Все течет, но почти ничего не изменяется

Профессор Сергей Сергеевич Лаппо, открывший механизм глобальной межокеанской циркуляции.
Фото из архива Сергея Гулева

Четверть века назад российский ученый, океанолог Сергей Сергеевич Лаппо, обобщив и проанализировав результаты измерения физико-химических свойств вод в различных океанах, впервые обнаружил удивительные различия между ними и предложил для объяснения этих различий механизм так называемой глобальной межокеанской циркуляции. Этот феномен, подтвержденный затем и экспериментально, и математическими моделями, связывает в единый конвейер климатическую динамику Атлантического, Тихого и Индийского океанов. О значении этого открытия рассказывает ученик и коллега Сергея Лаппо, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией взаимодействия океана и атмосферы и климата Института океанологии имени П.П.Ширшова РАН Сергей Гулев.

– Сергей Константинович, как это было? И в чем суть сделанного открытия?

– Прежде всего открытие этого феномена в корне перевернуло наши представления о роли океана в изменениях климата. Об этом я скажу еще немного позже. А что касается истории этого открытия, то на самом деле все произошло несколько раньше, чем в 1984 году, где-то в 1982–1983 годах.

Тогда Сергей Сергеевич Лаппо, заведующий лабораторией Государственного океанографического института, много работал над сопоставлением основных характеристик Тихого и Атлантического океанов. Ему не давала покоя причина, по которой поток тепла в Атлантике через экватор направлен на север. Это было впервые установлено американским ученым Стефаном Хастенрасом в 1980 году, однако причины объяснены не были.

Сергей Сергеевич провел очень простой анализ термодинамических характеристик Атлантики и Тихого океана и предложил очень простое, но по тем временам революционное объяснение – перенос тепла течениями в поверхностном слое из Тихого океана в Атлантический, а в глубинном слое – из Атлантики в Тихий океан. Кстати, эта идея была воспринята в СССР с большим скептицизмом тогда.

Многие ученые откровенно говорили Лаппо примерно следующее: «Сережа, ну был бы ты городским сумасшедшим от науки, это не стоило бы обсуждать, но ты уважаемый физик, доктор наук, ты же понимаешь, что этого не может быть, потому что... не может быть никогда». Отчасти поэтому и знаменитая статья Сергея Сергеевича «К вопросу о причинах адвекции тепла на север через экватор в Атлантическом океане» была отвергнута большинством центральных научных журналов и была опубликована в 1984 году в ведомственном институтском сборнике.

– А в чем причина? На мой, дилетантский, конечно, взгляд, идея настолько логична, проста и красива, что действительно странно, что никто ее не озвучил раньше.

– Все наши представления о Мировом океане (и, кстати, в атмосфере) основываются на том, что главным механизмом меридиональной циркуляции является так называемая циркуляция Хэдли в разных ее модификациях. В чем она состоит?

На экваторе вода поднимается из глубин на поверхность (так называемый экваториальный апвеллинг), образуя в очень грубом приближении меридиональные ячейки циркуляции, в которых она распространяется от экватора к Северному и Южному полюсам. И в этом смысле экватор почти непроницаем. Кстати, и в атмосфере над экватором происходит тот же процесс – воздух поднимается в экваториальных конвективных потоках, образуя движение на высотах к полюсам и опускаясь в высоких широтах. Это хотя и грубая, но классическая схема, она никем не оспаривается.

И когда в 1980 году в одной из работ были опубликованы результаты балансовых расчетов потоков тепла в Мировом океане, то оказалось, что они показывают поток тепла через экватор! То есть «стена» оказалась все-таки проницаемой в Атлантике. Понятно, что это тепло может переносить только поток воды. Вопрос так и остался открытым в то время: а отчего течет? Все стали искать ошибки в этих расчетах.

– Вообще-то это логично искать ошибки в такого рода расчетах: посчитать поток тепла через стенку в квартире – это одно, а посчитать глобальный баланс потока тепла в океане – это задачка на засыпку┘

– Нет, вы знаете, существуют различные методы, в том числе и экспериментальные, которые позволяют такие потоки посчитать довольно точно. И получилось-таки, что вода течет из Южной Атлантики – в Северную. А если перетекает из Южного полушария в Северное, то нарушается вся классическая схема циркуляции в Мировом океане.

Естественно, поэтому статья Лаппо и была встречена несколько скептически.

Механизм океанского конвейера достаточно прост: перенос тепла течениями в поверхностном слое из Тихого океана в Атлантический, а в глубинном слое – из Атлантики в Тихий океан.

– И все-таки эта изолированность Северного и Южного полушарий существует?

– Да, конечно. Но она оказалась проницаемой. Механизм, который поддерживает изоляцию экватора, оказался проницаемым для глобальной межокеанской циркуляции.

Прозрение, как это часто бывает, пришло только, когда в 1986 году вышла первая публикация американского ученого Брокера. Удивительно, но целые абзацы этих двух статей выглядят как авторизованный перевод с английского на русский или наоборот. При этом нет никаких сомнений в научной добросовестности и Лаппо, и Брокера. Просто такая это вещь – наука, в определенный момент накапливается критическая сумма знаний и почти на поверхности лежит новое понимание того или иного явления. Если несколько людей почти одновременно приходят к этому пониманию, если им удается разглядеть его, то значит, за этим стоит истина.

Потом, в конце 1980-х и в 1990-е, когда межокеанская циркуляция, или, как ее называли, глобальный конвейер, стала общепринятым механизмом, объясняющим глобальную динамику океана, все говорили об этом как о чем-то само собой разумеющемся. Это подтверждает одну из любимых поговорок Сергея Сергеевича: «Сначала скажут, что все это неправильно, а потом, что все это давно известно».

– Так как же устроен этот глобальный океанский конвейер?

– Устроен и просто, и сложно. Уровень северной части Тихого океана почти на метр выше уровня Северной Атлантики. В этот феномен вовлечены многие процессы, из которых не последнюю роль играют горизонтальные размеры океанов. Влага, испаряющаяся над Тихим океаном и переносимая циклонами, в значительной степени выпадает в виде осадков здесь же, над океаном. А влага, испаряемая над Атлантикой, в большей степени переносится на материк. Так формируются различные соотношения осадков и испарения над этими двумя океанами, что наряду со многими другими факторами и приводит к формированию поверхностного потока из Тихого океана в Атлантику.

– Но почему эта циркуляция установилась именно через Индийский океан, а не через Ледовитый?

– Связь Тихого океана с Ледовитым – через мелкий Берингов пролив. Его пропускная способность всего 1 свердруп (свердруп, Sv, – единица измерения скорости объемного переноса воды, применяемая в океанологии; названа так в честь норвежского исследователя Харальда Свердрупа; 1 Sv = 106 куб. м (10 млн. куб. м) в сек., или 0,001 куб. км в сек. – «НГ»). Так что течению просто деваться некуда.

– Вообще-то это сам по себе потрясающий факт: вода в северной части Тихого океана – горбом! На метр выше, чем в тех же широтах Атлантики!

– Кстати, это было доказано нормальным теодолитным ходом в 1920–1930-х годах от известной точки с известной высотой. Когда СССР стал развертывать системы Тихоокеанского флота на Дальнем Востоке, оказалось, что нам надо уточнить уровенные реперы Тихоокеанского побережья, то есть точки отсчета высот. Был отдан приказ: промерить теодолитным ходом от Кронштадтского футштока высоты до Тихого океана. И промерили, с очень высокой точностью. Так в итоге и выявили эту разницу высот вод – примерно 80 сантиметров.

– А как замыкается этот глобальный конвейер?

– На севере Атлантики поверхностные воды охлаждаются и опускаются в глубины, формируя возвратный поток в Тихий океан. Это очень упрощенная схема, конечно. Инструментально зарегистрировать глобальный конвейер невозможно – слишком большие времена (сотни лет) и слишком маленькие скорости по сравнению со скоростями хорошо известных океанских циркуляционных систем, таких как Гольфстрим, Куросио, Агульяс, экваториальные течения и соответствующие движения на глубинах. Поэтому изменения в межокеанском конвейере проявляются в усилении одних звеньев океанской циркуляции и в ослаблении других. Эти малые изменения и приводят к колебаниям в глобальной океанской циркуляции.

Причин этих колебаний много. Одна из главных – изменение интенсивности взаимодействия океана и атмосферы в Северной Атлантике. Если океан отдает атмосфере больше тепла, то вода на поверхности охлаждается, становится тяжелее и как бы тонет. Этот процесс называется конвекцией, и это усиливает межокеанский конвейер. Однако морская вода – сложная многокомпонентная система. Стать тяжелее морская вода может не только в силу охлаждения, но и по причине осолонения. И наоборот, распреснение поверхностной воды делает ее более легкой, она не может «утонуть» и блокирует конвекцию, приводя к ослаблению межокеанского конвейера. Это, в частности, может происходить при интенсивном таянии ледников (в том числе ледников Гренландии) и попадании пресной воды в океан.

Так гипотетически выглядит так называемая термохалинная катастрофа, в крайне экстремальном виде показанная в фильме «Послезавтра». Да, если «вылить» в Северную Атлантику всю Гренландию, то термохалинной катастрофы не избежать. Но если чуть подтаяли ледники, то тут вступают другие процессы. Испарение, например, в свою очередь, повышающее соленость. То есть это система с очень сложными обратными связями. Какой процесс тут окажется главным, сказать очень трудно.

Основные течения в Северной Атлантике. На практике все они оказываются лишь проявлениями глобальной океанской циркуляции. Источник: shadedrelief.com

– По оценкам упомянутого вами Брокера, полная смена воды между Атлантикой и Тихим океаном происходит примерно за 1500 лет.

– Оценки здесь существуют разные. Оценки возраста вод, то, о чем вы говорите, можно по-разному делать. Например, так. Глубина океана – четыре километра; весь океан испарится за четыре тысячи лет. Вот вам одна «потолочная», верхняя оценка. То есть в Мировом океане не должно быть вод старше четырех тысяч лет. Меньше чего нет? Если смотреть по изотопному составу, то это дает нижний предел от 300 до 500 лет.

– Однако, как бы то ни было, разговор идет о сотнях лет. Что же все-таки дает основания говорить, что существует физический глобальный перенос вод в Мировом океане между Атлантикой и Тихим океаном?

– Безусловно, это хороший вопрос.

Как я говорил, движения океана, связанные с межокеанским конвейером, очень трудно измерить инструментально. Однако что можно измерить, так это изменения ключевых океанских циркуляционных систем под действием конвейера. Это в первую очередь переносы вод и тепла между Атлантикой и Северным Ледовитым океаном. Это та же конвекция, которая происходит в очень небольших по площади районах субполярной Северной Атлантики. Это и динамика основных струйных течений океана, таких как Гольфстрим, Агульяс и другие.

Второе, но не менее важное, – это изучение интенсивности взаимодействия океана и атмосферы и формирования аномалий энергообмена. Здесь и судовые измерения, и обработка многих терабайт данных с судов, буев и спутников. Здесь и все еще не понятая до конца физика передачи энергии от воды в воздух при разных условиях.

Третье – это моделирование системы «океан–атмосфера» с помощью математических моделей очень большой сложности, требующих самых современных вычислительных машин.

Наконец, часто, когда речь идет об очень длительных периодах в сотни и тысячи лет, не могут помочь данные (их просто нет), и становится не с чем сопоставлять результаты моделирования. Тут на помощь приходят палеоклиматические исследования. Делается это и с помощью высокоточных и крайне трудоемких анализов океанских донных осадков, ледовых кернов, колец деревьев, и с помощью анализа исторических свидетельств о климате прошлого.

Иногда, бывая в Вене, я подолгу стою перед картинами Питера Брейгеля «Возвращение с охоты», «Избиение младенцев» и другими. Это середина XVI века, вторая фаза малого ледникового периода, далеко не самая холодная. Однако мы видим суровые зимние пейзажи континентальной Европы, которые сейчас даже трудно себе представить.

– В итоге┘

– Интегральный перенос тепла через все разрезы, экспериментально промеренные в Атлантическом океане, будет направлен на север, в сторону Ледовитого океана. На всех широтах перенос направлен на север. Это зарегистрировано. И это принципиально важно.

– А как «отфильтровать», что это именно межокеанская циркуляция, а не Гольфстрим, например?

– Гольфстрим – это часть межокеанской циркуляции. Гольфстрим, безусловно, является поверхностным течением. В нем в среднем переносится 70 свердрупов. Это огромная величина.

Другой вопрос, что все океанские течения – часть межокеанской циркуляции. И это очень сложный процесс.

Дело в том, что Гольфстрим не представляет собой направленного течения со скоростью 130–150 сантиметров в секунду. Гольфстрим – это набор вихрей. Да, оно течет. Но течет очень своеобразно, как муравьи тянут вроде бы каждый в свою сторону, а в итоге несут соломину в одном направлении. Вся динамика Мирового океана представлена такими хаотическими вихрями, из которых слагаются в том числе и океанские течения.

– То есть можно говорить, что глобальный конвейер – это не столько циркуляция вод, сколько циркуляция потока свойств?

– Нет, конечно, существует и физический поток вод. Давайте прикинем. Атлантический океан – это 60 градусов на севере и 60 – на юге. Итого – 120 градусов. То есть 13 320 километров – протяженность Атлантики с севера на юг. Столько же – в Тихом океане. Добавим еще десяток тысяч километров на связь через Южный океан. Это тот путь, который должна пройти вода. Теперь поделим эти километры на, допустим, 300 лет (это – достаточно быстрый оборот). Получается 0,3 сантиметра в секунду. Такова скорость конвейера.

Для сравнения: струйные течения в экваториальной зоне имеют скорость метр в секунду. Так вот, сквозь эти течения некоторые вихри вдруг просачиваются – и преимущественно на север. Вот это поразительно!

Схематическое изображение глобальной океанской циркуляции. Взгляд со стороны Южного океана. Источник: jisao.washington.com

– Наверное, очень сложная и интересная физика такого просачивания вихрей?

– Это вопрос не только физический, но и философский. Как мне говорили мои учителя, есть ролики и между ними – ремень: то ли ты тянешь ремень и приводишь в движение ролики (вихри в нашем случае), то ли ты вращаешь ролики, и они тянут ремень (проталкивают воду). Это так называемая проблема отрицательной вязкости. То есть энергия появляется от распада больших масштабов в меньшие, или энергия собирается из меньших масштабов и организует большее? Это вопрос о том, как устроена природа. Обычно академики после 70 лет приходят к работе с этой идеей┘

– Почему межокеанский конвейер столь важен для климата Земли?

– Сильно завися от взаимодействия океана и атмосферы, океанский конвейер сам существенно изменяет системы океанских течений и приводит к формированию мощных аномалий теплового состояния океана в различных районах, в первую очередь в Северной Атлантике. Они сами формируют аномалии потоков океан–атмосфера, только значительно более долгопериодные.

В этой разнице времен реакции океана на воздействие атмосферы и атмосферных процессов на океан и состоит главная сложность изучения всей системы и ее моделирования. Ведь океан в 3200 раз более инерционен, чем атмосфера: у воды в 800 раз большая плотность, чем у воздуха, и в четыре раза большая удельная теплоемкость. Порожденные конвейером аномалии начинают влиять на формирование циклонов в средних широтах, на их пути движения и на количество влаги, которую они переносят на континенты. Именно на континентах, в первую очередь в Европе, включая европейскую часть России, мы ощущаем влияние океанских процессов.

Сергей Сергеевич Лаппо говорил так: «Атлантика – это, по сути своей, Средиземное море Тихого океана». И действительно, если начать сопоставлять характеристики Средиземного моря (а это бассейн-испаритель) по отношению к Атлантике, то окажется, что такую же роль играет Атлантический океан по отношению к Мировому океану. 40–60% влаги, поднятой над Атлантикой, выливается потом над Европой. Как я уже говорил, влага, поднятая над Тихим океаном, почти вся над ним же и выливается. В этом, напомню еще раз, – причина повышенного уровня Тихого океана по отношению к уровню Мирового океана.

– Что сейчас происходит с глобальным океаническим конвейером, что с ним произойдет в будущем?

– После ослабления в начале и середине 90-х в последнее десятилетие, как показывают наши наблюдения, произошло существенное осолонение поверхностных вод субполярной Атлантики. Это привело к усилению продукции тех самых «тонущих» вод и усилению конвейера. Это, кстати, приводило и к усилению переноса влаги на Европейский континент в циклонах. Европейский климат будет терять свою континентальность.

Очень приблизительно большинство моделей дают небольшое ослабление межокеанского конвейера к середине XXI столетия.

– Очевидно, что исследования этого феномена – дорогое удовольствие. Кто финансирует эти программы?

– Стоит это действительно дорого. Каждый день работы исследовательского судна в море – это десятки тысяч долларов, не считая крайне дорогостоящего оборудования. Анализ данных и моделирование – это дорогостоящие носители и высокопроизводительные компьютеры, сложные физика и математика, требующие высокой квалификации людей. Но экономия на этой отрасли науки, как и вообще на науке, обычно оборачивается большими проблемами впоследствии.

Изменения климата становятся таким же фактором стратегического развития общества, как политика, экономика, цены на ресурсы. Экономя сегодня, мы обрекаем себя на управление экономикой и обществом «вслепую» завтра.

Начиная с 2008 года эти исследования финансируются в рамках одного из проектов Федеральной целевой программы «Мировой океан» при поддержке Минобрнауки. В проекте, руководимом нашим институтом, участвуют также и другие институты Академии наук, Росгидромета, Московский энергетический институт, кстати, ведущий работы по палеоклимату. Хотя мы занимаемся всем Мировым океаном – ведь межокеанский конвейер глобален, – особенное внимание уделяется Северной Атлантике, наиболее сильно влияющей на климат Европейской России.

Что особенно важно, все эти работы ведутся очень молодыми людьми. На исследованиях роли океана в изменениях климата выросло совершенно новое поколение молодых талантливых океанологов и климатологов, большинству из которых нет и 30 или чуть за 30. Но они уже признанные ученые. За последние четыре года эти молодые ребята получили три золотые медали Российской академии наук для молодых ученых и два гранта президента России. Это и есть лучшая память о Сергее Сергеевиче Лаппо, ушедшем от нас в 2006 году и оставившем нам загадку роли глобальной океанской циркуляции в изменениях климата.