Практически все осадки на Земле - океанская влага, которая, испарившись и затем сконденсировавшись, выпадает на планету дождем, снегом, градом, питает реки и озера. Люди выводят стоки своих поселений и предприятий в моря, надеясь, что вода растворит и унесет ненужное. Но на акватории двух третей поверхности нашей маленькой планеты уже плавают мусорные острова, рыба, накормленная пластиком, попадает к нам на стол. Учащающиеся засухи и наводнения, возрастание мощи тропических циклонов также связаны с процессами, происходящими в океане. Источник минеральных, энергетических и пищевых ресурсов, самый активный участник круговорота химических элементов, важнейшее звено транспортной системы - все это Мировой океан.

Внести ясность в понимание роли океана в жизни планеты взялся Институт океанологии имени П.П.Ширшова РАН, выполняя комплексную научно-исследовательскую программу “Мировой океан в ХХI веке: климат, экосистемы, ресурсы, катастрофы”, поддержанную грантом Российского научного фонда. О том, как продвигается реализация программы, нашему корреспонденту рассказали сотрудники института.

Кто раскачивает погоду?

У программы - пять направлений. О том, что носит название “Климат Мирового океана, его изменения и роль океана в климатической изменчивости Земли” я намеревался расспросить у его руководителя членкора РАН Сергея Гулева, но он, как обычно, был в командировке. Выручила старший научный сотрудник лаборатории взаимодействия океана и атмосферы и мониторинга климатических изменений, кандидат географических наук Ольга Разоренова, работающая в этом институте больше 20 лет.

- С одной стороны, мы проводим изучение и количественное описание климатической изменчивости процессов в океане, прежде всего в Северной Атлантике, - рассказала она. - А с другой, - рассматриваем влияние океана на атмосферные явления в Северном полушарии. Сейчас мы живем в эпоху преобладания меридиональных форм циркуляции атмосферы.

- Меридиональных форм?

- Да. Колебания погоды, которые наблюдаются в течение последних десятилетий, можно сравнить с качелями. Мы то взмываем вверх - давление растет, господствуют антициклоны, изнываем от стужи или жары (яркий пример - лето 2010 года) - то летим вниз - давление падает, царят глубокие циклоны, нас заливает дождем или засыпает снегом (весна и большая часть лета 2017-го). Какова роль Мирового океана в этом “аттракционе”? Стремится он раскачать нас сильнее или вернуть в состояние, пусть шаткого, но равновесия? Кроме того, одна из проблем, которую мы исследуем, - влияние климатической изменчивости в Северной Атлантике на предсказуемость климата континентов Северного полушария.

По словам Ольги Анатольевны, предсказуемость климатических изменений - ключевая проблема физических наук о Земле. Рост частоты и магнитуд экстремальных погодных аномалий, провоцирующих природные катастрофы, обостряющийся дефицит пресной воды и нехватка продовольствия - лишь некоторые примеры воздействия климата на население и мировую экономику. И здесь очень важно грамотно учитывать роль океана в формировании механизмов климатической изменчивости.

- Когда люди говорят о предсказуемости климата, то чаще всего имеют в виду прогноз интересующей их погоды. Это - предсказуемость так называемого первого типа: прогноз процессов синоптического масштаба, его временные рамки - до пары недель - объяснила О.Разоренова. - Предсказуемость второго типа предполагает климатические изменения в масштабах десятилетий, а то и ряда столетий. Здесь легко столкнуться с парадоксом предсказуемости: прогноз климата на столетие порой оказывается более точным, чем на десятилетие. Именно в рамках десятилетий роль океана сравнима с величиной антропогенного воздействия, что делает климатический прогноз на этот срок трудным делом. Для успешного решения задачи предсказуемости необходимо совместное и взаимосвязанное рассмотрение трех главных компонентов изменений климата океана: циркуляции водных масс и их теплосодержания, взаимодействия океана и атмосферы, влияния океана на циркуляцию атмосферы и климат континентов.

- В нашем проекте при моделировании климата мы разделяем - как в атмосфере, так и в океане - внешний сигнал (возможно, связанный с антропогенным влиянием) и собственную изменчивость. Это позволяет количественно охарактеризовать циркуляционные режимы как в атмосфере, так и в воде. Причем моделирование откликов атмосферы на перемену параметров океана, прежде всего тепловых потоков на поверхности океана, впервые будет выполнено на периоды большие, чем столетие.

