Математическая экология это кратко
Обновлено: 02.07.2024
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.
МАТЕМАТИКА В ЭКОЛОГИИ
Экологизация образования означает формирование нового миропонимания и новый подход к деятельности, основанный на формировании гуманитарных и экологических ценностей. Математика является одним из предметов, который пока недостаточно связан с экологией, а между тем эти науки тесно переплетаются. Но не надо забывать, что экологизация математики дает возможность проследить процесс развития человеческих знаний во времени и пространстве.
Модели и методы математической экологии
Экология - развивающаяся междисциплинарная область знаний, включающую представления практически всех наук о взаимодействиях живых организмов, включая человека, с окружающей средой. При этом большое значение имеет экологическое образование и воспитание всех слоев населения, так как решить задачу охраны окружающей среды только силами специалистов невозможно. Экологические задачи должны решаться на каждом этапе промышленного производства в комплексе с другими задачами, а это возможно лишь при условии, что экологические знания станут составной частью мировоззрения инженеров, технологов и других специалистов. Основная задача экологии на современном этапе — детальное изучение количественными методами основ структуры и функционирования природных и созданных человеком систем, поиск общих закономерностей, относящихся к широкому кругу конкретных ситуаций. Большое влияние на экологию оказали достижения математики, физики, химии. В свою очередь экология выдвигает перед этими науками новые задачи.
Математическая дисциплина, изучающая модели экологических объектов и процессов и методы их исследования, называется математической экологией. Становление ее очень показательно в методическом отношении. С чего должно начинаться построение любой математической модели? В чем состоит ее основное содержание? Математическая модель учитывает, прежде всего, те ограничения и принципы отбора, которые выделяют реально возможные изменения из числа допустимых. Такими принципами являются законы сохранения.
Точно так же и в экологии. Балансовые соотношения при формализованном описании экологических и эволюционных принципов есть по сути не что иное, как законы сохранения масс. Балансовые соотношения несут много важной и интересной информации. Математическая модель, составленная из этих соотношений, описывает общие свойства множества возможных состояний и их изменение во времени.
Экологический мониторинг (наблюдение, оценка и прогноз состояния окружающей среды) — важный прикладной аспект математики. В области реализации экологического мониторинга для формирования выводов о возможных изменениях в состоянии биосферы в целом требуются данные широкой системы наблюдений, охватывающей все среды в глобальном масштабе, тщательный анализ и прогноз состояний природной среды. Новые задачи, выдвигаемые при этом перед математикой (особенно в сфере моделирования и статистики), — селекция информации, ее хранение, оптимизация сети наблюдений и моделирование экологических процессов для их прогнозирования. Перевод большинства экологических задач на математический язык достаточно труден. Это объясняется тем, что экологические процессы с точки зрения формализма менее изучены, чем, например, физические и химические. Поэтому к математическим моделям таких процессов нельзя предъявлять требования адекватности и точности, характерные для моделирования проблем естествознания. Для создания моделей экосистем используют методы общесистемного анализа[2]. Сначала выделяют из системы отдельные структурные характеристики, живые и косные компоненты, примеры живых – трофические уровни, виды, возрастные или половые группы, взаимодействие данных компонентов определяет поведение всей системы. Затем происходит установление характера процессов, где участвует каждый элемент.
Математическая статистика в экологических исследованиях
Математическая статистика – наука о количественном анализе, определении особенностей массовых явлений в природе и обществе. Особое значение статистика приобрела при оценке степени антропогенного влияния на окружающую среду, изучении состояний популяций, видов, биоценозов, искусственных и природных экосистем, их толерантности, продуктивности и устойчивости. Биометрия успешно используется при обработке и анализе данных мониторинга состояния окружающей среды, для прогноза и моделирования явлений и процессов. Статистические методы применяются в тех случаях, когда изучаются не отдельные единицы, а совокупности. Обязательным условием для правильного применения методов математической статистики является качественная однородность изучаемого материала.
Экологические процессы моделирует математическая экология. То есть с помощью математики можно предсказать, какие изменения произойдут в природе после изменения экологической обстановки.
В качестве измерительного комплекса для этих параметров выступают службы мониторинга. Выделим и рассмотрим основные математические методы, используемые в экологии.
Первый метод – это метод корреляции. В экологических исследованиях часто необходимо получить ответ на вопрос, каковы сила и характер связи между исследуемыми признаками. Для этой цели в математической статистике существует коэффициент корреляции, который оценивает силу связи между количественными признаками. Так, в соответствии с законом экологической корреляции в экосистеме, как и в любом другом целостном образовании, все входящие в нее компоненты функционально соответствуют друг другу. Выпадение одной части системы неминуемо ведет к исключению всех тесно связанных с нею других частей системы и функциональному изменению целого в рамках закона внутреннего динамического равновесия.
