Книга: Планета бурь

Дыхание Мирового океана

Дыхание Мирового океана

Итак, погода и климат определяются дыханием Мирового океана. Чтобы окончательно найти все глобальные атмосферные механизмы, лежащие в основе этого, метеорологи, гидрофизики и гидрологи проводят многолетние исследовательские программы. При этом они успешно используют весь арсенал современной науки и техники – от флотилий разнообразных научно-исследовательских судов до орбитальных гидрометеорологических обсерваторий. Собранные данные должны позволить когда-нибудь составлять прогнозы погоды на несколько лет вперед.

Обратим внимание на роль, которую играет в схемах моделирования климата поведение океанов и атмосферы. На этом пути был достигнут большой успех, когда удалось предсказать приближение Эль-Ниньо. Эль-Ниньо (исп. El Nino – малыш) – комплекс взаимообусловленных изменений термических и химических параметров Тихого океана и атмосферы, принимающих характер стихийных бедствий. Его появление, как правило, возвещает резкие климатические изменения, и Северную Австралию с Юго-Восточной Азией охватывает засуха, а на Южную Америку обрушиваются мощные ливневые дожди. Невероятно звучит, но в данном случае ученые четко спрогнозировали данный природный катаклизм более чем за год до его начала.

Этот пример убедил многих скептиков в том, что климатические исследования планетарной акватории вполне могут привести к достоверным долгосрочным прогнозам. Так родилась интернациональная программа гидрометеорологических исследований под претенциозным названием «Эксперимент по циркуляции Мирового океана». В ходе реализации этого проекта ученые из тридцати стран мира уже полтора десятилетия всячески изучают морскую и океаническую часть гидросферы. Надо признать, что еще никогда прежде наука не уделяла столько внимания водной оболочке нашей планеты, что уже привело к многократному увеличению информации.

Еще не так давно в научной среде бытовало мнение, что Мировой океан, несмотря на отдельные штормы, в целом являет собой нечто неизменное, неторопливое и спокойное. Его приливы и отливы медленно и равномерно накатывают прибрежные волны, повторяя одну и ту же картину изо дня в день, из года в год, из столетия в столетие. Однако против этой модели, описывающей поведение двух третей земной поверхности, в конце концов решительно возразили гидрологи и гидрофизики.

В новой исторической концепции эволюции Мирового океана нет места никакому однообразию и постоянству, ведь, согласно современным воззрениям, моря и океаны интенсивно меняются у нас на глазах, но мы этого просто не замечаем. Именно так представляют себе ученые глобальную модель гидросферы, неожиданно включающей высокую изменчивость океанических процессов. Таким образом получается, что морская стихия наделена непостоянным и буйным норовом, а медлительная торжественность, с которой она катит свои волны, глубоко обманчива.

Все дело в масштабах океанических явлений, ведь происходящие в этой части гидросферы процессы столь грандиозны, что зачастую интуиция нас просто обманывает. Вот простой пример: если мы всплеснем воду в тарелке или чашке, то во все стороны побежит рябь. А вот в океане любое волнение еще и повинуется действию инерционной силы, вызванной суточным вращением Земли, так что волны и любые течения отклоняются от прямой линии. В Северном полушарии они поворачивают вправо, в Южном полушарии – влево.

Приглядимся к волнам в нашей посудине – когда они достигнут стенки, то тут же вернутся назад, встретятся со своими отставшими собратьями и в конечном итоге создадут достаточно сложную волновую картину. Это свойство волновых процессов физики называют интерференцией. Совсем иначе ведет себя необозримый волновой фронт в океане: достигнув берега, там он обычно огибает сушу, а вблизи экватора совершенно неожиданно поворачивает в открытое море.

Еще сложнее взаимодействуют океан и атмосфера. Представим себе вполне идиллическую картину неохватной водной глади вдали от берегов, когда лишь легкий бриз струится вдаль монотонно за счет поверхностного трения, подгоняя перед собой мелкие волны. Но вот вдалеке замаячит берег – и тихие волны сразу же превращаются в шумный прибой, набегая друг на дружку и сбиваясь в пенные гребни. Океан как бы становится на дыбы вблизи препятствия, и его уровень неожиданно поднимается – в среднем более чем на метровую высоту. У берега скапливаются огромные массы воды. Даже у самого дна чувствуется, как возросло давление водяной толщи, и под ее напором вода в глубине моря начинает течь назад.

Ни моряки, ни рыбаки, ни исследователи до сих пор не имеют детальных карт рельефа морского дна. Поэтому есть доля правды в том, что дно океана нам известно хуже, чем поверхность обратной стороны Луны или лик Марса и даже Меркурия. Нужды науки, мореплавания, промысла требуют карт, составленных не по точкам и линиям, а по площадям.

Первые промышленные образцы сканирующих и многолучевых эхолотов, с помощью которых можно получить рельеф дна в полосе шириной до 40 миль, уже созданы. Еще более обнадеживающим представляется метод акустической голографии, который позволяет получить детальные карты важнейших районов дна Мирового океана.

В последние годы ученые значительно продвинулись в изучении гидрофизики океана, открыв удивительные синоптические вихри в океане, подобные тем, что мы наблюдаем в атмосфере. Оказывается, прежние представления о течениях в океане как о широких и глубоких «реках» оказались упрощенными, и в действительности основная энергия океанских течений сосредоточена именно в подобных вихрях. А если рассматривать усредненные за несколько месяцев показатели их движения, то мы придем к тем течениям, которые известны нам со школьной скамьи, что позволяет предложить целый ряд физико-математических моделей, открывающих возможность прогнозировать вихревую изменчивость океана. Помимо синоптических, открыты и описаны так называемые фронтальные вихри – их можно назвать закрутившимися в спираль. Это отколовшиеся ветви таких струйных течений, как Куросио, Оясио, Северо-Тихоокеанское, Гольфстрим. Моделирование вихревых возмущений важно и для морского транспорта, и при освоении биологических и энергетических ресурсов океана.

Наконец, океанологи открыли глубинные противотечения турбулентного движения воды в приповерхностных слоях океана, а также микротечения в толще вод, вызванных изменчивостью температуры и солености тонкослойных придонных течений. Много нового также дало изучение так называемых внутренних волн в океане, возникающих вследствие вертикальной неустойчивости слоев из-за перепада плотности океанских вод.

Таким образом, гидрофизические исследования существенно изменили наши представления о вертикальной и горизонтальной циркуляции вод в океане. Сейчас перед исследователями стоит задача дать единое объяснение процессов, протекающих в океане, включая и поверхностное волнение. Ученые надеются, что в ближайшие годы будет создана единая модель поведения поверхности Мирового океана, включающая и штормы, и полный штиль, и мертвую зыбь. Для этого задействованы океанологические спутники, гидрологические судна и международная глобальная сеть плавучих автоматических станций, с помощью которых океанографы получают регулярную информацию о состоянии морей и океанов. Все это вместе со схемой сбора данных, которой располагают метеорологи благодаря глобальной сети метеостанций, наконец-то позволит выяснить, какие блюда готовит Мировой океан в своей кухне погоды.

Современное гидрологическое оборудование включает многочисленные автоматические приборные станции, закрепленные на якоре посреди океана, – это стационарный метод наблюдения за ним. Если же ученые намерены исследовать морские течения, они используют мобильную технику – плавучие буи. Новейшие модели буев позволяют наблюдать даже за подводными течениями! Они погружаются на определенную глубину и дрейфуют, изо дня в день отмечая температуру моря и его соленость. Через каждые десять дней они всплывают и передают по спутниковой связи свои координаты и собранные данные. Сразу после этого сеанса они снова погружаются на заданную глубину и продолжают вести наблюдения. Сейчас в разных частях Мирового океана используются несколько тысяч подобных буев для воссоздания детальной схемы поверхностных и глубинных течений.

Еще обширнее информация, собранная метеоспутниками. За 3–4 месяца они успевают обследовать весь земной шар, наблюдая за движением волн и температурой воды. Многие из них определяют и средний уровень моря, фиксируя самые крохотные перепады высот, равные всего нескольким сантиметрам! Казалось бы, эта неровность очень мала, но она порождает морские течения.

Но вот все данные собраны. По ним составляется подробная карта Мирового океана. Только теперь ученые-океанографы узнали, почему их предшественникам было так трудно выяснить местонахождение Гольфстрима. Эта громадная океаническая «река» начинается в Мексиканском заливе, но, приближаясь к Европе, разветвляется на множество мелких потоков, образуя обширную дельту, напоминающую дельту таких крупных континентальных рек, как Волга, Амазонка или Нил.

В Северной Атлантике и Северном Ледовитом океане воды Гольфстрима остывают и погружаются вглубь. Там, на средних глубинах, эта безбрежная «река» поворачивает на юг. Ее поток достигает окрестности Южного полюса, где образуется самое мощное из всех известных нам морских течений. Оно огибает полюс. Затем часть водяных масс поворачивает на север и, миновав побережье Австралии, достигает южной оконечности Африканского континента. Далее этот поток пересекает Атлантику и впадает в Мексиканский океан, где его воды, совершив кругосветное путешествие, длившееся почти сто лет, вновь питают Гольфстрим.

Чтобы зафиксировать состояние Мирового океана в какой-то конкретный момент времени, необходимы титанические исследования. Но, как известно, в любом процессе важны не сиюминутные показатели, а общая тенденция. Итак, надо привести в движение тщательно выстроенную систему, иначе нельзя исследовать океанические течения, эту тайную жизнь океана. Нам известно несколько параметров, характеризующих состояние той или иной точки Мирового океана, – и известно столько же уравнений (математики называют их дифференциальными), которые описывают, как и в какие моменты времени одни точки нашей пространственной сетки влияют на состояние соседних с ними точек. Однако эту систему уравнений надо еще постараться решить!

Здесь-то и начинаются настоящие трудности, ведь очень часто подобные математические системы не имеют общего знаменателя, и мы можем получить лишь набор приближенных ответов, которые еще нужно обработать в мощном электронно-вычислительном центре, чтобы выбрать наиболее близкие к действительности. Только тогда можно получить то, что программисты называют оптимальным машинным алгоритмом, позволяющим в определенный момент времени вычислить, что произойдет через несколько часов в любом участке Мирового океана.

Сейчас самый большой модельный расчет, в котором имитируется целых 100 лет из жизни океана, длится от 6 до 8 месяцев. Ученые внимательно следят за тем, как протекает расчет, чтобы прервать его, если модель далеко отклонится от реальности. Как показывает опыт, даже самые удачные модели нужно «обкатывать» по части корректировки в течение двух лет, пока наконец они не станут давать стабильные прогнозы.

Исследователи провели интересный эксперимент с одной из таких моделей. На своих компьютерах они увеличили приток пресной воды в море Лабрадор, лежащее у берегов Канады, – самую уязвимую зону мировой системы течений. Подобное событие вполне возможно, если в результате глобального потепления начнут таять льды Гренландии, окаймляющей море Лабрадор с другой стороны.

Итак, что произойдет в ближайшие два с половиной столетия, если пресная вода будет все прибывать?

Нарушится глобальная циркуляция воды. Гольфстрим уже не сможет беспрепятственно втекать в море Лабрадор. Мотор мировых океанических течений начнет работать с перебоями. Гольфстрим замедлит, а затем прекратит свой бег. Последствия этой перемены будут чувствительны: средняя температура в Европе понизится до 10^о. Еще недавно в Гренландии текли талые воды, а теперь арктические льды начнут стремительно разрастаться, продвигаясь на юг…

Как только ученые остановили компьютерное таяние ледников в Гренландии, все вернулось на круги своя. В последующие два с половиной столетия климат постепенно нормализовался. Возобновил свое течение Гольфстрим – бойлерная Европы. Быстро потеплело. Люди стали заново обживать часть света, еще недавно изнывавшую под сугробами и льдами.

Впрочем, Мировой океан так велик, что наблюдениями охвачена лишь малая его часть. Обширные просторы океана остались бы белым пятном на карте, если бы не компьютерная интерполяция. Только так удалось устранить лакуны, заполняя их усредненными показателями. Результатом работы, по отзывам ученых, стала уникальная сеть данных, которая впервые позволит понять, что происходит в океане.

Океаны и моря являются регуляторами климата в отдельных частях земного шара. Суть этого заключается не только в океанических течениях, которые переносят теплую воду из экваториальных районов в более холодные (течение Гольфстрим, а также Японское, Бразильское, Восточно-Австралийское), но и противоположные им холодные течения: Канарское, Калифорнийское, Перуанское, Лабрадорское, Бенгальское. Вода обладает очень высокой теплоемкостью. Естественно, что при охлаждении водоемов эта теплота передается в окружающее пространство. Поэтому в районах, прилегающих к морским бассейнам, редко бывают большие перепады температур воздуха в летнее и зимнее время. Водные массы сглаживают эти перепады – осенью и зимой вода подогревает воздух, а весной и летом охлаждает.

Другой важной функцией океанов и морей является регулирование содержания в атмосфере углекислого газа – диоксида углерода. Его относительное содержание в атмосфере невелико, всего лишь сотые доли процента, однако это составляет общую массу в тысячи миллиардов тонн. Причем экологи настойчиво предупреждают, что парциальное и абсолютное количество диоксида углерода неуклонно растет. Это связано с развитием энергетики, промышленности и транспорта, потребляющих огромное количество углеводородов, ведь основным продуктом их окисления и является именно диоксид углерода. Учеными установлено, что атмосферный углекислый газ обладает способностью задерживать, не пропуская в космическое пространство, тепловое излучение Земли. Вследствие этого в принципе может развиться парниковый эффект, о котором так много говорят в последнее время. Получается, что чем больше диоксида углерода в атмосфере, тем теплее климат на Земле.

Одному зеленому покрову Земли невозможно было бы справиться с задачей удержания примерно на одном и том же уровне содержания углекислого газа в атмосфере. Подсчитано, что наземные растения в результате реакции фотосинтеза ежегодно потребляют из атмосферы около 20 млрд тонн углекислого газа, а обитатели океанов и морей извлекают из воды уже 150 млрд тонн.

Общее потепление климата может привести к катастрофическим последствиям. В его результате усилится таяние льдов на полюсах планеты и в горных районах, что приведет к повышению уровня Мирового океана и к затоплению огромных площадей суши.

Подсчитано, что, если расплавить все ледники Гренландии и Антарктиды, уровень океана поднимется на несколько десятков метров и многие приморские города окажутся под водой

Около половины поступающего в океан углекислого газа концентрируется в виде карбоната кальция в коралловых рифах. Кораллы также являются скелетами особых полипов – придонных морских беспозвоночных организмов. Цвет коралла зависит от состава и количества включенного в него органического вещества. Меньшую роль в окраске коралла играют ионы металлов. Обычно соли железа окрашивают кораллы в красный, оранжевый и коричневый цвета, а соли марганца – в серый цвет. Трудно представить, какой была бы наша планета, если бы океаны не связывали атмосферный углекислый газ.

И все-таки, хоть ученые лучше стали понимать, как живет и чем дышит водная оболочка нашей планеты, они лишь в отдельных чертах представляют себе, как устроена сложная система климатического механизма Мирового океана. Прежде всего, мы не знаем точно, как повышение температуры, вызванное парниковым эффектом, влияет на процессы, протекающие в океане, и как те влияют на климат.

Впрочем, одно мы знаем наверняка: если в силу каких-то причин схема течений изменится и, скажем, тот же Гольфстрим повернет в сторону, то в Северной и Центральной Европе начнется самый настоящий новый ледниковый период.

Известно, что малейшие сбои в течении Гольфстрима тут же отражаются на других великих океанских течениях и в конечном итоге разительно меняют климат на нашей планете. В прошлом такое случалось не раз, этим можно объяснить, почему в последнем ледниковом периоде наблюдались резкие перемены климата: всего за каких-то три года среднегодовая температура менялась почти на десяток градусов. Об этом свидетельствуют пробы льда, взятые в Гренландии.

Схема парникового эффекта в атмосфере

За последние десятилетия количество айсбергов у берегов Гренландии выросло в несколько раз. Они дрейфуют и постепенно тают, разбавляя морскую воду пресной. Навигация титанических гор льда и особенно их непрерывное таяние оказывают очень сильное влияние на атлантические течения. Однако приведенные факты вовсе не заставляют ученых безоговорочно верить в ближайшее пришествие нового ледникового периода и даже просто существенного похолодания европейского климата. Причин для такого неуверенного ответа несколько, но главный, конечно же, связан с пресловутым парниковым эффектом. Ведь чем сильнее испаряются воды Мирового океана, тем плотнее становится облачный покров на нашей планете и, соответственно, на земную поверхность попадает меньше солнечных лучей. Так, вслед за повышением температуры наступает ее понижение, и климат в среднем остается прежним.

С повышением средней температуры на Земле воды Атлантики становятся теплее. Их плотность снижается. Напор Гольфстрима слабеет, и «маховое колесо климата» вращается все ленивее. Повышенное испарение воды лишь усиливает эффект. По этой причине выпадает больше осадков. Сток речных вод растет; все больше пресной воды попадает в Атлантику. Плотность морских вод снижается, напор падает и движение подводной реки медленно, но неуклонно затормаживается…

Между прочим, не менее важным фактором парникового эффекта является и атмосферная влага, эффективно поглощающая тепловое излучение Земли, ведь в атмосфере ее гораздо больше, чем углекислого газа. Водяные пары, составляющие основу облачного покрова, метеорологи сравнивают с «климатическим одеялом» планеты, ведь при ясном безоблачном небе ночи намного холоднее, чем в облачную погоду. Таким образом, влажность воздуха или, что то же самое, степень насыщения воздуха водяными парами является важной характеристикой состояния атмосферы. Она выражается отношением содержания водяных паров в воздухе к их содержанию при насыщении воздуха при данной температуре. Поэтому правильнее говорить не просто о влажности, а об относительной влажности.

