Динамика морей и океанов. Интервью с лауреатом премии президента РФ Арсением Кубряковым

Как физические факторы, процессы в морях и океанах влияют на водные экосистемы? Зачем изучать перемены в цветении фитопланктона в различных морях? Почему ученым нужна система автоматизированных измерений в глубоководной части океана? И как эти процессы связаны с переменами климата?

Об этом «Научной России» рассказывает кандидат физико-математических наук, лауреат премии президента РФ в области науки и инноваций, сотрудник Морского гидрофизического института РАН Арсений Кубряков.

- Вы исследуете динамику процессов в морях и океанах, и ее воздействие на биологические характеристики экосистем. Насколько эта тема сегодня актуальна и как много мы знаем про водные экосистемы? Ведь их изучают не один десяток лет.

- Моей темой стала именно динамика океанов. Дело в том, что когда я пришел в науку, появились совершенно новые данные спутниковых альтиметров, которые позволяют определить уровень моря и скорость течений во всем мировом океане. Сегодня, благодаря этим методам, у нас есть ежедневные карты поверхностных скоростей течений – это абсолютно новые данные, которые дали огромный объем информации. Сейчас это база для всех моделей динамики океана.

Мы разработали ряд геофизических коррекций, которые позволили уточнить качество этих данных, и определять новые параметры течений в Черном море и начали их анализировать. Это дало нам возможность получить информацию о том, почему  структура и интенсивность течений так сильно меняется от года к году. В некоторые периоды главный элемент циркуляции Черного моря – Основное Черноморское Течение полностью исчезает и все море наполнено мощными вихрями размерами 20-100 км. Оказалось, что режим течений крайне важен, поскольку определяет перенос биогенных элементов – питательных веществ из шельфовых районов, где их много, в центральные части моря, где биогенных элементов недостаточно. Появилась связь динамических процессов с экосистемой, и мы начали развивать междисциплинарную тематику, используя для анализа биологических характеристик уже спутниковые измерения в оптическом диапазоне.

Сегодня появляются новые методы исследований, и их очень много: спутниковые измерения высокого разрешения,   беспилотные летательные аппараты, которые дают возможность получить абсолютно новую информацию. Мы стараемся следить за появлением новых методов и применять их для актуальных океанических исследований.

- В докладах, в том числе на Президиуме РАН, вы упоминали о связи морских экосистем с климатическими изменениями. Это основное направление, где можно использовать информацию, которую вы получаете? Какие еще прикладные и фундаментальные цели вы преследуете?

- Наша основная цель – именно фундаментальные исследования. Мы хотим понять механизмы формирования поля течений, вихрей в океане, то, как меняется перемешивание и связанная с этими факторами термохалинная структура океана. Важно знать, как эти физические процессы   влияют на биологические характеристики и развитие того или иного вида фитопланктона – почему в один год фитопланктона много, а в другой значительно меньше? Это фундаментальные знания, которые влияют на достижение практических целей.

Например, карбоновый цикл – актуальная тема, связанная с мировой климатической повесткой. В процессе фотосинтеза фитопланктон усваивает большое количество (по оценкам около 50%) углекислого газа - одного из важнейших парниковых газов, а затем  в процессе оседания транспортирует его на дно   - так происходит “биологический насос”. Для того, чтобы оценить баланс углерода, вклад природных и антропогенных факторов в изменения карбонового цикла необходимо понимать, от чего зависят причины и изменчивость цветения фитопланктона.

Есть и другие практические применения. Например, это моделирование, прогнозы состояния экосистем для любых хозяйственных целей. Фитопланктон – основная пища для зоопланктона, зоопланктон – для высших трофических уровней. Мы должны понимать, как развивается экосистема, и что на нее влияет, чтобы знать, например, куда направлять рыболовные суда или как избежать перелова, как правильно вести аквахозяйство – выращивать мидии, устрицы и т.п. 

- С какого года ведутся эти исследования, и какие океанические изменения удалось зафиксировать за этот период?  

- Наши  исследования основаны на спутниковых измерениях, которые доступны уже несколько десятилетий. Альтиметры доступны с 1990-го года, почти 30 лет. Информация с помощью оптических систем поступает с начала 2000-х. Появились и новые методы, например, спутниковые измерения солености, с 2015 года. Но эти данные уже показали результаты – например, о том, что плюмы, которые образуются выносом рек в арктические моря, и  занимают огромные аватории,  могут двигаться в совершенно разные стороны от года к году.  Например, плюм реки Лена может идти на север от устья, проникая далеко в полярные районы (вплоть до 80°), а может идти на восток вблизи берега до Берингова пролива. В зависимости от этого формируется поле течений, которое зависит от разницы солености между опресненными речными и солеными морскими водами. В случае восточного распространения усиливается Восточно-Сибирское течение, которое меняет  весь водообмен между Арктикой и Тихим океаном. В 2015 году плюм двигался на север, а в 2016-м – на восток – почему именно так? Такие изменения очень сильно влияют на экосистему Арктики, в частности ухудшают условия освещенности. 

То же самое мы изучаем в динамике морей и океанов. Есть долговременные изменения, есть межгодовые. Случаются абсолютно аномальные ситуации, когда течение ослабевает до критического минимума и вызывает резкую перестройку экосистемы. Изучением причин этих изменения мы и занимаемся.

- Какие-то закономерности в морской изменчивости вы уже заметили и подтвердили?

- Конечно, понять причины изменения структуры циркуляции и фитопланктона – наша основная цель.

В Черном море мы подтвердили предположение о том, что именно  завихреннность ветра вызывает и влияет на интенсивность крупных течений. Чем больше вихрь ветра, который связан с обтеканием Кавказских гор, тем  сильнее основное черноморское течение. Но когда это течение ослабевает, вместо него образуются крупные вихри – этот механизм связи крупных течений с вихрями тоже предмет наших исследований.

Ветер является и основной причиной движений плюмов в верхнем слое.   При этом, как я уже говорил, мощные  плюмы  отчасти сами формируют свою циркуляцию. Мы изучаем механизмы совместного действия   ветра и самоорганизующейся циркуляции, связанной с перепадами плотности, на динамику и эволюцию движения речных вод.

В последнее время наблюдается множество интересных явлений, связанных с усилением штормовой активности. Резкие штормы, а особенно в летний период, вызывают абсолютно аномальные цветения фитопланктона из-за активного перемешивания слоев и подъема питательных веществ с глубины. Такие цветения в  Черном море раньше практически не наблюдались, а сейчас они могут длиться несколько месяцев.

Интересное явление изучают мои коллеги в Мраморном море. В прошлом году все море покрылось довольно толстым слоем морской слизи. Что это такое и откуда она берется? Сейчас мы пытаемся выяснить эти причины, которые, в частности, могут быть связаны с глобальным ростом температуры.

За счет ветров и таяния льдов меняется соленость, которая влияет на стратификацию моря - чем меньше море стратифицировано, тем легче оно перемешивается. Черное море, например, становится более соленым, а значит, легче подвержено влиянию ветра и зимнего выхолаживания. Все это усиливает цветение фитопланктона. Например, мы наблюдаем экстремальное цветение кокколитофорид  – это водоросли, которые покрывают себя известковыми чешуйками, рассеивающими свет. В 2017 году цветение было в 10 раз больше обычного, что было связано с перестройкой полей солености, которые вызваны долговременными климатическими изменениями – усилением скорости ветра и течений.

- Ваша работа очень плотно связана с биологией. Насколько активно вы сотрудничаете с биологами и можете ли себя отчасти отнести этой науке?

- Спутниковые измерения в оптическом диапазоне дают нам информацию о различных характеристиках фитопланктона, его цветении в масштабах морей и океанов. Профилирующие буи дали нам информацию об изменении оптических характеристиках по вертикали. А эти оптические характеристики напрямую связаны с биологическими, например, с концентраций хлорофилла А или концентрацией частиц.

К нам присоединились ведущие ученые-биологи из Института океанологии РАН. В первую очередь – это Александр Сергеевич Микаэлян. В институте Океанологии есть группа Андрея Георгиевича Зацепина, которая любит и физику, и биологию – с ними мы тоже сотрудничаем. Таким образом, наши команды усилилась, и новые результаты получаются при объединении этих двух наук.

Я с детства люблю биологию, тайны жизни и ее развития. А наша работа касается одних из ключевых тайн планеты -  исследования причин изменений растительных сообществ в океане – колыбели жизни на Земли.

- Во время Совета по науке и образованию при президенте РФ вы предложили добавить в систему климатического мониторинга в России систему автоматизированных изменений в глубоководной части океана. Такую систему в России нужно создавать с нуля?

- Да, к сожалению, такой системы сейчас нет. Есть опытные образцы и полигоны, где опробованы приборы, в том числе, созданные российскими океанологами. Например, глубоководный лифт - Аквалог, который позволяет выполнять вертикальные измерения сразу многих параметров.

В нашем институте есть уникальная научная установка - океанографическая платформа, установленная в море, где происходят автоматические измерения ряда параметров атмосферы и океана. В арктических морях, за исключением Белого, такой системы нет. То же самое можно сказать и о Дальнем Востоке. Эти работы не систематизированы, существует лишь единичные не регулярные установки, основанные на инициативе отдельных ученых.

Но и существующие приборы дают много результатов. Автоматизированные станции дают большое количество  новой  информации о том, как различные параметры изменяются  со временем: температура, соленость, освещенность и так далее. И эти данные дают ключ к пониманию того, что отвечает за формирование различных процессов в морской среде.

Естественно, что в век компьютерных технологий нужно делать роботизированные измерения.  Спутники видят только поверхность, но охватывают максимальную площадь. В экспедициях на судах можно получить уникальные данные – отборы проб и т.д., но только в одной точке и в одно время. А автоматические, регулярные измерения по вертикали дадут постоянную информацию. Можно будет узнать, как меняется сигнал не эпизодически, в круглый год. Например, нам неизвестно, что происходит во многих морях зимой – мало экспедиций из-за неблагоприятных условий. Автоматизированные измерения позволят заполнить этот пробел и выйти на совершенно другой уровень по ряду направлений океанологии, но для этого нужна поддержка от государства.

- Какие-то моря и океаны можно выделить как наиболее интересные в вашей работе?

- Все моря интересны по-своему. Наибольший интерес сейчас представляет Арктика: она освобождается ото льда, а лед – это защита от ветроволнового воздействия. Теперь ветер влияет на процессы в морях даже в те периоды, когда раньше он поверхности не касался, соответственно меняется режим течений. Цветение кокколитофорид в Баренцевом море, о котором я говорил выше – за счет освобождения ото льда оно сместилось на тысячу километров на восток. Арктические моря очень интересны и с точки зрения речных выносов, которые угнетают экосистему.

В тихоокеанских морях другой интерес – там происходит интенсивное образование вихрей, например,   курильских  - очень мощных из-за наличия глубоководного желоба, который их стабилизирует. Эти вихри  вызывают резкий перенос питательных веществ, и, в частности,  значительно изменяют условия для вылова рыбы.

Каждое море уникально, о каждом можно рассказать отдельную историю. Например, Балтика покрывается цианобактериями, и там мощнейшее цветение этих токсичных водорослей. Черное море знаменито своей аномальной соленостной структурой, которая, отчасти и является причиной громадной сероводородной зоны в его глубинных слоях. 

- Крым, где вы работаете, регион вододефицитный. Какая связь заметна между морскими и пресноводными экосистемами, и какие исследования у вас проводятся в этой области?

- Наш институт работает в этом направлении. Один из договоров связан с исследованием пресноводных источников. В первую очередь это карстовые воды, и это тоже во многом связано с климатом и распределением осадков. В институте развиваются  региональные атмосферные модели, которые более точно показывают, где осадки выпадут наиболее интенсивно, а соответственно соберётся больше пресной воды.

Одна из важных связей морских и пресноводных экосистем – это речной сток, который несет много минеральных веществ. С другой стороны, море – это источник влаги, и при изменении условий испарения меняются и характеристики осадков. В этом смысле весь мировой океан – связанная система.

- В каком направлении вы продолжите исследования? На что будете обращать особое внимание, и какие темы кажутся наиболее перспективными?

- В ближайшее время мы с коллегами планируем подать заявку на исследование Южного океана – Антарктика, Субантарктика. Планируем изучать, в том числе, его биологические характеристики: там появилось огромное количество новых данных, связанных с запуском международной программы профилирующих буев. Это идея на ближайшие годы.

Активно занимаемся беспилотными технологиями, которые позволяют получить абсолютно новые данные о прибрежной динамике. Сегодня беспилотники предоставляют очень высокую детализацию с возможностью смотреть видео. А видео – это наблюдение эволюции процессов. На основе этих измерений мы разрабатываем методы определения скорости течений и волн.

Также мы развиваем физико-биохимические модели, которые позволяют наиболее полно учесть влияние физических факторов на экосистему. А большая мечта – это создать ту самую сеть глубоководных измерений, которая даст очень важные ответы на целый ряд вопросов океанологии.