному посібнику наголос робиться на класичному підході. Байєсівський підхід не розрахований на початківців.

Теоретичне моделювання стану довкілля стосується методів вимірювання еколого-географічних зв’язків, визначених соціально-екологічними моделями. У цьому аспекті моделювання стану довкілля базується на математичній статистиці. Наприклад, один з найбільш використовуваних засобів у математичному моделюванні є метод найменших квадратів. Завдання теоретичного моделювання стану довкілля – детально записати припущення цього методу, його властивості та що відбувається з цими властивостями, коли одне чи більше припущень не виконуються.

Прикладне моделювання стану довкілля використовує засоби теоретичного, наприклад, лінійної функціональної залежності з конкретними прикладами та ін.