Мир на стыке веков
 
А.В.Бялко
 
 доктор физико-математических наук
 
(статья из журнала "Природа" N1, 2001)
 
 
Начало нового столетия заставляет не только оглянуться назад, но и поразмыслить о ближайших перспективах мирового развития, понять роль науки в решении проблем, стоящих перед человечеством. Работы на эту тему появляются в научных журналах широкого профиля ("Nature", "Science", "American Scientist", "Природа"), а также в последних ежегодниках, издаваемых американским Worldwatch Institute ("Vital Signs" и "State of the World"). 

Последние 55 лет прошли без глобальных военных конфликтов и к тому же при углубляющемся, достаточно однородном по планете контроле окружающей среды, экономики и демографического состояния. Данные за этот период составляют весьма достоверную статистическую базу. Она позволяет, во-первых, провести сравнения с некоторыми (отрывочными или косвенными) данными прошлых веков и начала XX столетия, а во-вторых, сделать прогноз дальнейшего развития. Используемые в таких прогнозах экстраполяции (линейная или параболическая) показывают характерные тенденции. Однако достоверность предсказаний, естественно, падает с ростом лага, поскольку трудно или невозможно учесть новые факторы, которые могут вступить в игру. Поэтому для большинства глобальных показателей следует с большой осторожностью оценивать их будущие значения на основе принятой экстраполяции и дисперсии отклонений в прошлом. 

Примером может служить появление такого глобального ныне фактора, как СПИД - совершенно неожиданного еще 15 лет назад. Распространенность ВИЧ-инфекции и заболеваемость СПИДом возрастают параболически (чему, кстати, пока нет научного объяснения) и уже сказываются на общемировых демографических показателях. Среди других, не столь "экзотических", но не менее неприятных глобальных неожиданностей можно отметить различного рода катастрофы: мощные землетрясения, извержения плинианского типа с массивным выбросом в стратосферу вулканического пепла, падения на Землю крупных астероидов, столкновения с кометами и пр. Хотя вероятность таких катастроф в ближайшие десятилетия, судя по оценкам, крайне мала, наступление любого подобного события может изменить климат планеты и вызвать мировой экономический кризис. 

Народонаселение 

В новое тысячелетие планета Земля вступает с населением в 6.11 млрд человек. Ускоренно растет число городских жителей, в основном за счет развивающихся стран, а в индустриально развитых оно практически вышло на постоянный уровень. 

Динамика численности мирового населения - достаточно гладкая функция времени, что позволяет довольно уверенно экстраполировать рост населения на характерное время жизни одного поколения (30-50 лет). На протяжении предыдущего длительного периода, охватывающего последние 650 лет после Великой чумы, наилучшая экстраполяция динамики роста - гипербола const/(t0 - t) с вертикальной асимптотикой при t0 - времени, которое приходится на 2025 - 2030 гг. Продолжайся такой рост и дальше, численность популяции к моменту t0 выросла бы до бесконечности. Однако в последние десятилетия замедление темпов стало уже заметным: годовой прирост прошел максимум в 1989 г. (87 млн/год); еще раньше, в 1963 г., зафиксирован максимум логарифмической производной (2.2% в год). На рубеже столетий прирост составляет 76 млн, или 1.27% в год. Большинство оценок на ближайшую перспективу показывает выход численности человечества на постоянный уровень в пределах 10-12 млрд. Однако, подобно многим переходным процессам, достижение горизонтальной асимптотики может оказаться немонотонным. Скорее всего характер процесса будет колебательным. Аналитическая же экстраполяция профессора С.П.Капицы [1] предсказывает монотонный рост числа людей. 

Динамика мирового народонаселения: кружками показан годовой прирост, цветом - число умирающих от СПИДа. Штриховые 
линии - экстраполяции: 1 - параболическая, 2 - минимальная, 3 - максимальная, 4 - прирост народонаселения по С.П.Капице. 

В самом деле, случись глобальный экономический кризис или пандемия какого-либо заболевания, численность народонаселения Земли с большой вероятностью станет снижаться. В отдельных регионах такое снижение уже налицо в Японии - из-за высокой плотности населения, в России (с 1991 г.) - в результате экономической перестройки [2]. 

В ближайшее десятилетие основной причиной смертности в мировом масштабе станет, по-видимому, СПИД. Число ВИЧ-инфицированных уже достигло 50 млн человек, а умерших от СПИДа в 1999 г. превысило 16 млн, что уже сравнимо с годовым приростом населения. Экстраполяция сегодняшней динамики этого заболевания приводит к выводу, что с большой вероятностью прирост численности станет отрицательным уже через 20-30 лет. В принципе это обстоятельство может и не отменить долгосрочных прогнозов, так как рано или поздно эффективное средство против СПИДа будет найдено. Печальная альтернатива - вымирание всех, кто не имеет генетического иммунитета к ВИЧ-инфекции. 

