Душой мы все гидрологи: кто и как изучает самое удивительное вещество планеты

Оксид водорода, или вода, — не только самое распространённое химическое соединение на Земле. Это обычное и одновременно загадочное вещество — основа жизни на нашей планете. Без него не было бы и самого человека, тело которого примерно на 60% состоит из воды. Трудно переоценить роль воды и в жизни природных ландшафтов. Она обеспечивает перенос тепла и вещества, создаёт формы рельефа, поит и кормит живые организмы. Реки, озёра, моря и океаны в далёкие времена стали дорогами, по которым первые географы отправились изучать и покорять этот мир. Можно смело сказать, что без воды не было бы и географии. По словам заведующей кафедрой гидрологии суши географического факультета МГУ Натальи Фроловой, каждый из нас в глубине души — гидролог. Просто не каждый готов в этом признаться. Об одной из главных ветвей могучего древа географических наук и о людях, посвятивших жизнь изучению водной стихии, она рассказала читателям сайта РГО.

— Наталья Леонидовна, роль воды в возникновении жизни на Земле можно назвать решающей. Без гидросферы не появилась бы ландшафтная оболочка, без водотоков и водоёмов не состоялась бы человеческая цивилизация. Получается, что гидрология — самая важная часть географии? Насколько это древняя наука?

— Прежде чем говорить о гидрологии как о науке, надо сказать несколько слов о том, что мы изучаем, о роли воды и водных объектов в формировании географической оболочки Земли, в нашей жизни. Эта роль чрезвычайно велика. Вода образует океаны, моря, озёра, реки, ледники, находится в виде пара в атмосфере, проникает в почву и горные породы литосферы. Она — не только важный компонент многих ландшафтов, но и активный геологический и географический фактор. Благодаря своей подвижности вода играет важнейшую роль в обмене веществом и энергией между геосферами и различными географическими районами. Универсальная роль воды в природе объясняется её уникальными, аномальными физическими и химическими свойствами. Это единственное вещество, существующее на нашей планете в трёх агрегатных состояниях. Его особенности определяют многие характеристики климатических, метеорологических и геоморфологических процессов на Земле.

Вода также была и всегда будет самым важным природным ресурсом для человека. Она — необходимое средство жизнедеятельности. Мы пьём воду, вода входит в состав продуктов питания. Она же — источник энергии, необходимое условие существования сельского хозяйства, водного транспорта, многих отраслей промышленности, рыбного и коммунального хозяйства, отдыха и туризма. Вода действительно пронизывает всю жизнь человечества, нехватка воды — тяжкое бедствие. Её наличие — непременное условие поддержания экологического равновесия и биоразнообразия в водных объектах и на суше. С ростом населения планеты и неуклонным расширением хозяйственной деятельности растёт и потребность в воде. Одновременно с этим увеличивается и значение гидрологических знаний.

Наука, изучающая воды суши, впервые была названа гидрологией в конце XVII века в Германии. Как научная дисциплина она обособилась в 1674 году с появлением книги брата известного сказочника Шарля Перро — Пьера. Его работа "О происхождении источников" стала результатом исследований во время сооружения водопровода в Лувре. Автору потребовалось определить количество воды в Сене. Пользуясь современными терминами, он должен был измерить расход воды в этой реке. Перро решил задачу. Он определил количество осадков и величину испарения в бассейне реки, а затем вычел из первой величины вторую. По сути — решил основное уравнение водного баланса в природе, хотя официально это уравнение будет записано австрийским исследователем Пенком лишь 200 с лишним лет спустя — в 1896 году.

Конечно, гидрология имеет гораздо более длинную историю и считается одной из древнейших наук в истории человечества. Ещё шесть тысяч лет назад жрецы Древнего Египта наблюдали за уровнем воды в Ниле и оставляли зарубки на скалах и ступеньках, фиксируя уровни во время разливов. Уже тогда существовала своеобразная сеть станций гидрометрических наблюдений — так называемых ниломеров, расположенных вдоль русла реки. До нас дошла только часть результатов этих наблюдений продолжительностью в 1250 лет.

Вот и выходит, что среди наук о Земле гидрология, безусловно, одна из древнейших. Её развитие шло по пути постепенного накопления знаний, организации наблюдений за режимом водных объектов, обобщения эмпирических фактов. Уже потом были сформулированы основы гидрологической теории. Поначалу наша наука развивалась как отрасль физической географии, гидротехники, геологии, навигации. Как система научных знаний она оформилась только в начале XX века.

Роль гидрологии в жизни человека, часто недооцениваемая, исключительна. И это обусловлено не какими-то особыми достоинствами гидрологов, а вполне объективными обстоятельствами — уникальными свойствами воды как химического вещества, являющегося главным компонентом всего живого и той среды, в которой мы способны обитать.

— Какое место гидрология занимает в системе географических наук? Как она связана с другими естественными науками?

— Гидрология, безусловно, является фундаментальной наукой. Она изучает природные воды Земли и процессы, которые в них происходят при взаимодействии с атмосферой, литосферой и биосферой, учитывая при этом влияние хозяйственной деятельности человека. Поэтому гидрология занимает важное место среди других геофизических наук, наук о Земле, наук, имеющих отношение к трём основным "геосферам" — литосфере (геология), атмосфере (метеорология), гидросфере (океанология и гидрология). В гидрологии можно выделить два направления — географическое и геофизическое. Первое изучает водные объекты, закономерности изменения их вод по территории и во времени. Геофизическое направление акцентирует своё внимание на физических процессах, связанных с водой в атмосфере, литосфере и, разумеется, в гидросфере.

Также гидрология является и практической дисциплиной, источником информации и технологий, обслуживающих сферу экономики, связанную с водным хозяйством. Постоянно растёт её значение при научном обосновании строительства и экологическом проектировании, правильном природопользовании, охране окружающей среды. Другая важная область приложения — прогнозы речного стока и опасных гидрологических явлений, таких как наводнения, маловодья, селевые потоки, размывы берегов, загрязнение территорий.

Часто гидрологию считают частью физической географии. Является ли она самой важной её частью? Когда мы учились на географическом факультете, философию нам читал Валентин Сергеевич Лямин. Он развил теорию Григорьева о так называемой географической форме движения материи. Сейчас уже мало кто об этом помнит. Так вот, в её основе, насколько я помню, лежит взаимодействие гидросферы и атмосферы. В тепловлагообмен между этими двумя сферами вовлекаются верхние слои литосферы. Это согласуется с распространённым представлением в науке о трёх основных объектах географии — климате, стоке, рельефе. Поэтому самыми важными будем считать гидрологию и метеорологию. Ну и потом геоморфологию, конечно.

Гидрология тесно связана с другими физико-географическими дисциплинами — метеорологией и климатологией, геоморфологией, гляциологией, картографией и прочими. Эта связь отражает единство природы, которое проявляется во взаимной зависимости всех компонентов природной среды, а вода — один из главных её элементов. Связь земных вод и других компонентов природной среды обоюдная, поэтому и соответствующие науки тесно взаимосвязаны. Так, с одной стороны, метеорология и климатология позволяют объяснить многие гидрологические явления (дождевые паводки, накопление снега и льда в ледниках, ветровые течения в морях и другие). Но с другой стороны, гидрология помогает метеорологам и климатологам изучать процессы в атмосфере как результат взаимодействия с водными объектами. Точно так же тесно взаимодействуют гидрология и геоморфология, например, при изучении формирования речных долин и русел, оврагов, морских берегов, речных дельт.

Связана гидрология и с другими естественными науками — геологией, биологией, почвоведением, геохимией. Гидрология не может продуктивно развиваться без опоры на фундаментальные науки — физику, химию, математику. К нашей науке тесно примыкают такие разделы физики, как гидрофизика, гидромеханика и гидравлика, термодинамика. В основе многих гидрологических закономерностей — строгие физические законы. Без использования достижений соответствующих разделов физики познать их не получится. Гидрохимия как раздел гидрологии широко использует законы взаимодействия химических веществ и методы химического анализа. Таким образом, гидрология связана и с химией. Сразу в нескольких направлениях идёт использование в гидрологии математики и информатики — широко применяются методы математической обработки данных наблюдений. Применение физических законов в гидрологии требует строгих формулировок и использования математического моделирования. Наконец, создание баз данных и обработка результатов наблюдений опирается на информатику.

При проведении измерений и наблюдений, обработке их результатов (в том числе и дистанционных) широко используют технические достижения. Это значит, что гидрология связана и с такой областью человеческих знаний, как техника. При этом развитие некоторых областей техники (гидротехнического строительства на реках и морях, мелиоративных и других мероприятий) не может обойтись без использования гидрологических знаний. В рамках новой дисциплины начала развиваться и гидроэкология, изучающая водные экосистемы — совокупность водной среды, водных организмов и человеческого общества.

— Какие основные научные дисциплины изучают студенты в процессе обучения на кафедре гидрологии суши? Что нужно знать и уметь настоящему гидрологу?

— На первом курсе студенты географического факультета слушают общую гидрологию, метеорологию, топографию, геоморфологию с основами геологии, землеведение, ландшафтоведение, почвоведение, биогеографию, экономическую географию. Немало времени отводится и на высшую математику. Специализация на геофаке МГУ начинается со второго курса — именно тогда студенты становятся гидрологами. И здесь большое внимание уделяется различным математическим дисциплинам, физике, гидромеханике, гидравлике, программированию. В этом плане мы очень похожи с метеорологами и океанологами. Наши студенты получают фундаментальное образование. Одновременно им читают специальные курсы — гидрологию рек, гидрологию озёр и водохранилищ, устьев рек, болот, гидрогеологию, гидрометрию и технику безопасности, гидрохимию, гидравлику, гидромеханику, воднотехнические изыскания, гидрологические расчёты, гидрологические прогнозы, русловые процессы, гидрофизику, водохозяйственные расчёты, водную экологию и многое-многое другое. Студенты-гидрологи изучают теорию вероятности и математическую статистику, численные методы анализа и оптимизации, математическое моделирование, много внимания уделяется освоению ГИС-технологий.

Полученные знания позволяют будущим специалистам работать как в научных, так и производственных организациях. Хотя, конечно, в первую очередь, мы готовим студентов для научной деятельности. Уже со второго и третьего курсов они вовлекаются в научную работу. Это не только выполнение традиционных курсовых работ, но и участие в научных исследованиях кафедры, грантах РФФИ и РНФ, различных проектах, в том числе международных. Окончив университет, многие уже имеют публикации в различных научных журналах, часто выступают на научных конференциях. Значительная часть студентов остаётся для дальнейшего обучения в аспирантуре.

— Как студенты совершенствуют полученные знания в полевых условиях? В какие экспедиции ездят, где проходят учебные практики? Какие самые интересные места удаётся посетить будущим гидрологам?

— Профессия гидролога даёт богатые возможности непосредственного изучения водных объектов в полевых условиях, позволяет ездить в очень интересные экспедиции. Без получения новых данных о водных объектах развитие гидрологии невозможно. Новые приборы, технологии обеспечивают уникальную информацию для дальнейшего анализа. Для учёного-географа год делится на две части — "поле" и "камералку". Навыки лабораторной и камеральной работы студенты получают в университетских аудиториях. А вот для полевой деятельности нужна особая подготовка. Она начинается на практике в Сатино на полигоне географического факультета МГУ уже после первого курса.

По окончании второго курса студенты отправляются на Оку, где учатся работать на крупной равнинной реке. Здесь они осваивают методики измерений основных гидрологических характеристик. Практика по лимнологии (озёроведению) проходит на учебной станции на берегу Можайского водохранилища в Красновидово. Это подготовка к работе на крупных пресноводных водоёмах. Тут студенты также получают навыки проведения гидрохимических и гидробиологических анализов. Есть ещё и практика по горной гидрологии. Она традиционно проводится в разных местах — это Кузнецкий Алатау, Восточный Саян, Камчатка, Горный Алтай, Приэльбрусье и Безенги на Кавказе. Побывали студенты и на научно-учебных станциях Мюнхенского университета в Цугшпице в Альпах и Стокгольмского университета в Тарфале. Незабываемая практика была и на Тянь-Шане в Киргизии. Во многом благодаря этим практикам у нас стало развиваться направление горной гидрологии и гидрологии ледников, когда-то начатое профессором Геннадием Николаевичем Голубевым.

География и направленность производственных практик после третьего курса очень широки. К этому моменту студенты уже пишут курсовые и дипломные работы, поэтому выбирают регионы, соответствующие собственным научным интересам. Тут — и устья арктических рек, Камчатка и Командоры, великие сибирские реки, Байкал, Ладога и многое-многое другое. Нельзя не сказать ещё про одну замечательную традицию — зимние научно-студенческие экспедиции. По мнению их участников, это лучшие дни студенческой жизни, наполненные интересной работой, чудесными пейзажами, морозом, солнцем, снегом и прекрасными людьми. Стараемся, чтобы эти экспедиции кроме приобретения опыта работы в зимних, часто очень непростых условиях, имели большое научное значение. Белое и Баренцево море, Валдай и Крым, Великий Устюг и Урал, Кавказ и Дальний Восток, Селенга и Хибины, Забайкалье и Подмосковье — такова география наших незабываемых поездок.

— Какими собственными, особенными инструментами и методами пользуются гидрологи чаще всего в полевой работе и камеральных исследованиях?

— Современная гидрология располагает большим арсеналом методов, взаимно дополняющих друг друга. Классическим методом получения информации остаётся сбор полевых данных во время экспедиций и экспериментальных работ, статистическая обработка данных сетевых наблюдений. Более разнообразную и новую информацию помогают получить современные приборы и технологии. Сейчас широко применяются дистанционные методы наблюдения и измерения с помощью локаторов, аэрокосмической съёмки, автоматических гидрологических постов на реках. Огромные возможности открывает использование авиации и космических аппаратов. Снимки спутников позволяют вести наблюдения за тем, как замерзают и вскрываются реки, за разливами и наводнениями, ледяными заторами, состоянием ледников и снежного покрова. По ним мы можем определять мутность и температуру воды, фиксировать цветение водоёмов и многое другое. Вовсю внедряются в нашу жизнь беспилотные аппараты.

В научную и учебную деятельность широко внедряются компьютерные технологии. Создаются электронные каталоги водных объектов, различные базы данных, разрабатываются новые и совершенствуются существующие средства и методы гидрологических расчётов и особенно гидрологических прогнозов. И в этом участвуют наши преподаватели и студенты. Во многих случаях исследования завершаются теоретическим обобщением и анализом. В гидрологии теоретические методы основаны на законах физики и географических закономерностях изменений гидрологических характеристик в пространстве и времени. Среди этих методов на первый план выходят математическое и имитационное моделирование, машинное обучение, системный анализ, гидролого-географические обобщения и геоинформационные технологии.

В последние годы много исследований проводится на стыке наук — гидрологи всегда тесно сотрудничали с метеорологами и океанологами, сейчас это сотрудничество ещё больше расширилось. Климатические модели, базы данных, общие объекты, часто уникальные — всё это позволяет сделать гидрологические исследования более глубокими и содержательными. Много интересных работ над созданием специальных программ и веб-приложений ведётся с картографами. Эти разработки позволяют получить самые разнообразные данные о водных объектах. Примером может служить проект "Комплексное исследование и картографирование современного водного режима рек европейской территории России и его опасных проявлений".

Сотрудничество с астрономами из ГАИШ МГУ в области космической гравиметрии позволило существенно продвинуться в использовании данных спутников GRACE, что позволяет оценить изменчивость запасов влаги в планетарном масштабе. Очень важны исследования вместе с эконом-географами по оценке рисков и величины ущерба опасных гидрологических явлений, например наводнений, для некоторых рек России. Очень интересной темой на стыке политики, истории, экономики и гидрологии является исследование трансграничных водных объектов, где переплетаются интересы многих стран в области использования водных ресурсов. "Водные войны" — это уже реальность нашего времени. Гидрологи всегда тесно сотрудничали и с биологами. Благодаря этому сотрудничеству у нас появились новые данные об особенностях озёр в прибрежной зоне морей — меромиктических водоёмов. Вместе с геохимиками мы изучаем потоки вещества в бассейне Селенги и многих больших арктических рек. Этот список можно продолжать ещё долго.

— Кем может стать студент-гидролог, когда окончит Московский государственный университет? В каких сферах деятельности он сможет применить полученные знания и умения?

— Многие выпускники поступают в аспирантуру и успешно защищают кандидатские диссертации, часть остаётся работать на кафедре и других подразделениях факультета. Спрос на гидрологов остаётся довольно высоким, всё время поступают просьбы о направлении выпускников на работу в различные организации, связанные с изучением водных объектов. Это, конечно, академические институты, в первую очередь Институт водных проблем РАН, Институт географии РАН, Росгидромет и его подразделения — Гидрометцентр России и Государственный океанографический институт. Возможностей трудоустроиться очень много — подразделения Федерального агентства водных ресурсов, Министерство природных ресурсов, управления водных путей, инженерной защиты, эксплуатации гидротехнических сооружений и другие организации. Множество крупных и небольших фирм занимаются инженерными изысканиями в различных регионах России, поэтому география работ охватывает практически всю страну. Востребованность гидрологов высшей квалификации в настоящее время очень большая и в будущем будет только увеличиваться.

— Какие самые важные исследования провели сотрудники кафедры за время её существования, какие наиболее значимые открытия сделали?

— В 2024 году нашей кафедре исполнится 80 лет. Труд многих поколений её сотрудников и преподавателей воплотился во множестве открытий, теорий, научных монографий, сотнях, если не тысячах статей, разработанных методиках расчётов и прогнозов, которые используются при решении различных практических задач. Перечислить всё в нескольких абзацах текста просто невозможно.

В первые годы своей деятельности кафедра принимала участие в создании крупнейших ГЭС, выполняя гидрологические наблюдения при перекрытии Днепра и Волги, Ангары и Оби. В этих работах участвовали и студенты. Комплекс гидрологических изысканий, выполненных сотрудниками кафедры, был использован при проектировании строительства метромоста и набережной Москвы-реки в районе Ленинских гор. Регулярные гидрологические, гидрохимические и гидробиологические исследования кафедры на Можайском водохранилище и других водоёмах и водотоках, в первую очередь Вазузско-Москворецкой системы водоснабжения Москвы, помогли повысить эффективность использования питьевых водохранилищ столицы. Наши гидрологи проводили полевые исследования практически во всех регионах Советского Союза, а потом и России.

Многие открытия и теории связаны с очень яркими личностями, выдающимися учёными, работавшими на кафедре. Иван Васильевич Самойлов и Борис Александрович Аполлов формировали науку об устьевых процессах. Евгений Варфоломеевич Близняк был лидером в развитии прикладной гидрологии. Участие специалистов кафедры в решении наиболее сложных и актуальных хозяйственных задач — гидротехническое строительство, питьевое и промышленное водоснабжение — связано с его именем. Исследования профессора, заведующего кафедрой Геннадия Павловича Калинина внесли большой вклад в теорию формирования стока весеннего половодья и дождевых паводков, в развитие методов гидрологических прогнозов, развитие теории глобальной и космической гидрологии, палеогидрологии, глобального влагооборота, долгосрочного прогнозирования гидрологического режима различных водных объектов.

Изучение гидрологических процессов в устьях рек получило новое развитие на кафедре благодаря профессору Вадиму Николаевичу Михайлову. Вместе с Научно-исследовательской лабораторией эрозии почв и русловых процессов географического факультета, руководил которой Роман Сергеевич Чалов, проводились масштабные исследования гидрологического и руслового режима устьев Терека, Сулака, Пура, Таза, Енисея, Лены, Яны, Индигирки, Волги, Амударьи и других рек. Их результатом стала серия крупных монографий по устьям рек. Крупным научным достижением стала подготовка под руководством профессора Чалова карты "Русловые процессы на реках СССР" в 1990 году. Мы очень гордимся нашими русловиками и их многочисленными достижениями. Не могу здесь не вспомнить Николая Ивановича Алексеевского, в течение 20 лет возглавлявшего кафедру и сумевшего сделать её одной из лучших на факультете.

Всё перечислить очень трудно, но самое главное достижение кафедры — подготовка более 1200 высококвалифицированных специалистов в области научной и практической гидрологии, инженеров, учёных, руководителей академических институтов и лабораторий, изыскательских партий. Мы очень гордимся всеми! Ещё одно важное дело — создание учебников и учебных пособий. Нашими изданиями пользуются при подготовке гидрологов и географов во многих университетах и учебных заведениях России.

— Что, на ваш взгляд, самое важное и интересное в профессии гидролога?

— Мне очень нравятся слова Юрия Борисовича Виноградова, огромного энтузиаста и замечательного учёного-гидролога. Я бы ими и ответила на этот вопрос: "Это очень интересная и достойная наука, приносящая обществу и государству великую пользу. Перед гидрологом, который сумеет объединить в своей личности способности экспериментатора, полевика-экспедиционника, теоретика, творца математических моделей, инженера-проектировщика, открываются поистине безграничные возможности в служении своей науке". Добавим ещё любовь к природе и нашим прекрасным водным объектам!

Александр Жирнов