Гидрология

Исследования океана

Слово "океан" впервые возникло в греческой мифологии как имя божества величайшей мировой реки, омывающей Землю. Наши предки считали, что за бескрайним водным простором скрывается граница, разделяющая миры жизни и смерти. Его многоликий образ всегда волновал людей искусства. Но раскрывать тайны "сумрачных глубин" суждено ученым.

Об океане как объекте всесторонних исследований, занимающем 70 % поверхности Земли и влияющем на ее жизнь, нашему корреспонденту Евгении Сидоровой рассказал директор Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН академик Роберт Нигматулин.

- Роберт Искандрович, вы с коллегами изучаете таинственный мир, вызывающий известную робость у большинства людей. Он огромен и кажется непостижимым. Недаром выдающийся русский поэт XX в. Владимир Маяковский заметил: "Океан - дело воображения".

- Красивый образ. Можно вспомнить и такие слова Маяковского: "Когда вы находитесь в середине Черного моря или в океане, видимой разницы нет: берегов не видно, волны в океане и в море одинаковые, но ощущение, что впереди Америка, а сзади Европа - это ощущение и есть океан". А если говорить серьезно, океан для человечества - издавна и источник пищи, и важный транспортный путь. Теперь мы стали добывать с его дна все больше полезных ископаемых. Одновременно он - "отец" многих природных катастроф: разрушительных ураганов, цунами. Сказанное - отнюдь не плод воображения и сегодня мы просто обязаны знать об океане как можно больше.

- Круг научных проблем, которыми занимаются специалисты вашего института, очень широк. Можно ли выделить приоритетные направления?

- Наш институт с момента создания в 1945 г. "следует курсом", намеченным постановлением Президиума АН СССР, предписывающим "проведение исследований океана и морей на базе представления о единстве проходящих в морях и океанах физических, химических, биологических и геологических процессов". Конечно, предмет особого интереса специалистов - ресурсы, скрытые на дне Мирового океана (нефть, газ, газогидраты, руды металлов). Для оценки их запасов и рационального использования необходимо обладать разнообразной информацией. Еще одна сложная задача - прогноз землетрясений и цунами. В этом отношении отечественные ученые достигли значительных успехов. Помимо вышеназванных существуют проблемы, связанные с ухудшением экологической ситуации во внутренних морях (влияние видов-вселенцев, загрязнение и т. д.). И наконец, тема первостепенной важности - роль океана в формировании глобального климата планеты.

- Вы упомянули о прогнозировании землетрясений и цунами. Какие методы помогают сегодня предсказать время и место надвигающегося события?

- При прогнозе землетрясений, возникающих, как известно, в местах конвергенции (столкновения) литосферных плит, большую роль играют сейсмические прослушивания в районе предполагаемого события. В случаях, когда относительное движение плит реализуется за счет пластических деформаций разделяющего их пограничного слоя, приборы улавливают интенсивные шумы, однако разрушительных катаклизмов ожидать не приходится. Опасения специалистов вызывает, напротив, "сейсмическое затишье", свидетельствующее о росте и накапливании упругих деформаций (как в сжимаемой пружине), сдвиговых напряжений. Если предел прочности твердой фазы превышен, следует ее разрушение (срыв), и накопившаяся упругая энергия ударно превращается в кинетическую. Последняя при вертикальном смещении дна (подъеме или опускании на несколько десятков сантиметров на довольно большом участке порядка десятка километров) передается воде, и вверх вздымается столб шириной и высотой в несколько километров. Затем зарождаются две расходящиеся волны. При приближении к берегу, где глубины многократно уменьшаются, скорость воды возрастает, достигая 7 - 10 м/с. Это - цунами, способное произвести страшные разрушения: у всех в памяти трагедия на острове Суматра в 2004 г.

