Океан льется на нас. Даже живя далеко от глубоких вод, человек зависит от них.

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.

— 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. 

— 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. 

— 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. 

— 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.

— 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.

— 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.

— 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. 

— 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.

— 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.

— 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.

— 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. 

— 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.

— 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.