КОВАРНОЕ ДИТЯ ТРЕХ СТИХИЙ
Доктор географических наук Д. ФАЩУК.
Одно из разрушительных природных явлений, сопровождающееся многочисленными человеческими жертвами и колоссальными материальны ми потерями, - Эль-Ниньо. В переводе с испанского Эль-Ниньо означает "младенец мальчик", а названо оно так потому, что нередко приходится на Рождество. Этот "младенец" приносит с собой подлинное бедствие: у побережий Эквадора и Перу резко, на 7-12оС, повышается температура воды, исчезает рыба и гибнут птицы, начинаются затяжные проливные дожди. Легенды о таких явлениях сохранились у индейцев местных племен еще с тех времен, когда эти земли не были завоеваны испанцами, а перуанские археологи установили, что в глубокой древности местные жители, защищаясь от катастрофических ливневых дождей, строили дома не с плоскими, как сейчас, а с двускатными крышами.
Хотя обычно к Эль-Ниньо относят лишь океанические эффекты, на самом деле это явление тесно связано с метеорологическими процессами, которые называются "Южное колебание" и представляют собой, образно говоря, атмосферные "качели" размером с океан. Кроме того, современным исследователям природы Земли удалось выявить еще и геофизическую составляющую этого удивительного феномена: оказывается, механические и термические колебания атмосферы и океана объединенными усилиями раскачивают нашу планету, что также отражается на интенсивности и периодичности экологических катастроф.
ОКЕАНСКИЕ ВОДЫ ТЕКУТ И…
ИНОГДА ОСТАНАВЛИВАЮТСЯ
В южной тропической части Тихого океана в нормальные годы (при среднеклиматических условиях) располагается громадный круговорот с движением вод против часовой стрелки. Восточную часть круговорота представляет холодное Перуанское течение, направляющееся вдоль побережий Эквадора и Перу на север. В районе Галапагосских островов под воздействием пассатных ветров оно поворачивает на запад, переходя в Южное экваториальное течение, которое несет относительно холодные воды в этом направлении вдоль экватора. На всем протяжении границы его контакта в районе экватора с теплым межпассатным противотечением образуется экваториальный фронт, препятствующий поступлению теплых вод противотечения к побережью Латинской Америки.
Благодаря такой системе циркуляции вод вдоль побережья Перу, в зоне Перуанского течения, формируется огромная область подъема относительно холодных глубинных вод, хорошо удобренных минеральными соединениями, - Перуанский апвеллинг. Естественно, он обеспечивает высокий уровень биологической продуктивности в этом районе. Такая картина получила название "Ла-Нинья" (в переводе с испанского "младенец девочка"). Эта "сестрица" Эль-Ниньо вполне безобидна.
В аномальные по климатическим условиям годы Ла-Нинья перевоплощается в Эль-Ниньо: холодное Перуанское течение, как это ни парадоксально, практически останавливается, "перекрывая" тем самым подъем глубинных холодных вод в зоне апвеллинга, и как следствие резко снижается продуктивность прибрежных вод. Температура поверхности океана во всем районе повышается до 21-23оС, а иногда и до 25-29°С. Контраст температур на границе Южного экваториального течения с теплым межпассатным или вообще исчезает - экваториальный фронт размывается, и теплые воды Экваториального противотечения беспрепятственно распространяются в сторону побережья Латинской Америки.
Интенсивность, масштабы и продолжительность Эль-Ниньо могут существенно меняться. Так, например, в 1982-1983 годах, в период самого интенсивного за 130-летний срок наблюдений Эль-Ниньо, это явление началось в сентябре 1982-го и продолжалось до августа 1983 года. При этом максимальные значения температуры поверхности океана в прибрежных городах Перу от Талары до Кальяо превысили среднемноголетние для ноября-июля на 8-10оС. В Таларе они достигали 29оС, а в Кальяо - 24оС. Даже в самых южных районах развития катастрофы (18 град. южной широты) аномалии прибрежных значений температуры поверхности океана составляли 6-7оС, а общая площадь Тихого океана, охваченная Эль-Ниньо, равнялась 13 млн км2.
Естественно, что при таких масштабах и интенсивности явления аномалии климатических параметров не только распространились на континентальную периферию Тихого океана, но и достигли также Северной Европы и Южной Африки. Аналогичная ситуация отмечалась и в период 1997-1998 годов. Более того, ученые полагают, что в далеком геологическом прошлом могли случаться супер-Эль-Ниньо, длившиеся по 200 лет, которые помимо кратковременных аномалий климата приводили к продолжительным периодам потепления.
Любопытно, что за последние 50 лет, как и в предыдущий полувековой период, в характере аномалий температуры поверхности океана в районе развития Эль-Ниньо выделен целый спектр циклов - от 2 до 7 лет, но все они оказались ненадежными для прогноза явления.
АТМОСФЕРНЫЕ "КАЧЕЛИ"
После знакомства с океаническими механизмами развития Эль-Ниньо логично поинтересоваться: какая же сила останавливает холодное Перуанское течение? Ответ на этот вопрос заставляет обратиться к одному из "дирижеров" жизни морской экосистемы - атмосферной циркуляции.
В 1924 году английский метеоролог Гилберт Уокер разработал и успешно применил на практике так называемый "метод мировой погоды", в основе которого заложен поиск "дальних связей" между изменениями гидрометеорологических элементов в различных районах земного шара. Исследуя природу муссонных ветров в Южной и Юго-Восточной Азии, Уокер проанализировал аномалии атмосферного давления в субтропической зоне Южного полушария и пришел к заключению, что муссоны являются частью глобальной циркуляции атмосферы, а не ее региональным элементом. Оказалось, что над Австралийско-Индонезийским районом Индийского океана и над акваторией южной части Тихого океана (район острова Таити) атмосферное давление, не без помощи индийского муссона, изменяется в противофазе. Центры действия этих гигантских "качелей" давления располагаются, таким образом, в Южном полушарии - поэтому и появилось название "Южное колебание".
Только через 40 лет, в 1966-1969 годах, норвежский метеоролог Якоб Бьеркнес связал Южное колебание с Эль-Ниньо. Ему удалось установить, что когда "качели" наклонены в сторону Австралии, Перуанский апвеллинг работает нормально, устойчивые пассаты гонят холодную воду мимо Галапагосских островов на запад (в сторону низкого давления) вдоль экватора. То есть наблюдается "холодная" фаза Южного колебания - Ла-Нинья, в период которой экологических катастроф на планете не происходит. При этом уровень Тихого океана в его западной части на полметра выше, чем в восточной: пассаты нагоняют на запад теплую воду.
В случае же, когда "качели" наклонены в сторону Таити, жди беды, происходит сбой в обычной системе циркуляции Тихого океана, пассаты ослабевают вплоть до смены направления на восточное (в сторону низкого давления), и теплая вода от побережья Новой Гвинеи устремляет ся на восток. Перуанское течение по этой причине "останавливается", и далее развивается вся цепочка событий, связанных с "теплой" фазой Южного колебания, - Эль-Ниньо. При этом разность уровней в восточной и западной частях океана меняет знак. Теперь он уже в восточной части на полметра выше, чем в западной.
Такой механизм взаимодействия атмосферы и океана в периоды Эль-Ниньо дал основание предположить, что в первую очередь этот феномен отражает реакцию океана на воздействие переменных пассатных ветров. Четко зарегистрированные приборами колебания уровня на восточной и западной перифериях Тихого океана при смене "теплой" и "холодной" фаз Эль-Ниньо представляют, по сути дела, те же самые "качели", но не в атмосфере, а в океане. Причина их раскачивания - пассатные ветры. После смены их традиционного направления или ослабления интенсивности накопившаяся в период Ла-Нинья у западного побережья океана теплая вода в виде так называемой внутренней волны Кельвина "откатывается" к берегам Перу и Эквадора и вносит свой вклад в подавление апвеллинга и повышение температуры поверхности океана.
После открытия Бьеркнесом связи явления Эль-Ниньо с Южным колебанием для оценки степени возмущения (аномальности состояния) глобальной атмосферной и океанической циркуляции ученые стали использовать индекс Эль-Ниньо/Южное колебание - SOI (Southern Oscillation Index). Он дает количественную характеристику Южного колебания и отражает разность давлений над островом Таити и городом Дарвин в Северной Австралии.
Исследователи попытались выявить закономерности изменения индекса SOI, что позволило бы прогнозировать время наступления экологических катастроф, но, к сожалению, за почти 130-летнюю историю наблюдений за давлением в центрах Южного колебания (так же как и в случае с аномалиями температуры поверхности океана) видимых устойчивых циклов в его изменениях обнаружено не было. Явление Эль-Ниньо повторяется с промежутком от 4 до 18 лет, наиболее часто отмечались 6-8-летние интервалы.
Такая неразбериха в циклах позволяет предположить, что, скорее всего, ученые учитывают не все факторы, участвующие в развитии этого явления. И совсем недавно предположение подтвердилось.
ПЛАНЕТА-ЮЛА РАСКАЧИВАЕТ ОКЕАН
Океанические и метеорологические процессы и причинно-следственные связи, ответственные за возникновение Эль-Ниньо, развиваются в водной среде и над поверхностью Земли, которая, как известно, вращается вокруг своей оси со скоростью 7,29.10-5 рад/с. Ось вращения наклонена к плоскости земной орбиты - эклиптике - под углом 66о33'.
Так как Земля сплюснута по оси и представляет собой эллипсоид вращения, то на ее экваторе наблюдается избыток массы. Силы притяжения Луны и Солнца, таким образом, оказываются приложены не к центру массы нашей планеты. В результате возникает момент сил, который заставляет Землю прецессировать, наклоняться вперед, одновременно вращаясь. Земная ось, оказывается, "качается" из стороны в сторону с периодом 26 тыс. лет и угловой амплитудой 27о27', описывая конус, точно юла при слабом заводе. Но это еще не все. Моменты сил притяжения, заставляющих Землю "качаться", зависят от ее положения по отношению к Луне и Солнцу, которое, естественно, постоянно меняется. В результате одновременно с прецессированием происходит нутация (колебание) оси вращения Земли. Она проявляется в короткопериодных колебаниях оси ("вибрациях") с периодом 428 суток и угловой амплитудой всего 18,4'. Все эти механизмы вызывают "биение" полюсов с периодом в 6 лет и максимальным отклонением от среднего положения лишь на 15 м.
Совместное воздействие описанного комплекса геофизических факторов выражается в развитии в атмосфере и Мировом океане лунно-солнечных нутационных колебаний. Они, в свою очередь, усиливают волны полюсных приливов, которые возникают в результате "биения" полюсов. Сумма этих геофизических вариаций, несомненно, влияет на развитие Эль-Ниньо.
ПРОЩАЙ, ГУАНО!
Самым дорогим национальным достоянием любого государства, безусловно, являются живущие в нем люди. Но если подойти к вопросу более прагматично, то под этим понятием чаще всего подразумевают природные ресурсы. В одной стране - залежи нефти и газа, в другой - месторождения золота и алмазов или других ценных минералов. В этом смысле государство Перу уникально: одним из самых значимых национальных богатств страны оказывается… гуано - птичий помет.
Дело в том, что на побережье государства находится самое большое в мире сообщество птиц (до 30 млн особей), интенсивно производящих лучшее из естественных удобрений, содержащее 9% соединений азота и 13% фосфора. Основными поставщиками этого богатства являются три вида птиц: перуанский баклан, пестрая олуша и пеликан. За многие века они произвели "сугробы" удобрений высотой до 50 м. Чтобы добиться такой производительности, птицам приходится съедать 2,5 млн тонн рыбы в год - 20-25% мирового улова анчоусовых рыб. Благо апвеллинг обеспечивает в этом районе скопление несметных запасов основной птичьей пищи - перуанского анчоуса. В годы Ла-Нинья его количество у берегов Перу так велико, что пищи хватает не только птицам, но и людям. До недавнего времени уловы рыбаков этой относительно небольшой страны достигали 12,5 млн тонн в год - в два раза больше, чем добывают все остальные страны Северной и Центральной Америки. Неудивительно, что доход рыбной промышленности Перу составляет одну треть валового внешнеторгового дохода страны.
Во время Эль-Ниньо апвеллинг разрушается, продуктивность прибрежных вод резко падает, происходит массовая гибель анчоусов от голода и резкого потепления воды. В итоге кормовая база птиц - скопления анчоусов - прекращает свое существование. Численность пернатых производителей удобрений в эти периоды сокращается в 5-6 раз, а уловы рыбаков становятся символическими.
РОКОВЫЕ ДАЛЬНИЕ СВЯЗИ
Среди огромного количества изречений, оставленных нам философами Древнего Рима и Греции, лучшим девизом экологических исследований может служить выражение "Praemonitus praemunitus" ("Предупрежденный вооружен"). Да, сегодня ученым есть о чем предупреждать миллионы жителей нашей планеты.
В период Эль-Ниньо 1982-1983 годов от наводнений, засух и других стихийных бедствий погибло свыше двух тысяч человек, а материальные убытки составили более 13 млрд долларов США. Люди оказались безоружными перед лицом стихии, так как не знали о грядущих катастрофах, хотя механизм их развития более чем прост.
Поле поверхностной температуры воды определяет расположение в воздухе над поверхностью океана областей конвекции, в которых происходит интенсивное облакообразование. Чем больше разность температур воды и атмосферы, тем активней протекает этот процесс. При явлении Ла-Нинья вдоль тихоокеанского побережья Латинской Америки контраст температур вода-воздух из-за развитого апвеллинга невелик. Облака здесь не образуются, и дожди редки, хотя по причине относительно низкой температуры воды в прибрежной зоне побережье Перу представляет собой страну холода и туманов. Песчаная полоса суши шириной 40 км (от океана до подножья Анд) и длиной 2375 км, несмотря на близость океана, остается засушливой голой пустыней, так как вся влага оседает на склонах гор. В это же время над Индонезией, Австралией и прилегающей к ним западной частью Тихого океана, находящими ся под влиянием теплых вод, идет процесс интенсивного облакообразования, определяющий дождливый, влажный климат.
При развитии явления Эль-Ниньо ситуация меняется. Разворот пассатных ветров в обратном направлении (на восток) приводит к смещению из западной части Тихого океана вдоль экватора в центральную и восточную его части (к побережью Америки) масс теплой воды и соответствен но области интенсивного облакообразования и обильных осадков. В результате в Австралийско -Индонезийском и даже Африканском регионах, где обычно стоит влажная дождливая погода, наступает засуха, а на западном побережье Южной и Северной Америки, обычно засушливом, начинаются проливные дожди, наводнения, оползни.
Кроме того, в период "теплой" фазы Южного колебания атмосфера получает огромное количество избыточного тепла, что отражается на режиме ветров и на погоде обширных пространств различных континентов. Так, в январе 1983 года во всем Западном полушарии по вине Эль-Ниньо на высоте 9000 м над уровнем моря положительная аномалия температуры воздуха составила 2-4оС. В ноябре этого же года погода на Северо-Американском континенте была на 10оС теплее нормы. Зимой 1983/84 года Охотское море практически не замерзало, а в Татарском проливе припай был только в северной, самой узкой части. В мае 1983 года в некоторых районах Перу выпало 20 годовых норм осадков.
Наконец, при продолжительном сохранении положительных аномалий температуры поверхностных вод в периоды Эль-Ниньо океан успевает выделить в атмосферу гигантские объемы углекислого газа, которые, несомненно, вносят свой вклад в парниковый эффект. Точных количественных оценок таких поставок СО2 из океана пока нет. Тем не менее, учитывая известные примеры превосходства мощности природных процессов над человеческими возможностями, трудно отказаться от предположения, что виновником парникового эффекта является не человек, сжигающий органическое топливо, а все то же Эль-Ниньо.
Несмотря на кажущуюся простоту механизмов экологических катастроф и природных явлений, связанных с Эль-Ниньо, предупредить мир о предстоящем бедствии ученые, к сожалению, пока не могут. Как и в случае с океаническими фронтами, крупномасштабными течениями и синоптическими вихревыми образованиями, обменивающимися энергией и поддерживающими таким образом друг друга, явление Эль-Ниньо оказывается самоподдерживающимся колебанием. Температурные аномалии воды в экваториальной части Тихого океана, например, влияют на интенсивность пассатных ветров, которые управляют океаническими течениями, формирующими, в свою очередь, аномалии температуры поверхности океана. В этом круговороте явлений до сих пор не ясно, какой же из перечисленных механизмов является стартовым. Что в цепочке событий, связанных с Эль-Ниньо, причина, а что - следствие?
Возможно, прояснить этот вопрос поможет гипотеза профессора Иллинойского университета (США) Пола Чандлера, который предположил, что процесс Эль-Ниньо инициируют вулканы. Действительно, мощные извержения охлаждают ту широтную зону, где они происходят, за счет выделения в атмосферу огромного количества сернистого ангидрида и вулканической пыли, преграждающих доступ солнечной радиации к земной поверхности. Таким образом, по мнению ученого, если вулкан заработал в высоких широтах, то он увеличит контраст температур между экватором и полюсом, что приведет к усилению пассатов и развитию Ла-Нинья. Если же мощное извержение произошло в экваториальной области, то температурный контраст, наоборот, будет меньшим. Пассаты ослабеют, и возникнет Эль-Ниньо. Такой механизм подтверждается статистическими расчетами: один из циклов Эль-Ниньо (3,8 года) практически совпадает с частотой низкоширотных тропических извержений (3,9 года).
Вулканическая деятельность зависит от солнечной активности, циклы которой изучены достаточно хорошо, и, в принципе, появляется возможность долгосрочного прогнозирования Эль-Ниньо. Однако математические сложности, возникающие при решении этой задачи, заставляют нас констатировать, что пока предсказание грядущих катастроф остается делом будущего.
ЛИТЕРАТУРА
Клименко В. В. Изменение глобального климата: естественные факторы и прогноз // Энергия, 1993, № 2. С. 11-16.
Николаев Г. Н. Союз океана и атмосферы правит климатом // Наука и жизнь, 1998, № 1. С. 27-33.
Остроумов Г. Н. Опасные подвижки климата // Наука и жизнь, 1997, № 11. С. 10-16.
Сидоренко Н. С. Межгодовые колебания системы атмосфера - океан - Земля // Природа, 1999, № 7. С. 26-34.
Фащук Д. Я. Мировой океан: история, география, природа // ИКЦ "Академкнига", 2002, 282 с.
Федоров К. Н. Этот капризный младенец - Эль-Ниньо! // Природа, 1984, № 8. С. 65-74.
СЛОВАРИК К СТАТЬЕ
Апвеллинг (англ. "uр" - верх, "well" - подъем воды) - тип прибрежной циркуляции океана, при которой под влиянием ветра и эффекта вращения Земли (сила Кориолиса) вдольбереговое течение отклоняется в сторону моря, вызывая отток теплых поверхностных вод и компенсационный подъем на их место с глубины холодных, богатых минеральными солями (удобрениями) водных масс. В Мировом океане существует пять устойчивых зон апвеллинга: Калифорийская, Перуанская (Тихий океан), Канарская, Бенгельская (Атлантика) и Сомалийская (Индийский океан). Апвеллинг может охватывать толщу вод от 40 до 360 м при скоростях вертикальных движений 1-2 м в сутки. В замкнутых водоемах прибрежный апвеллинг периодически развивается после ветров сгонных (от берега) направлений.
Конвекция (лат. "convectio" - доставка) - тип вертикальной циркуляции атмосферы и вод океана, развивающийся в результате стратификации (разности температуры по вертикали) воздушных и водных масс (подъем более теплых и опускание более холодных).
Пассаты (нем. "passat" - надежный, постоянный) - устойчивые по направлению ветры по обе стороны от экватора (между 30 град. северной и южной широты), имеющие, независимо от времени года, в Северном полушарии северо-восточное, а в Южном - юго-восточное направление.
Противотечение - течение, возникшее по гидродинамическим причинам на периферии основного струйного течения, обратное ему по направлению.
Термоклин - слой максимального перепада температуры по вертикали в океане.
Южное колебание - явление синхронного разнонаправленного изменения давления в Южном полушарии над акваториями Тихого (острова Таити) и Индийского (г. Дарвин, Австралия) океанов.
Читайте в любое время