Так называемые цунамигенные землетрясения происходят в зонах субдукции, где океаническая плита подвигается под континентальную или островодужную плиту. Ныне налаживается система, позволяющая предупредить о приближающемся событии. Она включает сейсмическое прослушивание и спутниковый контроль возмущений уровня океана. Но наиболее действенны сверхчувствительные датчики, устанавливаемые на дне в районах конвергенции литосферных плит и фиксирующие скачок давления, вызванный изменением высоты воды. Соответствующие записи передаются по кабельной или радиосвязи в аналитический центр, здесь данные анализирует компьютер, а затем следует сигнал опасности.

Но для того, чтобы прогнозировать цунами, необходимо предсказать время, место землетрясения, правильно оценить его энергию и рассчитать ту ее часть, что передастся воде. Эта составляющая зависит от площади подвижек на дне, скорости вертикального удара и величины вертикального смещения. Направление распространения гигантской волны можно выяснить с помощью математического моделирования.

- Примером своевременного прогноза служит работа отечественных океанологов, предсказавших землетрясение 2006 г. в районе Курильской гряды, не так ли?

- Действительно, в ходе многолетних наблюдений российские специалисты выявили в центральном сегменте Курильских островов "сейсмическую брешь", свидетельствующую об аккумуляции упругой энергии. Адекватная механическая модель литосферных плит и распределения механических параметров в зоне субдукции позволила дать среднесрочный прогноз сильного землетрясения, произошедшего 15 ноября 2006 г. Был предсказан и афтершок (повторный сейсмический толчок относительно меньшей интенсивности), обусловленный тем, что надвигающаяся плита после срыва "проскочила" равновесное положение и спустя некоторое время вернулась, создав землетрясение и цунами "с обратным знаком" (в подобных случаях волну прилива сменяет волна отлива и наоборот).

- Актуальность исследований, посвященных новейшим тектоническим движениям, очевидна. Но не менее важно накопление сведений о геологической истории различных районов, например, Центрально-Арктических поднятий. Ученые института работают и в этом направлении. Какие задачи стоят перед вами?

- Сегодня собранные нами данные могут послужить весомым аргументом в решении сложной геополитической проблемы. Речь идет о максимально возможном расширении юридически закрепленной зоны российских экономических интересов на шельфе.

В 1982 г. была принята Конвенция ООН по морскому праву, согласно которой внешние границы экономической территории прибрежных государств проходят в 200 милях от берега. При обширном шельфе эти рубежи можно "отодвинуть" максимум до 350 миль. Однако возможен вариант, позволяющий дополнительно расширить указанную зону: если есть естественное непрерывное продолжение материковой окраины в океан в виде массивных континентальных поднятий, плато и других геотектонических структур, составляющих с ней единое целое на протяжении геологической истории. Такая исключительная ситуация сложилась в центральной части Северного Ледовитого океана, где подводный хребет Ломоносова, поднятия Менделеева и Альфа, а также расположенные между ними котловины Подводников и Макарова можно рассматривать как структуры естественного продолжения Евразийской окраины. Но чтобы получить прямое доказательство этого, необходимо в названном районе провести бурение на глубину в несколько километров, что будет достигнуто не скоро.

Правительство РФ поставило перед РАН задачу проследить геологическую эволюцию структур центральной части Северного Ледовитого океана на основе палеотектонических реконструкций Арктического региона, начиная с девона до современности. Итогом нашей работы должно стать обоснование новой внешней границы континентального шельфа России в Арктике. Головной организацией назначен наш институт, а руководство возложено на вице-президента РАН академика Николая Лаверова и члена-корреспондента РАН Леонида Лобковского.

- Право разрабатывать минерально-сырьевые ресурсы внутренних частей Арктического бассейна за пределами современного континентального шельфа стремятся получить многие государства. Насколько велики запасы полезных ископаемых в этой зоне?

- По оценкам около 20% мировых запасов нефти и газа сосредоточены на континентальном шельфе и склонах арктических морей. Вообще же следует иметь в виду, что в океане ежегодно образуется около 60 Гт (Гт = 1 млрд. т) органического углерода (как и на суше), но в виде осадка на дне оседает лишь 0,3 Гт/год (99 % на шельфе, материковых склонах, подножиях). В этих формировавшихся на протяжении миллионов лет отложениях содержатся нефть и газ, мировая добыча которых составляет соответственно 4 и 2 Гт/год.

- Получается, что количество вновь образуемого углерода и изымаемого за тот же срок человеком сопоставимо? Расскажите, пожалуйста, о современных исследованиях, посвященных циклу углерода.

- Один из предметов изучения океана - распространение взвешенного вещества, фитопланктона (хлорофилла и первичной биологической продукции) и зоопланктона (вторичной продукции). Определить их количества в поверхностных водах можно посредством оптических измерений с космических спутников, а на глубинах - с помощью зондов, пробоотборников и ловушек.

Распределение взвеси, фитопланктона и зоопланктона в океане очень неоднородно, цифры порой разнятся на порядки. Так, в приконтинентальных водах концентрации высоки, а в зонах, удаленных от материков и островов, - на порядок меньше. Согласно теории академика Александра Лисицына (1994 г.), в первом случае частицы органических и неорганических веществ прибывают с речным стоком и попадают в своего рода фильтр, осаждающий и перерабатывающий взвесь. В открытом же океане превалирует эоловый путь их доставки, причем часть влекомой воздушными потоками пыли из африканских пустынь, не осевшая в Атлантике, долетает до Южной Америки. Привнесенные частицы на дне океана сохраняют информацию о процессах, протекавших тысячи и миллионы лет тому назад.

Океан и моря по сути - биохимические реакторы, в которых за счет фотосинтеза производятся новые поколения фитопланктона, цепь разных его видов. По оценкам специалистов нашего института докторов геолого-минералогических наук Валерия Пересыпкина, Евгения Романкевича и Александра Ветрова, годичная производительность первичной продукции в пересчете на массу органического углерода составляет около 60 Гт/год. В дополнение к этому около 1 Гт/ год поставляет донная флора.

Поверхностный слой воды в океане, в котором имеется достаточно света для фотосинтеза
Поверхностный слой воды в океане, в котором имеется достаточно света для фотосинтеза

Фитопланктон - еда для растительноядного зоопланктона, за год производящего 6 Гт углерода, в свою очередь являющегося "строительным материалом" для более крупных представителей животного мира, стоящих на более высокой ступени пищевой цепи и составляющих "пирамиду масс". Основная часть органического вещества минерализуется в толще воды до CO2, и лишь 0,3 Гт углерода в год накапливается.

Весь этот круговорот идет очень быстро, за год океан "переваривает" органического вещества намного больше, нежели "сохраняет" в различных формах. И вот тому подтверждение. Наши специалисты подсчитали: масса углерода фитопланктона в целом не превышает 0,4 Гт, донной фауны - 0,6, бактерий - 0,3, зоопланктона - 0,4, донной флоры - 0,1 Гт (разумеется, их полные сырые массы примерно в 20 раз больше). Во взвешенном состоянии океан "несет" 50 Гт углерода, в растворенном же виде - 1000 Гт, из них в составе углекислого газа - 100 Гт, что в 50 раз больше, чем в атмосфере. При этом отмечу: ученые постоянно уточняют приведенные цифры. Неоднозначность существующих оценок связана с изменчивостью биологической продуктивности океана, в том числе первичной. Распределение концентраций различных взвесей, биогенных элементов, как отмечено выше, часто имеет узкие градиентные зоны или пики (фронты): здесь в содержании веществ возникают "всплески", на порядки превышающие фоновые показатели.

- Чем обусловлено это явление?

- Данный феномен возникает как во времени, так и в пространстве. Обычно аномальные пики связаны с сезонными процессами в морских экосистемах или с апвеллингами - восходящими течениями, возникающими, в частности, из-за профиля дна. Последние поставляют в фотический слой биогенные элементы из глубинных вод - углерод, азот и фосфор, являющиеся субстратом для новой продукции зоо- и бактериопланктона. Я хотел бы еще отметить: в океане и на суше образуются примерно равные количества органического углерода - около 60 Гт/год.

- Очевидно, тут учтен и "вклад" углеводородов, в частности, метана?

- Согласно исследованиям академика Михаила Иванова из Института микробиологии им. С. Н. Виноградского РАН и сотрудницы нашего института доктора геолого-минералогических наук Аллы Леин, на шельфе образуется 0,015 Гт/год биогенного метана и 0,005 Гт/год "поставляют" организмы, обитающие в верхнем слое океана. Почти весь этот газ (0,02 Гт) попадает в атмосферу в отличие от "съедаемого" морскими микроорганизмами абиогенного СН4, поднимающегося из грязевых вулканов, осадочных слоев континентальных склонов, глубин земли. Метан плохо растворяется в воде, поэтому его масса в океане составляет всего 0,05 Гт, а в атмосфере - 5 Гг.

Большое количество данного углеводорода находится в океане в виде газогидрата - твердого клатратного раствора в воде - и остается в таком агрегатном состоянии при высоких (более 25 бар) давлениях и положительных температурах (6°C при 40 бар и до 20°C при 250 бар). Один кубометр этого подобного льду вещества содержит массу CH4, занимающую при нормальных условиях (1 бар и 20°C) 160 м. По некоторым оценкам более половины органического углерода на нашей планете заключено в метановых газогидратах.

Клатратные соединения
Клатратные соединения - вещества, занимающие промежуточное положение между твердыми растворами и истинными химическими соединениями

- Действительно, колоссальные запасы! По мнению многих экспертов, в недалеком будущем человечество займется разработкой этих ресурсов.

- Разработка газогидратов - гигантская задача, таящая помимо технологических проблем глобальную экологическую опасность. Ведь если большие массы метана будут высвобождаться из твердой фазы, минуя системы сбора, это изменит состав атмосферы и увеличит поглощение солнечной энергии, что серьезно повлияет на климат.

- Ваше замечание очень важно, ведь о проблемах добычи газогидратов информации очень мало. В продолжение темы ресурсного потенциала океана: существуют ли на его дне рудные месторождения, интересные в хозяйственном отношении?

- В некоторых местах на глубинах 4 - 5 км дно океана покрыто корками или "булыжниками" (10 - 50 см), содержащими огромные массы металлов. Такие образования называются конкрециями. Эти рудные отложения состоят из железомарганцевых оксигидроксидов. Их изучают доктора геолого-минералогических наук Глеб Батурин и Александр Дубинин с коллегами. Известно, что конкреции "питаются" и за счет иловых вод. Ареалы распространения месторождений в пелагиали океанов совпадают с областями минимальных скоростей осадконакопления, а значит, их формирование не связано с потоком литогенного и биогенного вещества на дно.

Медленнорастущие конкреции расположены на удалении от континентов в пелагических котловинах на глубинах 4000 - 6000 м. Их запасы специалисты оценивают в 100 - 1500 Гт. Помимо марганца и железа, они обогащены церием, торием, таллием, молибденом, медью, никелем, платиной, цинком, свинцом. Здесь сосредоточена основная масса кобальта на Земле. Кроме этого ценнейшего элемента, в будущем из конкреций будут, видимо, добывать марганец, платину и другие металлы.

В Тихом океане основные рудные месторождения расположены в Северо-восточной котловине (район разломов Кларион-Клиппертон), Северо-западной (юго-западнее Гавайских островов), Южной и Гватемальской котловинах. В Атлантическом океане наиболее продуктивные поля конкреций известны в Капской, Североамериканской и Канарской котловинах. Найдены ценные участки и в котловинах Индийского океана. На шельфе залежи конкреций изучены в Балтийском море (Финский, Рижский и Ботнический заливы) и в Белом море. В 2006 г. в России, испытывающей дефицит марганцевых руд, со дна Финского залива поднято 7000 т этого сырья, за то же время на суше добыто только 5000 т.

Главная особенность описанных железомарганцевых конкреций в том, что это - возобновляемый ресурс, ибо в океане их образование продолжается и в настоящее время в отличие от "законсервированных" сухопутных залежей, сформировавшихся в прошлые геологические эпохи.

- Для науки важны явления, унаследованные от минувших геологических эпох, когда условия жизни на Земле существенно отличались от современных. В частности, иным был климат, а человечество чрезвычайно волнует, в чем причины его изменения? Вероятно, ответить на этот вопрос невозможно без учета влияния океана.

- Изменение климата, влияние на него антропогенных факторов сегодня действительно самая обсуждаемая природная проблема. График колебаний глобальной температуры атмосферы на поверхности Земли (равной среднеарифметической величине измеренных температур воздуха на многих тысячах метеорологических станций планеты) показывает: в течение XX в. имело место потепление (0,75°C за 100 лет), усилившееся с 1950 г. и за последние 50 лет составившее 0,5°C (скорость роста ? 10 - 2°C/год). Данный процесс имеет различные последствия. В частности, повышается уровень Мирового океана, сокращается площадь ледового покрова Арктики. Однако для того, чтобы правильно оценить происходящее, необходимо учитывать различные природные факторы и, конечно, взаимодействие океана и атмосферы.

Содержание в последней так называемых парниковых газов (H2O, CO2, CH4), способствующих поглощению солнечной энергии, в значительной степени определяется процессами, протекающими в Мировом океане. В одних районах он поглощает тепло из атмосферы, в других, наоборот, греет ее, и, как показывают исследования доктора физико-математических наук Сергея Гулева, эта зональность, как и потоки энергии, меняется во времени в соответствии с суточными и сезонными колебаниями температуры. Испарение с поверхности океана составляет в среднем около 70 см/год, но в некоторых регионах оно близко к нулю, а в тропических областях достигает 250 см/год.

В океане содержится в 50 раз больше углекислого газа, чем на суше, и значит, небольшие колебания в его "дыхании" могут драматически менять ситуацию. Между тем поглощение (выделение) им CO2 меняется от района к району в диапазоне ± 100 т/км год. В средних и субполярных широтах он в основном "изымает" CO2 из атмосферы, в тропических - "возвращает". Иными словами, тепло- и массообмен океана и атмосферы изменчивы во времени и пространстве.

Далее. Член-корреспондент Сергей Лаппо в начале 1980-х годов предложил трехмерную модель глобальной циркуляции в океане холодных и нагретых вод. В основном это медленное течение - 1 см/с (для сравнения: в Гольфстриме средняя скорость 20 см/с), но охватывающее огромные пространства. В верхних слоях движется теплая вода, а на глубинах - относительно холодный компенсационный противоположно направленный поток. Эта сложная система, иногда называемая "ремнем", объединяет океаны и играет важную роль в переносе массы и тепла на планете. Так, поверхностные течения Северной Атлантики (прежде всего Гольфстрим) в значительной степени определяют климат в Западной Европе и Скандинавии, делая его более мягким по сравнению с континентальными районами: например, зима в Стокгольме теплее, чем в Киеве.

Расход воды в Гольфстриме при выходе из Флоридского пролива равен 25 - 30 Св (сведрупам), при отрыве от мыса Гаттерас - до 80 Св, а в потоке, направленном с запада на восток (из Тихого океана в Атлантический через пролив Дрейка, отделяющий Южную Америку от Антарктиды) в среднем 120 - 160 Св. В основном течение идет в западном направлении - из Пацифики в Атлантику. Но, оказывается, есть зоны, где движение ориентировано противоположно основному - по-видимому, вследствие циркуляции, определяемых рельефом дна. Иными словами, гидродинамика океана чрезвычайно сложна. Иллюстрацией тому служит канал Вима в районе, примыкающем с востока к Бразилии.

сведруп - принятая в океанологии единица расхода океанской воды
1 сведруп = 106 м3/с; принятая в океанологии единица расхода океанской воды

Этот канал шириной 20 и протяженностью 700 м пересекает с юга на север подводную возвышенность Рио-Гранде, поднимающуюся на 500 м над дном океана, а его глубина здесь 4700 м. Проведенные исследования во главе с доктором физико-математических наук Евгением Морозовым, показали: в поверхностных водах над каналом Вима (до глубин 300 м) время от времени проходят синоптические вихри, которые и определяют направление течения. Последнее может быть любым, но в среднем имеется слабый поток на юг (1 -2 см/с) за счет большого антициклонического круговорота. Ниже (300 - 1200 м) воды движутся на север со скоростями = 2 см/с. Глубинные слои (1200 - 3700 м) направляются вновь на юг со скоростью = 5 см/с. И, наконец, около самого дна (3700 - 4700 м) струи холодной (менее 2°C) воды стремятся на север. В канале на глубине 4200 - 4700 м скорость течения составляет = 30 см/с, и в итоге сквозь чрезвычайно узкий (по сравнению с расстоянием между Южной Америкой и Африкой) коридор проходит около 70 % холодной и плотной донной воды Мирового океана.

Одна из важнейших проблем климатологии: затрагивает ли современное потепление климата эти глубинные слои? Ведь они могут стать основным долговременным стоком тепла из атмосферы, ибо масса океана в 1000 раз, а теплоемкость в 3500 раз выше. В последние 50 лет мы фиксируем: его воды монотонно прогреваются. Со скоростью 3 мм в год повышается и уровень Мирового океана, что на 50 % обусловлено поступлением в него масс материкового льда, а на другие 50 % - тепловым расширением воды. И это очень волнует островные государства.

- О таянии полярных льдов с тревогой говорили на Международной конференции ООН по проблеме глобального потепления климата, прошедшей в столице Дании с 7 по 18 декабря 2009 г. Эти явления многие специалисты связывают с вмешательством человека в природные процессы. Вы согласны с такой точкой зрения?

- Трудно однозначно ответить на данный вопрос, ибо мы располагаем противоречивыми фактами, для их оценки требуется серьезный анализ. Действительно, сегодня даже в Арктике образуются полыньи - подобного никто не мог представить себе всего несколько десятков лет назад. С 1980 по 2007 г. площадь ледового покрова сократилась с 8 до 4,5 млн. км (правда, последние два года она возрастала и в 2009 г. достигла 5,5 млн. км ). Если же заглянуть в геологическую историю, то 25 тыс. лет назад уровень океана был на 120 м ниже, чем сейчас, и на протяжении 15 тыс. лет рос со скоростью 8 - 10 мм/год в отсутствие антропогенного фактора.

Многие специалисты полагают (и приводят в доказательство теоретические расчеты): антропогенная эмиссия CO2, метана и пыли на данном этапе уже может влиять на глобальную экосистему Земли, тем более на фоне вырубки лесов, зеленая масса которых способна "перерабатывать" двуокись углерода. Логика ученых такова. Известно, что стабильность состава атмосферы обеспечена сбалансированностью природных потоков. Малый рост концентрации CO2 приводит к столь же небольшому увеличению температуры воздуха. Но вследствие этого усиливается испарение воды, в приземном слое возрастает концентрация водяного пара, и со скоростью порядка = 10 - 2°C/год поднимается температура, создавая уже гораздо более заметный эффект. Исследования академика Георгия Голицына и члена-корреспондента РАН Игоря Мохова из Института физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН показали: с нагреванием воздуха в приземном слое примерно на ГС одновременно на 40°C понизилась температура в мезопаузе на высоте 70 - 80 км.

Мы знаем: концентрация CO2 неуклонно росла на протяжении последних 250 лет. Однако установлено также, что 60 - 70 млн. лет назад она была вдвое выше, чем сейчас (700 ррт), а средняя температура на дне океана составляла 10°C, тогда как ныне данный показатель -2-+2°C. И это - в отсутствие антропогенного фактора.

