Новости

28 октября, 2022 12:34

Александр Осадчиев: о речных плюмах, важности исследования рек и научных открытиях

Мировой океан — удивительная и притягательная среда, которую человечество изучает на протяжении сотен лет. Ученые исследуют различные аспекты взаимодействия океана и суши. Ключевым связующим звеном здесь выступают реки. С речными стоками в море поступают растворенные и взвешенные вещества материкового происхождения, в том числе продукты антропогенного загрязнения, негативно влияющие на экосистемы. Узнав глубже процессы распространения речного стока в прибрежной зоне, можно минимизировать ущерб, наносимый человеком природе. Одним из основных центров изучения распространения речного стока в море в России является Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН. Группа ученых из этого института на протяжении многих лет исследует речные плюмы Черного моря, успешно применяя в своей работе современные технологии. Об этих исследованиях рассказывает Александр Осадчиев, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института океанологии.
Александр Осадчиев. Источник: пресс-служба РНФ
— Александр, для чего океанологу изучать реки? 

— Океанолог в своей работе ориентируется прежде всего на море. Однако у моря есть границы, где происходят зачастую более сложные и интересные явления, нежели в толще вод. Поэтому люди уже давно исследуют морское дно, процессы на границе океана и атмосферы. Также ученые изучают берега и приустьевые зоны — места, где реки впадают в море и перемешиваются с соленой водой. В этой зоне происходит активное взаимодействие между речной и морской водой — очень интенсивный и интересный процесс. В результате смешения на поверхности моря образуется тонкий опресненный слой воды — речной плюм. 

Исследовать речные стоки в море и речные плюмы важно, поскольку это транзитная зона огромного потока вещества с суши в Мировой океан. Помимо частиц почвы реки переносят большое количество бытовых и промышленных загрязнений — нефтепродуктов, пестицидов, тяжелых металлов, пластикового мусора. Поняв динамику речных плюмов, можно понять закономерности распространения загрязнений в море. Кроме того, материковый сток влияет на гидрофизическую структуру и динамические процессы в прибрежных водах, поэтому исследования речных плюмов важны для понимания многих физических, биологических и геохимических процессов в приустьевых и прибрежных зонах моря.

— Как переводится термин «плюм»? 

— Слово произошло от французского plume — «перо». В русском языке понятие «речной плюм» ввел в обиход член-корреспондент РАН Петр Олегович Завьялов. Вообще слово плюм давно и широко используется в науках о Земле. Так называют поток жидкости или газа, распространяющийся через жидкость или газ, имеющий другую плотность. Наверняка многие видели, как из промышленных труб поднимается дым — это газовый плюм, в геологии широко используется термин «мантийный плюм». Океанологи стали использовать такой же термин по аналогии. Правда, не всем это понравилось. До сих пор я периодически слышу от коллег: «Почему вы нашу приустьевую зону смешения называете речным плюмом?» или «Это не плюм, а вынос/факел/шлейф/линза» и так далее. Впрочем, в последнее время возражений все меньше: видимо, люди уже привыкли к тому, что объект носит такое название. 

— Как давно ученые занимаются речными плюмами?

— Еще пещерные люди могли наблюдать, как речная вода перемешивается с морской и образуются речные плюмы. Но наука обратила внимание на плюм как на отдельную структуру не так давно: первые специализированные статьи вышли в 1970-е годы, а активное изучение плюмов началось только на рубеже 1990–2000-х годов. В этот период большое количество исследований было посвящено плюму реки Колумбия на тихоокеанском побережье США, по итогам было написано много фундаментальных работ. Сегодня много внимания ученые уделяют плюмам крупных рек — Амазонки, Миссисипи, Янцзы, Хуанхэ. Если говорить про Россию, то это крупнейшие сибирские реки Лена, Обь и Енисей, которые формируют очень большие по площади речные плюмы. Наиболее же полно среди наших речных плюмов изучен плюм Мзымты в районе Сочи — здесь мы проработали более десяти лет. 

Мне нравится, что тематика плюмов не привязана к конкретному региону. Рек в мире огромное количество. Большие и маленькие, они могут быть легкодоступными — как на побережье Черного моря, так и очень отдаленными — как в Арктике. Поэтому можно организовать несколько человек сроком на неделю для экспедиции на маленьком плюме, а можно собрать 50 человек и за месяц измерить большой плюм в Арктике. И то, и другое при правильном подходе даст хороший научный результат и публикации, и станет вкладом в копилку научных знаний. Я начал изучать речные плюмы в 2009 году, когда пришел в Институт океанологии. Тогда эта тема в России была малоисследованной. Сегодня наша команда — основная группа ученых в стране и одна из основных в мире, которая занимается речными плюмами.

— С чего вы начинали?

— Мой первый речной плюм был плюмом реки Мзымта, которая впадает в Черном море в Адлере — самом южном районе города Сочи. В тот период Россия получила право проводить зимнюю Олимпиаду, и вскоре в этих местах началась большая стройка. Мзымта протекает мимо всех ключевых объектов Игр — от горнолыжных трасс на Красной Поляне в верховьях Мзымты, мимо аэропорта Сочи и к стадионам на берегу Черного моря. 

Я проводил измерения на Мзымте каждый год, иногда по нескольку раз, и видел, как месяц за месяцем меняется прибрежный район города, строятся стадионы и новые дома, возводятся очистные сооружения на реке. Параллельно рос и мой научный уровень, получались хорошие результаты — после нескольких лет работ на плюме Мзымты я защитил кандидатскую диссертацию. Потом появилась идея расширить исследования на все черноморское побережье России. Из этого и родился проект, выполняемый при поддержке РНФ. 

Плюм Мзымты еще в 2011 году натолкнул меня на идею одной очень интересной работы, которую спустя десять лет мы выполнили в рамках проекта РНФ. Приустьевую зону Мзымты хорошо видно из самолета, идущего на посадку в аэропорт Сочи. Река несет с собой частицы земли, поэтому вода в ней коричневая. Это мутное пятно отчетливо выделяется на фоне прозрачной морской воды. Во время полетов в Сочи я всегда старался сесть к иллюминатору, чтобы посмотреть на плюм сверху. Много раз я думал о том, как хорошо с высоты видно все детали плюма — но, к сожалению, очень недолго. С берега или с палубы небольшого научного судна плюм можно наблюдать продолжительное время, но под таким углом общая картина почти не видна.

Большая сложность интерпретации измерений, выполняемых с судна, заключается в том, что плюм постоянно находится в движении под воздействием ветра. Начинаешь измерения утром, заканчиваешь вечером, а за это время плюм успевает несколько раз изменить свое положение, форму и размер. Глядя на полученные данные, ты не понимаешь — что произошло, то есть картина не складывается. Думая о том, как бы мне понаблюдать за плюмом сверху подольше, я пришел к идее использовать квадрокоптер. Вернее, сначала была мысль «повесить» камеру над плюмом с помощью воздушного змея или небольшого аэростата, но позже пришел к выводу, что это по многим причинам неудобно. В итоге идею удалось реализовать с помощью квадрокоптеров, что стало большим подспорьем и серьезным толчком в исследовательской работе. 

— Александр, к квадрокоптерам мы еще вернемся. Расскажите, пожалуйста, подробнее о вашем проекте. 

— Наше исследование, поддержанное грантом Российского научного фонда, было призвано изучить, как материковый сток влияет на прибрежные процессы и качество вод Черного моря. Хочу уточнить, что мы изучаем именно российский сектор, то есть северо-восточную часть побережья. Черное море очень важно для страны: здесь живет много людей, находятся большие курорты, ведется активная рекреационная и хозяйственная деятельность. 

В акваторию моря впадает много десятков рек с территории России. Еще один важный компонент — сток Дона и Кубани, который через Азовское море и Керченский пролив уже в значительно перемешанном и трансформированном состоянии поступает в российский сектор. Перед нами стояло множество вопросов, на которые следовало дать ответы: как формируется речной плюм, как он перемешивается, как происходит перенос терригенной взвеси и загрязнений из плюма в море, что происходит во время половодья и дождевых паводков. За пять лет группа института проделала большую работу по разным направлениям, и в итоге нам удалось существенно улучшить понимание того, что происходит с речным стоком на нашем черноморском побережье. 

— Результаты имеют прикладное значение, или это скорее вклад в фундаментальную науку? 

— В первую очередь, в ходе проекта были получены важные фундаментальные результаты — фактически нам удалось классифицировать и описать процессы, которые происходят в малых речных плюмах. До недавнего времени они были плохо изучены, поскольку исследователи, как правило, занимаются большими реками. Да, отдельно взятый малый речной плюм не влияет на региональные процессы, область его непосредственного воздействия невелика. Однако суммарный сток большого количества малых рек уже существенно воздействует на море во многих прибрежных регионах, в частности, в российском секторе Черного моря.

Исследуя приустьевые зоны в северо-западной части моря, мы получили принципиальное представление о том, как формируется малый речной плюм, как он распространяется, как реагирует на ветер и колебания речного стока. Мы обнаружили не описанные ранее механизмы перемешивания вод плюма и моря. Аналогично мы исследовали распространение опресненных вод из Азовского моря в Черное море через Керченский пролив. Полученные данные дадут возможность прогнозировать распространение загрязнений, описывать гидрометеорологическую обстановку в регионе во время половодья или межени. Например, мы можем моделировать специфические вещи — рассчитать, как быстро загрязнение из реки Дон попадет в Черное море. Таким образом, фундаментальные знания могут стать хорошим практическим инструментом для предотвращения и ликвидации последствий антропогенных загрязнения.   

— Этот инструмент востребован?

— К сожалению, пока прямая связь с региональными специалистами не выстроена. Надеюсь, в будущем такое взаимодействие будет налажено. Дело ученых — изучать и создавать публикации, обнародовать свои результаты. Впрочем, наша сфера небольшая, здесь все друг друга знают, так что очень надеюсь, что рано или поздно наши результаты и инструменты найдут своего адресата. Есть попытки, в том числе со стороны РНФ, преодолеть этот разрыв между теорией и практикой. Мы тоже готовы двигаться в нужном направлении, в частности, популяризируя достижения науки. 

— В таком случае предлагаю красочно рассказать о том, как вы использовали квадрокоптер для изучения плюмов. Помните день, когда впервые провели съемку? 

— Конечно! Это было 1 сентября 2018 года. Мы работали на плюме реки Кодор в Абхазии. В этот день случился переворот в нашем понимании того, как ведет себя речной плюм. За два дня аэрофотосъемки мы увидели столько новых эффектов! Потом фактически ушло несколько лет, чтобы эти процессы полноценно изучить и описать в следующих экспедициях. Сначала мы разглядывали разные области плюмов по 15–20 минут, пока позволял заряд аккумулятора, но вскоре нам захотелось смотреть на плюм непрерывно несколько часов подряд — чтобы увидеть его общую динамику. 

Все исследователи плюмов знают, что ветер — это ключевой фактор, определяющий движение поверхностного слоя. Подует западный ветер — и пресная вода распространяется в этом направлении, подует с востока — плюм тут же перестраивается. Написаны десятки и сотни работ, аналитически или численно моделирующих этот процесс. Тем не менее, ученые все равно не могли измерить процесс и фактически не знали, как именно он происходит в природе, в реальности. Все дело в том, что до недавнего времени не было доступных методов для измерения скорости движения плюма как единой водной массы. Точечные и разрозненные измерения солености или скорости течения в поверхностном слое не дают необходимого объема информации — на плюм надо смотреть целиком. Особенно это касается маленьких плюмов, которые могут смещаться на глазах, со скоростью десятков сантиметров в секунду. Как я говорил выше, с борта судна мы не могли видеть этого процесса. Да, в нашем распоряжении есть спутниковые снимки, где все детально видно, но эти изображения «разовые», поскольку спутник постоянно движется и фотографирует наш регион в лучшем случае раз в день. 

Осенью 2021 года мы придумали и реализовали следующую идею: с помощью квадрокоптеров в течение нескольких дней, с рассвета до заката, мы проводили непрерывную аэрофотосъемку плюма абхазской реки Бзыбь. Квадрокоптер поднимался на заданную высоту с фиксированной точки и снимал плюм целиком. Когда у дрона садился заряд, мы его опускали, меняли аккумуляторы и снова запускали аппарат с той же точки, то есть ракурс оставался неизменным. Наблюдения шли три дня. Одновременно мы измеряли ветер, соленость воды и скорость течения в плюме и море для верификации данных аэрофотосъемки.

В результате группа получила 12-часовые непрерывные записи движения плюма и стала первой, кто непосредственно измерил отклик плюма на ветровое воздействие. Нам удалось восстановить скорость движения внешней границы плюма с высоким пространственным разрешением — единицы метров, и с точностью до минуты. Выяснилось, что внешняя граница плюма движется примерно в 20 раз медленнее, чем дует ветер, а реагирует на его изменение очень оперативно, в течение 10–20 минут. До этого момента десятки лет ученые численно моделировали поведение плюмов, мы же смогли наблюдать и измерить процессы, которые раньше никто не видел. Это здорово. 

— Данные моделирования и натурных измерений совпали?

— К численным моделям есть много вопросов. Безусловно, общие процессы они воспроизводят правильно, но движение плюма под воздействием ветра описывают неточно. Сложность в том, что модели надо все время верифицировать, а для этого использовать большой массив натурных данных. То есть должна быть связка между теми, кто создает модели, и теми, кто занимается натурными измерениями. К сожалению, такое взаимодействие налажено не везде. Мы же в своих проектах и в своей научной группе стараемся эту связь поддерживать и развивать. 

В работе мы используем как готовые численные модели, так и создаем свои. Полноценные численные модели, которые воспроизводят общую циркуляцию океанов и морей, создают большие научные группы в течение многих лет. Ими пользуется весь мир, и наша группа — не исключение. Не претендуя на всеохватность, мы пошли по следующему пути: моделируем конкретный процесс, изученный в экспедициях, а затем встраиваем свой элемент в общую модель, и это дает хороший эффект. 

— Что несут десятки рек в Черное море? Можно ли в нем купаться без опаски за здоровье? 

— С речными стоками в море попадает различный плавучий мусор, а также взвешенные и растворенные вещества, которые могут быть источниками загрязнений. В целом состав загрязнений зависит от того, что происходит на водосборе. Если это домохозяйства — то видим бытовое загрязнение, если на водосборе реки стоит промышленное предприятие — получаем более широкий спектр веществ. И хотя Черное море в российском секторе испытывает серьезное антропогенное воздействие, в основном это бытовое загрязнение. За тринадцать лет работы мы не сталкивались с чем-то критичным. Так что воды у нашего побережья относительно чистые, и я спокойно купаюсь во время экспедиций. Единственное — не стоит плавать около мест впадения рек в море, все-таки вода в плюмах холодная и мутная. К слову, в приустьевых зонах плюмов из-за смешения пресной и соленой воды ходят косяки рыб, так что нашими постоянными спутниками в экспедициях становятся дельфины. Во время аэрофотосъемки отлично видно, как они охотятся, подныривают под плюм, играют. Смотрится красиво!  

— А как реагируют курортники на ученых с оборудованием?

— Отдыхающим интересно, чем мы занимаемся. Подходят, расспрашивают. В целом видно, что у людей уважительное отношение к науке. 

— Ваш проект завершается в 2022 году. Что он вам дал? 

— В ходе многолетней совместной работы у нас сложилась полноценная команда, в которую вошли десять человек. В группе у каждого свои обязанности: один моделирует, другой отвечает за натурные измерения, третий анализирует спутниковые наблюдения. В основном мы занимаемся гидрофизикой, но мы также проделали важные работы по гидрохимии, была даже попытка выполнить гидробиологические исследования. Такой плодотворный синтез обернулся отличными достижениями: мы заняли определенную нишу в мировой науке, получили значимые результаты, выпустили множество статьей, нас цитируют. В частности, за эти пять лет по количеству публикаций мы перекрыли нормативы РНФ в полтора раза. Проект сделан на славу. 

Большую поддержку нашему проекту оказал Российский научный фонд. Благодаря гранту мы стабильно и уверенно работали все пять лет: закупали оборудование, платили зарплату и снаряжали экспедиции. РНФ способствует тому, что молодые ученые остаются в науке. Мне нравится, как здесь выстроена политика рецензирования проектов, организован процесс подачи заявок и отчетов. Российский научный фонд вбирает лучшие мировые практики, и это очень здорово. Когда листаешь на сайте список проектов победителей очередного конкурса — а в основных конкурсах их сотни в самых разных областях, — то испытываешь гордость от того, что достижения отечественной науки такие разнообразные. Ученые не стоят на месте, и РНФ поддерживает это движение вперед. 

— Александр, проект завершен — что дальше? Продолжите изучать Черное море или отправитесь в другой регион?

— Мне очень нравится работать на Черном море, но в последние годы я также стал очень активно работать в Арктике. У черноморских и арктических плюмов есть общие черты, но есть и региональная специфика: в Арктике совсем другая конфигурация процессов и явлений. Я уже лет пять занимаюсь исследованиями плюмов Оби, Енисея, Лены, Хатанги, Колымы, Индигирки — мощных сибирских рек с огромными эстуариями и дельтами. Северные речные плюмы мало изучены из-за короткого сезона навигации и, соответственно, экспедиционных измерений. До сих пор непонятны принципиальные моменты их структуры и циркуляции, многие вопросы остаются открытыми. Как и в случае с малыми речными плюмами, в Арктике есть большой разрыв между численным моделированием больших зон опреснения и натурными измерениями.

В заключение хочу сказать, что в великом многообразии речных плюмов и заключается их главная прелесть. В этой сфере до сих пор есть много неизученного. Конечно, наши открытия смотрятся мелковато по сравнению с открытиями эпохи Великих географических открытий. Тем не менее, ощущение первооткрывателя возникает всякий раз, когда удается увидеть новые процессы, описать их и объяснить. Этим и хороша наука. 

Теги
Интервью
26 октября, 2022
Ирина Исакова-Сивак: об универсальных вакцинах, коронавирусе и работе ученого
Коронавирус SARS-CoV-2 с 2020 года унес более шести миллионов человеческих жизней. Для борьбы с ним ...
14 сентября, 2022
Фантастические гады и как их изучают. «Разговор за жизнь» с зоологом Еленой Темеревой
Сухие, мокрые и полевые — на такие три типа биологи разделяют сами себя. Первые занимаются вычислени...