Пузырьки как двигатель климата: как подводный воздух меняет газообмен океана

Обмен газами между океаном и атмосферой — это ключевой процесс, регулирующий климат нашей планеты и химию морских вод. Недавно опубликованная статья в журнале Reviews of Geophysics представляет собой всесторонний анализ того, как пузырьки воздуха, образующиеся при разрушении волн, влияют на этот обмен. Авторы объединили данные теоретических моделей, лабораторных экспериментов и натурных наблюдений, чтобы объяснить, почему эффект пузырьков различается для разных газов, и очертить круг вопросов, которые еще предстоит решить науке. Мы попросили ведущего автора работы рассказать о ключевых концепциях и будущих направлениях исследований.

Что такое газообмен на границе океана и атмосферы и почему он важен?

Газообмен — это процесс перемещения газов между воздушной средой и океаническими водами. Благодаря ему углекислый газ (CO₂) как поступает в океан, так и покидает его. В глобальном масштабе океан поглощает около четверти всех выбросов CO₂, производимых человеком, именно через этот механизм. Аналогичным образом регулируется обмен кислородом (O₂) и многими другими климатически и биологически значимыми газами. Таким образом, изучение газообмена имеет критическое значение для понимания климатических изменений, состояния морских экосистем и глобального цикла углерода. Однако поверхность океана — это вовсе не просто гладкая граница. Ветер, волны, турбулентность, перепады температур, поверхностные пленки, дождь и, конечно, пузырьки — все эти факторы влияют на скорость переноса газов.

Схема газообмена: межфазный перенос (оранжевая стрелка) и перенос через пузырьки (желтые стрелки, сценарий вторжения). Различные физические процессы управляют этим обменом. Источник: Dong et al. [2026], Рисунок 1.

Что такое пузырьковый газообмен простыми словами?

Когда волны разбиваются, они захватывают воздух под поверхностью моря, создавая целые облака пузырьков. В этом случае газ начинает перемещаться не только через саму поверхность, но и между внутренним объемом пузырька и окружающей морской водой. Это создает дополнительный путь обмена.

Важно понимать, что пузырек — это не просто статичный кусочек атмосферы под водой. Давление воды и поверхностное натяжение сжимают газ внутри, а размер, глубина и время жизни пузырька постоянно меняются. Одни пузырьки полностью растворяются в толще воды, другие поднимаются и лопаются на поверхности. За время своего короткого «путешествия» они успевают обменяться газами с водой. Совокупный эффект миллионов таких пузырьков может оказывать колоссальное влияние на газообмен, особенно в условиях сильных ветров и активного волнения.

Чем пузырьковый перенос отличается от межфазного?

Межфазный перенос происходит непосредственно через границу раздела сред «воздух-вода». Он контролируется в основном приповерхностной турбулентностью, вызванной ветром, и скоростью диффузии газа через тонкие пограничные слои.

У пузырькового механизма есть три ключевые особенности:

1. Связь с волнением: Он напрямую связан с разрушением волн, что имеет нелинейную зависимость от скорости ветра.

2. Зависимость от растворимости: Высокорастворимый газ может быстро достичь равновесия внутри пузырька, тогда как плохо растворимый газ будет обмениваться на протяжении всей жизни пузырька.

3. Эффект сжатия: За счет давления воды газ внутри пузырька находится под избыточным давлением. Это может способствовать тому, что газ будет переходить из пузырька в океан интенсивнее, чем в обратном направлении, смещая кажущееся равновесие между океаном и атмосферой.

Как ученые изучают влияние пузырьков?

Из-за сложности процесса не существует единого метода исследования. Ученые применяют комплексный подход:

• Лабораторные эксперименты в ветро-волновых лотках, где можно контролировать ветер, волны и состав газов.

• Полевые наблюдения в океане, включающие измерение насыщения инертными газами и прямые замеры турбулентных потоков газов над морем (методом вихревой ковариации). Использование газов с разной растворимостью (благородные газы, кислород, CO₂, диметилсульфид) позволяет изучать разные аспекты процесса.

• Физическое моделирование, которое сочетает динамику пузырьков с процессами газообмена, позволяя проверять гипотезы. Для получения данных о пузырьках используются акустические и оптические приборы.

Методы исследования: натурные наблюдения (слева), лабораторные эксперименты (справа) и физические модели (в центре), объединяющие данные полевых и лабораторных работ. Источник: Dong et al. [2026], Рисунок 9.

Почему пузырьковый перенос так трудно измерить?

Во-первых, сама цепочка процессов чрезвычайно сложна: от развития волны и ее разрушения до захвата воздуха, распределения пузырьков по размерам, движения облака и непосредственного обмена газами. Ошибка на любом этапе искажает конечную оценку.

Во-вторых, наблюдения проводить крайне тяжело. Пузырьковый обмен наиболее значим при сильном ветре и интенсивном волнении, когда проводить измерения в открытом океане особенно трудно и данные крайне скудны. Особую проблему представляет измерение пузырьков в непосредственной близости от бурлящей поверхности.

В-третьих, межфазный и пузырьковый перенос происходят одновременно, и разделить их в эксперименте очень сложно. Интерпретация данных и экстраполяция результатов с одного газа на другой также затруднены из-за разной растворимости газов.

Каковы главные вопросы для будущих исследований?

Авторы статьи выделяют три приоритетных направления:

1. Необходимо понять, что происходит с пузырьками в самом верхнем метре океана: сколько воздуха попадает в воду, как распределены пузырьки по размерам и как на них влияют верхние течения.

2. Требуется установить, как меняется пузырьковый перенос для газов с разной растворимостью. Это критически важно для переноса знаний с «удобных» для изучения газов на климатически значимые (CO₂ и O₂).

3. Нужно объяснить расхождения в оценках вклада пузырьков, полученных в лаборатории и в открытом океане. Прогресс в этом вопросе возможен только при координации одновременных измерений свойств пузырьков и обмена нескольких газов в разных средах. Полученные данные должны стать основой для новых физических параметризаций в глобальных океанографических и климатических моделях.

— Юаньсю Дун (Yuanxu Dong, [email protected]), завершил эту работу в GEOMAR (Гельмгольцевский центр океанологических исследований) и Гейдельбергском университете. В настоящее время работает в LMD-IPSL (Париж, Франция).

Примечание редакции: Политика AGU предусматривает приглашение авторов обзорных статей для написания резюме в блоге Eos Editors’ Vox.

Источники и цитирование:
Dong, Y. (2026), How bubbles reshape air-sea gas exchange, Eos, 107, https://doi.org/10.1029/2026EO265028. Опубликовано 5 августа 2026 года.
Текст © 2026. Авторы. Лицензия CC BY-NC-ND 3.0.
Изображения защищены авторским правом. Любое использование без явного разрешения правообладателя запрещено.