Анализ рисков планетарных и глобальных катастроф

АНАЛИЗ РИСКОВ ПЛАНЕТАРНЫХ И ГЛОБАЛЬНЫХ КАТАСТРОФчл.-корр. РАН Н.А.Махутов (ИМАШ РАН)На базе исследований и разработок последних 15 лет в рамках Государственной научно-технической программы «Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф» (ГНТП «Безопасность» 1991-2001 г.г.), Федеральной целевой программы «Снижение рисков и смягчения последствий чрезвычайных ситуаций природно-техногенного характера в Российской Федерации» (ФЦП «Снижение рисков» 2001-2010 г.г.), Федеральной целевой научно-технической программы «Исследование и разработка по приоритетным направлениям развития науки и техники» (ФЦНТП «Исследования и разработки науки и техники» (2002-2006 г.г.), были сформулированы основные закономерности возникновения и реализации рисков [1-5], методы и классификация основных параметров риска R(t). Они представлены как функционалы FR от вероятностей P(t) возникновения катастроф и соответствующих им ущербов U(t), зависящих от времени t (1)где i – набор (классификатор) опасных процессов и явлений при суммировании рисков для данного момента (отрезка) времени t для заданной территории;t, x, y, z – сочетание по времени t по пространственным координатам x, y, z опасных процессов при интегральных оценках рисков. Обобщение на протяжении интервала времени t, равного примерно последнему полувеку, значительной по объему информации о величинах суммарных осредненных U(t), измеряемых в экономических показателях (долларах, рублях), и об осредненной периодичности t между авариями и катастрофами с заданным уровнем ущербов, измеряемой во временных показателях (годах), позволяет построить соответствующую классификационную картину аварий и катастроф. При этом можно принять P(t)=1/t. Тогда риски R(t) на базе обобщения статистической информации по рис. 1 будут определяться как, долл/год. (2)На основе анализа последствий ^ U, периодичности и вероятности P аварий и катастроф и связанных с ними рисков можно выделить их следующие классы (см. рис. 1): планетарные, глобальные, национальные, региональные, местные, объектовые и локальные. По мере развития человечества и его возможностей в промышленной и военной сферах все больше возрастают риски тяжелых аварий и катастроф и их перехода от нижних уровней к верхним.^ Рис. 1. Типы аварий, катастроф и рисков Планетарные катастрофы с возможностью гибели жизни на Земле связываются с такими катастрофическими природными явлениями, как столкновение Земли с крупными астероидами, имеющими скорости движения до 80 км/сек, а также с полномасштабными военными действиями с применением современного ядерного, термоядерного и химического оружия массового поражения.^ Глобальные катастрофы могут затрагивать территории ряда сопредельных стран; периодичность таких катастроф оценивается в 30-40 лет и более, число пострадавших в них более 100 тыс., а экономический ущерб может превышать 100 млрд. долл. Такие последствия связываются с крупномасштабными техногенными катастрофами на ядерных реакторах гражданского и военного назначения с расплавлением активной зоны, на предприятиях ядерного цикла, на ядерных боеголовках, на мощных ракетоносителях, на атомных подводных лодках и надводных судах, на складах с химическим оружием и на крупных химических предприятиях с большими запасами сильно действующих ядовитых отравляющих веществ. Природными катастрофами с глобальными последствиями являются крупные землетрясения, извержения вулканов, наводнения, цунами.^ Национальные катастрофы затрагивают территории отдельных стран; их периодичность может характеризоваться временем 15-20 лет; при этом число жертв и пострадавших более 10 тыс. человек, а экономические ущербы достигают 10 млрд. долл. и более. Такие катастрофы могут возникать на указанных выше объектах, а также при транспортировках больших масс людей и опасных грузов, на пересечениях магистральных трубопроводных систем с транспортными линиями и линиями электропередач, при пожарах на крупнейших промышленных и гражданских комплексах, при падениях самолетов на опасные объекты, при разрушениях крупных плотин и дамб. Сюда относятся землетрясения, ураганы, наводнения.^ Катастрофы регионального масштаба захватывают территории целых республик, краев и областей; их периодичность оценивается в 10-15 лет. Число жертв и пострадавших в них может превышать тысячу человек, а экономический ущерб 1,0 млрд. долл. Такого рода катастрофы вызываются теми же причинами и имеют те же последствия, что и национальные катастрофы. Дополнительно к ним можно отнести взрывы и пожары на объектах с опасными веществами, при крушениях поездов, судов и самолетов, при взрывах на металлургических комплексах, элеваторах, шахтах, а также опасные природные процессы.^ Местные аварии и катастрофы создают ущербы для городов и районов. Частота их возникновения существенно выше - менее одного года; пострадавшими в них оказываются сотни людей, а экономический ущерб достигает 100 млн. долл. Спектр основных причин и источников локальных аварий и катастроф дополняется обрушениями и пожарами на промышленных и гражданских сооружениях, при локальных выбросах радиоактивных и отравляющих веществ. Такого рода катастрофы создаются опасными природными процессами: ливнями, ураганами, карстами, оползнями.^ Объектовые аварии и катастрофы ограничиваются территориями санитарно-защитных зон объекта; частота таких аварий и катастроф характеризуется временем до одного месяца; число жертв и пострадавших находится на уровне десятков, а экономический ущерб - на уровне миллиона долл. Наиболее частыми здесь являются пожары, взрывы, столкновения и крушения транспортных средств, обрушения, провалы.^ Локальные аварии возникают на определенной части объекта. Частота этих аварий достаточно велика и их число измеряется сотнями и тысячами в год. Ущербы от этих аварий составляют от единиц до сотен тысяч долл. на одну аварию. При локальных авариях могут страдать люди, получая увечья. Характерными видами техногенных локальных аварий являются взрывы, пожары, обрушения. Такая классификация аварий и катастроф позволяет более ориентированно вести разработки методов и систем их анализа, прогнозирования и предотвращения. Величины ущербов ^ U связываются с типом неблагоприятного события и могут измеряться большим числом параметров. При оценках планетарных и глобальных рисков ущербы U могут оцениваться числами пострадавших людей N или экономическими потерями Е (в рублях). Для рисков природно-техногенных и техногенных катастроф можно в двойных логарифмических координатах построить обобщенные кривые «P-U» типа «F-N» кривых (рис. 2).При этом величины P и U получаются суммированием Pi и Ui, задача снижения рисков сводится к снижению P и U до допускаемых значений [P] и [U].^ Рис. 2. Обобщенные кривые для оценки интегральных и дифференциальных рисков Фундаментальным свойством интегральных (для всей техносферы) и дифференциальных (для данного вида объектов техносферы) рисков является то, что росту ущербов U соответствует снижение вероятности Р (частоты) их возникновения, и диапазон изменения у величины Р больше (на 1-2 порядка), чем у величины U. Дифференцированные риски при их анализе и классификации связываются с источниками рисков и сферами жизнедеятельности. Величины первых и вторых рисков измеряются в относительном числе летальных исходов на тысячу человек в год или в относительной доле ВВП, характеризующей экономические потери в год. Анализ усложнения и насыщения потенциально опасными объектами техногенной сферы всех промышленно развитых стран в ушедшем столетии показал, что рост числа и тяжести последствий техногенных катастроф подчиняется экспоненциальному закону. Возможности парирования угроз в техногенной сфере оказались ограниченными, несмотря на выдающиеся достижения научно-технического прогресса практически во всех областях гражданской и оборонной промышленности Такие объекты техногенной сферы, как атомные и термоядерные энергоустановки, ракетно-космические системы, ядерное и химическое оружие массового поражения, транспортные воздушные, морские и наземные системы, гиганты энергетического и химического комплексов, магистральные нефте-, газо-, продуктопроводы позволили, с одной стороны, преобразить возможности во всех областях деятельности мирового сообщества и, с другой, создали неприемлемо высокие риски дальнейшему существованию человечества. Проблемы оценки рисков при возникновении катастроф природного и техногенного характера приобрели особую актуальность на рубеже ХХ и XХI века. Если принять, что история человеческого существования измеряется 1,5-2,5 млн. лет, то для человека потенциальные опасности природного происхождения характеризуются выраженным наложением цикличности на медленно (на протяжении сотен миллионов и миллиардов лет) и монотонно протекающие процессы на Земле и в космосе. Глобальные изменения состояния земной поверхности, мирового океана и климата на Земле в связи с гелио-геопроцессами характеризуются большими циклами от 10-20 тыс. лет до 500-1100 тыс. лет и более. Они вызывают глобальные потепления и похолодания, вариации положения земной оси, магнитного поля, состояния атмосферы, стратосферы и ионосферы. На эти монотонные и циклические процессы могут накладываться случайные (с чрезвычайно малой вероятностью до 10-8-10-9 в год) планетарные природные катастрофы, обусловленные весьма большими (близкими к взрывным) изменениями активности Солнца, прохождениями планет через астероидные и метеоритные пояса с возможными их столкновениями. Указанные выше монотонные, циклические и случайные процессы Земного и космического масштаба приводят к кардинальным изменениям условий жизни на Земле. Несмотря на неизмеримо возросшие возможности человека противостоять природным и техногенным угрозам, закономерности и параметры этих процессов очень сложны в исследовании и количественном описании. В связи с этим такого рода глобальные катастрофы, затрагивающие все человечество и все живое на Земле, должны быть пока отнесены к гипотетическим, а степень реально прогнозируемой защищенности от них чрезвычайно мала. Последствия такого рода общепланетарных катастроф могут оцениваться как предельные, когда вероятность уничтожения жизни на Земле приближается к 100%. В этом случае риск летального исхода, обычно измеряемый числом смертей на 1000 человек, также составит 103. При общем числе жителей на Земле в настоящее время порядка 5109 и вероятности возникновения общепланетарных природных катастроф в 10-6-10-9 1/год, риск летального исхода для человека при такой катастрофе составляет 5100-5103, а риск уничтожения жизни будет 10-6-10-9 1/год. Глобальные природные катастрофы, обусловленные природными процессами на Земле и затрагивающие территории ряда стран и континентов (землетрясения, извержения вулканов, цунами, ураганы), зарегистрированы за период 103-104 лет с человеческими жертвами до 106 чел. При средней численности населения на период таких катастроф до 5108 риск летального исхода для одного жителя Земли составляет от 210-6 до 210-7 1/год или 2100 на одну тысячу. Необратимый ущерб живому при этих катастрофах возникал на ограниченных территориях – до 510-6-10-7 от площади поверхности Земли. Тогда риск уничтожения жизни на Земле при таких катастрофах можно оценить, как (2-5)10-10 1/год. Риск уничтожения жизни на 1-2 порядка меньше, чем при общепланетарных природных катастрофах; риск летального исхода при этом меньше в 510-2 раза. Можно принять, что реальные техногенные угрозы для человека (пожары, взрывы, обрушения) на протяжении последних 104-103 лет стали значительными только в последние столетия, когда началось интенсивное гражданское строительство поселений, плотин, акведуков, дамб. Крупные пожары в древнеримских и средневековых городах возникали с периодичностью 50-100 лет и гибелью в них до 103 человек и более. В этом случае риск летального исхода составлял (1-2)10-7 1/год или 210-2 на 1000 жителей. В последние десятилетия риск летального исхода при техногенных катастрофах в силу ускоренного развития техногенной сферы и неподготовленностью человечества к защите от них резко возрос и стал достигать (2-3)10-1 на 1000 жителей. Эти риски становятся сопоставимыми или превосходят риски гибели людей при всех видах природных катастроф, составляющих (0,3-0,5)10-1 на 1000 жителей. Величины Р для планетарных катастроф могут составлять от 0,001÷0,02 1/год, для глобальных катастроф составляют 0,020,03 1/год , для национальных - 0,050,1 1/год , для региональных 0,50,1 1/год, для местных - 120 1/год , для объектовых - 10500 1/год. Величины U, включающие материальный, нематериальный, прямой, косвенный, экономический элементы ущербов, для указанных классов катастроф снижаются от 10141012 до 105103 долл. на одну катастрофу (рис. 3). Рис. 3. Ущербы и периодичность техногенных катастроф Таким образом, вариация ^ Р достигает семи порядков, а единичных ущербов U—десяти порядков. Риски погибнуть или получить увечья в каждой из указанных катастроф измеряются общим числом пострадавших от 106 до 100, т.