Океан вокруг нас

Как я писал в предыдущем посте – льда в Северном Ледовитом океане в последние 15-20 лет стало гораздо меньше, чем было в конце ХХ века. Причем площадь льда стала меньше только в теплый период года, летом и осенью, и в основном вдоль российского побережья (а не вдоль Канады и Гренландии). Зимой же в Арктике по-прежнему температура сильно ниже нуля, и лед нарастает примерно до тех же площадей, что были в конце ХХ века. Вот так России сильно повезло – льда меньше, безледный сезон длиннее, а значит и Северный морской путь становится все более выгодной и реальной альтернативой другим морским маршрутам из Европу в Азию. Но этой выгодой надо еще суметь воспользоваться.
 
Для обеспечения судоходства важно хорошо прогнозировать момент ледотаяния – когда лед сходит, и становится возможен проход по морю без ледокола, а также момент ледообразования – когда лед встает, и безледокольная навигация на этом заканчивается. Раньше, когда ситуация со льдом была стабильна, это было гораздо проще. Когда ледовые условия практически не меняются в течение десятков лет, то можно набрать хорошую статистику и достоверно прогнозировать сроки ледообразования и ледотаяния. Но все резко поменялось в начале XXI века, когда в Арктику пришли большие климатические перемены. Все накопленные к тому моменту данные оказались малопригодными для новых прогнозов.
 
Итак, в Арктике лед тает раньше, намерзает позже, и вроде бы можно просто взять и удлинить навигацию по Северному морскому пути. Раньше сквозная коммерческая навигация по всему маршруту начиналась в июле и завершалась в конце октября. С 2020 года появились сверхранние и сверхпоздние рейсы судов по Северному морскому пути. И если весной сдвинуть сроки удалось только на 2 месяца, с июля на май, то осенью все сдвинулось на целых 4 месяца и ушло в зиму. В 2021 году было выполнено два коммерческих рейса по маршруту Северному морскому пути январе-феврале, вместо традиционного завершения навигации в начале ноября. Рейсы эти до сих пор остаются экспериментальными, но показывают уже совсем недалекую перспективу работы Северного морского пути с мая по февраль, что уже составляет три четверти года.
 
Но ледокол – это же не машина, которую завел и поехал. Ледовые условия надо знать заранее, особенно, когда планируется расширение навигационного периода. Судно, особенно ориентированное к плаваниям в безледный сезон, может легко попасть в ледовый плен. Яркий пример этого произошел осенью 2021 года, когда ледообразование в восточной части Северного морского пути началось на две недели раньше прогноза. Из-за этого 24 судна попали в ледовый плен на разных участках маршрута. Ситуацию пришлось ликвидировать серией ледокольных операций, которые длились 3 месяца, до февраля 2022 года. Вот так, в среднем в последние 20 лет ледовые условия стали гораздо легче, но в отдельные годы природа может преподносить неприятные сюрпризы.
 
Суда попадали в ледовый плен и раньше: это происходило на протяжении всех 500 лет, что существует судоходство в Арктике. Раньше ледовый плен заканчивался многолетним дрейфом и нередко даже смертью всех участников, которые оказывались посреди ледяной пустыни с ограниченным запасом еды и топлива. К середине XX века появились достаточно надежные самолеты и ледоколы, и ледовый плен перестал был приговором. И все же ледовый плен по-прежнему влечет за собой значительные финансовые издержки из-за сорванных транспортных операций.
 
Наука активно работает над тем, чтобы создать надежные прогнозы ледовых условий, чтобы снизить, а в будущем даже исключить риск ледового плена. Эта задача входит и в научную программу рейса Плавучего университета, о чем я расскажу в следующем посте.

В прошлом посте я писал, что очень часто научный подход к проблеме климатических изменений базируется на идеологии триггера – эффект бабочки, когда небольшое влияние на сложную климатическую систему дает масштабные последствия. Ученые находятся в постоянном поиске ключевого процесса, который пока мало влияет на климат, но вскоре станет спусковым крючком для больших перемен.

Одним из следующих триггеров климатических изменений может стать перестройка ледового режима в Северном Ледовитом океане.

Если площадь льда в Арктике начнет стремительно сокращаться летом, то Северный Ледовитый океан будет нагреваться все сильнее и сильнее. Чем теплее океан, тем меньше льда в следующем году. Резкое сокращение площади действительно произошло в начале XXI века, однако потом площадь льда стабилизировалась (правда на более низком уровне).

Лед в Арктике в теплый период года тает из-за двух причин: теплового воздействия атмосферы (таяние сверху) и теплового воздействия океана (таяние снизу). В настоящее время доминирует первый фактор, однако ученые очень пристально наблюдают и за вторым.

Все дело в том, что большая часть воды в Северном Ледовитом океане имеет атлантическое происхождение, то есть попадает в него из Северной Атлантики. Некоторые из этих атлантических вод – очень теплые (по арктическим меркам, конечно), то есть круглогодично имеют температуру выше нуля.

Это довольно большой слой, толщиной в несколько сотен метров. Слой теплых атлантических вод начинается на глубине около 100 метров, поэтому он не так сильно влияет на морской лед, который плавает на поверхности моря.

Усиление влияния теплой прослойки атлантических вод на морской лед в Северном Ледовитом океане и есть один из тех самых эффектов бабочки, который может оказаться очень важным для глобального климата. Если бы этот теплый слой вдруг оказался на поверхности моря, лед в Северном Ледовитом океане не образовывался бы даже зимой (как он не образуется в Северной Атлантике).

Этот процесс теоретически возможен в результате воздействия ветра, но только в двух районах Северного Ледовитого океана: в море Бофорта около берегов Аляски и в северо-западной части моря Лаптевых. Более того, в море Бофорта эти

апвеллинги

(поднятие глубинных вод на поверхность из-за воздействия ветра) и происходят, но сильного влияния на лед не оказывают, так как в этом регионе лед и так очень рано сходит из-за притока теплых тихоокеанских вод (там совсем рядом Берингов пролив).

Апвеллинги в море Лаптевых никогда не регистрировались, но, если они вдруг начнут происходить, – эффект может быть очень сильным. Ну а первым ученым, которым повезет обнаружить и зафиксировать поднятие атлантических вод на поверхность в северо-западной части моря Лаптевых (если такое вообще когда-то случится), смогу сделать великолепное научное открытие. В этом районе планировалась работа и нашей экспедиции Плавучего университета в этом году (как мы уже работали в 2024 году), более того, мы бы в эти дни уже закончили там работу. Но все сложилось по-другому и из-за переноса сроков экспедиции работ у нас в северо-западной части моря Лаптевых в этом году не будет.

Кроме резкого поднятия атлантических вод на поверхность Северного Ледовитого океана возможен и более медленный процесс, постепенное поднятие верхней границы теплого слоя. В этом случае происходит истончение прослойки между теплым слоем и морским льдом. Эффект не такой стремительный, как в случае апвеллинга, но также может стать тем самым триггером, который приведет к значительному сокращению площади морского льда в Арктике. Этот процесс мы также изучаем в ежегодных экспедициях Плавучего университета, будет он одной из основных задач и у предстоящей экспедиции.

Климатические изменения очень сильно беспокоят людей уже больше ста лет – когда начала складываться общая картина, как устроена климатическая система Земли. Это вполне объяснимо, ведь природная энергия настолько велика, что формирует условия нашей жизни, а мы лишь подстраиваемся под нее.

При этом очень часто научный подход к проблеме климатических изменений базируется на идеологии триггера – эффект бабочки, когда небольшое влияние на сложную климатическую систему дает масштабные последствия. Ученые находятся в постоянном поиске ключевого процесса, который пока мало влияет на климат, но вскоре станет спусковым крючком для больших перемен.

Гипотетических эффектов бабочки для климата Земли было предложено уже немало. В 1970-х годах выдвигались теории, что попадание в атмосферу все больших и больших объемов сажи (из-за сгорания топлива) будет усиливать образование облаков. Это, в свою очередь, приведет к отражению облаками большей доли солнечной энергии и охлаждению Земли. Особенно опасными считались самолеты, которых в те годы становилось все больше и больше, и которые выбрасывают сажу непосредственно в верхние слои атмосферы. образование озоновых дыр Было и множество других теорий – ядерная зима после атомной войны, влияние космических лучей на ионизацию атмосферы, образование озоновых дыр, метановая бомба, остановка Гольфстрима, резкое таяние вечной мерзлоты в Северном полушарии или ледников Антарктиды.

Каких теорий только не было, и может быть некоторые из них еще докажут свою правоту. Тем не менее, самым важным процессом для происходящих климатических изменений оказалось повышение концентрации парниковых газов (углекислый газ, метан и некоторые другие). Впервые этот процесс добавили в климатические модели Земли в 1960-х годах, и к началу XXI века консенсус у специалистов-климатологов в целом сложился.

Человеческая деятельность (сжигание топлива и вырубка лесов) добавляет в атмосферу всего 5% углекислого газа по сравнению с природными выбросами (дыхание живых организмов, газообмен между океаном и атмосферой, вулканизм, лесные пожары). Вроде бы мало, антропогенные выбросы в 20 раз меньше природных, как они могут на что-то повлиять? Все дело в том, что до начала индустриальной эпохи (когда антропогенный вклад был совсем ничтожным) между природными выбросами и поглощением углекислого газа был полный баланс, сложившийся за десятки тысяч лет. Поглощался ровно весь объем, который поступал в атмосферу, и концентрация углекислого газа в атмосфере была практически неизменной.

В течение последних десяти тысяч лет концентрация CO₂ оставалась стабильной. Увеличение выбросов на 5% из-за деятельности человека сместила этот баланс. Всего за 150 лет активного сжигания угля, нефти и газа концентрация CO₂ увеличилась в полтора раза. Естественные геологические процессы меняли концентрацию CO₂ на сопоставимые величины на протяжении сотен тысяч или миллионов лет. Человечество совершило такой же скачок всего за 150 лет, что в 100 раз быстрее любых природных изменений прошлого.

Кстати, самый мощный парниковый газ на Земле – это вода (водяной пар), на его долю приходится 60-70% парникового эффекта. Хорошо, что антропогенный вклад в увеличение концентрации водяного пара невелик. Потепление шло бы гораздо быстрее, если бы выпаривание воды оказалось зачем-то очень необходимо людям, как им стало необходимо сжигание ископаемого топлива для работы двигателей внутреннего сгорания.

Спустя полвека после создания первых климатических моделей Земли, учитывающих парниковых эффект, в 2021 году, климатологам Сюкуро Манабе и Клаусу Хассельману была вручена Нобелевская премия по физике за «физическое моделирование климата Земли, количественную оценку изменчивости и надежное прогнозирование глобального потепления». Вот так долго иногда приходится ждать признания своей научной правоты (хотя в науке очень часто приходится ждать и гораздо, гораздо дольше, запросто можно и не дожить).

При чем же тут наш рейс в Арктику? Про это я напишу в следующем посте.

В нашей науке мы изучаем реально существующий объект, Мировой океан, поэтому очень важно все свои теории и гипотезы проверять на практике, то есть измерениями непосредственно в океане.
Очень часто бывает и обратное, когда измерения не подтверждают наши гипотезы, а показывают что-то совершенно неожиданное. С этим неожиданным приходится разбираться: объяснять, как получилось то, что мы наблюдаем в реальности. Такое двустороннее «общение» ученых с океаном и двигает нашу науку вперед.

В эти дни я должен был работать в Северном Ледовитом океане в очередной морской экспедиции на борту научного судна «Профессор Молчанов». К сожалению, накануне нашей экспедиции судно было арестовано на Шпицбергене норвежскими властями. Провокация удалась, судебное разбирательство продолжается, судно пока не отпустили. Из-за этого пришлось срочно разрабатывать альтернативный план действий.

Планировавшаяся экспедиция – это одна из четырех ежегодных экспедиций Плавучего университета. Помимо научных сотрудников в рейс должны были пойти несколько десятков студентов и аспирантов из разных институтов и университетов России.
Каждый год после наших экспедиций студенты находят себе научных руководителей, попадают в научные группы. Увидев в рейсе настоящую науку, можно понять, насколько она подходит тебе как жизненный путь – на ближайшие несколько лет или на многие годы вперед. Так и я каждый год нахожу в свою лабораторию новых студентов и аспирантов.

Подготовка к экспедиции начинается примерно за два года до ее начала.

Вот так, просто сходить на полтора месяца в море – это больше двух лет организационной работы. Поэтому нельзя просто взять и отменить рейс из-за ареста судна, тем более что своего первого рейса ждут студенты Плавучего университета. Поэтому вместо одного рейса на «Профессоре Молчанове» у нас состоятся два последовательных рейса на научном судне «Иван Петров». Почему рейсов будет два? «Иван Петров» в два раза меньше «Профессора Молчанова», поэтому только за два рейса получится охватить и необходимое количество научных задач, и необходимое количество участников.

В этих экспедициях мы будем работать в Карском море и море Лаптевых в октябре (первая экспедиция) и в Карском море и Баренцевом море в ноябре (вторая экспедиция). Ледовые условия в этом году очень благоприятные, и даже несмотря на поздний срок начала экспедиции, очень многое получится успеть до момента как районы работ замерзнут и станут недоступны для «Ивана Петрова».

Из-за изменения сроков в этом году я остаюсь на берегу, впервые за последние несколько лет. Тем не менее, я все равно буду курировать ряд научных задач рейсов, а также напишу серию постов про них в ближайшие недели. Хватит уже писать про острова (а книга, кстати, практически дописана и скоро будет заслана в редакцию), пора писать про науку океанологию.