Численность мирового народонаселения (кружки) и число умирающих от СПИДа (цвет). Штриховые линии - экстраполяции: 
1 - кубическая, 2 - минимальная, 3 - максимальная, 4 - зависимость  С.П.Капицы. 

Продовольствие 

Замедление роста численности населения, а также выведение генетически модифицированных растений, устойчивых к отдельным заболеваниям и вредителям, во многом снимают угрозу продовольственного кризиса, казавшуюся реальной всего пять лет назад [3]. Показатели производства основных продовольственных культур (зерна, мяса, рыбы) демонстрируют заметный рост. Эта тенденция существенно отличается от прогноза пятилетней давности, который предсказывал не рост, а стабилизацию уровня производства или даже его снижение. Явное расхождение демонстрирует невысокую надежность экстраполяции в данном конкретном случае. 

Производство продовольствия: 1 - зерно, 2 - мясо, 3 - рыба и аквакультура.
Экстраполяции показаны штриховыми линиями: короткими штрихами - параболическая, длинными - кубическая.

Так или иначе, угроза всемирного голода в ближайшие десятилетия не представляется достаточно обоснованной. Надежду на долгосрочный рост сельскохозяйственного производства, несмотря на зависимость от капризов погоды, вселяет ускорившаяся расшифровка геномов растений и животных, которая призвана дать агрономии и животноводству мощное оружие против вредителей, сорняков и болезней. 

Энергетика 

Добыча ископаемых видов топлива растет темпами, опережающими производство продовольствия. При этом в добыче нефти наметилась тенденция к снижению, а в газовой индустрии, наоборот, - к увеличению. Сейчас добыча газа постепенно опережает по эквивалентной энергии (выраженной в тоннах условного топлива) показатели остальных энергетических отраслей. Такому положению есть несколько причин: выработка многих низкозатратных нефтяных месторождений, легкость транспортировки газа, действие Киотского протокола 1998 г. Согласно этому международному соглашению, все страны обязаны снизить до 2012 г. выбросы диоксида углерода, доведя их до уровня 1990 г. Конечно, постоянный рост добычи угля, нефти и газа несовместим с этим документом. Однако немаловажно, что при сжигании газа выделяется относительно меньше диоксида углерода в расчете на единицу энергии. Запасы угля и газа пока можно считать неограниченными. Намного раньше, чем начнет чувствоваться их недостаток, человечество столкнется с суровыми климатическими последствиями. Что касается нефти, то речь скорее идет о недостатке дешевой нефти, поэтому в будущем следует ожидать просто дальнейший рост ее стоимости. 

Вследствие большой инерции энергетической отрасли тенденции ее развития не могут смениться за одно десятилетие. Поэтому ближе к 2012 г. Киотский протокол, вероятнее всего, вступит в резкое противоречие с действительностью и будет как-то пересмотрен. 

Производство энергии: кружки - нефть, крестики - газ, цветные крестики - уголь (все в млн. т. нефтяного эквивалента в год), треугольники - полная мощность АЭС (в ГВт). Экстраполяции показаны штриховыми линиями: 
короткими штрихами - параболическая, длинными - кубическая.

Экономия энергии (теплосбережение, миниатюризация) имеет ограниченный ресурс, тем более, что при потеплении климата все возрастающую долю энергии будут поглощать кондиционеры. Единственная серьезная альтернатива традиционной энергетике - это ядерная индустрия. Однако после 1986 г. она пребывает в состоянии застоя, число действующих реакторов почти не меняется, а некоторый рост производимой электроэнергии обеспечивается заменой устаревших энергоблоков новыми, большей мощности. Развитие сдерживается двумя главными причинами: психологическим чернобыльским синдромом, а также нерешенной до сих пор проблемой захоронения ядерных отходов. Второй аспект - важная научная задача, одна из самых востребованных всей промышленностью и уже воспринятая общественным сознанием. 