И еще. За последние 700 тыс. лет в содержании CO2 наблюдались квазипериодические колебания с циклом, равным примерно 100 тыс. лет (что установлено при измерении концентрации газа в воздушных пузырьках, запечатанных в ледовых кернах, отобранных в Антарктиде с разных глубин) и обусловленным прецессией оси вращения Земли. На рассматриваемом временном отрезке (700 тыс. лет) концентрации углекислого газа каждые 50 тыс. лет менялись от 190 до 290 ррт, однако ни в одном из крохотных "свидетелей" былого состава атмосферы не отмечено нынешних 370 ррт. То есть за последние 100 лет имел место дополнительный рост содержания углекислоты с 290 до 370 ррт. Напомню: наступление ледниковых эпох на Земле совпадало с уменьшением содержания CO2 в атмосфере, а потепление - с ростом.

Вместе с тем, по данным члена-корреспондента Виктора Неймана и доктора физико-математических наук Владимира Бышева из нашего института, в ряде крупных регионов Земли в последнее десятилетие появились зоны, где изменения температуры и давления противоположны общей тенденции к потеплению.

- Какие природные механизмы периодических изменений климата планеты наиболее весомы?

Большое значение имеют 11 -летние циклы солнечной активности. Серьезную роль играют 60-летние циклы, связанные с влиянием больших планет (Нептуна и Юпитера): оно проявляется в изменении среднегодового расстояния Земли от Солнца и, соответственно, количества поступающей к нам энергии светила. К такому заключению пришли директор Арктического и антарктического научно-исследовательского института (Санкт-Петербург), доктор географических наук Иван Фролов с коллегами и доктор физико-математических наук Олег Сорохтин из нашего института. Кроме того, вследствие вулканической активности с выбросами твердых микрочастиц и различных газов на время (от нескольких месяцев до нескольких лет) иными становятся отражение солнечного излучения и поглощение тепла.

- Различные климатообразующие факторы, антропогенный в том числе, действуют одновременно. Можно ли учесть вклад каждого из них и прогнозировать суммарный эффект?

Тут нам помогает математическое моделирование с привлечением совместной системы уравнений гидродинамики, тепло- и массопереноса, физико-химических процессов в океане и атмосфере с учетом их взаимодействий с сушей и периодичности солнечной активности.

Моделируя климатические процессы, специалисты берут за основу трехмерные дифференциальные уравнения Рейнольдса (Навье-Стокса) с учетом сил тяжести Кориолиса. Для включения в вычисления параметров теплообмена и трения между воздухом и жидкостью, воздухом и твердой фазой мы используем эмпирические формулы, принимая во внимание реальную топографию дна и суши. В настоящее время для выполнения конечной задачи вся поверхность планеты делится на десятки миллионов ячеек размером 10 - 100 км по горизонтали и около 0,1 - 1 км по вертикали, и на этой трехмерной сетке, охватывающей определенный объем атмосферы, мы ищем решения упомянутых уравнений с помощью численных кодов для суперкомпьютеров. Чем мельче ячейки, тем более мощная техника требуется для считывания информации, тем она точнее.

Уравнения Рейнольдса
Уравнения Рейнольдса описывают осредненное по времени течение жидкости. Их особенность (по сравнению с исходными уравнениями Навье-Стокса) заключается во введении новых неизвестных функций, характеризующих кажущиеся турбулентные напряжения. По Рейнольдсу, случайно изменяющиеся характеристики потока (скорость, давление, плотность) заменяют суммами осредненных и пульсационных составляющих.

Сила Кориолиса
Сила Кориолиса - сила инерции, действием которой наблюдатель во вращающейся системе координат (на поверхности планеты) объясняет отклонение движения объектов от прямолинейной траектории. Названа в честь впервые описавшего этот эффект французского физика Гаспара Кориолиса. Она определяет направление вращения вихрей циклонов: воздушные массы, прямолинейно стремящиеся из областей высокого в области пониженного атмосферного давления, закручиваются по спирали.

Первоначально перед учеными стояла задача рассчитать изменения суточных и сезонных изменений различных климатических показателей с шагом в 10 мин. Параметры, определяющие коэффициенты переноса и взаимодействия фаз (океан, суша, атмосфера), подбирали в соответствии с известной историей изменения средних температур, давлений, осадков. На втором этапе работы был получен прогноз эволюции климата при разных сценариях антропогенной эмиссии CO2. Согласно данной модели нас ждет потепление: к 2030 г. глобальная температура повысится на 1°C, к 2100 г. - на 2 - 4°C (в зависимости от темпа роста поступления CO2 в атмосферу), максимальный ее рост ожидается на суше и в высоких широтах (в Арктике на 2°C к 2030 г. и на 7,5°C к 2100 г.). Те же расчеты показывают увеличение количества осадков в высоких широтах и уменьшение в субтропиках.

Через несколько лет можно будет формально повысить точность вычислений, ибо возникнут компьютеры, способные осваивать более детальные сетки с миллиардами ячеек размером 1 - 10 км по горизонтали и 10 - 100 м по вертикали. Однако достоверность полученных результатов существенно не изменится. Дело в том, что ныне недостаточно обоснованы баланс и круговорот CO2 в природе, в частности увеличение его переработки зеленой массой океана и суши с ростом температуры. Кроме того, введение пусть даже в 10 раз более детальной сетки (10 км x 10 км x 100 м) не позволит учесть наличие влияющих на перенос тепла тонких градиентных зон, которых много в океане. Адля 10-кратного укрупнения масштаба потребуется 1000-кратное увеличение объема расчетов, применение фантастического суперкомпьютера. С задачей можно справиться, лишь научившись выделять и разрешать "сингулярности" в океане, явно учитывать энергию мезомасштабных течений, которые можно рассматривать как крупномасштабную "турбулентность". Последняя имеет разные горизонтальные и вертикальные размеры и сильно влияет на тепло- и массообмен океана и атмосферы.

Наконец, для большей достоверности результатов необходима существенная математическая модернизация. Ведь интенсивность роста глобальной температуры (1°C за десятки лет, или 10 - 4°C/сут) ничтожна по сравнению с интенсивностью суточных (до 10°C/сут) и сезонных (10 - 1°C/сут) температур. Описанные выше расчеты проводят с малым интервалом (?t = 10 мин). Прогноз же на 30 лет потребует несколько миллионов таких временных "шагов", что приведет к накоплению погрешности, да и работа затянется чересчур надолго. Для решения данной проблемы следует использовать метод усреднения академика Николая Боголюбова.

- Со временем мы узнаем, какие из нынешних прогнозов (глобального потепления или похолодания) верны. И когда человечество столкнется с реальными переменами, чем поможет наука?

Наука должна содействовать адаптации общества к меняющейся климатической ситуации, будь это потепление или похолодание. Ибо даже незначительные температурные варьирования повлияют на природный круговорот веществ, на биологические системы, в том числе на жизнедеятельность болезнетворных микроорганизмов, потребуют проведения особых мер в районах вечной мерзлоты. Понадобятся и новые подходы к энергопотреблению. Кстати, ныне наша страна тратит индустриальной энергии (в нефтяном эквиваленте) 2 т на душу населения, что значительно меньше европейского и американского показателей, составляющих соответственно 4 - 4,3 и 8,7 т.

Для профессионалов самое главное накапливать знания о жизни нашей планеты и, в частности, о взаимодействии океана и атмосферы - без этой основы любые, самые дорогостоящие практические мероприятия обернутся полным фиаско.

 

 


Академик Роберт НИГМАТУЛИН, директор Института океанологии им, П. П. Ширшова РАН

Магазин Чайные традиции - http://teatraditions.ru/stm/logotip/. Чай с нанесением логотипа.
Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD