Scienty

На стыке атмосферы и океана происходят сложные процессы. Изучение этих процессов имеет большое значение. Взаимодействия атмосферы и океана различаются для разных водоемов. Какие новые фундаментальные знания это дает и как они могут быть применены на практике? Об этом рассказывает профессор РАН Ирина Анатольевна Репина, руководитель лаборатории взаимодействия атмосферы и океана, заместитель директора Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН.

— Лаборатории уже исполнилось 40 лет, она была основана в 1985 году. Что послужило причиной её создания?

— Изучение взаимодействия атмосферы и океана играет ключевую роль в климатических исследованиях. Океан является главным фактором, определяющим климатические изменения, и значительная часть этих изменений обусловлена взаимодействием атмосферы и океана. Важность изучения этих взаимодействий трудно переоценить. В нашем институте океанографические исследования ведутся с момента его основания; многие сотрудники участвовали в научно-исследовательских рейсах и работали в прибрежных экспедициях. Однако, отдельного подразделения для этих целей не существовало, пока в 1985 году заместитель директора Института физики атмосферы им. А.М. Обухова АН СССР, мой учитель-океанолог Юрий Александрович Волков, не основал эту лабораторию. Основной акцент в ее работе был сделан на экспериментальном изучении процессов, происходящих в приводном слое атмосферы. На основе полученных данных впоследствии разрабатывались параметризации для моделей погоды и климата.

— Чем сейчас занимается ваша лаборатория?

— Мы исследуем взаимодействие атмосферы не только с океаном, но и с криосферой, а также со всей гидросферой. Помимо океана, к интереснейшим объектам для изучения относятся озера, реки, водохранилища и болота. В настоящее время нашу лабораторию точнее охарактеризовать как лабораторию взаимодействия атмосферы и гидросферы. Наша работа не ограничивается водными объектами, мы также изучаем взаимодействие с сушей, то есть нас интересуют все процессы, происходящие в атмосфере при движении воздушного потока над поверхностью. Однако океан, безусловно, остается для нас приоритетным объектом.

— Давайте подробнее обсудим океан: какие процессы происходят на его границе?

— Существует множество увлекательных аспектов. В первую очередь, здесь взаимодействуют две движущиеся среды: когда ветер дует над сушей, он подвергается воздействию только суши, с ее неровностями, которые остаются неизменными. Я не говорю о барханах или снеге, это требует отдельного рассмотрения. А в океане это действительно взаимодействие, поскольку ветер воздействует на море, вызывая волны. Возникают неоднородности, которые также изменяются под воздействием ветра. Океан не является стационарной системой — вы знаете, что волнение всегда очень разнообразно. При наблюдении за ним оно существенно меняется. Если мы находимся на корабле и оглядываемся, даже при слабом ветре мы увидим самые разнообразные виды волн. Затем образуется слой пены и брызг — это также влияет на взаимодействие. Если рассматривать глобальные процессы, это вносит вклад в обмен между атмосферой и подстилающей поверхностью, и это достаточно сложно описывается параметрами в моделях. Мы ищем закономерности.

— Какие же закономерности вы обнаружили?

— Над этими вопросами работают не только мы, но и множество групп по всему миру. В первую очередь, необходимо понять, как морское волнение формируется под воздействием ветра. Это сложная задача, требующая разработки моделей, описывающих поведение морских волн.

— Однако волны формируются не исключительно из-за ветра, существуют и другие факторы, вызывающие их появление?

— Если волнение возникает только на поверхности воды (гравитационное волнение), то причиной является исключительно ветер, иных факторов не существует. Существуют и другие типы волн, такие как внутренние волны, формирующиеся вследствие изменения плотности воды. Также к ним относятся сейсмические волны и цунами, которые не связаны с воздействием ветра. Однако поверхностные волны, которые мы наблюдаем, являются результатом взаимодействия атмосферы и океана, а именно – воздействием ветра.

— Какова значимость изучения и создания подобных моделей?

— Океан оказывает существенное влияние на формирование погоды и климата. В нём возникают опасные погодные явления, такие как циклоны, ураганы и тайфуны. Интенсивность этих явлений зависит от силы взаимодействия между атмосферой и водной поверхностью. Изучение волнения – его развитие и процессы, происходящие в нём – имеет большое значение. Это необходимо для планирования судоходства, хозяйственной деятельности в океане и прибрежной зоне, то есть представляет собой прикладную задачу.

— Что вам удалось понять про это взаимодействие?

— Я специализируюсь на изучении турбулентного обмена, потоков и процессов переноса энергии и вещества между атмосферой и океаном в различных условиях. В условиях волнения океана, помимо воды и атмосферы, присутствуют брызги и пена, формируя дополнительный слой, оказывающий значительное влияние на взаимодействие. Например, при моделировании скорости ветра в тайфунах и ураганах было установлено, что она занижена по сравнению с фактическими значениями. В реальности ветер ускоряется быстрее из-за изменения сопротивления поверхности — силы, замедляющей воздушный поток. С увеличением волнения коэффициент сопротивления возрастает: волны становятся крупнее, и поверхность оказывает большее сопротивление ветру. При достижении высоких скоростей ветра коэффициент сопротивления начинает снижаться, что подтверждается моделированием, измерениями и лабораторными исследованиями.

— Почему это происходит?

— Причин две. Прежде всего, меняется форма волнения: по мере роста волн они становятся менее крутыми. Во-вторых, штормы сопровождаются образованием слоя пены и брызг, снижающего сопротивление. Атмосфера взаимодействует не с этим хаотичным слоем, а с более сглаженным, что приводит к уменьшению коэффициента сопротивления. Однако это наблюдается лишь при сильных ветрах, превышающих 20 м/с, когда нахождение в океане становится опасным. У нас была экспедиция, когда мы провели подобные измерения, находясь в океане, — это произошло в Арктике.

— Как вы уцелели?

— Мне посчастливилось. Я переживал достаточно мощные штормы, но это был неординарный случай. Мы работали в Арктике, была глубокая осень, и мы находились в море Лаптевых, где столкнулись с полярным мезоциклоном – явлением, аналогичным тропическим ураганам, но формирующимся в полярных областях, таких как Арктика и Антарктика. Такие циклоны значительно меньше по размеру, существуют недолго, но попадание в них чревато серьезными последствиями.

— А в чем уникальность этого шторма?

— Это был обычный шторм, однако мы находились на небольшом судне, и у нас была аппаратура для измерения параметров взаимодействия. Мы провели измерения во время этого шторма. Именно это делает ситуацию беспрецедентной, поскольку подобные события происходят крайне редко.

— Какие данные получили?

— Мы зафиксировали значение коэффициента сопротивления при ветрах, превышающих 20 м/c — скорость достигала 32 м/c. Судовые измерения при таких скоростях крайне редки. Традиционно измерения в ураганных условиях осуществлялись с использованием самолетов, с которых сбрасывались специальные зонды. В Америке был реализован целый комплекс подобных измерений: сбрасывались зонды для определения профиля скорости ветра, что позволяло получить значение коэффициента сопротивления. Измерения также проводились в лабораторных условиях. К примеру, в Институте прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН работает группа ученых, занимающаяся подобными исследованиями: у них имеется специальный ветро-волновой бассейн, где они проводят эксперименты. В реальных морских условиях, с борта судна, подобные измерения практически не проводились, что вполне закономерно. Человек и судно могут выдержать такие условия, но аппаратура функционирует с трудом. Нам удалось провести эти измерения. Главная сложность заключается в том, что датчики регистрируют параметры, в первую очередь структуру ветра, в условиях сильной качки.

— Вы это нормально переносите?

— К счастью, я не страдаю от морской болезни. Возможно, именно поэтому я так люблю океан.

— Вы испытывали страх или чувство восторга, связанное с такой уникальной возможностью?

— В тот момент не возникло особенного восторга — в рейсе сложилась непростая ситуация, так как температура была крайне низкой, и судно начало обледеневать.

— Зачем же вы пошли в эту экспедицию, это же опасно?

— Именно так сложилось. Там была непростая ситуация: финансирование, как это нередко бывает, поступило в последний момент, существовала программа, которую необходимо было реализовать, и мы приступили к работе в глубокой осени. Тем не менее, мы успешно справились с поставленными задачами, и в итоге все завершилось благополучно.

— По каким вопросам у вас возникли затруднения относительно рассматриваемых процессов?

— Много неясностей. Что касается влияния брызг на коэффициент сопротивления, то теперь мы в целом представляем себе картину, хотя точных данных пока нет. Однако, как ведет себя воздушный поток в условиях хаотичного движения капель? Каким образом происходит теплообмен, и как эти брызги воздействуют на обмен теплом и влагой в атмосфере? Особенно интересна тема газообмена между атмосферой и океаном. Существуют исследования и модели, однако все параметры и характеристики газообмена нуждаются в дополнительных исследованиях. Необходимо более глубокое понимание процессов, происходящих, в частности, в штормовых условиях, и особенностей переноса газов в системе «атмосфера — океан».

— Доводилось ли вам совершать науческое открытие в вашей сфере деятельности?

— Я, конечно, не сделала каких-то выдающихся открытий, однако были интересные исследования. К примеру, одна из работ, не относящаяся к океану: мы исследовали замечательный циклонический вихрь. Вот у меня на стене есть спутниковый снимок. Это озеро Убсу-Нур, расположенное на границе Монголии и России. Оно практически идеально круглой формы, диаметром около 80 км, и является соленым. Озеро находится в зоне резко континентального климата. Существует явление, характерное для озер – озерный эффект. Наиболее детально оно изучено на примере Великих озер в Америке. Когда холодный и сильный ветер дует над незамерзшим, теплым озером, этот поток насыщается влагой, достигает холодного берега, и начинается обильный снегопад. Это серьезная проблема для побережья Великих озер.

Озерный эффект проявляется на Ладоге в незначительной степени, поскольку озера в регионе характеризуются быстрым замерзанием. Однако озеро Убсу-Нур представляет собой исключение. В ходе работ по моделированию процесса ледообразования было установлено, что формирование льда происходит примерно на неделю позже, чем предсказывает модель. Что могло стать причиной этого? Анализ снимков выявил наличие такого вихря.

— Как он формируется?

— Согласно проведенному анализу, явление возникает в ноябре, охватывая всю акваторию водоема, и подтверждается данными за все годы, в течение которых доступны снимки. Оно формируется на месте, существует несколько дней, препятствуя образованию ледяного покрова. В это же время наблюдаются значительные скорости ветра и осадки. Это связано с резко континентальным климатом, соленостью озера и, как следствие, медленным замерзанием соленой воды. Наступают периоды экстремально низких температур, вокруг озера расположены горы, с которых стекают потоки воды, которые сталкиваются над озером. Резкий перепад температур приводит к возникновению закручиваний, и таким образом формируется вихрь. Подобные вихревые явления были зафиксированы и над озером Байкал.

— А для людей это не опасно?

— В этих местах почти нет людей. Вихри формируются в верховьях рек, как на Убсу-Нуре, так и на Байкале, где отсутствуют населённые пункты.

— А если бы они там были?

— Людям пришлось бы столкнуться с обильными осадками. Хотя скорость ветра в этих вихрях не так высока, главное — это непредсказуемые и мощные осадки, не связанные с синоптическими явлениями, которые могли бы создать значительные неудобства.

— Поскольку разговор зашел о озерах и других водоемах, поделитесь, какие любопытные явления вам доводится здесь видеть.

— Внутренние водоемы представляют для меня сейчас особенно интересный предмет изучения. В них наблюдается поразительное разнообразие процессов — значительно большее, чем в океане. Несмотря на то, что внутренних водоемов немного — их площадь составляет всего около 6% суши на планете, — их изучение вызывает огромный интерес. Они распределены по земному шару неравномерно: в Африке и Азии их меньше, а в нашей стране, особенно на Севере, они занимают значительную территорию. В озерах также происходят крайне интересные биологические процессы, оказывающие сильное влияние на обмен с атмосферой. Эти водоемы являются источником выбросов парниковых газов, прежде всего метана, но также способны извлекать углерод из атмосферы. Крайне интересные структурные особенности формируются при взаимодействии их поверхности с атмосферой: структура волнения, например, отличается от океанической, хотя на крупных озерах действуют те же океанические модели. Здесь оказывает сильное влияние берег. Благодаря ему в атмосфере формируются вторичные циркуляции, которые также вносят существенный вклад в эти процессы. И все это изучено крайне недостаточно. Это представляет собой чрезвычайно перспективный набор тем для исследований.

— А искусственные водоемы вы изучаете?

— В настоящее время мы реализуем масштабный проект, связанный с водохранилищами — искусственными водоёмами, используемыми для изучения воздействия деятельности человека на климат. Водохранилища оказывают заметное влияние на региональный климат, проявляющееся в так называемом озерном эффекте и изменениях режима влажности и ветров. Кроме того, они могут являться существенным источником выбросов метана, хотя в то же время косвенно способствуют удалению углерода из атмосферы. По заказу компании «Русгидро» нами была проведена уникальная работа по исследованию крупных водохранилищ России, расположенных в удаленных и труднодоступных регионах, в первую очередь в Сибири. Это потребовало значительных логистических усилий. В числе исследованных объектов были Саяно-Шушенская, Зейская, Бурейская, Богучанская, Колымская ГЭС, а также Чиркейская и каскад водохранилищ Волги: Рыбинское, Волгоградское, Куйбышевское. В европейской части России организация работ была проще, хотя все водохранилища являются крупными, и проведение исследований на них представляет определенные трудности.

— Как вы проводили эти исследования?

— В течение трех лет проводили работы на всех водохранилищах, осуществляли их комплексную съемку и изучали гидрологические характеристики, уделяя особое внимание балансу парниковых газов. Водохранилища рассматриваются как важный источник выбросов метана. Этот газ представляет значительный интерес, хотя его концентрация в атмосфере остается низкой, однако демонстрирует достаточно интенсивный рост. Метан обладает потенциалом глобального потепления, в 28 раз превышающим таковой у углекислого газа за столетний период. Основными природными источниками метана являются болота и озера. Гидроэнергетика классифицируется как безуглеродная технология при условии отсутствия использования ископаемого топлива для производства энергии. Однако, водохранилища высвобождают метан, поскольку большое количество органических веществ оказывается погребенными на дне, и при образовании водохранилища происходит разложение органики с последующей эмиссией метана.

— Но вы говорите, что они же и поглощают парниковые газы.

— Да, они способны косвенно удалять углекислый газ из атмосферы, однако это происходит за счет органических веществ, поступающих из водосборной территории водохранилища. В противном случае углерод был бы вымыт в больших количествах и высвобожден в атмосферу, а здесь он отлагается на дне. Углерод также удаляется из атмосферы посредством цветения, фотосинтетических процессов и осаждения различных веществ. В результате, баланс углерода в наших водохранилищах в основном отрицательный: водохранилище поглощает больше углерода, чем выделяет в атмосферу.

— Какие еще результаты были получены? Безусловно, каждое водохранилище обладает уникальными особенностями?

— Мы установили, что на концентрацию парниковых газов влияет широкий спектр факторов, а не только площадь водохранилища. Ранее водохранилища классифицировались исключительно по климатическим зонам. Действительно, с повышением температуры воды возрастает интенсивность процессов разложения и, соответственно, увеличивается эмиссия. Наши водохранилища, как правило, расположены в зонах холодного или умеренного климата. Однако, например, Чиркейское водохранилище в Дагестане, находясь в зоне теплого климата, не демонстрирует эмиссии, поскольку расположено в горной местности, где отсутствует органическое вещество для разложения. Поступающие осадки состоят преимущественно из пыли горных пород.

— Какое водохранилище является крупнейшим источником выбросов парниковых газов?

— По показателям эмиссии метана — Рыбинское водохранилище. Оно неглубокое, имеет большую историю и расположено в промышленной зоне.

— И Волга в этих местах всегда кажется зеленой. Есть ли какая-то причина?

— Нет, это совершенно различные процессы. Зеленый цвет указывает на цветение. Этот процесс, наоборот, поглощает углекислый газ из атмосферы благодаря фотосинтезу и тому, что органика, цветущая каждое лето, впоследствии оседает на дно. Однако, она начинает разлагаться, что запускает ряд биогенных процессов, оказывающих определенное воздействие. Мы изучаем эти процессы, опираясь на результаты наблюдений и съемок, и используем их для калибровки моделей. Для нас была адаптирована озерная модель из Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ, с нашим участием, чтобы ее можно было использовать для моделирования водохранилищ. Она позволяет рассчитывать полный годовой цикл всех этих параметров.

— На сайте указано, что у нас функционирует сеть обсерваторий, предназначенных для наблюдения за этими явлениями. Не могли бы вы рассказать о них и об их расположении?

— Это не обсерватории, а наши институтские стационары. В институте функционируют три стационара: Звенигородская научная станция, Кисловодская и Цимлянская. На этих станциях в режиме мониторинга проводятся исследования процессов, происходящих в атмосфере, включая самые высокие слои, а также процессов взаимодействия атмосферы и земной поверхности. Все эти станции расположены в существенно различающихся условиях. Кисловодская станция находится в горах и является фоновой, где в чистейших условиях измеряется концентрация газов в атмосфере, ее состав. Это плато Шаджатмаз, расположенное на высоте 2,2 тыс. м. Также проводятся наблюдения в самом городе Кисловодске, где изучается городской климат и изменения состава атмосферы в курортном городе.

