Как математические модели могут помочь очистить воду в водоемах? А воздух над городом? Какие здесь существуют опасности и есть ли реальные пути решения проблем?

Об этом журналисту издания «Научная Россия» Наталье Лесковой рассказывает директор Института биофизики Красноярского научного центра СО РАН академик РАН Андрей Георгиевич Дегерменджи.

— Андрей Георгиевич, с чего начались ваши исследования чистоты воздуха больших городов, почему решили взяться за эту тему? Вы ведь не эколог. 

— Да, это не моя прямая специальность, но экологические работы везде актуальны, во всем мире, в том числе в России, которая долгое время из-за больших пространств не обращала внимания на качество среды. В конце концов ситуация с антропогенным воздействием на среду существенно усугубилась и у нас в стране, поэтому приходится искать решения.

Начались наши работы с водных систем. Специфика моей специальности — математическое моделирование водных систем — была исторически заложена в мой нарратив. Начинали с лабораторных систем: есть такие системы проточного культивирования, в которых микробы растут на протоке. Самое прямое назначение этих культиваторов — очищение воды от органических загрязнений. Появился математический аппарат для их описания и прогноза, и дело пошло.

— В Красноярском крае водные проблемы существуют?

— Они у нас очень остры. Особенно проблема массового размножения сине-зелёных водорослей, из-за которого развивается так называемое цветение воды. Водоросли отравляют воду, выделяют канцерогены. Да они и просто физически неприятны, когда купаешься в озёрах.

Стали разбираться, чем можем помочь. Оказалось, что кроме наблюдения за цветением воды (какие концентрации, как они распределены в этих водоёмах, в какие сезоны возникают, когда исчезают) наука пока ничего не сделала. Но здесь следует сказать: когда мы работали с проточными системами в лаборатории, мы могли управлять всеми процессами и контролировать их. Самый главный результат науки — управление! Управление для достижения заданной цели. Чем мы можем помочь природе или компенсировать антропогенные воздействия? Научиться ими управлять так, чтобы было хорошо и природе, и нам.

— Получилось?

— Не сразу. В физике хорошо поставлены варианты управления. А в экологии — только наблюдение и некоторые гипотезы. И вот в одном из небольших водоёмов Красноярского края мы с гидробиологами затеяли работу, в результате которой наблюдение должно было закончиться управлением.

Для экологических систем нередко используют медицинскую терминологию, в каком-то смысле это оправданно. Измерить температуру больного — это наблюдение, поставить диагноз — в какой-то степени механизм воздействия. Потом важно понять, каким образом в организме поднимается температура, а далее сделать вывод, как можно её эффективно снизить.

Тут то же самое: наблюдение — это численность водорослей в водоёме. От этих наблюдений к управлению очень большой путь — экспериментальный, теоретический и затем технологический. Дальше высказывается группа гипотез, как в медицинской диагностике. Но в диагностике, имея совокупность факторов наблюдения, врач (или теперь искусственный интеллект) говорит: скорее всего, вот это заболевание.

В нашей работе с водоёмом до диагноза было далеко. Но мы нашли механизм, почему он цветёт. Следующий шаг в медицине — инструментальная диагностика; в экологии — экспериментальная диагностика: эти воды запускаются в лабораторные системы, с ними проводятся эксперименты и подтверждается или нет хотя бы основа этого механизма. После этого вступает в силу «тяжёлая артиллерия» диагностики: в медицине — ИИ, а у нас в экологии — специально разработанные математические модели.

— Можно ли верить этим моделям? Они не всегда работают.

— Когда можно верить математическим моделям? Когда они проверены на натурных данных. Они близки к расчётным, это называется «ретропрогноз», прогноз назад по тем данным, которые у нас были, проверка, так называемая верификация.

Затем включается самое главное — варианты управления. Чем я могу воздействовать на водоём на основе реальных механизмов, заложенных в математическую модель? Включаются способы управления, и мы видим: да, механизм теоретически действует, он приведёт в данном случае к уменьшению цветения, водоросли перестанут массово размножаться. После этого должен быть еще этап, который называется «маленький водоём в подобии», — это лабораторный водоём.

— Так чем же закончилось дело? Вы смогли победить цветение в конкретном водоёме?

— Да, у нас получилось. Мы применили сценарий, рассчитанный с помощью модели: мы запустили туда щук, которых там никогда не было. Они съели обитающих там карасей, которые стимулировали размножение сине-зелёных водорослей. На следующий год цветение упало до нуля.

— Получается, щуки спасли водоём? Это универсальный приём?

— Нет, могут быть другие механизмы. И еще одна сложность: водоёмы могут быть большие (как Байкал), и затраты на управление получаются довольно высокие. Кантатское водохранилище — второе, которому мы поставили диагноз. Причем поставили вопреки представлениям хозяйствующих органов города Железногорска. По нашему мнению, там нужно было закрыть или откачать всё дно: оттуда шел минеральный фосфор, стимулирующий рост водорослей. Я предлагал закрыть дно бетонными плитами — через 20 лет все восстановится. У них там неправильно сделанное искусственное озеро.

— Послушали вас?

— Тогда нет. Через 20 лет С.К. Шойгу, будучи министром МЧС, проезжал этот город, жители ему, видимо, пожаловались. Он дал деньги, частично откачали этот ил — и цветение уменьшилось! Поэтому в экологические исследования должен быть внедрён принцип: пока теория (или математическая модель) не сказала свое окончательное слово, ничего практического не предпринимать, что лишний раз подтверждает справедливость афоризма: «Нет ничего практичнее хорошей теории» (Густав Кирхгоф). При нарушении этого принципа могут быть неэффективно истрачены значительные ресурсы, поскольку сложные системы за счёт обратных связей обладают так называемым контринтуитивным поведением и управление на деле не дает нужного результата.

На той же основе, что и для водных систем, — наблюдение, эксперимент, математическая модель, — возникла идея сделать то же самое для атмосферы городов, в том числе для Красноярска.

— Как вы стали это осуществлять с атмосферой? В атмосферу ведь щуку не запустишь.

— В 2021 году был создан совет по экологии при Сибирском отделении РАН, там есть секции экологии городов, водных и наземных экосистем. В промышленно развитой Сибири у этих трёх систем большие проблемы и задачи. Красноярск, Новокузнецк — какой город ни возьми, везде проблемы качества воздуха.

Тогда я предложил перенести то, что мы делаем на водных системах, на города. Что здесь главное — это наблюдение загрязнения воздуха внутри города. Если говорить о Красноярске, система Росгидромета имеет здесь много станций постоянного наблюдения, на которых регулярно измеряются десятки показателей химического загрязнения атмосферы. Около шести тысяч источников выбросов этих загрязнений. Кроме того что в атмосфере города идут распространение, перенос, осаждение выбросов на снег, имеется такая составляющая, как химические реакции, происходящие между веществами в атмосфере. Главной задачей на первом этапе стало выяснение того, правильно ли мы рассчитываем концентрации загрязняющих веществ внутри города, и сравнение их с данными на станциях наблюдения Росгидромета.

Дело в том, что существующие в науке модели заметно отличаются от моделей, которые сейчас используют Министерство природных ресурсов и Росгидромет. Это модели современные, многие из них — трёхмерные, рассчитываются на суперкомпьютерах. Учитываются ветровой перенос, турбулентная диффузия, тепловая структура, инверсии и другое. Рассчитать в каждой точке города концентрацию конкретного вещества, приходящего из разных источников, — это первая задача. Мы должны так построить эти математические модели, чтобы смоделированные концентрации были близки к натурным наблюдениям. А за многие годы накопились огромные базы данных этих наблюдений.

— Для каждого конкретного города нужна своя модель?

— Да, но в моделях может быть и сходство. Скажем, для одинаковых типов городов. Например, многие города долинного типа, такие как наш Красноярск. Но сложность в том, что выбросы, ветровые переносы, осаждения, влияние климата могут сильно различаться. И поэтому строить такие модели надо на весь год, регулярно проверять, как они работают. Представляете объём работы?

После приведения в порядок данных наблюдений возникает вопрос с управлением, и это главный вопрос, ради которого и создавалась модель. Как и чем управлять? Химики, технологи, специалисты разных ведомств должны начать прорабатывать варианты и предлагать в итоге новые структуры выбросов загрязнений. Самый лёгкий вариант для Красноярска — провести газ. Хотя президент говорит, что в Красноярске газ будет, я в своих расчётах исхожу из худшего варианта — если газа не будет или не все потребители его получат. Если будет, многие вопросы автоматически снимутся.

— Почему? Не будет дымить частный сектор?

— В основном это. Я смотрел данные по ТЭЦ. Новосибирск работает на буром угле. У него выбросы соединений серы, азота, СО — 18 тысяч тоннт. В Челябинске похожая по мощности ТЭЦ — у них выбросы в шесть раз ниже, потому что работают на газе.

— А какая ситуация с этим в Красноярске?

— Тут много проблем, потому что газ проводить ради Марьи Ивановны, которая живёт в отдельном доме, дорого. Есть предложение: у нас работают две мощные ГЭС — Красноярская и Саяно-Шушенская, обе снабжают энергией алюминиевые комбинаты. Алюминий у нас идет на экспорт, но надо как-то учитывать интересы города. Поэтому есть ещё один вариант — перевести всех на электричество. Идея хорошая, но надо считать. Когда строили ГЭС, красноярцам сказали, что киловатт будет стоить копейку, но это было в другой социальной системе. Сейчас вся электроэнергия идет на алюминий, и что делать с частным сектором, непонятно. Но этот разговор не столько научный, сколько социально-экономический и технологический. Но модели будут ждать новой структуры выбросов.

— Значит, предполагаем худший вариант: газа не будет или будет не для всех. И что тогда?

— Тогда химики-технологи на действующей математической модели должны попробовать предложить другие способы сжигания того же угля — есть каталитические конструкции, обеспечивающие глубокое сжигание, фильтрация чёрных выбросов сажи и т.п. Автомобили должны быть оборудованы катализаторами. Некоторые уже ими оснащены, большинство, наверное, нет. Никакого аудита, конечно, не проводится. Значит, нужен такой аудит. А в целом — изменение типа сжигания вкладывается в созданную верифицированную математическую модель («цифровой двойник атмосферы»), дальше — расчёт, как это отразится на концентрациях внутри города, в каждой точке.

Простой вопрос, сложный ответ. Мы каждую точку в городе сможем рассчитать — как она изменится, и только после этого надо принимать решение, что делать. Разговоры — а давайте на 20% сократим выбросы, — это ни о чём. Почему на 20%? Это зависит от устройства ветровой обстановки в городе, а город по концентрациям пёстр, сильно неоднороден! Средняя концентрация, например, выше допустимой, но везде по-разному. Поэтому, когда будет модель расчёта каждой точки в городе, тогда будет ясно, что делать и какие сценарии приемлемы.

Вот, например, район больниц — это особый район, тут надо построже, здесь концентрации должны быть ниже. Сценарий, когда выбросы подбираются так, чтобы обеспечить в спальных районах, в больничных комплексах комфортную жизнь, — это правильно. Когда мы до этого дойдем, ведомству предъявляются вариант расчёта, опробованные сценарии, технологии, а затем идет логически выверенный процесс технологического улучшения качества воздуха.

— Слышала про «чёрное небо» в Красноярске. Это правда?

— Да, у нас бывает состояние «чёрного неба». А еще у нас Енисей — тоже проблема: он не замерзает зимой, а парит. Минус 40 на улице, а он бежит еще 300 км, будто жарко.

— Почему?

— Потому что на ГЭС водозабор берётся с глубины 40 м от поверхности водохранилища. На такой глубине вода теплее, поэтому, проходя через ГЭС, она не успевает остыть и доходит до Красноярска с температурой выше фоновой. У этой воды также высокая турбулентность — за счёт падения с высоты она себя греет. Только на расстоянии 300 километров от ГЭС она замерзает, в районе Ангары. Вот беда!

Нам казалось, что сочетание вредных выбросов в Красноярске и высокой влажности от испарения воды незамерзающего Енисея породит большое число лёгочных заболеваний. Специальную работу проделал институт, смотрели ретрозаболевания, те, что были раньше у детей. Клиники подняли отчёты. Работа кончилась ничем. Мне показалось, что тут была не очень верная статистика и работу надо повторить на более высоком уровне, более строгом и принципиальном.

— Енисей парит — как это влияет на климат?

— Нас это тоже заинтересовало. Полных моделей ещё нет, есть только основания. На днях у меня встреча с губернатором, я ему буду рассказывать то, что сейчас рассказываю вам, и показывать, что можно сделать. А если вернуться к «чёрному небу», то оно возникает, когда зимой штиль. Народ видит тёмное небо над городом — холодно, неприятно.

— Почему оно образуется?

— У всех долинных городов есть «остров тепла», город сам себя греет: дома греются, машины бегают, и это тепло поднимается вверх, а с гор стекает холодный воздух. Так же и в Алма-Ате, и в Тегеране. Эта холодная масса стекает вниз и выталкивает тёплый воздух наверх, получается инверсия температуры — внизу у поверхности земли –20, а наверху –15. Воздух теплее наверху, потому что там плотность ниже, а внизу она выше, там воздух сжат. Тёплый воздух застаивается, как правило, на высоте метров 200–300–500. Это ниже гор, в долине. Модели показывают интересные вещи: в атмосфере над городом возникают круговые структуры, которые крутятся внутри города, проходят около гор, поднимаются вверх в центре, уходят снова в горы к склонам. И получается, что все выбросы начинают концентрироваться в самом городе и при штиле не рассеиваются.

— Как долго держится «чёрное небо»?

— До недели. Если бы не выбросы, инверсия была бы, а «чёрного неба» никто бы не видел. Это просто визуализация инверсии температур. Это называется «обратный ход температуры». Мы с министром экологии обсуждали эту проблему. Оба согласились, что рост концентрации загрязняющих веществ иногда имеет катастрофический характер. Что же делать? Тоже строить модели. Эти работы очень трудоёмки во всех отношениях: и модельно, и в сборе данных. Здесь главное — разобраться с самим эффектом.

— Допустим, вы разобрались, всё объяснили. Что дальше?

— Тут возникает вопрос: есть ли подходы к управлению «чёрным небом»? И что такое управление «чёрным небом»? Всё небо не исправить, нужно нагреть воздух под городом, а над городом — охладить. В этом случае кривая температуры перевернется: вверху станет холоднее, внизу — теплее, а это и есть классический, нормальный ход температуры. Но это абсолютно нереально.

Дальше следует ещё один вопрос: какова роль Енисея в этом «чёрном небе»? У нас мало средств наблюдения. Как устроена влажность? Мы пока можем только температуру мерить. Есть дистанционные приборы, которые могут делать это через каждые 15 минут. Долину не изменишь, выбросы изменим не скоро, а люди недовольны уже сейчас.

— Так что же делать?

— Есть технологические способы «убить» инверсию, перевернуть её. Найти какое-то место в черте города, где можно прорезать дыру в этом инверсионном потолке, сделать трубу, вытянуть ее. Тогда загрязнения — то самое «черное небо» — уйдут за пределы инверсионного слоя.

— То есть мы всю свою грязь просто забрасываем повыше, в атмосферу?

— Эта грязь и раньше была там, только сейчас она не уходит. Оказалось, есть около десятка патентов, которые предлагают варианты воздействия на эту инверсию. Если на выбросы сейчас нельзя влиять, на инверсию вроде как можно. Например, тепловыми воздействиями. Эти патенты хочется попробовать реализовать. А там чего только нет: и пушки, и аэростаты… Вытянет или нет — отдельный разговор, надо теоретически считать и проверять, но варианты есть.

— Но ведь проверять каждый такой сценарий — это очень долго и дорого?

— Уйдут годы. Но есть же экспериментальные модели в подобии, о которых я уже говорил. Например, Красноярскую ГЭС уменьшили — она была 400 км (длина водохранилища), ее сделали 50 м.

А почему нельзя экспериментально сделать «чёрное небо» и на нём проверить все сценарии в действии? У нас красноярская группа теплофизиков владеет техникой создания этих экспериментальных стендов. Я уже нашёл в институте огромный зал. Бывает, что воздух в стенде заменяют водой, потому что теория подобия требует таких условий. Но можно сделать и воздушный стенд, он побольше. Это не проблема. Проблема — в обеспечении, как измерить течение, ветровые скорости и прочее.

— А Енисей?

— Маленький Енисей там тоже может бежать. Когда Енисей бежит, у него возникают микропотоки, и там будут микропотоки — вот ведь чудо! Все сценарии можно проверить на стенде. Отдельно — теория, которая рассчитывает их же; а второе — как эта теория работает на стенде. Теория плюс экспериментальные стенды — залог полного понимания как условий инверсии, так и возможности ее частичного разрушения.

Проблема в том, что, когда вы обратным ходом начнете пересчитывать затраты энергии на природную систему, может оказаться либо дорого, либо неподъемно по технологиям. Нигде в мире ни разу этого не делали, опыта нет. А модельеры и теплофизики у нас очень толковые, энтузиазм полный, у губернатора и его команды активность предельная, поэтому очень хотелось бы, чтобы у нас все получилось.

— Вы сказали, что зимой Енисей тёплый. А летом-то он холодный!

— Да, и это ещё она проблема. Он не нагревается выше десяти градусов. В Красноярске любят купаться, но это невозможно! Нам вроде обещал Гидропроект при строительстве ГЭС, что будет тепло в нижней зоне, в городе, а зимой Енисей будет замерзать, водохранилище не будет цвести. Все оказалось наоборот. Вода летом холодная, зимой тёплая, водохранилище цветёт.

— И что вы придумали?

— В чем идея: давайте сделаем Енисей тёплым! На ГЭС стоит 12 турбин — гидроагрегатов, они берут воду с глубины 40 метров. Там летом холодная вода, где-то три градуса тепла. А теперь давайте поставим на каждый генератор шланги-водоводы. Сделаем подъёмное устройство и выведем шланги наверх. В этом случае воду будем брать с поверхности водохранилища, там вода +25. Тогда ГЭС будет использовать верхнюю воду летом.

— Какая же будет температура воды летом внизу?

— Тут возникает вопрос: сначала пойдет тёплая вода сверху, но не начнёт ли потом подтягивать холодную воду снизу, объёмы-то огромные? У нас есть программа — «цифровой двойник водохранилища». Как цифровой двойник улучшения атмосферы, так и цифровой двойник водохранилища. Он поможет рассчитать течение на любой глубине — когда мы забираем сверху, сбоку, слева, снизу. Так давайте поставим в эту модель верхний водозабор и посмотрим, как будет устроено течение. Главное нам — продержаться лето, чтобы люди могли купаться. Этот расчёт абсолютно реален. Мы можем всё это сделать.

Зимой — наоборот: плавающие водозаборы, шланги-водоводы уходят на дно, потому что сверху почти нулевая температура, но тогда есть опасность, что Енисей замёрзнет в Красноярске. Это может привести к серьезным подтоплениям как в черте города, так и за его пределами из-за зажоров. Чтобы этого не допустить, мы поставили крест на разговорах про замерзание Енисея зимой в черте Красноярска. Если мы опустим водозаборы на дно, зимой Енисей станет чуть теплее, чем сейчас, но это не приведёт к катастрофическим последствиям.

— Это потепление повлияет на инверсию?

— Конечно, всё связано. Главное — детально всё обсудить и решить, что нам надо делать в первую очередь, а что во вторую, и постараться провести все исследования за три года. На самом деле затраты на проект (около 100 млн рублей ежегодно) для ответа на вопрос «Как нам жить дальше?» — невысокая цена.

Источник: «Научная Россия».