Для чего человек изучает мировой океан

Зачем изучать океан?

Зачем изучать океан?

· Океаны существуют, и наше любопытство перевешивает все остальные причины для их изучения.

· Океаны дают нам пищу, поэтому нужно принять как факт нашу зависимость от океанов и использование их в качестве источника питания для человечества.

· Способы транспортировки, которые можно применять в океанах и атмосфере благодаря текучести среды, во многих отношениях превосходят наземный транспорт, но для эффективного их использования необходимы крупномасштабные исследования течений и ветров.

· Океаны — важный источник минеральных ресурсов: от соли до таких экзотических элементов как магний, и от фосфатных удобрений до прозрачного песка.

· Морская вода во всех фазах — жидкой, твердой и парообразной служит основной средой, через которую тепловая энергия распространяется по всей планете. Поэтому исследования погоды и климата теснейшим образом связано с изучением океанов.

· Морская вода, благодаря её способности разлагать сложные молекулярные структуры, содержит практически все известные элементы. Однако сама сохраняет свою химическую стабильность, так что никогда не бывает ни слишком кислой, ни слишком щелочной. Эта «автоподстройка» играет важнейшую роль в способности морской воды поддерживать жизнь. Действительно только в океанах, как принято считать, возможно, было развитие «живых» молекул на Земле.

· Морская вода в силу своих абсорбционных свойств поглощает и выделяет газы, обмениваясь ими с атмосферой; тем самым она косвенно включена в процесс переноса лучистой энергии, происходящей между землёй и космическим пространством.

· Океаны занимают более 70% земной поверхности, и испарение воды из них превышает поступление её с атмосферными осадками, поэтому именно они приводят в действие гидрологический цикл — круговорот воды в природе, от которого полностью зависит вся наземная жизнь. Океан и в тропиках, и вблизи полюсов — нагревается и остывает сверху вниз; его тепловой баланс почти полностью определяется процессами, происходящими только на его поверхности. Атмосферная же циркуляция наоборот приводится в действие снизу вверх, так как испаряющаяся морская вода поступает в атмосферу в основании воздушного столба.

· Океаны в любой момент содержат значительную долю всей кинетической энергии, получаемой Землёй от Солнца. Иными словами, количество солнечной энергии, запасённой водным столбом с единичной площадью сечений, значительно превосходит величину этой энергии, содержащейся в равном по площади сечения столбе горных пород суши или атмосферного воздуха. Поэтому, пытаясь найти источники энергии, альтернативные минеральному топливу, мы должны основное внимание направить на океаны.

· Океаны и суша распределены на земной поверхности несимметрично. Это обстоятельство, будучи результатом сложной геологической истории Земли, имеет важнейшее значение для динамики, как океана, так и атмосферы; оно же решительно повлияло на развитие человечества.

· Океаны, если говорить о способности поддерживать живые сообщества, предоставляют почти в 80 раз больше пространства для жизни, чем наземный мир. Однако поверхности, и испарение воды из них превышает поступление её с атмосферными осадками, поэтому из-за того, что жидкость, заполняющая океанические бассейны, способна легко перемешиваться — во времени и пространстве, число различных видов организмов в океане гораздо меньше чем на суше.

· Морская вода, благодаря её высокой удельной теплоёмкости, сохраняет сравнительно постоянную температуру, несмотря на то, что оказывается в весьма широком диапазоне условий.

· От тропических зон с их избыточным солнечным нагревом до полярных зон с избыточным охлаждением, происходящим также путём излучения. Постоянство температуры оказывает огромное влияние на образ жизни морских организмов, делая его совершено отличным от способа существования наземных видов.

· Морская вода в тысячу раз плотнее воздуха, в котором обитает большинство наземных организмов, и поэтому формы жизни, существующие в океане, в среднем имеют значительно меньшие размеры, чем те, что встречаются на суше. Популярное изречение о том что «при такой жизни лучше быть маленьким», особенно подходит для условий жизни в море. Однако в океане живут и крупнейшие из животных, когда-либо обитавших на Земле, — синие киты.

· Окраины океанических бассейнов, где суша встречается с морем, относятся к областям Земли с самой высокой продуктивностью органического вещества. Их продуктивность обусловлена тем, что это зоны сближения энергии и массы: океаны несут к своим берегам энергию волн, собираемую с обширных просторов водной поверхности, подверженной действию ветра, а реки несут химическое сырьё, без которого невозможна жизнь. Люди также устремляются к окраинам океанов, не только создавая на побережье множество поселений, но и перенося в заселённые прибрежные районы большую часть всего органического материала, производимого сельским хозяйством, горными работами и промышленностью во внутренних областях материков.

· Полярные океаны («последний рубеж»), — быть может, важнейшие области, обеспечивающие продолжение нашего существования, постоянство климата на Земле зависит от энергии перехода между жидкой и твёрдой фазами воды и от альбедо (способности отражать солнечные лучи) покрытых льдом частей океана.

· В рамках этого обоснования исследований океана заключено великое множество сложных процессов: физических, биологических, химических, геологических, метеорологических и др. В ткань перечисленных процессов вплетается и человеческая деятельность. Задача океанологии — «распустить» эту ткань на отдельные нити, описать каждую нить качественно и количественно, а затем снова соединить их.

Источник

Исследования Мирового океана как шаг на пути к устойчивому развитию человечества

Пираты, тропические острова и манящая лазурь волн — кого из нас не очаровывала морская романтика, не увлекали истории о приключениях, затерянных сокровищах и подвигах бесстрашных капитанов? Стихия, которая кажется нам настолько близкой и знакомой, до сих пор хранит огромное количество тайн и загадок.

Если всерьез задуматься над вопросом о том, что мы на самом деле знаем о Мировом океане, то окажется, что на 95 процентов водный мир все еще остается неисследованным. Мы обладаем гораздо более точными данными о поверхности Луны, Марса и Меркурия, чем о водной оболочке нашей собственной планеты. Острая нехватка различных структурных карт Мирового океана создает серьезный барьер для развития науки и бизнеса, мешает созданию эффективных мер по улучшению экологии и поддержке водной экосистемы.

«Первичная задача сейчас — до 2030-го года наполнить базу данных о дне Мирового океана, собрать новую и актуализировать устаревшую информацию. В первую очередь, это необходимо для того, чтобы наиболее эффективно подходить к прогнозированию хозяйственной деятельности, понимать, что в целом творится на планете», — считает генеральный директор российской научно-исследовательской компании «Морские Инновации» Антон Плешков.

Какие богатства скрывает океан

Конечно, нельзя сказать, что мы совсем ничего не знаем про Мировой океан и его обитателей: технологии спутниковых съемок обеспечивают пространственное разрешение около 2-5 км, то есть дают примерное представление о рельефе дна, течениях, температурах и общем уровне воды. «Однако такой метод не позволяет сканировать дно с высоким разрешением, только мелководье — первые десятки метров. Все остальное — дорисовка», — объяснил Плешков.

Во многом возросший интерес стран и корпораций к разработкам технологий картирования, позволяющим более детально исследовать океан, обусловлено коммерческими факторами. Мировой океан — это не только среда обитания многих биологических видов и транспортный хаб, но и место скопления огромного объема различных ресурсов, в том числе «топлива будущего» — газогидратов. Их запасы вдвое превышают общемировые запасы всех традиционных видов топлива — угля, нефти и природного газа. Несмотря на то, что на данный момент их добыча нерентабельна, при дальнейшем развитии технологий они вполне способны стать более выгодной заменой: так, из одного кубометра гидрата можно получить около 160 кубометров метана.

Мировой океан богат и рудными минеральными ресурсами, в том числе редкоземельными металлами. По сравнению с сушей, в нем содержится в шесть раз больше никеля, в десятки раз — кобальта, в два раза — марганца. Запасы меди составляют 80% прогнозных ресурсов на суше. Важная особенность глубоководных руд — это высокое процентное содержание металлов, равное или в разы превосходящее показатели наземных месторождений.

Россия — один из пионеров по разведке глубоководных ресурсов, и владеет лицензиями Международного органа по морскому дну на добычу сразу трех их видов — железомарганцевых конкреций (ЖМК), глубоководных полиметаллических сульфидов (ГПС) и кобальтоносных железомарганцевых корок (КМК). «Обязательства по этим контрактам включают в себя целый цикл работ от геологоразведки до выхода на промышленную добычу. Это очень перспективный рынок, так как в таких конкрециях содержится аномальная концентрация всей таблицы Менделеева. Сейчас на редкоземельные металлы очень высокий спрос, и даже с учетом высокой себестоимости технологий добычи на первых этапах, это будет намного рентабельнее, чем добывать на суше», — отметил советник Министра природных ресурсов и экологии Российской Федерации Евгений Петров.

Однако более серьезно рассматривать возможности по коммерческому освоению этих богатых ресурсов нецелесообразно до тех пор, пока не появится понимание того, как устроено дно Мирового океана и функционирует его экосистема в целом. Сбор точной информации и создание глобальной системы мониторинга актуальных данных — первый шаг на пути к этому.

«Один из самых перспективных векторов развития — создание цифровых двойников водных массивов. Используя такие модели, можно отслеживать изменения рельефа, прогнозировать экологическую ситуацию и связанные с ней риски для рыболовства или транспорта, оценивать объем течений, их температуру, как они взаимодействуют друг с другом и так далее», — рассказал Антон Плешков.

По мнению эксперта, помимо глобальных моделей, можно также создавать двойников более мелких объектов — например, систем река-море. На практике такие решения улучшат понимание логистических процессов, хозяйственного оборота рыбаков и организаций, занимающихся добычей полезных ископаемых, позволят предотвратить техногенные катастрофы. К примеру, обладая данными о температуре в течениях, можно определить оптимальное место для размещения акваферм, зная ветровую нагрузку — где лучше поставить энергетические установки и так далее.

«Без информации о топографических основах мы не можем корректно создать даже первичные модели взаимодействия со средой», — предупредил эксперт.

Масштабные решения для планетарных проблем

Неудивительно, что энергетические, минеральные и биологические ресурсы Мирового океана были признаны определяющим фактором в достижении целей в области устойчивого развития человечества, сформулированных ООН в 2015 году. Ликвидация нищеты и голода, повышение качества здравоохранения и общего благополучия, получение чистой энергии, поддержка экономического роста, ответственное потребление, борьба с изменениями климата и сохранение морских экосистем — решение этих амбициозных задач тесно связано с исследованием океана.

«Здесь ситуация как с фундаментальной наукой: не все ей занимаются, кто-то несет расходов больше, кто-то меньше, но в конечном итоге пользу получает все человечество», — отметил Плешков. Однако нельзя сказать, что такие исследования не принесут и конкретной, осязаемой выгоды государству и бизнесу: внедрение систем сбора комплексных данных даст возможность оптимизировать практически все виды деятельности — лучше учитывать течения, составляя маршруты движения судов, актуализировать навигационные и геологические карты, сокращать затраты на топливо и многое другое.

«В рамках одного из наших проектов мы проводили работы в Черном море, недалеко от Геленджика, делали съемку полигона. В один из проходов мы обнаружили не задокументированное затонувшее судно, — поделился опытом Плешков. — В условиях все большего охвата хозяйственной деятельностью Мирового океана, таких случаев будет все больше. Для того, чтобы понимать, где произошел инцидент, как ликвидировать его последствия, уменьшить ущерб, как добывать ресурсы — для всего этого нужно понимание среды, в которой мы находимся».

Искусственный интеллект теперь и в море

Наука не стоит на месте, и современные технологии начинают постепенно открывать новые возможности по более высокоточному измерению и отслеживанию динамики водной экосистемы. Если в 1950-1960 годах точность измерений глубины моря определялась метрами, к 1980-1990 годам удалось добиться полуметровых систем разрешения. Сейчас стандартное разрешение измеряется в дециметрах, но есть и решения, которые позволяют получать сантиметровую точность.

Самым важным направлением работы на данный момент стало создание аналитических систем на базе искусственного интеллекта и роботизированных аппаратов, способных заниматься сбором и передачей данных в автономном режиме.

«Чтобы решить масштабную задачу, поставленную ООН — исследовать весь океан к 2030 году — традиционных, основанных на человеческой работе и анализе технологий, совершенно недостаточно. Здесь нужны интеллектуальные системы, способные быстро собирать и анализировать информацию», — пояснил руководитель рабочей группы Маринет НТИ Виктор Олерский.

Такие масштабные задачи, сформулированные международным сообществом, могут быть решены с помощью технологий, уже успешно применяемых в других отраслях, полагает директор по развитию и индустриальным партнерам ИТ-кластера Фонда «Сколково» Сергей Дутов. Для этого в июле Фонд «Сколково» запустил международную программу инновационных проектов «Глобальный Вызов — Искусственный интеллект для Целей устойчивого развития». Программа призвана простимулировать спрос на решения российских стартапов в области искусственного интеллекта.

«Масштабные задачи, сформулированные международным сообществом, могут быть решены с помощью технологий, уже успешно применяемых в других отраслях. Именно поэтому мы запустили проект «Глобальный Вызов» для поиска решений в области искусственного интеллекта и применения их в различных областях, в том числе для анализа данных и автономных систем в море. До 27 августа совместно с «Морскими Инновациями» мы принимаем заявки в номинации «Сохранение морских экосистем». Последующие направления конкурсного отбора будут постепенно включены в программу» ─ отметил Дутов.

Большие данные и искусственный интеллект — базовые технологии для двух ключевых на данный момент тенденций в морском транспорте: е-Навигации и автономного судовождения. По оценкам Виктора Олерского, их применение должно существенно изменить модель работы отрасли, повысить ее безопасность, предсказуемость и одновременно снизить затраты, связанные с задержками в формальных процедурах, человеческими ошибками, непосредственно сократить затраты на эксплуатацию судов.

Флагманским в области масштабных исследований океана стал проект Nippon Foundation и программы международного сотрудничества «Генеральная батиметрическая карта океанов» (GEBCO) под эгидой ООН Seabed-2030, целью которого стало составление полной базы данных о Мировом океане — в том числе при помощи беспилотных плавательных аппаратов. На сегодняшний день удалось получить измерения пятой части морского дна — существенное увеличение по сравнению с пятью процентами, доступными до старта проекта. О планах по созданию автоматизированной подводной базы, оснащенной ИИ и роботами для изучения морского дна, в 2018 году объявил и Китай.

Перспективным российским проектом в этой области стал МПАК-3D — мобильный комплекс картирования морского дна на шельфе, разработанный в рамках «дорожной карты» Маринет НТИ. В решение интегрировано сразу несколько базовых технологий трехмерной морской геофизической разведки: параметрическая гидроакустика, электроразведка и сейсморазведка, технологии онлайн-обработки больших данных и построения моделей дна, рассказал директор ОЦ Маринет Александр Пинский.

«Каждый из этих элементов представляет из себя передовую технологию, а вместе они дают качественно новый уровень, превосходящий не только российские, но и зарубежные аналоги. В будущем мы также планируем интеграцию МПАК-3D с отечественными технологиями высокоточного позиционирования, измерениями скорости подводных течений и других параметров водной толщи», — поделился Пинский.

Основные барьеры на пути морских инноваций

Получается, что новые технологические решения по исследованию Мирового океана доступны и могут эффективно справляться с поставленными задачами. Тогда чем же обуславливаются низкая степень их внедрения и слабый интерес со стороны крупного бизнеса? По мнению Антона Плешкова, среди основных барьеров стоит выделить особенности прав собственности на информацию, то есть, кто будет ею владеть и распоряжаться, а также стоимость ее получения. На практике самой сложной задачей станет, скорей, не разделение данных между военными и гражданскими нуждами и не определение их законного владельца, а создание единого центра для постановки задач и хранения информации, добавил советник Министра природных ресурсов и экологии Российской Федерации Евгений Петров.

«Данные, конечно, должны принадлежать государству, потому что именно оно несет большую часть затрат. Военным для своих целей необходим очень узкий сегмент — батиметрия и гидроакустика. Основной же объем информации регулярно передается в Академию наук, где они находятся в открытом доступе безо всяких ограничений. Проблема в том, что у нас нет коллективного центра, куда бы вся эта информация стекалась, где можно было бы анализировать Big Data», — подчеркнул представитель Минприроды.

Пока же все данные от исследовательских экспедиций хранятся разрозненно и локализованы в тех учреждениях, которые их организовывали, посетовал Евгений Петров: «С точки зрения постановки задач, в нашей стране не хватает единого органа, ответственного за всю экспедиционную деятельность. Поэтому многие экспедиции дублируются, редко добавляются новые методы, способные увеличивать их ценность. В целом, на данный момент деятельность Минприроды, Минпромторга и Минобранауки в этом направлении между собой очень слабо скоординирована».

Помимо бюрократических препятствий, существуют и проблемы производственного характера, свойственные не только судостроению, но и многим другим высокотехнологическим отраслям — космической, авиастроению и так далее. Речь идет о высоком пороге входа на рынок и долгом пути от разработки до эксплуатации.

Большинство современных морских картографических инструментов — гидроакустические. Однако, по словам Плешкова, область гражданской гидроакустики развита слабо, и компаний, которые занимаются разработкой подобных решений не для военных целей, в России очень мало. «Это объясняется консервативностью данного сегмента рынка и очень высокими барьерами входа на него. Помимо серьезных требований к квалификации персонала, остро стоит и проблема кооперации между разработчиками и судостроительными компаниями», — сказал эксперт.

Чтобы решение начало эффективно работать, оно должно быть установлено на судно, а для этого — заранее спроектировано. Процесс от проектировки до закладки, испытания и вывода в эксплуатацию занимает очень много времени. «По самым оптимистичным оценкам, решение будет поставлено на первое серийное судно, произведенное крупной верфью, лет через десять. К этому времени оно уже проходит некий цикл жизни и, чаще всего, устаревает. — пояснил Плешков. — Если учесть, что минимальный срок службы судна — 20-30 лет, и оно должно выработать свой ресурс, прежде, чем его модернизируют, то становится очевидно, почему быстро двигаться в этом направлении просто невозможно».

Данные на вес золота

Еще одной пока не решенной задачей отрасли остается рентабельность. Можно сколько угодно говорить о глобальных целях устойчивого развития, общечеловеческом благополучии и других радужных перспективах, но факт остается фактом: основная доля затрат на внедрение и эксплуатацию таких картографических решений ложится на владельцев судов и предпринимателей. Если принять во внимание еще и низкий уровень освещения темы морских инноваций, то осторожное отношение бизнеса к передовым технологиям исследования океана начинает выглядеть вполне обоснованно.

«Чтобы максимально увеличить достоверность данных о дне, необходимо внедрение новых решений на практически всех действующих судах, которые находятся в океане и речных системах, не говоря о строящихся. Они должны делать точные измерения, быть достаточно дешевыми для массового производства и установки, эффективны с точки зрения эксплуатации — как говорят, foolproof», — сказал Плешков.

То есть должны быть соблюдены три фундаментальных условия: экономическая эффективность решения, желание либо обязанность судовладельца или собственника судна на установку подобных систем и, наконец, законодательное определение операторов данных и других норм использования оборудования.

Есть и хорошие новости: например, в части хранения больших массивов данных на борту судов сейчас нет никаких ограничений, «так как это самые большие машины в истории человечества», рассказал Виктор Олерский: «На них можно размещать дата-центры значительных размеров, что уже сейчас делают мировые ИТ-гиганты. Ограничением, скорей, выступает передача данных с судов на берег по беспроводным каналам. Пока спутниковая связь остается дорогой и не самой надежной. Однако на протяжении последних десяти лет мы видим стабильное улучшение морской связи, ее удешевление — например, проект спутниковых коммуникаций OneWeb».

Ключевыми технологическими вызовами, считает Олерский, можно назвать онлайн сбор и обработку данных, удешевление носителей исследовательского оборудования, в том числе автономных необитаемых аппаратов, а также повышение точности анализа и моделирования.

Морские инновации: для кого и зачем

Подводя итоги, стоит отметить, что какими бы далекими не казались задачи, которые ставят перед собой исследователи Мирового океана, они напрямую касаются каждого: будь то прорывы в фармацевтике, улучшение экологической обстановки, удешевление топлива или доступ к новым видам товаров и услуг. Использование ресурсов морского дна на основе подобных исследований уже сегодня имеют важное коммерческое значение: около трети всей нефти в мире добывается именно на морском шельфе, подчеркнул Александр Пинский.

Пока Россия не сильно отстает от зарубежных коллег, а в чем-то — например, в области разработки гидроакустических технологий — даже опережает. Однако расслабляться не стоит. Все больше стран подключается к гонке за богатыми ресурсами Мирового океана, начинают заниматься разработкой и добычей минералов в глубоководных районах морского дна за пределами национальных юрисдикций. Так, уже полностью «поделен» самый продуктивный из известных по железомарганцевым конкрециям район Мирового океана — Кларион-Клиппертон в Тихом океане.

«Добыча минералов становится все более актуальным явлением по мере истощения запасов на суше и развития морских технологий, снижающих себестоимость добычи в океане. Безусловно, для этого есть целый ряд еще не решенных никем технологических задач: от подводных добычных комплексов до транспортировки таких ресурсов и обеспечения экологической безопасности добычи. В мире и в России сейчас ведутся первые работы в этом направлении, которое по своим масштабам могут сформировать новую отрасль мировой экономики», — заключил Пинский.

Источник