Портал «Научная Россия», 30.09.2020

Как развивалась океанология? Какова роль Мирового океана в формировании состава атмосферы и климата Земли? Чем океан отличается от атмосферы? На эти и многие другие вопросы в рамках интервью «Научной России» ответил Сергей Константинович Гулев – член-корреспондент РАН, директор лаборатории взаимодействия океана и атмосферы и мониторинга климатических изменений Института океанологии имени П.П. Ширшова РАН.

Когда произошла ваша первая встреча с океаном?

Мой путь в океанологию весьма необычный. Я с седьмого класса хотел стать именно океанологом. Помню, что тогда я прочитал несколько научно-популярных и художественных книг про разные путешествия. Меня, вообще, очень привлекало все, что связано с путешествиями. А потом меня стали интересовать морские путешествия. Я все время читал литературу, посвящённую этой тематике.

Сначала хотел стать моряком, но в конце концов, захотел стать океанологом, узнал, в каких университетах учатся на эту специальность, и поступил на географический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова. Уже будучи студентом первого курса, я выбрал кафедру океанологии. По сей день студенты этой кафедры после второго курса проходят морскую практику. Это и была моя первая встреча с Черным морем, но пока не океаном.

В тот момент у Московского университета было два научно-исследовательских судна.

Расскажите, пожалуйста, об этом поподробнее…

Это было где-то в 1977-ом году. Судна «Московский университет» и «Академик Петровский». Сейчас, по-моему, хотя могу ошибаться, у МГУ нет своих судов.

Так, одно судно, «Московский университет», было старое, – это была бывшая яхта Геринга, захваченная в ходе Второй мировой войны. Затем ее забрали в качестве контрибуции, переделали в яхту Сталина. Однако на ней плавал не вождь, а Ворошилов, который пошел на яхте из Крыма к Кавказу. С моря Ворошилова охраняли четыре эсминца, но потом грузины его обстреляли с берега из крупнокалиберных пулеметов. А на обратном пути Ворошилов подарил эту яхту пионерам «Артека». Чтобы вы понимали, это была моторная яхта – валкая, но мореходная.

Однако «Артек» не смог ее правильно эксплуатировать, и тогда пионеры сдали ее на металлолом. Московский университет выкупил яхту из металлолома за какую-то смехотворную сумму, а потом сделал из нее научно-учебное судно.

Мы месяц провели на борту этого судна – учились делать глубоководные океанологические станции, опускать батометры, сейчас уже с такими приборами никто не работает, производили метеорологические наблюдения, даже буйковую станцию поставили. Затем после третьего и четвертого курса, как любой студент кафедры океанологии, я проходил производственную практику на настоящих научно-исследовательских судах. Это были большие суда в Атлантике, на которых мы находились сто и более суток.

Судно, на котором посчастливилось быть мне, «Профессор Зубов», принадлежало Арктическому и Антарктическому научно-исследовательскому институту (ААНИИ). Таким океанологом я работал несколько лет, занимался экспериментальными исследованиями в океане. Хочу отметить, что с 1977-го года и по сей день я не встречал такие погодные условия, которые будучи студентом увидел на судне «Зубов». Это были штормовые рейсы в северных широтах. Тогда-то и произошла моя настоящая встреча с океаном. Мне все это очень понравилось, в том числе, работа на научно-исследовательском судне, и я думал, что такая экспериментальная «мокрая» океанология станет моей судьбой. И в определенный момент жизни она ей стала.

Потом был период жизни, когда я занимался, так называемой, «мокрой» океанологией. Так говорят, когда океанолог работает непосредственно в море. Я работал по окончании МГУ в Государственном океанографическом институте имени Н.Н. Зубова (тогда он не был имени Зубова), где совместно с коллегами провел несколько интересных экспериментов, которые до сих пор активно используются, НЬЮФАЕХ – 88 и АТЛАНТЕКС -90. Они были посвящены взаимодействию океана и атмосферы – работы велись в среднеширотной западной Атлантике, возле острова Ньюфаундленд, в дельте Гольфстрима. Там я провел около пяти рейсов. Это были очень серьезные научные исследования, которые впервые позволили понять механизмы влияния океана на атмосферу на масштабах от нескольких часов до нескольких дней.

