Перемешивание — это пульсация глубоких озёр. В Крейтер-Лейк течение замедляется.

Физическая природа смешивания слоёв воды — взаимодействие ветра, климата и других факторов — обеспечивает работу озёр. Когда этот процесс прекращается, последствия могут сказаться на всей экосистеме. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Кэти Фалькенберг для журнала Quanta

Кэти Фалькенберг для журнала Quanta

Климатология. Перемешивание — это пульсация глубоких озёр. В озере Крейтер оно замедляется. Физика смешивания слоёв воды — взаимодействие ветра, климата и других факторов — обеспечивает работу озёр. Когда этот процесс останавливается, последствия могут сказаться на всей экосистеме. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

В один из солнечных июльских дней двое учёных, свесив головы с борта лодки, всматривались в ярко-голубую воду озера, известного своей прозрачностью. Они ждали момента, когда чёрно-белый объект размером с тарелку, называемый диском Секки, исчезнет из виду в толще воды озера Крейтер в Орегоне.

Диск медленно опускался краном, лениво вращаясь, словно карнавальный реквизит. Примерно через минуту после того, как он коснулся воды, аспирант Хуан Эстуардо Босель крикнул, давая понять, что больше не видит диск: «Я вылетел!»

Через несколько секунд исследовательница Ева Лайти повторила: «Хорошо, я вышла!»

Оператор крана Скотт Гирднер, долговязый биолог, специализирующийся на пресноводных растениях, проведший большую часть своей взрослой жизни в Национальном парке Крейтер-Лейк, записывал глубину диска для каждого крика. Затем он медленно поднимал его, пока младшие исследователи не закричали снова, когда он снова появился в поле зрения, и записывал и эти значения.

Среднее значение этих показаний, известное как глубина Секки, используется в качестве простого и надёжного показателя прозрачности воды с 1865 года, когда итальянский священник-иезуит Анджело Секки изобрел его по поручению папства. Значение, зафиксированное тем днём 2025 года — около 78 футов (24 метра), что является необычно облачным показателем для озера Крейтер, — теперь является частью одного из самых длительных в мире наборов данных по физике озёр. Первое измерение по глубине Секки было проведено в 1886 году, а с 1983 года учёные начали повторять эту процедуру несколько раз в месяц каждое лето. Когда речь идёт о здоровье озёр, долгосрочные данные — это бесценно.

Размеры озера Крейтер, его природная красота и неземная прозрачность, отражающая его расположение и изолированность, делают его одним из самых известных пресноводных водоёмов в мире. С максимальной глубиной 599 метров это самое глубокое озеро в США. Кроме того, это, вероятно, самое чистое крупное озеро на Земле с ярко-голубым оттенком, редко встречающимся в природе.

«Люди просто поражены и потрясены оптической синевой, которую можно увидеть в чистой воде», — сказал Судип Чандра, лимнолог из Университета Невады в Рино, сотрудничающий с Гирднером. «Эта синева — отражение водорода и кислорода, находящихся вместе без каких-либо примесей».

Однако с 2010 года Гирднер и его коллеги заметили неожиданное изменение в данных Секки: несмотря на легкую облачность в этот день, чистая вода озера Крейтер становится еще прозрачнее.

Это может показаться хорошим знаком. В конце концов, удивительная, словно стекло, прозрачность и великолепный цвет озера привлекают полмиллиона туристов, ежегодно посещающих его. Но это также может указывать на то, что с физикой, химией и экологией озера что-то не так, и это может быть предвестником изменений в озёрах по всему миру в эпоху изменения климата.

По мере того, как планета нагревается, лето становится длиннее, а зимние ночи не такие холодные, как раньше. В результате поверхность многих глубоких умеренных озер нагревается даже быстрее, чем воздух. Этот сдвиг в потоке энергии верхнего слоя воды может привести в движение ряд физических изменений, которые в совокупности приводят к нарушению перемешивания озера — фундаментального процесса, который действует как сердцебиение для глубоких умеренных озер, которые не замерзают зимой. Перемешивание озера обусловлено физическими свойствами, такими как ветер, температура воздуха, температура воды и соленость, и в сезонных или годовых циклах оно циркулирует воду между поверхностью и глубиной. Когда перемешивание прекращается, кислород и питательные вещества не распределяются по всей толще воды, что может привести к гибели рыбы, вызвать неприглядное и опасное цветение водорослей и привлечь инвазивные виды.

От Италии до Новой Зеландии и других стран учёные с тревогой наблюдали снижение перемешивания воды в озёрах. В 2021 году Чандра и его коллеги опубликовали в журнале Nature данные об усилении стратификации водной толщи с течением времени — индикаторе ослабления перемешивания — в 84% из 189 озёр умеренного климата, для которых им удалось найти достаточно обширные и надёжные наборы данных. В некоторых озёрах перемешивание воды полностью прекратилось. «Хотя каждая система уникальна, конечный результат, как правило, один и тот же: отсутствие перемешивания в этих крупных и глубоких озёрах», — сказал Чандра.

Из миллионов озёр мира озеро Крейтер — одно из немногих, программа мониторинга которого существует уже более 40 лет. Сейчас учёные начинают понимать, насколько важны эти наборы данных для понимания физики озёр и того, как изменение климата влияет на них. «Поскольку местная погода может быть чрезвычайно изменчивой из года в год, требуются многие годы, чтобы зафиксировать весь диапазон условий и определить „норму“», — сказал Гирднер. «Отсюда преимущество долгосрочных наборов данных».

Таким образом, озеро Крейтер находится в центре первых усилий исследователей, включая Гирднера и Чандру, по сравнению озерных систем с целью добраться до сути их разрушения, чтобы подготовиться к будущему и, возможно, даже предотвратить самые экстремальные последствия.

«Исторически люди изучали озера по одному», — сказала Стефани Хэмптон, директор Центра исследований окружающей среды Тахо при Калифорнийском университете в Дэвисе. Учитывая, как быстро всё меняется, этот разрозненный подход больше не работает, добавила она. «Нам нужно учиться друг у друга и обобщать полученные данные, чтобы понять, что происходит в мире».

Канарейка в озере

В 2006 году пять глубоких озёр на севере Италии — Изео, Комо, Гарда, Маджоре и Лугано — перестали полностью перемешиваться. Поначалу учёные не придали этому большого значения. Они наблюдали за озёрами с 1980-х и 1990-х годов, и в течение нескольких лет полное отсутствие перемешивания считалось нормой. Но по мере того, как вода оставалась чистой, учёные начали опасаться, что эта пауза может стать постоянной.

Похоже, их опасения оправдались. «Уже 20 лет мы не наблюдаем полного смешивания сверху донизу», — сказала Барбара Леони, специалист по экологии пресных вод из Миланского университета Бикокка. «Не знаю, удастся ли вернуться к прежнему поведению».

Перемешивание воды в озере обусловлено разной плотностью воды при разных температурах. В глубоких озерах умеренного климата это приводит к стратификационному расслоению водной толщи: более лёгкая и тёплая вода поднимается наверх, а более холодная и плотная опускается вниз. Перемешивание может зависеть от множества факторов, но в первую очередь оно обусловлено сезонными изменениями температуры, ветром и волнением.

Поскольку эти характеристики различаются от места к месту и от озера к озеру, смешивание не подчиняется единой формуле. Во многих озерах полное смешивание происходит один или два раза в год, обычно весной и осенью. В очень крупных озерах смешивание может происходить в верхних слоях мелководья в течение годового или сезонного цикла, в то время как полное смешивание до самого глубокого придонного слоя может происходить лишь раз в несколько лет. Изучая различные озера, учёные надеются найти общие закономерности.

Глубокие северные озёра Италии ранее достигали полного перемешивания примерно за семилетний цикл. Летом вода в озере сохраняла чёткие слои, поскольку поверхностные воды прогревались и оставались лёгкими. С понижением температуры поверхности осенью и зимой слои становились ближе друг к другу; под действием ветра вода в озере начинала перемешиваться. Это перераспределяло тепло, кислород, питательные вещества и токсины по всей толще воды.

Однако итальянские озёра больше не работают так. Теперь поверхностные воды не успевают остыть и начать перемешивание. В результате кислород исчезает со дна стратифицированного озера. В озере Изео он уже полностью исчерпан. «У нас 150 метров воды без кислорода», — сказала Леони. Это убивает кислорододышащую жизнь на глубине и трансформирует биологическое сообщество. «В озёрах, где глубинные воды долгое время были лишены кислорода, выживают только бактерии», — сказала она.

Сердца глубоких озёр Италии остановились и больше не обеспечивают циркуляцию питательных веществ; они показывают, что может произойти, когда озёра перестают перемешиваться. Озеро Крейтер предлагает другую возможность: изучить, как именно повышение температуры может нарушить фундаментальные физические законы озера.

Смешивание путаницы

Летом, если смотреть с края древней кальдеры, в которой оно находится, озеро Крейтер представляет собой идеальное зеркало, отражающее движение облаков и краски неба. Но под этой стеклянной поверхностью происходят динамичные процессы.

По сравнению со многими другими крупными озёрами мира, озеро Крейтер практически нетронуто. Оно окружено дикой природой и находится под охраной как национальный парк. Воздух над ним в основном состоит из ветров, дующих с Тихого океана, а поблизости мало загрязняющих окружающую среду городов или промышленных предприятий. В озеро не впадают реки или ручьи, которые могли бы приносить загрязнения; оно наполняется дождём и тающим снегом. В июле Гирднер и Чандра наполнили два больших кулера озерной водой — этого количества хватило, чтобы обеспечить водой команду из примерно 13 приглашённых учёных, студентов и сотрудников национального парка, а также журналиста и фотографа, всю ночь. Вода в озере была такой же чистой, как бутилированная, и сохраняла естественную, освежающую температуру под палящим летним солнцем.

Чистота воды не просто делает озеро Крейтер пригодным для питья: она делает его идеальной системой для изучения влияния климата. По словам Гирднера, без таких факторов, как сельское хозяйство, сточные воды, стоки с парковок и забор воды, которые обычно влияют на другие озера, «легче увидеть влияние изменения климата».

Гирднер начал работать на озере Крейтер в 1995 году и с тех пор курирует программу долгосрочного мониторинга. Он часто говорит своим сотрудникам, что недостаточно просто регистрировать изменения; необходимо также понимать их движущие факторы и их влияние на физику, химию и биологию озера. Для этого каждый вечер в 20:00 трубчатый профилометр спускается по закрепленному металлическому кабелю с глубины 585 метров к поверхности озера Крейтер и обратно. За это время он дважды в секунду измеряет электропроводность воды, температуру, содержание кислорода и соленость. Другие датчики используют свет для измерения флуоресценции хлорофилла и плотности частиц фитопланктона.

Этот набор данных и другие данные рассказывают о состоянии озера Крейтер с течением времени. Как и практически все озера мира, оно становится теплее: средняя температура поверхностного слоя воды выросла на 3 градуса Цельсия с 1965 года. Летом ночные температуры воздуха растут быстрее дневных; самые холодные летние ночи уже не такие холодные, как раньше. Кроме того, летних ночей стало больше: за последние 60 лет в озере Крейтер стало на 33 дня больше летних дней, поскольку весна наступает всё раньше.

В прошлом, когда летние ночи становились холодными, озеро отдавало накопленное за день тепло, в результате чего поверхностные воды становились плотнее и опускались. Это явление обуславливает поверхностное перемешивание, происходящее летом. Однако с потеплением ночей этот процесс ослаб, и перемешивание замедлилось.

Как ни странно, по мере того, как поверхностный слой воды становился теплее, он также стал тоньше. «Летом сейчас на поверхности в среднем вдвое меньше тёплой воды, чем в 1971 году», — сказал Гирднер. Это создаёт более резкую разницу в плотности с холодной водой ниже, что, в свою очередь, увеличивает количество энергии ветра, необходимой для прорыва и перемешивания слоёв.

«Я воспринимаю это как винегрет», — сказал Кевин Роуз, специалист по экологии пресных вод из Политехнического института Ренсселера в Нью-Йорке, сотрудничающий с Гирднером и Чандрой. «Смешивание вызывает сопротивление».

Так какое отношение всё это имеет к тому, что озеро становится чище? И здесь вступает в дело биология. В тёплых поверхностных водах озера Крейтер обитает сообщество фитопланктона. Более тонкий тёплый поверхностный слой означает сокращение среды обитания, а значит, и количества фитопланктона, а значит, и количества частиц в воде, рассеивающих свет. Это повышает общую прозрачность воды и глубину, на которую может проникать свет.

Зимние процессы озера Крейтер, которые перемешивают озеро до самого дна, претерпевают свои собственные глубокие изменения. Эти преобразования включают ослабление явления, называемого обратной стратификацией, при котором слой очень холодной воды, охлажденной холодным зимним воздухом, образуется поверх немного более теплого слоя, температура которого около 4 градусов Цельсия, температура, при которой вода является самой тяжелой. (При температуре ниже этой, молекулы воды начинают организовываться в более легкие кристаллы льда.) Когда сильный ветер толкает очень холодную поверхностную воду горизонтально, по мере приближения к краю озера часть ее вытесняется вниз. Если она выталкивается достаточно далеко вниз, повышенное давление заставляет ее стать плотнее, чем слой воды с температурой 4 градуса. Затем она опускается на дно в течение нескольких часов, создавая эффект перемешивания.

Исторически обратная стратификация наблюдалась в 80–90% зим в районе озера Крейтер. С наступлением тепла это явление становится всё более редким. «Озеро Крейтер находится на грани, и обратная стратификация практически невозможна», — сказал Гирднер.

Это не сулит ничего хорошего для будущего перемешивания воды в озере. Когда коллеги Гирднера использовали его данные для моделирования возможных последствий при различных климатических сценариях, модель предсказала, что обратная стратификация станет редкостью примерно через 50 лет. Если этот процесс полностью прекратится, вода в озере Крейтер вообще перестанет перемешиваться до дна. Через десятилетия начнёт формироваться кислородная мёртвая зона, подобная той, что существует в озёрах северной Италии. Это грозит серьёзными экологическими последствиями, а также накоплением токсичных соединений, которые могут подняться на поверхность, если вода в озере снова перемешается.

Озеро Крейтер только начинает свой путь к столь радикальным переменам. Другое знаменитое озеро, расположенное в нескольких сотнях миль отсюда, подсказывает, что может произойти дальше.

Эффект просачивания вниз

Озеро Тахо, второе по глубине озеро в США, расположенное на границе Калифорнии и Невады, когда-то соперничало по прозрачности с озером Крейтер. В XIX веке сквозь его кристально чистую воду просвечивали камни. Затем, в 1950-х годах, быстрый рост населения загрязнил воду, что привело к росту водорослей вдали от берега. В последние годы эти водоросли проникли на мелководье. Данные с диска Секки показывают, что с 1967 года прозрачность воды в озере Тахо снизилась почти на 12 метров. Некогда насыщенный голубой оттенок озера в некоторых местах теперь потускнел.

Эти тенденции, вероятно, сохранятся по мере дальнейшего изменения климата, считает Майкл Деттингер, гидроклиматолог из Института океанографии Скриппса при Калифорнийском университете в Сан-Диего. По мере того, как перемешивание воды в озере Тахо нарушается, а летние воды становятся теплее и дольше сохраняют тепло, фитопланктон получает более активный вегетационный период и замутняет воду. В течение следующего столетия прогнозируется более интенсивные и частые штормы, которые, вероятно, приведут к «огромному выбросу» осадков и питательных веществ в озеро, сказал Деттингер. Дым от лесных пожаров также осаждает частицы, которые могут изменить структуру и состав питательных веществ в озере.

По словам Чандры, подобные события могут влиять на траекторию движения озера на годы. В сочетании с изменением перемешивания воды в озере они создают порочный экологический цикл.

Цветение водорослей является результатом этих и других нарушений. Помимо гибели рыбы, накопление бедной кислородом и богатой питательными веществами воды в стратифицированном озере, особенно в озере с повышенным содержанием питательных веществ из-за стока и лесных пожаров, может привести к просачиванию воды к береговой линии, вызывая рост прибрежных водорослей, которые образуют зелёное кольцо вокруг прозрачного центра. «Это одна из рабочих гипотез, объясняющих, что, по нашему мнению, происходит в озере Тахо», — сказал Чандра.

В 2021 году на озере Крейтер впервые произошло цветение прибрежных водорослей. «Выглядело так, будто кто-то прошёлся по берегу огромным ярко-зелёным маркером», — сказал Гирднер. Поскольку экскурсии по озеру были закрыты из-за пандемии COVID-19 тем летом, общественного резонанса не наблюдалось. Если бы цветение произошло обычным летом — например, в июле 2025 года, когда туристы на пассажирских лодках заполонили озеро, чтобы полюбоваться, казалось бы, бездонной синей бездной вокруг, — ситуация могла бы попасть в заголовки национальных газет.

Когда появилось зелёное кольцо, Гирднер и его коллеги были ошеломлены. Сначала они понятия не имели, что могло стать причиной такого внезапного роста. Затем они заметили характерную деталь: самые зелёные места были там, где обитало наибольшее количество инвазивных раков. Когда раки перемещаются в определённую зону, популяция личинок насекомых и других водных беспозвоночных, питающихся водорослями, сокращается примерно на 95%. «Они просто убивают насекомых», — сказал Гирднер. В ходе экспериментов Гирднер и его коллеги обнаружили, что в местах обитания раков водорослей растёт примерно в семь раз больше, чем в местах их отсутствия.

Однако Гирднер подозревал, что дело не только в раках. Эти инвазивные хищники, к сожалению, появились в озере в 1915 году, но за прошедшее столетие других крупных вспышек водорослей не наблюдалось. Вместо этого он и его коллеги обнаружили, что рекордно высокая температура воды исключительно жарким летом 2021 года способствовала росту водорослей. Раки лишь подстегнули этот процесс.

Более мягкие зимы позволили популяции раков разрастись и распространиться на новые участки озера, что ещё больше нарушило экосистемы. Тритон Мазама (или тритон Крейтер-Лейк), подвид, не встречающийся больше нигде в мире, практически исчез. Помимо конкуренции за одну и ту же беспозвоночную добычу, раки также захватывают тритонов клешнями и пожирают несчастных земноводных живьём.

Аналогичные тенденции распространения инвазивных видов, обусловленные климатическими изменениями, наблюдались и в других озёрах. Эти каскадные последствия иллюстрируют тот факт, что условия в озёрах неразрывно связаны с климатом, сказал Чандра. «Мы не можем отделить биологический состав и взаимодействие в озере от климатических условий ландшафта».

Изучение взаимодействий между климатом, перемешиванием озер и экологией в озере Крейтер даст исследовательским группам по всему миру план того, чего ожидать в условиях продолжающегося глобального потепления, и может стать ключом к предотвращению наихудших сценариев.

Неопределенное будущее

В прошлом году Чандра, Леони и другие исследователи сидели в кафе у озера Изео, обмениваясь своими наблюдениями об изменении климата на своих озёрах, когда владелец кафе прервал их. «Зачем нам вообще это знать?» — вспоминал Чандра, как он спросил. «Мы мало что можем с этим поделать, так что зачем вообще беспокоиться?»

Чандра часто сталкивается с подобным мнением. Однако он надеется, что некоторые последствия для озёр можно замедлить или предотвратить. Хотя отдельные лица не могут остановить чудовищную силу изменения климата, сказал он, локальные вмешательства могут сыграть свою роль. Эти стратегии будут зависеть от контекста, но могут включать в себя работу по балансировке питательных веществ в озёрах, борьбу с инвазивными видами, очистку от загрязнений или восстановление лесов и водно-болотных угодий вокруг озёр.

Вероника Нава, научный сотрудник по экологии пресных вод Миланского университета Бикокка, считает, что сотрудничество между различными группами учёных может повысить эффективность подобных вмешательств. «Если с одним озером уже произошла та же ситуация, что и с вашими наблюдениями, можно разработать более эффективные стратегии», — сказала она.

Командная работа — это «настоящее направление развития науки о пресной воде», — сказал Хэмптон. Но подобные усилия пока находятся на начальном этапе, поскольку исследователи лишь в последние несколько лет начали задумываться о сравнении экосистем крупных озер. Теперь же угрозы американским исследованиям подрывают их недавно налаженное сотрудничество. «Сокращение финансирования исследований очень сильно ударит по крупным коллаборациям», — сказал Хэмптон.

Будущее даже образцовой научной программы озера Крейтер находится под угрозой. Гирднер, посвятивший почти всю свою карьеру исследованию озера, в конце года выходит на пенсию. Федеральное правительство заморозило набор сотрудников в Службу национальных парков, поэтому его должность останется вакантной на неопределённый срок. По его словам, нереалистично ожидать, что его коллеги продолжат те же исследования самостоятельно. «Нам придётся сократить объём нашей работы», — сказал он.

А пока они сосредоточены на том, что могут сделать: добавить ещё один год данных к истории озера Крейтер. После насыщенного дня Гирднер направил судно обратно к причалу на острове Уизард – вулканическом шлаковом конусе, выступающем из озера Крейтер, словно остроконечная шляпа. В захламлённом эллинге деревянные стены были покрыты десятилетиями подписей и зарисовок, свидетельствующих о студентах и учёных, внёсших свой вклад в более глубокое понимание озера. Чандра сварил несколько инвазивных раков до восхитительной мягкости, и группа съела их, политая острым соусом. Они передали друг другу несколько бутылок просекко, чтобы отметить уход Гирднера на пенсию.

Когда солнце клонилось к закату, измученные ученые развернули спальные мешки на причале. Гирднер провел на острове бесчисленное количество ночей (чаще, чем хотелось бы его бывшей жене, признался он). Эта была одной из последних. Небо, мягко окрашенное в розовые, оранжевые и золотые тона, медленно темнело, и в поле зрения появился Млечный Путь. Голоса затихали, летучие мыши скользили по неподвижной поверхности воды. Будущее озера было неопределенным. Но необходимость защитить его природное великолепие была очевидна как никогда.

Источник: www.quantamagazine.org