Читаем Загадки океана онлайн бесплатно

Люди давно изучают Мировой океан (совокупность всех морей и океанов Земли), но до сих пор знают его недостаточно.

Маленькая лаборатория океанологии, созданная для обработки материалов легендарной станции «Северный полюс-1» заботами и трудами академика Петра Петровича Ширшова, превратилась в Институт океанологии АН СССР (ИОАН), который теперь носит его имя. Более 40 лет научно — исследовательские суда института бороздят воды Мирового океана. Они сделали около 200 рейсов, пройдя за это время более 4 млн. морских миль. Вихри открытого океана — первое звено в цепочке современных открытий — были обнаружены советской экспедицией в 1970 г. С тех пор каждый год приносит новые данные об их размерах, направлении вращения, температуре и энергии.

Нам еще предстоит многое узнать об океане, решить много загадок. Этим и занят большой отряд ученых — океанологов. Над чем они работают?

В число трех самых важных вопросов современной океанологии входит изучение микроструктуры океанских вод, турбулентности и внутренних волн.

Ученые изучают необычную жизнь в глубинах, еще недавно считавшихся пустынными, холодными и темными. При громадном давлении и высокой температуре там в экологических оазисах процветают богатые колонии невиданных ранее животных. Если Солнце погаснет, они это заметят не сразу.

Новейший глубоководный обитаемый аппарат «Мир» совместной советско — финской постройки. Рассчитан на работу на глубинах до 6 тыс. м.

Движение литосферных плит{Слова, выделенные курсивом, смотри в кратком словаре специальных терминов.}, происхождение гидротерм и их роль в образовании ценных сульфидных и корковых руд привлекают особое внимание морских геологов и биологов. Подводные руды — надежда металлургов. Еще не совсем ясно, как лучше их искать и добывать. Наиболее изучены поля железомарганцевых конкреций, но они обычно находятся на больших глубинах. Внутренние волны, еще недавно считавшиеся редким явлением, в настоящее время занимают умы ученых.

Одно из новых направлений — изучение влияния аномалий температуры воды в океанах на погоду континентов: в Атлантическом — Европы, Тихом — Америки, Индийском — Индии и Африки. Президент АН СССР академик Г. И. Марчук предложил проследить за влиянием на климат изменений параметров океана с помощью периодических измерений в отдельных его районах, относительно небольших по размерам, но характерных по совершающимся в них физическим процессам. Особенно там, где наиболее интенсивно идет теплообмен между океаном и атмосферой. Они названы энергоактивными зонами (ЭАЗо). Была создана «Программа исследования взаимодействия атмосферы и океана в целях изучения короткопериодных изменений климата».

Изучение короткопериодных колебаний климата (длительностью от месяца до нескольких лет) имеет большое значение для сельского хозяйства, потому что его успешное ведение очень зависит от погоды. Важно знать наперед погоду и многим другим отраслям народного хозяйства, например морскому и воздушному транспорту.

В Атлантическом и Тихом океанах выделено пять ЭАЗо: Норвежская, Ньюфаундлендская, зона Гольфстрима, Атлантическая тропическая и зона Куросио. Четыре раза в год здесь проводятся исследования на полигонах размерами 1500X2000 км. Однако некоторые океанологи считают, что необходимо брать большие площади. Высказываются мнения и за увеличение числа контролируемых ЭАЗо.

Программу выполняет около 10 % экспедиционного флота нашей страны: 25–30 рейсов в год делают научно — исследовательские суда. Наиболее интенсивное взаимодействие между океаном и атмосферой происходит в холодную половину года. В этот период во всех взятых под наблюдение энергоактивных зонах одновременно выполняется максимальная программа наблюдений. Конечная цель этой программы — создание математической модели взаимодействия океана с атмосферой. Это очень важная и трудная задача.

Великим неизвестным назвал Мировой океан глава советской океанологии академик Л. М. Бреховских, основатель нового направления — акустики океана. (За выдающиеся работы в области акустики в 1977 г. Акустическим обществом Великобритании и английским Институтом акустики Л. М. Бреховских награжден Золотой медалью имени Релея. А в 1986 г. ему присуждена премия имени А. П. Карпинского. Эта премия присуждается за выдающиеся научные достижения в области природоведческих наук на благо человечества.) Каждый год в океане обнаруживаются новые явления. Вот одно из последних: член — корреспондент АН СССР К. Н. Федоров и кандидат физико — математических наук А. И. Гинзбург нашли в океане новые когерентные структуры. Так они назвали особый вид поверхностных течений в форме гриба или в виде вихревых диполей. К. Н. Федоров и А. И. Гинзбург сначала обнаружили их при изучении космических фотографий поверхности океана, сделанных со спутника «Метеор», а потом воспроизвели эти явления на лабораторной установке в Институте океанологии (см. рис. на с. 7 и 9).

На рисунках на с. 7 представлены космическая фотография грибовидного течения и его схема. Подобные снимки удаются только в том случае, если на поверхности воды океана есть тот или иной трассер (трассером могут быть плавающие на поверхности океана льдинки или скопления фитопланктона, а в лабораторных экспериментах — капля краски или чернил). Не все еще ясно в образовании этого удивительного явления. И самое главное — каков характер импульса, вызывающего его появление?

Космическая фотография грибовидного течения в океане.

Схема грибовидного течения.

Грибовидное течение, смоделированное на лабораторной установке.

Что такое океанология? Это комплекс пяти наук: физики и химии океана, его геологии и биологии, техники для исследования. Проблемы, возникающие при изучении Мирового океана, связаны с различными научными дисциплинами. Этими проблемами успешно занимается Институт океанологии им. П. П. Ширшова АН СССР.

Океанология — советский термин. Примерно тот же комплекс наук на Западе чаще называют океанографией. У нас же под океанографией обычно понимается более узкий комплекс научных дисциплин, без биологии и геологии.

Отдельные науки, входящие в океанологический комплекс, объединяет техника. Прежде всего — научно — исследовательское судно (НИС). Оно — основной инструмент океанологов, без хорошего судна в океане ничего не сделаешь. На борту НИС имеются приборы для измерения основных параметров морской воды. Если экспедиция имеет комплексный характер, то в ней работают представители всех разделов океанологии. Но часто бывают и специализированные рейсы, тогда приглашаются специалисты по теме рейса. Но, каким бы рейс ни был, на борту судна окажутся хоть по одному представителю других наук.

К числу измеряемых в океане физических параметров океанологи относят следующие.

Температура. Информация о температуре воды на разных глубинах океана необходима всем специалистам. Гидрофизики по температуре определяют различные водные массы и находят в океане фронты или пограничные слои между ними. Данные о температуре воды очень важны для биологов. В океане рыбаки ищут рыбу в зоне высоких градиентов температуры, там крнцентрируются планктонные организмы, которые служат пищей рыбам. Синоптики также учитывают температуру воды в океане. Если в энергоактивные зоны или близко к берегам Европы подойдут большие синоптические вихри с пониженной температурой воды, то тепла ждать не приходится.

Особое значение для биологов, акустиков и военных моряков имеет распределение температуры во — ды по вертикали: расположение слоя скачка температуры, известного под названием сезонного термоклина или слоя «жидкого грунта». В нем скапливаются планктонные животные и могут лежать, как на настоящем грунте, подводные лодки. Глубина залегания слоя скачка температуры изменяется в зависимости от сезона года. Зимой он глубже, а летом — ближе к поверхности.

Интересуются температурой воды, особенно в придонных слоях, и морские геологи. Им важно знать распределение температуры по вертикали в слое осадков на дне. По величине и знаку градиента температуры они могут судить о тепловом потоке, идущем в океан из недр Земли.

Измерение температуры океана с борта научно — исследовательских судов занимает много времени и стоит дорого. Поэтому ученые ищут новые способы, позволяющие получать информацию о температуре дешевле и быстрее. Перспективными считаются измерения температуры поверхности океана со спутников, когда используется инфракрасное излучение (ИК) или излучение в области сверхвысоких частот (СВЧ). В этом случае удается быстро получить информацию о распределении температуры по большей части Мирового океана. Но точность измерений не всегда достаточна.

Недавно советскими учеными предложен новый метод измерения, основанный на эффекте когерентного антистоксовского рассеяния света (КАРС). Сущность его заключается в том, что поверхность океана освещается поляризованным светом лазера. О температуре воды судят по отношению двух взаимноперпендикулярных компонент отраженных лучей. Ученые предполагают, что разработка метода КАРС позволит измерять поверхностную температуру океана с погрешностью не более ±0,1 °C.

А пока для получения точных данных проводятся одновременные исследования океана с помощью НИС, автоматических буев, самолетов и искусственных спутников Земли.

Удельная электропроводность. Эта величина важна для изучения различных свойств океана. Она представляет собой проводимость столба воды длиной 1 м, площадью поперечного сечения 1 м². Величиной, обратной ей, является удельное сопротивление.

В морской воде электрическое сопротивление зависит от температуры, солености и гидростатического давления.

Пульсации температуры и солености затухают в океане с различными скоростями. Это очень важная особенность: сравнение затухания двух кривых позволяет установить время начала пульсаций от прошедшего объекта. Можно узнать, когда он прошел.

Исследование нарушений микроструктуры в океане можно анализировать и с помощью других физических свойств: датчиков пульсаций скорости звука или датчиков, регистрирующих изменения коэффициента пропускания света. Параметры эти интересуют океанологов — акустиков и океанологов — оптиков. Они важны не только для изучения микроструктуры. Например, информация о скорости звука позволяет уточнять работу судовых эхолотов и гидролокаторов. Акустическая связь в океане и сверхдальнее распространение звука также нуждаются в информации о скорости звука. А изучение светового режима вод океанов привело к возникновению оптической океанографии, решающей широкий круг задач.

Соленость. Есть несколько определений солености. Общепринятое — общее количество растворенных солей в 1 кг морской воды.

Парадоксальный факт — нет прибора, который мог бы прямо определить содержание соли в воде с достаточной точностью. Она выявляется по электропроводности воды или по показателю преломления света с помощью интерферометра.

Ученые некоторых стран вообще отказались от измерения солености в ходе экспедиций и стали пользоваться упрощенной формулой, полагая, что во многих случаях ни стратификация, ни циркуляция, ни адвекция, ни конвекция не зависят от солености, а все эти процессы определяются только температурой вод.

Однако знание солености воды очень важно для морских биологов. Многие морские животные погибают, если соленость воды становится выше допустимого предела. Это происходит, например, в Азовском море с некоторыми видами рыб (бычками и судаком).

В 1987 г. член — корреспондент АН СССР К. Н. Федоров в докладе на Ученом совете Института океанологии им. П. П. Ширшова АН СССР отметил, что соленость в Мировом океане играет куда большую роль, чем это принято думать. Он привел много интересных фактов.

Например, по данным советского ученого А. И. Перескокова, более чем в 40 % объема Мирового океана соленость обеспечивает создание стратификации, благоприятной для развития конвекции по типу двойной диффузии. Это очень важно с точки зрения влияния океана на климат. Под влиянием солености происходит трансформация водных масс Мирового океана, обеспечивается вентиляция термоклина, возникает глубокая конвекция и происходят многие другие удивительные явления, в том числе образование солевых пальцев и загадочных гигантских линз.

Советский ученый Б. А. Каган подсчитал, что ледовый режим Северного Ледовитого океана тесно связан с соленостью. Если бы удалось повысить соленость арктических вод, то, возможно, удалось бы полностью освободить Северный морской путь от льда!

А американский ученый У. Брокер отметил, что только благодаря повышенному значению солености в Северной Атлантике последние 9 тыс. лет европейцы живут в относительно теплом климате. Доктор Виллебранд из ФРГ предупреждает: надо следить за тем, чтобы соленость вод Северной Атлантики не понижалась. Иначе направление циркуляции вод в Атлантике может измениться на противоположное, что приведет к наступлению новой ледниковой эпохи. Вот какое важное значение имеет соленость.

Плотность. Гидрофизикам требуется знать плотность воды в океане на разных глубинах. Плотность обычно вычисляют по измеренной температуре и удельной электропроводности с внесением поправки на гидростатическое давление. Это — косвенный метод; прямой метод позволил бы повысить точность измерения одного из самых главных физических параметров океана. Но нет удобного прибора, который мог бы работать в широком интервале глубин — от поверхностных слоев хотя бы до средней глубины океана (3710 м).

Для измерения основных параметров воды океанологи применяют зонды — измерительные приборы, опускающиеся с палубы НИС в океан. Они зондируют его толщу, измеряя основные гидрофизические параметры по мере погружения в глубину. Информация по кабелю передается в судовую ЭВМ или фиксируется в регистрирующем устройстве автономного зонда, не связанного кабелем с судном, что позволяет избежать влияния качки судна на результаты измерений.

Существуют различные зонды для измерения температуры, удельной электропроводности и гидростатического давления. Одни рассчитаны на работу в течение многих лет, другие — только на одно измерение, а потом тонут. Их называют обрывными термозондами (ОТЗ). С помощью таких зондов можно измерить распределение температуры в океане по вертикали на ходу НИС, не останавливаясь. Это очень важно, особенно для военных кораблей, ведь остановка в условиях боевых действий может привести к гибели.

Разработаны обрывные зонды для оперативного измерения и некоторых других параметров, как, например, скорости звука и электропроводности.

Морским химикам, кроме того, необходимо знать и многое другое. Например, содержание в воде биогенов, питательных солей для развития водорослей, концентрацию водородных ионов (pH), содержание углекислоты и других газов, в первую очередь кислорода. В последние годы усилился интерес к определению содержания в морской воде метана и гелия как индикаторов гидротерм.