Звенигород служит фоновой станцией для Москвы. Этот населенный пункт находится на западе Московской области, где преобладающие ветровые потоки также дуют с запада, что обеспечивает минимальное воздействие загрязнений, переносимых из столичного мегаполиса. Данные, получаемые там, служат индикатором состояния окружающей среды в Москве. Параллельно проводятся измерения и на нашей территории, в центре Москвы: здесь, на крыше и во дворе института, расположена обсерватория, где мы измеряем состав аэрозолей и газов в атмосфере. В Звенигороде также создана уникальная обсерватория для изучения влияния неоднородной поверхности на атмосферные процессы. Там наблюдается разнообразный рельеф, включающий лес, поля и строения. Мы стремимся определить, каким образом эти элементы влияют на обменные процессы и атмосферную турбулентность.

— А Цимлянская станция?

— Она также обладает уникальными особенностями. Станция была создана Александром Михайловичем Обуховым, основателем нашего института, с целью проверки в стационарных условиях теорий, касающихся атмосферной турбулентности. В середине прошлого века была разработана известная теория подобия Монина — Обухова, которая позволяет рассчитывать характеристики турбулентного обмена и необходимые для атмосферного моделирования приземные потоки вещества и энергии, основываясь на данных о достаточно простых для измерения метеопараметрах. Данная теория описывает зависимость ветра, температуры и других параметров атмосферы от высоты в приземном слое. Она постулирует, что при известности масштабов скорости и длины, все профили могут быть описаны универсальными функциями, зависящими от нормированной относительно некого масштаба высоты. Для корректного применения теории требуется однородная поверхность, поскольку неровности или неоднородности (леса, поля, города, озера) нарушают турбулентный баланс. Обеспечение однородности создает идентичные условия по всей площади, что позволяет упростить уравнения и получить универсальные зависимости. Для проверки теории, определения вида универсальных функций и, в целом, для исследования турбулентных процессов, не осложненных внешними факторами, требовалась именно такая территория. И она была найдена в степях Придонья. В настоящее время мы продолжаем проводить там ежегодные специализированные экспедиции, а два года назад были начаты и измерения в режиме мониторинга.

— Каковы научные планы вашей лаборатории и ваши личные планы?

— В настоящее время приоритетными задачами, включая мои личные планы как сотрудника и заместителя директора института, являются расширение сети мониторинга на наших стационарах, создание унифицированной базы данных, интеграция этих данных в научную деятельность и публикация результатов. Меня особенно интересует изучение взаимодействия атмосферы и неоднородной поверхности, охватывающее водные объекты, океан и прибрежные зоны. Эта область остается недостаточно изученной: необходимо выяснить, каким образом различные неоднородности влияют на динамику атмосферного пограничного слоя.

— Этим летом планируются экспедиции?

— В первую очередь, проводятся работы в прибрежной зоне, включая Крым и океанографическую платформу в поселке Кацивели. Также используются возможности научно-исследовательской станции на острове Самойловский, расположенном в Арктике, в дельте Лены. На этой территории, представляющей собой полигональную тундру с вечной мерзлотой, происходят сложные процессы, связанные с деградацией мерзлоты. Это, прежде всего, вызывает интенсивное выделение парниковых газов в атмосферу. Наблюдаются разнообразные типы неоднородных поверхностей, такие как четкие квадраты, внутри которых расположены небольшие озерца, что обуславливает структурные и температурные контрасты.

— После поездки в Арктику планируете отправиться в Крым, чтобы согреться?

— Примерно так.

— Что вам кажется наиболее интересным в вашей работе?

— Моя работа увлекательна, поскольку мы изучаем природу, отличающуюся огромным разнообразием и сложной системой взаимосвязей. Она дает возможность наблюдать эти процессы непосредственно. Мы регулярно открываем для себя новые, любопытные природные объекты, а уже известные продолжают удивлять нас. Кроме того, у нас сформировался отличный коллектив.

— Что за люди работают в лаборатории?

— В основном наш коллектив укомплектован молодыми специалистами, в частности, выпускниками Московского физико-технического института (который я также окончила), а также географического и физического факультетов МГУ. Наша деятельность охватывает как теоретические исследования, так и практическую работу. Сотрудники лаборатории должны обладать знаниями математики и физики, уметь создавать модели и работать с оборудованием. Именно такие специалисты составляют мой коллектив. Я горжусь этими талантливыми ребятами и довольна их успехами. Есть преемственность и возможность продолжить наше дело.

Интервью было осуществлено при содействии Министерства науки и высшего образования РФ