В начале 1990-х я работал относительно продолжительное время в Германии, после чего в 1994-ом году вернулся в Россию, когда люди, наоборот, уезжали из страны.

Когда я вернулся из Германии, пришел работать в Институт океанологии имени П.П. Ширшова Российской академии наук. Директор института и мой учитель – Сергей Сергеевич Лаппо – уговорил меня приехать из Германии и пригласил работать в этот институт. Сергей Сергеевич был сначала директором Государственного океанографического института, а потом стал директором Института океанологии имени П.П. Ширшова.

Отмечу, что это было очень тяжелое время – денег не хватало, зарплата составляла восемь-девять долларов, о рейсах можно было забыть. Даже электричества иногда не было.

Я хорошо помню, что на третьем-четвертом этаже этого здания не было освещения в коридорах. Нужную комнату приходилось искать наощупь или же с помощью света от зажигалки. Конечно, со временем ситуация становилась лучше – появились гранты, российский и зарубежные.

Однако я уже стал заниматься другой тематикой – это роль океана в климате, другими крупномасштабными задачами.

Вы можете немного рассказать об этапах развития океанологии?

Вообще, океанология как наука развивалась очень интересно. Мой учитель имел свою собственную концепцию развития океанологии, согласно которой, первый этап развития океанологии начался с 30-х годов XIX века – это времена Ленца и Коцебу, затем адмирала Макарова. Закончился этот первый этап примерно на рейсах «Метеора» и экспедиции «Челленджера» уже в первой половине XX века. Это был этап глобального описания океана, а людей в то время интересовало где, что и куда течет, какая температура в различных широтах, как она распределена по глубине.

Следующий этап развития океанологии наступил после Второй мировой войны, когда люди стали интересоваться отдельными процессами – волнами, перемешиванием в океане, какими-то конкретными течениями, как они устроены и как они живут во времени. Это был очень интересный период изучения физических процессов в океане.

Как говорил мой учитель, Сергей Сергеевич Лаппо, об этом этапе развития океанологической науки - «это было изучение слона с помощью лупы и квадратного сантиметра его поверхности». А потом, когда ученые смогли изучить и понять эти процессы – как на мелком масштабе устроен океан, на мезомасшатабах, на оптических масштабах, надо было уже отойти от этого «слона» и снова посмотреть на него в целом, но уже с этим знанием. Этот этап начался в 80-е годы, когда я уже стал заниматься океанологией, и он продолжается до сих пор. Как раз в это время появились компьютеры, можно было начать моделировать океан с большим или меньшим разрешением, глобально и на новом уровне описать все процессы, которые стали понятны ученым.

Можно ли говорить о том, что, чем больше вы изучаете океанологию, тем больше у вас остается загадок?

Конечно, можно так сказать, ведь, чем больше ты углубляешься в какую-то проблему, тем глобальнее возникают вопросы. Однако сказать, что мы меньше знаем или понимаем – нельзя. Прогресс есть. Я бы сказал, чем дольше занимаешься этой тематикой, тем больше знаешь.

По крайней мере, те вопросы, которые стояли перед нами 20-30 лет назад, мы изучили, и на многие из них есть не только качественные, но и количественные ответы.

Хорошо. Тогда вернемся к вашей любимой теме – роли Мирового океана в формировании состава атмосферы и климата Земли. Что вы думаете по этому поводу?

Да, с какого-то момента это моя любимая тема. Давайте посмотрим, как устроена земная климатическая система?

У нее есть несколько компонентов – атмосфера, океан, континентальные ледники и ледниковые щиты – Гренландия, Антарктида и, безусловно, суша.

Главные компоненты, которые определяют всю изменчивость климата – океан и атмосфера. Океан отличается от атмосферы тем, что он очень инерционен – теплоемкость морской воды, да, и пресной, в четыре раза превосходит теплоемкость воздуха. А плотность морской и пресной воды в 800 раз больше, чем плотность воздуха. Куб воды будет весить в 800 раз больше, чем куб воздуха.

Таким образом, если мы четыре умножим на 800 – получится 3200. То есть океан, если очень грубо, в 3200 раз более инерционен. Поэтому атмосфера меняется очень быстро. Нас при прогнозах климата или погоды интересует состояние атмосферы – какая будет погода, температура, какие осадки будут. Если вы хотите прогнозировать погоду на двое-четверо суток при помощи гидродинамических и численных моделей, то в этом случае учитывать роль океана нам не нужно, то есть океан должен обязательно присутствовать, но его измерения на этих масштабах не так важны.

Прогноз погоды - то, чем занимаются метеослужбы – Гидрометцентр России – строится с помощью гидродинамических моделей атмосферы. Как это делается?

Для этого строится модель атмосферы, которая включает в себя семь уравнений. Они нам достаточно хорошо известны со школьной программы – второй закон Ньютона для воздуха, закон сохранения и уравнение состояния которое, кстати, очень близко к уравнению состояния идеального газа, а также уравнение неразрывности, ведь среда – неразрывна.

Такая задача в гидродинамике называется задачей на начальные значения. Пока система уравнений помнит свои начальные значения, вы можете делать прогноз, когда она забывает начальные значения, вы уже никакого прогноза в смысле предсказуемости первого рода (так называют задачу на начальные значения), делать не можете. Процесс забывания начинается где-то с десяти, ну, может, двенадцати суток. Это время памяти атмосферы. Как я сказал, при этом океан может быть «заморожен», то есть не меняться. Вам необходимо иметь граничные условия снизу, чтобы были правильные потоки тепла, но они могут быть неизменными в течение времени прогноза на сутки или трое. Если они будут меняться, то вы не сильно улучшите свой прогноз. Это и есть предсказуемость первого рода.

Почему речь идет о десяти-двенадцати сутках?

Существует много объяснений, но я обычно поясняю это так – влага, которая является топливом атмосферы, так ее иногда называют, осаждается будучи поднятой в атмосферу в течение первой недели, может, двух. Когда вся влага выпадает, атмосфера забывает свои начальные значения, то есть больше вы ничего предсказать не можете. Есть эксперименты, кстати, с моделями так называемой «сухой» атмосферы, там предел предсказуемости длиннее – до 40 суток.

Теперь представим ситуацию, что нам нужно спрогнозировать климат на более долгие сроки – не на неделю-две, а на год, десять лет, сто лет.

Как это можно сделать?

В таком случае надо найти факторы, которые влияют на атмосферу, и у которых при этом память сохраняется больше, чем на неделю-две. Таких факторов перечислить можно несколько, но они зависят от того, на какие сроки мы хотим прогнозировать климат. Например, таким фактором может быть приход солнечной радиации на верхнюю границу атмосферы. Это разные процессы, они могут быть и многовековые, и тысячелетние в связи с изменением светимости солнца, изменением орбит, например, циклы Миланковича, например, наиболее известный цикл – 41 тысяча лет.

Это могут быть изменения, связанные с антропогенными выбросами. Когда у нас возрастает количество углекислого газа и других климатически активных газов в атмосфере – это меняет приход радиации (так называемый «effective radiative forcing»), то есть количество солнечной радиации, которое остается в атмосфере Земли, в земной климатической системе.

Еще один фактор – это, конечно, океан. Масштабы, на которых там происходят изменения – довольно длинные, от лет до нескольких десятилетий и столетий.

Поэтому, если вы захотите предсказывать климат на 100 лет, у вас получится не гладкое возрастание, например, температуры в ответ на рост концентрации климатически активных газов, а колебания, причем довольно сильные. Это происходит в связи с тем, что у океана главный масштаб на котором он меняется - это годы и десятилетия.

Таким образом, океан, изменяясь на масштабах лет и десятилетий, дает свой сигнал в атмосферу – это собственная изменчивость океана. Как любая динамическая система он обладает собственной изменчивостью. Именно эти собственные колебания и начинают мешать предсказывать климат, допустим, на сто лет.

Но все-таки это кому-то удается?

Да, конечно. Понимаете, мы не можем предсказывать климат на 100 лет просто так.

Как обычно строится прогноз?

Если мы доверяем рассуждениям экономистов, что экономика будет развиваться таким-то образом и при этом выбросы климатически активных газов будут такими и такими, то в этом случае мы включаем наши знания о том, как эти газы влияют на радиационные эквиваленты земной климатической системы, как у нас меняется радиация, как меняется дисбаланс тепла за счет этой радиации в атмосфере Земли, и как потом все это «переваривается». Такой прогноз можно дать.

Но откуда берутся такие прогнозы на сто лет, что, если экономика будет развиваться по агрессивному сценарию, то есть, например, мы будем жить, как сейчас, то температура поднимется больше, чем на два градуса, уровень моря поднимется на столько-то, добавятся региональные изменения, ледники растают?

А дальше добавляют, что, если мы будем вести себя более цивилизованно и будем выбрасывать в половину или в пять раз меньше климатически активных газов, то тогда все будет стабильно.

На самом деле климатическая система – очень инерционная. Даже, если мы с вами сегодня остановим все производство и перестанем рожать, все равно очень медленное потепление будет продолжаться. Считается, что если мы будем вести себя более аккуратно и цивилизованно, то будет меньший рост температуры по сравнению с агрессивными сценариями.

Межправительственная группа экспертов по климатическим изменениям, членом которой я являюсь много лет, такие прогнозы дает. Самое интересное, что прогноз на 100 лет будет более точен, чем прогноз на 20-30 лет по тем самым причинам, связанным с ролью океана. Интенсивность межгодовых и междесятилетних процессов, связанных с океаном, маскирует этот тренд, который на этом масштабе еще мал.

Порассуждаем, как он влияет?

У него нет никаких возможностей повлиять на климат, кроме как способом передачи через свою поверхность тепла и влаги атмосфере.

Он может греть атмосферу, может вода испаряться. Когда она испаряется, это явление носит название – скрытое тепло. Ведь, когда мы испаряем воду и она попадает в виде пара в атмосферу, то она не сразу ее нагревает, а только когда сконденсируется. И это не значит, что будут обязательно осадки, просто пар превратится в маленькие капельки, и в этот момент уже произойдет нагревание атмосферы. Все эти процессы вместе – передача тепла из океана в атмосферу и влаги, которая является топливом атмосферы.

Поэтому возникает важный вопрос – какие условия в океане меняются на масштабах лет и десятилетий, что в один год может передаваться много тепла, а в другой год мало, а также нужно понять – где оно передается. Этими проблемами мы с коллегами в нашей лаборатории, как раз, и занимаемся.

Существует много факторов от чего это зависит – от скорости ветра, температуры самого океана и температуры атмосферы. Это неразрывная связь. Ну, и, конечно, мы занимаемся самой изменчивостью океана.

Для того, чтобы ответить на эти вопросы, необходимо обрабатывать очень много данных, а также много численно моделировать. Чем более с мелким масштабом ты строишь модели, тем достовернее знаешь гидродинамические процессы, кстати для любой жидкой среды, не обязательно это должен быть океан или атмосфера.

С развитием технологий и техники процесс моделирования стал проще?

Конечно, нам стало проще. На самом деле, не только нам, но и всему миру.

В 2015-ом году выходила очень хорошая статья в «Nature» Питера Бауэра. Она называлась «Тихая революция в гидродинамическом прогнозе погоды». Он высказал очень правильную мысль, которая применима не только к прогнозу погоды, о котором я частично рассказал, но и к прогнозу климата, к моделированию океана. На самом деле, за последние 40 лет никакой фундаментально новой физики – с момента, когда начали делать современный прогноз погоды и океана – новых фундаментальных физических знаний или физических законов, не появилось. Те уравнения, которые я приводил в пример выше, уже тогда всем были прекрасно известны.

Таким образом, весь прогресс происходил за счет лучшего понимания процессов, которые необходимо описать параметрически, улучшения свойств и характеристик компьютеров и возможности усваивать данные наблюдения, о чем можно было бы рассказать подробнее. Оперативное прогнозирование – это отдельная история.

И хотя никакого революционного улучшения физических представлений, по сути, не было, у нас точность прогноза погоды на четыре-пять дней – это среднесрочный прогноз – такая же, как была в 1979-ом году на полсуток-сутки. Это гигантский шаг!

Тоже самое и в океане произошло, но ведь спрос на прогнозирование океана не очень велик, если это не связано непосредственно с климатом.

В 1970-м году сетки, на которых мы моделируем океан, были с разрешением два-четыре градуса. В океане это 200-400 километров. И мы не знали, что внутри этих двухсот - четырехсот километров происходит. Иногда мы предполагали за счет тех же наблюдений, придумывали какие-то способы, как это описать параметрически. Сейчас мы рассчитываем циркуляцию океана с разрешениями от 1/12 до 1/60 градуса – это от нескольких километров до километра. Но можем и лучше – региональные задачи выполняются с разрешением менее километра.

Чем океан еще отличается от атмосферы?

Мы знаем, что за счет именно этих вихрей, собственная изменчивость океана и возникает. Океан интегрирует мелкие масштабы и порождает свою десятилетнюю или шестидесятилетнюю изменчивость, которая крайне важна для климата.

Исследователей не вводят в заблуждение аномалии погоды, как, например, этим летом в Западной Сибири или в Оймяконе в 2010-ом году?

Понимаете, по одному событию, даже очень значимому, нельзя ничего точно предсказать. Надо еще посмотреть, какая диагностика будет у сибирской тепловой волны.

Мы можем вернуться в 2010 год – Москва, европейская территория страны и аномалия плюс семь градусов. Даже одно такое очень жаркое лето свидетельствует ли о глобальном потеплении? И да, и нет.

Скорее, это явление, само по себе, не есть глобальное потепление, ведь потепление связано не только с повышением температуры. Часто говорят, что средняя температура на Земле изменилась за 100 с лишним лет меньше, чем на один градус. Другой вопрос, что эти температуры менялись в Арктике быстрее, зимние температуры меняются сильнее летних. А тропические экваториальные температуры могли совсем мало измениться или не измениться вообще.

Более того, дело даже не в том, что в среднем изменилась температура Земли и не в том, что она изменялась по разным сценариям в разных местах. На самом деле, этого изменения, пусть даже на очень небольшую величину, достаточно для того, чтобы климатическая система выходила из своего равновесия. Когда это происходит, начинают происходить всякие интересные события – смещаются траектории циклонов, начинает изменяться время, в течение которого влага живет в атмосфере, поэтому в каких-то местах она начинает очень интенсивно выливаться, а в каких-то не выливается совсем, вследствие этого в этих местах возникают засухи, какие-то продолжительные аномалии температуры, допустим, как в Сибири.

Академик, выдающийся физик атмосферы XX века, Александр Михайлович Обухов метко говорил о том, что увеличивается нервозность климата. Это, действительно, так. Малые изменения температуры приводят к тому, что начинает меняться все, в том числе, ледники, температура океана на глубинах, уровень моря – это, кстати, один из самых ярких проявлений потепления.

Уровень моря потому хорошо реагирует на медленное потепление, что вода при нагревании расширяется. Океан очень большой – его средняя глубина составляет четыре-пять километров, поэтому он даже при нагревании на один градус увеличивает свой объем, из-за чего этот уровень возрастает.

Второй фактор роста уровня – это, конечно, таяние континентальных льдов. Когда начинают стекать те ледники, которые все время были в виде ледников на суше, ледниковых щитов, то уровень возрастает – с 1990-х годов по сей день прирост составляет немного меньше 3 миллиметров в год.

Когда примерно эти показатели могут стать критичными?

Смотря, в каком регионе. Для России – еще долго не станут критичными, а для тропических островов Тихого океана уже ситуация складывается не лучшим образом.

Для Сингапура – это колоссальная проблема. В Сингапуре находится самый большой аэропорт Азии – Чанги, 67 см над уровнем моря. Они думают, то ли его укреплять, то ли новый насыпать. Мало того, что уровень моря поднимается, так еще на фоне повышения уровня начинается волновой размыв за счет экстремальных повышений уровня, штормовой активности, нагонов.

Поэтому повышение уровня океана – это один из немногих, ничем неоспоримых доказательств глобального потепления.

Вернусь к вопросу о том, может ли аномалия плюс пять градусов в течение месяца на огромной территории Сибири или на европейской территории быть признаком глобального потепления? Одно такое явление – нет. Но когда такие события начинают происходить чаще и с большей интенсивностью, чем до того, то, конечно, они будут связаны с глобальным потеплением.

Как это анализируется?

Выполняются прогностические эксперименты с численными моделями, однако, прогнозируя климат, вы не можете спрогнозировать его, да, и погоду тоже, скажем, на 21 января какого-то года.

Можно лишь спрогнозировать средний показатель увеличения интенсивности тех или иных событий, в том числе интенсивности экстремальных событий – они, может быть, будут неточно отмечены по календарным датам, но можно увидеть, что в 2060-ом году, например, будет большая вероятность сильных наводнений или засух. Вы можете увидеть, что в десятилетие после 2060-го года у вас частота и интенсивность таких событий стала больше, чем сейчас. Если никакие другие факторы не рассматривались, ведь можно по-разному эти эксперименты делать, то можно сказать, что явления такого вида – усиливаются при глобальном потеплении.

Такая ситуация, которая произошла в Норильске с разливом дизельного топлива, может быть как-то связана с изменением климата в регионе?

Эти огромные емкости для сохранения нефти были построены на вечной мерзлоте – это важный фактор. Конечно, когда 40-50 лет назад в этой местности строили сооружения, дороги, емкости для нефти на вечной мерзлоте, то предполагалось, что она «вечная». Теперь, когда она начинает таять и половина фундамента стоит на сезоннооттаивающей вечной мерзлоте, а половина фундамента на все еще не оттаивающей вечной мерзлоте, с этим зданием, дорогой или емкостью для хранения нефти может произойти то, что и случилось в Норильске. Я, конечно, говорю гипотетически, возможно там были какие-то технические проблемы просто эксплуатации этих емкостей.

Можно сказать, что устойчивость всей инфраструктуры таких районов всегда опиралась на устойчивость вечной мерзлоты. Когда мерзлота перестает быть вечной и тает, то и устойчивость инфраструктуры, созданной на ней, тоже становится подорванной.

Это огромная проблема – в России ежегодно тратятся огромные суммы, миллионы долларов в связи с неустойчивостью инфраструктуры по всему нашему северу.

Хочу отметить, что, если уровень океана, поднимающийся на 3 миллиметра в год – для населения России не всегда самый актуальный вопрос, то проблема вечной мерзлоты – должна нас волновать в первую очередь. Для России, тем более, эта тема должна стать одной из самых важных.

Если бы вы оказались на необитаемом острове, какое послание вы бы оставили в бутылке будущим океанологам?

Учиться, учиться и еще раз учиться! Океанология – это сложная наука, поэтому необходимо учить физику, математику, изучать физику природных процессов. Учиться нужно всю жизнь.

Так, океанолог отличается от метеоролога тем, что ему особо некуда пойти, он должен заниматься наукой. К сожалению, беда последних десятилетий в том, что уровень подготовки студентов снижается. Сейчас изменилось отношение к образованию, как этапу подготовки к дальнейшей научной деятельности. Особенно это стало очевидным с введением Болонской системы образования в вузах.

Конечно, все мои наставления в бутылку не поместятся, но я еще раз скажу – учитесь, учитесь и еще раз учитесь!