Второй метод, распределение Стьюдента – это однопараметрическое семейство абсолютно непрерывных распределений. Распределение Стьюдента имеет важное значение для статистического анализа. С помощью данного распределения можно оценить истинность определенного эксперимента. Для этого необходимо рассмотреть возможные причины ошибок, способных повлиять на измеряемую величину.
Следующий метод – это матрица Леопольда. При помощи математического моделирования можно вывести нужные свойства при изменении характеристик модели. Так при помощи матрицы Леопольда можно понять, насколько пагубно человек влияет на окружающую среду. Данная матрица представляет собой таблицу воздействий, включающую в себя по вертикали список возможных действий (выброс в атмосферу загрязняющих веществ, строительство промышленных зданий и сооружений и т.д.), а по горизонтали – множество потенциальных индикаторов воздействия.
В первых матрицах по горизонтали были перечислены 100 действий, влияющих на окружающую среду, а по вертикали – 88 характеристик окружающей среды. Воздействие, соответствующее пересечению каждого действия и каждого фактора, описывается через его амплитуду и важность. Данные характеристики собственно и служат для определения загрязнения окружающей среды.
Мерой значимости отдельного действия человека в каждом конкретном случае называется важностью. Мера общего уровня называется амплитудой. Например, вредные выбросы в атмосферу изменяют или вредно влияют на окружающую среду и, таким образом, выбросы могут повлиять на различные группы животного мира и привести к различным мутациям или вообще к исчезновению некоторых популяций.
Оценка загрязнения атмосферы и поверхности земли
Важную практическую задачу математической экологии представляет расчет распространения загрязнений от уже существующих предприятий и планирование возможного размещения промышленных предприятий с соблюдением санитарных норм.
Процесс распространения промышленных выбросов происходит за счет их переноса воздушными массами и диффузии, обусловленной турбулентными пульсациями воздуха. Если наблюдать за дымовым факелом из заводской трубы, то можно заметить увлечение этого факела потоком воздуха и постепенное его разбухание по мере удаления от источника вследствие мелкомасштабной турбулентности. Факел имеет форму конуса, вытянутого в сторону движения воздушных масс. Затем факел распадается на изолированные вихревые образования, увлекаемые на большие расстояния от источника.
Почти все примеси в конечном счете рано или поздно осаждаются на поверхность Земли, тяжелые - под действием гравитационного поля, легкие - в результате диффузионного процесса. Примеси, состоящие из крупных частиц, под действием силы тяжести вскоре начинают опускаться в соответствии с законом Стокса. Примеси газообразного вида типа окислов представляют легкую фракцию и особенно опасны для окружающей среды.
Большое значение в теории распространения загрязнение имеют флуктуации в направлении ветра за большой период времени - около года. За такой период воздушные массы, увлекающие примеси от источника, многократно меняют направление и скорость. Статистически такие многолетние изменения описываются специальной диаграммой, называемой розой ветров, в которой величина вектора пропорциональна числу повторяющихся событий, связанных с движениями воздушных масс в данном направлении. Максимумы диаграммы розы ветров соответствуют господствующим в данном районе ветрам. Эта информация является исходной при планировании новых индустриальных объектов. При оценке допустимых загрязнений предприятий, расположенных среди большого числа экологически значимых зон (населенных пунктов, зон отдыха, сельскохозяйственных, лесных угодий и т.д.) следует учитывать также загрязнения от уже существующих предприятий региона.[1]
Оценка загрязнения атмосферы и подстилающей поверхности пассивными и активными примесями осуществляется с помощью математических моделей, построенных на основе уравнений аэродинамики в частных производных, и также их конечно-разностных аппроксимаций.
В России большой вклад в это направление внесли работы школы академика Г.И.Марчука. Модели такого типа широко используются в Европе и США при разрешении судебных исков, предъявляемых населением или местными властями промышленным предприятиям в связи с нанесением определенного ущерба. Для оценки принесенного ущерба с использованием математического моделирования производится экспертиза, в результате которой количественно оценивается сумма штрафа, которую загрязняющее среду предприятие обязано выплатить государственным или местным органам. Такие меры оказались весьма действенными и привели в развитых странах практически к повсеместному внедрению очистительных технологий
Модели переноса загрязняющих веществ, в такого типа моделях, сопрягаются с процедурой вычисления основного функционала задачи, который может представлять собой полное число выпавших примесей, санитарную опасность примесей, включать в себя ущерб, наносимый здоровью населения, сельскохозяйственным угодьям, лесным массивам, почве, затраты на восстановление окружающей среды и другие показатели. В упрощенных вариантах широко используется метод функций отклика.
