Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

ДА ПОМОЖЕТ НАМ ГЕОГРАФИЯ!

Доктор географических наук Д. ФАЩУК.

К концу XX века морская экология "созрела" как наука до такого уровня, что математическое моделирование состояния морских экосистем стало самостоятельным научным направлением в естествознании. В мире разработаны сотни видов и типов математических моделей, с помощью которых ученые пытаются прогнозировать изменения условий морской среды и учатся управлять ее состоянием. Но, несмотря на успехи моделирования (в плане количества разработанных моделей), океан почему-то не торопится раскрывать свои тайны математикам, физикам, химикам, биологам. Многие модели на практике оказываются лишь аппаратом для математических упражнений. Чтобы разобраться в сложных, запутанных причинно-следственных природных связях, вдохнуть жизнь в уравнения и формулы, нужно посмотреть на окружающий мир глазами географа.

ПОЧЕМ ПРИРОДА?

Трудно установить, когда человек впервые задумался о том, что запасы окружающих его природных богатств не вечны. Куренные запорожские и донские атаманы, например, таких вопросов себе не задавали: они попросту рубили руки нерадивым казакам, ловившим рыбу в период ее нереста. И сейчас во многих глухих уголках планеты аборигены без законов и постановлений казнят соплеменников, пытающихся жить в ущерб природе. К счастью, наше государство в своей природоохранной политике таких радикальных принципов не придерживается. Иначе боюсь, что большинство хозяйственных руководителей уже давно были бы в лучшем случае инвалидами. Наиболее стремительно, по моему мнению, при этом должны редеть ряды чиновников, связанных с хозяйственной деятельностью на побережье Черного моря.

В начале 1980-х годов на представительном техническом совете, рассматривавшем вопрос о целесообразности и возможных последствиях строительства Днепровско-Бугского гидротехнического узла, мне довелось объяснять исполнителям задания - сотрудникам крупного киевского института, что ожидает Черное море в случае реализации очередного "проекта века". Я вдохновенно распространялся о десятках тонн мертвой рыбы, которая покроет в ближайшие годы пляжи Одессы и Очакова, о возрастущих объемах зловонных выбросов городской канализации, о гниющих водохранилищах и т.п. Несмотря на все мои эмоции, аудитория отреагировала на информацию более чем спокойно, и дискуссия закончилась традиционным вопросом: "Почем ваша природа?"

Причина фиаско доклада заключалась в том, что приводимые факты не представляли единой цепочки, которая позволила бы объединить слушателей с "объектом", показать место человека в структуре связей цивилизации с природой. В то время выстроить такую логическую схему было просто невозможно: при всем обилии и разнообразии информации не было способов ее систематизации, увязки и наглядного представления.

ИСТОРИЯ С ГЕОГРАФИЕЙ

Высказывание, что любая математическая модель представляет собой только аппарат в руках исследователя, оригинальностью не отличается. Иными словами - от качества заложенной в любую модель информации, основанной на понимании природы объекта моделирования, зависит и качество полученного с ее помощью прогноза. Но еще в древние времена классик античной философии Аристотель, прекрасно понимая несовершенство многих своих теорий, полагал: "Искать истину и легко и трудно, ибо очевидно, что никто не может ни целиком ее постигнуть, ни полностью ее не заметить, но каждый добавляет понемногу к нашему познанию природы, и из совокупности всех этих фактов складывается величественная картина".

Неумение связать воедино имеющиеся знания сводит вероятность получения долгожданной "величественной картины" до нуля. Сегодня в практику морского природопользования прочно вошла система гидроэкологического мониторинга. Ее реализация при проведении на морской акватории работ, связанных, например, с разведкой и добычей минеральных ресурсов, позволила собрать огромные массивы экологических данных. Специалисты, ведущие мониторинг, прекрасно владеют методами формального математического и компьютерного анализа, методиками физических, химических и биологических измерений. Но без системного анализа собранные фактические материалы, как правило, остаются лежать мертвым грузом.

Возьму на себя смелость предположить, что адекватно проанализировать собранную информацию, чтобы использовать ее в прогностических целях, вдохнуть жизнь в уравнения и формулы математических моделей предопределено судьбой специалистам-географам. Именно география оказывается сегодня связующим звеном между человеком и природой!

Такое предположение возникло не на пустом месте. История нашего государства хранит множество примеров, когда география выходила на передовые позиции среди наук, решавших важные для страны практические задачи. Комплексные описания местности губерний России и сопредельных стран, содержавшие множество разнообразных данных о природе, населении, экономике регионов, велись под руководством географов еще при Петре Великом. Знаменитый путешественник, член Русского географического общества Н. М. Пржевальский и многие его коллеги географы были офицерами Генерального штаба и занимались не только популярными описаниями посещаемых мест, но и серьезными комплексными аналитическими обзорами.

Во время Великой Отечественной войны одним из звеньев Комиссии по геолого-географическому обслуживанию Красной армии был Институт географии АН СССР. Его ученые уже с июля 1942 года начали составлять военно-географические "портреты" - описания территорий будущих сражений от Волги до Берлина. Группа, выполнявшая эту работу для штаба инженерных войск, состояла из разных специалистов, а возглавил ее географ И. П. Герасимов. О практической значимости результатов работы географов во время войны свидетельствует и тот факт, что на полетных картах сбитых немецких летчиков Институт географии значился как стратегический объект для бомбометания.

В 1942 году вице-президент АН СССР академик А. Е. Ферсман в журнале "Наука и жизнь" (см. №№ 11-12) в статье "География и война" отмечал, что география, считавшаяся описательной наукой, стала наряду с фундаментальными науками ведущей силой при решении важнейших задач мирового конфликта. Объясняя причины этого, он подчеркивал, что "география - совсем не наука об отдельных фактах окружающего нас мира. География - наука о связях, о глубочайших соотношениях, которые существуют в природе между отдельными явлениями и трудящимся в ней человеком".

Приведенные примеры относятся к периодам, когда главными перед нашей страной стояли не экологические, а военно-политические задачи, тем не менее при их решении географическая наука с честью исполняла роль лидера.

В послевоенные годы академик И. П. Герасимов ввел в естествознание термин "конструктивная география", подчеркивая значимость географической науки при решении не только военных, но и других народно-хозяйственных задач. Уверен, что разобраться в хитросплетениях современного изменчивого мира невозможно без участия экологической географии.

"ПОРТРЕТ" МОРСКОГО ВОДОЕМА

В 1973 году группа исследователей моря, в которую вошли географ-океанолог В. Л. Лебедев, химик Т. А. Айзатулин и биолог К. М. Хайлов, предсказала существование в районе Галапагосских островов в Тихом океане, на глубине около 3000 м, "оазисов" жизни, основанной на процессе хемосинтеза. Американская экспедиция на подводном аппарате "Алвин" в 1976 году подтвердила правильность прогноза. Этот успех стал возможен благодаря развитию идеи В. И. Вернадского о роли пограничных слоев в "скоплении" морских организмов и системному подходу, который позволял рассмотреть объект со всех сторон, используя оптимум информации.

Следуя этому примеру, мы предположили, что обобщить огромный массив морских экологических данных, выбрав из них при этом самые полезные, можно путем создания системного "портрета" моря. Он включает комплекс "экологических изюминок": особенности распределения жизни и биологии ее различных форм, характер внешних воздействий на условия среды и их причинно-следственные связи с поведением морских обитателей. Не обделена при этом вниманием и территория водосборного бассейна, так как источники большинства "морских болезней" чаще всего оказываются "на берегу". При таком подходе "наблюдаемая картина теряет в богатстве оттенков, но зато выигрывает в ясности". И хотя эти слова известного немецкого физика-теоретика Макса Борна (1882-1970) относились к физике, они вполне применимы и к экологической географии.

Логическая схема построения "портрета" любого участка океана включает ряд операций: отбор информации, ее "сворачивание", анализ и наглядное представление, ранжирование процессов по экологической значимости, выявление и картографирование неблагоприятных факторов. Для этого разработаны алгоритмы и методы морского экологического картографирования, оценки ситуации на водосборе.

На этих принципах в 1997 году в Институте географии РАН был создан первый "портрет" морского водоема, а именно Черного моря. Информационный "портрет" включает около 80 экологических карт и интегральных карт-схем, а также 30 аналитических таблиц и диаграмм, отражающих основные аспекты его природы и жизни, тенденции и перспективы развития основных элементов экосистемы.

Интегральный показатель "здоровья" водоема - состояние населяющих его организмов. Поэтому процесс географо-экологического моделирования начинается с анализа биологической информации. Для ответа на вопрос, почему происходит деградация морских популяций, в первую очередь необходимо выявить зоны массового скопления организмов на разных стадиях биологического развития. Эти места отмечены на карте акватории моря как районы повышенной "уязвимости" промысловых организмов к внешним воздействиям.

"Портрет" включает карты типичного распределения и путей миграций донных промысловых организмов, сведения об условиях среды, оптимальных для различных видов рыб, их устойчивости к токсикантам и признаках отравления.

В процессе такой систематизации биологических данных проясняется роль природы и человека в формировании центров концентрации морской жизни, которые также отмечаются в соответствующих картах и описаниях к ним.

В середине 1980-х годов в водах Черного моря у побережья Одессы были зафиксированы огромные концентрации фенолов. Причину экологической катастрофы устанавливали в течение нескольких лет. А можно было бы сделать это легко и оперативно, будь в то время у экологов карта потенциальной опасности сточных вод промышленных производств морского побережья и основных рек водосбора, которая входит в "портрет" Черного моря. Из нее ясно следует, что единственный потенциальный источник фенолов в этом районе - лакокрасочные фабрики на побережье Одесской области. Повышение содержания фенола говорит о сбросе неочищенных сточных вод этих производств.

Карта, отражающая отношение плотности населения к количеству стока с территории водосбора, дает представление о том, как соотносится воздействие природы и человека.

Анализ информации географо-экологической модели морского водоема позволяет исследователю оперативно выяснить вероятные причины кризисных ситуаций, сузить зону их поиска; оценить предполагаемые последствия катастрофического воздействия на морскую экосистему; разработать обоснованные природоохранные мероприятия; сориентировать специалистов для принятия безопасных решений при освоении морских богатств. Данные "портрета" Черного моря (как источник информации) использованы также для математического моделирования и прогноза некоторых возможных неблагоприятных результатов деятельности "хозяина" природы на черноморской акватории.

По этой же методике уже составлен и портрет Каспия - еще один "экспонат" будущей морской географо-экологической галереи.

ЧЕРНЫЕ ПРИЛИВЫ БОСПОРА КИММЕРИЙСКОГО

В V-IV веках до н.э., во времена Боспорского царства, Керченский пролив, именовавшийся тогда Боспором Киммерийским, стал важнейшим морским торговым путем. Кроме зерна и рыбы в страны Средиземноморья вывозились шерсть, солонина, шкуры, вино, гончарные изделия, керамическая кровельная черепица. В свою очередь из Афин, Коринфа, Родоса и других мест импортировались ткани, оливковое масло, вино, металлические изделия.

Сейчас по Керчь-Еникальскому каналу, прорытому Россией в Керченском проливе в 1874 году, ежегодно проходит более 10 тысяч торговых судов под флагами Турции, Кипра, Греции, Сирии, Ливана, Италии, Египта, Алжира. Суммарный объем перевозимых в течение года по каналу грузов достигает 250 млн т. Значительная часть из этого количества - нефтепродукты.

Глубина судоходного канала составляет около 9 м, что затрудняет проход крупнотоннажных нефтеналивных судов. Поэтому каспийская нефть транспортируется в Черное море мелкотоннажными (до 5 тыс. т) танкерами типа "река-море" с осадкой 3,4 м. На выходе из пролива в Черное море такие суда перегружают нефть в крупнотоннажные океанские "монстры" водоизмещением в 100 тыс. т и более, которые развозят ее далее по всему миру. Ежедневно на якорной стоянке у входа в пролив со стороны Черного моря скапливается до 50 танкеров и других торговых судов.

При осуществлении транспортных операций по перевозке нефтепродуктов неизбежны их потери как в результате несанкционированных сбросов у входа в пролив при промывке танкерных трюмов, так и вследствие аварий на торговых и нефтеналивных судах, ожидающих проводки и проходящих по каналу через пролив. Очевидно, именно по этим причинам содержание нефтепродуктов в водах пролива, по данным мониторин га 2002-2003 годов, уже превышает установленную норму для рыбохозяйственных водоемов в 2,5 - 6 раз.

Кроме того, для снижения расходов Россия осуществляет перевозки нефтепродуктов мелкотоннажным флотом в обход канала по параллельному с ним фарватеру на российской акватории пролива. Глубины здесь не превышают 5 м, а дно усеяно оставшимися после войны снарядами, "прошедшими ствол". Трудно переоценить масштабы последствий разлива 5 тыс. т нефти в случае взрыва танкера для жителей побережья и обитателей пролива.

Аварии танкеров обычно происходят в сложных гидрометеорологических условиях, и время для принятия решения ограничено. Заранее просчитанные сценарии возможного развития аварийной ситуации могут оказать реальную пользу. Моделирование распространения нефти позволяет оценить вероятные масштабы поражения морской среды до возникновения аварийной ситуации. По результатам компьютерной имитации специалисты, занимающиеся разработкой планов ликвидации аварийных разливов нефти, могут сделать вывод, какие нужны силы и средства и как организовать работу, чтобы негативные последствия были минимальны.

Чтобы смоделировать возможные аварийные ситуации, используют гидродинамические модели нефтяных разливов ("Оil Spill Models"). Сегодня соответствующий математический аппарат разработан во многих странах мира. Наибольших успехов в этой области достигли США, Норвегия, Великобритания и Россия.

Российская модель SPILLMOD, созданная в Государственном океанографическом институте коллективом сотрудников под руководством кандидата физико-математических наук С. Н. Овсиенко, нашла широкое применение как у нас в стране, так и в международных проектах. В отличие от других известных моделей в SPILLMOD процессы растекания и переноса нефти рассчитываются не параметрически, а гидродинамически - по реальной оперативной гидрометеорологической информации, что позволяет воспроизводить динамику нефтяного пятна наиболее достоверно. Вычислительные алгоритмы дают возможность учесть практически все известные физико-динамические процессы трансформации нефтяного разлива, а также включить в модель действие судов-нефтесборщиков, химических средств, локализацию пятна с помощью боновых заграждений, сжигание нефти. Неслучайно эта модель взята как основа компьютерных тренажеров Морской академии береговой охраны США. Она была использована и для моделирования последствий гипотетической катастрофы в Керченском проливе.

Азовское море сообщается с Черным через Керченский пролив посредством возвратно-поступательного движения воды, возникающего из-за разности уровней в северной (азовской) и южной (черноморской) частях. В этом повинны ветер и реки. Любопытно, что влияние ветра на уровень воды в проливе в среднем в 5-6, а при штормах - в 10-15 раз сильнее, чем воздействие на него речного стока.

На модели SPILLMOD реализованы 16 прогностических сценариев траектории движения нефтяного разлива, скорости его распространения при разных ветрах и преобладающих течениях в случае аварии танкера и разливе 1500 т нефти при входе в Керченский пролив со стороны Черного моря.

Сравнивая расчетные прогностические карты распространения нефтяного разлива с данными о характере поведения и распределении населяющих Керченский пролив рыб и других организмов в разное время года, легко предвидеть возможные экологичес кие последствия аварии. Кроме того, зная гидрометеорологический прогноз (направление, сила ветра, температура воды), можно предсказать, когда и в каком месте побережья следует готовить природоохранные мероприятия.

Модель SPILLMOD наиболее эффективна для принятия оперативных решений. Однако распространение нефтяных разливов и их трансформация в морской среде происходят под влиянием не только гидродинамических процессов. Огромную роль в их судьбе играют нефтеокисляющие бактерии. Процесс биохимической переработки нефтепродуктов развивается значительно медленнее (недели, месяцы, а не часы, сутки) и не во все сезоны года. Поэтому для прогноза долгосрочных последствий нефтяного разлива нужна другая модель.

"ГАЗОВАЯ" АТАКА НА РЫБНЫЕ ЯСЛИ

Многие десятилетия Черное море заслуженно сохраняло славу "житницы" для значительной части населения Украины, России, Грузии. Можно только посочувствовать тем, кто не пробовал малосольной чулары - двухлетки кефали, не замирал от восторга при знакомстве с саламуром - вареной в острой чесночной приправе керченской селедкой или не таял вместе с золотистыми дольками галагана - вяленой икры лобана.

Главными черноморскими "яслями" - колыбелью нереста и нагула основных промысловых рыб - служит северо-западный шельф, что делает его наиболее уязвимым в экологическом отношении районом моря. Здесь расположены единственный на Черном море заповедник осетровых; центр концентрации ценнейшего вида черноморской камбалы-калкана; биоценозы мидий и уникальной красной водоросли филлофоры. Одновременно эта акватория стала и ареной активной хозяйственной деятельности.

Дунай, Днестр и Днепр, а также многочисленные предприятия побережья Одесской и Николаевской областей щедро делятся с морем своими "богатствами" - тоннами фенолов, нефтепродуктов, пестицидов, тяжелых металлов. А уж как "любят" черноморское мелководье газовщики, и описать трудно. С 1989 года здесь ведутся интенсивная разведка и промышленная разработка морских месторождений газа, сопровождающиеся колоссальным загрязнением морской среды.

Неудивительно поэтому, что о черноморских устрицах сейчас уже можно только мечтать. Вылов осетровых в Черном море по сравнению с 1950-ми годами к концу века сократился в 40 раз, а любимой знаменитым одесситом Костей кефали прекращен вовсе. Традиционные промысловые объекты - барабуля, луфарь, пеламида, скумбрия, крупная ставрида, когда-то вылавливавшиеся тысячами тонн, сейчас либо существуют в море в непромысловых количествах, либо исчезли вообще. В последнее десятилетие в Черном и Азовском морях отмечаются случаи регистрации в тканях и органах морских животных хлорорганических пестицидов и некоторых токсичных тяжелых металлов в концентрациях, в несколько раз превышающих максимально допустимые уровни.

Оценить сроки самоочищения моря от нефтепродуктов в районах морской разведки и добычи газа позволяет гидроэкологическая модель, разработанная доктором химических наук А. В. Леоновым. Она учитывает биохимические механизмы трансформации нефтяных разливов и способна, таким образом, оценить перспективные (в течение года) изменения концентрации нефтепродуктов в морской среде. В отличие от немногочисленных аналогов в этой модели при расчетах за основу взята не численность или биомасса нефтеокисляющих бактерий, а их биохимическая активность в процессе жизнедеятельности и ее зависимость от условий среды.

В 12 численных модельных экспериментах исследовалась реакция моря на разлив в течение недели 200, 500 и 1000 т нефтепродуктов в разные сезоны года. Неожиданным образом эти расчеты помогли разгадать загадку пятнадцатилетней давности. Моделирование подтвердило гипотезу, что причиной аномального загрязнения вод шельфа в июле 1989 года, когда концентрация нефтепродуктов в толще вод в 188 раз (!) превысила норму, стало использование при разведочном бурении нерекомендуемых во всем мире промывочных растворов на нефтяной основе.

Наиболее неблагоприятным временем года для ведения разведочных работ оказалась осень. В случае сброса буровых растворов в этот период суммарное время их трансформации до нормы составляет 212-222 дня. Летом, в момент максимальной активности нефтеокисляющих бактерий, море очищается при сбросе нефтепродуктов быстрее всего, за 9-24 дня.

*

Океан не привык к искусственным уколам, пилюлям и реанимациям. За миллионы лет эволюции он всегда надеялся только на самого себя. Вмешиваясь в жизнь голубого континента даже с благими намерениями, но без достаточных знаний, любви и доброты, всегда есть риск грубо задеть не игравшую ранее струну, и как прозвучит в этом случае новый аккорд - неизвестно. Уверен, география обеспечит его мажорную тональность. Успех же сотрудничества географов с математиками зависит не только от материальной базы, но и от искренности желания ученых понять природу, а следовательно, умения внимательно слушать друг друга.

См. в номере на ту же тему

Угасающие оазисы черноморской жизни

Сюрпризы природы

Штрихи к "портрету" Керченского пролива

Секреты черноморских гурманов


Случайная статья


Другие статьи из рубрики «Человек и природа»

Детальное описание иллюстрации

В бассейне Черного моря на 1 км<SUP>3</SUP> речного стока приходится от 10 тыс. до 20 млн человек. При этом максимумы расположены на водосборе Дуная: в Румынии (20 млн чел./км<SUP>3</SUP>), Венгрии (7,5 млн чел./км<SUP>3</SUP>), Чехии и Австрии (1-2 млн чел./км<SUP>3</SUP>). Максимальные величины этого показателя в 50-100 раз выше средних для Европы (240 тыс.чел./км<SUP> 3</SUP>).
При северных ветрах в Керченском проливе преобладает поток из Азовского моря (а) с максимальными скоростями течений в северной части пролива до 40-70 см/с (1,5-2,5 км/ч). При южных ветрах в проливе наблюдается черноморский поток (б) с максимальными скоростями до 3 км/ч. Повторяемость азовских течений в среднем за год составляет 58%, а черноморских - 42% случаев. Цифры на изолиниях - средние скорости течений в см/с.
Положение и конфигурация пятна сырой нефти после разлива на якорной стоянке у входа в Керченский пролив зависят от преобладающих течений и конкретных ветровых ситуаций: а, б - траектории нефтяного разлива при азовском потоке, восточном и западном ветре соответственно; в, г - то же при черноморском потоке, южном и восточном ветре соответственно, силой 10 м/с. Цифры у пятен - время (в часах) после разлива. Расчет по гидродинамической модели SPILLMOD выполнен С. Н. Овсиенко, С. Н. Зацепой, А. А. Ивченко.
На пути нерестовых (темные стрелки), нагульных (светлые стрелки) и обратных (пунктирные стрелки) миграций осетровых рыб в Каркинитском заливе Черного моря сегодня выстроились эстакады морских буровых платформ, на которых ведутся разведка и добыча газа (черные треугольники).
При разливе 1000 т нефтепродуктов в течение недели осенью воды Каркинитского залива самоочищаются до предельно допустимых концентраций токсиканта (50 мкг/л) за 222 дня (коричневая кривая). При авариях зимой (синяя кривая), весной (зеленая кривая) и летом (красная кривая) аналогичное время составляет соответственно 155, 99 и 24 дня. При этом, независимо от сезона, концентрации нефтепродуктов в воде в момент аварии возрастают до 8 мг/л (около 200 ПДК). Расчеты по гидроэкологической модели трансформации нефтепродуктов выполнены А. В. Леоновым.