Наука – Коммерсантъ 21.08.2022 (kommersant.ru)
Более 70% поверхности нашей планеты, как известно, занято водами Мирового океана, который во многом определяет климат и вообще наличие биосферы на Земле. Почему важно научиться моделировать все процессы в океане и как это можно сделать, рассказывает Анатолий Александрович Родионов, директор Санкт-Петербургского филиала Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН, член-корреспондент РАН, заслуженный деятель науки РФ, капитан первого ранга и подводник.
— Анатолий Александрович, чем была вызвана необходимость создания в Санкт-Петербурге филиала Института океанологии?
— Наш филиал был основан в 1966 году. В прошлом году нам исполнилось 55 лет. Тогда это была лаборатория математического моделирования циркуляции океана и атмосферы Института океанологии им. П. П. Ширшова, а в 1973 году лаборатория была преобразована в отдел. Все это происходило, когда в науке активно внедрялось математическое моделирование — недаром все руководители были докторами физико-математических наук, а не географами или океанологами.
Но получилось так, что первая большая задача была связана не с Землей. Тогда очень активно развивался космос — в частности, стояла задача посадить аппарат на Венеру. А чтобы это сделать, надо знать скорость ветра вблизи поверхности этой планеты.
— Насколько я знаю, первые аппараты не смогли сесть на ее поверхность и сгорели именно потому, что многих параметров тогда не знали.
— Да. Не было известно практически ничего: ни про очень большое давление в 90 атмосфер, ни про чудовищные температуры, ни про плохую видимость… Но было очень важно знать, какая скорость у поверхности. И задачу эту, как одну из главных, поставили именно нашему филиалу.
— Почему именно вам?
— В Лаборатории численного моделирования атмосферы и океана трудились молодые перспективные специалисты, которые взяли на себя смелость решить эту задачу, причем решить ее надо было за три месяца, хотя реально такой задачей занимаются годами. Задача сложная и новая, никаких данных нет. Ведь когда мы что-то прогнозируем или оцениваем, мы все же имеем какую-либо измерительную информацию. А дальше уже по измерениям и моделям можем провести прогноз.
— Знаю, вы с этой задачей справились, хотя не очень понимаю как. Ведь одно дело — земная атмосфера и земные поверхности, совсем другое дело — венерианская, где царят совсем другие условия. И они не были известны ученым.
— Несмотря на все эти сложности, были построены модели исходя из некоторых общенаучных данных. Не обошлось без парадоксов: спрогнозировали, дали необходимые характеристики, аппарат сел, а потом в вычислениях нашли ошибку. И оказалось, что ошибка была в самой модели. Но когда уже по уточненной модели пересчитали, оказалось, что значение на поверхности было то же самое. Получилось так, что две ошибки друг друга скомпенсировали. В конечном счете по динамике атмосферы Венеры вышла монография наших сотрудников.
А потом начались серьезные работы по моделированию атмосферы, океана, поверхностных волн, приливов… Мы по сей день держим по ряду направлений первенство.
Есть и нечто принципиально новое.
Если представить океан на поверхности Земли, его средняя глубина — 5 км, а радиус Земли — 6300 км. То есть это тоненькая пленочка, разлитая по планете.
Для решения климатических задач его представляют в гидростатическом приближении: учитываются в основном горизонтальные движения в океане, а вертикальные, как правило, малы и не учитываются. На общие климатические характеристики они не влияют. Поэтому в океанологии большинство моделей были гидростатические. Это, конечно, заметно упрощает расчеты.
— Но это неправильно?
— Не всегда правильно. В случае оценки климата или динамики спокойных акваторий такие модели работают. Но если мы рассматриваем проливы, обтекание подводного рельефа дна, задачи на шельфе, то речь идет уже о погоде в море, и тогда это нужно учитывать. При гидродинамическом описании подводных объектов, искусственных сооружений пренебречь эффектами негидростатики также нельзя. Это сразу усложняет задачу, но иначе получается некорректное решение. И в этом направлении у нас значимые достижения. Мы научились строить сложные модели с учетом основных влияющих факторов.
— Знаю, что океаны во многом определяют климат на Земле. Видите ли вы какие-то глобальные изменения климата? Ведь споры на эту тему продолжаются до сих пор...
— Не только океаны определяют климат, но во многом это так. На самом деле, определяющую роль играет взаимодействие океана, атмосферы и континентов.
Что касается вашего вопроса, то, безусловно, мы эти изменения видим. Начиная с 1970–1980-х годов происходит потепление. Особенно это заметно в Арктике. Оно вроде бы небольшое — примерно сотые градуса за год в среднем. Понятно, что температуры колеблются от года к году, но мы видим, что средняя объективно изменяется: с 1970-го по 2000-е годы для разных морей Севморпути средняя температура изменилась на единицы градусов Цельсия.
— Это немало, особенно если считаешь десятилетия или столетия.
— В истории Земли разнонаправленные изменения климата случались неоднократно. Пока еще не очень понятно, насколько долго это будет продолжаться. Сейчас замечено, что происходит уменьшение скорости потепления. Поэтому заранее предрекать катастрофы, наверное, неправильно.
— Кто виноват в процессе потепления?
— Однозначного ответа у меня нет. Эта дискуссия идет очень давно. Мы можем лишь делать прогнозы, и наш прогноз основывается на сценарии изменения основных факторов: потока солнечной энергии, состава атмосферы и океана. На этой основе можно строить модели, пытаясь предсказать, что будет дальше.
Сейчас Отделение наук о Земле РАН приходит к выводу, что все-таки антропогенный фактор может заметно влиять на климат и общую экологическую ситуацию на планете, хотя начальные антропогенные возмущения ничтожно малы по сравнению с естественными факторами.
— Выходит, беспокоиться не о чем?
— Беспокоиться нужно, чтобы не допустить катастроф.
Важно понимать, что природой и обществом руководит закон перехода количественных изменений в качественные. Для океанологии это неустойчивые процессы.
В определенном диапазоне масштабов накапливается энергия, и если процесс неустойчив, то небольшая добавка приводит к качественному скачку — энергия высвобождается.
— Известно, что даже на уровне Вселенной преобладают энтропийные процессы…
— Неустойчивые процессы — одни из самых распространенных. Даже революция в обществе — это тоже проявление неустойчивости. Энергия между участвующими общественными силами накапливается, затем высвобождается, и общество переходит на другой уровень.
— Значит, неустойчивость нужна и в природе, и в обществе?
— Это закон. Например, поверхностные волны: сначала они растут по амплитуде, у них появляются неустойчивые компоненты, а потом в какой-то момент обрушиваются. Хорошо это или плохо? Это некая данность, которую необходимо учитывать.
— И которую нужно изучать?
— Да. При этом получается, что если у нас процессы неустойчивые, то даже те небольшие возмущения, которые вносит человек, могут приводить к изменению экологической ситуации и даже климата. Вопрос это сложный и неоднозначный, однако вероятность такая есть.
— Слышала, что у вас есть уникальный бассейн. Даже непонятно, где он помещается в таком небольшом институте. Что это за бассейн?
— Это целый научно-исследовательский комплекс, которым мы по праву гордимся. Дело в том, что в океанологии очень важно физически моделировать процессы. Для этого есть маленькие бассейны, где можно моделировать только один какой-то процесс или явление.
То, что происходит в океане, полностью ни в каком бассейне нельзя смоделировать.
Есть «критерии подобия», на основе которых масштабируют и пересчитывают результаты физического моделирования на натурные условия. Те процессы, которые происходят в океане, не получается полностью масштабировать для бассейна.
Но чем больше бассейн, тем больше процессов можно смоделировать. Такое направление в экспериментальных исследованиях играет важную роль. Поэтому должен быть комплекс бассейнов, а также полунатурный эксперимент, для чего можно использовать естественные водоемы — озера, например.
— А почему бы не изучать все эти процессы непосредственно в океане?
— Конечно, натурный эксперимент в океанологии долгое время играл главную роль, но надо понимать трудности получения экспериментальных данных в таких условиях. Контактные датчики — это измерения либо в точке, либо по вертикали, либо по траектории носителя. Можно получить панорамную информацию с поверхности дистанционными средствами. И те, и другие методы имеют погрешности и свои сложности в получении данных. Но главное ограничение натурного эксперимента связано с невозможностью получения достаточного объема данных для описания многомасштабных пространственно-временных процессов. Поэтому каждый из методов моделирования в океанологии занимает свое место.
Мы давно хотели создать экспериментальный комплекс, который позволил бы нам ставить значимые для науки эксперименты. Наш комплекс состоит из трех бассейнов и пультовой, где на экранах компьютеров высвечивается все, что мы хотим увидеть в эксперименте.
Первый — стратифицированный оптический бассейн, где мы решаем гидродинамические задачи с учетом вращения Земли.
Бассейн представляет собой вращающийся с разной скоростью столик с чашей, которая находится на рельсах. Чашу можно перемещать в ту или иную сторону, тем самым моделируя любую точку вращающегося земного шара.
— Почему бассейн имеет необычную форму многогранника?
— Необходимо было уйти от острых углов, которые вносили бы возмущения в поток, а также форма граней позволяет получать не искаженную преломлением информацию.
Второй бассейн, где уже проводятся эксперименты,— гидроакустический.
Его особенность в том, что он развязан с фундаментом, чтобы не было мешающих акустических колебаний. Он стоит на специальной конструкции. Еще одна его особенность в том, что он покрыт специальной резиной, такой, как на подводных лодках, чтобы гасить все акустические переотражения.
Здесь вовсю идут эксперименты с разными организациями, в частности с «Газпромом». Они вместе со Сколтехом придумали краску, с помощью которой можно бороться с обрастанием кораблей и подводных лодок, и красить можно прямо под водой, чтобы не везти корабль в сухой док. Это очень дорого. Сутки стоянки в доке обходятся в сумму около миллиона рублей. С этой целью девушка-водолаз спускалась на двухметровую глубину нашего бассейна и красила поверхности этой краской.
Третий, самый большой наш бассейн — гидрофизический.
Здесь уже проходило множество экспериментов — например, мы работаем с Государственным университетом в Самаре и с Фондом перспективных исследований. Бассейн активно эксплуатируется.
— Вы подчеркиваете уникальность этого бассейна. В чем она?
— В том, что в нем мы делаем сложную стратификацию — разделение водной толщи на слои различной плотности. Обычно она делается в небольших лотках метра два длиной. А в большом бассейне ее трудно сделать. В нашем бассейне стратификация создается за счет изменения температуры — за счет того, что слои охлаждаются и нагреваются. Его уникальность в том, что здесь можно смоделировать основные типы стратификации в Мировом океане. Помимо стратификации в бассейне можно создавать и гасить поверхностные и внутренние волны с помощью волнопродуктора и волногасителя. Все это фиксируется с помощью специальных датчиков.
— В нашей стране таких бассейнов больше нет?
— Стратифицированный бассейн у нас в стране есть в Институте прикладной физики в Нижнем Новгороде. Он даже больше нашего. Бассейн строился в советское время. На него были выделены огромные деньги. Весь ученый мир участвовал в его проектировании. Предполагалось, что все там будут работать.
Но там есть большой минус: они могут сделать только два слоя — теплый и холодный. Это в определенной степени моделирует то, что происходит в океане, но далеко не исчерпывает все типы океанской стратификации. Мы же можем делать четыре слоя. Это существенно ближе к реальности.
— Что же удалось выяснить важного на тех двух бассейнах, которые уже введены в эксплуатацию?
— Есть интересные результаты, например по распространению вихревых структур в стратифицированной среде. Наверное, все видели, как пускаются кольца дыма. В атмосфере они распространяются в любом направлении и со временем исчезают. А в стратифицированной среде они совершенно по-другому себя ведут: могут изменять траекторию, самофокусироваться, проходить друг через друга и усиливать друг друга неоднократно. Получается такая загадочная игра, наблюдать за которой необычайно увлекательно.
— Есть ли какие-то неожиданные для вас эффекты?
— Особых неожиданностей нет, потому что мы делаем наш бассейн цифровым, и в этом тоже его уникальность. Мы под бассейн делаем численную модель, чтобы можно было просчитывать процессы и одновременно проводить физическое моделирование. Но при этом модель мы тоже корректируем с помощью этого эксперимента. Откорректированную модель дальше можно использовать в натурных условиях.
— Слышала много страшного про волны-«убийцы», наводящие ужас в океане. Ваши эксперименты пролили свет на это явление?
— У нас есть Лаборатория геофизических пограничных слоев. Они занимаются в том числе статистикой и механикой экстремальных волн, или волн-«убийц», создают методы их вероятностного прогноза. Думаю, что это тоже лидирующая группа в стране. Ее возглавляет Дмитрий Викторович Чаликов. Было много разных подходов к этому вопросу. Оказалось, что это все-таки случайное сложение волн, причем очень локальное.
— А можно научиться их прогнозировать?
— С точки зрения прогноза условий, которые складываются в океане или в море, можно для каждого конкретного района по данным о внешних факторах просчитывать вероятность возникновения экстремальных волн. Есть методики оценки средних значений высот этих волн в конкретном случае, но, к сожалению, элемент внезапности и случайности пока все еще остается. Поэтому нам есть над чем работать.
При этом и достижений немало. Например, нами предложен новый подход в технологии совместного моделирования океана, атмосферы и морских волн, согласно которому ветер отдает энергию и импульс волнам, турбулентности и поверхностным течениям через поле поверхностного давления и так называемое тангенциальное напряжение.
Сформулирована одномерная модель пограничного слоя над волнами, и установлено, что продуцируемый волной поток импульса определяет свойства волнового пограничного слоя. Описана эволюция процесса внутренней волны, и получены ее количественные характеристики. Разработана методика исследования субмезомасштабных процессов на основе сочетания спутниковых данных и полигонных океанографических наблюдений, позволяющая проводить их постоянный мониторинг на акватории приличных морей. А на основе данных многолетних наблюдений проведена оценка повторяемости интенсивных внутренних волн в Белом, Баренцевом и Охотском морях и на Тихоокеанском шельфе Камчатского полуострова.
— Вы находитесь недалеко от моря. Играет ли это роль в ваших исследованиях?
— В основном весь флот сейчас базируется в Калининграде и на Дальнем Востоке. Но мы в последние 12 лет проводили такую научно-техническую политику, в соответствии с которой у нас должно быть и моделирование, и, конечно, натурные эксперименты, чтобы можно было проводить сравнение. Сейчас бассейны появились, и это должно улучшить результаты.
У нас есть группа, которая занимается натурными экспериментами, и группы, которые занимаются моделями. Результаты этих групп дополняют друг друга.
Но, надо сказать, мы по-прежнему занимаемся самыми разными задачами, например оптикой океана и атмосферы. У нас есть соответствующая лаборатория, которая разрабатывает методы решения задач переноса излучения, теории подводного видения и дистанционного зондирования океана, а также решает прикладные задачи, такие как создание приборов для изучения гидрооптических характеристик океана. Результаты, полученные в этой лаборатории, тоже по-своему уникальны.
— Наверняка у вас есть грандиозные планы. Можете поделиться?
— Есть еще одна очень важная практически задача, к решению которой отечественные океанологи пока только приступают. Я имею в виду задачу прогноза и мониторинга погоды в океане в локальной акватории. В этом случае модели должны учитывать микро- и тонкую структуру гидрофизических полей, а именно морскую турбулентность, тонкослойное расслоение, а также описывать придонные процессы, в том числе на неоднородностях рельефа дна, и эффекты взаимодействия с атмосферой. Построение таких моделей имеет научную и прикладную значимость. Эта задача еще не доведена до практического уровня в нашей стране.
— Почему это важно?
— Это важно в первую очередь для тех, кто работает в океане. Например, тем, кто ловит рыбу: они должны знать, где ее ловить. А рыба находится там, где ей хорошо — сытно и комфортно. В этой задаче важную роль играют фронтальные зоны. А фронтальную зону нужно смоделировать и спрогнозировать. А это локальный район океана. Потом — мы строим или добываем что-то в океане, это тоже локальная модель. И, конечно, это важно в интересах обороны страны.
— Для создания таких математических моделей нужна мощная компьютерная техника. Как у вас с этим? Оснащение в наше время — это сложно.
— Вообще надо сказать, что персональные компьютеры изначально создавались для того, чтобы решать научные задачи. А 99% из них используются как печатные машинки. Причем затрат на изготовление документов не становится меньше. Это удивительный парадокс нашего времени.
Мы лет десять назад купили достаточно мощный по тем временам компьютер, примерно 200 ядер, и были впереди многих организаций. Конечно, сейчас ЭВТ быстро развивается. Мы на нашем вычислительном кластере только отрабатываем задачи — проверяем и тестируем. А считаем в основном в Санкт-Петербургском политехническом университете им. Петра Великого, где находится один из лучших в стране суперкомпьютеров. Они нам выделяют примерно 1 тыс. ядер, чтобы мы считали свои задачи. Нам пока хватает. Хотя понятно, что океан всегда будет оставлять для нас множество загадок.