Для человека наиболее благоприятная влажность воздуха составляет около 50 %. На влажность, как и на многое другое, распространяется правило: слишком много и слишком мало – одинаково нехорошо. Действительно, при повышенной влажности человек острее ощущает низкие температуры. Многие могли убедиться, что сильные морозы при низкой влажности воздуха переносятся легче, чем не столь сильные, но при влажности высокой. Дело в том, что пары воды, так же как и жидкая вода, обладают гораздо большей теплоемкостью, чем воздух. Поэтому во влажном воздухе тело отдает в окружающее пространство больше теплоты, чем в сухом. В жаркую погоду высокая влажность опять же вызывает дискомфорт. В этих условиях уменьшается испарение влаги с поверхности тела (человек потеет), а значит, тело хуже охлаждается и, следовательно, перегревается. В очень сухом воздухе тело теряет слишком много влаги, и, если не удается ее восполнить, это сказывается на самочувствии.

Влажность воздуха влияет на сохранность вещей и изделий из различных материалов. Для музеев, картинных галерей и книгохранилищ абсолютно сухая атмосфера столь же опасна, как и переувлажненная. Поддержание необходимой концентрации водяных паров (определенной влажности) обеспечивается с помощью кондиционеров воздуха или помещением экспонатов в витрины, поддерживающими нужную влажность.

Великий смог в Лондоне, 1952. Причиной великого смога стало в каком-то смысле несчастливое стечение погодных обстоятельств и антропогенных факторов. Отсутствие ветра, необычное поведение антициклона, из-за которого холодные массы воздуха были «заперты» крышкой теплого воздуха. В таком котле началось молниеносное накапливание вредных веществ в атмосфере города – в первую очередь продуктов горения угля, которого из-за холодной погоды горожане стали использовать в большем, чем обычно, количестве. Замена городского электротранспорта на автобусы с дизельным двигателем добавила в воздушный коктейль выхлопные газы

Из пересыщенного водяными парами воздуха образуется туман. Он состоит из мельчайших капелек воды, легко конденсирующихся на твердых частичках практически всегда находящейся в воздухе пыли. Особенно хорошими центрами конденсации являются частицы углерода, содержащиеся в дыме. Знаменитые лондонские туманы обязаны своим появлением влажному воздуху и многочисленным фабрикам и заводам, выделяющим в атмосферу много дыма.

Различные компьютерные модели показывают, что похолодание и потепление лежат сейчас на двух чашах весов, пребывающих в равновесии, но каждый новый факт или прогноз нарушает стабильность. Нет сомнения, что климат сейчас как-то меняется под воздействием человека, ведь на гидросферу нашей планеты действует множество трудно учитываемых факторов искусственного происхождения. Например, разработка шельфа Мирового океана приводит к массовым выбросам нефти и газа, меняются местные течения. Между тем до сих пор достоверно неизвестно, как нефтяная пленка меняет поглощение углекислого газа водной поверхностью и как десятки, если не сотни малых океанических течений влияют на возникновение такого грандиозного природного явления, как Эль-Ниньо…

Грядущее изменение климата на нашей планете описывают десятки гипотез, изложенных в сотнях обширных научных работ, где климатологи, геофизики, гидрологи и метеорологи рисуют нам погодные картины ближайшего и далекого будущего. Среди них можно встретить самые разные сценарии климатических изменений, но во всех случаях учет определяющего влияния Мирового океана бесспорен. Пока еще не ясно, что нас ждет впереди: влажная духота теплой Гондваны или пронзительные снежные вихри нового ледникового периода. Ясно одно: некие глубинные процессы в земной гидросфере уже определили глобальные изменения атмосферы и климат на нашей планете начал меняться. Понятно и то, что как-то воздействовать на процессы перераспределения тепла в планетарном масштабе человечество сможет далеко не скоро, поэтому главная задача сегодняшнего дня – всестороннее изучение важнейшей составляющей земной гидросферы – Мирового океана. На это направлены многие международные программы, и сейчас уже широким фронтом ведутся наблюдения за природными процессами. Прежде чем действовать, надо накопить знания, потому что из предмета узкого интереса метеорологов климатическая проблема переросла в общенаучную и общечеловеческую.

Мы пока далеки от того уровня знаний, который позволяет проследить все взаимосвязи сложных процессов, начинающихся на Солнце и кончающихся в глубинах Мирового океана. И прежде чем запустить самый скромный «инструмент» воздействия на природу, мы должны исключить даже тень сомнения в благоприятном исходе. Ради этого самые разные специалисты несут вахту среди бушующей стихии, на высокогорных ледниках и дрейфующих льдах, в Арктике, Антарктике и на космических орбитах.