Этот неизвестный океан. Как работают приливы, рождаются шторма и живут невидимые создания в морских глубинах

Александр Осадчиев

Этот неизвестный океан: как работают приливы, рождаются шторма и живут невидимые создания в морских глубинах

Серия «Подпишись на науку. Книги российских популяризаторов науки»

В издании использованы фотографии А. Осадчиева, Д. Осиповой, А. Барымовой

Во внутреннем оформлении использована фотография: Sven Hansche / Shutterstock / FOTODOM

Используется по лицензии от Shutterstock / FOTODOM

© А. Осадчиев, текст, фото, 2025

© А. Рабалко, иллюстрации, 2025

© Оформление. ООО «Издательство «Эксмо», 2025

Введение

Что такое океанология? О чем люди подумают, если сказать им, что я океанолог? Обычно они думают, что я изучаю китов и дельфинов, а еще погружаюсь под воду с аквалангом или в батискафе. Это стандартное и при том очень романтическое представление о профессии океанолога. Оно сложилось благодаря Жаку-Иву Кусто, самому известному океанологу. На самом деле он не занимался непосредственно наукой, но, тем не менее, очень сильно ее популяризировал. Важнейшее достижение Кусто – изобретение акваланга: используя его, исследователь смог заглянуть под воду по-настоящему. И не только заглянуть, но и показать увиденное всему миру, впервые в истории человечества!. Кусто снял великолепные фильмы про подводный мир и морских животных, про китов и коралловые рифы. Отсюда вырос стереотип про работу океанолога: это человек, который погружается под воду и смотрит там на рыбок среди кораллов.

Но какова океанология на самом деле? Это особенная наука: она, как естествознание, объединяет в себе и физику, и химию, и биологию, и геологию, и географию, и математику, и много других дисциплин. Обратимся к истории. Ученые Античности и Средневековья, как правило, интересовались одновременно самыми разными процессами в природе вокруг себя. Они наблюдали, как устроены суша, воздух, море, живые организмы, человеческое тело. Постепенно знания накапливались, научные методы и приборы усложнялись. Естествознание на суше благополучно разделилось на разные науки – физику, математику, геологию, биологию, метеорологию и ряд других. Но в океанологии по определенным причинам этого не произошло. Она осталась комплексной наукой: естествознанием, сконцентрированным на процессах в океане.

Почему так произошло, в чем особенность океанологии, чем она отличается от всех других наук о Земле? Океан – очень сложная для изучения среда, и эту сложность человечеству не удается преодолеть до сих пор. Люди заселили почти всю Землю, в XX веке освоили полеты в атмосфере, а потом и в ближнем космосе. В океане же мы присутствуем только на поверхности: в глубины люди опускаются очень редко и очень ненадолго, о полноценных подводных городах или даже просто стационарных исследовательских станциях до сих пор нет и речи. Часто говорят, что дно океана изучено хуже поверхности Луны. Действительно, в Марианской впадине до 2012 года побывало всего два человека, тогда как по Луне ходило 12 человек. Лишь несколько лет назад, в 2020 году, число людей, побывавших в Марианской впадине, превысило число лунных астронавтов. В чем же причина этих сложностей? Во-первых, в толще вод океана очень большое давление. Каждые 10 метров глубины добавляют давление в 1 атмосферу, таким образом, на глубине 100 метров давление составляет 10 атмосфер, на глубине в километр – уже 100 атмосфер. При этом средняя глубина океана – 4 километра (а это целых 400 атмосфер), а в Марианской впадине, глубина которой 11 километров, давление превышает 1000 атмосфер.

При таких параметрах не только человеку существовать очень сложно, но даже и измерения провести нелегко. Чтобы что-то измерить в океане, надо опустить в него прибор, и этот прибор должен нормально работать при давлениях в десятки и сотни атмосфер. Если же вы хотите погрузить на глубину человека, да еще так, чтобы он мог проводить какие-то наблюдения, то перед вами стоит феноменально сложная задача: сделать достаточно большой и многофункциональный аппарат, который не раздавит на больших глубинах.

Рис. 1.Давление в океане на разных глубинах

Вторая проблема исследования океана заключается в том, что поверхность воды очень подвижна. В хорошую спокойную погоду проводить измерения – одно удовольствие. Но когда усиливается ветер, налетает шторм, становится уже не до того. При сильной волне движение судна и предметов на судне очень непредсказуемо. Приходится останавливать измерения и закреплять приборы (да и все остальное) в неподвижном состоянии. Есть районы в океане, где почти всегда плохая погода и большие волны, – это знаменитые «ревущие сороковые», «неистовые пятидесятые» и «кричащие шестидесятые», акватории на 40-х, 50-х и 60-х градусах южной широты вокруг Антарктиды. Закономерно, что там одно из самых низких покрытий судовыми измерениями во всем Мировом океане. Судовые измерения осложняются и удаленностью от суши: чем дальше от порта – тем дольше переход и тем дороже экспедиция. Поэтому так мало измерений на огромных пространствах Тихого океана, особенно в его центральной и южной частях, где ближайшая суша – это маленькие острова или побережье Антарктиды. На рубеже XX и XXI веков в океан стали запускать тысячи автономных дрейфующих буев-измерителей, которые значительно увеличили количество измерений в верхней толще вод океана. Тем не менее, до сих пор недостаток прямых измерений – основной сдерживающий фактор развития океанологии.

Рис. 2.Покрытие Мирового океана судовыми измерениями

Третья принципиальная проблема исследований заключается в том, что океан «непрозрачный»: в нем плохо распространяются сигналы. Свет в морской воде затухает на глубинах от нескольких сантиметров до нескольких сотен метров в зависимости от прозрачности воды. Также и любые другие электромагнитные волны, включая радиосвязь (основной метод передачи информации на суше и в космосе) оказываются не самыми пригодными в толще моря из-за быстрого затухания сигнала. Звуковые волны, напротив, затухают в океане гораздо медленнее, чем в атмосфере, и этот метод передачи сигнала на большие расстояния – единственный, массово применяющийся в океане. Тем не менее распространение, ослабление и искажение звука сильно зависят от свойств морской воды и морского дна. Кроме того, генерация акустических волн для дальней связи требует больших энергетических мощностей, в отличие от радиоволн в атмосфере.

Из-за того, что через атмосферу хорошо проходят различные сигналы, поверхность Земли, как и поверхность океана, можно сканировать с воздуха и из космоса. Когда появились космические спутники, они стали регулярно обозревать Землю и измерять многие характеристики ее поверхности. Но так как в океане сигналы быстро затухают, спутниковые наблюдения захватывают лишь очень тонкий поверхностный слой, а глубины так и остаются неохваченными.

Рис. 3.Спутниковые измерения поверхности океана

Итак, в океане очень сложно и дорого проводить измерения. Может быть, его получится описать с помощью математических уравнений? Может быть, не нужно ничего измерять, а можно просто все рассчитать? Действительно, еще в XIX веке были выведены уравнения Навье – Стокса, которые с высокой точностью описывают, как течет вода на нашей планете, в частности в океане. К сожалению, эти уравнения однозначно решаются лишь для самых простых случаев. Например, с их помощью несложно рассчитать, что было бы, если бы на нашей планете вообще не было бы суши, дно океана имело бы везде одинаковую глубину, и на океан не было бы никакого внешнего воздействия. Но когда появляются материки, острова, неоднородные глубины, уравнения становятся нерешаемыми в обычном смысле слова. Их можно решить численно, то есть отыскать приближенное решение с помощью компьютера, и чем мощнее будет компьютер, тем точнее будет решение. При этом в океане еще очень много других сложностей – даже для численных решений, не говоря уже об аналитических. На океан неравномерно воздействует ветер, воды охлаждаются и нагреваются, на поверхностный слой океана влияют атмосферные осадки и испарение, в океан впадают реки, притяжение Луны и Солнца формирует приливы – происходит множество процессов, которые совершенно невозможно описать простыми уравнениями. А сложные уравнения либо решаются с большими погрешностями, либо требуют недостижимых вычислительных мощностей.

Итак, океан изучать очень сложно и дорого, и поэтому в океанологических исследованиях сохраняется сильная координация между разными направлениями. Что это за направления? Океанология (как и весь мир, по мнению древних людей) стоит на трех китах. Во-первых, физике моря. Физика моря изучает, как течет вода: от крупномасштабных течений и приливов до волновых процессов и турбулентности, а также как вода взаимодействует с атмосферой, сушей и морским льдом. Эта информация очень важна для двух других ключевых разделов океанологии – морской биологии и морской геологии, – так как именно физика моря описывает общие условия морской среды. Морская биология изучает живые организмы, обитающие в океане, на его поверхности, в толще воды, на морском дне и даже ниже – в самом морском дне, то есть в толще донных осадков. Морская геология изучает состав и строение земной коры под океанами, историю и развитие дна всей впадины Мирового океана, полезные ископаемые и условия их формирования, а также осуществляет их поиск, разведку и разработку. Морская геология изучает морское дно и морские берега, их строение и эволюцию под воздействием внешних условий, а также перенос вещества морской водой, которое потом формирует дно и берега моря.

У этих трех основ есть разные ответвления. С физикой моря тесно связана математика, а именно гидродинамика, которая математическими методами (а не измерениями) описывает движение воды в разных условиях. Во всех направлениях океанологии очень важное место занимает численное моделирование, в особенности в физике моря. Вычислительная математика обеспечивает теоретическую базу для численного моделирования. Еще одно ответвление – это химия океана, которая изучает как химический состав и процессы в морской воде, так и химические взаимодействия между морской водой, атмосферой, морским дном и морскими организмами. Геофизика – важное ответвление морской геологии: она изучает внутреннюю структуру и физические свойства Земли под морским дном, посылая и принимая различные сигналы: сейсмическими, гравиметрическими, магнитометрическими, электромагнитными, геотермическими и другими методами.

Одна из глобальных задач океанологии заключается в предсказании климата Земли, который очень сильно зависит от того, что происходит в океане. Предсказание климатических изменений – это фактически взгляд в будущее, возможный только с помощью численных моделей. Вначале создается модель и настраивается таким образом, чтобы правильно воспроизводить то, что было в прошлом. После того как исследователям удается убедиться, что модель достоверно работает в прошлом и настоящем, ее запускают считать, что же будет в будущем.

Одна из важнейших особенностей океанологии, как и вообще наук о Земле, заключается в том, что они изучают реально существующий объект – Мировой океан. Все гипотезы и теории, которые строятся в океанологии, имеют смысл, только если они описывают процессы, реально происходящие в океане. Так и численное моделирование океана имеет смысл, только если оно достоверно воспроизводит процессы в океане. Любые результаты моделирования – и те, что кажутся правдоподобными, и неожиданные – необходимо подтвердить натурными измерениями, то есть непосредственными инструментальными измерениями в океане. Иными словами, необходимо убедиться, что результаты моделирования действительно существуют в природе.

Стоит отметить, что именно неожиданные, принципиально новые данные имеют особую ценность для науки, куда большую, чем подтверждение того, что все и так предполагали с большей или меньшей уверенностью. И в этом плане натурные измерения – процесс куда более надежный. Если что-то новое (остров, течение, вид животного) открыто в результате натурных измерений, то это достоверный факт, который реально существует в природе. Если же что-то новое открыто в рамках математической теории или численного моделирования, то оно обязательно должно быть подтверждено измерениями и наблюдениями. Именно поэтому океанология строится в первую очередь на натурных измерениях непосредственно в море.

Итак, натурные измерения важны, но при этом они, как правило, очень дорогостоящие. Чаще всего они производятся с морских судов, а судосутки (то есть сутки работы корабля вместе с экипажем) стоят очень дорого. Например, работа больших российских научно-исследовательских судов стоит несколько миллионов рублей в день. А теперь представьте, что вам необходимо проводить измерения в течение недели в центральной части Атлантического океана. Неделя на работу, еще несколько недель на то, чтобы прийти в район работ из порта и уйти назад в порт – набегают десятки миллионов рублей. Поэтому экспедиционная океанология – очень дорогое удовольствие.

А много ли удастся намерить за неделю? Работы на отдельной станции занимают час или несколько часов: время зависит от количества разных работ (зондирование океана, отбор проб воды, грунта и морских организмов) и от глубины океана в этой точке. Если нужно сделать только самые стандартные измерения температуры и солености от поверхности до дна моря, то в местах, где глубина моря – 100 метров, это займет около получаса, а на глубинах в несколько километров – до 3–5 часов. За сутки в таком режиме, с учетом переходов между станциями, получается сделать не больше 5–10 станций, а если работать в глубоководных районах, то не больше 1–2 станций. Итак, за неделю у вас может получиться сделать измерения всего в паре десятков точек в океане, а потрачено на это будет пара десятков миллионов рублей. Именно поэтому на научных судах ученые работают очень напряженно, без выходных и праздников, а если нужно работать круглосуточно – делятся на смены, ведь время в экспедициях очень дорогое.

Ситуацию с недостатком натурных измерений в значительной степени улучшила уже упомянутая выше программа запуска в океан дрейфующих буев-измерителей «Арго». Суть программы заключается в запуске в свободное плавание большого количества автоматических измерителей характеристик океана. Идея очень простая, но реализовать ее удалось только в конце XX века, когда был создан достаточно дешевый (чтобы быть массовым) дрейфующий буй-измеритель температуры, солености и глубины. Схема работы буя «Арго» заключается в следующем. Почти все время буй дрейфует в океане в выключенном состоянии на глубине 1 километр. Раз в 10 дней он включается, опускается на 2 километра, а затем поднимается с этой глубины до поверхности моря, производя измерения. Далее в течение некоторого времени буй дрейфует на поверхности моря и передает сделанные измерения по спутниковой связи в приемный центр на берегу. Получив сообщение из приемного центра, что измерения благополучно переданы, буй погружается на глубину 1 километр и снова выключается.

Рис. 4.Схема работые буя «Арго»

Буи «Арго» дрейфуют большую часть времени на глубине в 1 километр, а не на поверхности океана. При дрейфе на поверхности буй подвергается разрушительному воздействию волн, солнца, ветра, льда и различных плавающих объектов (в том числе кораблей). Вероятность встретить что-то разрушительное на глубине 1 километр во много раз меньше. Кроме того, на поверхности (в отличие от морских глубин) буи очень быстро обрастают морскими организмами, которые могут привести к неправильной работе и поломке оборудования. В настоящее время в океане плавает несколько тысяч буев «Арго». Массовый запуск этих буев всего два десятилетия назад дал огромное количество натурных измерений в верхнем двухкилометровом слое океана. Эти данные достаточно равномерно охватывают почти всю площадь Мирового океана. К настоящему времени буями «Арго» сделано около 2.5 миллионов измерений, что в несколько раз превосходит количество судовых измерений, сделанных в верхней толще вод за всю историю океанологии.

Рис. 5.Распределение буев «Арго» в Мировом океане

Спутниковые наблюдения стали еще одним настоящим прорывом в океанологии во второй половине XX века. Из космоса можно проводить измерения поверхности океана с очень хорошим пространственным охватом, что недоступно для экспедиционных измерений. К сожалению, спутниковый мониторинг несет информацию только о процессах, происходящих на поверхности океана, а толща воды спутникам практически не видна. Тем не менее, даже мониторинг поверхности океана дал небывалую до этого возможность, во-первых, взглянуть на океан сверху как на единое целое и, во-вторых, наблюдать за его динамикой в режиме почти реального времени. Оказалось, что из космоса даже человеческим глазом видно, что весь океан разноцветный, контрастный: поверхность морей напоминает сине-зелено-коричневую мозаику. Разные оттенки показывают движение вод в океане, по ним можно понять, откуда текут те или иные воды, как они закручиваются в круговороты, как перемешиваются.

Рис. 6.Спутниковый снимок океана

Спутниковые снимки океана настолько красивые, что многие мои коллеги-океанологи ставят их в качестве заставки на экраны телефона или компьютера.

Несмотря на большой прогресс в океанологии, ученым все равно очень часто не хватает натурных и спутниковых измерений, особенно когда речь идет о процессах не в поверхностном слое, а в толще воды. Здесь не обойтись без численного моделирования, как и в случае, когда необходимо прогнозировать состояние океана в будущем. По этой причине важнейшим прорывом в океанологии стало взрывное увеличение вычислительных мощностей компьютеров во второй половине XX века и стремительное развитие методов численного моделирования океана.

1. Физика моря

Почему вода в океане движется?

Для того чтобы разобраться в вопросе, как и почему движется вода в океане, вначале нужно обратиться к движению воздуха в атмосфере. Солнце неравномерно нагревает Землю: и атмосферу, и поверхность Мирового океана. Экваториальные широты нагреваются сильнее, чем полярные, из-за угла падения солнечных лучей. На экваторе солнечный свет падает почти перпендикулярно поверхности Земли, концентрируя больше энергии на меньшей площади и нагревая ее сильнее, в то время как в высоких широтах солнечные лучи падают под более острым углом, рассеиваясь на большей поверхности. Холодный воздух более тяжелый, чем теплый, и атмосфера стремится прийти к равновесию, когда на всей поверхности Земли снизу находится холодный воздух, а сверху – теплый. Холодный воздух из полярных широт стремится опуститься вниз и растечься вдоль поверхности Земли до экватора. Теплый экваториальный воздух формирует компенсационное течение, то есть поднимается наверх и двигается в обратную сторону, от экватора к полюсам, замещая холодный воздух, уходящий с полюсов к экватору. Эти движения теплого и холодного воздуха между полюсами и экватором охватывают не всю атмосферу, а лишь самую нижнюю ее часть, тропосферу. Верхняя граница тропосферы находится на расстоянии 6–18 километров от поверхности Земли, что составляет очень малую часть атмосферы, чья толщина достигает 2–3 тысяч километров. Но тропосфера – самая плотная часть атмосферы, так как она находится ближе всего к Земле, в ней содержится 80% массы всей атмосферы и 99% массы атмосферного водяного пара и аэрозолей.

Благодаря перераспределению теплых и холодных воздушных масс, в тропосфере формируются так называемые ячейки циркуляции тропосферы. Если бы Земля не вращалась вокруг своей оси, то, вероятно, в атмосфере их было бы всего две – в Северном и Южном полушариях. На экваторе воздух бы поднимался, часть его в верхних слоях тропосферы двигалась бы на север к Северному полюсу, другая часть – на юг к Южному полюсу. На обоих полюсах воздух бы опускался, и возникало бы движение воздуха от полюсов к экватору в нижних слоях тропосферы. В итоге вся крупномасштабная циркуляция воздуха (то есть система замкнутых воздушных течений) на Земле описывалась бы этими двумя круговоротами.

В реальности в земной тропосфере формируется не две ячейки циркуляции, а целых шесть. Причина этому – эффект Кориолиса. Он возникает из-за того, что планета вращается вокруг своей оси: атмосферные и океанические потоки в Северном полушарии постепенно смещаются вправо относительно своей траектории движения, а в Южном полушарии – влево. В частности, горизонтальные ветровые движения в атмосфере оказываются не параллельными меридианам Земли, а заворачивают вправо в Северном полушарии и влево в Южном полушарии. По этой причине воздух, поднявшийся вверх на экваторе, не добирается до полюса по кратчайшему пути, так как постепенно заворачивает вбок. В районе 30-х градусов широты в Северном и Южном полушариях направление ветра оказывается параллельным экватору. Воздух больше не продвигается на север, из-за чего охлаждается и опускается. По этой же причине в полярных районах опускающийся холодный воздух также доходит только до параллелей, расположенных в районе 60-х градусов северной или южной широты. Там его движение становится параллельным экватору, полярный воздух нагревается и начинает подниматься вверх. Так формируется вторая пара ячеек. Еще одна пара образуется посередине, между 30-ми и 60-ми градусами. Так крупномасштабный процесс горизонтального и вертикального движения воздуха в тропосфере разбивается на шесть ячеек, по три в каждом полушарии, которые как шестеренки крутятся в тропических, умеренных и полярных широтах.

Рис. 7.Ячейки циркуляции в тропосфере

Тропическая пара ячеек тропосферной циркуляции образует пассаты, сильные и стабильные ветры, которые дуют у поверхности Земли от тропиков к экватору: с северо-востока на юго-запад в Северном полушарии и с юго-востока на северо-запад в Южном полушарии. В противоположную сторону направлены западные ветры – аналогичные пассатам стабильные ветры у поверхности Земли, характерные для умеренных широт. Открытие пассатов и западных ветров позволило европейским мореплавателям разработать быстрые и стабильные торговые маршруты для парусных судов вначале через Атлантический, а потом и через Тихий океан. По-английски пассаты даже назвали trade winds, что дословно означает «торговые ветры». Зоны слабых ветров между пассатами и западными ветрами, находящиеся в обоих полушариях в районе 30–35° широты, и по-русски и по-английски назвали конскими широтами. Из-за продолжительных штилей в этих широтах капитаны судов часто избавлялись от лошадей, когда начинались проблемы с пресной водой.

Пять круговоротов в океане

Итак, циркуляция в тропосфере образуется из-за неравномерного нагрева Земли солнечными лучами и затем модифицируется из-за вращения Земли. Пассаты и западные ветры задают направления доминирующих ветров непосредственно над поверхностью океана и разгоняют крупномасштабную циркуляцию в Мировом океане. Если бы на Земле не было суши, то вода в океане между Северным и Южным тропиком двигалась бы на запад, разгоняемая пассатами, а в умеренных широтах – на восток под действием западных ветров. Но океаны ограничены материками, поэтому все западные и восточные течения рано или поздно встречаются с сушей и вынуждены менять свое направление. Есть только одна зона в тропических и умеренных широтах Мирового океана, где можно обогнуть планету, не встречая суши. Это место находится в Южном полушарии к северу от Антарктиды, и в нем формируется самое мощное течение в Мировом океане, называемое Антарктическим циркумполярным течением или течением Западных Ветров.

Рис. 8.Пассаты и западные ветры

Во всех остальных участках тропических и умеренных широт циркуляция Мирового океана разбивается на пять крупных круговоротов: по два в Атлантическом и Тихом океанах и еще один – в Индийском океане. В Тихом и Атлантическом океанах эти пары круговоротов, как сцепленные шестеренки, вращаются в противоположных направлениях: по часовой стрелке к северу от экватора и против часовой – к югу от экватора. Индийский океан практически полностью лежит в Южном полушарии, поэтому в нем формируется только один большой круговорот к югу от экватора.