На чистую воду. Степень вины загрязняющих Байкал предприятий вычислят математики.

— На мой взгляд, можно выделить две группы главных источников загрязнения, — начинает рассказ Баир Олегович. — К первой относятся крупные населенные пункты, находящиеся непосредственно на берегу Байкала. Это города Байкальск, Бабушкин, Северобайкальск, поселки Слюдянка, Листвянка, Култук, Горячинск. Например, наблюдающийся в последнее время активный рост водорослей рода спирогира в северной оконечности Байкала вызван сбросом туда городских бытовых загрязнений и стоков железнодорожного депо Северобайкальска с высоким содержанием азота и фосфора. Вместе с тем ученые выяснили, что антисептики, которые входят в состав моющих средств для вагонов, негативно влияют на микроорганизмы, обеспечивающие природные процессы очистки байкальской воды. Кроме того, из населенных пунктов и турбаз в озеро постоянно поступают отходы жизнедеятельности человека. 

Вторая группа — это промышленные предприятия, расположенные в бассейне рек, втекающих в озеро. По данным Федеральной службы по надзору в сфере природопользования, река Селенга приносит 60% общего объема поступающих в Байкал загрязняющих веществ. А в Селенгу их сбрасывают крупные промышленные центры, предприятия металлургической и деревообрабатывающей индустрии, сосредоточенные в бассейне реки на территории России и Монголии. Эти предприятия ежегодно “производят” суммарно более 20 миллионов кубометров сточных вод, в том числе десятки тысяч тонн взвешенных и органических загрязняющих веществ. Наш проект, поддержанный грантом Президента РФ, будет направлен на исследование процессов распространения примесей на месте впадения реки Селенги в озеро Байкал.

— В озерах умеренных широт растворенные загрязнения переносятся по-разному, в зависимости от времени года. Это связано с температурой воды, которая определяет структуру течения. Например, сразу же после таяния льда примеси, проникающие в озеро вместе с рекой, остаются на поверхности водоема. Позже, когда речная вода достигает температуры максимальной плотности, загрязненный поток под действием силы тяжести опускается по склону дна озера. По мере дальнейшего прогрева реки и поверхностных слоев озера возникает вертикальное течение, которое связано с явлением термобара. В этом случае нисходящие потоки могут способствовать распространению загрязнения в глубинную часть водоема. В осенне-зимние периоды может наблюдаться аналогичная гидродинамическая картина, отличающаяся лишь меньшей интенсивностью развития циркуляций из-за малых температурных градиентов.

— Два раза в год в озерах умеренных широт возникает уникальное природное явление: в узкой зоне происходит погружение воды. Такой феномен впервые обнаружил швейцарский лимнолог Франсуа Форель на Женевском озере в 1880 году и назвал термобаром (от франц. barre thermique — температурная преграда). Термобар в озере Байкал, а именно на Селенгинском мелководье, впервые упоминался в 1964 году в работе доктора физико-математических наук Павла Павловича Шерстянкина. Формирование термобара происходит в периоды весеннего прогревания и осеннего охлаждения водоема. В результате смешивания вод с разными температурными характеристиками наиболее плотные водные массы опускаются, образуя фронтальный раздел. Внутри фронта термобара температура воды составляет примерно 4оС. Термобар возникает в прибрежной части акватории и по мере прогревания озера весной или охлаждения осенью смещается к центру водоема и разрушается. Благодаря процессам вертикальных циркуляций, вызванным термобаром, происходит обновление глубинных вод Байкала. В то же время термобар препятствует горизонтальному водообмену, что оказывает огромное влияние на жизнь планктонных сообществ, качество воды и экосистему озера в целом.

— Математическая модель, которая разрабатывается для воспроизведения процессов переноса примеси, включает в себя систему нелинейных уравнений в частных производных — это математическая запись законов сохранения. В такую систему входят уравнения количества движения, энергии, неразрывности, минерализации, турбулентных характеристик и, конечно же, концентрации примеси. Строится расчетная область, которая соответствует рельефу дна озера. Вычислительная область покрывается сеткой, в каждой ячейке которой задаются значения температуры, минерализации, концентрации примеси и других параметров. Значения этих скалярных функций на каждом шаге по времени пересчитываются. Важная особенность модели — это учет внутрисуточного изменения температуры воздуха, атмосферного давления, влажности, силы и направления ветра. По имеющимся сведениям метеонаблюдений рассчитываются компоненты солнечной радиации, длинноволнового излучения, потоков скрытого и чувствительного тепла на рубеже раздела “вода — воздух”. На границе втекания реки задаются ее скорость, температура, минерализация. Зная значения концентрации примеси в устье реки, можно получить ее пространственно-временное распределение в озере. Уравнения модели решаются численно с применением суперкомпьютера “СКИФ Cyberia” Томского государственного университета. Результаты расчетов визуализируются с помощью специализированных программных пакетов научной графики. Затем на основе полученных графических представлений можно проводить анализ динамической картины распространения примесей, исследовать влияние метеорологических данных на их распределение.

— Как я уже упоминал, в последние десятилетия состояние Байкала заметно ухудшается из-за увеличивающейся антропогенной нагрузки. Эта проблема особенно беспокоит местных жителей, в том числе и меня, так как я родился в тех краях. Мне хотелось внести свой вклад, хоть и небольшой, в сохранение уникальной экосистемы Байкала. 

Разрабатывать математическую модель озерной гидродинамики я начал еще в студенческие годы под руководством профессора Александра Васильевича Старченко. Чтобы продолжить тематику исследования, после окончания механико-математического факультета Томского госуниверситета решил пойти в аспирантуру. В 2012 году (тогда я уже был аспирантом) мой научный проект по моделированию эффекта термобара получил поддержку в виде стипендии Президента России для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики. Это стало очень важным стимулом для продолжения научной деятельности.

— С помощью нашей модели можно проводить постоянный мониторинг качества воды в Байкале. Также можно моделировать различные экологические сценарии, даже самые неблагоприятные. Это позволит иметь наглядное представление о возможных последствиях и принимать необходимые меры по преду­преждению и устранению загрязнения. Кроме того, анализ распределения концентрации примеси поможет определить удачные места для размещения очистных сооружений, а также оценить их эффективность.

— Разработки, надеюсь, найдут применение при прогнозировании состояния экосистемы, анализе уровня загрязнения водных объектов лимнологами и экологическими организациями. Хотелось бы сделать акцент на том, что в ближайшем будущем чистая пресная вода войдет в число важнейших природных ресурсов. Существенно возрастет значимость технологий мониторинга качества воды в пресных озерах, особенно в Байкале — самом крупном естественном резервуаре пресной воды на планете.