Современная математическая экология представляет собой междисциплинарную область, включающую всевозможные методы математического и компьютерного описания экологических систем. Теоретической базой для описания взаимодействий между видами в экосистемах служит динамика популяций , которая описывает базовые взаимодействия и дает качественную картину возможных паттернов поведения переменных в системе. Для анализа реальных экосистем применяется системный анализ, при этом степень интегрированности модели зависит как от объекта, так и от целей моделирования. Моделирование многих водных экосистем, лесных ценозов, агроэкосистем является действенным средством разработки методом оптимального управления этими системами. Построение глобальных моделей позволяет оценить глобальные и локальные изменения климата, температуры, типа растительного покрова при разных сценариях развития человечества.
Ризниченко Г.Ю., Рубин А.Б. Математические модели биологических продукционных процессов. М., 1993.
Джефферс Дж. Введение в системный анализ: применение в экологии. – М.: Мир, 1981. – 256 с.
Федоров М.П., Романов М.Ф. Математические основы экологии. – СПб: Изд-во СПбГТУ, 1999. – 156 с.
Любимов В.Б., Занина М.А., Балина К.В. Математическая статистика в экологических исследованиях (учебное пособие) // Международный журнал экспериментального образования. – 2015. – № 10-2. – С. 189-191.
Экология - развивающаяся междисциплинарная область знаний, включающую представления практически всех наук о взаимодействиях живых организмов, включая человека, с окружающей средой. До середины 20 века экология представляла собой одну из биологических дисциплин, а именно, науку о взаимодействии организмов с окружающей средой. Современная экология наряду с этим включает в себя науку и практические методы контроля за состоянием окружающей среды - мониторинг, охрану окружающей среды, учение о биогеоценозах и аторопологических воздействиях на природные экосистемы, эколого-экономические и эколого-социальные аспекты. Все это опред
Содержание
Введение………………………………………………………. …3
1. Системный анализ и математические методы в экологии..…5
2. Математическое моделирование в экологии…..…………. 10
3. Математические методы экологии ……………. …..…….14
4. Системный подход моделирования в экологии……………..17
5. Главные проблемы и экологии……….……….……………. 19
5.1. Задача №1………………………………………….……24
5.2. Задача №2…………………………………………….…25
5.3. Задача №3……………………………………………….26
Заключение………………………………………………………. …27
Литература……………………………………………….…………. 28
Вложенные файлы: 1 файл
курсовая мат мет.doc
- Системный анализ и математические методы в экологии..…5
- Математическое моделирование в экологии…..…………. 10
- Математические методы экологии ……………. …..…….14
- Системный подход моделирования в экологии……………..17
- Главные проблемы и экологии……….……….……………. 19
- Задача №1………………………………………….……24
- Задача №2…………………………………………….…25
- Задача №3……………………………………………….26
Экология - развивающаяся междисциплинарная область знаний, включающую представления практически всех наук о взаимодействиях живых организмов, включая человека, с окружающей средой. До середины 20 века экология представляла собой одну из биологических дисциплин, а именно, науку о взаимодействии организмов с окружающей средой. Современная экология наряду с этим включает в себя науку и практические методы контроля за состоянием окружающей среды - мониторинг, охрану окружающей среды, учение о биогеоценозах и аторопологических воздействиях на природные экосистемы, эколого-экономические и эколого-социальные аспекты. Все это определяет и предмет математической экологии, объединяющей математически модели и методы, используемые при решении проблем экологии. Фундаментом математической экологии является математическая теория динамики популяций, в которой фундаментальные биологические представления о динамике численности видов животных, растений, микроорганизмов и их взаимодействии формализованы в виде математических структур, в первую очередь, систем дифференциальных, интегро-дифференциальных и разностных уравнений. Любая экосистема состоит из нелинейно взаимодействующих подсистем, которые можно упорядочить в некоторую иерархическую структуру. По мере объединения компонентов, или подмножеств, в более крупные функциональные единицы, у этих новых единиц возникают свойства, отсутствующие у составляющих ее компонентов. Такие качественно новые "эмерджентные" свойства экологического уровня или экологической единицы не являются простой суммой свойств компонентов. Следствием является невозможность изучения динамики сложных экосистем путем их иерархического расчленения на подсистемы и последующего изолированного изучения этих подсистем, поскольку при этом неизбежно утрачиваются свойства, определяемые целостностью изучаемой системы.
1. Системный анализ и математические методы в экологии
Использование математических и информационных методов в экологии является непременным условием грамотного построения исследований и обработки информации на любом уровне иерархии живых систем. Системный подход к решению проблем природопользования необходим, чтобы математические модели с наибольшим эффектом могли объяснять экологические процессы, происходящие в окружающей среде. Математическое моделирование — один из основных инструментов системного анализа, однако концепция системного анализа представляет собой не простую совокупность математических методов и моделей. Это широкая стратегия научного поиска, которая использует математический аппарат и математические концепции.
Под системным анализом понимают упорядоченную и логическую организацию данных и информации в виде математических моделей. Организация данных и информации сопровождается строгой проверкой и анализом самих моделей. Проверка и анализ моделей в совокупности с экспериментом и наблюдениями необходимы для их верификации и последующего улучшения.
Известный английский эколог Дж. Джефферс при использовании системного анализа в решении практических задач экологии выделяет семь этапов. Эти этапы и их взаимосвязь схематически представлены на рис. 1.
Рис.1. Этапы системного анализа и их взаимосвязь
Особый вклад системного анализа в решение различных проблем обусловлен тем, что он позволяет выявить те факторы и взаимосвязи, которые в дальнейшем могут оказаться весьма существенными. Системный анализ даёт возможность включить эти факторы в рассмотрение, видоизменяя эксперимент и методику наблюдений.
Из представленной описательной части систем легко выводятся основные принципы системологии:
Научные Школы по математическим моделям в экологии были организованы в России еще в 60-х годах. Затем была серия Школ в Пущено (Молчанов И.М.), пос. Дюрсо Краснодарского края (Горстко Е.Б., Домбровский Ю.А.), несколько Школ в Чите (Мазалов В.В.) и Новосибирске. В 1985 г. В Петрозаводске также с успехом прошла Школа экогеоценологии, которая собрала всех лучших специалистов того времени - акад. Моисееева Н.Н, Свирежева Ю.М., и др. Все эти Школы были посвящены традиционным проблемам математической экологии - популяционной динамике, мат. генетике, анализу трофических связей, математическому моделированию задач природопользования и др.
Следует сказать, что в последнее десятилетие произошел мощный прорыв в экологии, связанный с использованием новых биологических, информационных и компьютерных технологий. Это привело к созданию распределенных в пространстве колабораторий и баз данных, которые могут быть использованы в различных точках мира. Сделаны сильные продвижения в анализе глобальных циклов вещества в природе. Большие успехи достигнуты в биологии поведения животных. Все это стало возможным благодаря использованию методов математического моделирования.
2. Математическое моделирование в экологии
Надорганизменные системы, которые изучает экология – популяции, биоценозы, экосистемы, – чрезвычайно сложны. В них возникает множество взаимосвязей, сила и постоянство которых непрерывно меняются. Одни и те же внешние воздействия могут привести к различным, иногда прямо противоположным результатам, в зависимости от того, в каком состоянии находилась система в момент воздействия. Предвидеть ответные реакции системы на действие конкретных факторов можно лишь через сложный анализ существующих в ней количественных взаимоотношений и закономерностей. В экологии, поэтому широкое распространение получил метод математического моделирования как средство изучения и прогнозирования природных процессов. Суть метода заключается в том, что с помощью математических символов строится абстрактное упрощенное подобие изучаемой системы. Затем, меняя значение отдельных параметров, исследуют, как поведет себя данная искусственная система, т. е. как изменится конечный результат.
![]()
Под экологией следует понимать сферу знаний, которая представляет собой взаимодействие всех живых организмов. Еще в первой половине двадцатого века данная наука была одной из биологических дисциплин, однако на данный момент экология учитывает такие важные аспекты как контроль за состоянием окружающей среды. Именно благодаря математической экологии, которая включает в себя различные методы и модели, возможно решение экологических проблем.
К сожалению, невозможно охарактеризовать сложного уровня экосистемы используя простые модели. Для описания необходимо использовать сложные имитационные модели, которые объединяют знания в одну сложную систему или интегрированные модели упрощенного вида.
Имитационные модели, разработанные на компьютерах, содержат представления об элементах системы, их взаимодействии в виде математических объектов: формул, уравнений, матриц, логических процедур, графиков, таблиц, баз данных, оперативной информации экологического мониторинга. С помощью многомерных моделей становится возможно объединить любую информацию относительно экологии и экономики, выработать модели оптимальных стратегий. При имитационном подходе обычно используют высокоразвитую вычислительную, поэтому наибольшее распространение данная наука получила не так давно.
Классы задач и математический аппарат
Сегодня в экологии математические модели делятся на три класса. Первый – модели описательные типа: регрессионные и другие эмпирически установленные количественные зависимости, которые не претендуют на раскрытие системы описываемого процесса. Такие модели принято использовать для описания отдельных процессов и зависимостей и включать в качестве фрагментов в имитационные модели. Второй - модели качественного типа. Данные модели строят для того, чтобы выяснить динамический механизм изучаемого процесса, а также способность воспроизвести наблюдаемые динамические эффекты в поведении систем, такие, например, как колебательный характер изменения биомассы или образование неоднородной в пространстве структуры. Как правило, данные модели не очень большие, поддаются качественному исследованию с применением методов аналитического характера и компьютерного. Третий класс - имитационные модели конкретных экологических и эколого-экономических систем. Такой тип моделей учитывает всю имеющуюся информацию об объекте. Главной целью является подробное и детальное прогнозирование поведения сложных систем или решение оптимизационной задачи их эксплуатации.
По мере того, насколько хорошо изучена сложная экологическая система, зависит обоснование математической модели. В том случае, если наблюдается тесная связь экспериментального исследования и математического моделирования математическая модель может служить необходимым промежуточным звеном между опытными данными и основанной на них теорией изучаемых процессов. Для решения практических задач можно использовать модели всех трех типов.
А. Биологические характеристики компонентов и взаимоотношения между ними не изменяются. Система считается однородной в пространстве. Изучаются изменения во времени численности компонентов системы.
Б. При сохранении гипотезы однородности вводится предположение о закономерном изменении системы отношений между компонентами. Это может соответствовать либо закономерному изменению внешних условий, либо заданному характеру эволюций форм, образующих систему.
Для изучения этих двух классов задач используют системы обыкновенных дифференциальных и дифференциально-разностных уравнений с постоянными (А) и переменными (Б) коэффициентами.
В. Объекты считаются разнородными по своим свойствам и подверженными действию отбора. Предполагается, что эволюция форм определяется условиями существования системы. В этих условиях изучается, с одной стороны, кинетика численности компонентов, с другой - дрейф характеристик популяций. При решении таких задач используют аппарат теории вероятностей.
Г. Отказ от территориальной однородности и учет зависимости усредненных концентраций от координат. Здесь возникают вопросы, связанные с пространственным перераспределением живых и косных компонентов системы. Для описания таких систем необходимо привлечение аппарата дифференциальных уравнений в частных производных. В имитационных моделях часто вместо непрерывного пространственного описания применяют разбиение всей системы на несколько пространственных блоков.
Принципы лимитирования в экологии
Закон толерантности и функции отклика.
В современном мире метод функций отклика в науке используется для исследования зависимости реакции экологической системы от каких-либо факторов. Данный метод получил широкую известность и наиболее часто используется в инженерных науках. Суть метода состоит в использовании информации об отклике системы на известные воздействия для получения оператора перехода по схеме: воздействие реакция. В терминах теории сложных систем, динамика сложной открытой системы характеризуется описанием связи между входными и выходными сигналами.
Модели водных экосистем
Можно с уверенностью сказать, что модели водных экосистем играют важную роль в математической экологии. Водные системы дают людям, животным, сельскому хозяйству и промышленности воду. Океаны, моря и реки обеспечивают в разных странах от 20% до 80% потребности людей в белковой пище. К сожалению, необходимо отметить тот факт, что качественная характеристика воды в водоемах и их продуктивность резко снижается. Безусловно, это связаноЭто связано в первую очередь с тем, что водоемы традиционно использовались людьми как бесплатные системы по переработке отходов, что привело к их существенному загрязнению, нарушению естественных биологических и химических процессов. Потребности оптимизации использования водных систем и понимания происходящих в них процессов привели к быстрому развитию математического моделирования водных систем. В настоящее время насчитываются тысячи моделей разной степени сложности и подробности. Планирование любого водохозяйственного мероприятия сопровождается и предваряется построением математической модели водной системы. В 70-80 годы особенно активно развивались модели озерных экосистем. Одной из важнейших задач была выработка борьбы с эфтрификацией - "цветением" озер в связи с увеличением количества поступающего в них органического вещества, а также биогенных веществ, в первую очередь азота, вместе со стоками вод из сельскохозяйственных угодий.
Математические модели помогают разработать оптимальную стратегию управления водными ресурсами, в том числе рыбным хозяйством. Дело в том, что наряду с ухудшением состояния воды причиной падения продуктивности водоемов являются систематические переловы. В биологическом смысле они приводят к такому состоянию рыбного стада, когда воспроизводительная способность популяции не может компенсировать убыль в результате вылова. Перелов в экономическом смысле - это сокращение поголовья рыбного стада настолько, что промысел становится нерентабельным. Решение задачи оптимизации систематического лова рыбы восходит к работам Баранова (1918). Представив коэффициенты общей смертности в виде суммы коэффициентов естественной и промысловой гибели в формуле численности рыбного стада, Баранов оценил величину улова и смог подойти к постановке задачи оптимального вылова. Значительный шаг в решении этой проблемы сделали Риккер (1958) и Бивертон и Холт (1957), связавшие модели с конкретным статистическим материалом рыбоводства и ихтиологии и предложившие методики решения задач управления. Особенно большой вклад в моделирование рыбных популяций внес В.В.Меншуткин, ("Математическое моделирование популяций и сообществ водных животных", Л.,1971), который представил схему взаимодействий в водной экосистеме как контур с обратными связями. Такая система может обладать устойчивым стационарным состоянием, в ней могут возникать колебательные или квазистохастические режимы. Подобные схемы, часто весьма детальные, были положены в основу моделей рыбного стада многих озер и морей.
Модели продукционного процесса растений
Сегодня в области математической экологии моделирование продукционного процесса растений является довольно изученной и продвинутой сферой. Это определяется практической значимостью таких моделей для оптимизации агрокультуры и тепличного хозяйства. В таких случаях математические модели обычно применяют для выбора наилучшей стратегии проведения различных мероприятий в области сельского хозяйства. К последним относятся: орошение, полив, внесение удобрений, выбор сроков посева или посадки растений с целью получения максимального урожая. В том случае, если тепличное хозяйство находится под полным контролем, можно построить модель, которая позволит охарактеризовать весь цикл процессов в соответствующих условиях. Выделяются биотический и абиотический блоки. Абиотические блоки состоят из моделей, описывающих формирование теплового, водного режима почвы и приземных слоев воздуха, концентрации и передвижения биогенных и токсических солей, различных остатков, ростовых веществ и метаболитов в почве, концентрации углекислого газа в посеве. Благодаря блочной структуре можно изучать, изменять и детализировать одни блоки, не меняя других. Обычно количество параметров внутри самих блоков намного больше количества параметров, которыми блоки соединяются между собой. На основе блоков синтезируются целостные динамические модели, которые способны предсказывать временные изменения ряда характерных параметров растений.
Оценка загрязнения атмосферы и поверхности земли.
В математической экологии достаточно серьезной проблемой является загрязнение окружающей среды. Именно благодаря данной науке возможно рассчитать распространение загрязнений от предприятий и спланировать наилучшее место для размещения предприятий, соблюдая санитарные нормы. Распространение выбросов и последующее загрязнение окружающей среды обусловлено турбулентными пульсациями воздуха. Изменения направления ветра в течение года имеют большое значение в теории распространения. За данное время массы воздуха, которые содержат примеси различного рода, несколько раз могут изменять направление и скорость. В статистике многолетние изменения принято описывать с помощью диаграммы, которая имеет название роза ветров. В данном типе диаграммы величина вектора пропорциональна числу повторяющихся событий, связанных с движениями воздушных масс в данном направлении. Наибольшие значения диаграммы розы ветров соответствуют преобладающим в данном районе ветрам. Такая информация используется в качестве исходной при планировании новых индустриальных объектов. Следует помнить, что оценивая уровень допустимых загрязнений предприятий, расположенных среди большого числа экологически значимых зон, необходимо учитывать загрязнения от уже существующих предприятий региона. Благодаря математическим моделям можно оценить загрязнение атмосферы и поверхности различными примесями. Такие модели построены на основе уравнений аэродинамики в частных производных.
В России большой вклад в это направление внесли работы школы академика Г.И.Марчука. На территории Европы и США модели данного типа довольно распространены особенно при разрешении судебных исков, предъявляемых населением или местными властями промышленным предприятиям в связи с нанесением определенного ущерба. Чтобы оценить принесенный ущерб принято проводить экспертизу, после которой можно количественно оценить сумму штрафа. Данный штраф необходимо уплатить государственным или местным органам. Стоит отметить, что данные меры довольно действенны, т.к. во многих развитых странах они привели к внедрению очистительных технологий.
Глобальные модели
Важное место в математической экологии занимают такие модели, в которых рассматриваются глобальные изменения в результате различного характера воздействий, или изменений климата в результате космических и других причин. Классической моделью является модель ядерной зимы. Данная модель позволяет предсказать глобальное изменение климата на срок в несколько десятилетий в сторону понижения температур ниже нуля по Цельсию, а также гибель биосферы в случае широкомасштабной ядерной войны. Моделируя глобальные экологические процессы, не стоит забывать, что нужно учитывать огромное число факторов, пространственную неоднородность Земли, физические и химические процессы, антропогенные воздействия, связанные с развитием промышленности и ростом народонаселения. По причине повышенной сложности такой задачи необходимо применение системного подхода, впервые введенного в практику математического моделирования.
Практическая часть
Список использованной литературы:
Семенова Е.Е., Кудрявцева Е.В. Математические методы в экологии//Петрозаводск, 2005
![]()
![СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ШКОЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ]()
![]()
![]()
![]()
![]()
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDFВведение.
Выяснить какой вклад вносит математика в экологию.
Показать практическое применение математики в вопросах экологии окружающей среды.
Изучить экологические проблемы
Дать количественную оценку состоянию природных объектов и явлений ,положительных и отрицательных последствий деятельности человека.
Раскрыть вопросы о том, что происходит с экологией на нашей планете.
Выполнить практические исследовательские вычисления
Предлагаемая вниманию читателя исследовательская работа посвящена связи между математикой и экологией.
Актуальность и практическая значимость проводимого исследования заключается в том, что экологические проблемы приобрели первостепенное значение в мире,и возникла необходимость вовлечения нас, подрастающего поколения, для их решения.