е. изменяются на шесть порядков. В соответствии с этими данными совокупные риски от единичных техногенных катастроф могут изменяться в пределах от 2·108 долл./год до 5·105 долл./год. Вместе с тем, важной особенностью техногенных катастроф является число катастроф каждого из указанных выше классов (см. рис. 4).^ Рис. 4. Ущербы на одну катастрофу от необеспечения надежности и безопасностиНаиболее тяжелые катастрофы глобального или национального масштаба возникают на уникальных объектах техногенной сферы (атомные реакторы, атомные подводные лодки, ракетно-космические системы). По мере снижения тяжести единичной катастрофы число объектов техносферы Ni увеличивается от единичных (Ni100) и мелкосерийных (Ni102) до крупносерийных (Ni104) и массовых (Ni105). В среднем для России в последние годы на одну национальную катастрофу (i=3) приходится около 5 региональных (i=4), около 100 местных (i=5) и около 500 объектовых (i=6). Тогда на основе (1) для всей техносферы можно оценить риск, (3)где i – порядковый номер класса катастроф по рис. 3, Pi, Ui – вероятность возникновения и ущерб от одной катастрофы i - класса. В целом интегральные стратегические риски для России по выражению (1) для катастроф, с учетом их числа и ущербов, могут достигать 812 млрд. дол. в год, что составляет значительную часть VR внутреннего валового продукта V . (4)Величина VR, по обобщенным данным о техногенных катастрофах, может составлять 0,02-0,07, достигая в отдельные периоды времени величин на уровне 0,06 0,12.В ряде случаев тяжелые катастрофы (типа цунами в Юго-Восточной Азии) приносят ущербы на уровне 100÷160 млд.долл.; при этом величина VR для отдельных стран достигают 0,5÷0,8 Количественный и качественный анализ функционалов U в выражении (1) на базе сложных динамических нелинейных моделей должен предусматривать построение физических и математических сценариев как самих аварий и катастроф, так и моделей повреждений, наносимых ими населению (DN), техническим объектам и системам (DT) и среде обитания (DS) U=FU{DN, DT, DS} (5)Каждое из указанных повреждений может находиться в прямом, диссипативном или синергетическом взаимодействии, определяя меры хаоса и порядка в социальной, техногенной и природной сферах. Величины U в выражениях (1) и (4) могут измеряться большим числом определяющих параметров (индивидуальные и коллективные риски, продолжительность жизни для населения, степень разрушения и вывода из эксплуатации объектов и систем, уничтожение объектов и систем, кратко- и долгосрочное загрязнение окружающей среды). Аналогично (5) можно записать выражение для оценки вероятностей возникновения техногенных катастроф, (6)где - вероятности, обусловленные действиями человека, объектов техносферы и окружающей среды. Исключительно важное значение приобрели в последние годы исследования роли человеческого фактора в формировании параметров риска UN и PN для анализа всей безопасности сферы жизнедеятельности. Эти исследования позволили представить величину, как определенную значительную долю Р, (7)где kN – коэффициент значимости человеческого фактора в различных областях техносферы (kN1). Для предварительных оценок величин PN значение kN можно принять по данным табл. 1.Таблица 1.Коэффициент kN значимости человеческого фактора. № Области техносферы kN 1. Атомная энергетика 0,55 2. Промышленное и гражданское строительство 0,70 3. Ракетно-космическая техника 0,35 4. Военная авиация 0,85 5. Гражданская авиация 0,65 6. Трубопроводный транспорт 0,30 7. Автомобильный транспорт 0,80 8. Технологическое оборудование 0,40 Все возрастающая роль человеческого фактора РN определяется значительным набором причин и источников возникновения техногенных катастроф, (8)где kNi - относительная доля влияния человеческого фактора (kNi1). Для области гражданского строительства величины приведены в табл. 2.Таблица 2.Структура влияния человеческого фактора. № Источник проявления человеческого фактора kNi 1. Неиспользование знаний 0,35 2. Недостаток знаний 0,25 3. Недостаток знания факторов РT, РS 0,15 4. Ошибки и промахи 0,10 5. Неизвестные ситуации 0,05 6. Прочие 0,10 Проявление человеческого фактора относится ко всем трем основным j стадиям жизненного цикла во времени  объектов техносферы – проектированию (j=1), изготовлению (j=2) и эксплуатации (j=3):, (9)где - коэффициент влияния человеческого фактора на заданной стадии жизненного цикла. Для гражданского строительства величины (j=1, 2, 3) соответственно равны 0,40; 0,50; 0,10, для авиации – 0,10; 0,20; 0,70. При этом внутри каждой стадии жизненного цикла существует свой набор составляющих . Так, для гражданской авиации для стадии эксплуатации (j=3) составляющие равны: для пилотов и экипажей в полете 0,700,75; для диспетчеров и управляющих воздушным движением 0,030,06; для работников наземных технических служб 0,060,12; для работников метеослужб 0, 500,06; для невыясненных случаев 0,120,05. Характеристики PT, PS в выражении (6) для определения вероятностей возникновения техногенных катастроф имеют свои особенности. Они в значительной степени зависят от составляющей PN, оцениваемой по выражениям (7)(8). В частности, одна из основных причин техногенных катастроф PT кроятся в наличии исходной технологической дефектности в несущих элементах объектов техносферы (стадия j=2) и накоплении эксплуатационных повреждений (стадия j=3). Характеристика PS становится значимой, когда внешние воздействия (коррозионные, тепловые, механические, аэрогидродинамические, сейсмические) ускоряют накопление указанных повреждений, обусловленных самими объектами техносферы, операторами и персоналом. По аналогии с (9) можно записать. (10)Для объектов гражданского строительства для стадии изготовления (i=2) можно принять =0,45, а для стадии эксплуатации (j=3) =0,55. Для объектов авиационной техники, подвергаемых тщательному контролю при изготовлении указанные коэффициенты можно принять равными 0,25 и 0,75 соответственно. Таким образом при анализе планетарных и глобальных рисков можно считать, что объектами такого анализа оказываются как сама планета Земля в целом, так и ее крупные регионы, включающие группы сопредельных государств. При таком анализе в качестве исходного методического подхода можно использовать деление интегральной сферы жизнедеятельности (ноосферы) три основных компонента: техносферу (техногенный фактор) T, окружающую природную среду (природный фактор) S и население (человеческий фактор) N. Указанные факторы T, S, N в общем случае формирования и реализации рисков выступают в двух противоположных ролях – они являются источниками и причинами катастроф всех уровней i, в заданные моменты времени t и пространства x, y, z, с одной стороны, и жертвами опасных процессов и явлений, с другой. Это позволяет записать риски R(t), ущербы U(t) и вероятности P(t) для компонентов всей сферы жизнедеятельности: (11)Анализ глобальных, национальных, региональных, местных, объектовых и локальных аварий и катастроф выполняется в рамках анализа национальных стратегических рисков [2,3]. Вопросы анализа планетарных и глобальных рисков представляются наиболее сложными и становятся самостоятельным предметом фундаментальных национальных исследований [4], разработок Концепций национальной безопасности – США, России и других стран, решений и рекомендаций мирового сообщества – конференции ООН в Рио-де-Жанейро (1991 г.), Иоганесбург (2002 г.), Кобе (2005 г.) Как отмечалось выше, по степени потенциальной опасности, приводящей к планетарным, глобальным и национальным катастрофам можно выделить объекты ядерной, химической, металлургической и горнодобывающей промышленности, уникальные инженерные сооружения (плотины, эстакады, нефтегазохранилища), транспортные системы (аэрокосмические, надводные и подводные, наземные), перевозящие опасные грузы и большие массы людей, магистральные газо, -нефте,- и продуктопроводы. Сюда же относятся опасные объекты оборонного комплекса - ракетно-космические и самолетные системы с ядерными и обычными зарядами, атомные подводные лодки и надводные суда, крупные склады обычных и химических вооружений. Аварии и катастрофы на указанных объектах могут инициироваться опасными природными явлениями - землетрясениями, ураганами, штормами. Сами техногенные аварии и катастрофы при этом могут сопровождаться радиационными и химическими повреждениями и заражениями, взрывами, пожарами, обрушениями. Типы и параметры поражающих факторов при этом могут изменяться в весьма широких пределах. В качестве исходных имитационных моделей для анализа планетарных и глобальных рисков можно принять модели космического аппарата космического объекта ракетно-космических систем и уникальных энергетических установок с атомными реакторами [1,5,6]. При анализе безопасности таких сложных технических систем были сформулированы пять состояний объектов в штатных и аварийных режимах: два для нормальных и близких к нормальным состояниям и три основных сценария и вида аварийных ситуаций: проектные, запроектные и гипотетические (табл. 3). В его основе лежат такие параметры, как локальные напряжения  и деформации е, числа циклов N, температура t и время  эксплуатации. В зависимости от типа потенциально опасных объектов имеет место чрезвычайно широкая вариация этих параметров (100 12, 270°С Таблица 3. Типы аварийных ситуаций и степень защищенности объектов техносферы № Аварийные ситуации Защищенность Риски 1. Нормальные условия эксплуатации Повышенная Управляемые 2. Отклонения от нормальных условий Достаточная Регулируемые 3. Проектные авария Частичная Анализируемые 4. Запроектные аварии Недостаточная Повышенные 5. Гипотетические аварии Низкая Высокие При переходе к запроектным авариям анализируются нелинейные закономерности деформирования и разрушения — при этом напряжения становятся менее информативными параметрами, чем деформации. Повреждения от вибраций и усталости переходят в повреждения от малоцикловой усталости. Еще большее возрастание напряжений и деформаций обусловливает переход к гипотетическим авариям и катастрофам. При этом теоретической основой анализа таких ситуаций является статическая и динамическая нелинейная механика разрушения, деградации и катастроф как модельных объектов, так и планетарных систем. Планетарные и глобальные риски создаются преимущественно при сценариях перехода проектных аварийных ситуаций в запроектные и гипотетические. Бурное развитие научно-технического прогресса в гражданском и оборонном комплексах во многих странах мира, особенно в период и после второй мировой войны, привело к существенному разрыву между экспоненциально возрастающими угрозами в природно-техногенной сфере и способностью отдельных стран и мирового сообщества в целом противостоять этим угрозам. Степень защищенности человека, государства, человечества, а также среды обитания и жизнедеятельности от все нарастающих опасностей техногенных катастроф, несмотря на предпринимаемые усилия во всем мире, пока не повышается. В силу целого ряда важнейших политических, социальных, экономических, демографических факторов последнего десятилетия угрозы планетарного и глобального характера в природной, техногенной и социальной сферах в ближайшей перспективе могут стать одними из доминирующих. Техногенные и природные катастрофы в свою очередь способны создавать и усиливать угрозы в указанных выше социально-политической, экономической, демографической и военно-стратегической сферах. Планетарные и глобальные катастрофы могут характеризоваться исключительно высокими градиентами усиления факторов, поражающих население, техносферу и окружающую среду в моменты их бифуркационного возникновения и развития. Времена прямого воздействия поражающих факторов (ядерные взрывы, столкновения с астероидами, цунами) могут измеряться секундами и часами, а их негативные последствия могут проявляться сотни и тысячи лет (ядерная зима, радиационное заражение, эпидемии). Такие же катастрофы могут реализовать ядерные и ракетно-космические технологии и модели позволяют провести построение как сценариев планетарных и глобальных катастроф, так и серии барьеров на путях их развития, получившей название глубокоэшелонированной защиты.ЛитератураБезопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. – М.: МГФ «Знание», 1997-2005, т.т. 1-26.Стратегические риски чрезвычайных ситуаций: оценка и прогноз. // Труды VIII Всероссийской научно-практической конференции.Стратегические риски России: оценка и прогноз. / Под общей редакцией Ю.Л.Воробьева. – М.: Деловой экспресс, 2005. – 385 с.Новая парадигма развития России в XXI веке. Комплексные исследования устойчивого развития. Идеи и результаты». – М.: Academia 2000. – 397 c.С.С.Цыганков, (I-III), Проблемы безопасности космического кораблч «Планета Земля». / Доклад на конференции 22 декабря 2005. – 26 с.Б.В.Замышляев. Проблема астероидной опасности и ее возможные решения. / Доклад на конференции 22 декабря 2005. – 8 с.