Корреспондент газеты «Аргументы недели» после прочтения статьи Валерия Малинина «Грозит ли Каспию судьба Арала?» в журнале Гидрометеорология и экология (№69, 2022) и, находясь под неизгладимым впечатлением от неё, обратилась к автору с просьбой ответить на некоторые вопросы эксклюзивно для издания «АН». Разговор затронул главные проблемы, связанные с Каспийским морем.
Читателю интересно будет узнать, что Малинин Валерий Николаевич доктор географических наук, профессор Российского государственного гидрометеорологического университета. Действительный член Российской академии естественных наук, лауреат премии Правительства Санкт-Петербурга имени М.И. Будыко за 2016 год в области географии, наук об атмосфере и гидросфере за выдающиеся достижения в науке и технике, руководитель ведущей научно-педагогической школы Санкт-Петербурга «Взаимодействие океана и атмосферы и изменения климата», почетный работник высшего образования РФ, член двух диссертационных советов, главный редактор научно-теоретического журнала «Гидрометеорология и экология», входящего в Перечень ВАКа, а также член редколлегии ряда других журналов, эксперт федерального реестра экспертов научно-технической сферы.
Валерий Николаевич, давайте сразу, «не в бровь, а в глаз»: так что все-таки происходит с уровнем Каспийского моря?
Чтобы была понятна суть, начну с истории. Каспийское море – крупнейший бессточный водоем на планете после Мирового океана. Его водная масса находится в глубокой котловине, поверхность которой в настоящее время ниже уровня океана примерно на 27 м. Вследствие его бессточности уровень Каспия подвержен значительным колебаниям разного масштаба: от короткопериодных (синоптических) до многотысячелетних. По данным российских ученых экстремально высокий уровень воды в Каспийском море мог быть во время Хвалынской трансгрессии 17-13 тысяч лет назад, когда он был выше современного уровня примерно на 80 метров. В результате побережье моря доходило до современного Волгограда. Причиной такого повышения уровня, вероятно, был сток Волги, который достигал 450-500 км3/год. Естественно, это гипотеза, но подтвердить ее не представляется возможным. Ибо чем дальше мы отступаем вглубь веков, тем менее достоверными являются наши знания.
Более надежными представляются сведения об изменениях уровня Каспийского моря (УКМ) за последние 2000 лет, полученные по данным палеоклиматических реконструкций. Полный размах колебаний за этот период мог составить 12 м, при этом его наинизшая отметка согласно балтийской системе высот отмечалась в середине V в. (–34,5 м), т.е. была ниже современного уровня на 7 м, а наивысшая отмечалась в начале нашей эры (–22,5 м).
Согласно инструментальным измерениям уровня моря, которые ведутся с середины IХХ столетия, самый высокий уровень зарегистрирован в 1882 г. (−25,2 м), а самый низкий — в 1977 г. (−29,0 м), т.е размах колебаний составил 3,8 м. В ХХ столетии можно выделить три достаточно длительных стабильных периода (рис. 1), в течение которых изменения уровня оказываются сравнительно однородными. Первый период (1900−1929 гг.) характеризуется стоянием уровня, т.е. его колебания носят случайный характер относительно некоторого среднего положения. Второй (1930−1977 гг.) сопровождается почти монотонным падением уровня, причем в течение 1930−1938 гг. он понизился на 1,75 м. В 1977 г. уровень впервые за предшествующие 500 лет достиг отметки -29 м. Наконец, третий период, начавшийся в 1978 г., характеризуется интенсивным ростом уровня. Так, за 1978−1995 гг. он повысился на два метра.
Межгодовой ход уровня Каспийского моря по инструментальным наблюдениям (за нуль принята отметка –28 м БС).
В результате имеем 3 фазы относительно однородных колебаний уровня (стояние, падение, рост), которые были названы мной естественными климатическими периодами (ЕКП). На фоне разнонаправленных колебаний УКМ в ХХ столетии отмечается его постепенное снижение с линейным трендом, равным –17 мм/год и описывающим 33% дисперсии исходного ряда. В 1996 г. начался новый ЕКП, характеризуемый значительным снижением УКМ со средней скоростью 7,5 см/год. Итак, мы видим, что УКМ свойственны серии длительных однонаправленных колебаний большой амплитуды и ничего экстраординарного в них нет. Это нормальная ситуация для бессточного водоема.
Очевидно, такие колебания уровня сильно влияют на территорию окружающих море государств?
Безусловно. Значительные межгодовые колебания уровня Каспийского моря, чередование длительных серий его понижения и повышения приводят к тому, что и водная экосистема, и экономика прибрежных стран вынуждены приспосабливаться к резко изменяющемуся уровенному режиму. В результате падения уровня в 30—70-х гг. ХХ столетия осушилась территория площадью более 48 тыс. км2, что превышает площадь таких государств, как Дания или Эстония, а повышение уровня в конце столетия привело к затоплению территории, превышающей площадь Бельгии или Молдавии. (Рычагов).
На Российском побережье Каспия на площади более 1 млн га нарушились нормальные условия проживания и хозяйственной деятельности человека, было затоплено 280 тысяч га сельхозугодий, вывелись из землепользования 320 тысяч га ценных земель, активизировались эрозионно-миграционные процессы русел рек, абразии берегов и нагонные явления. Произошло затопление и подтопление дорог, промышленных предприятий, рыборазводных заводов, расположенных в дельте Волги, нефтегазовых промыслов и нефтегазопроводов, предприятий коммунального хозяйства и нарушение инфраструктуры в прибрежных населенных пунктах и т.д. Экономический ущерб трудно подсчитать, но речь идет о млрд. долларов. Однако справедливости ради надо отметить, что огромный вклад в материальный ущерб прибрежных территорий внес не столько Каспий, сколько сам человек своим бездумным освоением полосы побережья, освободившейся из-за понижения уровня моря после 1930 года.
Возникает логичный вопрос о причинах длительных колебаний уровня?
Это не такой простой вопрос, как может показаться. Особенно много копий было сломано в конце 80-х начале 90-х годов, когда стало ясно, что стремительный рост уровня является закономерным, а не случайным. Называлось много причин, включая почти анекдотические. Перечислю некоторые из них:
- переток воды из Аральского моря в Каспийское по гидрогеологической «трубе»;
- автоволновые колебания литосферы;
- выгибание или прогибание Кавказского хребта;
- перенос аральской пыли и солей в сторону Каспия, где они увеличивают осадки и уменьшают испарение;
- стекание вод в Каспий по подземным каналам с гор Северного Кавказа;
- интенсивная разгрузка в Каспий напорных вод вследствие ядерных взрывов на Мангышлаке;
- переток фильтрационных вод Амударьи в Каспийское море по руслу Узбоя;
- противофазное осушение-наполнение сообщающейся системы Арал-Каспий.
Думаю, даже не специалистам понятен уровень подобных предположений, обсуждать которые нет смысла.
Так как существует большое число различных по своей природе факторов, действующих на формирование уровня, то их целесообразно объединить в четыре большие группы: космогеофизические силы, геолого-геодинамические процессы, гидрометеорологические процессы и антропогенные факторы.
1. Космогеофизические силы. К ним относятся приливообразующие силы Луны и Солнца, свободные и вынужденные колебания полюсов Земли, неравномерные изменения скорости вращения Земли и астрономические факторы, связанные с изменением орбитальных параметров Земли, положением её в Солнечной системе и т.п. Космогеофизические силы вызывают деформационные колебания уровня, при осреднении которых в масштабе водоема происходит их нивелирование, вследствие чего они практически не сказываются на колебаниях среднего уровня моря. Многочисленные попытки связать УКМ с внешними факторами и прежде всего с солнечной активностью успеха не имели, ибо все они разваливались при переходе к независимым данным, не включенных в обучающуюся выборку.
2. Геолого-геодинамические процессы. Эти процессы приводят, с одной стороны, к изменению объема самой котловины, а с другой — оказывают влияние на водный баланс моря. В первом случае к таким процессам относятся тектонические движения (вертикальные и горизонтальные), накопление донных осадков и сейсмодеформация. Во втором случае это субмаринная разгрузка вод или, наоборот, их поглощение поддонными слоями горных пород при чередовании тектонических фаз сжатия или растяжения в этих породах, т. е. водообмен через дно моря. При этом на фазу сжатия приходится повышение уровня, а на фазу растяжения — его понижение.
3. Антропогенные факторы. Они обусловлены хозяйственной деятельностью в бассейне Каспийского моря, на его побережье, акватории, и определенным образом изменяют компоненты водного баланса, тем самым влияя на колебания уровня. Наибольшую антропогенную нагрузку из составляющих водного баланса испытывает приток речных вод. Как известно, с середины 30-х годов текущего столетия началось строительство и заполнение водохранилищ Волжско-Камского каскада. К числу наиболее важных расходных статей речного стока относится сельское хозяйство и прежде всего орошаемое земледелие. Значительный объем речных вод тратится на промышленно-энергетическое и коммунальное водоснабжение. В результате суммарное безвозвратное водопотребление в бассейне Каспия оказывается существенным, особенно в маловодные годы, когда резко возрастают расходы воды на орошение. По данным проф. И.А. Шикломанова (ГГИ), на 1990 г. безвозвратные потери в бассейне Каспия достигли 40 км3/год, что составило примерно 13% от нормы притока речных вод.
С 1980 г. необходимо учитывать еще один антропогенный фактор — перекрытие пролива Кара-Богаз-Гол земляной дамбой, в результате чего отток морских вод в залив был прекращен. В 1982 г. в дамбе было проделано отверстие, через которое в залив Кара-Богаз-Гол стало поступать небольшое количество каспийских вод. Данный фактор по своей сути является компенсационным, т. е. он действовал в противоположном направлении другим антропогенным факторам, увеличивая уровень. Но в середине 1992 г. по личному приказу Туркмен-Баши дамба была взорвана, и поток каспийских вод беспрепятственно хлынул в залив Кара-Богаз-Гол.
4. Гидрометеорологические процессы. К ним относятся составляющие водного баланса, ветер, атмосферное давление, изменения плотности морской воды, течения. Их совокупность формирует широкий спектр временных колебаний уровня с периодами от минут до сотен и тысяч лет. При этом колебания уровня, обусловленные составляющими водного баланса, получили название гляциоэвстатических, или просто эвстатических, вызванные изменениями атмосферного давления – анемобарическими (статическими), а изменениями плотности морской воды – стерическими (плотностными). Безусловно, важнейшими являются компоненты водного баланса (приток речных вод, осадки, испарение), которые непосредственно обусловливают межгодовую изменчивость уровня моря.
Подробный анализ влияния вышеуказанных факторов на межгодовую изменчивость УКМ за период его интенсивного повышения с 1978 г. представлен в монографии автора «Проблема прогноза уровня Каспийского моря» (1994). Показано, что космогеофизическими и геолого-геодинамическими факторами можно пренебречь ввиду их малости. В принципе, антропогенные факторы вносят определенный вклад в трендовую компоненту уровня, но их межгодовая изменчивость значительно меньше межгодовой изменчивости суммы компонент водного баланса моря, которые играют доминирующую роль в колебаниях УКМ и обусловлены климатическими процессами. В дальнейшем другими исследователями многократно подтверждалась климатическая обусловленность формирования колебаний УКМ.
Понятно, что компоненты водного баланса, непосредственно влияющие на изменчивость УКМ, в свою очередь определяются комплексом других гидрометеорологических факторов. В результате подробного анализа всей цепочки причинно-следственных связей от изменений уровня моря до процессов крупномасштабного взаимодействия океана и атмосферы была сформулирована климатическая концепция, согласно которой долгопериодная изменчивость уровня Каспия представляет собой интегральный индикатор крупномасштабного влагообмена в системе океан (Северная Атлантика) – атмосфера – поверхность суши (бассейн Волги).
Суть этой концепции представлена в виде блок-схемы на рис. 2. При усилении процессов циклонической активности в Северной Атлантике и, прежде всего, в области Исландской депрессии увеличивается испарение, влагосодержание атмосферы. Одновременно с этим повышается зональная составляющая скорости горизонтального переноса атмосферной влаги, характеризующая количество переносимого водяного пара в системе средней циркуляции и крупномасштабных синоптических вихрей.
Рис. 2. Генетическая модель формирования межгодовых колебаний уровня Каспийского моря.
При росте циклонической активности происходит углубление Исландского минимума давления и его пространственные миграции. В свою очередь, его углубление усиливает интенсивность Североатлантического колебания (САК), которое в значительной степени регулирует адвективный (за счет средней циркуляции) зональный перенос атмосферы в умеренных широтах. Это должно приводить к значительному повышению зонального переноса водяного пара в системе общей циркуляции и синоптических вихрей на европейский континент и европейскую территорию России и как следствие к увеличению количества осадков на территории бассейна Волги, что приводит к росту стока Волги. При повышении годового стока Волги происходит увеличение внутригодовых приращений объема моря, а значит рост УКМ (рис. 3).
Из рис. 3 следует, что в ХХ в. примерно две трети межгодовой изменчивости приращений уровня обусловлены притоком речных вод, сформированным в лесной зоне бассейна Волги, находящимся за тысячу км от моря. Другая треть изменчивости уровня описывается разностью между испарением (Е) и осадками (Р). Поскольку вклад Е−Р в изменения уровня в основном носит случайный характер, то при описании межгодовых колебаний уровня в ХХ столетии им можно пренебречь. Итак, в ХХ столетии главной причиной межгодовых изменений УКМ являлся годовой сток Волги.
Рис. 3. Диаграмма рассеяния внутригодовых изменений объема Каспийского моря (км3/год) в зависимости от годового стока Волги в г. Самара (км3/год) за период с 1890 по 1990 г.
Валерий Николаевич, Вы акцентируете внимание на ХХ столетии. В нынешнем столетии ситуация сильно изменилась?
Да, действительно, вследствие интенсивного глобального потепления климатическая ситуация в Каспийском регионе начала быстро меняться с конца ХХ века. Повышается температура воздуха и поверхности моря, уменьшается площадь ледяного покрова, увеличивается испарение, уменьшается приток речных вод и количество осадков, выпадающих на акваторию моря.
Однако происходит это не одновременно и разными темпами. Так, среднегодовая температура воздуха в Каспийском регионе (море и прилегающие районы) почти монотонно повышалась в течение 41 летнего периода (1980–2020 гг.) со скоростью 0,030 градусов С, т.е. повышение составило 1,2 градуса С. Еще выше оказалось потепление температуры поверхности моря (на 1,4 градуса С).
В 90-е годы началась маловодная фаза в увлажнении бассейна Волги, в значительной степени обусловленная ростом засушливых условий в летний период. В результате с 1992 г. отмечается значительный отрицательный тренд волжского стока со скоростью за 24-летний период (1992–2016 гг.) примерно –2,5 км3/год, что соответствует уменьшению слоя воды в море на 0,64 см/год. Можно напомнить катастрофическую летнюю засуху на европейской территории России 2010 г. вследствие которой сток Волги резко упал в последующие два года. А в последние годы по телевидению демонстрируются кадры того, как Волга отступила от своих берегов на десятки метров. Осадки, выпадающие на поверхность моря, меняются значительно меньше по сравнению с речным притоком и испарением. Так, за 15-летний период 2003–2017 гг. среднегодовое количество осадков уменьшилось примерно на 38 мм, что эквивалентно уменьшению уровня Каспия примерно на 4 см. Это составляет уменьшение осадков со скоростью 2,6 мм/год. Отсюда видно, что приток воды к морю сокращается и уровень его уменьшается. Еще больше падению уровня способствует быстрый рост испарения. За период 1996-2015 гг. УКМ уменьшался со скоростью 6,7 см/год.
По мнению ряда авторов (Chen, Pekker, Wilson и др., 2017), увеличение скорости испарения над Каспийским морем в течение 37-летнего периода (1979–2015 гг.) сыграло доминирующую роль в изменении тенденций УКМ и привело к его текущему снижению. Данный вывод был сделан на основании превосходного соответствия наблюденных и вычисленных по уравнению водного баланса значений УКМ. При этом компоненты водного баланса рассчитывались по хорошо зарекомендовавшей себя климатической модели Climate Forecast System (CFS). Получен внешне блестящий результат, ибо решена задача корректного расчета компонент водного баланса. Есть только одно маленькое «но», которое обнулило полученные результаты.
Интересно, какое же?
В уравнении водного баланса моря не был учтен сток каспийских вод в залив Кара-Богаз-Гол (КБГ), который авторы поместили в разряд «неопределенностей» расчетов. В действительности, он довольно просто может быть определен по зависимости от среднего уровня моря. При полном разрушении дамбы в 1992 г. поперечное сечение пролива увеличилось примерно в два раза по сравнению с тем, какое было до строительства дамбы. Огромный поток каспийских вод устремился в залив. За период 1996―2015 гг. он составил 18,9 км3/год или 4,85 см слоя моря. Отсюда вклад стока в з. КБГ в падение УКМ достигает 72 %. Отсюда следует, что только 28 % приходится на все остальные компоненты водного баланса. Таким образом, именно полное разрушение дамбы в 1992 г. стало главной причиной сильного падения уровня моря после 1996 г., а не рост испарения. В этом случае вклад испарения в падение уровня равен 14 %, речного стока – 10 %, осадков – 4 %. По сути, использование климатической модели CFS наглядно показало, как непросто рассчитывать даже такие простые компоненты водного баланса, как речной сток, испарение и осадки. Впрочем, в силу исключительной специфики физико-географических, климатических, гидрологических и иных условий Каспийского моря современные климатические модели до сих пор не в состоянии адекватно описать не только различные процессы на его акватории, но даже пространственное распределение такой простой характеристики как температура воздуха.
Докажите!
Запросто. Профессор РГГМУ В.А. Лобанов отобрал 10 лучших климатических моделей из проекта CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project, Phase 5: Проект взаимосравнения объединенных моделей атмосферы и океана, пятая фаза) температура воздуха из которых сравнивалась за зимний сезон 1960−2004 гг. с аналогичными эмпирическими данными для 8 морских станций на Каспии. Было показано, что все модели систематически завышают среднюю температуру воздуха от 3 °С почти до 12 °С. Представляете, расхождения до 12 градусов С! При этом они превышают естественную изменчивость температуры иногда в несколько раз, которая в среднем равна 3,2 °С. Кроме того, можно отметить, что коэффициенты корреляции между наблюденными и рассчитанными по моделям временными рядами даже среднемесячных температур были очень низкими и статистически незначимыми. Отсюда очевидный вывод: модели климата на современном этапе не могут воспроизводить фактическую межгодовую изменчивость температуры воздуха, а вероятно и компонент водного баланса моря.