|
Сто великих загадок природы Николай Николаевич Непомнящий
Тайны неживой природы
Великий метеоролог — океан
Погода зарождается в Мировом океане. Как это происходит? Чтобы найти ответ, ученые используют весь арсенал современной техники — от крупных научно-исследовательских судов до специальных буев. Собранные данные позволят когда-нибудь прогнозировать погоду на несколько лет вперед.
«Мы думаем, что скоро это удастся», — говорит Эрнст Майер-Раймер. Таких специалистов, как он, во всем мире наберется лишь два с половиной десятка Эти люди занимаются созданием глобальных моделей климата. Речь идет ни много ни мало о предсказании погоды на целых полгода вперед! Как подобает ученому, Майер-Раймер немедленно уточняет сказанное:
«Конечно, мы и впредь, встречая новогодний праздник, не в силах будем сказать: пятого августа после обеда будет солнечный, теплый день. Зато мы сможем уверенно заявить лето будет жарким и сухим. Вероятность такого события — 70 процентов».
Но даже это уверение звучит как сенсация! Любой фермер, думающий об урожае, любой «белый воротничок», загодя планирующий отпуск, хотел бы знать, каким будет лето — жарким и сухим, сырым и прохладным или же так себе, «середина на половину» Миллионы людей, располагай они точными прогнозами, постарались бы изменить свои планы. Целые отрасли промышленности (например, текстильная) развивались бы иначе, если бы можно было знать, что будет летом, а какие сюрпризы преподнесет зима
Сотрудники Германского центра моделирования климата разрабатывают все новые схемы, в которые пытаются втиснуть поведение океанов и атмосферы. Самый большой успех ожидал их четыре года назад, когда удалось предсказать приближение «Эль-Ниньо». Катастрофа разразилась в конце 1997 — начале 1998 года. Тогда почти все части света охватило ненастье. В Северной Австралии и Юго-Восточной Азии разразилась засуха. На Южную Америку обрушились мощные ливневые дожди. Все это не застало людей врасплох. О климатической смуте ученые узнали заранее — за год с лишним до грянувших перемен.
Итак, долгосрочные прогнозы — вещь вполне реальная, и залогом тому — не только мощь современных компьютеров. Метеорологи приступили к самому фандиозному исследованию Мирового океана, которое когда-либо затевалось Их проект называется WOCE (World Ocean Circulation Experiment. Опыт по циркуляции Мирового океана). Ученые из тридцати стран мира уже лет десять исследуют Океан в рамках этого общего проекта. Никогда прежде наука не уделяла столько внимания водной среде, объемлющей шар земной. По некоторым параметрам всего за какое-то десятилетие количество собранной информации об Океане увеличилось в десятки раз.
«Собственно говоря, приступая к проекту WOCE, мы думали создать нечто вроде моментальной фотофафии Океана», — вспоминает профессор Эрнст Аугштайн, заместитель директора Института морских и полярных исследований им. Альфреда Вегенера.
Океан, как полагали ученые прежде, это нечто неизменное, неторопливое, спокойное Медленно, равномерно катятся волны. Одна и та же картина повторяется изо дня в день, из года в год. Разве изменится что-нибудь за какой-то десяток лет? Океан «тяжел на подъем».
Как они заблуждались1 Никакого однообразия и постоянства никогда не существовало Океан менялся на глазах, но этого не замечали. И вот ученые открыли «неожиданно высокую изменчивость океанических процессов», как подчеркнуто в отчете WOCE. Выяснилось, что «Свободная стихия» наделена непостоянным и буйным норовом Величавая торжественность, с которой она «катит волны голубые», обманчива
Океан, — теперь это очевидно, — сродни атмосфере. Его просторы бороздят гигантские водовороты, которые можно сравнить с областями циклона и антициклона. Волны, скрывшись под поверхностью Океана, обегают весь земной шар. Громадные морские течения образуют петли и меандры. Они то распадаются на отдельные рукава, то снова сплетаются в единый поток. «Теперь мы знаем, что всего за несколько лет Гольфстрим может изменить свое положение», — поясняет Аугштайн. В морских глубинах царит тот же хаос, что и в воздухе. Волны как вихри, валы как ветры. Смятение небес отражается в пучине вод.
