Система океан – моделювання океану

Математичне моделювання процесів і явищ навколишнього нас світу в період науково-технічної революції закономірно прийшло на зміну пошукам емпіричних зв’язків між явищами, розпізнаванню і розгадуванню окремих закономірностей. І в той же час в цьому втілилася давня мрія людей не тільки пізнавати світ, а й провидіти майбутнє, подорожувати по давно минулим епохам. Математичні рівняння дозволили не тільки зв’язати явища між собою, а й простежити їх динаміку, зрозуміти їх розвиток.

На зміну звичному образу «планета Океан» йде нове поняття — «система Океан». А чи вистачить наших знань про океан для ненаситних потреб створення великих моделей? Чи не правда, незвичайна постановка питання сьогодні, коли океанологія займає одне з перших місць серед наук за кількістю і значенням відкриттів? Але таку постановку питання диктують нові завдання.

Характерні в цьому відношенні бесіди з фахівцями. Замість того, щоб швидко перерахувати найбільш ефективні новини останнього періоду, вчені замислюються, намагаються поглянути на свою науку в цілому, прагнуть визначити її рівень у світлі нових критеріїв.

Не мода, а реальна можливість

– Зараз дуже модно говорити про системний підхід. У науці, в техніці, в організації, адміністрації…- це сказав Олександр Петрович Лісіцин, морський геолог. – Раніше говорили, наприклад: закономірності опадоутворення, а тепер — модель опадоутворення!
– А різниця є? – я ставлю питання майже риторичне.
– А звідки беруться опади в океані? – відповідає він питанням на питання.
Це я знаю! Читав. І тому сміливо відповідаю:
– Переважна маса опадів на дні океану утворюється за рахунок «твердого стоку» – виносу частинок порід річками.
– Мій співрозмовник усміхається:
– Не зовсім так. Як і у всіх головних наших уявленнях про океан, за останні п’ятнадцять — двадцять років тут теж відбулися великі зміни. Річки дійсно виносять в океан величезну кількість твердого матеріалу. Але ці частинки, виявляється, залишаються в дельтах річок, створюючи колосальні «осадові тіла».

За минулі роки океанологи зуміли створити прилади, провести багаторічну перевірку і встановити, що добру половину опадів у відкритому океані забезпечує… вітер! Це він, Еол стародавніх греків (звідси термін: еолові надходження), переносить «по шматочках сушу» на тисячі і тисячі кілометрів. Пропускаючи багато драматичних епізодів, пов’язаних з вирішенням кардинальних проблем морської геології, звертаюся до «хеппі енду». У найостанніші роки, здається, кінці стали сходитися з кінцями. Стали вимальовуватися контури грандіозної картини величних, строго логічних, замкнутих в єдиному циклі рухів літосфери. І в цей єдиний цикл виявилися повністю включеними всі ділянки земної кори: як на суші, так і під океанами.

– Як же виглядає ця картина сьогодні?
– Почнемо знову-таки з опадів. Отже, відбувається вимивання і видування твердих частинок суші. Ці теригенні опади (від латинського «terra» — земля) надходять в океан і, змішуючись з біогенними залишками — залишками життя, що населяють водні глибини, утворюють донний покрив. Але падають вони не на нерухоме дно, а як би на конвеєр, що рухається від місць виходу базальтів — від серединних хребтів, у бік материків. Таким чином, дно «виготовляється» буквально на наших очах: «підстилка» виходить з глибин планети і в міру руху одягається осадовими породами. Наближаючись до материкової брили, донна плита штовхає її, але, по-перше, материк не настільки мобільний, А по-друге, адже його з іншого боку штовхає «конвеєр» іншого океану.

Є й третя могутня сила, що впливає на материки – сила інерції, що виникає від обертання планети. Дну океану «ніколи», воно «піднирює» під материк. А піднирнув, піднімає його, компенсуючи, таким чином, те, що знесли з суші вітер і річки. А материк в результаті цих складних зусиль здійснює звивистий шлях по поверхні Землі. До речі, слово «дрейф» дуже відповідає такому виду руху.

Тепер ви розумієте, чому ми, геологи, можемо стверджувати, що для нас системний підхід, створення моделі глобальної тектоніки не мода, а реальна можливість, навіть більше того – необхідність?

– Зізнатися, ще не дуже…
– Добре, ще приклад. Що потрібно, щоб створити хорошу модель? Достатня кількість інформації, перекладеної на математичну мову, і хороша машина. Все це ми маємо. Але, крім того, у нас є ще те, чого поки не мають колеги в інших областях океанології, — повне замкнуте кільце планетарних рухів літосфери.
– Коли ж модель запрацює?
– Вже працює. За допомогою моделі ми швидше і повніше, глибше пізнаємо різноманітні процеси тектоніки дна океану, намагаємося прогнозувати утворення рудоносних порід, точніше визначаємо зв’язки і взаємовпливи тектонічних і енергетичних процесів в океані. І з кожним роком наша модель, яка отримує все нову і нову фактичну інформацію, стає все «розумнішою» та «ерудованішою».

Хімічний комбінат океану

Величезна «колба» Світового океану! Майже всі елементи періодичної таблиці… Мільйонний вплив могутніх космічних сил: світлової і теплової енергії Сонця, гравітаційної енергії міжпланетного тяжіння. Плюс власні сили планети: геотермічне тепло, хвилі і вітри на поверхні океану, течії і протитечії. Безперервна робота 35 мільярдів тонн живого населення океану – дихаючого, такого, що пожирає, засвоює, народжується, гине, розкладається.

Ні, це не колба, це грандіозний хімічний і біохімічний комбінат, в якому вершаться одночасно мільярди реакцій! Реакцій взаємопов’язаних, взаємовиключних, що тривають і частки секунд і століття. Де взяти стільки чисел, формул, щоб описати цей Всесвіт?! Чи вистачить всіх комп’ютерів планети, щоб зробити спробу створення хімічної моделі океану? А головне, абсолютно ясно, що всієї маси наших знань мізерно мало для того, щоб описати математичною мовою хімічне Життя океану у всіх необхідних подробицях і деталях, перш ніж завести цю інформацію в машину.

Всі ці сумніви я висловив завідувачу відділом хімії Інституту океанології професору Есперу Олександровичу Остроумову.

– Океан, з точки зору хіміка, далеко не хаотичний — сказав мій співрозмовник. – Так, в ньому дійсно все так чи інакше взаємопов’язано. Однак, прийнявши розумний допуск узагальненості, спрощення, ми легко можемо виділити основні, головні події і закономірності.

Перш за все, скажемо про великий кругообіг елементів в системі «океан — суша — океан». Головні надходження елементів в океан йдуть за рахунок річкового стоку і вітрової ерозії гірських порід суші. А гірські породи склалися в результаті опадоутворення в стародавньому океані, що покривав нинішню сушу. Океан, по суті, являє собою транзитну зону, в якій все йде вниз, на дно, до заспокоєння, до стабілізації. І якщо придонний мул дуже активний в хімічному відношенні, то конкреції, що лежать нижче мулу, це вже «заспокоєний» продукт хімічних перетворень. Він лежить там і чекає свого часу. Тієї епохи, коли волею Плутона і Нептуна дно нинішнього океану виявиться сушею.

– Що ж ця картина дає для створення хімічної моделі?
– Дуже багато! Для того щоб зрозуміти загальні закономірності цього великого кругообігу, людям потрібні були століття спостережень, досліджень, експериментів. А отримавши таку схему, вже не так важко стало вивести її математичні формули.
– Але ж цього мало. Треба знати, які хімічні реакції протікають в кругообігу елементів. А їх таке грандіозне число!
– І тут теж ми можемо виділити головні реакції, систематизувати процеси.

Справа в тому, що основними диктаторами в хімічному житті океану є кисень і сірка. Два цих виключно активних елемента дають кислотні і основні сполуки, чітко розділивши сфери впливу. Причому партнери цих елементів діляться на «сірколюбивців» та «киснелюбивців». Правда, є й такі, які служать «і нашим і вашим», наприклад залізо. Образно кажучи, в океані існують дві головні хімічні держави. «Держава сірки» – це прибережні райони Світового океану і глибокі шари придонного мулу. «Киснева Країна» – центральні частини океанів і тонкий верхній шар придонного мулу.

– Мабуть, життя цих держав може бути змодельоване?
– Саме так. Від початку до кінця. Наш відділ вже розробив моделі головних хімічних перетворень сірки та кисню. Є й перші практичні результати – ми розкрили таємницю виникнення конкрецій, цих дивних утворень на дні океану, що стільки років хвилювали дослідників.

Іншими словами можна сказати, що для створення великої хімічної моделі океану ми володіємо двома основними блоками, які в той же час і самі по собі представляють незаперечну наукову і практичну цінність.

– А як би ви підсумували головні цілі і завдання створення хімічної моделі океану?
– Перш за все, модель значно прискорить процес пізнання хімії моря, дозволить нам переходити до пояснення більш тонких складних систем, які ми зараз «виносимо за дужки». Ось, наприклад, я сказав про кругообіг елементів і його генеральний напрямок суша-океан-суша. Але ж ми знаємо і про зворотний напрямок. З поверхні океану випаровується вода, разом з нею щорічно в атмосферу надходить величезна кількість хімічних елементів і сполук. Вітри забирають ці випаровування на сушу, де вони випадають разом з дощами і снігом. Про це ми ще мало знаємо.

Згадаймо про те, що у великому кругообігу елементів беруть участь і живі мешканці океану. Скільки найважливіших для практичних потреб людей закономірностей у розподілі необхідних для мешканців океану видів поживних речовин розкриє перед нами велика хімічна модель!

А далі людям належить вирішення проблем, яких ми поки просто не торкаємося. Відомо, що багато морських організмів здатні створювати в своїй крові концентрації міді, ванадію, кобальту, йоду, заліза, олова, свинцю та інших елементів, що в тисячі разів перевищують концентрацію їх в навколишньому середовищі. Багато наших «сухопутних» корисних копалин такого океанського біологічного походження. Словом, як це нерідко бувало, новий щабель пізнання розкриває перспективи, які представлялися до того фантазіями.

З чого зроблений океан?

На обкладинці книги професора А. С. Саркісяна зображена карта Світового океану. Тільки забарвлення води не синє, як на звичайних картах, а прозоро-темно-зелене — натуральний колір моря.

Світлі контури материків, темні плями океанських западин, примарні стрічки течій. Їх багато: Гольфстрім, Ойясіо, Куросіо, Екваторіальна течія, Перуанська, Бенгальська, Нордкапська, Циркумполярна…

Якщо довго-довго дивитися на таку карту, починає здаватися, що око вловлює безперервне складний рух і цих великих річок, і їх підводних двійників-протитечій. А між ними на безкрайніх водних просторах рухаються гігантські кільцеві течії-ринги. І так весь океан, кожна його частка – в русі.

Про що ми говоримо? Про велику діючу модель термогідродинамічного Життя океану. Що ж рухає воду, народжує, живить, стимулює течії? Якщо минути всі «проміжні інстанції», прийдемо до головної — до Сонця. Іноді океан називають гігантською тепловою машиною, що приводиться в рух енергією Сонця.

Подібну модель цілком можливо перевести на мову математики, і машина розрахує будь-який стан світового океану в будь-який момент часу, в будь-якій географічній точці.

Однак так само, як і дрібномасштабні карти, вони можуть відповісти лише на найзагальніші питання. А для науки, для практики, для повсякденного спілкування людини з океаном потрібні моделі більших масштабів. Дійсно, адже навіть найменші відхилення течій Екваторіальної течії, що призводять до підвищення температури води біля берегів Перу та Еквадору на 3-5 градусів, приносять відчутні лиха цим країнам. Мова не про урагани чи інші катаклізми. Змінюється температура прибережних вод, змінюються шляхи риби, порушується звичний хід рибної ловлі – традиційного промислу населення, перестають гніздитися морські птахи і т. д. Прогноз подібних звичайних для будь-якої течії «вчинків» необхідний. Але тільки для цього потрібні моделі набагато більш «великомасштабні».

Артем Саркісович Саркісян, один з найбільших сучасних теоретиків руху океанських вод, так сформулював завдання:

– Кінцева на даному етапі мета – створення загальної термогідродинамічної моделі океану. Така модель повинна дозволити нам описувати динамічні процеси в океані, починаючи з системи течій планетарних масштабів і закінчуючи капілярними хвилями на поверхні води, дрібномасштабної турбулентності і недавно відкритої так званої «мікроструктури» товщі океану.

А потім ми говорили про нинішній стан «будівництва» цієї моделі. Принцип загальний – як і у хіміків, тут теж створюються окремі блоки: моделі найбільш важливих явищ термогідродинамічного Життя океану. Якраз цьому і присвячена остання монографія мого співрозмовника.

Якщо сонце є «першоджерелом», то які сили безпосередньо визначають долю стаціонарних і сезонних течій? Яка, так би мовити, ієрархія цих сил? Їх взаємодія, взаємовплив? Ці питання більш-менш з’ясовані. Однак різні вчені встановлюють різні порядки верховенства цих сил, і тому існують різні діагностичні та прогностичні розрахунки, за допомогою яких моделюються течії поверхневі, підводні, різні вихори та інші форми рухів води в океані.

Автор: М. Барінов.