- Будет или уже сделано?

- В ИО РАН созданы долговременные ряды характеристик основных водных масс и расходов тепла и вод вдоль 60-го градуса северной широты за период с 1991-го по 2014 годы. Описана их изменчивость на границе Атлантики и Арктики, связь с процессами взаимодействия океана и атмосферы на масштабах от межгодового до тысячелетнего циклов. Для этого были применены палео-океанологические реконструкции. Полученные результаты изменили традиционные представления о роли Гренландского и Норвежского морей в генерации глубоководной изменчивости на севере Атлантического океана. Ранее считалось, что температура, соленость и интенсивность циркуляции глубинных вод зависят от объемов и термохалинных характеристик плотных арктических вод, поступающих в Атлантику. Мы утверждаем, что многолетние глубоководные изменения на севере Атлантики обусловлены, прежде всего, региональными факторами, а именно интенсивностью конвекции вод в Субполярном круговороте и зональной протяженностью круговорота. В субарктической Атлантике приходящие из субтропиков поверхностные воды, отдавая тепло атмосфере, остывают, опускаются ниже, уплотняются и формируют движущийся к экватору поток холодных глубинных вод. С этим связан и трансфер тепла на север, сопоставимый с переносом тепла в атмосфере, - своего рода “глобальный океанский конвейер”. Нами установлена роль трех направлений Североатлантического течения в циркуляции вод в этом регионе. Подтверждено, что море Ирмингера, что возле Гренландии, - ключевая зона формирования потоков нижнего звена Меридиональной термохалинной циркуляции вод Северной Атлантики. Выполненные нами на различных масштабах модельные эксперименты позволили установить многие важные механизмы климатической изменчивости океана.

Геологическая трубка большого диаметра для исследования геологических осадков

- Какие?

- Мы составили уникальную базу данных параметров приводного слоя атмосферы и характеристик поверхности океана на акватории Северной Атлантики (период с 1870-го по 2014 годы). То есть получили оценки компонентов тепловых потоков энергии на поверхности океана за полтора последних века и проанализировали их изменчивость. Исследования показали, что теплоотдача субполярной Атлантики в последние десятилетия усилилась. Кроме того, участниками программы создан не имеющий аналогов цифровой архив характеристик циклонической активности за тот же период и проанализирована междекадная динамика характеристик жизненного цикла циклонов. Важным оказалось выявление несоответствия друг другу временной динамики потоков явного и скрытого тепла в модельных расчетах, и теперь мы готовим эксперименты для физического объяснения этого феномена.

- А почему это важно?

- Модельные эксперименты помогают выявить и проверить роль океана в колебаниях климата на междекадных масштабах. Плюс, работая с моделями “океан - атмосфера”, мы убедились в определяющей роли океана при формировании изменчивости климата на масштабах десятилетий.

Гидросфера едина

- Исследованиям внутренних и окраинных морей, тех, чье существование интенсивно связано с сушей, решено было посвятить отдельное направление программы, - говорит и.о. заместителя директора ИО РАН по физическому направлению член-корреспондент РАН Петр Завьялов. - Во-первых, потому, что они особенно значимы для человека. И, во-вторых, потому, что многие природные процессы в них протекают иначе, чем в океане. К этому же направлению относится изучение прибрежной зоны, морских берегов и даже некоторых водоемов суши. Гидросфера едина: было бы неверным оставить без внимания важные объекты только потому, что у них формально нет связи с Мировым океаном.

- Как организована работа, Петр Олегович?

- Мы ведем ее по взаимосвязанным тематическим блокам: “Натурные данные”, “Численное моделирование”, “Дистанционное зондирование” и др. Общий размер финансирования нашего направления - около 30 миллионов рублей в год. Значительную часть этих средств мы тратим на экспедиции, которые ежегодно осуществляются в разные районы Черного, Балтийского, Карского, Каспийского, Белого, Аральского морей, а также озер Иссык-Куль и Байкал. В результате этих экспедиций мы приходим к выводу, что наблюдаемые сегодня изменения климата, а также другие последствия антропогенного давления на окружающую среду проявляются во внутренних и окраинных морях сильнее, чем в целом по Мировому океану. Это относится и к аккумуляции загрязнений в биоте и морской среде, а также к разным формам антропогенной нагрузки на биологические сообщества. Глубина и скорость происходящих процессов заставляют проводить мониторинг морей и их берегов постоянно.

Океанографический комплекс для зондирования толщи океана

- Сколько ученых участвует в таких исследованиях?

- Численность занятых в этих работах меняется в течение сезонов и от года к году. В среднем коллектив состоит из 50 человек, треть из них - молодые ученые, как того требуют условия гранта.

- Как работается с РНФ?

- На мой взгляд, деятельность фонда максимально приближена к лучшим мировым образцам и к тому, как это должно быть. Если и существуют какие-либо проблемы, то они связаны не с фондом, а с нелепостями нашего законодательства и делопроизводства.

- Планируете продолжить работы по окончании программы?

- В каком-то виде - однозначно, но ширину и глубину дальнейших исследований определит наличие их финансирования в будущем.

Разговор с руководителем программы академиком РАН Робертом Нигматулиным тоже начался с обсуждения проблем внутренних морей. По мнению Роберта Искандровича, именно в них и прибрежных акваториях наиболее сильно проявляются климатические изменения и самые опасные природные катастрофы, несущие угрозу населению и береговой инфраструктуре. Сюда добавляются последствия штормов, подъема уровня морей. Это приводит к гибели судов, нефтяных платформ, наносит урон береговым сооружениям. Землетрясения и подводные оползни в океане тоже чреваты природными бедами, прежде всего, цунами. Изучение механизмов таких катастроф в этой программе является совместной задачей физиков и геологов.

- Экосистемы прибрежной зоны и внутренних морей существенно отличаются от экосистем открытого океана, они подвержены наиболее сильным и быстрым изменениям, - рассказал академик. - Причина? Антропогенная нагрузка на океан: век от века она растет. За ХХ столетие неконтролируемый промысел в океанических водах катастрофически истощил запасы многих видов рыб. На шельфе российских арктических морей, в узкоприбрежной зоне, динамично развивается газонефтедобыча, и как раз в этой зоне наиболее заметны климатические перемены. На эту территорию приходится и наибольшее антропогенное воздействие, оказываемое стоком крупнейших сибирских рек. Но, как известно, важнейшие стратегические запасы твердого минерального сырья таятся не только на шельфе, но и в океаническом дне. В поле зрения добывающих компаний - три вида глубоководных ресурсов: железомарганцевые конкреции на ложе океана, гидротермальные полиметаллические сульфиды в срединно-океанических хребтах и кобальт-никелевые руды подводных гор. При этом в международной практике отсутствует опыт океанической добычи твердых полезных ископаемых. Благодаря гранту РНФ мы подготовили рекомендации по контролю и снижению техногенного воздействия на глубоководные экосистемы океана. Их выполнение обеспечит России лидерство в решении экологических проблем, связанных с освоением океанических ресурсов.

Ловушка для сбора осадочного материала и взвесей

Драматическая малость

- А если вернуться к климату, что вы думаете о глобальном потеплении, Роберт Искандрович?

- Идут споры о том, вызвано ли оно индустриальными факторами или это результат комплексного воздействия нескольких факторов, в том числе и антропогенного. По мнению многих ученых, повышение средней температуры воздуха в Северном полушарии провоцируется интенсивной хозяйственной деятельностью человека. Я думаю, что современные и будущие изменения климата в значительной части обусловлены ростом содержания парниковых газов в атмосфере, в первую очередь, СО₂, а с ним и водяного пара, ведь 72% поверхности Земли покрыты океанской водой, а это может привести к увеличению облачности и остановить потепление. Кроме того, океан поглощает углекислоту - в частности, в высоких широтах Северного и Южного полушарий - и потом может отдавать ее в атмосферу в тропиках. В то же время поглощение океаном СО₂, которого все больше из-за индустриальной деятельности людей, приводит к закислению толщи вод, что, в свою очередь, способно существенно влиять на всю экосистему океана. И тут надо опереться на палеоклиматические данные, получаемые в результате геологических исследований. Они позволяют оценить прошлые изменения климата и, следовательно, понять механизмы его трансформаций в настоящем и будущем. Хотя эти изменения с физической точки зрения небольшие (например, потепление составляет 1-2 градуса за сто лет), их трудно рассчитать, но именно они способны сильно влиять на биоту (в том числе на жизнь бактерий и вирусов) и тем самым на человека. Физическая малость изменений и ее существенное влияние на жизнь - драма биологических объектов нашей планеты, которая становится видна на климатическом фоне Земли.

- Что изменил грант РНФ в работе института?

- Самое важное, что он позволил создать научную и технологическую инфраструктуру для построения полной системы знаний о процессах, происходящих в Мировом океане. Ведь они определяют его важнейшие функции как регулятора климата, как среды обитания морских экосистем, как источника пищевых и минеральных ресурсов, а также зоны возникновения потенциально опасных явлений и природных катастроф. Работая по гранту РНФ, мы лучше поняли основные механизмы взаимодействия геосфер, построили долгосрочные сценарии их развития и разработали рекомендации по оптимальной и безопасной стратегии освоения океана в будущем. Кстати, Институт океанологии имени П.П.Ширшова РАН - одна из немногих научных организаций мира, реализующих именно такой комплексный подход к исследованию Мирового океана. Плюс ИО РАН располагает опытом разработки современных технических средств изучения океана - кроме судов для этой цели нужны уникальные обитаемые и роботизированные подводные аппараты, зондирующая аппаратура, лабораторные и бортовые анализаторы, системы приема и обработки спутниковой информации.

- А можно конкретнее про инфраструктуру? В чем новизна?

- Внушительные средства гранта - 670 млн рублей за пять лет - в значительной степени потрачены на расширение приборно-экспериментальной базы института. Удалось существенно обновить парк океанографического и метеорологического оборудования для экспедиционных работ. Сегодня для проведения геологических исследований мы располагаем комплексными измерительными автономными системами, современными донными сейсмографами, с помощью которых ведется мониторинг микросейсмичности российского шельфа. Приобретенные на средства гранта мобильные лучевые профилографы и глубоководные эхолот-профилографы позволяют детально картировать океанское дно - вплоть до изменений рельефа осадочной толщи. Такое высокоточное оборудование помогло нам поменять концепцию экспедиционной деятельности нашего института и вести комплексные исследования в интересах исполнителей сразу всех направлений программы. Мы осуществили, начиная с 2014 года, 15 комплексных морских экспедиций в Северную и Южную Атлантику и моря Арктического бассейна. В институте появилась инновационная передвижная гидрологическая лаборатория, которая существенно повысила результативность наших экспедиций во внутренних морях и водоемах, а также позволила оперативно реагировать на экологические вызовы в прибрежных районах. В прошлом году на базе нашего института ФАНО создало Центр морских экспедиционных исследований (ЦМЭИ), работа которого строится на обеспечении равного доступа всех научных организаций к исследовательским судам.

- Получаемые данные - как в экспедициях, так и на модельных экспериментах - нужно иметь возможность обсчитать.

- Грант РНФ помог существенно развить вычислительные ресурсы института. Закуплен новый многопроцессорный кластер, обеспечивающий высокую скорость вычислений. Системы хранения информации нового поколения позволили осуществить долговременные численные эксперименты - с региональными и глобальными моделями общей циркуляции океана, высокоразрешающими моделями атмосферы и волновыми моделями в рамках трех направлений программы. Полученные результаты станут основой для безопасного и эффективного освоения океана в ближайшие десятилетия. На современном этапе развития науки именно численные эксперименты с моделями дают возможность обнаружить и оценить воздействие внешних и внут-ренних факторов на изменчивость параметров, характеризующих климат Земли, а также проверить состоятельность механизмов взаимодействия основных участников климатической системы “океан - лед - атмосфера - суша”. Проведение экспериментов по моделированию океанской циркуляци - от поверхностных до глубинных вод - позволяет уточнить механизмы формирования и смены режимов океанской циркуляции и их влияния на атмосферу.

- Такую работу нельзя останавливать. Будете бороться за новые гранты?

- Несомненно, ведь, как это часто бывает, в ходе решения одной научной задачи появляются другие, возникают новые вопросы, гипотезы, требующие проверки, а накапливающиеся данные и факты иногда полностью меняют представления об исследуемом предмете. Словом, процесс постижения истины бесконечен и неисчерпаем, как океан.

Беседовал Андрей СУББОТИН. Фотоснимки предоставлены сотрудниками ИО РАН
Еженедельная газета «ПОИСК» Наука № 4(2018)