Автор: Рудольф ТИМОФЕЕВ

стр. 13

Когда речь заходит об океане, в нашем воображении рождаются образы бескрайнего водного пространства, свирепых штормов и шквалов, огромных волн, могучих течений, протянувшихся на многие тысячи километров. Что же касается ученых, то они стремятся "уложить" его в прокрустово ложе математических, компьютерных моделей. Одна из них разработана группой российских специалистов под руководством академика А. С. Саркисяна. С ним беседует наш корреспондент Рудольф Тимофеев.

- Артем Саркисович, нетрудно себе представить, насколько сложная, поистине головоломная проблема моделирования динамики морей и океанов. Какие цели преследует ее решение?

- Мировой океан не только занимает три четверти поверхности Земли, но и во многом определяет изменения погоды и климата на нашей планете, а тем более в прибрежных районах континентов. Масса океанских вод, имея среднюю температуру +3,8 ^о С, примерно в 300 раз превышает массу атмосферы, средняя температура которой - 17 ^о С, а удельная способность воды к нагреву в 3000 раз больше, чем воздуха. Одно лишь течение Гольфстрим, как известно, переносит значительно больше водной массы, чем все вместе взятые реки. К тому же океаны и моря - это и переплетение крупнейших транспортных артерий, кладовая колоссальных биологических и минеральных ресурсов. Так что серьезнейший интерес к нему вполне оправдан.

- Этот огромный природный объект уже давно и достаточно успешно изучают представители разных специальностей, за ним ведут наблюдения из космоса, в океане работают научно-исследовательские суда. Л какая роль отводится математическим исследованиям?

- Действительно, искусственные спутники Земли постоянно выдают почти синхронную информацию о поверхности Мирового океана. Через них тысячи плавучих буев сообщают о скорости ветра, течениях, температуре воды на поверхности или на определенной глубине. Богатые материалы предоставляют экспедиции, в частности Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН. Однако весь огромный и меняющийся объем сообщений наиболее адекватно можно представить только в виде математических моделей, на основе которых строят наглядные компьютерные карты. Наша основная цель - решение систем дифференциальных уравнений термогидродинамики, которые раскрывают законы сохранения массы и энергии в применении к конкретным морским и океанским бассейнам. С простыми задачами справляются обычные компьютеры, а в наиболее сложных случаях - суперкомпьютер Вычислительного центра РАН.

- Для того чтобы отразить в модели динамику вод Мирового океана и, тем более, давать прогнозы хотя бы на ближайшее будущее, недостаточно оценивать только поверхностные процессы. Важное значение имеют вертикальные перемещения водных масс и потоков энергии. Как вы все это взаимосвязываете?

- Прежде всего отмечу: сведений о глубинной части Мирового океана, конечно же, сравнительно немного. Более или менее надежные данные имеются о верхнем километровом слое. Буи, плавающие на разных горизонтах, периодически поднимаются к поверхности, передают информацию на спутник и снова опускаются. За последние полвека судовые наблюдения часто вели в пределах до 2 км. Силами многих стран была осуществлена масштабная международная программа по изучению циркуляции Мирового океана. Кроме того, в СССР в 80-е годы под руководством академика Г. И. Марчука проходил многолетний эксперимент "Разрезы". В его рамках экспедиции выполняли измерения в глубинах океана, выбирая наиболее активные и характерные регионы. Полученные материалы в виде математических уравнений мы экстраполируем на всю толщу до дна. Недостаток информации восполняем с помощью расчетов.

- Но, согласитесь, для нас, обитателей суши, наиболее интересны процессы, происходящие на контакте океана с атмосферой, влияющие на климат, погоду континентов. В сводках Гидрометцентра мы часто слышим о циклонах или потоках тепла, идущих из Атлантики. В какой степени их можно прогнозировать? И не требуются ли для этого очень детальные и дорогостоящие исследования, охватывающие акваторию океана целиком? Может быть, проще довольствоваться наблюдениями со спутников за перемещением воздушных масс?

- Постоянные наблюдения с кораблей - очень дорогое мероприятие. В этом и заключается преимущество математических моделей: они позволяют резко сократить такие работы, концентрировать их на самых важных, ключевых участках. Например, в программе "Разрезы" главное внимание уделялось Норвежской,

стр. 14

А- среднемноголетние значения скорости (см/с) Гольфстрима, рассчитанные по математической модели; В - вихревые потоки Гольфстрима в конкретный момент времени; С - аномалии уровня свободной поверхности (см) Северной Атлантики по наблюдениям со спутников на 3 июня 1996 г. Рельеф отражает влияние холодных циклонических (синие пятна) и теплых антициклонических вихрей.

Ньюфаундлендской, тропической зонам и Гольфстриму, т.е. Атлантике. Там наиболее интенсивен теплообмен между атмосферой и океаном, велика скорость течений, что сказывается на движении воздушных масс.

Для прогнозов погоды на ближайшие дни решающее значение имеют непосредственные наблюдения метеорологов, хотя и в этом случае проводят математическую обработку материалов. Но для среднесрочных предсказаний подобных сведений недостаточно. Атмосферные вихри примерно в 100 раз крупнее океанских. Однако продолжительность первых, как правило, 5 - 10 дней, вторые же сохраняют устойчивость месяцами, а то и годами, перемещаясь по акватории и оказывая значительное влияние на температуру, влажность, скорость и направление воздушных потоков. В энергоактивных зонах обнаружены квазистационарные, т.е. маломеняющиеся крупные антициклонические вихри, охватывающие толщу воды до глубины 500 м и более. Они работают как аккумуляторы, накапливая тепло летом и отдавая его зимой... Словом, математическая модель динамики Мирового океана должна учитывать множество разнообразных сведений и в перспективе все более детально описывать процесс его взаимодействия с воздушной массой для последующего прогнозирования. При этом наблюдаемые параметры - стартовый материал, а прогноз можно делать только с помощью уравнений, которые мы решаем.

стр. 15

Модель течений Мирового океана на глубине 50 м, составленная в ИВМ РАН. На шкале справа - скорость в см/с.

- За последние сто лет научная и, главным образом, научно-популярная литература большое внимание уделяет закономерным колебаниям погоды и климата, которые нередко связывают с солнечными ритмами. В математических моделях такие периодические процессы должны выявляться со всей определенностью. К примеру, считается, что от печально известного течения Эль-Ниньо, которое подходит к западному побережью Южной Америки, во многом зависят резкие изменения погоды ^* . Нет ли тут ритмичности, пульсации холодного течения?

- Ничего подобного не наблюдается. Полное название этого природного явления - Эль-Ниньо де Новидад ("младенец под Рождество") - отражает время, когда оно впервые наблюдалось особенно ярко. Однако так случается редко.

- Недавно промелькнуло сообщение о том, что на основе сведений о динамике вод Тихого океана построили математические модели, с помощью которых предсказали появление Эль-Ниньо...

- Такой прогноз зарубежные специалисты дали с немалой степенью неопределенности в январе 2002 г. на 3 - 6 месяцев. Успешный численный эксперимент по моделированию Эль-Ниньо выполнен в Институте вычислительной математики РАН. Он свидетельствует лишь о взаимосвязи процессов, происходящих в океане, но не о циклическом их характере. В научно-популярной литературе часто пишут: "Вот пришло теплое течение Эль- Ниньо, погода стала жаркой и начался мор рыбы". А ведь первопричина данного явления на самом деле связана прежде всего с динамикой атмосферы. Если нет устойчивого ветра, отгоняющего теплые поверхностные воды от берегов Чили, то последние застаиваются и нагреваются. Уменьшается количество кислорода и питательных веществ в верхних слоях океана, гибнет рыба, а следом и кормящиеся рыбой морские птицы. И виноват тут не "младенец под Рождество", а то, что ветры не сгоняют теплые воды. У специалистов, изучающих и моделирующих динамику Мирового океана, не вызывает сомнения: Эль-Ниньо и схожие с ним явления идут аритмично.

- Выходит, в данном случае совершается двойной обмен: атмосфера воздействует на океан и наоборот.

- В краткосрочном периоде - да. Но морские течения, по выражению выдающегося климатолога и географа А. И. Воейкова (1842 - 1916), - отопительные трубы глобальных масштабов. Скажем, без теплого "дыхания" Гольфстрима средняя температура воздуха в Санкт-Петербурге была бы на 20 - 30 ^o С ниже. Благодаря ему порт в Мурманске весь год свободен ото льда в отличие от Мариупольского на Черном море, расположенного на 3 тыс. км южнее.

- Итак, несмотря на колоссальный объем информации о динамике атмосферы и океана, а также сложнейшие математические модели, трудно ожидать значительных успехов в составлении более точных прогнозов изменений погоды и климата. Ведь четкие ритмы этих изменений не обнаружены, а циркуляция воздушных масс - прихотлива.

- Не совсем так. Важно, насколько наши модели адекватны реальным процессам. Предсказать погоду на один-три дня можно и без учета влияния океана. Но на более

^* См.: В. Л. Сывороткин. Откуда ты, "неукротимый младенец"? - Наука в России, 2001, N 3 (прим. ред.).

стр. 16

Модель течений Мирового океана на глубине 2500 м (составлена в ИВМ РАН). На шкале справа - скорость в см/с.

продолжительный период нельзя, так как многое зависит от формирующихся в океане тепловых аномалий. Надо выяснить, почему и как они образуются, как взаимодействуют с атмосферой, - механизм весьма сложен. Передача тепла происходит, например, при испарении: образовавшаяся вода в газообразном состоянии переносится в атмосферу и выделяет свое тепло. И уже совсем в другом районе, где возрастает влажность, формируются осадки. Подобные события можно математически моделировать, учитывать и в результате давать более точные прогнозы на недели, а то и месяцы.

- Тем не менее долгосрочные прогнозы остаются проблематичными, и, вполне вероятно, так будет и впредь.

- Думаю, ситуация изменится. За последние десятилетия вычислительная техника развивается бурно. Трудно представить, как она преобразится через 5 - 10 лет, какими станут суперкомпьютеры. Полвека назад, когда я начал использовать численные методы, на электрических машинах делал 1000 - 1500 операций в день. Сейчас на компьютере - миллиард в секунду.

- А чем принципиально отличается ваша математическая модель динамики океана от других?

- Мне удалось доказать: скорость и теплообмен морских течений зависят от совместного действия рельефа дна и градиента плотности. За идею пришлось воевать. Было очень непросто опубликовать свои выводы.

- Для мелководья такая закономерность, вроде бы, очевидна. Ну а если большая глубина: 2 - 4км и больше? Неужели и тогда сказываются сравнительно небольшие изменения рельефа дна?

- Глубина тут ни при чем. В любом случае наклон рельефа дна влияет на динамику всей толщи. Таким образом, градиенты температуры и солености воды и донной поверхности проявляются совместно. Если увеличивается или уменьшается один показатель, то аналогично меняется их совместное влияние.

- Однако считается, что океанские глубины инертны и практически не принимают участия в динамике поверхностных слоев.

- Это заблуждение. Ведь речь идет не о многослойном "пироге", как называют геологи осадочные массивы. Вода, даже медленно двигаясь, должна подниматься или спускаться по склону горы. Максимальная вертикальная скорость будет в нижней части потока, а в поверхностных слоях - горизонтальная. Сильное течение может быть и на дне: в некоторых местах так смыт осадочный материал, словно его тут никогда не было. Если, скажем, скорость Гольфстрима на поверхности составляет порядка 1 м/с, а у дна в 20 раз меньше, то и такой показатель достаточно высок.

- Итак, одну особенность вашей модели узнали. А еще?

- Мои расчеты скорости течений принципиально зависят от наблюдаемых значений температур и солености, причем собранных не только с поверхности океана или близкой к нему части (на этом основывается большинство моделей), но и от данных по всей толще воды.

- По-видимому, на динамике океана сказываются и изменения атмосферного давления?

- Влияют сильные перепады, которые бывают при ураганах, глубоких циклонах, а медленные, сред-

стр. 17

Перемещение буев на поверхности Мирового океана с 1978 по 1998 г. Синие точки - первоначальное положение буев, красные линии - траектории их движения.

ние за месяцы и годы - нет. Заметнее воздействие ветра. Специалистам известно: вес атмосферы аналогичен десятиметровому слою воды, а его изменения - всего лишь нескольким сантиметрам. А вот ветер способен поднять уровень моря на метр. Я имею в виду не волны, которые бывают и выше, а величину медленного нагонного устойчивого слоя. Но такие местные явления - сравнительно скоротечные. И они существенно не влияют на динамику Мирового океана. Другое дело - температура и соленость вод, о которых собран значительный объем данных. Большой массив информации имеется по скорости Гольфстрима. Однако и в этом случае для математической модели следует учитывать, как минимум, показатели температуры и солености всей Атлантики или даже Мирового океана. Тем более, что непременно надо знать горизонтальную и вертикальную скорости течений. По одним лишь фактическим материалам такие карты построить нельзя. Их можно составить только путем моделирования.

- Ивами выполнены такие карты?

- Да. Совместно с моими учениками созданы карты для поверхности океана и 30 горизонтальных плоскостей толщи воды.

- Но ведь динамика океана меняется со временем.

- Поэтому на основе многолетних наблюдений за температурой и соленостью воды мы создали карты сезонных и среднемесячных течений для Мирового океана, а также отдельно для Черного, Каспийского, Белого морей.

- Помогает ли это уточнять краткосрочные прогнозы погоды?

- К сожалению, нет, и в ближайшем будущем такая ситуация вряд ли изменится. Дело в том, что основная проблема тут - оперативность сбора необходимого объема информации. То есть, если вы хотите знать, какие течения в океанах будут через несколько дней, вам потребуются соответствующие сведения хотя бы за последнюю неделю и на сегодняшний день. Но их нет, не было и будут ли вообще когда-нибудь - сказать трудно. Иное дело - наши знания о состоянии атмосферы. На поверхности суши постоянно ведут наблюдения множество метеорологических станций, дополняющих данные, получаемые со спутников. Четыре раза в сутки во многих точках земного шара запускают шары-зонды, регистрирующие вертикальные параметры изменяющейся воздушной оболочки. Осуществляется оперативный обмен всей этой информацией, которую быстро обрабатывают компьютеры...

- Тем не менее прогнозы Гидрометцентра не всегда оправдываются.

- Ошибки и неточности, конечно, бывают - из-за невозможности учесть все общие и местные факторы, определяющие погоду. Что же тогда говорить о прогнозе динамики океана, информация о состоянии которого скудна, разрознена и получена в разные сроки!?

- Разумеется, работа над моделированием динамики Мирового океана чрезвычайно трудна. В теоретическом плане она помогает понять взаимоотношение двух, великих оболочек планеты - водной и воздушной. А какова практическая польза от таких исследований?

- Существует грандиозная задача: дать полное математическое описа-

стр. 18

График отклонения температуры океанской воды от средних значений у восточного побережья Южной Америки с 1950 по 1998 г., из которого видно увеличение Эль-Ниньо и уменьшение Ла-Нинья ("девочки", как называют приток холодных вод).

ние взаимодействия океана и атмосферы. Ее решение позволит с большой вероятностью прогнозировать изменения погоды и климата, морских течений и другие процессы. Модель ИВМ РАН может помочь, например, навигаторам Северного морского пути: зимой им надо знать, когда ждать освобождения ото льда, а летом - начало оледенения.

Или возьмем рыболовство. Как известно, косяки рыбы любят фронтальные зоны в океане, где велик перепад температур и солености по горизонтали. Глубинные воды, поднимаясь, приносят кислород и корм для планктона и далее по всей экологической цепи питания. Этот подъем называется апвелингом, в переводе с английского - "хлынуть вверх". На такие районы и ориентируется промысловое рыболовство. Очень важно знать, когда и где возникнет апвелинг. А определяется он именно взаимодействием атмосферы с океаном. Потому что поднимаются холодные воды чаще всего в том случае, если теплый слой сгоняется ветрами. В свою очередь, крупномасштабное движение воздушных масс зависит от состояния морских акваторий. Конечно, на основе математической модели нельзя дать капитану сейнера абсолютно верные координаты точки, где наиболее целесообразно ловить рыбу, хотя указать перспективный район можно.

И еще один практический аспект: для судов, находящихся в дальнем плавании, важно составление оптимальных маршрутов с учетом погоды, морских течений, волнения моря и другой спутниковой информации.

- Позвольте задать вам один личный вопрос. Вы, уроженец Нагорного Карабаха, разрабатываете модель Мирового океана, а значит, с полным правом можете считаться океанологом. У вас в детстве и юности была мечта о море?

- Не было. Меня рано привлекла математика. Кстати, моделирование морей и океанов провожу не я один. Этим занимается группа специалистов ИВМ РАН, где я работаю. Что касается меня, то, окончив среднюю школу, я поступил на физико-математический факультет Бакинского государственного университета. В то время АН провела широкий набор в аспирантуру, и меня в числе отличников направили в Москву; распределили в Геофизический институт. Геолог и геофизик, член-корреспондент АН СССР Ю. Д. Буланже сказал: "Нам нужны математики".

- Вам приходилось бывать в экспедициях?

- Немного. В Тихом океане, Японском и Белом морях. Полезно было увидеть великую стихию, познакомиться с методами наблюдений. Однако меня всегда интересовала не романтика дальних плаваний, а решение математических задач, связанных с познанием Мирового океана.

- Артем Саркисович, вы руководили рабочей группой РАН, разработавшей концепцию федеральной целевой программы "Мировой океан". Скажите коротко о ней.

- Над программой трудились более 40 крупных отечественных ученых. Ее значение, как мне представляется, очень велико. Реализация же позволит более рационально организовать морской промысел и навигацию, обеспечит укрепление обороноспособности страны на морских рубежах, гарантирует более надежную защиту населения, прежде всего прибрежных районов, от угрозы стихийных бедствий. Однако, к сожалению, состояние нашей сегодняшней экономики не позволяет пока получить, извините за тавтологию, большой экономический эффект.

Permanent link to this publication: