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.
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 Гулеева, 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.
Фото: геологическая трубка большого диаметра для исследования геологических осадков. Источник: ИО РАН
- 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.
- 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.
Фото: океанографический комплекс для зондирования толщи океана. Источник: ИО РАН
- 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.
.jpg)
Фото: ловушка для сбора осадочного материала и взвесей. Источник: ИО РАН
- 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.