Изучая этот хаос, невозможно опираться на привычные представления и прежний опыт. «Процессы, происходящие в океане, столь грандиозны, что зачастую наша интуиция нас лишь обманывает», — сетует океанолог Эндрю Бакун. Вот простой пример. Если мы, уютно расположившись в ванне, проведем рукой по воде, создавая волну, то она помчится прямо вперед. В море, повинуясь действию силы Кориолиса (инерционной силы, вызванной суточным вращением Земли), любые волны, любые течения отклоняются от прямой линии. В Северном полушарии они поворачивают вправо, в Южном полушарии — влево.
Продолжаем наши опыты в ванной: когда волна докатится до стенки, она тут же отступит назад. Совсем иначе ведут себя волны, достигшие берегов континента. Они обычно огибают сушу, а близ экватора — и вовсе поворачивают в открытое море.
Итак, стихия воды, прикасаясь к остову материков, ведет себя неожиданным образом. Еще сложнее описывать отношения океана и атмосферы. Вот идиллическая картина вдали от берегов: бескрайняя морская гладь, покой, безмятежность. Лишь ветер монотонно веет над тихо ропщущей водой. За счет силы трения ветер гонит перед собой волны. Возле берега они набегают друг на друга, сбиваются. Море вздыбливается. Его уровень поднимается порой более чем на метр.
Здесь, у берега, скапливаются огромные массы воды. Даже у самого дна чувствуется, как возросло давление водяной толщи. Под ее напором вода в глубине моря начинает течь назад.
Итак, на поверхности моря волны бегут в одну сторону, а в его глубине — в другую. За счет силы Кориолиса оба этих течения — глубинное и поверхностное — отклоняются в сторону. Образуются водовороты. Если в данном месте на поверхность моря поднимаются потоки холодной воды, остужая воздух, возникает циклонический вихрь. В противном случае формируется область антициклона (все зависит от местных атмосферных условий).
Итак, можно уверенно заявить, что роза ветров в этом районе меняется: воздушные потоки крепчают или слабеют. Дело клонится к штилю или буре.
Подобные процессы очень сложны. В атмосфере возникают многочисленные области циклонов или антициклонов. Мы легко можем представить себе метеорологическую карту, испещренную витиеватым узором линий, овалов, кругов. Мы много раз видели нечто подобное на экранах телевизоров. Теперь же ученые убедились, что в океане так же сложно распределяются области течений и водоворотов. Их чересполосица остается скрыта от наших взоров.
Неужели в этом хаосе можно обнаружить хоть какую-то систему? Ученым удалось это сделать. Им помогла важнейшая особенность, отличающая воздушную среду от водной: океан гораздо инерционнее атмосферы! Так, если циклонический вихрь преодолевает какое-то расстояние всего за четыре дня, то водяной вихрь повторяет этот путь в течение нескольких лет. Если воздушные течения остаются неизменными несколько недель кряду, то океанические — несколько десятилетий. Если атмосферные процессы меняются с каждым рассветом и закатом, то морская пучина реагирует разве что на чередование зимних и летних месяцев.
Уже по этому описанию нетрудно догадаться, что «союз Воды и Воздуха» весьма неравноправен. Какие бы бурные изменения не происходили в атмосфере, они мало затрагивают жизнь морских глубин. Там образовался свой мир, почти неподвластный воздушной стихии. Зато атмосферные процессы невольно «вторят» тону, заданному громадным, инертным Океаном. Делаем естественный вывод: чтобы предсказывать погоду, чтобы прогнозировать климатические изменения, надо понимать, что происходит с Океаном. Его бытие определяет судьбу атмосферы планеты.
В пучине морей покоятся точнейшие метеопрогнозы, которые предстоит расшифровать! Однако понять смысл этого откровения, начертанного движением волн, подводных струй и водоворотов, вовсе не просто. Мировой океан — это огромный, бескрайний мир. Он занимает 71 процент всей поверхности Земли.
Обширная толща океана мало изучена. Первые глубоководные погружения начались всего несколько десятилетий назад. До тех пор людям была ведома лишь тонкая оболочка, укрывающая этот грандиозный резервуар воды. На протяжении многих тысячелетий корабли двигались по водной глади. Навигаторы и натуралисты наблюдали лишь за тем, что происходит на поверхности воды и на небольшой глубине под ней. Морские пучины оставались для них «тайной великой и непостижимой».
Проект WOCE предусматривает наблюдение во всех морях Мирового океана. Для этого вдоль заранее определенных маршрутов установили приборы, закрепив их с помощью «якорей». Круглый год эти аппараты собирали информацию обо всем, что происходило в данном районе моря. Даже его глубины были для них прозрачны.
Нетрудно предположить, что основной частью этих устройств были длинные тросы, уходившие в глубину на километры. К нижнему концу троса, изготовленного из кевлара, крепили громоздкую связку отслуживших свое железнодорожных колес Получался якорь, легко уходивший к самому дну. На верхнем конце троса привязывали полые шары из стекла или стали. Они плавали по морю, туго натягивая трос. На нем, как бисеринки на нити, нанизывались целой россыпью термометры, измерители скорости течения, сенсоры, фиксирующие содержание соли, а также уловители осадочного материала. Все эти приборы были оснащены аккумуляторами и запоминающими устройствами и заключены в прочные оболочки, защищавшие их от водной стихии.
Длина троса и место его установки выбираются заранее. Трос, с нанизанными на него приборами, сбрасывают в море .. Вернутся к нему лишь через год: вытащат из глубины, снимут показания приборов, запишут на компьютер все, что запечатлелось в их памяти...
Подобная процедура кажется довольно простой, но простота ее обманчива Прежде всего, среди бескрайнего океана, где от горизонта до горизонта тянется одинаково унылая гладь, надо найти то место, где вы когда-то опустили трос с приборами. Когда же наконец трос найден, остается только надеяться, что разъединяющий механизм, приводимый в действие звуковым сигналом, не испортился и балласт — эти массивные колеса — вовремя пойдет ко дну, а трос вместе с приборами можно спокойно будет поднять на борт судна. Впрочем, даже в лучшем случае фраза «спокойно поднять» — это, конечно, преувеличение, языковый штамп, который не дает ни малейшего представления о том, как трудно вытягивать непослушный, скользкий, бесконечный трос, унизанный приборами.
Приборы, закрепленные на якоре посреди океана, — это стационарный метод наблюдения за ним. Если же ученые намерены исследовать морские течения, они используют мобильную технику: плавучие буи.
Новейшие модели буев позволяют наблюдать даже за подводными течениями! Они погружаются на определенную глубину и дрейфуют, изо дня в день отмечая температуру моря и его соленость. Через каждые десять дней они всплывают и передают по спутниковой связи свои координаты и собранные ими данные. Сразу после этого сеанса они снова погружаются на заданную глубину и продолжают вести наблюдения. Сейчас в разных частях Мирового океана используют несколько тысяч подобных буев. Они помогли воссоздать детальную картину глубинных течений.
Еще обширнее информация, собранная метеоспутниками. За три-четыре месяца они успевают обследовать весь земной шар, наблюдая за движением волн и температурой воды. Многие из них определяют и средний уровень моря, фиксируя самые крохотные перепады высот, равные всего нескольким сантиметрам! Казалось бы, эта неровность очень мала, но она порождает морские течения.
Но вот все данные собраны. По ним составляется подробная карта Мирового океана. Только теперь ученые-океанографы узнали, почему их предшественникам было так трудно выяснить местонахождение Гольфстрима Эта громадная океаническая «река» начинается в Мексиканском заливе, но, приближаясь к Европе, разветвляется на множество мелких потоков, образуя обширную дельту, напоминающую дельту таких крупных континентальных рек, как Волга, Амазонка или Нил В Северной Атлантике и Северном Ледовитом океане воды Гольфстрима остывают и погружаются вглубь. Здесь, на средних глубинах, эта «безбрежная река» поворачивает на юг. Ее поток достигает окрестности Южного полюса Здесь образуется самое мощное из всех известных нам морских течений. Оно огибает полюс. Затем часть водяных масс поворачивает на север и, миновав побережье Австралии, достигает южной оконечности Африканского континента Далее этот поток пересекает Атлантику и впадает в Мексиканский океан, где его воды, совершив кругосветное путешествие, длившееся почти сто лет, вновь питают Гольфстрим
Ученые уже подсчитали, что лишь один Гольфстрим переносит около 1,4 петаватт (десять в пятнадцатой степени) энергии, что в сотни раз больше всего потребляемого на нашей планете количества энергии. А еще выяснилось, что примерно такое же количество энергии переносят водовороты, образующиеся на всем протяжении Гольфстрима. На экваторе эти водяные вихри достигают нескольких сотен километров в поперечнике, в северных широтах — нескольких десятков.
Трудно выведать секреты Океана, но еще труднее ими воспользоваться. Без помощи компьютера не обработать собранные данные. Причина очевидна: Мировой океан так громаден, что наблюдениями охвачена лишь малая его часть. Обширные просторы Океана остались бы белым пятном на карте исследователей, если бы не компьютерная интерполяция. Только так можно устранить лакуны и пробелы: заполняя их какими-то усредненными показателями, воссоздавая по обрывочным сведениям целостную картину бытия Мирового океана. «Лишь подобные искусственные модели, тщательно выстроенные на компьютере, позволяют систематизировать наши сведения о мировом климате и прогнозировать его развитие», — говорит Моджиб Латиф, сотрудник Германского центра моделирования климата.
В компьютер стекается беспорядочный поток данных, собираемых, разнообразными приборами. Машина превращает этот хаос в четкую, хорошо понятную схему. По ней можно судить о том, как живет Мировой океан, какие процессы в нем наблюдаются, к чему они могут привести.
Работа компьютерщиков так же трудна, как и их коллег, занятых измерениями на палубе корабля. Сперва в компьютер вводят карту всех мировых морей с точной разметкой их глубин. Затем на нее наносят сетку, содержащую от 10 до 35 тысяч точек. Рядом с каждой из этих точек отмечают еще пятнадцать— тридцать точек, находящихся на разной глубине. В общей сложности получается как минимум 200 000 точек. Для каждой из них указывают температуру, содержание соли, скорость воды, а также координаты, описывающие направление морского течения, — всего пять цифр. Однако сама по себе эта подробная карта не так уж важна.
Весь этот титанический труд необходим для того, чтобы зафиксировать состояние Мирового океана в какой-то конкретный момент времени. Но, как известно, в любом процессе важны не сиюминутные показатели, а общая тенденция. Нужно оживить эту карту, чтобы понять, что будет через несколько месяцев, например, в тот загадочный день «пятого августа».
Итак, надо привести в движение тщательно выстроенную систему. Иначе нельзя исследовать океанические течения — эту тайную жизнь Океана. Нам известны пять цифр, характеризующих состояние той или иной точки Мирового океана, — и известны пять уравнений (для специалистов поясним, что речь идет о сложной системе дифференциальных уравнений), которые описывают, как и в какие моменты времени одни точки нашей пространственной сетки влияют на состояние соседних с ними точек. Однако эту систему уравнений надо еще постараться решить!
Здесь-то и начинаются настоящие трудности! Увы, эта система не имеет общего знаменателя. Можно получить лишь какие-то приближенные ответы, и вся мощь компьютера будет занята постепенным подбором наиболее точного из возможных приближенных решений. Наконец, они получены. Теперь машина, зная состояние моря в определенный момент времени, вычисляет, что произойдет через несколько часов, а для этого оценивает, каким образом каждая из наших десятков и сотен тысяч значимых точек повлияет на состояние соседних с ней участков Океана.
И разумеется, ученым приходится постоянно считаться с тем, что полученные решения не точны, а весьма приближенны. С каждой последующей операцией накапливается погрешность. Если дать волю компьютеру, если доверчиво положиться на его машинный разум, то он выстроит модель нарастающей энергии Океана, с волнами, которые будут вздыматься все выше, морские течения помчатся все неудержимее, а водовороты превратятся в какой-то ненасытный «мальстрем», куда низвергнется все, что ни плывет в Океане.
Сейчас самый большой модельный расчет, в котором имитируется целых сто лет из жизни океана, длится от шести до восьми месяцев. Ученые внимательно следят за тем, как протекает расчет, чтобы прервать его, если модель далеко отклонится от реальности. Как показывает опыт, даже самые удачные модели нужно «обкатывать» по части корректировки в течение двух лет, пока наконец они не станут давать стабильные прогнозы.
Исследователи провели интересный эксперимент с одной из таких моделей. На своих компьютерах они увеличили приток пресной воды в море Лабрадор, лежащее у берегов Канады, — самую уязвимую зону мировой системы течений. Подобное событие вполне возможно, если в результате глобального потепления начнут таять льды Гренландии, окаймляющей море Лабрадор с другой стороны.
Итак, что произойдет в ближайшие два с половиной столетия, если пресная вода будет все прибывать. Нарушится глобальная циркуляция воды. Гольфстрим уже не сможет беспрепятственно втекать в море Лабрадор. Мотор мировых океанических течений начнет работать с перебоями. Гольфстрим замедляет, а затем прекращает свой бег. Последствия этой перемены начнут чувствительно ощущаться: средняя температура в Европе понизится до 10 градусов Цельсия. Еще недавно в Гренландии текли талые воды. Теперь арктические льды стремительно разрастаются, продвигаясь на юг. Ветер разносит холодный воздух по всему северному полушарию. Даже в Гималаях средняя температура воздуха падает на два градуса.
Как только ученые остановили компьютерное таяние ледников в Гренландии, все вернулось на круги своя. В последующие два с половиной столетия климат постепенно нормализовался. Возобновил свое течение Гольфстрим — бойлерная Европы. Быстро потеплело. Люди стали заново обживать часть света, еще недавно изнывавшую под сугробами и льдами.
Ободренные подобными виртуальными успехами, ученые стали подумывать о регулярных прогнозах погоды на долгий срок. «Лет через пятнадцать мы будем так хорошо разбираться в процессах, происходящих в атмосфере и мировом океане, что сумеем предсказывать все, что только можно предсказать в этой хаотической системе», — заявляет Аугштайн.
Конечно, для этого ученым надо постоянно вносить в компьютер самую свежую информацию, собранную во всех морях мира. На ее основе составляются прогнозы. Данный модельный расчет повторяется десять раз — и всякий раз начальные условия чуть-чуть меняются. В конце концов, готовится прогноз-предупреждение: «Внимание! Лето на побережье Северного моря выдастся сырым и холодным. Вероятность такого события — 80 процентов».
Впрочем, уже сейчас можно с уверенностью сказать, что этот точный прогноз обрадует не всех. «Многие турагентства вовсе не хотят, чтобы люди заранее знали, какой будет погода в сезон отпусков, — считает профессор Аугштайн. — Если метеослужба принесет плохие новости, мало кто вздумает появиться на курорте, где ожидаются затяжные дожди».
|
