- распространение и трансформация загрязняющих примесей от источников до компонент экосистемы;

- взаимодействие загрязнителей и природных систем (включая человека);

- динамика природных систем с учетом угнетающего воздействия загрязнителей;

- построение основных оптимизируемых функционалов;

- решение оптимизационных задач по определению управляющих параметров модели и разработка плана хозяйственных мероприятий на основе решения оптимизационных задач;

- информационное обеспечение модели.

Некоторые из задач, возникающих при реализации блоков, к настоящему времени проработаны достаточно глубоко. Так, создана целая система (зачастую повторяющих друг друга) моделей для описания процессов переноса и диффузии примеси в атмосфере. Разработаны эффективные методы решения кинетических уравнений. Существуют подходы для описания различного типа экологических систем. Однако основная проблема - разработка оптимального «экологизированного» плана конкретных народохозяйственных мероприятий - может быть решена только при создании единой взаимоувязанной супермодели, реализирующей все упомянутые блоки в полном объеме.

Практическое использование такой супермодели должно основываться на учете и контроле выбросов и переноса загрязнителей. Наиболее перспективным источником соответствующей информации являются данные космического зондирования. Выбор данных космического зондирования в качестве основного источника информации обусловлен глобальным характером проблемы и необходимостью изучения распространения загрязнителей и определения их воздействия на компоненты биосферы для всей планеты. Этот выбор обоснован успехами и перспективами развития космической техники, достигнутыми результатами в области дистанционного зондирования Земли из космоса.

Методы и аппаратура дистанционного определения характеристик примесей, разработанные в предшествующий период, были успешно испытаны на спутниках серии «Космос» и «Интеркосмос», а также на пилотируемых станциях «Салют». Результаты экспериментов на этих космических аппаратах позволили определить степень точности и надежности данных космического зондирования, используемых для решения рассматриваемой задачи. Так, эксперимент с многоканальным спектрометром МКС-М в сочетании с многоканальной фотокамерой МКФ-6М на станции «Салют-7» обеспечил получение информации о спектральной яркости системы поверхность Земли-атмосфера над промышленными районами с высоким пространственным разрешением (30-50 м) и большой фотометрической точностью (1-3%). Методы дистанционного зондирования, созданные для обработки этой информации, позволили одновременно определить коэффициенты спектральной яркости поверхности и вертикальные профили оптической толщины аэрозольных частиц с ошибкой 15-20%.

Не менее важным направлением фундаментальных и прикладных исследований, определяющих достоверность и эффективность плановых мероприятий, является определение воздушных потоков, которые переносят частицы примеси на большие расстояния, а также других метеоэлементов.

Расчет распределений метеорологических параметров на основе уравнений гидротермодинамики - чрезвычайно сложная задача, решение которой немыслимо без привлечения современных методов вычислительной математики и мощных ЭВМ. Сегодня уровень знаний в этой области позволяет прогнозировать изменения распределения различных характеристик, определяющих метеорологические условия в том или ином районе, на сроки порядка недели. Поэтому, имея в виду практическую значимость борьбы с загрязнениями окружающей Среды отходами промышленных предприятий и необходимость оценивать долгосрочные последствия таких загрязнений, в настоящее время следует считать весьма актуальными исследования распространения загрязнений с учетом данных о крупномасштабных атмосферных процессах, влияющих на климат. Выбор такого масштаба позволяет использовать основные характеристики динамики атмосферы за текущий период (скажем, за последние 10 лет) и проанализировать воздействие загрязнений на биосферу в предположении, что за последующий (сравнимый по продолжительности) промежуток времени существенных изменений климата не произойдет. Это приводит к необходимости создания специализированных баз данных по климатическим характеристикам атмосферы и соответствующего математического обеспечения. Однако такой подход применим только для тех слоев атмосферы, влияние земной поверхности на которые мало. В пограничном слое атмосферы (толщиной до 2 км), где сосредоточены все антропогенные источники загрязнений, динамический режим атмосферы определяется исходя из глобальных климатических характеристик свободной атмосферы с учетом различных мезомасштабных метеорологических процессов. Определяющие этот режим процессы, протекающие в планетарном пограничном слое, описываются уравнениями гидродинамики атмосферы и решаются на мощных ЭВМ.

К этому направлению тесно примыкает проблема необычайной сложности - проблема турбулентности.

В атмосфере постоянно образуются невидимые вихри, имеющие различные пространственные и временные масштабы. Большие вихри с течением времени распадаются на меньшие, те в свою очередь на еще более мелкие и т. д., пока энергия мельчайших вихрей не превратится в тепло. Реализуется и обратный процесс образования больших вихрей из малых. Именно эти вихри, взаимодействуя с дымовым шлейфом, «растаскивают» частицы примесей в разные стороны, что приводит к наблюдаемому увеличению его поперечных размеров. Чем больше размер аэрозольного облака, тем с большими вихрями оно может взаимодействовать. Если же размер вихря намного превосходит размер облака, то примесей не происходит.

Этот процесс оказывает сильное воздействие на итоговое распределение загрязнителей. Однако замкнутой теории для конструктивного определения турбулентных пульсаций до сих пор не создано и для вычисления коэффициентов турбулентности приходится пользоваться гипотезами о замыкании моментами первого и второго порядков, уточняя полученные результаты по данным наблюдений (например, из космоса).

В задачах о пространственно-временном распределении полей загрязняющих примесей встречаются и другие трудности, которые современная теория пока не в силах устранить. В первую очередь это относится к взаимодействию облака примеси с земной поверхностью. Исследования в этом направлении только начаты и их следует существенно активизировать, так как воздействие человека на экологические системы определяется в конечном счете именно характером такого взаимодействия.

Следующая серьезная проблема - определение воздействия определенного количества данного загрязнителя на конкретный объект или комплекс объектов биосферы и последствий такого продолжительного взаимодействия.

Математические модели эволюции популяций как элементов единой экологической системы строятся исходя из условия баланса изменений их биомассы и формулируются обычно в виде систем нелинейных дифференциальных уравнений. Они описывают взаимодействие популяций и скорости нарастания или убывания их биомассы. В общем случае каждое из уравнений системы включает в себя характеристики всех рассматриваемых популяций. Кроме того, в эти уравнения в качестве параметров входят величины, характеризующие скорости процессов, описываемых моделью. Значения параметров находятся из биологических экспериментов, а зависимости характеристик популяции друг от друга устанавливаются в соответствии с биологическими механизмами развития элементов экосистемы. Определение параметров и детальное описание механизмов представляет собой очень важное направление экологических исследований, без глубокого развития которого оценить долгосрочные последствия антропогенного воздействия на окружающую среду с высокой степенью достоверности весьма затруднительно.