ЭВОЛЮЦИЯ ПРИОРИТЕТОВ

В ИССЛЕДОВАНИЯХ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

(по материалам текущих конференций)

В последние годы отдельные ученые и целые научные школы высказывают мнение, что увеличение населения Земли и развитие мировой экономики начинает проявляться в динамике процессов, влияющих на погоду и климат Земли. Основанием для таких суждений служат изменения естественных потоков энергии и вещества, формирование новых, с использованием ресурсов суши, и океана. Транспорт и промышленность больших городов производят пыль, меняющую альбедо и формирующую “тепловые точки”. Вырабатываемый углекислый газ меняет энергетику атмосферы в целом. Представители других научных школ считают, что наблюдаемые аномалии не выходят за границы естественных диапазонов изменчивости природных систем. Вопрос о выделении “антропогенного сигнала” остается отрытым.

Однако увеличение экономический ущерба, связанного с природными аномалиями (в качестве примера можно указать морозную зиму 2007-2008 года в Центральной Азии и теплую погоду в Европе), а также числа сильных морских штормов, подтверждено достаточно надежно. Так же документировано и увеличение объема соединений, применяющихся в сельском хозяйстве (удобрений, инсектицидов, гербицидов, пестицидов…), и попадающих в экосистемы и гидросферу. Здесь остается без ответа вопрос: Какова роль “антропогенного фактора” во взрывном размножении естественных болезнетворных или ядовитых микроорганизмов, водорослей, планктона (“красного прилива”, “черной воды”) или других нежелательных видов (например, вселенцев - в Черном и других морях)?

Необходимость адаптации к изменениям окружающей среды стимулирует развитие количественного описания естественных процессов во всех компонентах среды обитания (ближнем космосе, атмосфере, гидросфере, геосфере), разработку надежных методов прогноза их краткосрочной и долгосрочной изменчивости – прогноза погоды и климата. Большие ресурсы тратятся на создание наблюдательных систем, как дистанционных, так и контактных. Дистанционный контроль глобальных процессов ведется с большого числа метеорологических спутников, самолетов, наземных радаров прямого и загоризонтного наблюдения, позволяющих одномоментно обследовать большие акватории.

Локальные параметры морской среды регистрируются с помощью чувствительных измерителей, установленных на огромном числе буев: стационарных заякоренных, свободно дрейфующих по поверхности или в толще морской среды и эпизодически всплывающих для сброса информации на спутник. Только по проекту ARGO в настоящее время поддерживается связь с более чем 3000 свободно дрейфующими в толще океана буями (http://www.argo.net/).

В дополнение к устройствам, пассивно переносимым течениями, создаются активные глайдеры, снабженные управляемыми крыльями, рулями и устройствами изменения плавучести за счет изменения объема камеры, заполненной углеводородами в специальных каналах. Объем камеры увеличивается при остывании и уменьшается при нагреве наполнителя, что обеспечивает всплытие, погружение и определенное пребывание глайдера на заданной глубине. Такие устройства не имеют механических движителей, для своего перемещения не требуют дополнительных источников энергии, кроме разности температур в стратифицированном океане. Они скользят медленно и плавно по протяженным наклонным траекториям в стратифицированном океане, воспроизводя изобретение веслоногого рачка калануса. Он считается самым многочисленным животным на земле, имеет размеры от трех до четырех миллиметров, в полярных широтах, пока светит солнце, плавает в приповерхностном слое, а долгие зимние девять месяцев проводит на глубине от 300 до 1000 м, где отсутствуют его естественные враги.

Накопление огромного числа данных ведется в Международных информационных центрах (один из них находится в Обнинске, Калужская область), математическая обработка – на наиболее высокопроизводительных компьютерах. Хотя модели процессов разработаны с учетом последних достижений гидродинамики и теорий турбулентности, полученные с их помощью прогностические результаты не удовлетворяют ни самих исследователей, ни реализующих их рекомендации практиков.

К решению сложных задач контроля состояния и прогноза изменчивости окружающей среды все более широко привлекается специально подготовленный “человеческий капитал”. Традиционные факультеты механики и прикладной математики, которые существовали независимо в большинстве университетов, постепенно преобразуются во все более широкопрофильные учреждения. И если 30 лет назад создавались интегрированные факультеты для подготовки инженеров для разработки наземных и космических систем, то сейчас инженерные специальности интегрируются для изучения и прогноза окружающей среды. Во многих университетах создаются морские исследовательские центры, причем не только вблизи побережья, но и в глубине континентов. Так один из крупнейших морских исследовательских центров расположен в центре американской пустыни (ASU University, Tempe, Phoenix).

Глобальные процессы не под силу прослеживать и анализировать ученым только одной, даже наиболее развитой страны. Поэтому все большее распространение получают объединенные конференции Геофизических союзов – обычно Американского с Европейским или Латиноамериканским геофизическим союзом. Интегрирование и ранжировка различных школ, методов и подходов происходит на конференциях различного масштаба: от локальных симпозиумов с двумя десятками участников до Генеральных ассамблей Научных союзов, собирающих тысячи ученых со всего мира. Так на осенней 2007 сессии Американского геофизического союза было представлено более 14 000 докладов (!).

Названия Ассамблей отражают не столько национальный состав, сколько географическую локализацию Институтов участников. Так на традиционной, Четырнадцатой Совместной Ассамблей AGU, которая была организована совместно научными обществами Латинской и Северной Америки в г. Акапулько (Мексика) 22-26 мая 2007 г., присутствовали ученые со всех континентов, которые представили более двух тысяч докладов.

Предварительно созданный Программный комитет разработал научную программу Ассамблеи, охватывающую все разделы наук о Земле, базируясь на инициативных заявках потенциальных руководителей секций. В числе таких инициатив вошло и российско-американское предложение включить секцию “Передовые рубежи геофизической гидродинамики (Frontiers in Geophysical Fluid Dynamics)”. Оба потенциальных сопредседателя – профессор J.H.S. Fernando (Университет штата Аризона, США) и автор заметки, имеющие большой экспедиционный опыт, последние годы интенсивно проводят теоретические и экспериментальные лабораторный исследования морских течений и волн. Тематика вызвала большое интерес среди участников предыдущей Ассамблеи AGU в Гонолулу (2006 г.) и получила одобрение Программного комитета. В 2007 году она обсуждалась в Объединенной секции “Ocean Dynamics: Numerical and Laboratory Models and Theory – I, II” в рамках которой было успешно проведено несколько заседаний.

Посещение Мексики представляет большой научный и познавательный интерес для практического физика по нескольким причинам. Страна интенсивно развивается, экономика на подъеме, университеты процветают, выпускники успешно работают и в стране, и за рубежом, все полны энтузиазма и стремятся к международному сотрудничеству. Оптимистичность мировоззрения, непосредственность и открытость облегчают контакты и общение.

Мексика расположена в поясе активных вулканов. Большое количество свежих лавовых полей позволяет наблюдать интересные застывшие структуры, свидетельствующие о сложной вихревой природе течений достаточно вязкого материала.

“Канатные лавы” моновулканов Мехико.

“Застывшая завихренность” в камне, напоминающем канат, свитый из отдельных прядей, выглядит необычайно впечатляюще на фоне яркой тропической растительности. Ранее мне не приходилось ни видеть ничего подобного, ни читать в литературе. Механизмы формирования таких структур не ясны, сформулировать модель на места не представлялось возможным, поскольку физические свойства флюида – лавы были неизвестны. Кроме того, исходное лавовое поле расчленено дорогами, тропинками, постройками, растениями и частичным травяным покровом, что затрудняет восстановление целостной картины.

У подножия вулканов можно встретить интересные агломераты – остатки пирокластического извержения, при котором при извержении вылетают облака раскаленной тонкой пыли, постепенно выпадающей из шлейфа раскаленных газов и разлетающейся вдоль поверхности Земли как снежная лавина или пустынный самум. Такой поток сжигает все живое на своем пути и представляет большую опасность вследствие непредсказуемости направления распространения и высокой температуры пепла.

Акапулько, бывший фешенебельный курорт на тихоокеанском побережье Мексики, живописно расположился на склонах холмов, окаймляющих почти круглую бухту с несколькими редкими островами. В конце мая, перед началом сезона дождей, воздух здесь насыщен мелкими частицами пыли, создающими романтическую дымку. Однако концентрация пыли, как и влажность, невелика, дышится легко. Прекрасные песчаные пляжи и умеренный морской климат привлекали в  город большое число туристов, для их размещения строились новые отели. Постепенно росли их число и этажность, очистные сооружения запаздывали и постепенно Великий (Тихий) океан перестал справляться с антропогенной нагрузкой. Растворенные фосфор и азот способствовали размножению нежелательных видов, моющие средства превратили морской прибой в подобие мыльной пены.

Туристы постепенно покинули город, инфраструктура перестала развиваться, хотя отели и продолжают строиться. За туристами потянулись состоятельные люди, за ними – активная молодежь, которая стала переселяться в небольшие города в глубине страны, в среднегорье, где воздух и вода еще чистые, а сточные воды можно сбросить в толщу лавовых полей, обладающих высокой фильтрационной способностью, и забыть об их существовании. Вода в городах Мексики обычно привозная, и, как и бензин, пока еще сравнительно дешевая.

предусматривают проведение тематических заседаний нескольких уровней: междисциплинарных объединенных, тематических (Нелинейные модели, Нелинейная геофизика, Глобальные изменения климата, Образование и человеческий ресурс), предметных: Науки об атмосфере, Биогеология, Геодезия, Геомагнетизм и палеомагнетизм, Гидрология, Земная и космическая информатика, Физика минералов и скал, Приповерхностная геофизика, Науки об океане, Палеоокеанография и палеоклиматология, Сейсмология, Аэрономия, Солнечная и гелиосферная физика, Физика магнитосферы, Тектонофизика, Вулканология, Геохимия и петрология, Науки о планетах. Пленарные заседания, заказные лекции и представления стендовых докладов проходили одновременно более чем в 30 секциях.

Объединенные заседания были в основном посвящены обсуждению вопросов, важных для данного региона: природе и характеристикам связанных осцилляций атмосферы и океана, физике формирования и распада циклонов, обсуждению условий их перехода в разрушительные ураганы и торнадо, природе и истории муссонов в Мексике.

Значительная часть докладов секции Физики атмосферы была посвящена природе тропических циклонов и определению условий их перехода в разрушительные ураганы. Основным признаком считается величина поверхностной температуры океана, значение которой определяется со спутников.

Вход в зал центра Конгрессов.

На температуру океана активно влияют так называемые «малые факторы» – запыленность атмосферы и содержание аэрозолей. Так различие в числе и интенсивности ураганов в экстремальном  2005 г. и сравнительно умеренном 2006 г. объясняют увеличением уровня запыленности атмосферы над Атлантикой, приводящей к понижению поверхностной температуры, а, следовательно, и эффективности взаимодействия Океана и Атмосферы. В свою очередь, количество пыли зависит от скорости ветра, на которую влияют Осцилляции Южного океана (Эль-Ниньо – Ла-Нинья).

В большом числе докладов обсуждались негативные факторы некоторых глобальных геоинженерных решений. Так в качестве компенсаторного механизма понижающего негативное влияние роста объема парниковых газов, поступающих в атмосферу в результате сжигания ископаемых углеводородов, некоторые авторы предлагали «запылять» атмосферу мелкими частицами или соединениями серы. На примере анализа климатической изменчивости, последовавшей за извержением вулкана Пинатубо (1991 г.), отмечается, что 1992 г. был рекордным по малости осадков, что вызвало засуху во многих районах Земли.

Впервые в тематике подобных заседаний отдельно была выделена секция приповерхностных явлений, на которой рассматривались особенности процессов на всех контактных поверхностях: почвенный слой, свободная поверхность и дно океана. Отдельная секция обсуждала физику газогидратов в Мексиканском заливе во многих аспектах: от механизмов формирования и естественного распада до индикатора климатической изменчивости. Обсуждается возможность добычи газогидратов в качестве углеводородного сырья.

Одной из наиболее представительных по составу участников и числу заседаний была секция Наук об океане, на которой было проведено 32 заседания. В названиях некоторых из них отчетливо выражена предметная  и региональная направленность. Большое число докладов, в том числе и совместных, было представлено мексиканскими учеными. Многие из них представляли большой интерес, поскольку морские исследования были проведены тщательно, полно и по весьма глубоко продуманному плану. Молодое поколение мексиканских ученых получило хорошее образование и с энтузиазмом относится к своей работе. Такой подход подкупает и указывает на возможность достижения высокой эффективности при выполнении совместных исследований.

В последние годы активизировались усилия по созданию региональной наблюдательной системы в составе США, Канады, Мексики в рамках глобального наблюдательного проекта GOOS. В качестве регистрируемых параметров выбраны температура, соленость, высота уровенной поверхности океана, скорость поверхностных течений и цвет морской воды. Данные собираются с помощью Глобальной сети измерителей высоты прилива, Глобальной системы поверхностных дрейфующих буев, Сети тропических заякоренных буев, Системы буев нейтральной плавучести «Арго». Однако признается, что такая система не обеспечивает контроль точности измерений указанных величин, что приводит к потерям больших массивов информации и невозможности построения рациональных моделей природных систем.

Американские исследователи представили концепцию новой «Расширяемой платформы» для проведения морских измерений, сочетающей качества вехи Фруда (умеренная качка и постоянная связь с берегом через спутник) с подвижностью и возможностью замены оборудования. Веха полностью автономна и необитаема, позволяет менять место расположения и вести буксировку к месту установки. Одна из задач – поиск месторождений углеводородов в глубоководных регионах. Платформу предполагается сделать необитаемой, за исключением периодов технического обслуживания и переналадки аппаратуры. В случае успеха проекта может возникнуть новый повод для международных дискуссий и введения нового статуса ранее свободных морских зон возле таких сооружений, индицирующих их особые свойства и ограничивающих доступ в экономически важные районы океана. Вопрос заслуживает глубокого изучения с различных точек зрения: технической, научной, правовой  (изменение статуса Мирового океана как «всеобщего достояния человечества»).

Большое число работ было посвящено анализу данных, полученных со стационарных буев. Сочетание буйковых, корабельных и спутниковых данных позволяет надежно идентифицировать природные процессы различного масштаба (ветви течений, вихри, волны внутренние и Россби), идентифицировать локальные экологические катастрофы. Развивается концепция создания сложных мобильных систем для одновременного изучения динамики и атмосферы, и океана. Прототипы таких систем изготовлены и исследованы в ряде совместных проектов учеными США и Китая.

Они предусматривают установку крупных буев, на которых базируются малые необитаемые подводные аппараты для глубоководных наблюдений, которые ведут исследования в режиме «лагранжева дрифтера», когда прибор перемещается вместе с окружающими водными массами. Сложные системы для изучения океана (подводные сейсмо-гидродинамические обсерватории, крупные буи), как правило, изготавливаются и эксплуатируются международными коллективами с привлечением ученых из Европы, Китая и национальных институтов, наиболее близких к месту проведения исследований.

Одной из задач становится разработка методов объективного контроля биологического загрязнения водных экосистем. Так, навоз, смываемый в море с лугов Англии, на которых круглогодично свободно кормится скот, привел к биозагрязнению прибрежных вод и санитарным ограничениям в добыче морепродуктов, использовании пляжей для отдыха и купанья. Поэтому морские курорты теряют свою оздоровительную функцию и естественную привлекательность.

Развитие генной инженерии позволяет объективно оценивать роль животных и человека в бактериальном загрязнении окружающей среды. Ранее для оценки роли “человеческого фактора” контролировалась бактерия Enterococcus, которая может быть как природного, так и антропогенного происхождения. В последние годы в качестве специфического маркера антропогенного загрязнения используется бактерия Enterococcus faecium (сокращенное название esp), которая не встречается в естественных условиях. Проведенные исследования показали, что esp – генный фактор уверенно выделяется во многих участках морского побережья Калифорнии (США), на Гавайях, включая подземные воды, песок, ручьи, эстуарии и прибойные зоны, других курортах мира. Возможно, в будущем контроль esp – фактора будет проводиться во всех местах размещения спортивных и рекреационных сооружений, в том числе и на Черном море, и даже в подземных водах Московской области. Массовое строительство коттеджей существенно увеличивает объем антропогенного вброса в грунтовые воды, которые потребляются сельским населением из колодцев и родников.

В целом следует отметить увеличение степени интегрированности мировой науки в глобальном (всемирные проекты), региональном и предметном измерениях. Отмечаемое ухудшение «Здоровья Океана» вследствие изменения климата Земли и влияния антропогенных факторов (бактериальной нагрузки, сбросов экологически опасных материалов – углеводородов, радионуклидов, сточных вод) стимулирует постановку био-гео-физико-химических исследований, в которых совмещаются полевые работы с аналитическим, численным и лабораторным моделированием изучаемых процессов.

(Продолжение следует).

Ю.Д. Чашечкин, заведующий лабораторией механики жидкостей ИПМех РАН
и филиала кафедры физики моря и вод суши физического факультета МГУ в ИПМех РАН