Какие тайны скрывает мировой океан

Ю.Н. ЕЛДЫШЕВ

На Всемирном саммите ООН по устойчивому развитию в Рио-де-Жанейро в 1992 г. было решено учредить Всемирный день океанов, в частности для того, чтобы помочь человечеству не забывать о том, что Мировой океан — колыбель жизни на Земле, почти 70% поверхности которой покрыто водой, а его ресурсы — важнейший фактор развития цивилизации. Не менее важна и его роль в формировании глобального климата и поглощении парниковых газов.

В прошлом году Всемирный день океанов (8 июня) впервые официально отмечался под эгидой ООН и прошел под девизом «Океаны — общая ответственность».

В России главной организацией, регламентирующей участие страны в международных проектах, связанных с океаном, выступает Межведомственная национальная океанографическая комиссия РФ. Она же представляет страну в Межправительственной океанографической комиссии ЮНЕСКО.

Всемирный день океанов - подходящий повод для краткого обзора некоторых свежих результатов исследований Мирового океана.

Как и почему менялся уровень океана

Прогнозируемый в обозримом будущем в связи с глобальным потеплением подъем уровня Мирового океана на 1—1,5 м — сущий пустяк по сравнению с колебаниями его уровня в прошлом, утверждают в появившейся в прошлом году в журнале «Science» статье австралийские и норвежские ученые, установившие, что 82 млн лет назад (в верхнем меловом периоде) уровень океана был на 170 м (!) выше, чем сейчас.

Любопытно, что, по мнению авторов, основная причина этих колебаний — изменения не столько объема воды, сколько уровня и рельефа дна океана. Образование и таяние льдов накладывало на них лишь небольшие (несколько метров, т. е. проценты) осцилляции. Даже стремительное таяние льдов в Северной Америке и прорыв вод из озера Агассиз в Мировой океан (около 8 тыс. лет назад ледовый покров одного из гигантских озер на месте современной Канады растаял и 100 тыс. км³ пресных вод попало в Атлантику) вряд ли могли привести к подъему его уровня выше, чем на 1 м.

Авторы статьи в своей работе сосредоточились на реконструкции изменений рельефа морского дна за последние 100 млн лет (в частности, из-за смещения литосферных плит). Конечно, за это время заметно изменились даже очертания материков, но все равно заключения авторов о том, что многие участки нынешней суши около 80 млн лет назад находились под водой — на глубинах от 50 до 240 м, — заставляют пересмотреть многие привычные представления.

Итак, по оценкам авторов, около 80 млн лет назад уровень моря был в среднем на 170 м выше, чем сейчас, так что под водой находились большая часть Северной Европы, огромные площади Южной Америки, восточное побережье Северной Америки и часть Австралии, а также многие прибрежные территории на всех континентах. Авторы заключили, что, если выявленные ими тенденции к сглаживанию дна океана сохранятся, то еще через 80 млн лет его уровень опустится больше чем на 70 м и очертания всех материков изменятся до неузнаваемости (возможно, Индонезия соединится с Юго-Восточной Азией), так что любые сценарии таяния льдов вряд ли смогут заметно повлиять на этот процесс.

Краткая история океанов

Современные и древние океаны отличаются прежде всего дном, т. е. рельефом, толщиной, строением и составом океанической коры.

Докембрийские:

Панталасс-0 (2,5-2,2 млрд лет назад) — суперокеан, возможно, возникший из кратера на месте падения гигантского метеорита; противостоял суперконтиненту Пангея-0 на противоположной стороне планеты.

Панталасс-1, или Мировия (1600-850 млн лет) -противостоял суперконтиненту Пангея-1 (Родиния).

Мозамбикский (850-600 млн лет) - разделял Западную и Восточную Гондвану.

Протопасифик (600-570 млн лет) — наследник Мировии и прообраз Тихого океана.
Образовался при слиянии Западной и Восточной Гондваны в единый континент.

Прототетис (850-570 млн лет) — прообраз Тетиса; образовался после распада Мировии и Родинии.

Протояпетус (850-570 млн лет) - прообраз Япету-са; образовался после распада Мировии и Родинии.

Палеоазиатский (850-320 млн лет) образовался после распада Мировии и Родинии, отделил Восточно-Европейскую платформу от Сибирской, а ту -от Таримской и Сино-Корейской.

Бореальский (850-240 млн лет) — прообраз современного Северного Ледовитого океана, иногда его рассматривают как северную часть Палеопасифика.

Палеозойские:

Палеопасифик (570-240 млн лет) — прообраз Тихого и наследник Протопасифика.

Япетус (570-420 млн лет) — прообраз Атлантического и наследник Протояпетуса.

Палеотетис (570-205 млн лет) — прообраз Тетиса и наследник Прототетиса.

Реикум (480-425 млн лет) - западная часть Палеотетиса, иногда выделяемая как отдельный океан.

Уральский (540-320 млн лет) - южная часть Палеоазиатского океана, иногда выделяемая как отдельный океан.

Монголо-Охотский (325-155 млн лет) — часть Палеоазиатского океана, выделившаяся в самостоятельный океан в среднем карбоне.

Туркестанский (540-320 млн лет) — часть Палеоазиатского океана, иногда выделяемая как отдельный океан или объединяемая с Уральским океаном.

Мезозойские:

Панталасс-2 (240-160 млн лет) - последний суперокеан, ставший прообразом Тихого и наследником Палеопасифика. После распада Пангеи-2 океан распался, а в кайнозойской эре образовался Тихий океан.

Тетис/Неотетис (280-60 млн лет) — в палеозое был частью Палеотетиса к востоку от Пангеи-2, а в мезозое стал отдельным океаном.

Что же касается изменения рельефа морского дна, то, как считают авторы, главным фактором, влияющим на этот процесс, стало возникновение и распространение новой океанической коры вдоль подводных горных массивов, называемых срединно-океаническими хребтами. А по мере удаления от срединно-океанических хребтов к тем участкам ложа океана, которые называются абиссальными равнинами, океаническая кора постепенно остывает и опускается. Сегодня океанические хребты лежат в среднем на глубине 2,5 км, а абиссальные равнины — на глубине около 6 км.

Как следовало из авторской реконструкции, общая «вместимость» океана зависела в основном от соотношения глубин залегания хребтов и равнин. А в конце мелового периода высокие хребты прорезали океаническое дно почти по всей его площади, так что в среднем оно было поднято намного выше, чем сегодня. В итоге авторы заключили, что хребты более молодого Атлантического океана продолжат расти и впредь, а дно Тихого, наоборот, будет «оседать» по мере их опускания, так что «вместимость» и объем Тихого океана со временем вырастут, а Атлантического — уменьшатся.

Донный парадокс

В другой статье, опубликованной в первом апрельском выпуске журнала «Science», ученые из Португалии и Франции попытались объяснить, почему дно океанов поднимается вместо ожидаемого его тектонического опускания, и заключили, что эта «аномалия», возможно, позволит выявить неизвестные ранее особенности движения мантии.

Авторы исходили из того, что, согласно общепризнанным моделям формирования океанического дна, его новые участки образуются преимущественно в окрестности срединных океанических хребтов, где «расходятся» тектонические плиты, переносимые потоками мантии. В результате «свежая» океаническая кора оказывается нагретой, благодаря чему обретает дополнительную «плавучесть» и возвышается над окружающим ландшафтом.

Эта модель подтверждается многими геологическими наблюдениями, но, как уже отмечалось, в ней «новые» участки дна по мере удаления от срединных океанических хребтов должны, остывая, терять «плавучесть» и все глубже погружаться в мантию. Иными словами, чем дальше от срединных океанических хребтов, тем больше должна быть глубина океана. В действительности же дно океана в самых старых и удаленных от срединных океанических хребтов участках оказывается «поднято» гораздо выше, чем должно было бы быть согласно упомянутой модели, и до последнего времени ученые не могли объяснить этот парадокс.

Одно из центральных противоречий, затрагивавшее основы океанологии и сохранявшееся на протяжении многих лет, сумели устранить Клаудия Адам из Университета Эворы (Португалия) и Валери Видаль из Лионского университета (Франция), которые, сопоставив данные о топографии дна 800 участков Атлантического океана с результатами математического моделирования с использованием упомянутых известных тектонических моделей, ввели в модели необходимые поправки, учитывающие новые представления о распределении потоков тепла в мантии (не только вдоль срединных хребтов, но и на большом удалении от них).

Физический механизм явления пока неясен, хотя авторы высказали предположение о том, что он может быть связан с пока неизвестными процессами конвекции в мантии, которые во многом определяют облик планеты.

Судьба кораллов и уловов

Но сегодня экспертов-экологов больше тревожит не само по себе изменение уровня Мирового океана(Подробнее об этом см., например: Елдышев Ю.Н. Океан проблем Мирового океана// Экология и жизнь, 2009, № 1, с. 48.), а конкретные изменения его отдельных экосистем. Так, эксперты WWF в начале этого года в очередной раз предупредили, что одной из наиболее уязвимых морских экосистем остаются уникальные коралловые рифы в Тихом океане, которым грозит опасность исчезновения из-за роста выбросов парниковых газов в атмосферу и соответствующего роста их поглощения водами Мирового океана, ведущего ко все большему его «закис-лению». По мнению экспертов, особую опасность выбросы СО2 представляют для «кораллового треугольника» — протянувшегося на тысячи километров района коралловых рифов, который сегодня находится под юрисдикцией Индонезии, Малайзии и Филиппин.

Наряду с лесами Амазонки «коралловый треугольник», площадь которого 7,5 млн км² (более 1% площади земной поверхности) и который содержит треть всех коралловых рифов планеты (их тут более 700 видов), признан районом с наиболее богатым биоразнообразием — здесь обитают более 3 тыс. видов рыб и десятки видов млекопитающих.

Так вот, по заключению экспертов, более 40% коралловых рифов в этом уникальном районе уже погибли, а к концу века, если выбросы не сократятся, «треугольник» исчезнет, что, в свою очередь, повлияет, в частности, на популяцию тунца, который мечет икру в районе «кораллового треугольника». Это приведет к резкому сокращению рыболовного промысла в регионе, в результате чего миллионы людей окажутся на грани нищеты, а экономика, скажем, Индонезии может и вовсе рухнуть.

За последние 50 лет потребление рыбной продукции в мире удвоилось, а по прогнозам, через 25 лет возрастет еще вдвое. С 1970 г. общее число рыболовных судов в мире тоже удвоилось, а в Китае, к примеру, выросло в 6 раз всего за 30 лет. Сегодня Мировой океан бороздят около 3,5 млн подобных судов, и объемы вылова уже не позволяют морским ресурсам возобновляться. По оценкам экспертов, за те же полвека рыбные запасы океанов сократились на 80—90%. Почти уничтожены популяции тунца и меч-рыбы в Средиземном море и Северной Атлантике. Ежегодно в мире вылавливают около 10 млн акул, а их репродуктивный возраст наступает на 20-й год жизни, так что, по многим прогнозам, лет через 30—40 не останется и акул.

Флотилии главных рыболовецких стран год от года продолжают экспансию на юг — к берегам стран «третьего мира». Особенно привлекает их континентальный шельф Западной Африки. Оснащенные самым современным оборудованием рыбацкие суда «вычищают» здесь последние рыбные запасы, лишая население многих стран Африки едва ли не единственного источника животных белков. Практически иссякли запасы рыбы и у берегов Азии — например, в Таиландском заливе и Яванском море.

Поскольку запасы поверхностных вод Мирового океана уже исчерпаны, рыболовы начинают брать добычу со все больших глубин, что, по мнению ряда экспертов, сопряжено с немалыми рисками. Во-первых, до сих пор нет надлежащей оценки запасов глубоководных объектов промысла. Во-вторых, глубоководные животные изучены недостаточно, так что часто мы почти ничего не знаем об их репродуктивном цикле. Между тем есть веские основания полагать, что обитатели океанских глубин могут оказаться «долгожителями», в связи с чем многие из них входят в пору половой зрелости лишь к 50 годам, так что массовая добыча может быстро подорвать численность популяций, на восстановление которых уйдут долгие десятилетия.

Серьезные опасения вызывают и другие аспекты лова. К примеру, до сих пор во многих странах ловят все подряд и чем угодно. В результате значительная часть улова возвращается назад в море уже нежизнеспособной. Выловил сейнер, скажем, 5 т тунца и 1 т сельди, но селедку рыбакам не заказывали, поэтому они ее выбрасывают за борт, хотя отчетливо сознают, что большая часть ее уже не выживет. И наоборот: «специализирующиеся» на сельди избавляются от тунца. В целом за год таких «отходов» набирается около 27 млн т — это почти половина мирового потребления рыбопродуктов. А ведь нередко в сети попадают и другие морские животные, которых тоже выбрасывают за борт как ненужный балласт! По оценкам специалистов, ежегодно на рыбацких крючках обрывается жизнь около 10 тыс. альбатросов. В сети, установленные для лова одного-двух коммерчески важных видов, по всему миру попадают миллионы других животных (например, в тралах, неводах и сетях для вылова тунца гибнет множество морских млекопитающих). Тралы вообще физически уничтожают почти все, что попадается на пути: «утюжат» морское дно, срезают водоросли, разрушают коралловые рифы и практически любые биоценозы превращают в пустыню.

Океан как источник энергии

Впрочем, в последнее время все больший интерес океан представляет не только как источник пищи, но и как возможный источник энергии. Предложено множество способов извлечения этой энергии, включая самые экзотические. Так, недавно американские ученые предложили использовать для выработки энергии явление турбулентности, которое прежде считалось главным врагом судов и даже неподвижных сооружений, которые испытывают взаимодействие с вихревыми потоками жидкости.

Как известно из школьного курса физики, течение жидкостей может быть ламинарным, когда струи жидкости движутся прямо, или турбулентным, когда они завихряются. Первое, впрочем, существует в основном как теоретическая абстракция, а на практике любые течения характеризуются определенной хаотичностью, проявляющейся, в частности, в непредсказуемых завихрениях.

Управлять турбулентностью — дело непростое, поскольку уследить за завихрениями в каждой точке невозможно. Однако статистические описания этого процесса получены уже давно, и их пытаются использовать в конкретных приложениях.

Когда потоки морской воды огибают препятствия (скажем, опоры плавучих буровых платформ, трубопроводы или телекоммуникационные кабели), возникают многочисленные вихри-водовороты, которые постепенно «затухают», но их энергия частично расходуется на вибрацию упомянутых сооружений, постепенно их разрушая. Специалисты уже давно бьются над этой проблемой, разрабатывая разнообразные гасители колебаний.

Но недавно американские ученые из Университета Мичигана придумали, как превратить турбулентные движения из главного недостатка океана в важнейшее его достоинство — неиссякаемый источник энергии. Оказалось, что добиться этого можно, просто преобразуя в электричество механические колебания элементов установленных в потоке конструкций.

Для коммерциализации новой технологии выработки электроэнергии разработчики создали компанию «Уойех Нудго Energy», которая сегодня уже имеет таких серьезных партнеров, как, например, Министерство энергетики и Управление военно-морских исследований США. Дело в том, что, по оценкам экспертов из недавно созданной Национальной ассоциации по развитию морских возобновляемых источников энергии, только за счет океанских течений (т. е. в конечном итоге за счет турбулентности) можно удовлетворить до 10% ежегодной потребности США в электроэнергии (а это около четверти мировых нужд). Уже сегодня подобные «подводные» технологии признаны весьма актуальными и в других странах с протяженной береговой зоной. Например, их активно используют в Великобритании, где создано несколько гидротехнических энергоустановок, различающихся не только по конструкции, но по принципам действия. В последнее время разработки в этой «нетрадиционной гидроэнергетике» ведутся все активнее. Для преобразования механической энергии волн в электрическую сегодня предложены десятки разнообразных схем: это и подводные турбины, и всевозможные буи, и искусственные водоросли, и даже такие фантастические сооружения, как австралийский «OceanLinx», спущенный на воду в 2004 г.

Реального успеха, впрочем, пока добились немногие. Среди них шотландская компания «Pela-mis Wave Power», которая в 2009 г. ввела в строй первую в мире коммерческую волновую электростанцию мощностью 2,25 МВт (этого хватает на 1600 домов) у берегов Португалии. Большинство же проектов пока находятся на стадии лабораторных разработок или проектирования. Главная причина — естественные ограничения на эффективность (и соответственно рентабельность и даже «осмысленность») установок: чтобы подводные турбины успешно работали, скорость потока должна быть не ниже 6 узлов (около 10 км/ч), тогда как скорость почти всех морских течений примерно вдвое ниже. Именно независимость от скорости потока разработчики упомянутой технологии из «Уойех Нудго Energy» считают своим основным достижением — их устройство позволяет получать электроэнергию при скорости потока даже около одного узла.

Прототип подводной электростанции содержит набор горизонтальных цилиндров, закрепленных особым образом. Завихрения, возникающие при их обтекании потоком, передаются на вертикальные опорные колонны, которые начинают совершать продольные колебания. Энергия колебаний преобразуется в электричество с помощью роторного либо линейного генератора (в последнем случае используются подвижные магниты).

По оценкам экспертов, такое устройство обладает вдвое более высокой эффективностью, чем обычные турбины. Кроме того, первые лабораторные испытания были успешно проведены при скорости 1,6 узла (0,8 м/с).

Разработчики планируют запустить пилотную установку мощностью 50 кВт на реке Детройт уже в нынешнем году, но убеждены, что вскоре в прибрежных районах Мирового океана появится немало таких установок, суммарная мощность которых превысит 1 ГВт.

Все больше специалистов видят сегодня в океане неиссякаемый источник «чистой» энергии, который позволит решить многие нынешние проблемы цивилизации.

«Океанская» энергетика в России

В России, где, как известно, развитию альтернативной энергетики внимание уделяют чаще на словах, в последнее время приступают к реализации нескольких интересных проектов по созданию океанских энергоустановок.

Наиболее подходящим для их размещения признан Кольский полуостров, побережье которого уже давно облюбовали для возведения ветровых энергоустановок (ВЭУ) и приливных электростанций (ПЭС) как энергетики, так и экологи. Не случайно именно здесь (в Мурманской области) возвели первую отечественную ПЭС — Кислогуб-скую, уже более 40 лет использующую приливы в Кислой губе Баренцева моря. Интересно, что за это время на станции, где работают всего 20 человек, не было ни одной аварии.

Преимущества ПЭС очевидны — «чистая» и дешевая энергия. Основной недостаток — колебания мощности в течение суток — уже научились во многом компенсировать.

Сегодня на станции сделан ремонт, техника обновлена наполовину. Гидроагрегаты, как и прежде, приводятся в движение дважды в сутки, когда поднимается уровень воды. Но если раньше электроэнергия вырабатывалась лишь в те моменты, когда этот уровень поднимался на 1,2 м, то теперь это будет происходить и при вдвое меньших значениях, так что выработка ПЭС практически удвоится.

Технологию, опробованную в Кислой губе, вскоре используют на строительстве новой Северной ПЭС в районе Териберки, которое должно начаться в 2012 г., а затем на строительстве еще нескольких ПЭС, которые планируют возвести не только в Мурманской, но и в Архангельской области (Малая Мезенская ПЭС).

По оценкам экспертов, на Кольском полуострове можно строить ПЭС мощностью до 1 ГВт. Но и это еще не все. На ПЭС в будущем разместят ВЭУ и солнечные батареи.
Такой комплекс сможет давать еще больше электроэнергии и обеспечит большую стабильность ее выработки благодаря частичной компенсации колебаний мощности той или иной установки. Например, во время отлива, когда ПЭС не вырабатывает электричество, в сеть будут подавать энергию солнечных батарей или ВЭУ.

На крупнейшем в России судостроительном комплексе ПО «Севмаш» работы в сфере приливной энергетики ведутся уже 6 лет. В 2004 г. здесь спроектировали агрегат мощностью 2,8 МВт для Кислогубской ПЭС и дополнительный «наплавной» энергоблок для нее, а также агрегат мощностью 1,5 МВт для Малой Мезенской ПЭС в Баренцевом море, а в 2008—2009 гг. разработали для ПЭС новые «вертикальные» гидроагрегаты мощностью 4 МВт.

По мнению же одного из энтузиастов современных отечественных ПЭС доктора технических наук Юрия Николаенко, новые ПЭС вскоре будут «собирать» из наборов типовых блоков. Размер одного блока мощностью 1 МВт сегодня составляет примерно 50 х 75 м. По его словам, сейчас рассматривается возможность строительства ПЭС из таких блоков у западного побережья Африки (где, по оценкам специалистов, на 1 км побережья можно разместить несколько блоков, суммарная мощность которых составит примерно 5 МВт) и даже у берегов Камчатки, ибо блоки не мешают миграции рыб.

Все больше экспертов считают возведение ПЭС одним из самых перспективных для нашей страны направлений развития альтернативной энергетики и использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Приливы — мощный источник «чистой» энергии, и ПЭС по сравнению с гидроэлектростанциями (ГЭС) имеют ряд серьезных преимуществ: нет нужды в водохранилищах, занимающих огромные территории; выработка ПЭС не зависит от колебаний стока, и ее изменения в течение года прогнозировать гораздо легче и т. д. Но главное — на ПЭС в принципе невозможна авария с такими чудовищными последствиями, как у прошлогодней катастрофы на Саяно-Шушенской ГЭС.