Море живет в модели

• Ветряк для опреснения
• Живые датчики
• Флот строит газопровод
• Реактивный движитель для модели
• Айсберг в мешке

ПРЕСНАЯ ВОДА ДЛЯ МОРЯ

Как помочь морю?.. Вопрос, согласитесь, звучит несколько странно. Мы хорошо знаем, что в трудную минуту можно помочь друг другу, что помощь находчивого рационализатора нужна заводу, что рабочие- умельцы помогают ученым создавать уникальные приборы… И все же именно на такой необычный вопрос предстояло ответить исследователям и инже- — мерам Северо-Кавказского научного центра, которые стали в 1983 году лауреатами Государственной премии СССР.

Речь пойдет об Азовском море. И вначале надо обрисовать очень непростую ситуацию, при которой и возник сам вопрос о помощи морю.

На голубом шаре глобуса его не сразу приметишь. Да и на карте нашей страны оно занимает немного места. По площади уступает Азовское море иным озерам, а глубину имеет и вовсе не морскую — в среднем всего лишь 8 м. Но все же среди всех морей мира оно носит почетный титул чемпиона — чемпиона по уловам рыбы. Каждый его гектар способен дать людям более 200 кг рыбы в год — почти в 70 раз больше, чем в соседнем Черном море!

Сейчас уловы становятся меньше. Почему? Причины предстояло выяснить со всей научной строгостью и детально изучить исследователям Северо-Кавказского научного центра. Одно только ясно было с самого начала: морю недостает воды. Причем пресной воды.

Пресную воду несут Азовскому морю Дон и Кубань. Вплоть до недавнего времени эти реки собирали в горах Кавказа, на просторах Ставрополья, Украины и Центральной России в среднем около 40 кубических километров воды в год. Примерно половина этой воды испарялась с поверхности Азовского моря, а оставшаяся часть, разумеется, уже перемешавшись с соленой азовской водой, вытекала через Керченский пролив в Черное. Конечно, пролив не река, и течение в нем то и дело меняет направление под действием ветра. Поэтому и соленые черноморские воды проникают в Азовское море, но тем меньше, чем выше разница между речным стоком и испарением. (Строго говоря, нужно еще принять в расчет осадки — дождь, снег, выпадающие на поверхность моря.) Соленость воды в Черном море — около 18 г/л (то есть каждый литр воды содержит18 г растворенных солей), а в Азовском, при нормальных условиях, от 11 до 5 г/л, при постепенном убывании с востока на запад, к устью Дона, несущего пресную воду.

Теперь науке точно известно, что именно такое распределение солености вместе с теплым солнцем, хорошо прогревающим неглубокую воду, с изобилием пищи, с отличными условиями для нереста, приносили Азовскому морю славу чемпиона по рыбным богатствам.

Но в последние годы положение изменилось. Соленость в нем возросла до 10—15 г/л, зона низкой солености «втиснулась» в Таганрогский залив. Для промысловых рыб настали тяжелые времена: судак, например, вообще не может выносить солености выше 11,5 г/л. Зато наступило раздолье для медуз, принесенных соленой черноморской водой и истребляющих планктон — кормовую базу рыбы. Уловы ценных пород рыбы снизились.

Почему же это произошло? Пресная вода нужна городам и селам,’ заводам и фабрикам. Очень нужна вода полям: устойчивые и богатые урожаи в этом районе обеспечивает орошение. Промышленности и сельскому хозяйству, городам и селам необходима еще и энергия. В 1952 году сорокаметровая плотина встала на пути донских вод. Образовалось крупнейшее Цимлянское водохранилище, давшее воду полям и турбинам ГЭС. Но с его поверхности каждый год испаряется почти 2 км3 воды. Весной чашу водохранилища заполняет буйная волна половодья, несущая до 70% годового стока Дона. Поэтому ниже плотины половодья почти не бывает, и рыбе труднее найти место для нереста. Энергетике нужны зимние попуски из Цимлянского водохранилища, чтобы полностью загрузить турбины, когда потребности в электроэнергии максимальны; судоходству — летние, чтобы поддержать глубины на фарватере мелеющего Дона; рыбному хозяйству — весенние, чтобы дать рыбе выметать икру…

Вот в какой непростой узел сплелись здесь интересы природы и различных отраслей хозяйства.

Как взяться за решение такой проблемы? Ясно, что помощь морю нужна. Но какая? И чем ответит оно на наши попытки

помочь ему? Сколько рыбы даст каждый кубический километр сбереженного речного стока, и каких пород, и как быстро? А что случится, если изъятие стока будет продолжено? Может быть, обитатели моря скоро приспособятся к новым условиям и расплодятся в прежнем изобилии? Эти вопросы требовали точного, конкретного ответа, подтвержденного фактами и расчетами.

Для ответа на них решено было построить математическую модель моря, а потом «расспросить» ее о возможном будущем с помощью электронно- вычислительной машины.

ЧТО УМЕЕТ МОДЕЛЬ

Модели бывают разные. Можно, например, склеить модель самолета из покупного набора пластмассовых деталей, а можно сложить ее из простого листка бумаги. Какая лучше? Первую с виду не отличишь от настоящей крылатой машины. Зато вторая будет летать. Выходит, сходство между моделью и образцом, настоящей машиной зависит от того, с какой целью эта модель сделана.

Но модели интересны не только юным техникам и спортсменам. Без опытов с моделями корабля, самолета, плотины, дома невозможна работа ученых и инженеров, создающих мир новой техники. Математические модели самых различных явлений тоже хорошо знакомы любому из вас, хоть вы об этом, быть может, и не догадываетесь.

Скажем, вы строите корабль и хотите заранее узнать, как велика будет его осадка в воде. Можно, конечно, построить маленький кораблик, повторяю-

щий формой большой (мы скажем: физическую модель), пустить его плавать и заметить положение ватерлинии. Но если знаешь закон Архимеда, можно поступить намного экономнее, проще: исходя из веса корабля, найти объем его подводной части, а по объему — глубину погружения. Результат, разумеется, будет тот же самый. Закон Архимеда, вместе с зависимостью объема подводной части от глубины, можно назвать математической моделью плавания корабля.

Математическая модель в отличие от физической повторяет образец не внешним видом или устройством, а основными принципами и законами, которые выражаются на языке математики. Как правило, чем сложней, многогранней явление, тем более сложная получается и модель. Знакомая вам простая формула H=Vot—gt2/ 2, выведенная из закона всемирного тяготения и второго закона Ньютона, представляет собой математическую модель движения тела, брошенного вертикально вверх в пустоте. Но если мы захотим учесть сопротивление воздуха, то будем вынуждены иметь дело уже с более сложным, дифференциальным уравнением.

Какие же законы управляют Азовским морем? Всей совокупностью животного и растительного мира, морской воды с растворенными в ней полезными и вредными веществами, донных отложений и многого другого, что ученые называют экосистемой, живущей как единое целое? Таких законов немало — недаром ведь речь идет обо всем море. Есть вполне понятные, но очень важные, как, например, уже упомянутое условие водного баланса — то есть равенства объемов воды, поступившей в море и покинувшей его. Оно определяет среднюю соленость моря. Есть очень сложные, как, например, закон движения воды под действием ветра. Есть и такие, что и законами-то не назовешь — скорее, это правила, установленные в результате наблюдений и опытов: как, скажем, зависит скорость размножения планктона от температуры воды и силы ветра, или сколько пищи нужно судаку, чтобы «поправиться» на 1 грамм.

Пять долгих лет потратили ученые — океанологи, гидробиологи, гидрохимики, ихтиологи и, конечно, математики — на то, чтобы свести воедино все накопленные за многие десятилетия сведения об экосистеме Азовского моря. Ведь для модели требовались данные о химическом составе воды и донных отложений в разное время года и в различных районах моря, о численности и даже возрасте рыб и других живых организмов, еще о многом и многом другом. Для сбора недостающих данных были организованы экспедиции. Научно- исследовательские суда бороздили море, ученые собирали пробы воды и донного грунта, отлавливали рыбу и планктон, измеряли скорости ветров и течений. В трудных случаях исследователям приходилось становиться настоящими подводниками. Например, с аквалангами они изучали важный для здоровья моря процесс обмена соединениями фосфора между дном и придонным слоем воды. О масштабах работ может сказать такая цифра: состояние экосистемы моря в любой момент характеризуется в модели набором из 840 чисел!

Математические зависимости, входящие в модель моря, вроде тех, о которых мы уже говорили, позволяют сделать «шаг по времени» — вычислить новый набор из 840 чисел для состояния, которое будет через 5 суток. Таких шагов можно сделать сколько угодно — нужно лишь задать «внешние факторы»: изменение речного притока, ветер, дующий над морем, количество вылавливаемой рыбы. Все расчеты по такой модели выполняет электронная вычислительная машина, у которой один шаг отнимает всего несколько секунд.

Интересно, что за подобную задачу — построить модель экосистемы моря — еще не брался никто в мире. И лишь недавно американские специалисты, познакомившись с работой советских ученых, решили

составить аналогичную модель экосистемы Великих озер, которые находятся в угрожающем экологическом состоянии.

ЭВМ ПОМОГАЕТ МОРЮ

Итак, модель построена и может отвечать на наши вопросы: «Сколько?..»,       «Когда?..», «Где?..». Но самые главные вопросы — «Что предпринять?», «Каким образом исправить положение?». Эта задача под силу только человеку: он разделит ее на множество «сколько?», «где?» и «когда?», которые, в свою очередь, будет решать ЭВМ.

Пусть, скажем, предполагается в дальнейшем еще больше развивать орошение в бассейнах Дона и Кубани. Можно вычислить, сколько пресной воды для этого понадобится и какова будет прибавка урожаев. Но расчеты на модели моря подсказывают, что в таком случае о добыче ценной рыбы придется забыть, и произойдет это совсем скоро — через 10— 15 лет. Постепенно Азовское море превратится в безжизненный, засоляющийся придаток Черного. Вывод: такой вариант для нас неприемлем.

Может быть, попробовать оставить орошение на нынешнем уровне? Однако растущие города все равно нельзя лишить воды. Модель «говорит»: ценная рыба будет сохраняться в Азовском море, но ее будет мало.

Если в Азовском бассейне воды не хватает, то нельзя ли ее доставить откуда-нибудь, где она в избытке? Специалисты составляют проект переброски части стока полноводных северных рек — Онеги, Северной Двины, Печоры — в Волгу и Дон. Много воды забирать, конечно, нельзя, чтобы не повредить природе Севера. Реализация проекта потребует многолетнего труда и огромных затрат. Окупятся ли они? И снова расчеты, расчеты…

Есть еще одно очень интересное предложение: преградить путь соленым водам Черного моря исполинской плотиной в Керченском проливе. Она позволит управлять водообменом между двумя морями, а заодно свяжет транспортной магистралью Крым и Кавказ. Заманчивая идея. Но не будут ли при этом накапливаться в Азовском море загрязняющие вещества? Не слишком ли сильными окажутся колебания его уровня? Как минует плотину промысловая азовская рыба — хамса, которая не терпит холодов и зимует в Черном море?

Предварительные расчеты по модели показывают, что наилучший эффект дает строительство Керченской плотины совместно с переброской северного стока. При этом оказывается возможным и развитие орошения, и полное восстановление рыбных богатств. Такой вывод, подкрепленный численными оценками ожидаемых результатов, был получен на основе изучения сотен различных вариантов на несколько тысяч шагов (до 20—30 лет) вперед.

Теперь дело за экономистами, инженерами. Какой практический путь решения проблемы они изберут — покажет ближайшее будущее.

М. МАРКИШ, инженер Рисунки В. МИХЕЕВА

Ют №6 1984 год |