Главная  >  Экономика   >  Гидросфера


Новая физическая концепция колебаний уровня воды на Каспии

11 октября 2007, 55

По свидетельству профессора Свиточа из МГУ, во время последней регрессии моря (1883-1977 гг.) освободилась площадь более 10 тыс. гектаров, произошло обмеление портов и рыбных нерестилищ.

ПРОШЛО время острых дискуссий относительно судьбы Каспийского моря, вызванных злополучным планом переброски стока северных рек в мелевшее море. Около 20 лет уровень его повышается, и как долго будет продолжаться этот процесс, не знает никто, поскольку непонятны причины, вызывающие колебания уровня Каспия. Одни видят причину в изменениях климата, вызванных астрономическими факторами, другие - в тектонических подвижках на дне, третьи - в неустойчивости системы "море-атмосфера-суша". Именно к последней категории исследователей принадлежит автор этой статьи.

ОНО ОПЯТЬ ПОДНИМАЕТСЯ!

Политические проблемы, связанные с разделом Каспия бывшими республиками СССР (Азербайджаном, Казахстаном, Туркменией), Россией и Ираном; с открытием нефтяных богатств моря (у побережья России разведанные запасы составляют 1-1,5 млрд. тонн, Азербайджана - более 4 млрд., Казахстана - 1 млрд., Туркмении - более 2,5 млрд. тонн); с выбором маршрутов нефтепроводов, войной в Чечне и Дагестане - все это отодвинуло вопрос об уровенном режиме Каспийского моря на второй план.

Однако тревожная ситуация, связанная с подъемом его уровня и затоплением прибрежных регионов, продолжает обостряться с каждым годом. Над Прикаспийским регионом (Астраханская область, Калмыкия, Дагестан) возник призрак экологической катастрофы, и риск огромного ущерба городам и населенным пунктам, сельскому хозяйству, железным и автомобильным дорогам, портам и морскому транспорту, нефтяной промышленности стал реальным.

По свидетельству профессора Свиточа из МГУ, во время последней регрессии моря (1883-1977 гг.) освободилась площадь более 10 тыс. гектаров, произошло обмеление портов и рыбных нерестилищ. Городские берега были планово и беспланово застроены различными промышленными и рекреационными объектами, целиком, либо частично оказавшимися во время последующего трансгрессивного ритма (подъема уровня моря) в зоне разрушения и затопления. Примером может служить застройка крупного жилого массива на юге Махачкалы, в настоящее время подтопленного, и нескольких жилых кварталов в центре береговой зоны Дербента, ныне полностью разрушенных морем.

Непродуманное освоение низменных берегов дагестанского побережья Каспия привело к тому, что в случае повышения уровня моря до отметки - 25,0 м абсолютной высоты в зоне затопления окажутся пять городов с населением 85,2 тыс. человек и 26 сельскохозяйственных пунктов с населением 12,55 тыс. человек; 120 км объектов ЛЭП, 45 км железных и 298 км автомобильных дорог, 83 объекта рекреации. В случае дальнейшего подъема уровня моря самые мрачные последствия могут случиться с пос. Сулак и г. Каспийском, отдельными участками прибрежных зон г. Махачкалы и г. Дербента, расположенных на новокаспийской террасе.

ЧТО БЫЛО

Следует отметить, что проблема колебаний уровня Каспийского моря и других бессточных водоемов (Аральское море, оз. Балхаш, Чаны, Чад и т.д.) является одной из фундаментальных проблем современной гидрологии (некоторые ученые сравнивают эту "вечную" проблему со знаменитой задачей Ферма в теории чисел). Современный подход к этой проблеме, с моей точки зрения, не выдерживает серьезной научной критики и, по существу, предлагает пользоваться идеями и методами полувековой давности. В то же время впечатляющие открытия термодинамической теории необратимых процессов, теории динамических систем и случайных процессов привели к качественно новому пониманию сложных явлений природы.

Революционное воздействие новых идей этих наук (неустойчивость и множественность режимов, самоорганизация в пространстве и времени, детерминированный хаос, автоколебания и автоволны, странные аттракторы, фракталы) на широкие области естествознания привели к тому, что в науке о Земле стало осознаваться, что столь сложная и неоднородная система, как наша планета, развивается по нелинейным законам. Это в полной мере относится и к ее гидросферной оболочке, так как физические процессы, происходящие в природных водах, существенно нелинейны. Именно нелинейными механизмами формирования водного баланса самого моря и громадного (3,5 млн. кв. км) его бассейна постараемся объяснить резкие и неожиданные изменения уровня моря.

Уровенный режим Каспийского моря всегда отличался неустойчивостью и преподносил сюрпризы, в основном неприятные, не только прибрежным регионам, но и авторам многочисленных прогнозов, которые, как правило, не сбывались. Загадочное поведение этого уникального водоема привлекало многих выдающихся ученых своего времени. Немецкий естествоиспытатель и путешественник Александр Гумбольдт, совершивший в 1829 г. путешествие по России на Урал, Алтай и к Каспийскому морю, высказал гипотезу, что причиной колебания уровня воды является периодическое повторение лет, отличающихся чрезвычайной сухостью и чрезвычайной влажностью. Его соотечественник Паллас, возглавлявший в 1768-1774 гг. экспедицию Петербургской АН в центральные области России, районы Нижнего Поволжья и Прикаспийской низменности, указывал на зависимость колебаний уровня моря от гидрометеорологических факторов: действия температуры, ветра, количества атмосферных осадков и количества приносимой реками воды. Высказывались и фантастические гипотезы: "В Кара-Богаз-Голе имеется дыра, через которую воды Каспия уходят в океан".

Изменение физико-географических условий вследствие подъема уровня Каспийского моря привели к гибели Хазарского казарата и исчезновению хазар, так как экономика страны рухнула из-за потери двух третей своей территории. Лев Гумилев драматически описывает гибель Хазарии: "Совместный удар на Хазарию русов, гузов и печенегов в 965 г. покончил с самостоятельностью полузатопленной страны".

По свидетельству итальянского географа Сануто, относящемуся к 1320 г., "море каждый год прибывает на одну ладонь, и уже многие хорошие города уничтожены". В недалеком историческом прошлом были и резкие подъемы уровня и не менее резкие падения. Так, по сообщению В.Н. Татищева (1793 г.), "в 1742 году прибыло от 1723 года более 8 футов", то есть 2,5 м за 19 лет; по оценкам академика Л.С. Берга, за период с 1807-го по 1824 г. уровень моря понизился более чем на 2 м.

КАСПИЙСКИЙ АТТРАКТОР

Когда я впервые познакомился (было это лет 10 назад) с проблемой колебаний уровня моря, то сразу бросилась в глаза слабая физико-математическая разработка этой проблемы. Это наблюдение не было новым, еще раньше профессора Мищенко и Зеликин из МГУ подвергли методику прогнозирования уровенного режима моря острой и, как оказалось впоследствии, справедливой критике.

Сущность моих претензий состояла в следующем. Уровенный режим моря определяется водным балансом самого моря (осадками над акваторией, речным стоком, испарением и стоком морской воды в залив Кара-Богаз-Гол) и водным балансом его речного бассейна. Все эти важнейшие гидрологические величины сильно и непредсказуемо изменяются во времени, так что на современном уровне знания климат водосборного бассейна моря выглядит случайным процессом. Если аккуратно записать водный баланс моря и его бассейна математически, то придем к системе нелинейных стохастических дифференциальных уравнений с соответствующими начальными и граничными условиями. Нелинейность здесь принципиальна, так как площадь зеркала моря зависит от его уровня.

Изучив десятки книг и сотни статей по проблеме колебаний уровня Каспия, я не нашел ни соответствующих постановок задач, ни их решений. Уравнения водного баланса моря неизменно линеаризовывались, и к полученным уже тривиальным линейным моделям применялись широко известные методы. Получались, естественно, тривиальные результаты: уровень моря колеблется с небольшой дисперсией около единственного равновесного уровня, вероятность резких подъемов и падений (на 1,5-2,5 м) ничтожна мала. Самое тяжелое впечатление произвел прогноз колебаний уровня. Например, прогноз доктора физико-математических наук В.Е. Привальского, выполненный в 1980 году (длительный и резкий подъем уровня моря был еще впереди), показал, что уровень Каспия в 1995 году должен был бы равняться -29,00 м. Однако, вопреки предсказанию, уровень моря оказался на 2,5 м (!) выше. Вероятность такого события в рамках линейной модели - один раз в две тысячи лет, но исторические данные свидетельствуют о гораздо большей частоте этого события.

Уже первая попытка исследовать самую простую, но нелинейную задачу водного баланса привела к неожиданному результату. Оказалось, что решение уравнений Фоккера-Планка-Колмогорова (именно эти уравнения управляют уровенным режимом) для плотности вероятности уровня моря имеет негауссовскую форму: во-первых, уровень моря имеет несколько наиболее вероятных состояний, во-вторых, вероятность резких переходов от одного устойчивого равновесного уровня к другому значительно выше, чем в линейных задачах.

Эти индуцированные шумом неустойчивости и переходы тесно связаны с явлениями самоорганизации в сильно неравновесных открытых динамических системах. Оказалось, что теория индуцированых шумом переходов, разработанная профессорами Р.Лефевром и В.Хорстхемке (брюссельская школа лауреата Нобелевской премии Ильи Пригожина) для решения проблем нелинейной физики, очень хорошо применяется для описания колебаний уровня бессточных водоемов. Однако до сих пор в отечественной гидрологии популярны мифы о гауссовских распределениях в колебаниях уровня Каспийского моря и стоке впадающих в него рек. Это, конечно, не так. Достаточно посмотреть на гистограмму уровня моря за последние 169 лет (рис. 1). На ней очень отчетливо выделяются две наиболее вероятных моды -28,22 м (низкий уровень) и -25,58 м (высокий уровень). Все известные мне стохастические модели колебаний уровня моря и даже ансамбль моделей общей циркуляции атмосферы, широко используемые климатологами для расчета водного баланса бассейна моря и самого моря, не способны объяснить эту бистабильность.

Отметим важное обстоятельство. Мониторинг режима увлажнения в бассейне Волги и Урала за 1891-1900 гг., выполненный сотрудниками Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова, показал, что ряды осадков являются стационарными рядами (в них отсутствуют тренды, преимущественные тенденции). Так как осадки в бассейне Волги и Урала являются практически основным источником воды для питания Каспия, то физический механизм, раскрывающий природу колебаний уровня моря, обязан работать и в жестких условиях стационарности климата водосборного бассейна моря.

Первый физический механизм колебаний уровня Каспийского моря предложили Крицкий и Менкель в 1946 году. В рамках этой теории единственным механизмом, управляющим уровенным режимом, считается механизм отрицательной обратной связи: при повышении уровня выше уровня тяготения площадь зеркала испарения увеличивается, что заставляет уровень вернуться к исходному положению.

Остановимся на понятии уровня тяготения моря. Предполагается, что при этом значении уровня моря приходная часть водного баланса (сток рек, осадки) уравновешиваются расходной частью (испарение, сток в залив Кара-Богаз-Гол). Это означает с точки зрения современной нелинейной динамики диссипативных систем, что модель колебаний уровня моря имеет простейший "аттрактор". Это, в свою очередь, означает, что, несмотря на случайную динамику водного баланса, в колебаниях уровня моря все же усматривается некоторый порядок. В физике диссипативных систем, производящих энтропию, конечные состояния этих систем названы "аттракторами".

Предположение нескольких поколений гидрологов и климатологов о единственности и глобальной устойчивости уровня тяготения Каспийского моря означало, что его "аттрактор" (предполагается, что колебания уровня моря есть колебания некоторой динамической системы) устроен очень просто. Так ли это на самом деле или его "аттрактор" более сложен - фундаментальный вопрос гидрологии Каспийского моря. Отметим, что увлекательный поиск всевозможных корреляций уровня с климатическими процессами (например, с процессами тепловлагообмена в Северной Атлантике или Тихом океане) или даже с колебаниями солнечной активности без ясного понимания физики этих связей вряд ли может привести к успеху.

КАК ИСПАРЯЕТ ВОДУ СЕВЕРНЫЙ КАСПИЙ

Если проследить за дисперсией колебаний уровня вблизи квазиравновесного состояния, то обнаруживается, что за 1830-1930 гг. эта величина составляла 0,1 кв. м (в это время море находилось на отметке -25,8 м абсолютной высоты). Затем за 40 лет дисперсия колебаний вдруг выросла на порядок (1,3 кв. м). Столь резких изменений водности Прикаспийского региона не наблюдалось. (Правда, сток Волги в 1930-1939 гг. был ниже нормы, но потом начал восстанавливаться.) Уровень моря, несмотря на это, продолжал падать и обнаруживал явную тенденцию к стабилизации на нижней отметке - 28 м.

В период 1890-1932 гг. средний годовой приток речных вод в море равнялся 301 куб. км/год, потери стока, обусловленные хозяйственной деятельностью, - 10 куб. км/год, в период 1941-1969 гг. эти "статьи" соответственно составили 287 и 20-30 куб. км/год, то есть водность впадающих в Каспий рек практически не изменилась.

Какой же физический механизм удерживал море у нижней отметки? Исследователи из Института водных проблем подсчитали, что слой испарения на высокой отметке стояния составлял 722 мм/год, а на низкой - 774, то есть низкий уровень моря поддерживался повышенным испарением с его акватории. Поскольку внешняя климатическая ситуация, которая должна была сказаться на водности рек и испарении Южного Каспия, осталась прежней, то скорее всего повышенное испарение определялось самим морем. Резко уменьшились глубины Северного Каспия. Хорошо прогреваемые мелководные участки моря отдавали в атмосферу огромное количество влаги. Зависимость слоя испарения от глубины, известная всем исследователям Каспия, обычно не учитывается в теориях колебаний уровня моря.

Таким образом, уровень моря в 1830-1930 гг. изменялся незначительно, море находилось вблизи отметки 26 м, затем за 10 лет (1930-1939 гг.) уровень резко упал на 1,75 м. После этого около 40 лет наблюдались лишь небольшие его изменения, которые сменились катастрофическим подъемом в 1978 году.

Именно так ведут нелинейные динамические системы триггерного типа, имеющие несколько устойчивых и неустойчивых состояний равновесия, причем переход из одного в другое происходит под влиянием внешних шумов. В рассматриваемой природной системе шум - случайные флуктуации речного стока, осадков, температуры моря, температуры и влажности воздуха, скорости ветра. Поэтому естественно предположить, что в системе "море-атмосфера-суша" проявляется неизвестная природная неустойчивость, заставляющая море менять свой уровень. Эта неустойчивость является внутренним нелинейным свойством моря и его бассейна и жестко не связана с внешней средой.

Что же это за неустойчивость и каков физический механизм ее действия?

С физической точки зрения море представляет собой тело с обширной поверхностью, через которую происходит обмен импульсом, теплом и влагой с атмосферой. Нагрев моря и его огромного бассейна (3,5 млн. кв. км) Солнцем можно интерпретировать как нагрев периодическим тепловым источником (тепловыми волнами). Море объемом 78 тыс. куб. км имеет поверхность 400 тыс. кв. км в Северном Каспии, занимающем треть площади моря. Средняя глубина очень мала (4-6 м), велик процент участков с глубиной менее одного метра и даже меньше, следовательно, можно считать, что на значительной части акватории глубина проникновения тепловых волн превосходит глубину моря.

На мелководьях прогрев воды осуществляется не только сверху за счет процессов теплообмена с атмосферой, но также и снизу, со стороны дна, которое из-за малой температуропроводности и сравнительно малой теплоемкости быстро прогревается. В ночные часы дно передает накопленное за день тепло слою воды, расположенному над ним, и возникает своеобразный парниковый эффект.

Уровень и объем моря определяются его водным балансом. Каспий - крупнейший бессточный водоем планеты, поэтому вода в нем в основном расходуется на испарение, которое достигает гигантских величин (330-400 куб. км/год). Уровень моря поддерживается притоком речных вод (Волги, Урала, Терека, Сулака, Самура, Куры, малых кавказских рек и рек Иранского побережья) и осадками. Приток подземных вод невелик.

В стационарном состоянии в соответствии с законом сохранения вещества эти компоненты водного баланса уравновешивают друг друга. Однако физические системы такого типа, находящиеся вдали от термодинамического равновесия (у Каспийского моря это вызвано непрерывными потоками тепла и влаги), могут стать неустойчивыми.

Главную роль в образовании неустойчивости водного баланса Каспия играет испарение с мелководий, занимающих треть площади моря. Его среднегодовое значение определяется как произведение среднегодового слоя испарения, характеризующего удельную скорость испарения, на площадь поверхности моря. Зависимость площади поверхности моря от уровня - основная морфометрическая характеристика моря, поскольку оно как бы налито в гигантскую чашу, площадь поперечного сечения которой является возрастающей функцией уровня. Такое устройство котловины Каспия служит стабилизирующим фактором, регулирующим его уровень.

По современным теплофизическим представлениям, у свободной поверхности воды образуется очень тонкий слой паровоздушной смеси, в котором концентрация водяных паров (влагосодержание), полностью определяемая температурой поверхности, экспоненциально увеличивается с ростом температуры. Хорошо известно, что рост температуры сильно ускоряет процесс испарения. Именно эта величина в значительной степени определяет поток влаги с поверхности водоема, и температура поверхности выступает как фундаментальный параметр, связывающий процессы тепловлагообмена моря с атмосферой и сушей.

Внутригодовой ход температуры поверхности моря можно представить в виде суммы среднегодовой температуры поверхности и отклонения от этой величины, которое характеризуется амплитудой. Ввиду нелинейной зависимости влагосодержания от температуры среднегодовая величина слоя испарения оказывается не только функцией среднегодовой температуры поверхности, но и амплитуды температурных колебаний. Расчеты показывают, что скорость испарения - сильно возрастающая нелинейная функция этой амплитуды.

Внутригодовой ход температуры мелководных участков моря сильно зависит от его глубины в этих местах. Действительно эти участки ввиду их малой теплоемкости прогреваются быстрее, максимальная температура здесь выше и достигается раньше, чем в более глубоких. Зато при охлаждении моря осенью минимальная температура здесь ниже. Амплитуда температурных колебаний (разность между максимальной и минимальной температурами водной поверхности) - убывающая функция глубины моря (по крайней мере для небольших глубин). Эта зависимость способна генерировать тепловую неустойчивость: уменьшение глубины водоема способствует росту его прогрева в летнее время, увеличению испарения и дальнейшему прогрессирующему уменьшению глубины. Таким образом, можно предположить, что испарение с акватории Северного Каспия зависит от толщины слоя прогреваемой воды и, следовательно, от уровня моря.

Оказалось, что существует еще один тепловой механизм неустойчивости испарения, но уже с поверхности бассейна Волги, чрезвычайно важный для понимания динамики колебаний уровня Каспийского моря. Уменьшение континентальности климата (разности летних и зимних температур) ведет к пониженному испарению с поверхности суши из-за низких летних температур. Но уменьшение испарения увеличивает влагозапас, что еще больше понижает летние температуры и т.д.

Такая положительная обратная связь приводит к тепловой неустойчивости испарения. Физически это означает, что при определенном запасе влаги речной бассейн может прогрессирующе накапливать воду при неизменном количестве осадков. Проведенные теоретические исследования позволили выдвинуть следующую гипотезу. В достаточно широком диапазоне испарение может уменьшаться с ростом влагозапаса, так как значительная часть солнечного тепла будет уходить не только на испарение, но и на нагрев увеличивающегося объема воды.

Многочисленные экспериментальные исследования зависимости испаряемости (потенциального испарения) от степени увлажненности территории подтверждают эту гипотезу. Например, наблюдения показывают, что испарение с поверхности насыщенной влагой суши на 50% больше, чем с поверхности рядом расположенного мелкого водоема (хотя на первый взгляд должно быть наоборот).

МЕХАНИЗМ КАСПИЙСКОЙ "СИНУСОИДЫ"

Анализ водного баланса моря и его бассейна, выполненный с учетом зависимости испарения (как с акватории моря, так и с поверхности бассейна) от увлажненности, привел к неожиданному результату. Оказалось, что одной и той же среднемноголетней величине осадков, выпадающих на поверхность моря и его бассейна, соответствуют три уровня моря. Годовой водный баланс бассейна Волги составляет: осадки - 0,642 м, испарение - 0,466 м, сток - 0,176 м; бассейна Урала - 0,450 м, 0,300 м, 0,150 м соответственно. Годовой сток рек в Каспий является разностью больших величин (осадков и испарения), поэтому его величина чрезвычайно чувствительна к небольшим изменениям испарения.

Низкий уровень моря (-28,22 м) соответствует большому расходу выпавших осадков на испарение, так как малый объем вод Северного Каспия (400 куб. км) способствует сильному весенне-летнему нагреву и повышенному испарению воды. То же самое происходит и с влагозапасами водосборного бассейна.

Высокий уровень моря (-25,56 м) соответствует малому расходу выпавших осадков на испарение; воды Северного Каспия (объем вод на этой отметке равен 660 куб. км) труднее прогреть, температура ниже и, следовательно, меньше испарение. По этой же причине меньше испарение и с водосборного бассейна.

Средний уровень моря (-26,90 м) соответствует промежуточному состоянию и неустойчив.

Анализ динамики колебаний уровня моря показал, что под воздействием сильных и случайных колебаний осадков возникают случайные переходы от низкого уровня моря к высокому и обратно, причем устойчивые уровни реализуются гораздо чаще, чем неустойчивый уровень.

Соответствует ли эта динамика данным натурных наблюдений? Оказалось, что соответствует. Например, величина осадков, выпавших в период резкого падения уровня моря (1931-1940 гг.), была меньше нормы на 14,9 %, температура воздуха в теплый период (с апреля по октябрь) была выше на 0,5°С, а температура в холодный - на 0,3°С ниже нормы. Причина этого явления с точки зрения теплофизического механизма совершенно ясна. Весной и летом бассейн моря содержал мало воды и, следовательно, зимой охлаждался сильнее, чем обычно.

Современный подъем уровня характеризуется избыточным количеством осадков в теплый период и повышенными зимними температурами в бассейне моря, а также малыми величинами испарения, что привело к резкому увеличению притока речных вод в море. Уменьшается испарение и с акватории Северного Каспия.

Таким образом, для Каспийского моря характерна не только внешняя непредсказуемость, создаваемая климатическими изменениями, но и внутренняя, обусловленная неустойчивой нелинейной динамикой водного баланса. Бистабильность уровня Каспия приводит к практически непредсказуемому его поведению и опрокидывает прогнозы, выполненные на основе линейных тривиальных моделей водного баланса.

Характерным признаком бистабильной системы является бимодальность (наличие двух пиков) гистограммы ее динамической переменной, в нашем случае - уровня моря. При этом наиболее вероятные моды соответствуют устойчивым уровням моря 1 и 3, а наименее вероятная мода - неустойчивому уровню.

Очень важно, что резкие переходы моря от одного режима к другому могут происходить и в условиях стационарности климата бассейна. Это означает, что подъемы и падения уровня моря находят объяснение и без привлечения гипотезы о глобальном потеплении планеты.

Предложенный нелинейный механизм колебаний уровня Каспийского моря позволяет по-новому оценить гипотезу С.Н. Муравьева о стремительной трансгрессии моря, во время которой, на рубеже IV и III вв. до н. э. уровень его зеркала достиг небывалой отметки +10/+20 м абс. Возникает исключительно важный вопрос: возможно ли такое повышение уровня при достаточно малом изменении современного климата Земли? Оказывается, возможно: небольшое (до 10%) увеличение среднегодовой нормы осадков в бассейне моря вызывает уменьшение испарения (до 10%) и увеличивает речной сток, что, в свою очередь, способствует подъему уровню вод в море и уменьшению испарения (до 10%) с мелководий Северного Каспия. Здесь главным является то обстоятельство, что происходит кооперативное (синергетическое) действие указанных механизмов. Увеличение площади моря может достигнуть 30%, причем основное приращение площади моря произойдет за счет затопления Астрахани и Калмыкии. Конечно, подобные опасения могут быть и напрасными, однако вероятность такого события ненулевая.

Вячеслав Иосифович Найденов - доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией поверхностных вод Института водных проблем Российской Академии наук
Читайте также:



 
©  Фонд "Русская Цивилизация", 2004 | Контакты