Этот неизвестный океан. Как работают приливы, рождаются шторма и живут невидимые создания в морских глубинах - Александр Осадчиев

Рис. 3.Спутниковые измерения поверхности океана

Итак, в океане очень сложно и дорого проводить измерения. Может быть, его получится описать с помощью математических уравнений? Может быть, не нужно ничего измерять, а можно просто все рассчитать? Действительно, еще в XIX веке были выведены уравнения Навье – Стокса, которые с высокой точностью описывают, как течет вода на нашей планете, в частности в океане. К сожалению, эти уравнения однозначно решаются лишь для самых простых случаев. Например, с их помощью несложно рассчитать, что было бы, если бы на нашей планете вообще не было бы суши, дно океана имело бы везде одинаковую глубину, и на океан не было бы никакого внешнего воздействия. Но когда появляются материки, острова, неоднородные глубины, уравнения становятся нерешаемыми в обычном смысле слова. Их можно решить численно, то есть отыскать приближенное решение с помощью компьютера, и чем мощнее будет компьютер, тем точнее будет решение. При этом в океане еще очень много других сложностей – даже для численных решений, не говоря уже об аналитических. На океан неравномерно воздействует ветер, воды охлаждаются и нагреваются, на поверхностный слой океана влияют атмосферные осадки и испарение, в океан впадают реки, притяжение Луны и Солнца формирует приливы – происходит множество процессов, которые совершенно невозможно описать простыми уравнениями. А сложные уравнения либо решаются с большими погрешностями, либо требуют недостижимых вычислительных мощностей.

Итак, океан изучать очень сложно и дорого, и поэтому в океанологических исследованиях сохраняется сильная координация между разными направлениями. Что это за направления? Океанология (как и весь мир, по мнению древних людей) стоит на трех китах. Во-первых, физике моря. Физика моря изучает, как течет вода: от крупномасштабных течений и приливов до волновых процессов и турбулентности, а также как вода взаимодействует с атмосферой, сушей и морским льдом. Эта информация очень важна для двух других ключевых разделов океанологии – морской биологии и морской геологии, – так как именно физика моря описывает общие условия морской среды. Морская биология изучает живые организмы, обитающие в океане, на его поверхности, в толще воды, на морском дне и даже ниже – в самом морском дне, то есть в толще донных осадков. Морская геология изучает состав и строение земной коры под океанами, историю и развитие дна всей впадины Мирового океана, полезные ископаемые и условия их формирования, а также осуществляет их поиск, разведку и разработку. Морская геология изучает морское дно и морские берега, их строение и эволюцию под воздействием внешних условий, а также перенос вещества морской водой, которое потом формирует дно и берега моря.

У этих трех основ есть разные ответвления. С физикой моря тесно связана математика, а именно гидродинамика, которая математическими методами (а не измерениями) описывает движение воды в разных условиях. Во всех направлениях океанологии очень важное место занимает численное моделирование, в особенности в физике моря. Вычислительная математика обеспечивает теоретическую базу для численного моделирования. Еще одно ответвление – это химия океана, которая изучает как химический состав и процессы в морской воде, так и химические взаимодействия между морской водой, атмосферой, морским дном и морскими организмами. Геофизика – важное ответвление морской геологии: она изучает внутреннюю структуру и физические свойства Земли под морским дном, посылая и принимая различные сигналы: сейсмическими, гравиметрическими, магнитометрическими, электромагнитными, геотермическими и другими методами.

Одна из глобальных задач океанологии заключается в предсказании климата Земли, который очень сильно зависит от того, что происходит в океане. Предсказание климатических изменений – это фактически взгляд в будущее, возможный только с помощью численных моделей. Вначале создается модель и настраивается таким образом, чтобы правильно воспроизводить то, что было в прошлом. После того как исследователям удается убедиться, что модель достоверно работает в прошлом и настоящем, ее запускают считать, что же будет в будущем.

Одна из важнейших особенностей океанологии, как и вообще наук о Земле, заключается в том, что они изучают реально существующий объект – Мировой океан. Все гипотезы и теории, которые строятся в океанологии, имеют смысл, только если они описывают процессы, реально происходящие в океане. Так и численное моделирование океана имеет смысл, только если оно достоверно воспроизводит процессы в океане. Любые результаты моделирования – и те, что кажутся правдоподобными, и неожиданные – необходимо подтвердить натурными измерениями, то есть непосредственными инструментальными измерениями в океане. Иными словами, необходимо убедиться, что результаты моделирования действительно существуют в природе.

Стоит отметить, что именно неожиданные, принципиально новые данные имеют особую ценность для науки, куда большую, чем подтверждение того, что все и так предполагали с большей или меньшей уверенностью. И в этом плане натурные измерения – процесс куда более надежный. Если что-то новое (остров, течение, вид животного) открыто в результате натурных измерений, то это достоверный факт, который реально существует в природе. Если же что-то новое открыто в рамках математической теории или численного моделирования, то оно обязательно должно быть подтверждено измерениями и наблюдениями. Именно поэтому океанология строится в первую очередь на натурных измерениях непосредственно в море.

Итак, натурные измерения важны, но при этом они, как правило, очень дорогостоящие. Чаще всего они производятся с морских судов, а судосутки (то есть сутки работы корабля вместе с экипажем) стоят очень дорого. Например, работа больших российских научно-исследовательских судов стоит несколько миллионов рублей в день. А теперь представьте, что вам необходимо проводить измерения в течение недели в центральной части Атлантического океана. Неделя на работу, еще несколько недель на то, чтобы прийти в район работ из порта и уйти назад в порт – набегают десятки миллионов рублей. Поэтому экспедиционная океанология – очень дорогое удовольствие.

А много ли удастся намерить за неделю? Работы на отдельной станции занимают час или несколько часов: время зависит от количества разных работ (зондирование океана, отбор проб воды, грунта и морских организмов) и от глубины океана в этой точке. Если нужно сделать только самые стандартные измерения температуры и солености от поверхности до дна моря, то в местах, где глубина моря – 100 метров, это займет около получаса, а на глубинах в несколько километров – до 3–5 часов. За сутки в таком режиме, с учетом переходов между станциями, получается сделать не больше 5–10 станций, а если работать в глубоководных районах, то не больше 1–2 станций. Итак, за неделю у вас может получиться сделать измерения всего в паре десятков точек в океане, а потрачено на это будет пара десятков миллионов рублей. Именно поэтому на научных судах ученые работают