Как устроен глобальный океанский конвейер?

Как известно, мировой океан покрывает больше 70% поверхности Земли. Но до сих пор мы мало что знаем о его глубинах и обитателях. Однако научное сообщество точно знает, что океан оказывает огромное влияние на климат и погоду в разных частях света. Между тем, человечество зачастую забывает о существующих проблемах мирового океана, среди которых загрязнение водной среды, негативное воздействие повышения температуры океана, незаконное рыболовство и многие другие. Всё это может привести к необратимым последствиям. Поэтому сегодня как никогда громче должен звучат голос науки. Только научное сообщество способно ответить на сложные вопросы и вызовы. Как изменится климат в ближайшие 100 лет? К чему приведет повышение температуры океана? Какие меры необходимо предпринять уже сегодня? Эти и другие вопросы мы задали декану географического факультета МГУ, члену-корреспонденту РАН Сергею Анатольевичу Добролюбову.

— Какие проблемы Мирового океана проявляются особенно остро?

— Эти проблемы, в основном, связаны с воздействием природных изменений и антропогенной нагрузки на климатическую систему и Мировой океан. Как известно, глобальные изменения климата зависят и от природных, и от антропогенных факторов. В целом, океан — это среда, которую очень трудно вывести из равновесия, однако, сейчас равновесие сдвигается. За последние десятилетия выбросы двуокиси углерода в атмосферу привели к тому, что океан нагрелся на поверхности примерно на восемь десятых градуса.

Кроме того, увеличилась частота и экстремальность воздействий опасных природных явлений, связанных с океаном, и влияние на экономику и жизнь человека. Увеличивается количество тропических тайфунов, потому что океан теплеет, а значит больше энергии передается за счет взаимодействия океана и атмосферы в тропических широтах. При этом речь идет об ураганах катастрофических — 4-5 категорий. Увеличивается высота волн во многих регионах океана, в том числе и за счет того, что уменьшается площадь морского льда. Последнее явление сильно влияет, например, на разгон волн в арктических широтах. Если раньше океан в арктических широтах был покрыт льдом до 10 месяцев в году, то теперь период воздействия ветровых волн на открытой воде увеличился. А поскольку берега морей в арктических регионах сложены в основном мерзлыми породами, за счет таяния и сильного воздействия волн берег отступает сильнее, порой до 10 м в год. Это очень большая проблема, ведь мы всё время должны переносить наши метеорологические станции, расположенные на берегу, укреплять портовые сооружения.

Конечно, эпоха парусных судов, которые могла разрушить высокая волна, прошла. Но, тем не менее, даже современные корабли подвергаются воздействию волн и могут быть разрушены, также, как и нефтяные вышки. Всё это довольно опасно.

Ряд проблем, которые, возможно, в меньшей степени касаются России, проявляется в тропических широтах. Прежде всего, повышается уровень океана. Пока это повышение не очень сильное — около 20 сантиметров. Однако прогнозы неутешительные — к концу XXI века уровень океана может увеличиться до 1 метра. Это приведет к исчезновению территорий некоторых государств, расположенных на низменных островах в Тихом океане.

Еще одна важная проблема, о которой говорят не так много, связана с подкислением океана. Двуокись углерода не только влияет на количество солнечной радиации, приходящей к поверхности Земли. Частично, углекислый газ растворяется в океане, сдвигая карбонатное равновесие или рH океана. Из слабощелочного состояния он переходит к нейтральному, а впоследствии может стать и кислым. Если мы капнем уксусной эссенцией на кусок мела, он зашипит и исчезнет. То же самое будет происходить в океане. Сдвиг карбонатного равновесия приведет к деградации кораллов. Панцири и раковины некоторых организмов, состоящие из карбоната кальция, станут тоньше, а сами придонные обитатели будут болеть.

— Предлагает ли научное сообщество меры по борьбе с негативными явлениями в океане?

— Ясно, что негативные явления в океане связаны с общим процессом глобального изменения климата. На фоне природных периодичностей виден явный антропогенный сигнал.  Поэтому главное сейчас уменьшить выбросы двуокиси углерода, метана в атмосферу. К сожалению, ничего другого придумать нельзя. Как бы мы не относились к Грете Тунберг со всеми ее резкими высказываниями, общая идея об уменьшении негативного воздействия — правильная.  

Конечно, человечество пока к этому не готово. Нам нужно учиться существовать без выбросов двуокиси углерода и других парниковых газов.  

Научное сообщество предлагает, в том числе уравновесить влияние парникового эффекта: выбросить в стратосферу вещества, отражающие солнечную радиацию, заполнять пустоты и шахты соединениями углерода. Но такие методы требуют определенных технологий и финансирования. Поэтому необходимо изменить структуру нашей энергетики. Во-первых, сделать более энергетически эффективными наши автомобили, вообще весь транспорт, отопление; перейти на альтернативные источники энергии.