Владимир Путин подписал Указ о проведении в 2017 году в Российской Федерации Года экологии. В целях привлечения внимания общества к вопросам экологического развития Российской Федерации, сохранения биологического разнообразия и обеспечения экологической безопасности. Математика и экология тесно связаны. Не зря математику называют царицей наук, ведь она применятся во многих дисциплинах, даже там, где, казалось, сложно представить ее применение. Каждый человек любящий свое дело, не требует дополнительных стимулов, чтобы восхищаться оригинальностью решения и его изяществом. Режут слух высказывания некоторых ребят, филологов, артистов, экологов, которые говорят: “Математика нам не нужна. Вот получу оценку в аттестат и забуду математику”. Не тут-то было. Сразу хочется переубедить таких людей, “развернуть” их лицом к математике. Ведь интересен не предмет сам по себе, а исследования окружающего мира посредством этого предмета. Вот таким исследованием взаимоотношений живых организмов между собой и средой их обитания занимается наука экология. Математика в экологии изучает модели экологических объектов и процессов. Экологические процессы моделирует математическая экология. То есть с помощью математики можно предсказать какие изменения произойдут в природе после изменения экологической обстановке.
Глава 1. Экологические проблемы современности.
Что происходит с лесами на нашей планете?
Интересно , что настоящее время общая площадь лесов на планете составляет 42 млн.кв.м., из них 45% - леса России.
Примерно 10 тыс. лет назад на земном шаре шумели дремучие леса. Их площадь составляла более 60 млн.кв.м.
В последние годы площади вырубленных и сгоревших лесов в 7 раз превышают площади территорий, где посадили новые деревья.
Каждый год срубаются примерно 400 тыс. кв.м. леса. 125 млн. деревьев вырубается только для производства бумаги.
1.2. Что происходит с фауной и флорой?
С каждым годом на нашей планете становится все меньше и меньше диких животных. С начала 20 века учеными было открыто около 50 видов ранее неизвестных зверей и птиц. Но за это же время полностью исчезли с лица Земли не менее 100 других видов. Кроме того млекопитающих пропало 25 видов.
Люди, не задумываясь о завтрашнем дне, о своем будущем, будущем фауны и всей живой природы, хищнически уничтожали животных.
Каролингский попугай, бескрылая гагарка, луговая курочка, дронт, белокрылая гагарка, - виды птиц, истребленные человеком. Тур, тарпан, зебра квагга, стеллерова корова, - звери, которых мы больше не увидим.
Множество других видов животных и растений находятся на грани исчезновения, поскольку деятельность человека сильно изменяет среду их обитания, лишает источников питания.
• за один солнечный день 1 гектар леса поглощает из воздуха 120-280 кг углекислого газа и выделяет 180-200 кг кислорода;
• одно дерево средней величины производит столько кислорода, сколько необходимо для дыхания 3-х человек(2.5 кг в день). Среднему человеку необходимо 0.83 кг кислорода в день;
• один гектар хвойных деревьев задерживает за год 40 тонн пыли, а лиственных - 100 тонн.
Все вышесказанное дает нам возможность сделать следующие выводы: Лес – уникальная экологическая система. Не зря леса называют легкими планеты. Очевидный факт: без лесов на планете не сможет выжить даже сегодняшнее 7-миллиардное население Земли, а что будет завтра, когда население в очередной раз удвоится, а лесов станет в два раза меньше? Сто лет назад леса покрывали три четверти суши. К настоящему времени осталась четверть. Большой ущерб лесам наносят пожары, участившиеся в последнее время: ежегодно во многих странах мира выгорают миллионы км 2 леса. Поэтому мы должны беречь наши леса и сажать деревья.
1.3 Чистый воздух.
Чистый воздух — залог здоровья и не только на улице, но и в помещении, например, в классе. В помещении количество кислорода уменьшается, а углекислого газа увеличивается. По мнению специалистов, в результате деятельности человека в атмосферу Земли ежегодно поступает 25,5 млрд тонн оксидов углерода, 190 млн тонн оксидов серы, 65 млн тонн оксидов азота, 1,4 млн тонн хлорфторуглеродов. В последние годы наибольшее количество вредных веществ в атмосферу выбрасывается с выхлопными газами автомобилей, причем их доля постоянно возрастает.
Автомобиль – главный источник экологических проблем.
Легковому автомобилю для сгорания 1 кг бензина требуется 2,5 кг кислорода. В среднем автомобилист проезжает за год 10 тыс. км. И сжигает 10 т бензина, расходуя 35 т кислорода и, выбрасывая в атмосферу 160 т выхлопных газов.
Каждый автомобиль, стирая шины, ежегодно поставляет в атмосферу 5-8 кг резиновой пыли.
1 га леса поглощает в год минимум 5 т углекислого газа и выделят 10 т кислорода. За 1 час этот участок леса поглощает весь углекислый газ, который выделяют при дыхании 200 человек.
Автомобильный транспорт - один из основных загрязнителей окружающей среды.Я провела расчеты о том, сколько угарного газа выделяют машины на моей улице и не превышает ли это норму. Для исследования я выбрала улицу Коломенская нашего города. Протяженность улицы 820 метров.
Сначала был осуществлен подсчет количества единиц автотранспорта 2-х видов (легковые автомобили, грузовые автомобили ), проезжающих по улице в разное время, а затем произвели все необходимые расчеты.
Длина улицы Коломенская 820 метров
Легковых автомобилей –120
Среднее число машин, проезжающих по улице Коломенская за 1 день
120- легковых машин
10- грузовых машин
Выброс угарного газа составляет:
Для легкового автомобиля – 2 г/км
Для грузового автомобиля – 10 г/км
Сколько угарного газа выделяет один автомобиль, проезжая по улице Коломенская?
2 г/км * 0,82 км = 1,64 г/км
10 г/км * 0,82 км =8,2 г/км
Сколько СО выделяют все автомобили, проезжающие по ул.Коломенская.
1,64 * 120 =196,8г СО выделяют легковые автомобили;
8,2 * 10=82 г СО выделяют грузовые автомобили;
196,8 + 82= 278,8 г угарного газа выделяют все автомобили за один день.
Выделение угарного газа
За неделю: 278,8 * 7 =1951,6г =1,95 кг.
За месяц: 278,8 * 30 = 8364 г =8,4 кг.
За год: 8,4 * 12 =100,8 кг.
Предельно допустимая концентрация СО в воздухе: 0,02 мг/л
В результате проведенного исследования я выяснила, что
1. Угарный газ отрицательно влияет на здоровье человека. Основу выхлопных газов, являющихся вредными для здоровья человека и окружающей среды, составляют – угарный газ, оксиды азота (IV), углеводороды, свинец.
2. Для снижения вредности топлива, необходимо применять водородные двигатели. У них отработанные газы представляют собой пары воды и полностью экологичны. Но эти двигатели, к сожалению, пока не нашли широкого применения.
Каждому ясно, как велика роль воды в жизни нашей планеты и в особенности в существовании биосферы.
Морями и океанами покрыто около 70% земной поверхности, а на пресную воду приходится лишь 2 % всего объема водных запасов планеты.
В среднем в мире каждый городской житель расходует 100 литров воды ежедневно.
Представьте, если каждый человек в день сэкономит хотя бы 1 л. Воды, а в мире проживает примерно 7,3 млрд. человек, значит экономия в день составит 7 300 000 000 литров воды.
Использованная человеком вода в конечном счете возвращается в природную среду. Но, кроме испарившейся, это уже не чистая вода, а бытовые, промышленные и сельскохозяйственные сточные воды, обычно не очищенные или очищенные недостаточно. Таким образом, происходит загрязнение пресноводных водоемов — рек, озер, суши и прибрежных участков морей.
Все мы используем воду, поэтому на нас лежит и ответственность за ее охрану от загрязнения и экономию. Морями и океанами покрыто около 70 % земной поверхности, а на пресную воду приходится всего лишь 2 % от всего объема водных запасов планеты.
Нормы качества питьевой воды содержатся в специальном документе – Государственном стандарте “Вода питьевая”. Этот стандарт качества устанавливает предельно допустимые уровни содержания химических веществ, встречающихся в природных водах или добавляемых к воде в процессе ее обработки. Так, содержание алюминия не должно превышать 0,5 мг на 1 л воды, бериллия – 0,0002 мг на 1 л, молибдена – 0,25 мг на 1 л, мышьяка – 0,05 мг на 1 л, свинца – 0,03 мг на 1 л, фтора – 0,07 мг на 1 л, полиакриламида – 2 мг на 1 л. Также к группе показателей качества питьевой воды отнесены железо (не более 0,3 мг/л), марганец (не более 0,1 мг/л), медь (не более 0,1 мг/л), полифосфаты (не более 3,5 мг/л), цинк (не более 5 мг/л). Сухой остаток, образующийся после выпаривания воды, не должен превышать 1000 мг/л.
А сколько же нужно человеку воды каждый день? В бытовых целях вода расходуется для питья, приготовления пищи, стирки, мытья, смыва нечистот в канализацию и поливки сада и огорода. Оказалось, что наша семья из 4 человек, расходует в сутки более 322 л воды. Норма расхода на 1 человека в месяц 2,5м3 . 2,5м3X4=10м3.=10000дм3=10000л . 1000л:31день =322л. Это большой объем. Качественно чистой воды на Земле не хватает.
Ученые утверждают, что при использовании современных технологий расходы воды в быту могут быть сокращены на ⅓, в сельском хозяйстве — вдвое, а в промышленности — почти в 10 раз.
Я сравнила две семьи. Одна из которых экономит воду, а другая нет. Все расчеты приведены в таблице.
Читайте также:
