МАТЕ М АТИ Ч ЕС КИ Й
АНАЛОГ МИРОВОГО ОКЕАНА
Когда речь заходит об океане, в нашем воображении рождаются образы бескрайнего водного пространства, свирепых штормов и шквалов, огромных волн, могучих течений, протянувшихся на многие тысячи километров. Что же касается ученых, то они стремятся «уложить» его в прокрустово ложе математических, компьютерных моделей. Одна из них разработана группой российских специалистов под руководством академика A.C. Саркисяна. С ним беседует наш корреспондент Рудольф Тимофеев.
— Артем Саркисович, нетрудно себе представить, насколько сложная, поистине головоломная проблема моделирования динамики морей и океанов. Какие цели преследует ее решение?
Мировой океан не только занимает три четверти поверхности Земли, но и во многом определяет изменения погоды и климата на нашей планете, а тем более в прибрежных районах континентов. Масса океанских вод, имея среднюю температуру +3,8°С, примерно в 300 раз превышает массу атмосферы, средняя температура которой — 17°С, а удельная способность воды к нагреву в 3000 раз больше, чем воздуха. Одно лишь течение Гольфстрим, как известно, переносит значительно больше водной массы, чем все вместе взятые реки. К тому же океаны и моря — это и переплетение крупнейших транспортных артерий, кладовая колоссальных биологических и минеральных ресурсов. Так что серьезнейший интерес к нему вполне оправдан.
— Этот огромный природный объект уже давно и достаточно успешно изучают представители разных специальностей, за ним ведут наблюдения из космоса, в океане работают научно-исследовательские суда. А какая роль отводится математическим исследованиям?
— Действительно, искусственные спутники Земли постоянно выдают почти синхронную информацию о поверхности Мирового океана. Через них тысячи плавучих буев сообщают о скорости ветра, течениях.
температуре воды на поверхности или на определенной глубине. Богатые материалы предоставляют экспедиции, в частности Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН. Однако весь огромный и меняющийся объем сообщений наиболее адекватно можно представить только в виде математических моделей, на основе которых строят наглядные компьютерные карты. Наша основная цель — решение систем дифференциальных уравнений термогидродинамики, которые раскрывают законы сохранения массы и энергии в применении к конкретным морским и океанским бассейнам. С простыми задачами справляются обычные компьютеры, а в наиболее сложных случаях — суперкомпьютер Вычислительного центра РАН.
— Для того чтобы отразить в мо-дели динамику вод Мирового океана и, тем более, давать прогнозы хотя бы на ближайшее будущее, недостаточно оценивать только поверхностные процессы. Важное значение имеют вертикальные перемещения водных масс и потоков энергии. Как вы все это взаимосвязываете?
— Прежде всего отмечу: сведений о глубинной части Мирового океана, конечно же, сравнительно немного. Более или менее надежные данные имеются о верхнем километровом слое. Буи, плавающие на разных горизонтах, периодически поднимаются к поверхности, передают информацию на спутник и снова опускаются. За последние полвека судовые наблюдения часто
вели в пределах до 2 км. Силами многих стран была осуществлена масштабная международная программа по изучению циркуляции Мирового океана. Кроме того, в СССР в 80-е годы под руководством академика Г.И. Марчука проход™ многолетний эксперимент «Разрезы». В его рамках экспедиции выполняли измерения в глубинах океана, выбирая наиболее активные и характерные регионы. Полученные материалы в виде математических уравнений мы экстра пол и руем на всю толщу до дна. Недостаток информации восполняем с помощью расчетов.
— Но, coгJШcumecь, для нас, обитателей суши, наиболее интересны процессы, происходящие на контакте океана с атмосферой, влияющие на климат, погоду континентов. В сводках Гидрометцентра мы часто слышим о циклонах или потоках тетю, идущих из Алыантики. В какой степени их можно прогнозировать ? И не требуются ли для этого очень детальные и дорогостоящие исагедования, охватывающие акваторию океана целиком ? Может быть, проще довольствоваться наблюдениями со спутников за перемещением воздушных масс?
— Постоянные наблюдения с кораблей — очень дорогое мероприятие. В этом и заключается преимущество математических моделей: они позволяют резко сократить такие работы, концентрировать их на самых важных, ключевых участках. Например, в программе «Разрезы» главное внимание уделялось Норвежской,
А- среднемноголетние значения скорости (см/с} Гольфстрима, рассчитанные по математической модели; В - вихревые потоки Голырстрима в конкретный момент времени;
С - аномалии уровня свободной поверхности (см) Северной Атлантики по наблюдениям со спутников на 3 июня 1996 г. Рельеф отражает влияние холодных циклонических (синие пятна)
и теплых антициклонических вихрей.
Ньюфаундлендской, тропической зона!« и Гольфстриму, т.е. Атлантике. Там наиболее интенсивен теплообмен между атмосферой и океаном, велика скорость течений, что сказывается на движении воздушных масс.
Для прогнозов погоды на ближайшие дни решающее значение имеют непосредственные наблюдения метеорологов, хотя и в этом случае проводят математическую обработку материалов. Но для среднесрочных предсказаний подобных сведений
недостаточно. Атмосферные вихри примерно в 100 раз крупнее океанских. Однако продолжительность первых, как правило, 5—10 дней, вторые же сохраняют устойчивость месяцами, а то и годами, перемещаясь по акватории и оказывая значительное влияние на температуру, влажность, скорость и направление воздушных потоков. Б энергоактивных зонах обнаружены квазистационарные, т.е. маломеняющиеся крупные антициклонические вихри, охватывающие толщу воды до глубины
500 м и более. Они работают как аккумуляторы, накапливая тепло летом и отдавая его зимой... Словом, математическая модель динамики Мирового океана должна учитывать множество разнообразных сведений и в перспективе все более детально описывать процесс его взаимодействия с воздушной массой для последующего прогнозирования. При этом наблюдаемые параметры — стартовый материал, а прогноз можно делать только с помощью уравнений, которые мы решаем.
16 Чат дом - пяшпи Земпя
6014-
зоы -
ЗОБ
60Э
25 20 15 10
60Е
120Е
120\Л/
60\Л/
Модель течений Мирового океана на глубине 50 м, составленная в ИВМ РАН. На шкале справа — скорость в см/с.
— За последние сто лет научная и, главным образом, научно-популярная литература большое внимание уделяет закономерным колебаниям погоды и климата, которые нередко связывают с солнечными ритмами. В математических моделях такие периодические процессы должны выявляться со всей определенностью. К примеру, считается, что от печально известного течения Эль-Нииьо, которое подходит к западному побережью Южной Америки, во многом зависят резкие изменения погоды*. Нет ли тут ритмичности, пульсации холодного течения ?
— Ничего подобного не наблюдается. Полное название этого природного явления — Эль-Ниньо де Новидад («младенец под Рождество») — отражает время, когда оно впервые наблюдалось особенно ярко. Однако так случается редко.
— Недавно промелькнуло сообщение о том, что на основе сведений о динамике вод Тихого океана построшш
См., В.Л, Сывороткин. Откуда ты, «неукротимый младенец»? — Наука в России, 200!, № 3 [прим. ред.).
математические модели, с помощью которых предсказали появление Эль-Ниньо...
— Такой прогноз зарубежные специалисты дали с немалой степенью неопределенности в январе 2002 г. на 3-6 месяцев. Успешный численный эксперимент по моделированию Эль-Ниньо выполнен в Институте вычислительной математики РАН. Он свидетельствует лишь о взаимосвязи процессов, происходящих в океане, но не о циклическом их характере. В науч-но-популярной литературе часто пишут: «Вот пришло теплое течение Эль-Ниньо, погода стала жаркой и начался мор рыбы». А ведь первопричина данного явления на самом деле связана прежде всего с динамикой атмосферы. Если нет устойчивого ветра, отгоняющего теплые поверхностные воды от берегов Чили, то последние застаиваются и нагреваются. Уменьшается количество кислорода и питательных веществ в верхних слоях океана, гибнет рыба, а следом и кормящиеся рыбой морские птицы, И виноват тут не «младенец под Рождество», а то, что ветры не сгоняют теплые воды. У специалистов, изучающих и моделирующих динамику Мирового океана, не вызывает
сомнения: Эль-Ниньо и схожие с ним явления идут аритмично.
— Выходит, в данном случае совершается двойной обмен: атмосфера воздействует на океан и наоборот.
— В краткосрочном периоде — да. Но морские течения, по выражению выдающегося климатолога и географа А.И. Воейкова (1842-1916), -отопительные трубы глобальных масштабов. Скажем, без теплого «дыхания» Гольфстрима средняя температура воздуха в Санкт-Петербурге была бы на 20—30°С ниже. Благодаря ему порт в Мурманске весь год свободен ото льда в отличие от Мариупольского на Черном море, расположенного на 3 тыс. км южнее.
— Итак, несмотря на колоссшьный объем информации о динамике атмосферы и океана, а также сложнейшие математические модели, трудно ожидать значительных успехов в составлении более точных прогнозов изменений погоды и климата. Ведь четкие ритмы этих изменений не обнаружены, а циркуляция воздушных масс — прихопъшва.
— Не совсем так. Важно, насколько наши модели адекватны реальным процессам. Предсказать погоду на один-три дня можно и без учета влияния океана. Но на более
Наш зам - ппзиета Земн
/
ие с
>вер-рера 1.
-Да. гаю -ра-
¡ых эго
1ЯЯ
ке. :ке ие зе, :е. ■ ш
0-че ю )-
1-
с
60Ы
30141
зоэ
60Б
60Е
120Е
120\А/
продолжительный период нельзя, так как многое зависит от формиру-ющихся в океане тепловых аномалий. Надо выяснить, почему и как они образуются, как взаимодействуют с атмосферой, — механизм весьма сложен. Передача тепла происходит, например, при испарении: образовавшаяся вода в газообразном состоянии переносится в атмосферу и выделяет свое тепло. И уже совсем в другом районе, где возрастает влажность, формируются осадки. Подобные события можно математически моделировать, учитывать и в резуль
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.