Современное состояние проблемы изучения и освоения мирового океана в рамках Федеральной  целевой программы  «Мировой океан»

 

С античных времен и по настоящее время прогресс в изучении и освоении Мирового океана определяется глубиной научных идей и объемом финансовых затрат. Морская активность является наиболее выпуклой формой демонстрации технических достижений, предопределяющих перспективы экономического развития отдельных стран, регионов и всего мирового сообщества. Океаны и моря формируют климат планеты, выделяют места наиболее комфортного пребывания человека, географию промышленных зон и заповедных территорий. Экономические факторы в сочетании с естественным стремлением человека "к морю" создают условия развития или деградации отдельных стран и целых континентов.

Появление первых примитивных навигационных инструментов, глобусов и карт, научные основы создания которых разрабатывались международным сообществом ученых, образовавших “Junta Mathematicus” на пустынной косе Сангреш, позволили разоренной войной средневековой Португалии открыть новые морские пути, освоить огромные территории, способы доставки дорогих товаров (пряностей, драгоценных камней, слоновой кости) в Европу и в исторически короткий срок войти в разряд процветающих стран.

Объединенные взаимным соревнованием королевства Испании, Италии, Португалии создали новые надежно управляемые суда (каравеллы), с помощью которых в орбиту международных экономических отношений был вовлечен ранее изолированный огромный континент. Плодами этих трансконтинентальных связей (томатами, картофелем, подсолнечником и др.) сегодня пользуется каждый житель Земли.

Более чем двухсотлетние, удивительно целеустремленные и настойчивые, усилия ученых и инженеров Англии способствовали созданию нового класса надежных и комфортабельных судов, которые несколько столетий служили скелетом, сухожилиями, мышцами, артериями, кровью и ударным кулаком огромной империи, в которой действительно никогда не заходило Солнце. Понимание важности освоения океанических процессов нашло отражение в известных строках гимна Англии: “Britain, rules the waves…”

Развитая в США после второй Мировой войны система грантов, фактически реализующая на новом уровне классическую фордовско-тейлоровскую конвейерную систему масспроизводства, инвариантную по отношению к персональным качествам исполнителей, позволила объединить общемировой интеллектуально – технологический потенциал и добиться новых значимых успехов в изучении и освоении Мирового океана. Следует отметить высокую степень централизации и согласованности в проведении дорогостоящих исследований океана как на государственном, так и на межгосударственных уровнях (IOC, UNESCO).

Океан стали бороздить десятки океанографических судов, появились глобальные научные проекты (WOCE – World Ocean Circulation Experiment), международные конференции стали собирать тысячи участников и проходить в обстановке всеобщего энтузиазма и приподнятости. Прецизионные акустические, гравиметрические и магнитометрические инструменты позволили утроить число подводных гор и открыть единую систему подводных срединно-океанических хребтов протяженностью более 60 000 км, зафиксировать удивительные регулярности в глобальных картинах магнитных и гравитационных аномалий, уточнить картину течений и структур водных масс.

В истории России выделяются несколько периодов выраженной морской активности. В начале XVIII века более чем столетние попытки выхода России к коротким морским коммуникациям были успешно реализованы императором Петром I. В короткое время после открытия в 1701 году “Школы математических и навигацких хитросно искусств учения ”, был построен полноценный флот, позволивший Петру I объединить под своим командованием флоты многих европейских государств, включая Англию и Данию. 

Приглашенный преподавать математику в Школу “худородный” Леонтий Федорович, получивший от Петра I фамилию “Магницкий – за ясность ума и доброту, как магнит притягивающую к нему себе людские сердца”, прославился энциклопедической “Арифметикой” (1703 г.) и стал основателем знаменитой династии ученых и педагогов.

После смерти императора морская активность стала угасать и даже выдающийся математик Л. Эйлер, не получив звания лейтенанта флота ее императорского величества Елизаветы Петровны, на 25 лет покинул Россию, не порывая впрочем связей с Академией.

Второй расцвет морской активности России наступил в начале XIX века, когда корабли под российским флагом открывали Антарктиду, осваивали Камчатку, Аляску и Калифорнию. Прогресс во второй половине XIX века ассоциируется с именами великого Д.И. Менделеева, по предложению которого в Англии был куплен бассейн У. Фруда, послуживший фундаментом обширной российской школы судостроении, и адмирала С.О. Макарова. Корвет “Витязь” под его руководством настолько прославился в изучении Тихого океана, что был удостоен чести быть указанным на фронтоне Океанографического музея Монако наряду с “Вегой” Норденшельда, “Фрамом” Фритьофа Нансена и другими великими в своих достижениях судами.

Важность освоения Севера неоднократно подчеркивалась М.В. Ломоносовым, крылатая фраза которого "Богатство России будет прирастать Сибирью и Северным ледовитым океаном" часто цитируется только наполовину. Д.И. Менделеев и С.О. Макаров объединили свои усилия в привлечении общественного внимания к изучению Арктики. Выдвинутый ими лозунг – “К Северному полюсу – напролом” стимулировал более чем столетние усилия по строительству судов ледового класса. Постепенно паровые, дизельные, а в последние годы и атомные ледоколы стали настолько надежными и эффективными, что начали использоваться даже для организации туристических рейсов в точку, которая впервые была достигнута менее 100 лет назад. (К слову сказать, открытие Северного полюса Р. Пири не было подтверждено им самим в недавно опубликованных дневниках, да и оспаривалось с самого начала).

Этот регион не перестает удивлять своими возможностями. В последние годы ледовитость Арктики уменьшилась, и очередной рейс 2001 года научно-исследовательского судна в ее центральную часть позволил открыть несколько действующих подводных вулканов, обширные поля гидротермальных источников, населенные ранее неизвестными науке биосообществами, обширные месторождения нефти, газа и газогидратов (ледышек, насыщенных метаном и другими горючими газами, возможно основной будущий энергоноситель). Северные моря, сохраняя свои рыбопромысловые возможности, становятся все более значимым источником минерального сырья и энергоносителей. Для практического освоения технологий жизни и работы на севере Норвегия открыла филиал международного университета на Шпицбергене, в числе студентов которого появляются и россияне.

Развитие подводного атомного флота инициировало очередной взрыв интереса к изучению глубокого океана в 50 и 60- е годы прошлого столетия. Для обеспечения скрытности и безопасности эксплуатации возможно самых дорогостоящих технических объектов современности потребовалось развитие акустики и оптики океана, теории струй, волн и турбулентности.

В 70-е годы наряду с традиционными контактными инструментами, разработанными для достаточно точного определения параметров среды в отдельной "точке" местоположения судна, буя или донной станции, стали появляться дистанционные – акустические, оптические, радиолокационные позволяющие "мгновенно" регистрировать пространственное распределение возмущений. Акустические томографы, загоризонтные и самолетные радиолокаторы, альтиметры, гравиметры, магнитометры, позволяющие карту выбранного поля, существенно изменили представления о геометрии поверхности океана, которая перестала быть “простой частью геоида”, а стала индикатором топографии дна океана, динамики и структуры протекающих процессов.

Постоянно функционирующие системы спутников для определения координат и скоростей движения объектов  – GPS (США) и ГЛОНАСС (Россия), гидрометеоусловий (Topex-Poseidon, “Метеор”), телевидения и связи, обнаружения и разведки активности военных объектов, научных исследований) позволили получить огромное количество данных о движении Земли в целом (ось которой, а следовательно и широты, непрерывно смещается, в наш век к северу), отдельных материков (со скоростями в диапазонах 1-3 и 10-15 см в год), Солнечной постоянной (которая на самом деле является переменной в силу изменчивости структуры процессов в его толще), динамике атмосферы, о волнах и ветре, приливах, течениях, вихрях, фронтах и многих других параметрах, включая химические и биологические.

Быстро прогрессирующие семейства компьютеров позволили оперативно преобразовывать огромные массивы наблюдательных данных в удобную для восприятия и последующего анализа форму, создавать атласы вихрей, течений, волн и ветров в океане, включать в существующие математические модели оценку состояния и прогнозировать эволюцию природных систем.

Казалось, чуть-чуть и будет решена вечная проблема “прогноза погоды и оценки изменчивости климата”. Однако, как и сто пятьдесят лет назад, когда затонувший Балаклаве англо-французский флот вынудил создать национальные службы прогноза погоды, так и сейчас, ураганы, тайфуны, морозы, шторма и другие погодные аномалии все еще приходят неожиданно и совсем не туда, где ожидаются. Возникла парадоксальная ситуации – появление новых глобальных инструментов, повышение точности отдельных измерений и увеличение их объема не способствовали повышению надежности прогноза эволюции природных систем, выделению антропогенных факторов, снижению экономического ущерба от природных катастроф.

Возникла необходимость формирования нового научного подхода к изучению процессов в окружающей среде и освоению Мирового океана. Ситуация усугублялась очевидной деградацией морских компонент мировой экономики – падением объема морских перевозок, экологическими катастрофами, вызванными чрезмерным осушением прибрежных болот и соленых лагун, авариями нефтяных платформ и крупных танкеров, резким падением объема и качества добываемых в океане рыб и морепродуктов. Переоценка роли ядерного оружия привело к резкому ограничению развития подводного флота.

Необходимость перестройки современного государственного подхода к изучению Мирового океана была впервые отмечена в письме группы выдающихся российских ученых, следствием которого стали поручения Президента России Б.Н. Ельцина (от 7 декабря 1995 г. и 1 марта 1996 г.) и Председательства Правительства России В.С. Черномырдина (от 16 декабря 1995 г. и 6 марта 1996 г.) о подготовке Концепции Федеральной целевой программы “Мировой океан”. В ее подготовке приняли участие 45 федеральных и региональных учреждений, министерств и ведомств. Концепция была одобрена Указом Президента Российской Федерации 17 января 1997 года № 11 (всего через несколько дней после приступа тяжелой болезни) и стала надежным базисом развития морских исследований в России. Постановлением Правительства Российской Федерации от 10 августа 1998 г. № 919, подписанным его Председателем С. В. Кириенко за несколько дней до злополучного дефолта, Программа “Мировой океан” была утверждена и начала финансироваться.

Программа сегодня обеспечивает проведение глубоких исследований океанов и морей. Стоимость годового этапа отдельных исследовательских проектов подпрограммы “Исследования природы Мирового океана” достигает 4 млн. руб. (130 000 у. е.), что сопоставимо с международными стандартами финансирования и позволяет проводить и экспериментальные, и теоретические работы. На втором этапе, который начнется в 2003 году, предусматривается обновление технических средств изучения океана и, следовательно, увеличение объема финансирования.

Вслед за Россией, к ревизии своей морской политики приступили и другие промышленно-развитые страны. Особенно серьезный характер эта работа приняла в США, где одновременно были созданы специальные Рабочие группы в Конгрессе, Национальной академии наук и администрации Президента. Для координации практических работ создан Межотраслевой комитет по морским наукам и технологиям.

В чем же причина такого огромного интереса к Мировому океану? Просто он остается последним доступным резервом интеллектуального и экономического развития человечества.

Вначале рост благополучия обеспечивали географические открытия, обеспечивающие новые товары, расширение рынков труда и сбыта избыточной продукции. Затем стали эксплуатироваться биологические (рыба и морепродукты) и коммуникационные ресурсы (перевозки товаров и людей, передача информации с помощью подводных телеграфных, затем телефонных, а сейчас оптоволоконных кабелей). Далее стали извлекаться полезные ископаемые.

Развитие морской добычи нефти и газа позволило Англии и Норвегии не только решить собственные экономические проблемы, но и в исторически короткий промежуток времени перейти из группы второразрядных в немногочисленный ряд процветающих стран. Необходимость бесконфликтного дележа потенциальных богатств океана стимулировала развитие морского права, привела к созданию исключительных экономических зон, признанию глубокого океана “ всеобщим достоянием человечества” (что существенно дополняет старинный принцип “ свободы мореходства”), созданию “морских охраняемых территорий”.

В настоящее время все большее значение океан приобретает как источник морепродуктов и нового генетического материала, начиная с сохранившихся с древнейших времен видов бактерий и кончая странными биосообществами, населяющими районы глубоководных гидротермальных источников. Индустрия аквакультуры является настолько быстро развивающейся отраслью, источником такого мощного экономического благополучия, что наводит на мысль о смене технической (машинной) цивилизации на менее энергозатратную биологическую.

Граница суши и океана становится все более притягательной для постоянного пребывания и проживания, доля населения прибрежных зон неуклонно растет.

В силу своей обширности и некомфортности для прямого нахождения человека (темнота, низкие температуры, высокие давления), океан продолжает оставаться “terra incognita ”, удивляющей возможностью совершения новых открытий даже в таких традиционных разделах науки, как география, физика, химия, биология.

Так открытие тонкой структуры океана – долговременного существования протяженных слоев (ламин) и разделяющих их высокоградиентных прослоек, совершенное во время совместной экспедиции двумя членами Академии наук СССР – почетным членом Генри Стоммелом (США) и членом-корреспондентом АН СССР К.Н. Федоровым (ИО РАН им. П.П. Ширшова) стимулировало новый виток интенсивных исследований физических процессов в стратифицированных вращающихся средах, который продолжается и сегодня.

Его следствием стали “точные” модели природных процессов, позволяющие не только надежно рассчитывать параметры отдельных природных процессов, но и влиять на их течение. Для их дальнейшего совершенствования в равной степени необходимы наблюдения в природных условиях и экспериментальные данные, получаемые в контролируемых лабораторных условиях с применением всего арсенала средств оптических, акустических и контактных измерений. Такие установки  создаются во многих странах, успешно работают они и в России, в Институте проблем механики РАН, где находится филиал кафедры физики моря и вод суши Физического факультета.

Адекватность перехода от маломасштабных лабораторных установок к реальным природным системам обеспечивается применением нового поколения математических моделей течений и волн. Для их создания используется синтез методов теории непрерывных и дискретных групп преобразований, дифференциальных форм, дифференциальной геометрии, теории погружения, асимптотических вычислений. Некоторые из методов разработаны достаточно давно, но их активное использование сдерживалось невозможностью проведения трудоемких аналитических вычислений, которые сейчас успешно выполняет компьютер. Достоинством является возможность проверки математических выводов на реальных процессах, протекающих в человеческих масштабах времени и пространства. В дальнейшем развитые подходы, как это уже неоднократно было в истории науки, перекочевывают в теорию колебаний, электродинамику, теорию поля и элементарных частиц.

Романтические морские измерения, наряду со спутниками, судами, заякоренными буями, осуществляют более 3000 свободно дрейфующих буев, раз в две недели всплывающих на поверхность с глубин 300 – 2000 м и передающих информацию на спутник связи. Для их эксплуатации необходимо развитие представлений о взаимодействии тел с неоднородной средой, где, как оказалось, важную роль играют удивительные и высокоорганизованные “автокумулятивные струи” видимые в нижней части рис. 1, 2.

Одной их проблем является создание новых высокоразрешающих датчиков физических параметров, позволяющих регистрировать регулярные (волны, вихри, струи) и сингулярные элементы течений, примеры которых видны на рис. 3,4. Интересной задачей является создание автономных подводных обсерваторий с гибридной оперативной связью – по акустическому каналу с надводным буем и далее со спутником. И, наконец, вершина технического творчества – автономные подводные аппараты, экономные и совершенные с большим запасом хода и в чистой воде и подо льдами Арктики. Вопрос стоит острейший – приведет ли изменение климата к таянию арктических льдов, которые по некоторым норвежско-американским сценариям сохранятся только около полюса, или система обратных солнечно-земных и атмосферно-гидросферно-литосферных связей будет поддерживать существующее положение вещей?

Этим вопросом, как неявным призывом к занятиям физической океанографией, хочется закончить повествование. Впрочем, необходимо и предостеречь от излишнего оптимизма. Для этой формы человеческой активности характерен большой временной разрыв между приложением усилий и получением плода их общественного признания. Впрочем, как справедливо заметил К. И.  Чуковский – “В России надо жить долго. Многое увидишь”.

 

Профессор кафедры физики моря и вод суши

Физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

Ю.Д.Чашечкин

 

 

 

Рис. 1. Теневая фотография сферы, колеблющейся возле уровня нейтральной плавучести (метод щель - нож)

 

 

Рис. 2. Теневая фотография свободно колеблющейся сферы

 (метод щель - нить)

 

4

Рис. 3. Теневая картина течения около горизонтального цилиндра, начинающего горизонтальное движение с равномерной скоростью слева направо.  НЕНАДО ЭТОТ РИСУНОК

 

 

      

            a)                                                                   б)

 

Рис. 4. Картина конвективных течений над точечным источником

тепла в слабо – а), и сильно – б) стратифицированной жидкости.