Климат 

Содержание диоксида углерода в земной атмосфере монотонно возрастало с момента изобретения тепловых машин и начала мировой промышленной революции. К концу ХХ в. оно увеличилось на 26% и достигло величины 368.4 частей на миллион. Несмотря на кажущуюся малость содержания СО2, этот газ уже оказывает заметное воздействие на тепловой режим земной поверхности, создавая парниковый эффект. В результате 20-е столетие оказалось самым теплым в минувшем тысячелетии, а 90-е годы стали самым теплым десятилетием века [4]. Потепление климата имеет и позитивные (для северных районов), и негативные последствия, но в целом для планеты представляет серьезную опасность. Ожидается подъем уровня Мирового океана и сокращение поверхности суши; в связи с засухой будет затруднена сельскохозяйственная деятельность в южных районах; увеличивающееся испарение океана будет способствовать усилению циклонической активности, а значит, все более мощными и частыми станут ураганы, возрастет число паводков в средних широтах. 

Недавно группа английских ученых дала прогноз возрастания концентрации СО2 в атмосфере вплоть до 2100 г., учитывающий обратное воздействие потепления климата на углерод, который запасен в почве (в основном в виде торфяников) [5]. Прогноз выглядит ужасающим: к концу столетия количество атмосферного углерода возрастет почти втрое, средняя температура земной поверхности - на 5оС, а на суше - на 8оС. 

Атмосферная концентрация диоксида углерода (осциллирующая кривая) и ее экстраполяция: 1 и 2 - максимальная и минимальная (Cox P.M. at all 2000), 3 - параболическая, 4 - кубическая (экстраполяция полиномом 4-ой степени почти с ней совпадает), 
5 - полиномом 5-ой степени.

При такой перспективе обширные пространства тропических зон могут стать непригодными для всех форм жизни. В истории Земли похожая ситуация уже однажды складывалась, когда в меловом периоде планета полностью лишилась ледников [6]. Поэтому озабоченность последствиями сжигания ископаемых видов топлива, отраженная Киотским протоколом, вполне оправданна. Выход из ситуации лежит в стратегии ускоренного развития ядерной индустрии, в неотлагательном решении проблемы ее отходов. 

Вместе с тем отметим, что прогноз на столь длительное время не может учесть все новые факторы. С этой точки зрения интересно сравнить прогнозы английских ученых с простой экстраполяцией известной зависимости концентрации СО2, аппроксимируемой полиномами разных степеней: вплоть до четвертой они возрастающие, более высокие - уже указывают на возможное снижение концентрации. 

Компьютеры и связь 

Компьютеризация и развитие Интернета произвели переворот в области коммуникаций. В отличие от роста промышленности и сельского хозяйства увеличение объема передаваемой в мире информации происходит экспоненциально. Столь резкая динамика, да еще при малой инерции этой отрасли, затрудняет экстраполяцию существующей зависимости в будущее, даже на короткие сроки. Так, любой прогноз легко может быть опрокинут разразившимся экономическим кризисом. Тем не менее в ближайшей перспективе ожидается быстрое развитие средств коммуникации. 

Численность человечества (цветная линия) и динамика роста коммуникационных сетей: 1 - телефонные линии; 2 - мобильные телефоны; 3 - компьютеры, распространяющие информацию по Интернету. Штриховые линии - экспоненциальные экстраполяции.

Потенциально возможен еще один прорыв в развитии средств вычисления - появление квантовых компьютеров. На сегодня это пока теоретическая идея, подкрепленная лишь самыми первыми экспериментальными результатами. Но реальность квантовых вычислений и физическое воплощение квантовых компьютеров уже не вызывают сомнений. Конечно, представить себе будущее развитие квантовой информатики, как и ее воздействие на экономику, пока затруднительно. 

Отметим, наконец, что все еще нерешенной остается одна из важнейших научных задач, поставленная в начале ХХ в.: как работает мозг животных и человека? Правда, уже можно утверждать, что мозг действует не так или не совсем так, как компьютер. Возможно, прогресс в понимании работы квантового компьютера [7] поможет нащупать пути решения этой общечеловеческой проблемы. 

Литература

  1. Капица С.П. и др. Синергетика и прогнозы будущего. М., 1997. 
  2. Римашевская Н.М. "Русский крест" // Природа. 1999. N6. С.3-10. 
  3. Бялко А.В. Динамика послевоенного мира // Природа. 1995. N5. С.3-25. 
  4. Бялко А.В. Статистика погоды // Природа. 2000. N12. С.6-10. 
  5. Cox P.M. et al. // Nature. 2000. V.408. N6809. P.184-187. 
  6. Чумаков Н.М. Теплая биосфера // Природа. 1997. N5. С.66-80. 
  7. Манин Ю.И. Классическое вычисление, квантовое вычисление и алгоритм факторизации Шора // Квантовые компьютеры, квантовые вычисления / Ред. В.А.Садовничий. Ижевск, 1999.

Цитируется по: http://www.accessnet.ru/vivovoco/ 
 

 
 

 
vlad@ssl.nsu.ru