Специалисты Азово-Черноморского филиала Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии разработали математическую модель Азовского моря. Группа специалистов начала работу над проектом еще в 2017 году. Среди авторов - заведующий лабораторией гидробиологии Дмитрий Афанасьев, заведующий отделом информационных технологий Сергей Кульба.
Основой новой модели стала аналогичная работа, реализованная еще в 70-е годы прошлого века. Ее авторами были сотрудники Ростовского государственного университета и Азовского НИИ рыбного хозяйства под руководством академиков Иосифа Воровича и Юрия Жданова. В 1983 году ученые получили за свой труд государственную премию СССР.
За почти 50 лет, прошедших с момента изобретения первой математической модели, в Азовском море многое изменилось. Стали редкими многие традиционные виды рыб, например, осетровые. Появились вселенцы из других морей: полезные, как, например, пиленгас, и не очень – гребневики. Изменилась гидрология реки Дон, значительно сократился его сток. За это время изменился и климат: зимы стали мягче, температура воды выше.
– Можно представить, на какой технической компьютерной базе эта модель была сделана тогда. Программный код хранился на перфокартах, – отмечает Дмитрий Афанасьев. – С математической точки зрения модель была очень хорошей. Но способ ее компьютерного воплощения находился на уровне 70-х годов.
К разработке модели в те годы были привлечены ресурсы почти всего Азовского НИИ рыбного хозяйства и институтов РГУ - порядка 100 специалистов. В 90-е годы программный код модели был фактически утерян.
Вот почему возникла идея новой математической модели Азовского моря. Ученые изучили сохранившиеся отчеты почти полувековой давности и поняли, как она была организована.
– Мы живем в век моделирования. Все сегодня доказывается и опровергается именно при помощи прогнозирования на основе большого количества данных: начиная от поведения отдельных особей в природе и заканчивая попыткой создать модель глобальных климатических изменений, – отмечает разработчик.
Однако новая модель не стала абсолютным аналогом прежней. Благодаря современным технологиям, наука шагнула далеко вперед. И в новую модель были введены в несколько раз больше данных о видах, обитающих в Азовском море, их питании, среде обитания, климате и многом другом
Данные, которые вносят в модель, собираются учеными в морских и прибрежных экспедициях, наблюдателями на промысловых судах. Кроме того, обрабатываются данные дистанционного зондирования земли (космические снимки) и данные станций метеонаблюдений.
Модель работает следующим образом. Моделируется экология вида: как особи вида растут, что едят, как размножаются, как на них влияют межвидовые и внутривидовые взаимоотношения и внешняя среда. К примеру, как чувствуют себя рыба при разной солености воды или концентрации кислорода в воде, изменениях температуры. И так по каждому виду. Все эти параметры увязываются друг с другом. На каждом шаге модель просчитывает, что будет с экосистемой через сутки, неделю, месяц, год и так далее. Особый интерес, например, представляют взаимоотношения между основными промысловыми видами Азовского моря – хамсой и тюлькой, а также их основным конкурентом – вселенцем из других морей, гребневиком мнемиопсисом. Расчеты показывают, каких особей станет больше, каких меньше. Что-то изменится в системе. И так постоянно. Например, осенью температура воды снижается. Соответственно, снижается продуктивность одних организмов, а продуктивность других увеличивается. Активно размножаются сине-зеленые водоросли, хамса интенсивно питается и готовится уходить на зимовку в Черное море, а некоторые виды летнего зоопланктона переходят в зимующее состояние. Все просчитывается с шагом в одни сутки.
Самый впечатляющий результат имитационной модели посвящен влиянию медузоподобных организмов гребневиков на запасы рыб. Гребневик мнемиопсис – медузоподобное существо, которое появилось в Азовском море около 30 лет назад. Гребневики не только активно потребляют кормовые ресурсы рыб, но и поедают их икру и молодь. Это приводит к сокращению промысловых запасов.
– У разработки есть несколько прикладных и фундаментальных задач. Кроме того, мы осознаем, каких знаний нам недостает и что требует дополнительных исследований, – говорит Дмитрий Афанасьев.
Большой научный интерес представляет экспериментирование с моделью. В ней можно воспроизвести ситуацию, которая в природе наблюдается очень редко, но способна серьезно повлиять на экосистему.
– Иногда в природе что-то происходит, и ученые долго пытаются понять, что именно, почему все время было так, как было, а потом внезапно что-то поменялось. Исчез какой-то вид, или, наоборот, его стало много. Понять, почему это происходит, – очень непростая научная задача, – объясняет разработчик.
Опираясь на моделирование, ученые могут делать краткосрочный и долгосрочный прогнозы того, что будет в будущем происходить с морем.
– Мы должны готовиться к тому, что через 20 или 50 лет климат может измениться настолько, что условия в Азовском море будут совершенно не похожими на нынешние. Наша модель позволяет рассмотреть различные сценарии, в том числе, экстремальное потепление и осолонение, – отмечает Дмитрий Афанасьев.
В отличие от математической модели 70-х годов, требующей вычислительного центра, новая разработка может быть реализована на мощном персональном компьютере. Правда, ученые отмечают, что нужна довольно широкая сеть наблюдений для того, чтобы сделать выводы.
Нынешняя модель – это не конечная версия. В планах – увеличить число параметров, которые она обрабатывает, расширять ее функционал, увеличивать количество видов, с которыми она способна работать. Сразу промоделировать все виды, их поведение невозможно. Пока ученые начинают с обобщенных параметров.
