Книги - Каспий: Загадки уровня

Формирование Каспийского моря происходило в течение длительной геологической истории, на протяжении которой отмечалась неоднократная смена трансгрессивных (наступление) и регрессивных (отступление) фаз его уровня различной величины и продолжительности. В третичном периоде (около 70 млн лет тому назад) произошло отчленение понто-каспийского бассейна от южных морей и океана Тетис. В конце понтического времени (10 млн лет тому назад) огромное внутреннее Сарматское море, охватывающее территории современных Черного и Каспийского морей, распалось на отдельные части, образовав автономный изолированный бассейн Каспийского моря с привычными для нас контурами. В этот период площадь морской акватории была меньше современной, а в отдельные века среднего плиоцена Каспий занимал лишь южную глубоководную (Дербентскую) котловину.

Материалы геоморфологических исследований показывают [ 23 , 41 ], что размах колебаний уровня Каспийского моря со временем сокращался; в плейстоцене он превышал 100 м, за последние 10 тысяч лет достигал 15 м (между отметками -20 м и - 35 м), за последние 2 тысячи лет - 12 м (рис. 1), а за время инструментальных наблюдений (с 18 3 0 года по настоящее время) - примерно 4 м (рис. 2).

Существует много гипотез, предположений, догадок по этому поводу. Очевидно, однако, что процесс формирования Каспийского моря, с одной стороны, определялся глобальными геологическими явлениями, с другой - региональными особенностями.

Рис. 1. Межвековой ход уровня Каспийского моря с начала нашей эры [ 23 ].
Рис. 1. Межвековой ход уровня Каспийского моря с начала нашей эры [ 23 ].

Рис. 2. Колебание уровня Каспийского моря за период инструментальных наблюдений [ 49 ].
Рис. 2. Колебание уровня Каспийского моря за период инструментальных наблюдений [ 49 ].

Потому считается, что на колебание уровня Каспийского моря в раннем неогене преобладающее влияние оказывали тектонические и горообразовательные процессы, в верхнем плиоцене - тектонические и климатические факторы, на современном этапе - климатические и антропогенные.

В целом, такая трактовка обосновывается уровенным режимом Мирового океана, который также неоднократно входил в крупные трансгрессивные и регрессивные фазы развития; размах колебания уровня Мирового океана в раннем неогене и в плиоцене достигал 100 и более метров, и морская вода не раз заливала территорию современного Подмосковья [ 23 ]. Последняя трансгрессия Мирового океана началась 17-20 тысяч лет назад и завершилась 4-6 тысяч лет назад, когда его уровень стал близок к современному, и в послеледниковое время никогда не был выше современной береговой линии.

Согласно климатической гипотезе, колебания уровня Каспия вызваны протекающими как в бассейне моря, так и далеко за его пределами крупномасштабными гидрометеорологическими процессами, влияющими на формирование элементов водного баланса моря и приводящими к изменению соотношений между отдельными компонентами водного баланса.

Водный баланс Каспийского моря схематически показан на рис. 3, где Q пов (км 3 воды) - суммарный объем речного (материкового) стока, поступающего в море, Q подз (км 3 воды) - подземный приток в море, Р (км 3 воды) - атмосферные осадки, выпадающие на поверхность моря, Е (км 3 воды) - испарение или конденсация с поверхности моря, Q кбг (км 3 воды) - объем стока морской воды в залив Кара-Богаз-Гол, R подз (км 3 воды) - объем подземного оттока морской воды. Как следует из рисунка, когда приходная составляющая водного баланса (Q пов + Q подз + Р) равна расходной части (E+Q кбг + R подз ) , уровень моря не изменяется. В случае же, если (Q пов + Q подз + Р) > (E+Q кбг + R подз ), уровень повышается, а при обратном знаке - понижается.

Рис. 3. Водный баланс Каспийского моря.
Рис. 3. Водный баланс Каспийского моря.

Влияние составляющих водного баланса на изменение уровня моря ( D h , м слоя воды) математически можно представить в виде уравнения

D h = [(Q пов + Q подз + Р)/S] - [(E+Q кбг + R подз )/S],
где S - площадь моря, км 2 . Площадь моря зависит от его уровня, но для оценки влияния составляющих водного баланса на величину D h ее можно принять равной 388 тыс. км 2 - среднее значение за период 1900-1990 годы.

Межгодовые изменения основных компонентов водного баланса (речного стока, атмосферных осадков, испарения и стока в залив Кара-Богаз-Гол) за последнее столетие приведены на рис. 4. Оценим возможное влияние каждого составляющего водного баланса на уровень моря.

Рис. 4. Межгодовые изменения составляющих водного баланса Каспийского моря [ 23 ].
Рис. 4. Межгодовые изменения составляющих водного баланса Каспийского моря [ 23 ].

В общей сложности в Каспий впадают около 130 рек. Основной объем стока приносят Волга (80 % ), Урал (5 % ), Терек, Сулак, Самур (в сумме 5 % ), Кура (6 % ). Сток рек иранского побережья, малых рек Кавказа и прочих составляет 4 % . Разница между максимальным и минимальным (размах) годовым поверхностным притоком речных вод в море составила за сто лет 260 км 3 (рис. 4а). В пересчете на водную поверхность моря такое изменение речного стока соответствует изменению его уровня на 67 см. Иначе говоря, межгодовое изменение уровня Каспийского моря только за счет изменения речного стока может составить более полметра.

Объем атмосферных осадков, выпадающих на поверхность моря, по сравнению с объемом речного стока незначителен, потому их влияние на уровень моря также незначительно. В многолетнем ходе атмосферных осадков с начала текущего столетия, особенно в последние десятилетия, прослеживается тенденция их роста (рис. 4б). За рассматриваемый период времени наибольшее количество осадков (около 120 км 3 ) выпало в 1969 году, наименьшее (около 50 км 3 ) - в 1944 году. Таким образом, максимальный размах межгодовых колебаний количества атмосферных осадков в текущем столетии составил 70 км 3 , что соответствует изменению уровня моря на 18 см.

Наиболее трудно определяемыми, потому спорными, составляющими водного баланса Каспийского моря являются подземный отток и подземный приток. По данным разных авторов подземный приток в Каспий варьируется от 0.3 до 50 км 3 в год. Большинство исследователей полагает, что в море поступает ежегодно 3-5 км 3 подземных вод. Поэтому по сравнению с другими составляющими водного баланса его вклад в изменение уровня моря почти не заметен; двукратное изменение Q подз приведет к изменению уровня моря всего на 1 см. Порядок величины подземного оттока морских вод до сих пор не оценен, и в уравнении водного баланса вообще не учитывается. Представляется, что R подз и Q подз в какой-то мере взаимно компенсируются.

По сей день остается дискуссионным и значение величины основного расходного элемента водного баланса - испарения с поверхности моря; надежных методов его измерения не разработано. В начале столетия с поверхности моря испарялось 390-395 км 3 воды, а в последние годы из-за повышения увлажненности климата оно снизилось до 344 км 3 . Снижению испарения способствовало также уменьшение температуры поверхностного слоя Северного Каспия из-за увеличения поступления холодных волжских вод. Как видно из рис. 4в, максимальная амплитуда испарения составила в текущем столетии 190 км 3 , что соответствует изменению уровня моря на 49 см.

Залив Кара-Богаз-Гол играет исключительно важную роль в бытие Каспийского моря, оказывая огромное влияние на его водный и солевой балансы: каждый кубический километр морской воды приносит в залив 13-15 млн тонн различных солей. Потому рассматривать Каспийское море, как бессточный водоем, не совсем корректно.

Формирование залива Кара-Богаз-Гол в современных очертаниях завершилось 4-5 тысяч лет назад, и с тех пор его лагунный режим естественным образом ни разу не прерывался. Район залива относится к числу внутриматериковых пустынь, для которого характерно интенсивное испарение с водной поверхности и незначительное количество осадков. В силу этого Кара-Богаз-Гол выполняет также и функцию испарителя каспийских вод.

До начала 30-х годов в залив Кара-Богаз-Гол ежегодно поступало 20-25 км 3 каспийских вод (рис. 4г). По мере снижения уровня моря сток в залив сокращался и к концу 70-х годов составлял 5-10 км 3 . В марте 1980 года пролив, соединяющий море с заливом, был перекрыт глухой плотиной. Основной аргумент - экономия каспийских вод с целью предотвращения "высыхания" моря. К концу 1982 года площадь поверхности залива уменьшилась с 9,5 тыс. км 2 до 2 тыс. км 2 , а к середине лета 1984 года завершился процесс усыхания поверхностных рассолов и превращения залива в "сухое озеро". С этого момента часть солей стала разноситься ветрами, засоляя окружающую среду и почву Туркменистана; нарушилась веками налаженная самой природой химия залива.

В сентябре 1984 года сток каспийских вод в залив был частично (объемом около 1.5 км 3 ) возобновлен при помощи водопропускного сооружения. Возобновление ограниченного стока морской воды имело целью восстановление и сохранение в минимальных объемах поверхностных рассолов для ослабления негативного влияния усыхания залива на окружающую среду и возрождения химического производства ценных соляных минералов. Тогда, в 1984 году, никто еще не предполагал, что уровень Каспийского моря резко повыситься, хотя устойчивая тенденция повышения уже наблюдалась. И только в середине 1992 года, когда уровень моря повысилсяболее, чем на 2 метра по отношению к уровню 1978 года, дамбу взорвали. На этот раз цель этой акции заключалась в предотвращении дальнейшего повышения уровня моря.

Для осмысления роли залива Кара-Богаз-Гол в регулировании уровня Каспийского моря приведем такие цифры. С начала текущего столетия в залив поступило более 1000 км 3 морских вод, что сопоставимо с трехкратным объемом Азовского моря. В переводе на слой, отнесенный к средней для периода 1900-1990 годы площади Каспия, это составляет 2.6 метра. В начале века ежегодное снижение уровня Каспийского моря за счет стока в залив Кара-Богаз-Гол составляло 7-9 см. Экономия же морских вод за счет отчленения залива, обернувшаяся в конечном счете крупными затратами, составила за 1980-1990 годы примерно 135 км 3 . Это способствовало ежегодному повышению уровня моря в указанные годы на 3.0-3.5 см.

В многолетнем ходе уровня Каспийского моря (см. рис. 2) можно выделить несколько характерных периодов: 1900-1929, 1942-1969 годы - как периоды относительно стабильного (или умеренного снижения) состояния уровня, 1930-1941 и 1970-1977 годы - как периоды резкого снижения, а 1978-1995 годы - как период резкого повышения. В последние два года отмечается некоторая стабилизация уровня моря, даже его снижение. Как оно поведет себя в дальнейшем, покажет время.

Характерные периоды изменения уровня Каспия, по аналогии с естественными синоптическими периодами, могут быть названы [ 49 ] естественными климатическими периодами (ЕКП), определяющими формирование элементов его водного баланса. И на самом деле, сопоставление значений величин изменения уровня моря, вычисленных с помощью уравнения водного баланса, с фактическими значениями D h показывает (табл. 1), что между ними имеет место довольно хорошее соответствие как по абсолютным значениям, так и по знаку изменения (повышения или понижения) уровня. Отсюда совершенно очевидно, что те синоптические процессы, которые оказывают превалирующее влияние на элементы водного баланса, определяют и уровенный режим Каспия. В качестве дополнительного подтверждения справедливости такого толкования трансгрессивно-регрессивных явлений сошлемся и на внутригодовую (сезонную) изменчивость уровня моря, которая обусловлена теми же факторами, что и многолетняя. Так, в летний период, после прохождения паводковых вод (апрель-июнь), уровень моря повышается в среднем на 40 см [ 23 ].

Итак, с высокой достоверностью можно констатировать, что как высокое стояние моря в 1900-1929 годах, так и снижение уровня в 1930-1977 годах и его повышение в 1978-1995 годах обусловлено изменением гидрометеорологических факторов в эти периоды времени. В частности, из табл. 1 следует, что основной причиной падения уровня моря в 1930-1977 годы являлся уменьшение притока речных вод, в то время как подъем после 1978 года в равной степени определялся материковым стоком и испарением. Обращает на себя внимание и тот факт (см. также рис. 4), что основные компоненты, формирующие уровенный режим моря, а именно Q пов , Р и Е, не коррелируют между собой; их временной ход имеет разнознаковое направление.

Таблица 1. Влияние изменения среднемноголетних годовых значений составляющих водного баланса Каспийского моря на его уровень
Период,
годы
Q пов, км 3
Q подз, км 3
Р , км 3
E ,
км 3
Q кбг, км 3
S ,тыскм 2
D h , см:

 

 

В , %
вычисл.
факт.
1900-29
332.4
5.5
69.8
389.4
21.8
404
-26
-30
87
1930-41
268.6
5.5
72.9
394.8
12.4
394
-183
-160
87
1942-69
285.4
4.0
74.1
356.3
10.6
370
-26
-80
32
1970-77
240.5
4.0
87.6
374.9
7.1
360
-111
-60
54
1978-90
306.9
4.0
86.1
343.7
1.8
374
+179
+180
99
1900-90
299.0
4.0
76.6
376.6
13.0
388
-234
-160
68
Примечание: В - степень совпадения между вычисленными и фактическими значениями D h .

Однако, стопроцентного согласия между фактическими и вычисленными значениями изменения уровня моря нет. Причин тому много.

Как мы уже отмечали, точно определить составляющие водного баланса, особенно, подземного притока и оттока, осадков и испарения, в настоящее время не удается; погрешности определения самих элементов водного баланса и площади моря, естественно, вносят некоторую неопределенность в рассчитанные значения слоя уровня моря.

Балансовое уравнение в том виде, как мы его записали, не учитывает таких природных факторов, как атмосферное давление, сгон-нагон, прилив, сейшевые колебания, температурный (плотностной) режим, потеря воды в дельтах рек ниже замыкающего створа. Изменение, например, давления воздуха на 1 гПа (гектопаскаль) приводит к изменению уровня моря на 1 см слоя, а межсуточная его изменчивость над Каспием в зимний период года может достигать 23 гПа, в летний - 10 гПа [ 23 ].

Колоссальное влияние на уровенный режим Каспия оказывает хозяйственная деятельность человека. В какой-то степени основные техногенные факторы учитывает уравнение водного баланса, но точно оценить влияние всей совокупности видов человеческой деятельности на не представляется возможным; в настоящее время признается роль антропогенного фактора в видоизменении природы всей нашей планеты. Обсудим, с нашей точки зрения, основные антропогенные факторы, влияющие на уровень моря.

Режим стока рек бассейна Каспийского моря в начале нынешнего века условно можно считать естественным. В довоенные и первые послевоенные годы уменьшение речного стока происходило за счет агротехнических мероприятий в бассейне и было незначительным; на хозяйственные нужды изымалось не более 5-7 км 3 речной воды. Значительному снижению притока речной воды к морю в 50-60-е годы способствовали сооружение и эксплуатация волжско-камских водохранилищ и гидроэлектростанций, а в 70-80-е годы ведущую роль в изъятии речного стока стало играть орошаемое земледелие. В те же годы существенно росло и изъятие речной воды на промышленное и коммунальное водоснабжение. В результате за период 1940-1990 годы море недополучило свыше 1000 км 3 воды, что равноценно перекрытию всех рек, впадающих в Каспийское море, в продолжении 3-4 лет. И именно на эти годы, когда антропогенные факторы стали соизмеримыми с климатическими, приходятся наибольшие невязки водного баланса с уровнем моря (см. табл. 1). В наши дни объем безвозвратного водопотребления в среднем оценивается в 30-40 км 3 в год, причем более 70 % всех изъятий приходится на волжский сток [ 23 , 41 ].

Из этих данных нетрудно сделать два вывода. Первый. Если бы доантропогенные условия (условия, характеризующие сток рек до 1940 года) сохранились бы до наших дней, то уровень Каспийского моря был бы выше фактической отметки, по меньшей мере, на 2 метра. Второй. Учет безвозвратных потерь речного стока в уравнении водного баланса дает почти стопроцентное совпадение между фактическими и вычисленными значениями уровня моря.

Зарегулирование рек изменило также параметры твердого стока, заполняющего котловину Каспия. Однако, роль этого фактора весьма незначительна; заполнение котловины моря донными отложениями приводит к повышению уровня слоя воды в среднем со скоростью 0.2-0.5 мм в год. Но, с другой стороны, зарегулирование рек привело к изменению контура береговой линии за счет роста абразионного разрушения.

Человек своей деятельностью буквально за 2-3 десятилетия радикально изменил огромные площади бассейна Каспийского моря и его побережья. По берегам практически всех рек вырублены леса, осушены старицы и болота, распаханы луга, построены города, проложены дороги. Огромные территории, своей растительностью удерживавшие влагу и игравшие роль естественных насосов, превращены в голую поверхность, с которой дождевая и талая вода стекает почти не задерживаясь. Да и сами реки, та же Волга, уже не реки в обычном смысле слова, а цепь искусственных озер-водохранилищ. Иными словами, гидрологический режим большей части бассейна нарушен, что, несомненно, отражается на уровне грунтовых и подпочвенных вод, испарении и транспирации.

К значимому фактору, созданному человеком, следует отнести и покрытие водной поверхности нефтяной пленкой. При толщине всего в один миллиметр нефтяная пленка уменьшает количество испаряемой воды в 70-80 раз. Учитывая высокий уровень загрязнения моря нефтью как за счет выноса речными водами, так и за счет непосредственного розлива морским транспортом и буровыми скважинами во время нефтедобычи, можно сказать, что человек постепенно превращает Каспийское море в "резиновый мешок", в который реки закачивают воду. Если предположить, что нефтяная пленка снижает испарение морских вод на 3 % , то приращение уровня за последние тридцать лет за счет только этого фактора составит около одного метра. Очевидно также, что роль "нефтяного" фактора в изменении уровня моря будет расти по мере развития нефтедобычи на его акватории .

Немаловажным антропегенным фактором является также и глобальное повышение температуры на земном шаре за счет выброса углекислоты и других парниковых газов. За истекшее столетие средняя годовая температура воздуха в районе Махачкалы повысилась на 0,6-0,8 О С, а морской воды - на 0,3-0,5 О С [ 23 ]. Ожидается, что температура на планете будет повышаться на 0.3 О С каждые 10 лет и к 2025 году в среднем возрастет на 1 О С. По расчетам такое потепление климата вызовет продолжительное повышение уровня Каспия, которое к 2050 году достигнет 1.5 метров по отношению к уровню 2000 года [ 49 ].

И, наконец, при использовании балансового уравнения нужно иметь в виду, что само понятие "уровень Каспийского моря" является весьма условным понятием. Орографические особенности различных частей моря, пространственная протяженность Каспия по меридиану, неравномерное расположение уровенных постов на побережье, тектоническое перемещение футштоков по вертикали вносят определенные неточности в абсолютные значения уровня моря.

С учетом сказанного, 70-75 % -ное совпадение между фактическими значениями уровня моря и вычисленными (см. табл. 1), можно считать превосходным. Все другие факторы, влияющие на уровень моря (та же тектоника, которая всегда присутствует), являются либо пренебрежимо малыми, либо имеют разнонаправленный характер, вследствие чего их суммарный эффект становится близким к нулю. В лучшем случае их учет может повысить точность расчета приращения водного слоя моря, выполненного с помощью балансового уравнения, на несколько сантиметров.

Между тем, для многих исследователей отмеченные выше невязки уравнения водного баланса моря послужили основой для выдвижения новых гипотез об уровенном режиме Каспия. Недостатка в них нет. Нынешнее повышение уровня Каспийского моря объясняется:

1) протеканием глубинных тектонических процессов, вызывающих изменение ложа (котловины) моря [ 23 ];

2) подпиткой моря глубинными напорными водами, проникающими через тектонические трещины дна [ 65 ];

3) увеличением подземного стока в море со стороны сопредельных территорий, обусловленное вскрытием гидродинамических зон под дном моря буровыми скважинами [ 26 ];

4) выжиманием из тектонических пластов водной массы за счет субгоризонтальных процессов "сжатия-растяжения" блоков земной коры [ 66 ];

5) перетоком воды из Аральского моря в Каспийское по гидрогеологической "трубе" [ 3 ];

6) снижением испарения морских вод в результате "накрывания моря влажным покрывалом", созданным испаряемой с орошаемых земель влагой [ 42 ];

7) сменой геодинамического режима дна моря из-за прекращения заполнения Средне-Каспийской впадины донными наносами [ 22 ];

8) переносом аральской пыли и солей в сторону Каспия, где они увеличивают осадки и уменьшают испарение [ 63 ];

9) флуктуацией энергии в бассейне моря [ 1 ];

10) изменением емкости котловины вследствие накопления твердых осадков [ 55 ];

11) совпадением фаз сезонных и тектонических колебаний [ 46 ];

12) стеканием вод в Каспий по подземным каналам с гор Северного Кавказа [ 40 ];

13) интенсивной разгрузкой в Каспий напорных вод вследствие ядерных взрывов на Мангышлаке [ 27 ];

14) перетоком фильтрационных вод Амударьи в Каспийское море по руслу Узбоя [ 45 ];

15) противофазным осушением-наполнением сообщающейся системы Арал-Каспий [ 44 ].

По всей вероятности, это - далеко не полный перечень существующих гипотез; мы процитировали только известные нам.

Мы не будем здесь обсуждать эти гипотезы, поскольку сегодня нет веских научно обоснованных доказательств опровергнуть их, равно как и нет веских научно обоснованных доказательств принять их. (На это они и рассчитаны, и сам факт существования столь разнообразных и разноречивых гипотез свидетельствует о шаткости их научных позиций). Нетрудно, однако, заметить, что главной "разменной монетой" в объяснении невязки водного баланса Каспийского моря стал тот компонент водного баланса, который не поддается прямому измерению - подземный приток. Спор лишь в том, откуда он - то ли с Кавказских гор, то ли со среднеазиатских песков, то ли из тектонических пластов.

Здесь к месту будет приведен один из афоризмов академика Л.А.Арцимовича: "Вдоль столбовой дороги прогресса наука расставила величественные памятники незрелым идеям". Согласно этому изречению незрелые, недоказуемые научные идеи об уровенном режиме Каспия представляют огромную потенциальную опасность - направляя решение проблемы по ложному пути, они могут нанести непоправимый вред.

Подытожим изложенное: на современном этапе геологического развития планеты Земля уровенный режим Каспийского моря определяют климатические и антропогенные факторы. Это - факт, и этой концепции придерживается в настоящее время большинство ученых (см., например, [ 23 , 25 , 41 ]), и ею мы будем руководствоваться ниже.

 

 

Комментарии 

 
#1 Алишаев 03.04.2013 12:47
Поддерживаю сказанное. Сток рек, осадки и испарения есть основные причины изменения уровня Каспмя. Подземный приток и сток в Кара-Богаз-гол оказывают большее влияние, нежели тектонические процессы на сравнительно коротком этапе 10-20 лет. Тектонику следует учитывать лишь для многовековых процессов, для палеоданных.
Цитировать
 
Яндекс.Метрика
Яндекс цитирования Valid XHTML 1.0 Transitional