GOU SPO LPR “Trường Cao đẳng Xây dựng Lugansk”, Lugansk
Giới thiệu
Thực trạng môi trường trên thế giới hiện nay đặt ra một nhiệm vụ quan trọng đối với con người - đó là bảo tồn các điều kiện sống sinh thái trong sinh quyển. Hiện nay, vấn đề tối ưu hóa môi trường đô thị như môi trường sống của con người là vô cùng cấp thiết. Mỗi người trong chúng ta, không ngần ngại, sẽ trả lời các câu hỏi một cách khẳng định: “Bạn có muốn hít thở không khí trong lành, nhìn thấy cây xanh từ cửa sổ nhà mình, tin tưởng vào nguồn nước sạch trực tiếp từ vòi không?” Điều này có nghĩa là hầu hết mọi người đều tin rằng chất lượng cuộc sống có mối liên hệ trực tiếp và chặt chẽ với chất lượng môi trường của họ. Nguyên nhân dẫn đến khí hậu môi trường kém có thể là do vị trí địa lý của thành phố và các doanh nghiệp công nghiệp trong đó.
Mọi người đều quan tâm đến tình trạng môi trường, vì số phận của nhân loại phụ thuộc vào nó. Tất nhiên, một mình chúng ta không thể ngăn chặn mối đe dọa đối với nền văn minh nhân loại, nhưng chúng ta không thể không nhìn thấy thảm họa sắp xảy ra và không nghĩ tới nó. Xét cho cùng, thảm họa môi trường không phải là một bức tranh suy đoán về một tương lai xa xôi nào đó, mà là hậu quả của những gì đang tồn tại ở thời điểm hiện tại và giữa thời điểm chúng ta đang sống.
Xanh hóa giáo dục có nghĩa là hình thành một thế giới quan mới và cách tiếp cận mới đối với các hoạt động dựa trên việc hình thành các giá trị nhân đạo và môi trường. Toán học là một trong những môn học chưa gắn kết chặt chẽ với sinh thái học nhưng các môn khoa học này lại có mối quan hệ chặt chẽ với nhau. Nhưng chúng ta không được quên rằng việc xanh hóa toán học giúp theo dõi quá trình phát triển tri thức của con người trong thời gian và không gian.
Trước hết, sinh thái gắn liền với toán học và thống kê toán học, vì nó sử dụng rộng rãi các phương pháp của các ngành khoa học này. Việc mô tả nhiều mối liên hệ giữa các thành phần tự nhiên được mô tả tốt nhất thông qua một công cụ toán học, do đó sinh thái học là một trong những nhánh sinh học được “toán học hóa” nhiều nhất.
Mô hình và phương pháp sinh thái toán học
Sinh thái học là một lĩnh vực kiến thức liên ngành đang phát triển, bao gồm các ý tưởng từ hầu hết các ngành khoa học về sự tương tác của các sinh vật sống, bao gồm cả con người, với môi trường.Đồng thời, giáo dục môi trường và giáo dục mọi tầng lớp dân cư có tầm quan trọng rất lớn, vì không thể chỉ có các chuyên gia mới giải quyết được vấn đề bảo vệ môi trường. Vấn đề môi trường phải được giải quyết ở từng giai đoạn sản xuất công nghiệp kết hợp với các nhiệm vụ khác và điều này chỉ có thể thực hiện được nếu kiến thức về môi trường trở thành một phần không thể thiếu trong thế giới quan của các kỹ sư, nhà công nghệ và các chuyên gia khác. Nhiệm vụ chính của sinh thái học ở giai đoạn hiện nay là nghiên cứu chi tiết bằng các phương pháp định lượng về các nguyên tắc cơ bản của cấu trúc và chức năng của các hệ thống tự nhiên và nhân tạo, tìm kiếm các mô hình chung liên quan đến một loạt các tình huống cụ thể. Những thành tựu của toán học, vật lý và hóa học có ảnh hưởng lớn đến sinh thái. Đổi lại, sinh thái đặt ra những thách thức mới cho các ngành khoa học này.
Môn toán nghiên cứu các mô hình của các đối tượng môi trường, các quá trình và phương pháp nghiên cứu chúng được gọi là sinh thái toán học. Sự hình thành của nó rất có ý nghĩa từ quan điểm phương pháp luận. Việc xây dựng bất kỳ mô hình toán học nào nên bắt đầu từ đâu? Nội dung chính của nó là gì? Trước hết, mô hình toán học tính đến những hạn chế và nguyên tắc lựa chọn giúp phân biệt những thay đổi có thể xảy ra trên thực tế với những thay đổi được phép. Những nguyên tắc như vậy là định luật bảo toàn.
Điều này cũng đúng trong sinh thái học. Các mối quan hệ cân bằng trong một mô tả chính thức về các nguyên tắc sinh thái và tiến hóa về cơ bản không gì khác hơn là các định luật bảo toàn khối lượng. Bảng cân đối kế toán chứa rất nhiều thông tin quan trọng và thú vị. Một mô hình toán học được tạo thành từ những mối quan hệ này mô tả các đặc tính chung của một tập hợp các trạng thái có thể có và sự thay đổi của chúng theo thời gian.
Một trong những vấn đề chính của sinh thái toán học là vấn đề ổn định hệ sinh thái. Một hệ sinh thái được coi là “bền vững” hoặc “ổn định” nếu số lượng tương đối của các loài khác nhau được giữ nguyên trong một thời gian đủ dài hoặc thường xuyên quay trở lại tỷ lệ cũ. Rõ ràng rằng tính bền vững theo nghĩa này là một đặc tính tương đối, không phải tuyệt đối; không có hệ sinh thái nào có thể duy trì ổn định trong một thời gian dài vô tận, nhưng một số hệ sinh thái lại ổn định hơn những hệ sinh thái khác.
Giám sát môi trường (quan sát, đánh giá và dự báo hiện trạng môi trường) là một khía cạnh ứng dụng quan trọng của toán học. Trong lĩnh vực thực hiện quan trắc môi trường, để đưa ra kết luận về những thay đổi có thể xảy ra trong toàn bộ trạng thái của sinh quyển, dữ liệu từ hệ thống quan trắc rộng bao trùm tất cả các môi trường trên phạm vi toàn cầu, phân tích và dự báo kỹ lưỡng về trạng thái của sinh quyển. môi trường tự nhiên là cần thiết. Các nhiệm vụ mới được đặt ra cho toán học (đặc biệt là trong lĩnh vực mô hình hóa và thống kê) là lựa chọn thông tin, lưu trữ thông tin, tối ưu hóa mạng quan sát và mô hình hóa các quá trình môi trường để dự đoán. Việc dịch hầu hết các vấn đề môi trường sang ngôn ngữ toán học là khá khó khăn. Điều này được giải thích là do các quá trình sinh thái theo quan điểm của chủ nghĩa hình thức ít được nghiên cứu hơn so với các quá trình vật lý và hóa học chẳng hạn. Do đó, các mô hình toán học của các quá trình như vậy không thể đáp ứng các yêu cầu về tính đầy đủ và chính xác vốn là đặc trưng của các vấn đề mô hình hóa trong khoa học tự nhiên.Các phương pháp phân tích toàn hệ thống được sử dụng để tạo ra các mô hình hệ sinh thái. Đầu tiên, các đặc điểm cấu trúc riêng lẻ, các thành phần sống và trơ, ví dụ về các sinh vật sống được phân lập khỏi hệ thống - cấp độ dinh dưỡng, loài, nhóm tuổi hoặc giới tính, sự tương tác của các thành phần này quyết định hành vi của toàn bộ hệ thống. Sau đó, bản chất của các quá trình trong đó mỗi yếu tố tham gia sẽ được thiết lập.
Thống kê toán học trong nghiên cứu môi trường
Thống kê toán học là môn khoa học phân tích định lượng, xác định đặc điểm của các hiện tượng đại chúng trong tự nhiên và xã hội. Thống kê có tầm quan trọng đặc biệt trong việc đánh giá mức độ ảnh hưởng của con người đến môi trường, nghiên cứu các trạng thái của quần thể, loài, biocenoses, hệ sinh thái nhân tạo và tự nhiên, khả năng chịu đựng, năng suất và tính bền vững của chúng. Sinh trắc học được sử dụng thành công trong việc xử lý và phân tích dữ liệu giám sát môi trường, để dự báo và mô hình hóa các hiện tượng và quy trình. Phương pháp thống kê được sử dụng trong trường hợp nghiên cứu tổng hợp chứ không phải đơn vị riêng lẻ. Điều kiện tiên quyết để áp dụng đúng các phương pháp thống kê toán học là tính đồng nhất về chất của tài liệu đang được nghiên cứu.
Các quá trình sinh thái được mô hình hóa bằng sinh thái toán học. Nghĩa là, với sự trợ giúp của toán học, người ta có thể dự đoán những thay đổi nào sẽ xảy ra trong tự nhiên sau khi hoàn cảnh môi trường thay đổi.
Dịch vụ giám sát hoạt động như một hệ thống đo lường các thông số này. Chúng ta hãy nêu bật và xem xét các phương pháp toán học chính được sử dụng trong sinh thái học.
Phương pháp đầu tiên là phương pháp tương quan. Trong nghiên cứu sinh thái, người ta thường phải trả lời câu hỏi đâu là sức mạnh và bản chất của mối quan hệ giữa các đặc điểm đang được nghiên cứu. Với mục đích này, trong thống kê toán học có một hệ số tương quan, hệ số này đánh giá mức độ mạnh mẽ của mối quan hệ giữa các đặc tính định lượng. Do đó, theo quy luật tương quan sinh thái trong một hệ sinh thái, cũng như trong bất kỳ sự hình thành tổng thể nào khác, tất cả các thành phần của nó đều nhất quán về mặt chức năng với nhau. Việc mất đi một phần của hệ thống chắc chắn sẽ dẫn đến việc loại trừ tất cả các phần khác của hệ thống có liên quan chặt chẽ với nó và làm thay đổi chức năng của tổng thể trong khuôn khổ quy luật cân bằng động bên trong.
Phương pháp thứ hai, phân phối Sinh viên, là một họ một tham số của các phân phối hoàn toàn liên tục. Phân phối Sinh viên rất quan trọng cho phân tích thống kê. Sử dụng phân phối này, bạn có thể đánh giá tính đúng đắn của một thử nghiệm nhất định. Để làm được điều này, cần phải xem xét các nguyên nhân có thể gây ra sai sót có thể ảnh hưởng đến giá trị đo được.
Phương pháp tiếp theo là ma trận Leopold. Sử dụng mô hình toán học, bạn có thể rút ra các thuộc tính mong muốn khi thay đổi các đặc điểm của mô hình. Vì vậy, bằng cách sử dụng ma trận Leopold, bạn có thể hiểu tác động của một người đối với môi trường có hại như thế nào. Ma trận này là một bảng tác động bao gồm danh sách theo chiều dọc các hành động có thể xảy ra (phát thải chất ô nhiễm vào khí quyển, xây dựng các tòa nhà và công trình công nghiệp, v.v.) và danh sách theo chiều ngang gồm nhiều chỉ số tác động tiềm ẩn.
Ma trận đầu tiên liệt kê 100 hành động ảnh hưởng đến môi trường theo chiều ngang và 88 đặc điểm môi trường theo chiều dọc. Tác động tương ứng với sự giao thoa của từng hành động và từng yếu tố được mô tả dưới dạng biên độ và tầm quan trọng của nó. Những đặc điểm này thực sự phục vụ để xác định ô nhiễm môi trường.
Thước đo tầm quan trọng của một hành động cá nhân của con người trong từng trường hợp cụ thể được gọi là tầm quan trọng. Thước đo mức tổng thể được gọi là biên độ. Ví dụ, khí thải độc hại vào khí quyển làm thay đổi hoặc ảnh hưởng xấu đến môi trường và do đó, khí thải có thể ảnh hưởng đến các nhóm đời sống động vật khác nhau và dẫn đến nhiều đột biến khác nhau hoặc thậm chí là sự tuyệt chủng của một số quần thể.
Đánh giá ô nhiễm không khí và bề mặt đất
Một vấn đề thực tiễn quan trọng trong sinh thái toán học trình bày các tính toán về mức độ lan truyền ô nhiễm từ các doanh nghiệp hiện có và quy hoạch vị trí có thể có của các doanh nghiệp công nghiệp tuân thủ các tiêu chuẩn vệ sinh.
Quá trình phân phối khí thải công nghiệp xảy ra do sự chuyển giao của chúng bởi các khối không khí và sự khuếch tán do các xung không khí hỗn loạn gây ra. Nếu bạn quan sát một đám khói từ ống khói của nhà máy, bạn sẽ nhận thấy rằng đám khói này bị luồng không khí cuốn vào và dần dần phồng lên khi nó di chuyển ra khỏi nguồn do nhiễu loạn quy mô nhỏ. Ngọn đuốc có hình nón, thon dài theo hướng chuyển động của khối không khí. Sau đó, ngọn đuốc vỡ ra thành các dạng xoáy biệt lập, bị cuốn đi một khoảng cách rất xa so với nguồn.
Hầu như tất cả các tạp chất sớm hay muộn đều lắng đọng trên bề mặt Trái đất, những tạp chất nặng dưới tác động của trường hấp dẫn, những tạp chất nhẹ là kết quả của quá trình khuếch tán. Các tạp chất bao gồm các hạt lớn sẽ sớm bắt đầu chìm xuống dưới tác dụng của trọng lực theo định luật Stokes. Các tạp chất khí như oxit chiếm phần nhẹ và đặc biệt nguy hiểm cho môi trường.
Sự dao động theo hướng gió trong thời gian dài - khoảng một năm - có tầm quan trọng lớn trong lý thuyết về sự lan truyền ô nhiễm. Trong khoảng thời gian như vậy, các khối không khí mang tạp chất ra khỏi nguồn liên tục thay đổi hướng và tốc độ. Về mặt thống kê, những thay đổi dài hạn như vậy được mô tả bằng một sơ đồ đặc biệt gọi là hoa hồng gió, trong đó độ lớn của vectơ tỷ lệ thuận với số sự kiện lặp lại liên quan đến chuyển động của khối không khí theo một hướng nhất định. Giá trị cực đại của biểu đồ hoa hồng gió tương ứng với lượng gió thịnh hành ở một khu vực nhất định. Thông tin này là điểm khởi đầu cho việc lập kế hoạch cho các cơ sở công nghiệp mới. Khi đánh giá mức độ ô nhiễm cho phép của các doanh nghiệp nằm trong số lượng lớn các khu vực có ý nghĩa môi trường (khu định cư, khu vui chơi giải trí, đất nông nghiệp, đất rừng, v.v.), cũng cần tính đến ô nhiễm từ các doanh nghiệp hiện có trong khu vực.
Việc đánh giá mức độ ô nhiễm của khí quyển và bề mặt bên dưới do các tạp chất thụ động và chủ động được thực hiện bằng cách sử dụng các mô hình toán học được xây dựng trên cơ sở các phương trình khí động học vi phân từng phần, cũng như các phép tính gần đúng sai phân hữu hạn của chúng.
Ở Nga, công trình của trường phái học giả G.I. Các mô hình loại này được sử dụng rộng rãi ở Châu Âu và Hoa Kỳ trong việc giải quyết các vụ kiện do người dân hoặc chính quyền địa phương khởi kiện chống lại các doanh nghiệp công nghiệp liên quan đến những thiệt hại nhất định. Để đánh giá thiệt hại gây ra bằng mô hình toán học, một cuộc kiểm tra được thực hiện, từ đó định lượng được số tiền phạt mà doanh nghiệp gây ô nhiễm có nghĩa vụ phải trả cho chính quyền tiểu bang hoặc địa phương. Các biện pháp như vậy tỏ ra rất hiệu quả và dẫn đến việc áp dụng gần như phổ biến các công nghệ làm sạch ở các nước phát triển.
Các mô hình chuyển chất ô nhiễm, trong loại mô hình này, được liên kết với quy trình tính toán chức năng chính của bài toán, có thể biểu thị tổng số tạp chất lắng đọng, nguy cơ vệ sinh của tạp chất, bao gồm thiệt hại đối với sức khỏe cộng đồng, nông nghiệp. đất, rừng, đất, chi phí phục hồi môi trường và các chỉ số khác. Trong các phiên bản đơn giản hóa, phương pháp hàm đáp ứng được sử dụng rộng rãi.
Phần kết luận
Sinh thái toán học hiện đại là một lĩnh vực liên ngành bao gồm tất cả các loại phương pháp mô tả toán học và máy tính về các hệ sinh thái. Cơ sở lý thuyết để mô tả sự tương tác giữa các loài trong hệ sinh thái làđộng lực dân số , mô tả các tương tác cơ bản và đưa ra một bức tranh định tính về các mô hình hành vi có thể có của các biến trong hệ thống. Để phân tích các hệ sinh thái thực, phân tích hệ thống được sử dụng và mức độ tích hợp của mô hình phụ thuộc vào cả đối tượng và mục tiêu của mô hình. Mô hình hóa nhiều hệ sinh thái dưới nước, vùng rừng và hệ sinh thái nông nghiệp là một phương tiện hiệu quả để phát triển các phương pháp quản lý tối ưu các hệ thống này. Việc xây dựng các mô hình toàn cầu giúp đánh giá những thay đổi toàn cầu và cục bộ về khí hậu, nhiệt độ và loại thảm thực vật trong các kịch bản phát triển con người khác nhau.
Văn học.
Riznichenko G.Yu., Rubin A.B. Mô hình toán học của quá trình sản xuất sinh học. M., 1993.
Bereshko I.N., Betin A.V. Các mô hình toán học trong sinh thái học. Kharkov: Nat. hàng không vũ trụ Đại học "Khark" hàng không Viện”, 2006. – 68 tr.
Jeffers J. Giới thiệu về phân tích hệ thống: ứng dụng trong sinh thái học. – M.: Mir, 1981. – 256 tr.
Fedorov M.P., Romanov M.F. Cơ sở toán học của sinh thái. – St. Petersburg: Nhà xuất bản Đại học Kỹ thuật Quốc gia St. Petersburg, 1999. – 156 tr.
Lyubimov V.B., Zanina M.A., Balina K.V. Thống kê toán học trong nghiên cứu môi trường (sách giáo khoa) // Tạp chí quốc tế về giáo dục thực nghiệm. – 2015. – Số 10-2. – trang 189-191.
Nội dung chính của sinh thái học hiện đại là nghiên cứu mối quan hệ của các sinh vật với nhau và với môi trường ở cấp độ quần thể-biocenotic và nghiên cứu đời sống của các hệ thống vĩ mô sinh học ở cấp độ cao hơn: biogeocenoses (hệ sinh thái) và sinh quyển, chúng năng suất và năng lượng. Từ đó có thể thấy rõ chủ đề Nghiên cứu sinh thái học là các hệ thống vĩ mô sinh học (quần thể, quần thể sinh học, hệ sinh thái) và động lực của chúng theo thời gian và không gian.
Từ nội dung và đối tượng nghiên cứu sinh thái học, nhiệm vụ chính, có thể được rút gọn thành nghiên cứu về động lực học dân số, thành học thuyết về biogeocenoses và hệ thống của chúng. Do đó, nhiệm vụ lý thuyết và thực tiễn chính của sinh thái học là khám phá quy luật của các quá trình này và học cách quản lý chúng trong điều kiện công nghiệp hóa và đô thị hóa tất yếu của hành tinh chúng ta.
Về mặt lý thuyết chung, chúng bao gồm:
- - phát triển lý thuyết chung về tính bền vững của các hệ sinh thái;
- - nghiên cứu các cơ chế sinh thái thích ứng với môi trường;
- - nghiên cứu về điều tiết dân số;
- - nghiên cứu đa dạng sinh học và cơ chế duy trì nó;
- - Nghiên cứu quy trình sản xuất;
- - nghiên cứu các quá trình xảy ra trong sinh quyển để duy trì tính bền vững của nó;
- - mô hình hóa trạng thái của hệ sinh thái và các quá trình sinh quyển toàn cầu.
Các vấn đề ứng dụng chính mà hệ sinh thái phải giải quyết hiện nay là:
- - dự báo và đánh giá những hậu quả tiêu cực có thể xảy ra đối với môi trường tự nhiên dưới tác động của các hoạt động của con người;
- - cải thiện chất lượng môi trường tự nhiên;
- - Bảo tồn, tái tạo và sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên.
- - Tối ưu hóa các giải pháp kỹ thuật, kinh tế, tổ chức, pháp lý, xã hội và các giải pháp khác để đảm bảo phát triển bền vững, an toàn với môi trường, chủ yếu ở các khu vực có điều kiện khó khăn về môi trường.
Nhiệm vụ chiến lược của sinh thái học là phát triển lý thuyết về sự tương tác giữa tự nhiên và xã hội dựa trên quan điểm mới coi xã hội loài người là một phần không thể thiếu của sinh quyển.
Luật "Về chuyên môn môi trường" của Liên bang Nga xác định rằng đánh giá môi trường, đây là “thiết lập sự phù hợp của các hoạt động kinh tế và các hoạt động khác theo kế hoạch với các yêu cầu về môi trường và xác định khả năng chấp nhận thực hiện đối tượng đánh giá môi trường.” Đồng thời, trong pháp luật Nga cũng có định nghĩa pháp lý về một khái niệm cụ thể hơn - “đánh giá môi trường nhà nước”.
Nó được chứa trong Nghệ thuật. Điều 35 và 36 Luật “Bảo vệ môi trường”: “ Chuyên môn môi trường nhà nước là biện pháp bảo vệ môi trường bắt buộc, được thực hiện để xác minh sự tuân thủ của các hoạt động kinh tế và các hoạt động khác với an toàn môi trường của xã hội, trước khi đưa ra quyết định kinh tế, việc thực hiện quyết định đó có thể có tác động có hại đến môi trường tự nhiên ."
Nhiệm vụ chính của đánh giá tác động môi trường:
- 1. Tổ chức và tiến hành (ở giai đoạn chuẩn bị quyết định) nghiên cứu, phân tích toàn diện, khách quan, khoa học về đối tượng kiểm tra trên quan điểm tính hiệu quả, đầy đủ, hiệu lực và đầy đủ của các biện pháp quy định trong đó, tính đúng đắn quyết định của khách hàng về mức độ rủi ro và nguy hiểm môi trường của hoạt động được lên kế hoạch hoặc thực hiện, cũng như đảm bảo dự báo môi trường dựa trên thông tin về tình trạng và những thay đổi có thể có trong tình hình môi trường do vị trí và sự phát triển của lực lượng sản xuất thực hiện không dẫn đến tác động tiêu cực đến môi trường, tức là xác định khả năng xảy ra các tác động có hại cho môi trường và các hậu quả có thể xảy ra về mặt xã hội, kinh tế và môi trường.
- 2. Đánh giá việc tuân thủ các tiêu chuẩn môi trường của đối tượng xuất khẩu dự kiến thực hiện ở giai đoạn trước khi quyết định thực hiện hoặc việc tuân thủ các tiêu chuẩn nêu trên của hoạt động đã được thực hiện, đảm bảo nhà nước kiểm soát môi trường đối với chất lượng chuẩn bị của người khởi xướng ( khách hàng) dự thảo quyết định về phát triển hoạt động do mình lên kế hoạch, cũng như chuẩn bị các kết luận (kết luận) khách quan, có căn cứ khoa học và chuyển chúng kịp thời cho chính phủ và các cơ quan khác ra quyết định về việc thực hiện đối tượng kiểm tra.
- 3. Thông báo cho tất cả các bên quan tâm (bao gồm cả công chúng) về các tác động bất lợi có thể xảy ra đối với môi trường tự nhiên và các hậu quả xã hội, kinh tế và các hậu quả khác liên quan của hoạt động đã lên kế hoạch nhằm tìm ra sự cân bằng lợi ích và giải pháp thỏa hiệp nhằm giảm bớt các vấn đề tâm lý xã hội mới nổi. căng thẳng và ngăn ngừa xung đột trên cơ sở này (nhiệm vụ của EEE).
Làm người mẫu- đây là một trong những phương pháp quan trọng nhất của kiến thức khoa học, nhờ đó tạo ra một mô hình (hình ảnh thông thường) về đối tượng nghiên cứu. Bản chất của nó nằm ở chỗ mối quan hệ giữa các hiện tượng và các yếu tố được nghiên cứu được chuyển tải dưới dạng cụ thể. phương trình toán học.
Trong nghiên cứu sinh thái, thường được thực hiện trên một số lượng cá thể nhất định, các hiện tượng tự nhiên được nghiên cứu với tất cả sự đa dạng của chúng: những mô hình chung vốn có trong hệ thống vĩ mô, những phản ứng của nó trước những thay đổi trong điều kiện sống, v.v. Nhưng mỗi cá nhân, mỗi cá nhân, không phải là giống nhau, khác nhau. Ngoài ra, việc lựa chọn một cá thể từ toàn bộ quần thể là ngẫu nhiên. Và chỉ việc áp dụng các phương pháp thống kê toán học giúp xác định độ tin cậy của các kết quả nhất định từ một tập hợp ngẫu nhiên các tùy chọn khác nhau (mức độ sai lệch so với định mức, độ lệch ngẫu nhiên hoặc mẫu) và có được ý tưởng khách quan của toàn bộ dân số.
Quá trình xây dựng mô hình toán học bao gồm các bước điển hình sau:
- 4. xây dựng mục tiêu mô hình hóa;
- 5. phân tích định tính hệ sinh thái dựa trên các mục tiêu này;
- 6. xây dựng các quy luật và giả thuyết hợp lý liên quan đến cấu trúc của hệ sinh thái, cơ chế hoạt động của nó với tư cách là một tổng thể hoặc các bộ phận riêng lẻ (với khả năng tự tổ chức, các quy luật này được máy tính “tìm ra”);
- 7. xác định mô hình (xác định các tham số của nó);
- 8. xác minh mô hình (kiểm tra hiệu suất của nó và đánh giá mức độ phù hợp với hệ sinh thái thực);
- 9. nghiên cứu mô hình (phân tích tính ổn định của các giải pháp, độ nhạy với những thay đổi của các tham số, v.v.) và thử nghiệm nó.
Sinh thái toán học hiện đại là một lĩnh vực liên ngành bao gồm tất cả các loại phương pháp mô tả toán học và máy tính về các hệ sinh thái.
Cơ sở lý thuyết để mô tả sự tương tác giữa các loài trong hệ sinh thái là động lực dân số, mô tả các tương tác cơ bản và đưa ra một bức tranh định tính về các mô hình hành vi có thể có của các biến trong hệ thống. Để phân tích các hệ sinh thái thực, phân tích hệ thống được sử dụng và mức độ tích hợp của mô hình phụ thuộc vào cả đối tượng và mục tiêu của mô hình. Mô hình hóa nhiều hệ sinh thái dưới nước, vùng rừng và hệ sinh thái nông nghiệp là một phương tiện hiệu quả để phát triển các phương pháp quản lý tối ưu các hệ thống này. Việc xây dựng các mô hình toàn cầu giúp đánh giá những thay đổi toàn cầu và cục bộ về khí hậu, nhiệt độ và loại thảm thực vật trong các kịch bản phát triển con người khác nhau.
Tuy nhiên, vì người ta đã xác định rằng tất cả các hệ thống sinh học, bao gồm cả các hệ thống vĩ mô siêu sinh vật, đều có khả năng tự điều chỉnh, nên không thể giới hạn bản thân trong các phương pháp thống kê toán học. Do đó, trong sinh thái hiện đại, các phương pháp lý thuyết thông tin và điều khiển học được sử dụng rộng rãi, liên quan chặt chẽ đến các lĩnh vực toán học như lý thuyết xác suất, logic toán học, phép tính vi phân và tích phân, lý thuyết số và đại số ma trận.
Gần đây nó đã trở nên phổ biến mô hình hóa các hiện tượng sinh học, tức là sinh sản trong các hệ thống nhân tạo của các quá trình khác nhau đặc trưng của thiên nhiên sống. Do đó, trong “điều kiện mô hình”, nhiều phản ứng xảy ra ở thực vật trong quá trình quang hợp đã được thực hiện. Ví dụ về các mô hình sinh học bao gồm máy tim-phổi, thận nhân tạo, phổi nhân tạo, bộ phận giả được điều khiển bằng dòng điện sinh học cơ, v.v.
Cái gọi là mô hình sống được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sinh học. Mặc dù thực tế là các sinh vật khác nhau khác nhau về độ phức tạp của cấu trúc và chức năng, nhiều quá trình sinh học diễn ra gần như giống nhau. Vì vậy, thật thuận tiện khi nghiên cứu chúng trên những sinh vật đơn giản hơn. Sau đó họ trở thành những hình mẫu sống. Một ví dụ là Zoochlorella, được dùng làm mô hình nghiên cứu quá trình trao đổi chất; tế bào thực vật, động vật khổng lồ... là mô hình để nghiên cứu các quá trình nội bào.
Nhiệm vụ chính của mô hình sinh học là thử nghiệm thực nghiệm các giả thuyết liên quan đến cấu trúc và chức năng của hệ thống sinh học. Bản chất của phương pháp này là cùng với bản gốc, tức là. với một số hệ thống thực, sự tương tự được tạo ra một cách giả tạo của nó được nghiên cứu - người mẫu. So với bản gốc, mô hình thường được đơn giản hóa nhưng tính chất của chúng tương tự nhau. Nếu không, kết quả thu được có thể không đáng tin cậy và không đặc trưng cho bản gốc. Tùy thuộc vào đặc điểm của bản gốc và mục tiêu của nghiên cứu, nhiều mô hình khác nhau được sử dụng (Hình 1).
Các mô hình thực (quy mô đầy đủ, tương tự), nếu chúng có thể được tạo ra, sẽ phản ánh những đặc điểm cơ bản nhất của bản gốc. Ví dụ, một bể cá có thể đóng vai trò là mô hình của một hồ chứa tự nhiên. Tuy nhiên, việc tạo ra các mô hình thực gặp phải những khó khăn lớn về mặt kỹ thuật, vì vẫn chưa thể tái tạo chính xác bản gốc.
Mô hình ký hiệu là sự biểu diễn có điều kiện của bản gốc bằng cách sử dụng các biểu thức toán học hoặc mô tả tương tự.
Hình 1 - Phân loại mô hình (theo V.D. Fedorov và T.G. Gilmanov)
Phổ biến nhất trong nghiên cứu môi trường hiện đại là các mô hình khái niệm và toán học cùng nhiều dạng khác nhau của chúng.
Sự đa dạng của các mô hình khái niệm được đặc trưng bởi một mô tả chi tiết về hệ thống (văn bản khoa học, sơ đồ hệ thống, bảng biểu, đồ thị, v.v.). Mô hình toán học là phương pháp hiệu quả hơn để nghiên cứu các hệ sinh thái, đặc biệt khi xác định các chỉ tiêu định lượng.
Ví dụ, các ký hiệu toán học giúp mô tả chính xác các hệ sinh thái phức tạp và các phương trình giúp xác định chính thức sự tương tác của các thành phần khác nhau của chúng.
Sinh thái học (từ tiếng Hy Lạp. ôi - nhà và biểu tượng- học thuyết) - khoa học về các quy luật tương tác của sinh vật sống với môi trường của chúng.
Nhà sinh vật học người Đức được coi là người sáng lập ra sinh thái học E. Haeckel(1834-1919), người đầu tiên sử dụng thuật ngữ này vào năm 1866 "sinh thái".Ông viết: “Khi nói đến sinh thái học, chúng tôi muốn nói đến khoa học tổng quát về mối quan hệ giữa sinh vật và môi trường, bao gồm tất cả “các điều kiện tồn tại” theo nghĩa rộng của từ này. Chúng có bản chất một phần hữu cơ và một phần vô cơ.”
Khoa học này ban đầu là sinh học, nghiên cứu các quần thể động vật và thực vật trong môi trường của chúng.
Sinh thái học nghiên cứu các hệ thống ở cấp độ cao hơn cá thể sinh vật. Các đối tượng nghiên cứu chính của nó là:
- dân số - một nhóm sinh vật cùng loài hoặc tương tự nhau và chiếm một lãnh thổ nhất định;
- , bao gồm quần xã sinh vật (tổng số quần thể trong lãnh thổ đang được xem xét) và môi trường sống;
- - khu vực phân bố của sự sống trên Trái đất.
Cho đến nay, sinh thái học đã vượt ra ngoài phạm vi của sinh học và trở thành một ngành khoa học liên ngành nghiên cứu những vấn đề phức tạp nhất. vấn đề tương tác của con người với môi trường. Sinh thái học đã phải trải qua một chặng đường dài và khó khăn để hiểu được vấn đề “con người-tự nhiên”, dựa vào nghiên cứu về hệ thống “sinh vật-môi trường”.
Sự tương tác của Con người với Thiên nhiên có những đặc điểm riêng. Con người được trời phú cho lý trí, và điều này mang lại cho anh ta cơ hội nhận ra vị trí của mình trong tự nhiên và mục đích trên Trái đất. Kể từ khi bắt đầu phát triển nền văn minh, Con người đã suy nghĩ về vai trò của mình trong tự nhiên. Tất nhiên, là một phần của tự nhiên, con người đã tạo ra một môi trường sống đặc biệt,được gọi là nền văn minh nhân loại. Khi nó phát triển, nó ngày càng xung đột với thiên nhiên. Bây giờ nhân loại đã nhận ra rằng việc khai thác thiên nhiên hơn nữa có thể đe dọa sự tồn tại của chính nó.
Tính cấp bách của vấn đề này, do tình hình môi trường ngày càng tồi tệ trên quy mô hành tinh, đã dẫn đến "xanh hóa"- ĐẾN sự cần thiết phải tính đến các luật và yêu cầu về môi trường- trong mọi khoa học và mọi hoạt động của con người.
Sinh thái học hiện nay được gọi là khoa học về “ngôi nhà riêng” của con người - sinh quyển, các đặc điểm, sự tương tác và quan hệ của nó với con người và con người với toàn bộ xã hội loài người.
Sinh thái học không chỉ là một môn học tích hợp trong đó các hiện tượng vật lý và sinh học được kết nối với nhau, nó tạo thành một loại cầu nối giữa khoa học tự nhiên và xã hội. Nó không phải là một trong những môn học có cấu trúc tuyến tính, tức là Nó không phát triển theo chiều dọc - từ đơn giản đến phức tạp - nó phát triển theo chiều ngang, bao trùm phạm vi vấn đề ngày càng rộng hơn từ nhiều lĩnh vực khác nhau.
Không một ngành khoa học đơn lẻ nào có khả năng giải quyết tất cả các vấn đề liên quan đến việc cải thiện sự tương tác giữa xã hội và tự nhiên, vì sự tương tác này có các khía cạnh xã hội, kinh tế, công nghệ, địa lý và các khía cạnh khác. Chỉ có khoa học tổng hợp (khái quát hóa), tức là hệ sinh thái hiện đại, mới có thể giải quyết được những vấn đề này.
Như vậy, từ một môn học phụ thuộc vào sinh học, sinh thái học đã trở thành một môn khoa học liên ngành phức tạp - sinh thái hiện đại- với một thành phần tư tưởng rõ rệt. Sinh thái hiện đại đã vượt ra ngoài ranh giới không chỉ của sinh học mà còn của sinh học nói chung. Các ý tưởng và nguyên tắc của sinh thái hiện đại có bản chất tư tưởng, do đó sinh thái không chỉ gắn liền với khoa học về con người và văn hóa mà còn với triết học. Những thay đổi nghiêm trọng như vậy cho phép chúng ta kết luận rằng, mặc dù có hơn một thế kỷ lịch sử về môi trường, sinh thái hiện đại là một khoa học năng động.
Mục đích và mục tiêu của sinh thái hiện đại
Một trong những mục tiêu chính của sinh thái hiện đại với tư cách là một khoa học là nghiên cứu các quy luật cơ bản và phát triển lý thuyết về tương tác hợp lý trong hệ thống “con người - xã hội - tự nhiên”, coi xã hội loài người là một phần không thể thiếu của sinh quyển.
Mục tiêu chính của sinh thái hiện đạiở giai đoạn phát triển này của xã hội loài người - để đưa Nhân loại thoát khỏi cuộc khủng hoảng môi trường toàn cầu, đi theo con đường phát triển bền vững, trong đó sẽ đạt được sự thỏa mãn các nhu cầu thiết yếu của thế hệ hiện tại mà không tước đi cơ hội như vậy của các thế hệ tương lai.
Để đạt được những mục tiêu này, khoa học môi trường sẽ phải giải quyết một số vấn đề đa dạng và phức tạp, bao gồm:
- phát triển lý thuyết và phương pháp đánh giá tính bền vững của hệ sinh thái ở mọi cấp độ;
- tìm hiểu cơ chế điều hòa số lượng quần thể và đa dạng sinh học, vai trò của quần thể sinh vật (thực vật và động vật) là yếu tố điều chỉnh sự ổn định của sinh quyển;
- nghiên cứu, dự báo những biến đổi của sinh quyển dưới tác động của các yếu tố tự nhiên và nhân tạo;
- đánh giá hiện trạng và động thái của tài nguyên thiên nhiên cũng như hậu quả môi trường của việc tiêu thụ chúng;
- xây dựng các phương pháp quản lý chất lượng môi trường;
- để hình thành sự hiểu biết về các vấn đề của sinh quyển và văn hóa sinh thái của xã hội.
Xung quanh chúng ta môi trường sống không phải là sự kết hợp hỗn loạn và ngẫu nhiên của các sinh vật. Đó là một hệ thống ổn định và có tổ chức, được phát triển trong quá trình tiến hóa của thế giới hữu cơ. Bất kỳ hệ thống nào cũng có thể được mô hình hóa, tức là có thể dự đoán một hệ thống cụ thể sẽ phản ứng như thế nào trước những tác động bên ngoài. Cách tiếp cận hệ thống là cơ sở để nghiên cứu các vấn đề môi trường.
Cấu trúc của sinh thái hiện đại
Hiện nay, sinh thái được chia thành một số ngành và ngành khoa học, đôi khi khác xa với cách hiểu ban đầu về sinh thái học như một môn khoa học sinh học về mối quan hệ của các sinh vật sống với môi trường. Tuy nhiên, mọi xu hướng sinh thái hiện đại đều dựa trên những ý tưởng cơ bản sinh thái học, mà ngày nay đại diện cho sự kết hợp của nhiều hướng khoa học khác nhau. Vì vậy, ví dụ, họ phân biệt tự động học, khám phá các kết nối cá nhân của một sinh vật riêng lẻ với môi trường; sinh thái dân số, giải quyết mối quan hệ giữa các sinh vật cùng loài và sống trong cùng một lãnh thổ; từ đồng nghĩa, nghiên cứu toàn diện các nhóm, cộng đồng sinh vật và mối quan hệ của chúng trong các hệ thống tự nhiên (hệ sinh thái).
Hiện đại Sinh thái học là một phức hợp của các ngành khoa học. Cơ bản là sinh thái chung, nghiên cứu các mô hình cơ bản của mối quan hệ giữa các sinh vật và điều kiện môi trường. Sinh thái lý thuyết khám phá các mô hình chung của tổ chức sự sống, bao gồm cả mối liên hệ với tác động của con người đối với các hệ thống tự nhiên.
Sinh thái ứng dụng nghiên cứu các cơ chế phá hủy sinh quyển của con người và các cách để ngăn chặn quá trình này, đồng thời phát triển các nguyên tắc sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên. Sinh thái ứng dụng dựa trên hệ thống các quy luật, quy tắc và nguyên tắc của sinh thái lý thuyết. Các hướng khoa học sau đây được phân biệt với sinh thái ứng dụng.
Sinh thái của sinh quyển, nghiên cứu những thay đổi toàn cầu xảy ra trên hành tinh của chúng ta do tác động của hoạt động kinh tế của con người đối với các hiện tượng tự nhiên.
Sinh thái công nghiệp, nghiên cứu tác động của khí thải của doanh nghiệp đến môi trường và khả năng giảm tác động này bằng cách cải tiến công nghệ và cơ sở xử lý.
Sinh thái nông nghiệp, nghiên cứu các cách sản xuất nông sản mà không làm cạn kiệt tài nguyên đất đồng thời bảo vệ môi trường.
Sinh thái y học, nghiên cứu các bệnh của con người liên quan đến ô nhiễm môi trường.
Địa chất học, nghiên cứu cấu trúc và cơ chế hoạt động của sinh quyển, sự kết nối, tương tác giữa sinh quyển và các quá trình địa chất, vai trò của vật chất sống đối với năng lượng và sự tiến hóa của sinh quyển, sự tham gia của các yếu tố địa chất vào sự xuất hiện và tiến hóa của sự sống trên Trái đất.
Sinh thái toán học mô hình hóa các quá trình môi trường, tức là những thay đổi trong tự nhiên có thể xảy ra khi điều kiện môi trường thay đổi.
Sinh thái kinh tế xây dựng cơ chế kinh tế sử dụng hợp lý tài nguyên và bảo vệ môi trường.
Sinh thái pháp lý phát triển một hệ thống pháp luật nhằm bảo vệ thiên nhiên.
Sinh thái kỹ thuật - Một hướng đi tương đối mới của khoa học môi trường, nghiên cứu sự tương tác giữa công nghệ và thiên nhiên, mô hình hình thành các hệ thống kỹ thuật tự nhiên khu vực và địa phương cũng như các phương pháp quản lý chúng nhằm bảo vệ môi trường tự nhiên và đảm bảo an toàn môi trường. Nó đảm bảo sự tuân thủ của thiết bị và công nghệ của các cơ sở công nghiệp với các yêu cầu về môi trường
Sinh thái xã hội phát sinh khá gần đây. Chỉ đến năm 1986, hội nghị đầu tiên dành riêng cho các vấn đề của khoa học này mới diễn ra ở Lvov. Khoa học về “nhà”, hay môi trường sống của xã hội (con người, xã hội), nghiên cứu hành tinh Trái đất, cũng như không gian - là môi trường sống của xã hội.
Sinh thái nhân văn - một phần của sinh thái xã hội, coi sự tương tác của con người với tư cách là một sinh vật xã hội sinh học với thế giới xung quanh.
- một trong những nhánh độc lập mới của sinh thái nhân loại - khoa học về chất lượng cuộc sống và sức khỏe.
Sinh thái tiến hóa tổng hợp- một ngành khoa học mới, bao gồm các lĩnh vực sinh thái cụ thể - nói chung, sinh học, địa lý và xã hội.
Một con đường lịch sử ngắn gọn để phát triển sinh thái như một khoa học
Trong lịch sử phát triển sinh thái như một khoa học, có thể phân biệt ba giai đoạn chính. Giai đoạn đầu tiên - Nguồn gốc và sự phát triển của sinh thái như một khoa học (cho đến những năm 1960), khi dữ liệu về mối quan hệ của các sinh vật sống với môi trường sống của chúng được tích lũy, những khái quát khoa học đầu tiên đã được thực hiện. Trong cùng thời gian đó, nhà sinh vật học người Pháp Lamarck và linh mục người Anh Malthus lần đầu tiên cảnh báo nhân loại về những hậu quả tiêu cực có thể xảy ra do ảnh hưởng của con người đối với thiên nhiên.
Giai đoạn thứ hai - chính thức hóa sinh thái thành một nhánh tri thức độc lập (sau những năm 1960 đến những năm 1950). Sự khởi đầu của giai đoạn này được đánh dấu bằng việc xuất bản các tác phẩm của các nhà khoa học Nga K.F. Roulier, N.A. Severtseva, V.V. Dokuchaev, người đầu tiên chứng minh một số nguyên tắc và khái niệm về sinh thái học. Sau nghiên cứu của Charles Darwin trong lĩnh vực tiến hóa của thế giới hữu cơ, nhà động vật học người Đức E. Haeckel là người đầu tiên hiểu rằng cái mà Darwin gọi là “cuộc đấu tranh sinh tồn” đại diện cho một lĩnh vực sinh học độc lập, và gọi nó là sinh thái(1866).
Sinh thái học cuối cùng đã hình thành như một khoa học độc lập vào đầu thế kỷ 20. Trong thời kỳ này, nhà khoa học người Mỹ C. Adams đã tạo ra bản tóm tắt đầu tiên về sinh thái học và những khái quát hóa quan trọng khác đã được xuất bản. Nhà khoa học Nga vĩ đại nhất thế kỷ 20. V.I. Vernadsky tạo ra một nền tảng học thuyết về sinh quyển.
Vào những năm 1930-1940, nhà thực vật học người Anh A. Tansley (1935) lần đầu tiên đưa ra khái niệm “hệ sinh thái”, và một lát sau V. Ya.(1940) đã chứng minh một khái niệm gần gũi với ông về bệnh biogeocenosis.
Giai đoạn thứ ba(Những năm 1950 - đến nay) - sự biến đổi sinh thái thành một ngành khoa học phức tạp, bao gồm cả khoa học bảo vệ môi trường của con người. Đồng thời với sự phát triển của cơ sở lý luận về sinh thái học, các vấn đề ứng dụng liên quan đến sinh thái học cũng được giải quyết.
Ở nước ta, trong những năm 1960-1980, hầu như năm nào Chính phủ cũng ra các nghị quyết nhằm tăng cường bảo vệ thiên nhiên; Đất, nước, rừng và các mã khác đã được công bố. Tuy nhiên, như thực tế sử dụng đã cho thấy, chúng không mang lại kết quả như mong đợi.
Ngày nay nước Nga đang trải qua một cuộc khủng hoảng môi trường: khoảng 15% lãnh thổ thực sự là vùng thảm họa môi trường; 85% dân số phải hít thở không khí bị ô nhiễm trên mức MPC đáng kể. Số lượng các bệnh “do môi trường” ngày càng gia tăng. Có sự suy thoái và suy giảm tài nguyên thiên nhiên.
Một tình trạng tương tự đã phát triển ở các nước khác trên thế giới. Câu hỏi điều gì sẽ xảy ra với nhân loại trong trường hợp các hệ sinh thái tự nhiên bị suy thoái và mất khả năng duy trì các chu trình sinh hóa của sinh quyển đang trở thành một trong những câu hỏi cấp bách nhất.
Để sống, con người cần không khí trong lành, nước chất lượng cao, đất không bị ô nhiễm, thực vật, nguồn năng lượng, v.v., nhưng với sự phát triển của nền văn minh, những tác hại của con người đối với thiên nhiên ngày càng đe dọa. Toán học có thể giúp ích cho môi trường?
Trường của chúng tôi nằm ở một nơi rất đẹp, bên bìa rừng. Chúng tôi thực sự muốn khu rừng được sạch sẽ, được chăm sóc cẩn thận để luôn có thể nghe thấy tiếng hót của chim trong đó và tiếng sóc và thỏ làm vui mắt. Vì vậy, học sinh trong trường rất quan tâm đến vấn đề môi trường. Nhưng tôi cũng thích các bài học toán và tôi quyết định tìm hiểu xem kiến thức toán học có thể giúp ích như thế nào trong các vấn đề môi trường.
Phần chính.
Không khí trong lành là chìa khóa cho sức khỏe, không chỉ trên đường phố mà còn trong nhà, chẳng hạn như trong lớp học. Thành phần khí của không khí trong khí quyển là gì? Để trả lời câu hỏi này, tôi đã sử dụng tỷ lệ phần trăm (nitơ ≈ 78%, oxy ≈ 21%, argon ≈ 1%, một số carbon dioxide và một số loại khí khác, chất ô nhiễm tự nhiên). Trong phòng, lượng oxy giảm và lượng carbon dioxide tăng lên. Chúng tôi có một khu rừng gần trường nên việc thông gió cho lớp học thường xuyên hơn sẽ rất hữu ích.
Theo các chuyên gia, do hoạt động của con người, hàng năm có 25,5 tỷ tấn oxit carbon, 190 triệu tấn oxit lưu huỳnh, 65 triệu tấn oxit nitơ và 1,4 triệu tấn chlorofluorocarbons xâm nhập vào bầu khí quyển Trái đất. Trong những năm gần đây, lượng chất độc hại lớn nhất được thải vào khí quyển thông qua khí thải xe cộ và tỷ trọng của chúng không ngừng tăng lên. Ví dụ, ở Moscow, lượng khí thải các chất có hại từ xe cơ giới vượt quá 800 nghìn tấn mỗi năm, chiếm 70% tổng lượng chất ô nhiễm xâm nhập vào bầu khí quyển của thành phố mỗi năm.
Nước là nền tảng của sự sống.
Tất cả chúng ta đều sử dụng nước, vì vậy chúng ta cũng có trách nhiệm bảo vệ nước khỏi bị ô nhiễm và tiết kiệm nước. Biển và đại dương bao phủ khoảng 70% bề mặt trái đất và nước ngọt chỉ chiếm 2% tổng trữ lượng nước của hành tinh.
Tiêu chuẩn chất lượng nước uống được chứa trong một tài liệu đặc biệt - Tiêu chuẩn Nhà nước “Nước uống”. Tiêu chuẩn chất lượng này đặt ra mức chấp nhận tối đa đối với các hóa chất có trong nước tự nhiên hoặc được thêm vào nước trong quá trình xử lý nước. Do đó, hàm lượng nhôm không được vượt quá 0,5 mg trên 1 lít nước, berili - 0,0002 mg mỗi 1 lít, molypden - 0,25 mg mỗi 1 lít, asen - 0,05 mg mỗi 1 lít, chì - 0,03 mg mỗi 1 l, flo – 0,07 mg mỗi 1 l, polyacrylamide – 2 mg mỗi 1 l. Cũng nằm trong nhóm các chỉ số chất lượng nước uống là sắt (không quá 0,3 mg/l), mangan (không quá 0,1 mg/l), đồng (không quá 0,1 mg/l), polyphosphate (không quá 3). , 5 mg/l), kẽm (không quá 5 mg/l). Cặn khô hình thành sau khi nước bay hơi không được vượt quá 1000 mg/l.
Một người cần bao nhiêu nước mỗi ngày? Đối với mục đích sinh hoạt, nước được sử dụng để uống, nấu ăn, giặt giũ, xả nước thải vào cống và tưới vườn. Hóa ra gia đình 4 người của chúng tôi sử dụng hơn 500 lít nước mỗi ngày. Đây là một khối lượng lớn. Không có đủ nước sạch chất lượng cao trên Trái đất. Hãy tưởng tượng nếu mỗi người tiết kiệm ít nhất 1 lít nước mỗi ngày và có khoảng 6,8 tỷ người trên thế giới, điều đó có nghĩa là tiết kiệm được 6800000000 lít nước mỗi ngày trên toàn thế giới.
325,1 nghìn người sống ở Noginsk và vùng Noginsk. Giả sử rằng hầu hết họ luôn mở vòi khi đánh răng, trong khi số còn lại chỉ mở vòi khi họ đang đánh và súc miệng. Trung bình, quy trình này mất khoảng 3 phút và trong thời gian này nước chảy từ vòi với tốc độ 2 l/phút. Nếu tất cả cư dân đánh răng với vòi nước mở liên tục, họ sẽ sử dụng 1.950.600 lít nước mỗi lần. Nhưng khi tiết kiệm nước, họ có thể tiết kiệm được 1625500 lít nước.
Các nhà khoa học tuyên bố rằng sử dụng công nghệ hiện đại, lượng nước tiêu thụ trong cuộc sống hàng ngày có thể giảm ⅓, trong nông nghiệp - một nửa và trong công nghiệp - gần 10 lần. TIẾT KIỆM NƯỚC!
Đất là tài sản của chúng ta
Đất có độ phì nhiêu - đó là chất nền hoặc môi trường sống thuận lợi nhất cho đại đa số sinh vật - vi sinh vật, động vật và thực vật. Điều quan trọng nữa là xét về mặt sinh khối, đất (đất của Trái đất) lớn hơn đại dương gần 700 lần, mặc dù đất chỉ chiếm chưa đến 1/3 bề mặt trái đất. Đất thường được gọi là tài sản chính của bất kỳ quốc gia nào trên thế giới, vì khoảng 90% lương thực của nhân loại được sản xuất trên và trong đó. Suy thoái đất đi kèm với mất mùa và nạn đói, dẫn đến nghèo đói ở các quốc gia và mất đất có thể gây ra cái chết cho toàn nhân loại. Trong điều kiện tự nhiên bình thường, mọi quá trình diễn ra trong đất đều diễn ra cân bằng. Nhưng thường thì người ta phải chịu trách nhiệm vì đã làm xáo trộn trạng thái cân bằng của đất. Do sự phát triển của hoạt động kinh tế của con người, ô nhiễm xảy ra, thay đổi thành phần của đất và thậm chí là sự tàn phá của nó. Riêng gia đình chúng tôi sử dụng hơn 10 túi nhựa trong một tuần. Phải mất 15 năm để những chiếc túi như vậy có thể phân hủy. Nếu bây giờ chúng ta liều lĩnh vứt bỏ những chiếc túi, thì hàng chục năm nữa đất sẽ chứa những chất độc hại. Bạn phải luôn tự mình nhặt rác và bỏ vào những nơi được chỉ định đặc biệt. Hầu hết những gì chúng ta vứt đi (nhựa, kim loại, thủy tinh, giấy) đều có thể được tái sử dụng.
Cây xanh là một phần vô giá của môi trường
Chúng thanh lọc không khí ô nhiễm, tạo ra oxy và thanh lọc không khí khỏi các vi khuẩn gây bệnh. Rừng cung cấp thức ăn và nơi ở cho nhiều loài thực vật, động vật và vi sinh vật.
Tuổi thọ của các loài cây khác nhau là không giống nhau. Aspen sống tương đối ngắn - dưới 100 năm. Tuổi của cây vân sam có thể đạt tới 600 năm. Đối với những cây thông có nguồn gốc từ dãy núi White Mountains phía đông California, 500 năm hay thậm chí 1.000 năm chưa phải là già. Giống như mọi sinh vật sống, cây chết vì tuổi tác và bệnh tật.
Và trong những năm gần đây, diện tích rừng bị chặt và đốt lớn gấp 7 lần diện tích các vùng lãnh thổ trồng cây mới. Hóa ra những khu rừng rụng lá có khả năng làm sạch không khí khỏi bụi tốt hơn gấp 2 lần so với những khu rừng lá kim. Thật tốt khi gần trường chúng tôi có rất nhiều cây sồi và chúng tôi cũng đang cố gắng trồng cây bạch dương. Hãy tưởng tượng, nếu mỗi người dân nước ta trồng ít nhất một cây trong đời thì số lượng của họ sẽ tăng thêm 141,93 triệu cây.
Vào một ngày hè đầy nắng, bạn có thể thấy rất nhiều ong trên đồng cỏ gần trường. Những loài côn trùng này “giỏi” môn toán. Theo mặt cắt ngang, các tế bào tổ ong có hình lục giác, cho phép có không gian tối đa để lưu trữ mật ong với mức tiêu thụ sáp tối thiểu.
Các nhà toán học đang tìm kiếm câu trả lời cho câu hỏi này và sau khi tính toán lâu dài, họ đã đi đến một kết luận thú vị: cách tốt nhất để xây dựng một nhà kho với sức chứa tối đa nhưng tiêu thụ vật liệu tối thiểu là làm những bức tường hình lục giác. Nếu xây dựng trên cùng một không gian, hình lục giác sẽ cần ít vật liệu hơn hình vuông hoặc hình tam giác. Một phẩm chất tuyệt vời khác của loài ong là sự hợp tác giữa chúng trong việc xây dựng tổ ong. Khi nhìn thấy các tổ ong được xây dựng hoàn chỉnh, bạn có thể nghĩ rằng chúng được tạo thành một khối duy nhất. Trên thực tế, việc xây dựng tổ ong bắt đầu từ những điểm hoàn toàn khác nhau cùng một lúc. Hàng trăm con ong bắt đầu xây tổ ở ba hoặc bốn địa điểm khác nhau. Họ tiếp tục xây dựng cho đến khi gặp nhau ở giữa. Không hề có một lỗi nhỏ hay sai sót nào ở ngã ba. Ong cũng tính toán góc của từng ô riêng lẻ với nhau khi xây tổ ong. Các ô tiếp xúc với mặt đất luôn nghiêng một góc 13 độ so với mặt đất. Do đó, cả hai bức tường của tổ ong đều hướng lên trên một góc. Góc này giúp mật ong không bị rò rỉ ra ngoài.
Ong là “nhà toán học”, tổ ong mà chúng xây dựng có cấu trúc bền nhất, kích thước được quan sát với độ chính xác chưa từng có: góc của tế bào luôn là 109*28” độ.
Để chuẩn bị 100 gram mật ong, một con ong đôi khi bay 46 nghìn km, tương đương với việc bay vòng quanh toàn cầu dọc theo đường xích đạo.
Đối với 1 dm2 tổ ong có 800 ô ở cả hai bên.
Trường điện từ là biểu hiện của năng lượng mà mắt thường không nhìn thấy được. Ô nhiễm điện từ môi trường đặc biệt nguy hiểm đối với trẻ em. Làm thế nào để sử dụng máy tính an toàn? Sử dụng tính toán toán học, các nhà khoa học nhận thấy rằng các thiết bị điện gia dụng (TV, máy tính) nên được lắp đặt cách xa người ít nhất 1 mét và xem TV từ khoảng cách ít nhất 2 mét. Màn hình máy tính phải ở khoảng cách ít nhất 50-60 cm. Bạn không thể làm việc trên máy tính quá 4 giờ mỗi ngày và làm việc đó trong 10 phút. nghỉ giải lao cứ sau 30 phút.
Chúng ta phải bảo tồn nguồn năng lượng của hành tinh. Bóng đèn tiết kiệm năng lượng là cách chiếu sáng tiết kiệm và thân thiện với môi trường nhất. Khi đèn sợi đốt thông thường hoạt động, hơn 95% năng lượng điện được dùng để sinh nhiệt và chỉ 5% dùng để chiếu sáng. Đèn tiết kiệm năng lượng tiêu thụ năng lượng ít hơn 5 lần so với đèn sợi đốt và có tuổi thọ cao hơn 8 lần.
p1 = 15 W p2 = 75 W t1 = 43800 t2 = 43800 t = 43800 s1 = 45 rúp s2 = 7 rúp a = 2,73 rúp/kWh
S = 0,001 * 43800 * 2,37 * (75 – 15) + 43800:43800 * 7 – 43800:43800 * 45 = 6190,36 chà.
Tôi đã giải quyết được vấn đề này và nhận ra rằng việc có đèn tiết kiệm năng lượng trong nhà mang lại lợi ích như thế nào.
Vì vậy, toán học là môn khoa học có liên quan chặt chẽ với các ngành khoa học khác, đặc biệt là sinh thái học. Khi nghiên cứu sinh thái học, nhiều câu hỏi được đặt ra, câu trả lời có thể thu được bằng toán học. Toán học cho phép chúng ta thực hiện các phép đo chính xác, tính toán và xác nhận các quan sát.
Trở lại Tiến lên
Chú ý! Bản xem trước trang chiếu chỉ nhằm mục đích cung cấp thông tin và có thể không thể hiện tất cả các tính năng của bản trình bày. Nếu bạn quan tâm đến tác phẩm này, vui lòng tải xuống phiên bản đầy đủ.
Chúng ta đã thừa hưởng một vẻ đẹp không thể diễn tả được
và một khu vườn đa dạng,nhưng rắc rối là
rằng chúng ta là những người làm vườn tệ hại.
Chúng tôi đã không quan tâm
để tìm hiểu các quy tắc làm vườn đơn giản nhất.
Gerald Durrell
"Con đường của Kangaroo"
Cách mạng khoa học công nghệ... núi vàng hứa hẹn
và đã cống hiến phần lớn những gì chúng ta đang tự hào,
đã gây ra những vấn đề khác mà trước đây chưa biết.
Hãy giải quyết chúng trên những con đường đã trải qua,
không thể được.
V.R. Arsenyev,
"Thú-thần-người."
Hiện nay thuật ngữ "sinh thái" trở nên rất phổ biến; như một quy luật, nó được dùng để nói về trạng thái không thuận lợi của môi trường tự nhiên xung quanh chúng ta. Tuy nhiên, nó thường được sử dụng kết hợp với các từ như "xã hội" , "gia đình" , "sức khỏe" , "văn hoá" , "giáo dục" . Do đó, câu hỏi tự nhiên là: “Rốt cuộc thì khoa học này nghiên cứu cái gì?”
Thuật ngữ "sinh thái" (từ tiếng Hy Lạp oiko - nhà ở, quê hương và logo – từ ngữ, học thuyết, khoa học), được đề xuất trong 1868 . nhà sinh vật học người Đức Ernst Haeckel , nghĩa đen là "khoa học gia đình" . Theo nghĩa rộng nhất , Sinh thái học là một phức hợp khoa học về mối quan hệ giữa sinh vật và các yếu tố môi trường . Đồng thời, một số khoa học thuộc tổ hợp sinh thái được phân loại không theo đối tượng nghiên cứu mà theo phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong đó. Một trong những lĩnh vực này là "sinh thái toán học" .
Sinh thái toán học mô hình hóa các quá trình sinh thái, tức là những thay đổi có thể xảy ra trong tự nhiên khi các yếu tố môi trường thay đổi [ Cùng nguồn, tr. 64].Đồng thời, không phải là không quan tâm khi lưu ý rằng các mô hình ngày càng phức tạp không phải lúc nào cũng tương ứng với các hệ thống và đối tượng ngày càng phức tạp. Bí quyết là một mô hình toán học không nhất thiết phải mô tả chi tiết đối tượng đang được nghiên cứu mà chỉ có thể và chỉ phản ánh những điều quan trọng nhất cần nghiên cứu.
Dựa trên những điều trên, chúng ta hãy xem xét một vài ví dụ.
Ví dụ số 1. Đại số, số học và sinh học . “Một lần ở sở thú, tôi nhìn ngựa vằn, sơn dương, hồng hạc, kỳ lân biển và bướm. Tổng cộng tôi đếm được ba mươi bốn chân, mười bốn cánh, chín đuôi, sáu sừng và tám tai - ý tôi là tai ngoài chứ không phải tai trong. Có bao nhiêu con ngựa vằn? Có bao nhiêu con sơn dương? Có bao nhiêu con hồng hạc? Có bao nhiêu kỳ lân biển? Có bao nhiêu con bướm?
Giải pháp. Hãy biểu thị số lượng ngựa vằn bằng chữ cái x ; số lượng sơn dương - y ; chim hồng hạc - z ; kỳ lân biển - bạn ; bướm - v . Hãy tạo và điền vào bảng:
Giải hệ phương trình thu được, chúng ta sẽ tìm được đáp án cho các câu hỏi đặt ra.
Ví dụ số 2. Bí ẩn của biển Caspian . “Biển Đen và Biển Caspian có nguồn gốc từ một vùng biển cổ xưa, sau đó được chia thành hai phần bởi Dãy núi Kavkaz. Biển Caspian đóng cửa, Biển Đen chảy qua Bosporus và Dardanelles vào Biển Địa Trung Hải. Mặc dù vậy, Biển Đen mặn hơn nhiều so với Biển Caspian. Điều này có vẻ không thể giải thích được, nhưng hãy nhớ rằng Biển Caspian có Vịnh Kara-Bogaz-Gol. Thoạt nhìn, có vẻ như điều này không thay đổi gì cả vì nó vẫn đóng. Tuy nhiên, điều này không xảy ra vì không xảy ra hiện tượng hòa trộn nước của Biển Caspian và Vịnh: nước từ Biển Caspian liên tục chảy vào Vịnh. Điều này có thể dẫn đến việc khử muối ở Biển Caspian không?”
Giải pháp. Hãy giới thiệu ký hiệu sau: Q - tổng lượng nước chảy vào biển Caspian, TÔI - sự bốc hơi quá mức do mưa ở Biển Caspian, TÔI 1 - ở vịnh cũng vậy, q - cường độ dòng nước từ Biển Caspian đến Kara-Bogaz-Gol và 1 – tốc độ thay đổi lượng nước ở Biển Caspian và trong vịnh, ν - độ mặn của nước sông chảy vào biển Caspian, µ - độ mặn của nước Caspian và 1 – tốc độ thay đổi lượng muối ở biển Caspian và trong vịnh. Hãy viết các phương trình:
= Q - TÔI - q ,
1 = q - TÔI 1,
= Qν - q µ,
1 = q µ ,
Ở đâu Qν – cường độ muối đến biển Caspian, q µ - cũng cho vịnh. Phương trình cuối cùng cho thấy lượng muối trong vịnh tăng không giới hạn theo thời gian. Trên thang thời gian địa chất có thể coi rằng = 1 = 0 , từ đây:
Q – TÔI – q = 0,
q - TÔI 1 = 0.
Như đã biết, nồng độ muối trong vịnh từ lâu đã đạt mức bão hòa, muối đã lắng đọng dưới đáy hàng nghìn năm, tạo thành những lớp trầm tích khổng lồ. Lượng muối ở biển Caspian tăng lên cho đến khi Qν > q µ . Khi điều kiện được đáp ứng Qν = q µ sự gia tăng độ mặn của biển Caspian dừng lại, đạt đến một giá trị nhất định
µ* = Qν/q = (I+q) ν /= (1+I/q) ν .
Bởi vì q = TÔI 1 , Cái đó µ* = (1+ TÔI / TÔI 1 )ν ,
Ở đâu TÔI / TÔI 1 – tỷ lệ tốc độ bốc hơi nước ở Biển Caspian và vùng Vịnh. Đại khái là bằng tỷ lệ S / S 1 khu vực biển Caspian và vùng Vịnh. Có tính đến điều này:
µ* = (1+I/I1) ν = µ* = (1+S/S1) ν
Bởi vì S ≈ 40S1 , Cái đó µ* ≈ 40ν . Các ước tính định lượng cho thấy độ mặn này thấp hơn độ mặn của Biển Caspian ngày nay. Đó là, Vịnh Kara-Bogaz-Gol khử muối cho Biển Caspian, điều này giải thích độ mặn của nó thấp hơn so với Biển Đen. Trên thang thời gian địa chất, độ mặn của biển Caspian sẽ tiếp tục giảm.
Ví dụ số 3. Mô hình khác biệt của tiến hóa dân số . Chúng ta hãy xem xét một trong những ví dụ sinh học quan trọng, nội dung chính là nghiên cứu sự phát triển của hệ sinh học bằng cách xây dựng mô hình động về sự thay đổi quy mô quần thể của bất kỳ sinh vật sống nào (vi khuẩn, cá, động vật, v.v.) có tính đến tính đến nhiều yếu tố khác nhau. Lưu ý rằng các quần thể, như một quy luật, không tồn tại một cách biệt lập mà tồn tại trong sự tương tác với các quần thể khác. Loại tương tác quan trọng nhất như vậy là tương tác giữa con mồi và động vật ăn thịt (ví dụ: cá diếc - pike, thỏ rừng - sói, v.v.). Đồng thời, chúng tôi lưu ý rằng các mô hình toán học “...góp phần hiểu biết sâu sắc hơn về các mô hình, tiết lộ động lực của quá trình và liên kết các dạng chuyển động khác nhau của vật chất với nhau. Trong khóa học vật lý ở trường, chúng ta đã gặp một thực tế là cùng một phương trình vi phân mô tả chính xác cả dao động cơ học của con lắc và dao động điện từ trong mạch. Hãy thử mở rộng ý tưởng này sang các hiện tượng khác.”.
Cho phép y là số lượng cá thể trong một quần thể động vật ăn thịt nhất định, và x – số nạn nhân của họ. Khi đó tốc độ thay đổi số lượng kẻ săn mồi tỷ lệ thuận với số lượng con mồi và tốc độ giảm số lượng con mồi tỷ lệ thuận với số lượng kẻ săn mồi, tức là có các phương trình vi phân:
Từ đây chúng tôi nhận được:
Giới thiệu danh hiệu ω 2 = bụng, ta đi đến biểu thức:
Cái sau, như đã biết, mô tả một quá trình dao động với một chu kỳ
Do đó, trong phép tính gần đúng này, sự thay đổi về quần thể của động vật ăn thịt là có tính chu kỳ. Giá trị tham số Một Và b được xác định từ những quan sát dài hạn.
Hãy tóm tắt những gì đã được nói. Việc giới thiệu về sinh thái toán học chắc chắn đòi hỏi phải tham khảo vật lý, hóa học, toán học và khoa học máy tính. Các vật thể tự nhiên là các hệ thống có tổ chức cao, cả ở cấp độ cấu trúc của chúng và ở cấp độ hệ sinh thái. Do đó, khá tự nhiên khi khẳng định rằng mục tiêu chính của sinh thái toán học là nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn của tổ chức này với tất cả sự phức tạp và linh hoạt, trong hoạt động và sự phát triển của nó. Và nếu giai đoạn giới thiệu của nghiên cứu là xác định các yếu tố như cân nặng, chiều cao,