Система океан – моделирование океана

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Математическое моделирование процессов и явлений окружающего нас мира в период научно-технической революции закономерно пришло на смену поискам эмпирических связей между явлениями, распознаванию и разгадыванию отдельных закономерностей. И в то же время в этом воплотилась древняя мечта людей не только познавать мир, но и провидеть будущее, путешествовать по давно минувшим эпохам. Математические уравнения позволили не только связать явления между собой, но и проследить их динамику, понять их развитие.

На смену привычному образу — «планета Океан» идет новое понятие — «система Океан». А хватит ли наших знаний об океане для ненасытных потребностей создания больших моделей? Не правда ли, необычная постановка вопроса сегодня, когда океанология занимает одно из первых мест среди наук по числу и значению открытий? Но такую постановку вопроса диктуют новые задачи.

Характерны в этом отношении беседы со специалистами. Вместо того, чтобы быстро перечислить наиболее эффективные новости последнего периода, ученые задумываются, стараются взглянуть на свою науку в целом, стремятся определить ее уровень в свете новых критериев.

Не мода, а реальная возможность

— Сейчас очень модно говорить о системном подходе. В науке, в технике, в организации, администрации…— это сказал Александр Петрович Лисицын, морской геолог.— Раньше говорили, например: закономерности осадкообразования, а теперь — модель осадкообразования!
— А разница есть? — я задаю вопрос почти риторический.
— А откуда берутся осадки в океане? — отвечает он вопросом на вопрос.
Это я знаю! Читал. И потому смело отвечаю:
— Подавляющая масса осадков на дне океана образуется за счет «твердого стока» — выноса частиц пород реками.
— Мой собеседник усмехается:
— Не совсем так. Как и во всех главных наших представлениях об океане, за последние пятнадцать — двадцать лет здесь тоже произошли большие перемены. Реки действительно выносят в океан огромное количество твердого материала. Но эти частицы, оказывается, остаются в дельтах рек, создавая колоссальные «осадочные тела».

За минувшие годы океанологи сумели создать приборы, провести многолетнюю проверку и установить, что добрую половину осадков в открытом океане обеспечивает… ветер! Это он, Эол древних греков (отсюда термин: эоловые поступления), переносит «по кусочкам сушу» на тысячи и тысячи километров. Пропуская многие драматические эпизоды, связанные с разрешением кардинальных проблем морской геологии, обращаюсь к «хэппи энду». В самые последние годы, кажется, концы стали сходиться с концами. Стали вырисовываться контуры грандиозной картины величественных, строго логичных, замкнутых в едином цикле движений литосферы. И в этот единый цикл оказались полностью включенными все участки земной коры: как на суше, так и под океанами.

— Как же выглядит эта картина сегодня?
— Начнем опять-таки с осадков. Итак, происходит вымывание и выдувание твердых частиц суши. Эти терригенные осадки (от латинского «terra» — земля) поступают в океан и, смешиваясь с биогенными остатками — остатками жизни, населяющей водные глубины, образуют донный покров. Но падают они не на неподвижное дно, а как бы на конвейер, движущийся от мест выхода базальтов — от срединных хребтов, в сторону материков. Таким образом, дно «изготавливается» буквально на наших глазах: «подстилка» выходит из глубин планеты и по мере движения одевается осадочными породами. Приближаясь к материковой глыбе, донная плита толкает ее, но, во-первых, материк не столь мобилен, а во-вторых, ведь его с другой стороны толкает «конвейер» другого океана.

Есть и третья могучая сила, влияющая на материки — сила инерции, возникающая от вращения планеты. Дну океана «некогда», оно «подныривает» под материк. А поднырнув, приподнимает его, компенсируя, таким образом, то, что снесли с суши ветер и реки. А материк в результате этих сложных усилий совершает извилистый путь по поверхности Земли. Кстати, слово «дрейф» очень соответствует такому виду движения.

Теперь вы понимаете, почему мы, геологи, можем утверждать, что для нас системный подход, создание модели глобальной тектоники не мода, а реальная возможность, даже более того — необходимость?

— Признаться, еще не очень…
— Хорошо, еще пример. Что требуется, чтобы создать хорошую модель? Достаточное количество информации, переведенной на математический язык, и хорошая машина. Все это мы имеем. Но, кроме того, у нас есть еще то, чего пока не имеют коллеги в других областях океанологии,— полное замкнутое кольцо планетарных движений литосферы.
— Когда же модель заработает?
— Уже работает. С помощью модели мы быстрее и полнее, глубже познаем разнообразные процессы тектоники дна океана, пытаемся прогнозировать образование рудоносных пород, точнее определяем связи и взаимовлияния тектонических и энергетических процессов в океане. И с каждым годом наша модель, получающая все новую и новую фактическую информацию, становится все «умнее» и «эрудированнее».

Химический комбинат океана

Огромная «колба» Мирового океана! Почти все элементы периодической таблицы… Миллионолетнее воздействие могучих космических сил: световой и тепловой энергии Солнца, гравитационной энергии межпланетного притяжения. Плюс собственные силы планеты: геотермическое тепло, волны и ветры на поверхности океана, течения и противотечения. Беспрерывная работа 35 миллиардов тонн живого населения океана — дышащего, пожирающего, усваивающего, рождающегося, погибающего, разлагающегося.

Нет, это не колба, это грандиозный химический и биохимический комбинат, в котором вершатся одновременно миллиарды реакций! Реакций взаимосвязанных, взаимоисключающих, длящихся и доли секунд и века. Где взять столько чисел, формул, чтобы описать эту вселенную?! Хватит ли всех компьютеров планеты, чтобы предпринять попытку создания химической модели океана? А главное, совершенно ясно, что всей массы наших знаний ничтожно мало для того, чтобы описать математическим языком химическую жизнь океана во всех необходимых подробностях и деталях, прежде чем завести эту информацию в машину.

Все эти сомнения я высказал заведующему отделом химии Института океанологии профессору Эсперу Александровичу Остроумову.

— Океан, с точки зрения химика, далеко не хаотичен,— сказал мой собеседник.— Да, в нем действительно все так или иначе взаимосвязано. Однако, приняв разумный допуск обобщенности, упрощения, мы легко можем выделить основные, главные события и закономерности.

Прежде всего, скажем о великом круговороте элементов в системе «океан — суша — океан». Главные поступления элементов в океан идут за счет речного стока и ветровой эрозии горных пород суши. А горные породы сложились в результате осадкообразования в древнем океане, покрывавшем нынешнюю сушу. Океан, в сущности, являет собой транзитную зону, в которой все идет вниз, на дно, к успокоению, к стабилизации. И если придонный ил весьма активен в химическом отношении, то конкреции, лежащие ниже ила, это уже «успокоившийся» продукт химических превращений. Он лежит там и ждет своего времени. Той эпохи, когда волей Плутона и Нептуна дно нынешнего океана окажется сушей.

— Что же эта картина дает для создания химической модели?
— Очень много! Для того чтобы понять общие закономерности этого великого круговорота, людям потребовались века наблюдений, исследований, экспериментов. А получив такую схему, уже не так трудно стало вывести ее математические формулы.
— Но ведь этого мало. Надо знать, какие химические реакции протекают в круговороте элементов. А их такое грандиозное число!
— И здесь тоже мы можем выделить главные реакции, систематизировать процессы.

Дело в том, что основополагающими диктаторами в химической жизни океана являются кислород и сера. Два этих исключительно активных элемента дают кислотные и основные соединения, четко разделив сферы влияния. Причем партнеры этих элементов делятся на «серолюбцев» и «кислородолюбцев». Правда, есть и такие, которые служат «и нашим и вашим», например железо. Образно говоря, в океане существуют две главные химические державы. «Государство серы» — это прибрежные районы Мирового океана и глубокие слои придонного ила. «Кислородная страна» — центральные части океанов и тонкий верхний слой придонного ила.

— Видимо, жизнь этих держав может быть смоделирована?
— Именно так. От начала до конца. Наш отдел уже разработал модели главных химических превращений серы и кислорода. Есть и первые практические результаты — мы раскрыли тайну возникновения конкреций, этих странных образований на дне океана, столько лет волновавших исследователей.

Иными словами можно сказать, что для создания большой химической модели океана мы располагаем двумя основными блоками, которые в то же время и сами по себе представляют неоспоримую научную и практическую ценность.

— А как бы вы суммировали главные цели и задачи создания химической модели океана?
— Прежде всего, модель значительно ускорит процесс познания химии моря, позволит нам переходить к объяснению более тонких сложных систем, которые мы сейчас «выносим за скобки». Вот, например, я сказал о круговороте элементов и его генеральном направлении суша — океан — суша. Но ведь мы знаем и об обратном направлении. С поверхности океана испаряется вода, вместе с ней ежегодно в атмосферу поступает огромное количество химических элементов и соединений. Ветры уносят эти испарения на сушу, где они выпадают вместе с дождями и снегом. Об этом мы еще мало знаем.

Вспомним о том, что в великом круговороте элементов участвуют и живые обитатели океана. Сколько важнейших для практических нужд людей закономерностей в распределении необходимых для обитателей океана видов питательных веществ раскроет перед нами большая химическая модель!

А дальше людям предстоит решение проблем, которых мы пока просто не касаемся. Известно, что многие морские организмы способны создавать в своей крови концентрации меди, ванадия, кобальта, йода, железа, олова, свинца и других элементов, в тысячи раз превышающие концентрацию их в окружающей среде. Многие наши «сухопутные» полезные ископаемые такого океанского биологического происхождения. Словом, как это нередко бывало, новая ступень познания раскрывает перспективы, которые представлялись до того фантазиями.

Из чего сделан океан?

На обложке книги профессора А. С. Саркисяна изображена карта Мирового океана. Только окраска воды не синяя, как на обычных картах, а прозрачно-темно-зеленая — натуральный цвет моря.

Светлые контуры материков, темные пятна океанских впадин, призрачные ленты течений. Их много: Гольфстрим, Ойясио, Куросио, Экваториальное течение, Перуанское, Бенгальское, Нордкапское, Циркумполярное…

Если долго-долго смотреть на такую карту, начинает казаться, что глаз улавливает беспрерывное сложное движение и этих великих рек, и их подводных двойников-противотечений. А между ними на бескрайних водных просторах движутся гигантские кольцевые течения — ринги. И так весь океан, каждая его частица — в движении.

О чем мы говорим? О большой действующей модели термогидродинамической жизни океана. Что же движет воду, рождает, питает, стимулирует течения? Если миновать все «промежуточные инстанции», придем к главной — к Солнцу. Иногда океан называют гигантской тепловой машиной, приводимой в движение энергией Солнца.

Подобную модель вполне возможно перевести на язык математики, и машина рассчитает любое состояние Мирового океана в любой момент времени, в любой географической точке.

Однако так же, как и мелкомасштабные карты, они могут ответить лишь на самые общие вопросы. А для науки, для практики, для повседневного общения человека с океаном требуются модели более крупных масштабов. Действительно, ведь даже самые малые отклонения струй Экваториального течения, приводящие к повышению температуры воды у берегов Перу и Эквадора на 3—5 градусов, приносят ощутимые бедствия этим странам. Речь не об ураганах или иных катаклизмах. Меняется температура прибрежных вод, меняются пути рыбы, нарушается привычный ход рыбной ловли — традиционного промысла населения, перестают гнездиться морские птицы и т. д. Прогноз подобных обычных для любого течения «поступков» необходим. Но только для этого нужны модели гораздо более «крупномасштабные».

Артем Саркисович Саркисян, один из крупнейших современных теоретиков движения океанских вод, так сформулировал задачу:

— Конечная на данном этапе цель — создание общей термогидродинамической модели океана. Такая модель должна позволить нам описывать динамические процессы в океане, начиная с системы течений планетарных масштабов и кончая капиллярными волнами на поверхности воды, мелкомасштабной турбулентностью и недавно открытой так называемой «микроструктурой» толщи океана.

А потом мы говорили о нынешнем состоянии «строительства» этой модели. Принцип общий — как и у химиков, здесь тоже создаются отдельные блоки: модели наиболее важных явлений термогидродинамической жизни океана. Как раз этому и посвящена последняя монография моего собеседника.

Если Солнце является «первоисточником», то какие силы непосредственно определяют судьбу стационарных и сезонных течений? Какова, так сказать, иерархия этих сил? Их взаимодействие, взаимовлияние? Эти вопросы более или менее выяснены. Однако разные ученые устанавливают различные порядки главенства этих сил, и поэтому существуют различные диагностические и прогностические расчеты, с помощью которых моделируются течения поверхностные, подводные, различные вихри и другие формы движений воды в океане.

Автор: М. Баринов.