Р.И. Нигматулин. Журнал Вестник Российской Академии Наук - том 80 №8 2010
В последние годы не утихают споры по поводу глобального потепления. Вопросы вызывают и вклад антропогенного фактора в этот процесс, и возможное развитие ситуации, и её последствия, и роль океана в формировании климата на планете. Обсуждению этой проблематики было посвящено одно из заседаний Президиума РАН, материалы которого журнал предлагает вниманию читателей.
Существуют разные представления об океане. Поэтический образ дал Владимир Маяковский: "Когда вы находитесь в середине Чёрного моря или в океане, видимой разницы нет: берегов не видно, волны в океане и в море одинаковые, но ощущение, что впереди Америка, а сзади Европа - это ощущение и есть океан". В настоящей статье, конечно, речь пойдёт об океане как о научном объекте, который занимает 70% поверхности Земли и масса которого составляет около 1018 т, то есть миллиард миллиардов тонн (масса атмосферы 1015 т - в тысячу раз меньше). Океан с давних пор обеспечивает людей пищей и транспортными путями, в морях добывается всё больше и больше нефти и газа. Но океан - это и источник природных катастроф: разрушительных ураганов, волн-цунами и волн-убийц. Океан - это важнейший фактор погодных и климатических изменений.
Современная океанология, в отличие от океанографии, объединяет с целью изучения морей и океанов методы нескольких наук.
- Во-первых, это физико-математические науки - гидродинамика, гидрофизика, гидрология, волновая динамика, акустика, тепло- и массообмен, математическое моделирование.
- Во-вторых, это биология и экология, исследующие трансформацию биологического вещества, пищевые цепи, взаимодействие экологических систем, растительный и животный мир океана.
- В-третьих, это геологические науки - геология, геохимия и геофизика, изучающие дно, береговые зоны, шельф, склоны, осадочные слои и минеральные ресурсы. В-четвёртых, это инженерия - научно-исследовательские суда, подводные аппараты, оборудование, датчики, подводные зонды и роботы.
Уже в момент организации Института океанологии в постановлении Президиума АН СССР от 31 января 1946 г., подписанном президентом АН СССР С.И. Вавиловым и подготовленном академиком П.П. Ширшовым (1905-1953) и профессором В.Г. Богоровым (1904-1971, член-корреспондент АН СССР с 1958 г.), было предусмотрено "проведение исследований океана и морей на базе представления о единстве проходящих в морях и океанах физических, химических, биологических и геологических процессов". Это постановление Президиума АН СССР последовало за постановлением Совета народных комиссаров СССР о создании Института океанологии АН СССР, которое И.В. Сталин подписал в год окончания Великой Отечественной войны - 24 декабря 1945 г.
Для проведения морских и океанических экспедиций Институт океанологии им. П.П. Ширшова располагает семью судами.
- Три из них крупные (водоизмещение 6300-6700 т):
- "Академик Сергей Вавилов",
- "Академик Иоффе",
- "Академик Мстислав Келдыш".
- Два средних судна:
- "Профессор Штокман" (1700 т),
- "Рифт" (1300 т).
- Два небольших судна:
- "Шельф" (280 т)
- "Ашамба" (30 т).
В нашем распоряжении имеются два знаменитых глубоководных аппарата "Мир-1" и "Мир-2" с глубиной погружения до 6000 м, а это 98.5% дна Мирового океана. Есть также соответствующие зонды, автоматы, роботы и т.д.
Кроме того, Институт геохимии им. В.И. Вернадского имеет судно "Академик Борис Петров" (2400 т), Институт геологии - судно "Академик Николай Страхов" (2400 т), оснащённое высоко-разрешающим сейсмическим оборудованием.
Эксплуатация трёх упомянутых выше крупных судов, принадлежащих Институту океанологии, стала очень дорогой. В частности, при плавании одного такого корабля судовые расходы равны 700 тыс. руб. в сутки, а расходы при простое в порту приписки Калининграде - 50 тыс. руб. в сутки. Поэтому при нынешнем финансировании океанологических исследований использовать эти три судна можно только совместно с коммерческими фирмами. Ежегодно Институт океанологии проводит, как минимум, четыре экспедиции в Мировой океан на этих крупных судах. Выполняются "сечения" (измерения распределений по горизонту и по глубине температуры, солёности, скоростей течений, содержания кислорода и других параметров) вдоль 60 градуса в Северной Атлантике и поперёк пролива Дрейка, отделяющего Южную Америку от Антарктиды, а также в придонном канале Вима и в других районах Южной Атлантики. Кроме того, каждый год организуется несколько экспедиций на остальных судах в Балтийском, Чёрном, Каспийском, Баренцевом, Белом и Карском морях. Глубоководные аппараты использовались в экспедициях на Северный полюс (2007) и озеро Байкал (2008-2009).
В последние пять лет число океанических и морских экспедиций растёт. В 2009 г. проведено 19 экспедиций, из них 8 - в Северную и Южную Атлантику. Их общая продолжительность составляет 644 суток.
Цикл океанического углерода. Цикл углерода - основа круговорота химических веществ в биосфере. Один из предметов изучения океана - распространение взвешенного вещества, фитопланктона (хлорофилл и первичная продукция) и зоопланктона (вторичная биологическая продукция). На поверхности океана эти данные получают путём оптических измерений из космоса с помощью спутников, а на глубинах - с помощью зондов, пробоотборников и ловушек, при этом, помимо содержания, измеряются и потоки оседающего вещества. Измерения показывают, что распределение взвеси, фитопланктона и зоопланктона очень неоднородно и различается на несколько порядков. В приконтинентальных водах их концентрации высоки, а в далёких от континентов и островов водах на порядок меньше. В приконтинентальных зонах органическая и неорганическая взвесь поставляется речным стоком, и эти зоны являются "маргинальным фильтром", где осаждается и перерабатывается речная взвесь.
Теория такого фильтра разработана академиком А.П. Лисицыным. В районах, далёких от континентов, часто преобладает взвесь, оседающая из воздушных потоков. Эта взвесь уносится ветром с континентов и попадает частично в океан, а частично на другие континенты. В частности, потоки твёрдой взвеси уносятся из африканских пустынь в Южную Америку. По А.П. Лисицыну, часть этой взвеси, осевшая в океан, опускается на дно и входит в состав осадочного вещества. Она несёт информацию о процессах, которые происходили тысячи и миллионы лет тому назад.
Океан и моря являются своего рода биохимическими реакторами, в которых за счёт фотосинтеза производятся новые поколения фитопланктона в виде целой цепи разных его видов (первичная продукция). В пересчёте на массу органического углерода производительность фитопланктона составляет около 60 Гт/год . Дополнительно около 1 Гт/год поставляет донная флора.
Фитопланктон является пищей ("сырьём") для растительноядного зоопланктона (вторичная продукция), который формирует в океане 6 Гт/ год органического углерода. Зоопланктон - пища для всё более крупных представителей животного мира, находящихся на более высоких ступенях пищевой цепи и составляющих "пирамиду масс". Основная продукция органического углерода минерализуется в толще воды с выделением С02; лишь 0.3 Гт/год в виде органики и неорганики оседает и накапливается в осадках, в основном на шельфе, континентальных склонах и их подножиях.
Весь этот круговорот идёт очень быстро: годовая масса образования первичной и вторичной биологической продукции много больше её содержания в водах. Масса органического углерода в фитопланктоне составляет 0.4 Гт, в донной фауне -0.6 Гт, в бактериях - 0.3 Гт, в зоопланктоне -0.4 Гт, донной флоре - 0.1 Гт (их полные сырые массы примерно в 20 раз больше). Отсюда следует, что в течение года в морской биоте круговорот углерода происходит неоднократно.
Масса органического углерода в океане в растворённом виде достигает 1000 Гт, а во взвешенном - 50 Гт. Масса углерода в растворённом в воде углекислом газе равна 100 Гт, что в 50 раз больше, чем в атмосфере. Приведённые цифры постоянно пересматриваются и уточняются. Неоднозначность оценок связана со значительной неоднородностью концентрации углерода и биологической продуктивности (в том числе и первичной продуктивности) океана.
Распределение концентраций различных взвесей, биогенных элементов часто имеет узкие градиентные зоны или пики (фронты), в которых эти концентрации на порядки больше по сравнению с фоновыми.
Пики концентраций связаны как со временем, так и с пространством. Обычно они обусловлены сезонными явлениями в морских экосистемах или так называемыми апвеллингами - восходящими течениями, возникающими, в частности, из-за профиля дна или других гидродинамических явлений. Восходящие течения возвращают осаждающиеся и поставляют в фотический слой из более глубоких вод биогенные элементы - углерод, азот и фосфор, которые являются источником пищи для новой продукции фито-, зоо- и бактериопланктона. В океане образуется и разлагается столько же органического углерода, сколько и на суше (около 60 Гт/год), и это имеет решающее значение с точки зрения содержания углекислого газа в атмосфере.
Интересно сравнить интенсивность мировой добычи нефти (4 Гт/год) и газа (2 Гт/год) с производством органического углерода в сумме на суше и в океане (120 Гт/год), из океанической части которого в осадках накапливается всего 0.3 Гт/год. А ведь именно из этой массы образуются нефть и газ на шельфе и подножиях склонов. Толщина осадочных слоев достигает нескольких десятков километров и, по оценкам, они содержат большие запасы нефти и газа, образовавшиеся из осевшей органики, изолированной от кислорода воздуха, тысячи и миллионы лет тому назад.
Р.И. Нигматулин. Журнал Вестник Российской Академии Наук - том 80 №8 2010