— Океан считается главной частью климатической системы. Только ли дело в его объеме на планете или речь идет о более сложных механизмах?

— Действительно, у океана, у воды в целом, теплоемкость гораздо больше, чем у воздуха. По сути, трехметровый слой океана равен по теплоемкости всей атмосфере. А поскольку средняя глубина океана 3,7 километра, то теплоемкость океана в 1000 раз больше, чем у всей атмосферы Земли. Поэтому в атмосфере все изменения происходят быстро. Океан, напротив, очень сложно вывести из равновесия.

Еще медленнее изменения проявляются в ледяном покрове Антарктиды, Гренландии. Но масса ледников мала по сравнению с массой океана, поэтому их воздействие гораздо меньше.

Океан — это некий термостат, который поддерживает общую глобальную температуру. 90% лишней тепловой энергии, которую сейчас получает климатическая система за счет антропогенных выбросов, депонируется в океане. Проявления потепления наблюдаются даже в придонном слое на глубинах несколько километров. Помимо этого, не менее 30% антропогенной двуокиси углерода также усваивается океаном, что приводит к подкислению и повышению уровня океана.

— Среди аудитории распространяется точка зрения о том, что глобальное потепление может изменить направления океанских течений. Насколько это возможно?

— Современные численные модели показывают нам, что будет с климатом через 50-100 лет. На океанские течения климатические изменения повлияют незначительно. Правда, немного замедлится меридиональная циркуляция в океанах. Этот механизм обеспечивает сегодня передачу тепла из экваториальных широт в полярные и поддерживает переброс энергии с Южного полушария в Северное.

Напомню, что Атлантика устроена так, что она получает дополнительное тепло из других океанов — из Тихого и Индийского. Это тепло в результате образования циклонов в умеренных широтах поднимается в атмосферу и благодаря западному ветру приходит в Западную Европу и затем в Россию. Из-за этого в Европе на 10 градусов теплее, чем на атлантических побережьях Канады, расположенных по сути на тех же самых широтах.

Именно это дополнительное тепло может в ближайшие 50-100 лет уменьшиться. На 20-30% может замедлиться меридиональная циркуляция. Но Гольфстрим не изменит своего направления, разве что немного сместится по широте. Его интенсивность может слегка измениться, но структура течения все равно останется.

Останутся пассатные ветра, которые гонят воду в тропических широтах от Африки к Америке. Останутся западные ветра, и, соответственно, течение вокруг Антарктиды.

Конечно, изменения в Арктике, уменьшение площади льда к концу XXI века могут повлиять на характер течений в Северном Ледовитом океане. Сейчас течения проявляются лишь под слоем льда, но из-за таяния они могут выйти на поверхность.

— Как эти изменения влияют на океанские экосистемы, на жизнь морских обитателей — рыб, водорослей?

— Большинство видов в океане, конечно же, привыкли жить в определенном диапазоне температур, солености и других параметров. Самый простой пример — нерест рыб, который, как правило, происходит на мелководье.  Из-за повышения уровня воды привычные места для нереста становятся глубоководьем, и рыбам приходится мигрировать в другие подходящие районы.  

Появляется всё больше научных работ, посвященных изменениям биогенных веществ, которые очень важны для морских организмов. Сценарные расчеты говорят о том, что тропические регионы уменьшат свою продуктивность, а полярные регионы, которые будут освобождаться ото льда, свою продуктивность, напротив, увеличат. Например, в России продуктивность некоторых морей, особенно северных, увеличится.

Вопрос в том, как мы эти ресурсы используем, нет ли перелова?  Сейчас всё чаще возникают спорные вопросы, связанные с выполнением принципов так называемой Конвенции по морскому праву. В 70-е годы ХХ века государства мира разделили шельф на участки, принадлежащие конкретным государствам. Там нельзя ловить рыбу или добывать полезные ископаемые, за исключением случаев подписания конкретных договоров. Поэтому самые плодородные регионы океана, например, у побережья Мавритании, Западной Сахары, Чили, Исландии, Норвегии, принадлежат конкретным государствам. Каждое государство оберегает свою так называемую двухсотмильную зону. В этом случае создаются безопасные условия для научно обоснованного вылова рыбы, в соответствии с определенной квотой по каждому виду ресурсов.

А странам, которые не имеют богатых шельфов, выходов в море, приходится уходить в другие регионы, например, в Антарктиду, где обитает много вкусной рыбы и знаменитый антарктический криль. Но чтобы дойти до Антарктиды, нужно месяц плыть в одну сторону. В советское время топливо стоило дешево, в стране был большой флот, который ходил к Антарктиде. Сейчас ситуация иная.

Именно поэтому важно искать новые богатые районы для промысла и развивать морскую биологическую науку. К сожалению, в России сейчас очень мало научных рейсов ходят в антарктические районы. А без этого невозможно изучать перспективные регионы.  Кстати, из криля можно делать не только плавленый сыр «Коралл», который некоторые любят, но и использовать его для корма. Например, самые плодородные регионы океана находятся в районе Чили. Здесь ловят в основном анчоуса, который не используется в качестве пищи для человека, а идет на рыбную муку для птицефабрик.

— Как решается проблема криминального рыболовства?

— Проблема законодательства существует, в том числе и в России. Казалось бы, самые плодородные моря — Баренцево, Охотское — дают половину вылова России, однако, как известно, этот улов до населения страны не доходит. Многие пытаются сдать его в иностранные порты, в Корею, в Японию, где за эту рыбу дадут больше денег.

С другой стороны, можно и людей понять: если есть налоговые и законодательные дыры, то рыбаки будут отправлять рыбу туда, где больше платят. Это очевидно.

Конечно, рыбная отрасль нуждается в больших инвестициях. В целом, флот довольно старый, новых судов мало, промысел дорогой, как и топливо. Это большая проблема для многих стран.

Кроме того, есть виды, которые запрещены к вылову. Например, существует Конвенция по запрещению вылова китов. Сейчас закон разрешает вылов морских животных только для коренных народов Севера. Однако Япония в 2019 г. возобновила вылов китов. А ряд стран настаивают на снятии запрета. Вообще говоря, это чудесное животное. Когда плывешь на надувной лодке где-нибудь возле Антарктиды, и кит, который в три раза больше этой лодки, прыгает вокруг, машет хвостом, это незабываемо.

— Какие международные соглашения в области океанологии вы считаете наиболее эффективными?

— Если говорить о научных учреждениях, то, в первую очередь, стоит упомянуть Всемирную метеорологическую организацию, а также Межправительственную океанографическую комиссию, которая создана под эгидой ЮНЕСКО. Они курируют наиболее важные международные исследовательские проекты в океане. Помимо этого, нельзя не сказать о Межправительственной группе экспертов по изменению климата, участники которой каждые 5-6 лет представляют отчеты, а также делают прогнозы о том, что будет с климатом, с океаном, с криосферой.

В целом океанология — достаточно дорогая наука. Тем не менее, международные организации, курирующие, например, рыболовство, активно работают и создают определенные рекомендации по квотам вылова в том или ином регионе.

Конвенция по сохранению морских птиц и их гнездовий, например, активно работала во время строительства части Северного потока-2. Я также принимал участие в такой экспертизе. Перед нами стояла сложная задача — сохранить на островах, мимо которых проходит труба, гнездовье редких птиц. Например, строителям запрещалось иметь собак, особенно в период, когда рождаются птенцы.

Один из важнейших международных документов — конвенция по запрещению сброса нефти с борта судна. Не секрет, что многие торговые суда промывают танки после отгрузки морской водой, и эту воду сразу же за собой выливают. К счастью, сегодня каждая доля нефти имеет свой определенный набор металлов, например, в присадках. Поэтому судно, сбросившее нефтяной слик, сразу будет опознано и оштрафовано.

— С начала XXI века появились ли новые направления в океанологии? Какие из них сегодня наиболее востребованы среди ученых?

— Конечно, технологии изучения океана изменились во всех областях. Во-первых, в сфере морской биологии стал применяться экосистемный подход. Мы рассматриваем не просто отдельную рыбу и акваторию ее обитания, а всю экосистему, то есть пищевую цепь. Это и фитопланктон, и зоопланктон, и рыбы, и хищники, и морские млекопитающие. Мы больше знаем о балансе вещества в океане: сколько поступает углерода, как он расходуется, как он связывается в морских осадках. А подводные спускаемые аппараты позволили нам установить масштабы подводного вулканизма, увидеть абсолютно уникальные организмы, которые живут на «черных курильщиках».

И конечно, нельзя не упомянуть математическое моделирование. Современные компьютеры дают достаточно хороший прогноз того, что будет с океаном через 10, 20, 30 лет.

Пришел в океанологию и анализ соединений и изотопов, помогающих определить источник водной массы, ее возраст. Если раньше мы мерили температуру, соленость и содержание кислорода, то теперь мы анализируем содержание радиоуглерода, трития, бериллия, стронция и так далее. Это могут быть и продукты ядерных испытаний прошлого столетия, результаты воздействия космических лучей на компоненты атмосферы или знаменитые фреоны, используемые в качестве хладагента в холодильниках или аэрозольных баллончиках. Кстати, фреон разрушает озоновый слой, что приводит к возникновению озоновых дыр. Но для океанологов фреон выступает в качестве свидетеля того, когда вода теряет контакт с атмосферой. Можно с точностью до месяца определить, когда этот контакт с атмосферой был утрачен, поскольку фреоны в определенные периоды времени использовались разные. Определив в пробе воды соотношение одного и другого типов фреона, мы можем сказать, когда эта вода погрузилась в глубинные слои с поверхности океана, сколько лет ей нужно было, чтобы дойти до конкретной точки.  

Важно то, что мы пришли к пониманию роли океана в климатической системе. Мы знаем, как работает глобальный океанский конвейер, как происходит погружение глубинных вод в Северной Атлантике, возврат теплой воды через Австрало-Азиатские моря, Индийский океан и к югу от Африки. Это дополнительное тепло позволяет Европе и России в целом жить в более теплом климате.

Большой вклад внесли спутники. Они обеспечили глобальное покрытие на всех широтах и предоставили возможность работать сразу с многими параметрами. Спутники показали истинный уровень океана, течения, впадины и подъемы рельефа. Благодаря спутниковым данным нам удалось посчитать продуктивность воды по концентрации хлорофилла. Спутники дали ответ на вопрос, какова максимальная высота волн в океане.

Конечно, технологии изменились. Благодаря этому изменился и наш взгляд на океан. Любая наука строится на улучшении технологий сбора данных, а за сбором данных идет новая теория. На основании новой теории мы больше узнаем об океане, разрабатываем новые технологии, которые вновь дают качественный скачок по количеству и качеству данных. Это постоянный круговорот. Новые данные, лучшие технологии их сбора, новая теория. Снова и снова.

— Изменилось ли образование в сфере океанологии?

— Океанология очень своеобразна с точки зрения образования. Во всем мире океанология делится на биологическую океанологию, которая изучается на биологических факультетах, на физическую океанологию как таковую и на геологическую океанологию. Существует также химическое направление, но оно развивается на стыке всех трех типов.

В нашей стране океанология обычно изучается на географических факультетах. И каждый подход имеет свои плюсы и минусы. Многие из отечественных океанологов имеют географическое образование. И это, в некоторое степени, преимущество, ведь география охватывает самые разные направления. Я понимаю, например, как работает пищевая цепь, как ведут себя экосистемы, какие породы расположены на дне океана, как ведут себя «черные курильщики» и так далее. При этом, я получаю знания о поведении течений, о том, как они формируются. Отечественный подход мне ближе. Океанологу, получившему широкие знания, проще понимать аспекты выбранной узкой области.

На мой взгляд, количество океанологов в стране недостаточное. Это связано в первую очередь с тем, что вузы, которые готовят океанологов, можно пересчитать по пальцам. Конечно, есть просто физики в любом классическом университете, которые могут потом переквалифицироваться и исследовать вопросы, связанные с океанологией. Надо сказать, что среди океанологов есть шутка: оттого, что птицы летают в воздухе, никто из орнитологов не считает себя метеорологом или физиком атмосферы. А все те, кто занимается рыбами, подводными лодками, минеральными ресурсами дна, морской геополитикой, считают себя океанологами.  

— Каковы прогнозы компьютерного моделирования? Что будет с нашим океаном и планетой, если мы не будем уделять внимание проблеме глобального потепления?

— Позитивный прогноз реализуется, если мнением ученых не будут пренебрегать. Современное поколение, и особенно политики, должны прислушиваться к рекомендациям ученых. Взять, например, проблему сброса мусора. Пока она не касается конкретно вас, вы ее игнорируете. Но если возле вашего дачного участка выбросили машину мусора, вы злитесь и пытаетесь призвать причастных к ответу.

Прямо сейчас все активно обсуждают проблему распространения пластика в океане. Пластиковый пакет, плавающий в океане, полностью разлагается за 450 лет. Но за счет воздействия света и волн этот пластик превращается в микрочастицы, которые затем попадают в воду, которые мы пьем, в нашу пищу. В среднем, в организме каждого человека около 4 грамм пластика, попавшего в основном вместе с морепродуктами, поваренной солью, которую мы добавляем в пищу.

Осознание проблемы и воздействие на политиков — важнейшие условия положительного исхода в решении этого глобального вопроса. Всё это требует инвестиций и законодательной инициативы, поскольку побережья должны быть общенациональным достоянием, и за ними должны следить со всех сторон и резко выступать против любого загрязнения или опасного неконтролируемого использования.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук.