Вспоминаем: Что такое Мировой океан? На какие части он подразделяется? Каковы основные формы океанического дна? Как изменяется температура океанских вод? Каковы виды движения вод в океане? Под воздействием каких причин образуются морские волны, цунами, океанские течения, приливы и отливы? В чем особенности морских растений и животных и как они распределяются в океане? Какие богатства Мирового океана используются человеком? Каково отрицательное воздействие человека на океан? Как бороться с загрязнением вод Мирового океана?
Ключевые слова: экспедиционные суда, дрейфующие станции, подводные аппараты, искусственные спутники и космические корабли.
1. Изучение океана в прошлом. Океан всегда поражал человека своими просторами, мощью, загадочными далями. Древние люди пытались по-своему объяснить непонятные явления в океане. В их воображении возникали не природные процессы, а морские духи, а затем и божества. У древних греков это были Посейдон, а у римлян – Нептун.
В настоящее время моряки всех стран не забывают о своем покровителе Нептуне и устраивают в честь его праздник.
Если на суше осталось не так уж много неизведанных территорий, то в глубинах океана и сейчас немало неизведанного и даже загадочного. Раньше всего люди познакомились с тем, что происходит на поверхности океана и в прибрежных, неглубоких его частях.
Первыми исследователями океана были ныряльщики за жемчугом и морскими губками. Ныряли они безо всяких приспособлений и могли находиться под водой всего несколько минут.
2. Современные исследования Мирового океана. Прошло немало времени, прежде чем у исследователей появились тяжелые жесткие костюмы - скафандры, соединенные шлангом и тросом с кораблем. В сороковые годы XX века Ж.И.Кусто изобрел акваланг. Это открыло дорогу для исследования морских глубин широкому кругу людей: археологам, геологам, океанологам, спортсменам-подводникам (рис. 110).
Несмотря на опасности, подстерегающие исследователей в океане, изучение его не прекращается.
Исследование океана осуществляется с помощью специальных экспедиционных судов, дрейфующих станций, искусственных спутников Земли, подводных аппаратов. Один из них – батискаф – называют подводным дирижаблем (рис. 111).
Рис. 111. Батискаф
На батискафе "Триест" в 1960 году швейцарский ученый Жак Пикар с помощником спустились в Марианский желоб на глубину около 10 500 м. Иногда на глубине 10-20 метров устанавливают подводные дома - лаборатории.
Важная роль в изучении океанов и морей принадлежит искусственным спутникам Земли и космическим кораблям. Со спутников, например, изучают морские течения, ведут наблюдения за теплым течением Гольфстрим, морскими волнами и льдами.
Океан изучается всесторонне. Выясняются свойства воды, ее движение на разных глубинах, особенности морских организмов и их распространение, измеряются глубины, берутся и исследуются образцы донных осадков.
При необходимости изучения больших участков океана ученые разных стран объединяют свои усилия. В таких исследованиях участвуют десятки специальных судов, самолеты, подводные аппараты, искусственные спутники Земли.
Результаты исследований имеют большое значение для судоходства, рыболовства, поисков полезных ископаемых и их добычи.
1. Как изучают Мировой океан? 2. Какую роль в исследовании океанов играют искусственные спутники Земли и космические корабли? 3. Почему необходимо изучать океан? 4* Знаете ли вы, когда проводится праздник Нептуна и каким ритуалом он сопровождается?
Невероятные факты
Океан полон тайн. Люди традиционно опасаются океана и предпочитают любоваться им с берега. Есть места в мировом океане, которых люди особенно боятся. Самолеты и корабли бесследно там исчезают. Встречаются также гигантские водовороты, волны и таинственные светящиеся круги на воде. Однако, помимо всем известного Бермудского треугольника, есть еще несколько подобных пугающих мест.
Саргассово море
Многие люди путают Саргассово море с Бермудским треугольником. Море находится к юго-востоку от треугольника. Более того, немало тех, кто пытается найти разгадку тайн треугольника именно в этом море. Тем не менее, море находится в центре Атлантического океана. Существует определенная особенность, благодаря которой море получило свое название. Океанические течения двигаются по часовой стрелке.
Однако, море – это гигантский водоворот, который живет по своим законам. Температура воды внутри бассейна значительно выше, чем снаружи. Во время пребывания в этом месте людям часто видятся чудесные миражи, к примеру, может показаться, что солнце одновременно восходит и на востоке, и на западе.
Ричард Сильвестр (Richard Sylvester), ученый из университета Западной Австралии, предположил, что гигантский водоворот Саргассова моря – это центрифуга, которая создает меньшие водовороты, достигающие области Бермудского треугольника. Водовороты являются причиной мини-циклонов в воздухе. Циклоны поддерживают спиральные движения воды, из-за которых они и появляются. Это возможно служит причиной аварий небольших самолетов.
Море дьявола
Это регион Тихого океана вокруг острова Мияке, который находится примерно в 100 километрах к югу от Токио. Этого "родственника" Бермудского треугольника нельзя найти ни на одной карте, однако, моряки предпочитают держаться подальше от этого моря. Шторм там может начаться совершенно неожиданно, причем также и закончиться. В этом регионе не живут ни киты, ни дельфины, ни даже птицы. С начала 1950-х годов в этом регионе пропало 9 судов. Самым известным из инцидентов является исчезновение Kaiyo Мару № 5, японского научно-исследовательского судна.
Эта область также отличается высокой сейсмической активностью. Морское дно постоянно движется, вулканические острова то появляются, то исчезают. Регион также известен весьма активной циклонической деятельностью.
Мыс Доброй Надежды
Эта область у берегов Южной Африки также известна как мыс Бурь. За сотни лет в этом регионе потерпело крушение много судов. Большинство катастроф случалось из-за плохой погоды, в частности, из-за волн-убийц. Ученые также называют их уединенными волнами. Они очень большие, доходят до 30 метров в высоту. Они формируются с помощью двух когерентных волн и становятся одной огромной волной. Они не меняют свою форму во время движения, даже если сталкиваются с другими подобными волнами на пути. Они могут «передвигаться» на очень большие расстояния без потери своей власти. Такие огромные волны создают перед собой очень глубокие полости, глубина которых соответствует высоте волны.
Есть много других мест в мировом океане, где формируются подобные волны, но в этом плане регион возле мыса Доброй Надежды крайне опасен.
Восточная часть Индийского океана и Персидского залива
Этот район известен очень эффектным и загадочным явлением – гигантскими, светящимися и вращающимися кругами на поверхности воды. Немецкий океанолог Кут Кале (Kurt Kahle) полагает, что светящиеся круги появляются в результате подводных землетрясений, которые заставляют светиться планктон. Эта гипотеза критикуется в последнее время, поскольку она не в силах объяснить логику круглой формы. Современная наука также не может объяснить это. Более того, ученые не могут объяснить и происхождение лучей, которые исходят из центра кругов. Версия НЛО в данном случае выходит на первый план.
Водоворот Мальстрем
Этот водоворот не имеет планетарного значения как водоворот в Саргассовом море. Тем не менее, морякам известны десятки леденящих кровь историй об этом удивительном явлении. Этот водоворот случается дважды в день в западной части Норвежского моря, недалеко от северо-западного побережья Норвегии. Слово "мальстрем" было популяризировано Эдгаром По в рассказе "Низвержение в Мальстрем". Водоворот – это очень сильное и крупное тело "закрученной" воды, которое обладает значительным нисходящим потоком воздуха. Водная поверхность полости в центре мощного вихря на десятки метров ниже поверхности воды в океане. Сила водоворота в десять раз больше, чем сила общего тока.
Как ни странно, но водоворот меняет свое направление на противоположное раз в 3-4 месяца. Водовороты Мальстрем могут возникать и в других областях, включая Бермудский треугольник. Считается, что Мальстрем – это вихрь, крутящийся против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой в южном, что объясняется вращением планеты Земля.
Суша занимает менее 30% поверхности нашей планеты. Остальная часть покрыта морями и океанами. С ними связаны десятки тайн и удивительных природных явлений. И, несмотря на то, что учёные успешно объяснили причины этих феноменов, они остаются великолепными произведениями природы, поражающими воображение людей. Давайте узнаем о 10 необычных и волнующих явлениях, связанных с Мировым океаном.
Айсберги далеко не всегда выглядят идеально белыми!
Не секрет, что температура воды в океане отличается на разных географических широтах. На экваторе поверхностный слой может прогреваться до +28°С и выше, в близких же к полюсам районам — не более, чем до +2°С. Поэтому крупные айсберги могут плавать в Арктике и Антарктике десятилетиями. И иногда они превращаются… в полосатые айсберги!
Полосатые айсберги образуются, когда вода сначала оттаивает, а после этого снова замерзает. В промежутке в неё попадают мелкие частицы грязи, минералы и т.д. После замерзания цвет свежего слоя айсберга отличается от других. Благодаря этому процессу на поверхности ледяной глыбы можно наблюдать множество разноцветных полосок. То есть не все айсберги белые или прозрачные, какими они изображены на картинках. На некоторых из них мы можем наблюдать удивительную игру цветов и оттенков. Причём чем старше айсберг, тем больше полос на нём присутствует. Глядя на них, может показаться, что сама природа умелой рукой украсила эти глыбы льда.
9. Водоворот
Водоворот — огромная воронка с нижней тягой, засасывающая всё, что оказывается поблизости
Слово «водоворот» будто нарочно предупреждает людей о том, что этого явления стоит опасаться. Интересно, что впервые оно было употреблено известным писателем Эдгаром Алланом По. Он охарактеризовал его как «разрушительное течение». На самом деле океанский водоворот - это мощнейшая воронка с нижней тягой, медленно, но уверенно засасывающая всё, что оказывается поблизости. Они бывают трёх типов - постоянные (существующие в одном и том же месте всегда), сезонные (вызывающиеся определёнными климатическими условиями) и эпизодические (возникающие, например, при землетрясениях).
В морях и океанах водовороты чаще всего вызываются столкновением приливных или отливных волн с встречными течениями. При этом вода в них может перемещаться со скоростью в сотни километров в час.
Это интересно: Ширина водоворотов иногда достигает 3-5 километров. Жертвами таких явлений могут стать не только маленькие яхты и рыболовецкие лодки, но и крупные лайнеры. Возможно, вы помните шокирующий случай, когда в 2011 году у берегов Японии в образовавшийся после землетрясения водоворот затянуло судно с сотней пассажиров на борту.
Раньше люди верили в легенды, утверждающие, что водовороты непременно утянут их на самое дно океана. Но учёные развенчали подобные мифы.
8. Красный прилив
Самый большой Красный прилив можно наблюдать во Флоридском заливе
Волны насыщенных ярко-красных и оранжевых оттенков - удивительно красивое природное явление. Но наслаждаться красными приливами слишком часто вредно для здоровья, ведь они таят в себе немалую опасность.
Цветение морских водорослей (из-за которого вода и окрашивается в алый оттенок) может происходить настолько интенсивно, что растения начинают вырабатывать всевозможные токсины и химикаты. Часть их растворяется в воде, часть попадает в воздух. Токсины наносят вред представителям водной флоры и фауны, морским птицам и даже людям.
Самый большой Красный прилив на планете ежегодно наблюдается у побережья залива Флориды в июне-июле.
7. Брайникл (солёная сосулька)
Брайникл распускает по дну моря ледяную сеть, выбраться из которой не сможет ни одно живое существо
Удивительное произведение природы - солёная сосулька, представляет собой нечто невообразимое. Когда брайникл окончательно сформирован, он выглядит примерно как опущенный в воду кристалл. Солёные сосульки образуются, когда вода, образовавшаяся в процессе таяния льда, просачивается в море. Учитывая, что для образования солёных сосулек нужны очень низкие температуры воздуха и воды, их можно наблюдать только в холодных водах Арктики и у берегов Антарктиды.
Это интересно: Брайниклы таят в себе большую опасность для флоры и фауны океана. В момент соприкосновения с ними морские звёзды, рыбы и даже водоросли или примораживаются и замерзают, или получают значительные порезы.
Общепризнанная модель формирования брайниклов была описана океанографом Силье Мартином ещё в 1974 году. Более 30 лет свидетелями этого яркого океанического представления могли стать только учёные. Но в 2011 году процесс формирования морской сосульки был снят на видео оператором BBC.
Поток солёной воды, вытекающей из ледяной глыбы, настолько холодный, что окружающая его жидкость почти моментально замерзает. Через считанные секунды после того, как брайникл оказывается в океане, вокруг него образовывается хрупкая броня, состоящая из пористого льда. При достижении критической массы сосулька обрушивается на дно. Затем она начинает распускать свои холодные сети дальше. Любое попавшее в них животное обречено на гибель. На глазах у операторов «сосулька-убийца» за 3 часа проросла на несколько метров и достигла океанского дна. После этого за каких-то 15 минут брайникл уничтожил всех морских обитателей, находившихся в радиусе четырёх метров.
6. Самая длинная на Земле волна
Бразильцы называют процесс образования самой длинной волны Поророка
Погодные условия оказывают огромное влияние на воды океана. Неудивительно, что некоторые природные явления можно наблюдать лишь в определённый сезон при сочетании множества способствующих им факторов.
Так, самую длинную на планете волну можно увидеть в Бразилии не чаще 2 раз в году. В конце февраля, а затем в начале марта огромный объём воды из Атлантического океана поднимается вверх по устью реки Амазонка. При столкновении течения реки с приливными силами океана образуется самая длинная на Земле волна. В Бразилии это явление называют Поророка. Высота волн, образующихся в ходе этого явления, иногда достигает 3,5-4 метров. А услышать шум волны можно за полчаса до того, как она с грохотом обрушится на берег. Иногда Поророка разрушает прибрежные дома или вырывает деревья с корнями.
5. Морозные цветы
Тысячи удивительных морозных цветов в арктических водах
О существовании этих нежных, очаровательных цветов знают немногие. Морозные цветы образуются достаточно редко - только на молодом льду в холодной морской воде. Их формирование происходит при низкой температуре в безветренную погоду. Диаметр подобных образований обычно не превышает четырёх сантиметров, выглядят же они как хрустальные копии настоящих цветов. В них содержится много соли, этим и объясняется кристаллизованный вид морозных цветов.
Это интересно: Если на каком-то небольшом участке моря образуются миллионы подобных цветов, они начинают «выпускать» соль в воздух!
Море способно не только создавать условия для жизни и поддерживать её. Оно и само меняется, подобно живому организму. А морозные цветы - пример одного из самых красивых предметов искусства, созданных Мировым океаном.
4. Волны-убийцы
Блуждающие волны-убийцы могут достигать высоты в 25 метров и больше. Причины их образования достоверно неизвестны
Как правило, определить момент образования волны не составляет труда. Но существуют так называемые волны-убийцы, которые, по сути, появляются из ниоткуда и не проявляют никаких признаков своего приближения.
Это интересно: Обычно волны-убийцы встречаются в открытом океане далеко от суши. Они могут появляться даже в ясную погоду при отсутствии сильного ветра. Причины до сих пор не установлены. Их размеры просто колоссальны. Высота блуждающих волн-убийц может достигать 30 метров, а иногда и больше!
Долгое время учёные считали блуждающие волны вымыслом моряков, ведь они не укладывались ни в какие существовавшие математические модели возникновения и поведения волн. Дело в том, что с точки зрения классической океанологии волна высотой более 20,7 метров не может существовать в земных условиях. Не хватало и достоверных свидетельств их существования. Но 1 января 1995 года на норвежской нефтяной платформе «Дропнер», расположенной в Северном море, приборы зафиксировали волну высотой в 25,6 метра. Её назвали волной Дропнера. Вскоре начались исследования в рамках проекта MaxWave. Специалисты вели мониторинг водной поверхности Земли с помощью двух радарных спутников, запущенных Европейским космическим агентством. Всего за 3 недели в океанах было зафиксировано 10 одиночных блуждающих волн высотой более 25 метров.
После этого учёные были вынуждены по-новому взглянуть на случаи гибели огромных судов - контейнеровозов и супертанкеров. Волны-убийцы были включены в число вероятных причин этих катастроф. Позднее было доказано, что в 1980 году 300-метровый английский сухогруз «Дербишир» затонул у берегов Японии после столкновения с гигантской волной, пробившей грузовой люк и залившей трюмы. Тогда погибло 44 человека.
Волны-убийцы - ночной кошмар моряков, фигурирующий во многих рассказах и легендах. В них скрывается что-то загадочное и зловещее. Кажется невероятным, что предсказать появление такой стены воды практически невозможно. Мысль о волнах-убийцах определённо заставит вас пересмотреть своё отношение к океану. Вряд ли вы продолжите полагать, что в спокойную погоду можно заплыть на катере или яхте далеко от берега, не опасаясь за свою жизнь.
3. Место встречи Балтийского моря с Северным
Слева — Северное море, справа — Балтийское. Удивительно, но их воды не смешиваются
В датской провинции Скаген можно наблюдать удивительное явление, ранее вызывавшее немало споров среди учёных. В живописном месте встречаются 2 соседних моря - Балтийское и Северное. Удивительно, но они не смешиваются, словно будучи разделёнными невидимой стеной. Цвет воды в каждом море отличается, это позволяет визуально определить границу между ними.
По мнению океанологов, показатели плотности морских вод отличаются, как и их солёность (у Северного моря она в 1,5 раза выше). Из-за этого каждое море остаётся по свою сторону «водораздела», не смешиваясь с соседним и не уступая ему. Кроме состава воды, граница выражена настолько ярко благодаря противоположным течениям в двух проливах. Набегая друг на друга, они образуют сталкивающиеся волны.
Интересно, что встреча Северного моря с Балтийским упоминается в религиозной литературе - в «Коране». Непонятно только, как древние мусульмане добрались к территории современной Дании, чтобы повидать это фантастическое зрелище.
2. Биолюминесценция
Свечение океана в прибрежных водах — фантастическое зрелище
Биолюминесценция воды - явление, потрясающе выглядящее на фотографиях и ещё эффектнее в реальности. Свечение океана обусловлено простейшими водорослями - динофлагеллятами, составляющими большую часть планктона.
Крошечная молекула - субстрат люциферин, окисляется под воздействием фермента люциферазы и кислорода. Высвобождаемая энергия не превращается в тепловую, а возбуждает молекулы вещества, которое испускает фотоны. Типом люциферина определяется частота света, то есть цвет свечения.
Лучше всего наблюдать свечение океана во время размножения одноклеточных водорослей (обычно - не более 3 недель в году). Крошечных огоньков становится так много, что морская вода становится похожей на молоко, правда, окрашенное в ярко-голубой цвет. Впрочем, любоваться биолюминесценцией моря или океана следует осторожно: многие водоросли вырабатывают опасные для здоровья человека токсины. Поэтому в период их размножения и наибольшей интенсивности свечения наблюдать за ярким приливом всё же будет лучше, находясь на берегу. И обязательно в ночное время! Может показаться, что под водой скрыты огромные прожекторы, освещающие её из глубины.
1. Феномен Молочного моря
Свечение океана, вызванное явлением биолюминесценции, иногда можно заметить даже из космоса!
Феномен Молочного моря наблюдается в Индийском океане, и это - одно из проявлений процесса биолюминесценции.
Это интересно: В определённых зонах океана создаются идеальные условия для размножения бактерий. Тогда огромные объёмы солёной воды начинают светиться и окрашиваются светло-голубыми огоньками. Иногда бактериями освещаются такие большие участки воды, что их можно легко заметить даже из космоса. Такое зрелище никого не оставит равнодушным!
Это явление наблюдается уже не первое столетие. Свечение воды часто наблюдалось моряками в древности, оно заставляло их восторженно вглядываться в глубины океана. Однако если раньше люди не могли найти объяснения этому феномену, то в наше время о его природе известно всё. Но это не мешает свечению воды оставаться фантастическим зрелищем.
Подобные явления показывают всю красоту и разнообразие величественного Мирового океана. Наблюдая за ними, невольно ловишь себя на мысли, что человеческая цивилизация, насколько бы развитой она ни была, не сможет создать ничего подобного! Ведь люди - лишь временные гости на этой удивительной планете. И мы должны не разрушить, а сохранить всё великолепие природы для грядущих поколений.
Мировой океан, покрывающий 71% поверхности Земли, поражает сложностью и разнообразием процессов, развивающихся в нем.
От поверхности до наибольших глубин воды океана находятся в непрерывном движении. Эти сложные движения воды от огромных по масштабу океанических течений до мельчайших вихрей возбуждаются приливообразующими силами и служат проявлением взаимодействия атмосферы и океана.
Водная масса океана в низких широтах накапливает тепло, полученное от солнца, и переносит это тепло в высокие широты. Перераспределение тепла, в свою очередь, возбуждает определенные атмосферные процессы. Так, в области сближения холодных и теплых течений в Северной Атлантике возникают мощные циклоны. Они достигают Европы и часто определяют погоду на всем ее пространстве до Урала.
Живая материя океана очень неравномерно распределяется по глубинам. В различных районах океана биомасса зависит от климатических условий и поступления солей азота и фосфора в поверхностные воды. В океане обитает великое множество растений и животных. От бактерий и одноклеточных зеленых водорослей фитопланктона до крупнейших на земле млекопитающих - китов, вес которых достигает 150 т. Все живые организмы составляют единую биологическую систему со своими законами существования и эволюции.
На дне океана очень медленно накапливаются рыхлые осадки. Это первая стадия образования осадочных горных пород. Для того, чтобы геологи, работающие на суше, могли правильно расшифровать геологическую историю той или иной территории, необходимо детально исследовать современные процессы осадкообразования.
Как выяснилось в последние десятилетия, земная кора под океаном обладает большой подвижностью. На дне океана образуются горные хребты, глубокие рифтовые долины, вулканические конусы. Словом, дно океана «живет» бурно, и нередко там возникают такие сильные землетрясения, что по поверхности океана стремительно бегут огромные опустошительные волны цунами.
Пытаясь исследовать природу океана - этой грандиозной сферы земли, ученые сталкиваются с определенными трудностями, для преодоления которых приходится применять методы всех основных естественных наук: физики, химии, математики, биологии, геологии. Обычно об океанологии говорят как о союзе различных наук, о федерации наук, объединенных предметом исследования. В таком подходе к изучению природы океана сказывается естественное стремление глубже проникнуть в его тайны и настоятельная необходимость глубоко и всесторонне знать характерные черты его природы.
Задачи эти очень сложны, и решать их приходится большим коллективом ученых и специалистов. Для того, чтобы представить, как именно это делается, рассмотрим три наиболее актуальных направления океанологической науки:
- взаимодействие океана и атмосферы;
- биологическая структура океана;
- геология дна океана и его минеральные ресурсы.
Завершило многолетний неустанный труд старейшее советское научно-исследовательское судно «Витязь». Оно прибыло в Калининградский морской порт. Закончился 65-й прощальный рейс, продолжавшийся более двух месяцев.
Вот и сделана последняя «ходовая» запись в судовом журнале ветерана нашего океанологического флота, который за тридцать лет плаваний оставил за кормой более миллиона миль.
В беседе с корреспондентом «Правды» начальник экспедиции профессор А. А. Аксенов отметил, что 65-й рейс «Витязя», как и все предыдущие, оказался успешным. Во время комплексных исследований в глубоководных районах Средиземного моря и Атлантического океана получены новые научные данные, которые обогатят наши знания о жизни моря.
«Витязь» будет временно базироваться в Калининграде. Предполагается, что затем он станет базой для создания музея Мирового океана.
Несколько лет ученые многих стран работают по международному проекту ПИГАП (программа исследования глобальных атмосферных процессов). Цель этой работы - найти надежный метод прогноза погоды. Нет необходимости объяснять, насколько это важно. Можно будет заранее знать о засухе, о наводнениях, ливнях, сильных ветрах, жаре и холоде…
Пока никто не может дать такого прогноза. В чем главная трудность? Невозможно точно описать математическими уравнениями процессы взаимодействия океана и атмосферы.
Почти вся вода, выпадающая на сушу в виде дождя и слега, поступает в атмосферу с поверхности океана. Воды океана в районе тропиков сильно нагреваются, и течения разносят это тепло в высокие широты. Над океаном возникают огромные вихри - циклоны, которые определяют погоду на суше.
Океан - это кухня погоды… Но в океане очень мало постоянных станций наблюдения за погодой. Это немногочисленные острова и несколько автоматических плавучих станций.
Ученые пытаются построить математическую модель взаимодействия океана и атмосферы, но она должна быть реальной и точной, а для этого недостает многих данных о состоянии атмосферы над океаном.
Выход был найден в том, чтобы в небольшом районе океана очень точно и непрерывно проводить измерения с судов, с самолетов и метеорологических спутников. Такой международный эксперимент под названием «Тропекс» был проведен в тропической зоне Атлантического океана в 1974 г., и были получены очень важные данные для построения математической модели.
Необходимо знать всю систему течений в океане. Течения переносят тепло (и холод), питательные минеральные соли, нужные для развития жизни. Очень давно моряки начали собирать сведения о течениях. Это началось в XV- XVI вв., когда парусные суда вышли в открытый океан. В наше время все моряки знают, что существуют подробные карты поверхностных течений, и пользуются ими. Однако в последние 20-30 лет были сделаны открытия, которые показали, насколько неточны карты течений и насколько сложна общая картина циркуляции вод океана.
В экваториальной зоне Тихого и Атлантического океанов были исследованы, измерены и нанесены на карты мощные глубинные течения. Они известны как течение Кромвелла в Тихом и течение Ломоносова в Атлантическом океанах.
На западе Атлантического океана было открыто глубинное Антило-Гвианское противотечение. А под знаменитым Гольфстримом оказался Противогольфстрим.
В 1970 г. советские ученые провели очень интересное исследование. В тропической зоне Атлантического океана была установлена серия буйковых станций. На каждой станции непрерывно регистрировались течения на различных глубинах. Измерения длились полгода, причем периодически выполняли гидрологические съемки в районе измерений для получения данных об общей картине движения вод. После обработки и обобщения материалов измерений выяснилась очень важная общая закономерность. Оказывается, ранее существовавшее представление об относительно равномерном характере постоянного пассатного течения, которое возбуждается северными пассатными ветрами, не соответствует действительности. Не существует этого потока, этой громадной реки в жидких берегах.
В зоне пассатного течения движутся громадные вихри, водовороты, размером в десятки и даже сотни километров. Центр такого вихря перемещается со скоростью порядка 10 см/с, но на периферии вихря скорости течения значительно больше. Это открытие советских ученых было позднее подтверждено американскими исследователями, а в 1973 г. подобные вихри были прослежены в советских экспедициях, работавших на севере Тихого океана.
В 1977-1978 гг. был поставлен специальный эксперимент по изучению вихревой структуры течений в районе Саргассова моря на западе Северной Атлантики. На большом пространстве советские и американские экспедиции в течение 15 месяцев непрерывно вели измерения течений. Этот огромный материал еще не до конца проанализирован, но сама постановка задачи потребовала массовых специально поставленных измерений.
Особое внимание к так называемым синоптическим вихрям в океане вызвано тем, что именно вихри несут в себе наибольшую долю энергии течения. Следовательно, их тщательное изучение может существенно приблизить ученых к решению задачи о долгосрочном прогнозе погоды.
Еще одно интереснейшее явление, связанное с океанскими течениями, открыто в последние годы. К востоку и к западу от мощного океанского течения Гольфстрим обнаружены очень устойчивые так называемые ринги (кольца). Подобно реке, Гольфстрим имеет сильные изгибы (меандры). В некоторых местах меандры смыкаются, и образуется кольцо, в котором резко различается температура поды на периферии и в центре. Такие кольца прослежены также на периферии мощного течения Куросио в северо-западной части Тихого океана. Специальные наблюдения над рингами в Атлантическом и Тихом океанах показали, что эти образования очень устойчивы, сохраняют существенную разницу в температуре воды на периферии и внутри ринга в течение 2-3 лет.
В 1969 г. впервые были применены специальные зонды для непрерывного измерения температуры и солености на различных глубинах. До этого температуру измеряли ртутными термометрами в нескольких точках на разных глубинах и с этих же глубин в батометрах поднимали воду. Затем определяли соленость воды и наносили значения солености и температуры на график. Получали распределение этих свойств воды по глубине. Измерения в отдельных точках (дискретные) не позволяли даже предположить, что температура воды с глубиной изменяется так сложно, как это показали непрерывные измерения зондом.
Оказалось, что вся водная масса от поверхности до больших глубин разделяется на тонкие слои. Разница в температуре соседних горизонтальных слоев доходит до нескольких десятых градуса. Эти слои толщиной от нескольких сантиметров до нескольких метров существуют иногда несколько часов, иногда исчезают за несколько минут.
Первые измерения, сделанные в 1969 г., показались многим случайным явлением в океане. Не может быть, говорили скептики, чтобы могучие океанские волны и течения не перемешивали воду. Но в последующие годы, когда зондирование водной толщи точными приборами было проведено по всему океану, оказалось, что тонкослоистая структура водной толщи обнаруживается везде и всегда. Не вполне ясны причины этого явления. Пока объясняют его так: по той или иной причине в толще воды возникают многочисленные довольно четкие границы, разделяющие слои с различной плотностью. На границе двух слоев различной плотности очень легко возникают внутренние волны, которые перемешивают воду. В процессе разрушения внутренних волн возникают новые однородные слои, и границы слоев образуются на иных глубинах. Так этот процесс повторяется многократно, меняются глубина залегания и толщина слоев с резкими границами, но общий характер водной толщи остается неизменным.
В 1979 г. начался экспериментальный этап международной программы изучения глобальных атмосферных процессов (ПИГАП). Несколько десятков судов, автоматические наблюдательные станции в океане, специальные самолеты и метеорологические спутники, вся эта громада исследовательских средств работает на всем пространстве Мирового океана. Все участники этого эксперимента работают по единой согласованной программе для того, чтобы, сопоставляя материалы международного эксперимента, можно было построить глобальную модель состояния атмосферы и океана.
Бели принять во внимание, что кроме генеральной задачи - поиска надежного метода долгосрочного прогноза погоды, необходимо знать множество частных фактов, то общая задача физики океана представится весьма и весьма сложной: методы измерений, приборы, действие которых основано на применении самых современных электронных схем, довольно трудная обработка получаемой информации с обязательным использованием ЭВМ; построение весьма сложных и оригинальных математических моделей процессов, развивающихся в водной толще океана и на границе с атмосферой; постановка широких экспериментов в характерных районах океана. Таковы общие особенности современных исследований в области физики океана.
Особые трудности возникают при изучении живой материи в океане. Относительно недавно были получены необходимые материалы для общей характеристики биологической структуры океана.
Лишь в 1949 г. была открыта жизнь на глубинах более 6000 м. Позднее глубоководная фауна - фауна ультраабиссали оказалась интереснейшим объектом специального исследования. На таких глубинах условия существования очень стабильны в геологическом масштабе времени. Можно по сходству ультраабиссальной фауны установить былые связи отдельных океанических впадин и восстановить географические условия геологического прошлого. Так, например, сравнивая глубоководную фауну Карибского моря и восточной части Тихого океана, ученые установили, что в геологическом прошлом не было Панамского перешейка.
Несколько позднее было сделано поразительное открытие - в океане обнаружен новый тип животных - погонофоры. Тщательное исследование их анатомии, систематическая классификация составили содержание одного из выдающихся трудов в современной биологии - монографии А. В. Иванова «Погонофоры». Эти два примера показывают, насколько трудным оказалось изучение распределения жизни в океане и тем более общих закономерностей функционирования биологических систем океана.
Сопоставляя разрозненные факты, сравнивая биологию основных групп растений и животных, ученые пришли к важным выводам. Общая биологическая продукция Мирового океана оказалась несколько меньше аналогичной величины, характеризующей всю площадь суши, несмотря на то, что площадь океана в 2,5 раза больше, чем суши. Это связано с тем, что областями высокой биологической продуктивности являются периферия океана и области подъема глубинных вод. Остальное пространство океана - почти безжизненная пустыня, в которой можно встретить разве что крупных хищников. Отдельными оазисами в океанской пустыне оказываются лишь небольшие коралловые атоллы.
Другой важный вывод касается общей характеристики пищевых цепей в океане. Первым звеном пищевой цепи являются одноклеточные зеленые водоросли фитопланктона. Следующее звено - зоопланктон, далее планктоноядные рыбы и хищники. Существенное значение имеют дойные животные - бентос, также являющиеся пищей для рыб.
Воспроизводство в каждом звене пищевой цени таково, что продуцируемая биомасса в 10 раз превышает ее потребление. Иначе говоря, 90%, например, фитопланктона погибает естественным путем и только 10% служит пищей для зоопланктона. Установлено также, что рачки зоопланктона совершают в поисках пищи вертикальные суточные миграции. Совсем недавно удалось обнаружить в пищевом рационе рачков зоопланктона сгустки бактерий, причем этот вид пищи составил до 30% общего объема. Общий итог современных исследований биологии океана состоит в том, что найден подход и построена первая блоковая математическая модель экологической системы открытого океана. Это первый шаг на пути к искусственному регулированию биологической продуктивности океана.
Какими же методами пользуются биологи в океане?
Прежде всего, разнообразными орудиями лова. Мелкие организмы планктона отлавливаются специальными конусными сетями. В результате лова получают осредненное количество планктона в весовых единицах на единицу объема воды. Этими сетями можно облавливать отдельные горизонты водной толщи или «процеживать» воду от заданной глубины до поверхности. Донные животные отлавливаются различными орудиями, буксируемыми по дну. Рыбы и другие организмы нектона отлавливаются разноглубинными тралами.
Своеобразные методы применяются для изучения пищевых взаимоотношений различных групп планктона. Организмы «метят» радиоактивными веществами и затем определяют количество и темп выедания в последующем звене пищевой цепи.
В последние годы нашли применение физические методы косвенного определения количества планктона в воде. Один из этих методов основан на использовании лазерного луча, который как бы прощупывает поверхностный слой воды в океане и дает данные о суммарном количестве фитопланктона. Другой физический метод основан на использовании способности организмов планктона к свечению - биолюминесценции. Специальный батометр-зонд погружается в воду, и по мере погружения фиксируется интенсивность биолюминесценции, как показатель количества планктона. Этими методами очень быстро и полно получают характеристику распределения планктона во множестве точек зондирования.
Важным элементом изучения биологической структуры океана являются химические исследования. Содержание биогенных элементов (минеральных солей азота и фосфора), растворенного кислорода и ряд других важных характеристик среды обитания организмов определяют химическими методами. Особенно важны тщательные химические определения при изучении высокопродуктивных прибрежных районов - зон апвеллинга. Здесь, при регулярных и сильных ветрах с берега, происходит сильный сгоп воды, сопровождающийся подъемом глубинных вод и распространением их в мелководной области шельфа. Глубинные воды содержат в растворенном виде значительное количество минеральных солей азота и фосфора. Вследствие этого в зоне апвеллинга пышно расцветает фитопланктон и в конечном счете формируется область промысловых скоплений рыбы.
Прогноз и регистрация специфического характера среды обитания в зоне апвеллинга выполняются методами химии. Таким образом, и в биологии вопрос о допустимых и применяемых методах исследования решается в наше время комплексно. Широко применяя традиционные методы биологии, исследователи все шире используют методы физики и химии. Обработка материалов, а также обобщение их в виде оптимизированных моделей выполняются методами современной математики.
В области изучения геологии океана за последние 30 лет получено так много новых фактов, что пришлось решительно изменить многие традиционные представления.
Всего лишь 30 лет назад измерение глубины дна океана было исключительно трудным делом. Нужно было опускать в воду тяжелый лот с грузом, подвешенным на длинном стальном тросе. При этом результаты часто бывали ошибочными, а точки с измеренными глубинами отстояли одна от другой на сотни километров. Поэтому и господствовало представление о громадных пространствах океанического дна как о гигантских равнинах.
В 1937 г. впервые был применен новый метод измерения глубин, основанный на эффекте отражения звукового сигнала от дна.
Принцип измерения глубины эхолотом очень прост. Специальный вибратор, укрепленный в нижней части корпуса судна, излучает пульсирующие акустические сигналы. Сигналы отражаются от поверхности дна и улавливаются принимающим устройством эхолота. Время пробегания сигнала «туда и обратно» зависит от глубины, и на ленте при движении корабля вычерчивается непрерывный профиль дна. Серия таких профилей, разделенных относительно небольшими расстояниями, дает возможность провести на карте линии равных глубин - изобаты и изобразить донный рельеф.
Измерения глубин эхолотом изменили прежние представления ученых о рельефе дна океана.
Как же оно выглядит?
От берега тянется полоса, которую называют континентальным шельфом. Глубины на континентальном шельфе обычно не превышают 200-300 м.
В верхней зоне континентального шельфа идет непрерывное и бурное преобразование рельефа. Берег отступает под натиском волн, и одновременно под водой возникают большие скопления обломочного материала. Именно здесь образуются крупные залежи песка, гравия, гальки - превосходный строительный материал, раздробленный и отсортированный самой природой. Разнообразные косы, пересыпи, бары, в свою очередь, наращивают берег в другом месте, отделяют лагуны, перегораживают устья рек.
В тропической зоне океана, где вода очень чистая и теплая, вырастают грандиозные коралловые сооружения - береговые и барьерные рифы. Они тянутся на сотни километров. Коралловые рифы служат убежищем для великого множества организмов и вместе с ними образуют сложную и необыкновенную биологическую систему. Словом, верхняя зона шельфа «живет» бурной геологической жизнью.
На глубинах 100-200 м геологические процессы как бы замирают. Рельеф становится выровненным, на дне много выходов коренных пород. Разрушение скал идет очень медленно.
На внешнем крае шельфа, обращенном к океану, круче становится падение поверхности дна. Иногда уклоны достигают 40-50°. Это материковый склон. Его поверхность рассекают подводные каньоны. Здесь происходят напряженные, порой катастрофические процессы. На склонах подводных каньонов накапливается ил. Временами устойчивость скоплений внезапно нарушается, и по дну каньона низвергается грязевой поток.
Грязевой поток достигает устья каньона, и здесь основная масса песка и крупных обломков, отлагаясь, образует конус выноса - подводную дельту. За пределы материкового подножия выходит мутьевой поток. Нередко отдельные конусы выноса соединяются, и у материкового подножия образуется сплошная полоса рыхлых осадков большой мощности.
53% площади дна занимает ложе океана, та область, которая до недавнего времени считалась равниной. В действительности рельеф ложа океана довольно сложный: поднятия различного строения и происхождения делят его на огромные котловины. Размеры океанических котловин можно оценить хотя бы по одному примеру: северная и восточная котловины Тихого океана занимают площадь большую, чем вся Северная Америка.
На большом пространстве самих котловин господствует холмистый рельеф, иногда встречаются отдельные подводные горы. Высота гор океана достигает 5-6 км, и их вершины нередко возвышаются над водой.
В других районах ложе океана пересекают громадные пологие валы шириной в несколько сот километров. Обычно на этих валах располагаются вулканические острова. В Тихом океане, например, есть Гавайский вал, на котором расположена цепь островов с действующими вулканами и лавовыми озерами.
Со дна океана во многих местах поднимаются вулканические конусы. Иногда вершина вулкана достигает поверхности воды, и тогда возникает остров. Некоторые из таких островов постепенно разрушаются и скрываются под водой.
В Тихом океане обнаружено несколько сотен вулканических конусов с явными следами действия волн на плоских вершинах, погруженных на глубину 1000-1300 м.
Эволюция вулканов может быть и иной. На вершине вулкана поселяются рифообразующие кораллы. При медленном погружении кораллы надстраивают риф, и с течением времени образуется кольцевой остров - атолл с лагуной в середине. Рост кораллового рифа может продолжаться очень долго. На некоторых атоллах Тихого океана было проведено бурение, с тем чтобы определить мощность толщи коралловых известняков. Оказалось, что она достигает 1500. Это значит, что вершина вулкана опускалась медленно - приблизительно на протяжении 20 тыс. лет.
Изучая рельеф дна и геологическое строение твердой коры океана, ученые пришли к некоторым новым выводам. Земная кора под дном океана оказалась значительно тоньше, чем на материках. На материках мощность твердой оболочки Земли - литосферы - достигает 50-60 км, а в океане не превышает 5-7 км.
Оказалось также, что литосфера суши и океана различна по составу пород. Под слоем рыхлых пород - продуктов разрушения поверхности суши лежит мощный гранитный слой, который подстилается базальтовым слоем. В океане гранитный слой отсутствует, и рыхлые отложения лежат прямо на базальтах.
Еще более важным оказалось открытие грандиозной системы горных цепей на дне океана. Горная система срединно-океанических хребтов тянется через все океаны на 80 000 км. По своим размерам подводные хребты сравнимы лишь с величайшими горами на суше, например с Гималаями. Гребни подводных хребтов обычно рассечены вдоль глубокими ущельями, которые были названы рифтовыми долинами, или рифтами. Их продолжение прослеживается и на суше.
Ученые поняли, что глобальная система рифтов - явление очень важное в геологическом развитии всей нашей планеты. Начался период тщательного изучения системы рифтовых зон, и в скором времени были получены столь значительные данные, что произошло резкое изменение представлений о геологической истории Земли.
Сейчас ученые вновь обратились к полузабытой гипотезе дрейфа континентов, высказанной немецким ученым А. Вегенером в начале века. Было выполнено тщательное сопоставление контуров материков, разделенных Атлантическим океаном. При этом геофизик Я. Буллард совмещал контуры Европы и Северной Америки, Африки и Южной Америки не по береговым линиям, а по срединной линии материкового склона, приблизительно по изобате 1000 м. Очертания обоих берегов океана совпали так точно, что даже завзятые скептики не могли сомневаться в действительном огромном горизонтальном перемещении материков.
Особенно убедительны были данные, полученные во время геомагнитных съемок в области срединно-океанических хребтов. Выяснилось, что излившаяся базальтовая лава постепенно смещается в обе стороны от гребня хребта. Таким образом, было получено прямое доказательство расширения океанов, раздвижения земной коры в области рифта и в соответствии с этим дрейфа континентов.
Глубинное бурение в океане, которое несколько лет ведется с американского судна «Гломар Челленджер», вновь подтвердило факт расширения океанов. Установили даже среднюю величину расширения Атлантического океана - несколько сантиметров в год.
Удалось также объяснить повышенную сейсмичность и вулканизм на периферии океанов.
Все эти новые данные послужили основанием для создания гипотезы (часто ее называют теорией, настолько убедительны ее аргументы) тектоники (подвижности) литосферных плит.
Первоначальная формулировка этой теории принадлежит американским ученым Г. Хессу и Р. Дитцу. Позднее ее развили и дополнили советские, французские и другие ученые. Смысл новой теории сводится к представлению о том, что жесткая оболочка Земли - литосфера - разделена на отдельные плиты. Эти плиты испытывают горизонтальные перемещения. Силы, приводящие в движение литосферные плиты, порождаются конвективными течениями, т. е. течениями глубинного огненно-жидкого вещества Земли.
Расплывание плит в стороны сопровождается образованием срединно-океанических хребтов, на гребнях которых возникают зияющие трещины рифтов. Через рифты происходит излияние базальтовой лавы.
В других областях литосферные плиты сближаются и сталкиваются. В этих столкновениях, как правило, рождается поддвиг края одной плиты под другую. На периферии океанов известны такие современные зоны поддвига, где часто возникают сильнейшие землетрясения.
Теория тектоники литосферных плит подтверждается множеством фактов, добытых за последние пятнадцать лет в океане.
Общей основой современных представлений о внутреннем строении Земли и процессах, происходящих в ее недрах, служит космогоническая гипотеза академика О. Ю. Шмидта. По его представлениям, Земля, как и другие планеты Солнечной системы, образовалась путем слипания холодного вещества пылевого облака. Дальнейшее нарастание Земли происходило путем захвата новых порций метеоритного вещества при прохождении через пылевое облако, некогда окружавшее Солнце. По мере нарастания планеты происходило погружение тяжелых (железных) метеоритов и всплывание легких (каменных). Этот процесс (разделение, дифференциация) был столь мощным, что внутри планеты вещество расплавлялось и разделялось на тугоплавкую (тяжелую) часть и легкоплавкую (более легкую). Одновременно действовал и радиоактивный разогрев во внутренних частях Земли. Все эти процессы привели к образованию тяжелого внутреннего ядра, более легкого внешнего ядра, нижней и верхней мантии. Геофизические данные и расчеты показывают, что в недрах Земли таится огромная энергия, действительно способная к решительным преобразованиям твердой оболочки - литосферы.
Основываясь на космогонической гипотезе О. 10. Шмидта, академик А. П. Виноградов разработал геохимическую теорию происхождения океана. А. П. Виноградов путем точных расчетов, а также экспериментов по изучению дифференциации расплавленного вещества метеоритов установил, что водная масса океана и атмосферы Земли образовалась в процессе дегазации вещества верхней мантии. Этот процесс продолжается и в наше время. В верхней мантии действительно происходит непрерывная дифференциация вещества, и наиболее легкоплавкая его часть проникает на поверхность литосферы в виде базальтовой лавы.
Представления о строении земной коры и ее динамике постепенно уточняются.
В 1973 и 1974 гг. в Атлантическом океане была осуществлена необычная подводная экспедиция. В заранее выбранном районе Срединно-Атлантического хребта были выполнены глубоководные погружения подводных аппаратов и был детально исследован небольшой по размеру, но очень важный участок океанского дна.
Исследуя дно с надводных судов в период подготовки экспедиции, ученые детально изучили рельеф дна и обнаружили такой район, внутри которого было глубокое ущелье, рассекающее вдоль гребень подводного хребта - рифтовая долина. В этом же районе находится хорошо выраженный в рельефе трансформный разлом - поперечный по отношению к гребню хребта и рифтовому ущелью.
Такая типичная структура дна - рифтовое ущелье, трансформный разлом, молодые вулканы, была обследована с трех подводных судов. В экспедиции участвовали французский батискаф «Архимед» с обеспечивающим его работу специальным судном «Марсель ле Биан», французская подводная лодка «Сиана» с судном «Норуа», американское исследовательское судно «Кнорр», американская подводная лодка «Алвин» с судном «Лулу».
Всего было сделано 51 глубоководное погружение за два сезона.
При выполнении глубоководных погружений до 3000 м экипажи подводных судов столкнулись с некоторыми затруднениями.
Первое, что поначалу сильно усложняло исследования, это невозможность определить местоположение подводного аппарата в условиях сильно расчлененного рельефа.
Подводный аппарат должен был двигаться, сохраняя расстояние от дна не более 5 м. На крутых склонах и пересекая узкие долины, батискаф и подводные лодки не могли пользоваться системой акустических маяков, так как подводные горы препятствовали прохождению сигналов. По этой причине была введена в действие бортовая система на обеспечивающих судах, с помощью которой определяли точное место подводного судна. С обеспечивающего судна следили за подводным аппаратом и руководили его движением. Иногда была и прямая опасность для подводного аппарата, и однажды такая ситуация возникла.
17 июля 1974 г. подводная лодка «Алвин» буквально застряла в узкой трещине и в течение двух с половиной часов осуществляла попытки выйти из западни. Экипаж «Алвин» проявил удивительную находчивость и хладнокровие - после выхода из западни не всплыл на поверхность, но продолжал исследования еще два часа.
В дополнение к непосредственным наблюдениям и измерениям из подводных аппаратов, когда выполнялось фотографирование и сбор образцов, в районе работ экспедиции было сделано бурение с известного специального судна «Гломар Челленджер».
Наконец, с борта исследовательского судна «Кнорр» регулярно проводились геофизические измерения, дополнявшие работу наблюдателей подводных аппаратов.
В результате в небольшом районе дна было сделано 91 км маршрутных наблюдений, 23 тысячи фотографий, собрано более 2 т образцов горных пород и сделано более 100 видеозаписей.
Научные результаты этой экспедиции (она известна под названием «Famous») очень важны. Впервые были применены подводные аппараты не просто для наблюдений подводного мира, но для целеустремленного геологического исследования, подобного тем подробным съемкам, которые геологи ведут на суше.
Впервые были получены прямые доказательства перемещения литосферных плит вдоль границ. В данном случае исследовалась граница между Американской и Африканской плитами.
Была определена ширина зоны, которая расположена между движущимися литосферными плитами. Неожиданно оказалось, что эта зона, где земная кора образует систему трещин и где происходит излияние базальтовой лавы на поверхность дна, то есть формируется новая земная кора, эта зона имеет ширину менее километра.
Очень важное открытие было сделано на склонах подводных холмов. В одном из погружений подводного аппарата «Сиана» на склоне холма были обнаружены трещиноватые рыхлые отдельности, сильно отличающиеся от различных обломков базальтовой лавы. После всплытия «Сианы» было установлено, что это марганцевая руда. Более подробное обследование района распространения марганцевых руд привело к открытию древнего гидротермального месторождения на поверхности дна. Повторные погружения дали новые материалы, доказывающие, что действительно вследствие выхода на поверхность дна термальных вод из недр дна в этом небольшом участке дна лежат руды железа и марганца.
Во время экспедиции возникало множество технических проблем и бывали неудачи, но драгоценный опыт целеустремленных геологических исследований, полученный в течение двух сезонов, тоже важный результат этого необыкновенного океанологического эксперимента.
Методы изучения строения земной коры в океане отличаются некоторыми особенностями. Рельеф дна изучается не только с помощью эхолотов, но также локаторов бокового обзора и специальными эхолотами, которые дают картину рельефа в пределах полосы, равной по ширине глубине места. Эти новые методы дают результаты более точные и более правильно позволяют изобразить рельеф на картах.
На научно-исследовательских судах проводится гравиметрическая съемка с помощью набортных гравиметров, съемка магнитных аномалий. Эти данные дают возможность судить о строении земной коры под океаном. Основной метод исследования - это сейсмическое зондирование. В толще воды помещают небольшой заряд взрывчатки и производят взрыв. Специальное приемное устройство регистрирует время вступления отраженных сигналов. Вычислениями определяют скорость распространения продольных волн, вызванных взрывом в толще земной коры. Характерные величины скоростей дают возможность разделять литосферу на несколько слоев различного состава.
В настоящее время в качестве источника используют пневматические устройства или электрический разряд. В первом случае в воде происходит выброс (практически мгновенно) небольшого объема воздуха, сжатого в специальном устройстве давлением 250-300 атм. На небольшой глубине воздушный пузырь резко расширяется и этим самым имитируется взрыв. Частое повторение таких взрывов, вызываемых устройством, которое называют воздушной пушкой, дает непрерывный профиль сейсмического зондирования и, следовательно, достаточно подробный профиль строения земной коры на всем протяжении галса.
Аналогичным образом используется профилограф с электрическим разрядником (спаркер). В этом варианте сейсмической аппаратуры мощность разряда, возбуждающего колебания, обычно невелика, и пользуются спаркером для изучения мощности и распределения неуплотненных слоев донных отложений.
Для изучения состава донных отложений и получения их образцов применяют различные системы грунтовых трубок и дночерпателей. Грунтовые трубки имеют, в зависимости от задачи исследования, различный диаметр, обычно несут на себе тяжелый груз для максимального заглубления в грунт, иногда имеют внутри поршень и несут на нижнем конце тот или иной замыкатель (кернопрерыватель). Трубка погружается в воду и в осадок на дне на ту или иную глубину (но обычно не более 12-15 м), и извлеченный таким образом керн, обычно называемый колонкой, поднимается на палубу судна.
Дночерпатели, представляющие собой грейферного типа устройства, как бы вырезают небольшой монолит поверхностного слоя донного грунта, который доставляется на палубу судна. Разработаны модели дночерпателей самовсплывающие. Они позволяют обойтись без троса и палубной лебедки и значительно упрощают способ получения образца. В прибрежных районах океана на малых глубинах применяют вибропоршневые грунтовые трубки. С их помощью удается получить колонки длиной до 5 м на песчаных грунтах.
Очевидно, все перечисленные приборы нельзя использовать для получения образцов (кернов) донных пород, уплотненных и имеющих мощность десятки и сотни метров. Эти образцы получают с помощью обычных буровых установок, смонтированных на судах. Для относительно небольших глубин шельфа (до 150-200 м) используют специальные суда, несущие буровую вышку и устанавливаемые в точке бурения на нескольких якорях. Удержание судна в точке осуществляется путем регулирования натяжения цепей, идущих к каждому из четырех якорей.
На глубинах в тысячи метров в открытом океане постановка судна на якорь технически неосуществима. Поэтому разработан специальный метод динамического позиционирования.
Буровое судно выходит в заданную точку, причем точность определения места обеспечивается специальным навигационным устройством, принимающим сигналы с искусственных спутников Земли. Затем на дно устанавливается довольно сложное устройство типа акустического маяка. Сигналы этого маяка принимает система, установленная на судне. После получения сигнала специальные электронные устройства определяют смещение судна и мгновенно выдают команду на подруливающие устройства. Включается нужная группа гребных винтов и положение судна восстанавливается. На палубе судна глубинного бурения размещены буровая вышка с установкой вращательного бурения, большой набор труб и специальное устройство для подъема и свинчивания труб.
Буровое судно «Гломар Челленджер» (пока единственное) осуществляет работы по международному проекту глубоководного бурения в открытом океане. Уже пробурено более 600 скважин, причем наибольшая глубина проходки скважин составила 1300 м. Материалы глубоководного бурения дали столько новых и неожиданных фактов, что интерес к их изучению чрезвычайный. При исследовании дна океана применяют много разнообразных приемов и методов, и можно ожидать в недалеком будущем появления новых методов, использующих новые принципы измерений.
В заключение следует кратко упомянуть об одной задаче в общей программе исследований океана - об изучении загрязнения. Источники загрязнения океана разнообразны. Сброс промышленных и бытовых стоков из прибрежных предприятий и городов. Состав загрязняющих веществ здесь чрезвычайно разнообразен: от отходов атомной промышленности до современных синтетических моющих средств. Значительное загрязнение создают сбросы с океанских судов, а порой и катастрофические разливы нефти при авариях танкеров и морских нефтяных скважин. Есть еще один способ загрязнения океана - через атмосферу. Воздушные течения переносят на громадные расстояния, например, свинец, попадающий в атмосферу с выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания. В процессе газообмена с атмосферой свинец попадает в воду и обнаруживается, например, в антарктических водах.
Определения загрязнения организованы в настоящее время в специальную международную систему наблюдений. При этом систематические наблюдения над содержанием загрязняющих веществ в воде возложены на соответствующие суда.
Наибольшее распространение в океане имеет загрязнение нефтепродуктами. Для контроля над ним применяют не только химические методы определения, но большей частью оптические методы. На самолетах и вертолетах устанавливают специальные оптические устройства, с помощью которых определяют границы площади, покрытой нефтяной пленкой, и даже толщину пленки.
Природа Мирового океана, этой, образно выражаясь, огромной экологической системы нашей планеты, еще недостаточно изучена. Доказательством такой оценки служат недавние открытия в различных областях океанологии. Методы изучения Мирового океана довольно разнообразны. Несомненно, в будущем, по мере того как будут найдены и применены новые методы исследования, наука обогатится новыми открытиями.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
ИСТОРИЯ, СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
В истории исследования океанов и становлении океанологии можно выделить несколько периодов. Первый период исследований от древнейших времен до эпохи Великих географических открытий связан с открытиями египтян, финикийцев жителей острова Крит и их приемников. Они имели неплохое представление о ветрах, течениях и берегах известных им акваторий. Первое, исторически доказанное плавание египтяне, осуществили по Красному морю от Суэцкого залива до Аденского залива, открыв при этом Баб-эль-Мандебский пролив.
Финикийские полукупцы-полупираты плавали далеко от своих родных портов. Подобно всем мореплавателям древности они никогда по собственному желанию не удалялись от берега за пределы его видимости, не плавали зимой и ночью. Основной целью их путешествий была добыча металла и охота за рабами для Египта и Вавилонии, но одновременно они способствовали распространению географических знаний об океане. Основным объектом их исследований во II тысячелетии до нашей эры было Средиземное море. Кроме этого они плавали через Аравийское море и Индийский океан на Восток, где, минуя Малаккский пролив, возможно, достигали Тихого океана. В 609-595 годах до нашей эры финикийцы на галерах пересекли Красное море, обогнули всю Африку и вернулись в Средиземное море через Гибралтарский пролив.
Открытие Индийского океана связано с мореходами древнейшей хараппской цивилизации существовавшей в бассейне Инда в III-II тысячелетии до нашей эры. Для навигационных целей они использовали птиц и имели четкое представление о муссонах. Первыми освоили прибрежное судоходство по Аравийскому морю и Оманскому заливу, открыли Ормузский пролив. В дальнейшем древние индийцы, совершали плавания по Бенгальскому заливу, в VII веке до нашей эры проникли в Южно-Китайское море и открыли Индокитайский полуостров. В конце I тысячелетия до нашей эры они располагали огромным флотом, достигли значительных успехов в науке кораблевождения и открыли Малайских архипелаг, Лаккадивские, Мальдивские, Андаманские, Никобарские и другие острова в Индийском океане. Пути морских путешествий древних китайцев пролегали в основном по акваториям Южно-Китайского, Восточно-Китайского и Желтого морей.
Из древних мореплавателей Европы следует отметить критян, которые в XV?-XV веках до нашей эры первые проникли через Мраморное море и Босфор в Черное море (Понт), стали первооткрывателями значительной части Южной Европы.
В античные времена значительно расширился географический кругозор. Существенно возросла площадь известных земель и акваторий. Удивительных успехов добилась географическая наука. Уроженец Массалии Пифей в середине?V века до нашей эры совершал плавания в Северную Атлантику, где впервые исследовал явления прилива и отлива, открыл Британские острова и Исландию. Аристотель высказал мысль о единстве Мирового океана, а Посидоний развил эту идею и четко изложил теорию единого океана. Античные ученые много знали о географии Мирового океана, имели достаточно подробное описание его природы и карты с промерами глубин.
В середине VI века далеко на север и запад Северной Атлантики плавали ирландские монахи. Торговля их не интересовала. Они были движимы благочестивыми побуждениями, жаждой приключений и стремлением к уединению. Они еще до скандинавов побывали в Исландии и видимо достигали в своих странствиях острова Гренландия и восточного побережья Северной Америки. В открытии, часто вторичном, после древних ирландцев, и освоении Северной Атлантики в VII–X веках значительную роль сыграли норманны. Основным занятием древних норманнов были скотоводство и морские промыслы. В поисках рыбы и морского зверя они совершали дальние плавания по северным морям. Кроме того, они отправлялись за моря для торговли в страны Европы, совмещая ее с пиратством и работорговлей. Норманны плавали по Балтийскому и Средиземному морям. Уроженец Норвегии Эйрик Торвальдсон (Эйрик Рауди), поселившийся в Исландии, в 981 году открыл Гренландию. Его сыну Лейфу Ейриксону (Лейфу Счастливому) приписывают открытие Баффинова залива, Лабрадора и Ньюфаундленда. В результате морских экспедиций норманны также открыли море Баффина, Гудзонов залив положили начало открытию Канадского Арктического архипелага.
В Индийском океане во второй половине XV века господствовали арабские мореплаватели. Они плавали по Красному и Аравийскому морям, Бенгальскому заливу и морям Юго-Восточной Азии вплоть до острова Тимор. Потомственный арабский навигатор Ибн Маджид в 1462 году создал “Хавийат ал-ихтисар...” (“Собрание итогов о главных принципах знания о море”), а в 1490 закончил поэму “Китаб ал-фаваид...” (“Книга польз об основах и правилах морской науки”). В этих навигационных работах содержалась информация о берегах Индийского океана, его краевых морях и крупнейших островах.
В XII - XIII веках русские промышленники-поморы в поисках морского зверя и “рыбьего зуба” осваивали моря Серного Ледовитого океана. Они открыли архипелаг Шпицберген (Груманд) и Карское море.
В XV веке одной из сильнейших морских держав была Португалия. В это время в Средиземном море каталонцы, генуэзцы и венецианцы монополизировали все торговлю Европы с Индией. На Северном и Балтийском морях господствовал Генуэзский союз. Поэтому португальцы осуществляли свою морскую экспансию главным образом в южном направлении, вдоль побережья Африки. Они исследовали западные и южные берега Африки, открыли острова Зеленого Мыса, Азорские, Канарские и ряд других. В 1488 году Бартоломеу Диаш открыл мыс Доброй Надежды.
Второй период изучения Мирового океана связан с эпохой Великих географических открытий, хронологические рамки, которой ограничены серединой ХV и ХVII веков. Значительные географические открытия стали возможны благодаря успехам науки и техники: созданию достаточно надежных для океанического плавания парусных судов, усовершенствованию компаса и морских карт, формированию представлений о шарообразности Земли и т. д.
Одним из важнейших событий этого периода было открытие Америки в результате экспедиций Христофора Колумба (1492-1504 гг.). Оно заставило пересмотреть существовавшие до тех пор взгляды на распределение суши и моря. В Атлантическом океане довольно точно было установлено расстояние от берегов Европы до Карибского бассейна, измерена скорость Северного пассатного течения, сделаны первые промеры глубин, взяты пробы грунта, впервые описаны тропические ураганы, установлены аномалии магнитного склонения у Бермудских островов. В 1952 году в Испании была издана первая батиметрическая карта с обозначением рифов, банок и мелководья. В это время было открыто Бразильское, Гвианское течение и Гольфстрим.
В Тихом океане, в связи с интенсивными поисками новых земель, был собран большой фактический материал о природе океана, в основном навигационного характера. Но военные походы, торговые мореплавания этого периода приносили и собственно научные сведения. Так Ф. Магеллан во время первого кругосветного плавания (1519-1522 гг.) пытался измерить глубину Тихого океана.
В 1497-1498 годах португалец Васко-да-Гама открыл морской путь в Индию вдоль западного побережья Африки. Вслед за португальцами, в Индийский океан устремились голландские, французские, испанские и английские мореплаватели, охватывая своими плаваниями разные его части.
Главной целью плаваний в Северном Ледовитом океане открытие новых земель и путей сообщения. В то время русские, английские и голландские мореходы пытались достичь Северного полюса, пройти Северо-Восточным путем вдоль берегов Азии и Северо-Западным – вдоль берегов Северной Америки. Они, как правило, не имели четких планов, практики плавания во льдах и соответствующего для полярных широт снаряжения. Поэтому их усилия не дали желаемых результатов. Экспедиции Г. Торна (1527 г.), Х. Уиллоби (1553 г.), В. Баренца (1594-96 гг.), Г. Гудзона (1657 г.) закончились полной неудачей. В начале ХVII века У. Баффин, пытаясь найти Северо-Западный проход, проплыл вдоль западного побережья Гренландии до 77° 30" с. ш. и открыл устья проливов Ланкостер и Смит, остров Элсмир и Девон. Льды не позволили ему проникнуть в проливы, и Баффин сделал вывод, что прохода нет.
Значительный вклад в изучение Северо-Восточного прохода внесли русские исследователи. В 1648 году С. Дежнев впервые прошел проливом, соединяющим Северный Ледовитый и Тихий океаны, получивший позднее название Берингова. Однако докладная грамота С. Дежнева затерялась в Якутских архивах на 88 лет и стала известна только после его смерти.
Великие географические открытия оказали больное влияние на развитие географических знаний. Но, в рассматриваемую эпоху, они совершались в основном людьми, имевшими к науке весьма отдаленное отношение. Поэтому процесс накопления знаний шел весьма сложно. В 1650 году выдающийся ученый того времени Бернхард Варениус написал книгу “Всеобщая география”, где обобщил все новые знания о Земле, уделив значительное внимание океанам и морям.
Третий период исследования океанов охватывает вторую половину XVII века и весь XVIII век. Отличительными особенностями этого времени были колониальная экспансия, борьба за рынки сбыта и господство на морях. Благодаря строительству надежных парусников, усовершенствованию навигационных приборов, морские путешествия стали менее тяжелыми и относительно быстрыми. С начала XVIII века постепенно меняется уровень экспедиционных работ. Начинают преобладать путешествия, результаты которых имеют научное значение. Некоторые географические открытия этого периода явились событиями всемирно-исторического значения. Была установлена береговая линия Северной Азии, открыта Северо-Западная Америка, выявлено все восточное побережье Австралии, обнаружены многочисленные острова в Океании. Пространственный кругозор европейских народов значительно расширился благодаря литературе путешествий. Путевым дневникам, судовым журналам, письмам, отчетам, запискам, очеркам и другим сочинениям, составленным как самими путешественниками и мореплавателями, так и иными лицами с их слов или по их материалам.
В Северном Ледовитом океане продолжалось морское соперничество между Россией и Англией в открытии Северо-Западного и Северо-Восточного проходов. С XVII по XIX век англичане организовали около 60 экспедиций, часть результатов которых так и не стала достоянием ученых и мореплавателей.
Одной из наиболее значимых российских экспедиций этого периода была Великая Северная экспедиция (1733-1742 гг.) под руководством В. Беринга. В результате этой экспедиции был пересечен Берингов пролив до берегов Северной Америки, нанесены на карту Курильские острова, описаны евроазиатские берега Северного Ледовитого океана и установление возможности плавания вдоль них и т. д. В честь В. Беринга названы море, остров, мыс и пролив. Имена других участников экспедиции носят мыс Чирикова, море Лаптева, мыс Челюскина, берег Прончищева, пролив Малыгина и т. д.
Первая высокоширотная российская экспедиция в Северный Ледовитый океан была организована в 1764-1766 годах по инициативе М. В. Ломоносова. Во время этой экспедиции под руководством В. Я. Чичагова была достигнута широта 80° 30" с.ш., получен интереснейший материал о природных условиях Гренландского моря, архипелага Шпицберген, обобщены сведения об условиях и специфике мореплавания в ледовых условиях.
В 60-х годах XVIII века разгорелось англо-французское соперничество на океанах. На поиски Южного материка и новых островов одна за другой направляются кругосветные экспедиции Д. Байрона (1764-1767 гг.), С. Уоллиса (1766-1768 гг.), Ф. Картера (1767-1769 гг.), А. Бугенвиля (1766-1769 гг.) и др. Большой вклад в летопись территориальных открытий внес английский мореплаватель Д. Кук, совершивший три кругосветных путешествия (1768-1771гг., 1772-1775 гг., 1776-1780 гг.). Одной из основных задач его экспедиций был поиск Южного материка. Он трижды пересекал полярный круг, был убежден, что Южный материк существует в районе полюса, но не смог его обнаружить. В результате экспедиций Кук установил, что Новая Зеландия является двойным островом, открыл восточное побережье Австралии, Южные Сандвичевы, Новую Каледонию, Гавайские и другие острова.
Несмотря на большое количество экспедиций и плаваний, к началу XIX века многие географические проблемы не были разрешены. Не открыт Южный материк, не выявлено арктическое побережье Северной Америки и Канадский Арктический архипелаг, было очень мало данных о глубинах, рельефе и течениях Мирового океана.
Четвертый период изучения океанов охватывает XIX век и первую половину XX века. Он характеризуется усилением колониальной экспансии и колониальными войнами, ожесточенной борьбой за рынки сбыта промышленной продукции и источники сырья, значительными межконтинентальными миграциями населения из Европы в другие части света. Географические открытия и исследования в XIX – первой половине XX века совершались в более благоприятных условиях, чем в предшествующие периоды. В связи с развитием кораблестроения, новые суда имели улучшенные мореходные качества и обеспечивали большую безопасность плавания. С 20-х годов ХIХ столетия на смену парусникам пришли парусные суда с паровой машиной в качестве дополнительного движителя, а затем пароходы со вспомогательным парусным вооружением. Внедрение с 40-х годов ХIХ века гребного винта и строительство кораблей с железным, а затем и стальным корпусом, использование с конца столетия двигателя внутреннего сгорания значительно ускорили и облегчили исследовательские работы, заметно уменьшив, влияние на них погодных условий. Качественно новый этап в судовождении начался после изобретения радио (1895 г.), создания в начале ХХ века гирокомпаса и механического лага. Условия жизни и работы в дальних морских походах намного улучшились благодаря достижениям техники и медицины. Появились спички, был налажен промышленный выпуск консервов и лекарств, усовершенствовано огнестрельное оружие, изобретена фотография.
Часть географических открытий этого периода имела всемирно-историческое значение. Был обнаружен шестой континент планеты – Антарктида. Прослежено все арктическое побережье Северной Америки, завершено открытие Канадского Арктического архипелага, установлены истинные размеры и конфигурация Гренландии, полностью выявлено побережье Австралийского материка. Литература о плаваниях и путешествиях в Х?Х веке становится практически необозримой. Из нее, наиболее важными источниками новых географических сведений, были отчеты кругосветных и полярных мореплавателей, труды географов и натуралистов.
Примерно с середины Х?Х века резко возросло значение коллективных исследований организованных национальными академиями, различными музеями, разведывательными службами, многочисленными научными обществами, институтами и отдельными лицами. Неизмеримо раздвинулись пределы человеческой деятельности, все моря и океаны превратились в объекты планомерного изучения экспедициями, в которых осуществлялись общегеографические и специальные океанологические исследования.
В начале Х?Х века во время кругосветного плавания под руководством И.Ф. Крузенштерна и Ю. Ф. Лисянского (1803-1806) измерялась температура воды на разных глубинах океана, проводились наблюдения за атмосферным давлением. Систематические измерения температуры, солености и плотности воды на разных глубинах производились экспедицией О. Е. Коцебу (1823-1826гг.). В 1820 году Ф. Беллинсгаузен и М. Лазаревым бала открыта Антарктида и 29 островов. Большим вкладом в развитие науки явилось путешествие Ч. Дарвина на корабле “Бигль” (1831-1836 гг.). В конце 40-х годов Х?Х века американец Мэтью Фонтейн Мори обобщил сведения о ветрах и течениях Мирового океана и опубликовал их в виде книги “Наставление мореплавателям”. Он также написал труд “Физическая география океана”, который выдержал много изданий.
Крупнейшим событием, ознаменовавшим начало новой эры океанографических исследований, стала английская кругосветная экспедиция на специально оборудованном судне “Челленджер” (1872-1876 гг.). Во время этой экспедиции проводилось комплексное океанографическое изучение Мирового океана. Было сделано 362 глубоководные станции, на которых измерялась глубина, осуществлялось драгирование и траление, определялись различные характеристики морской воды. Во время этого плавания было открыто 700 родов новых организмов, обнаружен подводный хребет Кергелен в Индийском океане, Марианский желоб, подводные хребты Лорд-Хау, Гавайский, Восточно-Тихоокеанское и Чилийское поднятия, продолжено изучение глубоководных котловин.
В начале Х?Х века были проведены исследования рельефа дна Атлантического океана для прокладки подводного кабеля между Европой и Северной Америкой. Результаты этих работ были обобщены в виде карт, атласов, научных статей и монографий. При разработке проекта транстихоокеанского подводного телеграфного кабеля между Северной Америкой и Азией с 1873 года для изучения рельефа дна океана стали использовать военно-морские суда. Промеры, которые велись по линии о. Ванкувер – Японские острова позволили получить первый широтный профиль дна Тихого океана. Корвет “Тускарора” под командованием Д. Белкнепа впервые обнаружил подводные горы Маркус-Неккер, Алеутский хребет, Японский, Курило-Камчатский и Алеутский желоба, Северо-Западную и Центральную котловины и т. д.
С конца Х?Х века и до 20-х годов ХХ столетия было организовано несколько крупных океанографических экспедиций, среди которых наиболее значимыми являются американские на кораблях “Альбатрос” и “Неро”, немецкие на “Эди”, “Планете” и “Газели”, английская на “Терра-Нова”, российская на “Витязе” и др. В результате работы этих экспедиций были выявлены новые подводные хребты, поднятия, глубоководные желоба и котловины, составлены карты рельефа дна и донных отложений, собран обширный материал об органическом мире океанов.
С 20-х годов началось еще более детальное изучение океана. Применение глубоководных эхолотов-самописцев дало возможность определять глубины во время движения корабля. Эти исследования позволили значительно расширить знания о строении дна океана. Гравитационные измерения в Мировом океане уточнили представления о форме Земли. С помощью сейсмографов было выявлено тихоокеанское сейсмическое кольцо. Дальнейшее развитие получили биологические, гидрохимические и другие исследования океанов.
Британская экспедиция на судне “Дискавери – ??” обнаружила Южно-Тихоокеанское поднятие, Новозеландское плато, Австрало-Антарктическое поднятие. Во время второй мировой войны американцы на военном транспорте “Кейп-Джонсон” открыли более сотни гайотов в западной части Тихого океана.
Огромный вклад в географическое изучение Мирового океана внесли полярные исследователи, особенно российские. В начале Х?Х века Н. П. Румянцев и И. Ф. Крузенштерн предложили проект поисков Северо-Западного прохода и детального изучения берегов Северной Америки. Осуществлению этих планов помешала война 1812 года. Но уже в 1815 году О. Е. Коцебу на бриге “Рюрик” отправился исследовать полярные широты и открыл заливы Коцебу, Св. Лаврентия и другие. В первой половине Х?Х века осуществили свои экспедиции Ф. П. Врангель, Ф. П. Литке. Результаты этих экспедиций внесли существенный вклад в изучение ледового и гидрологического режима Северного Ледовитого океана. Огромные заслуги в исследовании этого океана принадлежат адмиралу С. О. Макарову. По его проекту и чертежам был построен первый ледокол “Ермак”, на котором экспедиция Макарова достигла 81°29" с. ш.
Большое значение для географического изучение Земли имела первая в истории человеческой цивилизации международная полярная экспедиция. Она известна под названием Первого международного полярного года и была осуществленная в 1882-1883 годах представителями 12 стран Европы и Северной Америки. Первое сквозное плавание из Атлантического в Тихий океан Северо-Западным проходом совершил в 1903-1906 годах Р. Амундсен на маленькой яхте “Йоа”. Он установил, что за 70 лет Северный магнитный полюс сместился на 50 км к северо-востоку. 6 апреля 1909 года американец Р. Пири первым достиг Северного полюса.
В 1909 году для изучения Северного Ледовитого океана были построены первые стальные гидрографические корабли ледокольного типа “Вайгач” и “Таймыр”. С их помощью в 1911 году под руководством И. Сергеева и Б. Вилькицкого были проведены батиметрические работы от Берингова моря до устья Колымы. В 1912 году русскими исследователями были предприняты 3 экспедиции Г. Брусилова, В. Русанова, Г. Седова для изучения сквозного прохода вдоль берегов Сибири и достижения Северного полюса. Однако ни одна из них не увенчалась успехом. В 1925 году Р. Амундсен и Л. Элсуорт организовали первую воздушную экспедицию в Арктику и установили, что к северу от Гренландии нет суши.
Значительные исследования в Гренландском, Баренцевом, Карском и Чукотском проводились в 1932-1933 годах в рамках Международного полярного года. В 1934-1935 годах высокоширотные комплексные экспедиции были совершены на судах “Литке”, “Персей”, “Седов”. Первое сквозное плавание Северным морским путем за одну навигацию совершила экспедиция на судне “Сибиряков” возглавляемая О.Ю. Шмидтом. В 1937 году под руководством И. Д. Папанина во льдах Арктики начала работать гидрометеорологическая станция “Северный полюс – 1”.
И все же к концу этого периода многие географические проблемы остались не решенными: не было установлено является ли Антарктида единым материком, не завершено открытие Арктики, слабо изучена природа Мирового океана и т. д.
С середины ХХ века начинается пятый – современный период изучения Мирового океана. На этом этапе истории человечества наука превратилась в основную силу развития общества. Достижения наук о Земле позволили разрешить ряд вопросов глобального характера. Получить прямые доказательства подвижности литосферы Земли и ее планетарной делимости. Установить особенности строения земной коры. Найти соотношение поверхности суши и океанов на Земле. Выявить существование и значение геосистем. Приступить с помощью космической техники к сбору информации о геосистемах разного уровня за любой промежуток времени.
После второй мировой войны совершенствуется океанографическая техника. В просторы Мирового океана отправляются три кругосветные экспедиции, снаряженные новым оборудованием: шведская на “Альбатросе” (1947-1948 гг.), датская на “Галатее” (1950-1952 гг.) и британская на “Челленджере – ??” (1950-1952 гг.). Во время этих и других экспедиций измерялась толщина земной коры океанов, производились замеры теплового потока на дне, исследовались гайоты и донная фауна глубоководных желобов. Были обнаружены и исследованы срединно-океанические хребты океанов и гигантские по протяженности разломы Мендосино, Меррей, Кларион и др. (1950-1959 гг.). Целая эпоха океанографических исследований связана с работой научного судна “Витязь”. Во время многочисленных, начиная с 1949 года, экспедиций “Витязя” были сделаны крупные открытия в области геологии, геофизики, геохимии и биологии Мирового океана. На этом корабле впервые проводились длительные наблюдения за течениями, была установлена самая глубокая точка океана в Марианской впадине, открыты ранее неизвестные формы рельефа и т. д. Работы “Витязя” были продолжены научными кораблями “Дмитрий Менделеев”, “Обь”, “Академик Курчатов” и др. Для послевоенного периода характерно развитие международного сотрудничества в области изучения Мирового океана. Первой совместной работой была программа НОРПАК в Тихом океане которую выполняли суда Японии, США и Канады. Затем последовали международные программы Международного геофизического года (МГГ, 1957-1959 гг.), ЭВАПАК, КУРОСИО, ВЕСТПАК, МИОЭ, ПИГАП, ПОЛИМОДЕ и другие. Получили развитие стационарные наблюдения в открытом океане. Крупнейшим открытием 50-х годов явилось обнаружение Подповерхностных экваториальных противотечений в Атлантическом, Тихом и Индийском океанах. Накопление и обобщение научных данных, полученных во время морских экспедиций, позволили выявить закономерности циркуляции воздуха в планетарном масштабе. Геологические и геофизические исследования Мирового океана 60-х годов способствовали развитию глобальной теории тектоники литосферных плит. С 1968 года выполняется Международная программа глубоководного бурения с использованием американского корабля “Гломар Челленджер”. Исследования по этой программе значительно расширили знания о строении дна Мирового океана и его осадочных породах.
В Серном Ледовитом океане наряду со специализированными экспедициями в этот период проводились лабораторные и теоретические исследования. Изучались особенности ледяного покрова океана, структура течений, рельеф дна, акустические и оптические свойства арктических вод. Выполнялись совместные международные исследования. Материалы, собранные экспедициями позволили ликвидировать последние “белые пятна” на карте Арктики. Открытие хребтов Ломоносова, Менделеева и ряда глубоководных котловин изменили представление о рельефе дна океана.
В 1948-1949 годах с помощью авиации во льдах Арктики проводились многочисленные краткосрочные исследования от трех часов до нескольких суток. Продолжалась работа станций “Северный полюс”. В 1957 году экспедиция под руководством Л. Гаккеля открыла в Северном Ледовитом океане срединно-океанический хребет названный его именем. В 1963 году подводная лодка “Ленинский комсомолец” осуществила плавание подо льдом к Северному полюсу. В 1977 году полюса достигла высокоширотная экспедиция Института Арктики и Антарктики на атомном ледоколе “Арктика”, что позволило впервые получить достоверные, современные сведения о льдах Центральной части океана.
В 70-80 годы в Мировом океане осуществлялись значительные научные исследования в рамках программы “Разрезы”. Основная задача этой программы – изучение воздействия океана на краткосрочные колебания климата Земли. По программе “Разрезы” выполнялись океанографические, метеорологические, радиационные и аэрологические наблюдения в энергоактивных зонах океана. Ежегодно проводилось более 20 рейсов научно-исследовательских судов. Программа выполнялась в основном учеными СССР. Были получены уникальные данные о природе Мирового океана, опубликовано много научных статей и монографий. Сейчас под эгидой Международного комитета по климатическим изменениям и океанографии ведутся исследования океана по двум крупным программам ВОСЕ и ТОГА предусматривающим комплексные исследования Мирового океана.
Дальнейшее развитие океанологических исследований определяется запросам практики и совершенствованием технических методов его изучения. Расширение способов и путей использования океана повышает требования к прогнозу его состояния, что приводит к необходимости комплексного мониторинга Мирового океана. Он заключается в непрерывной регистрации поверхностной температуры, волнения, приповерхностного ветра, фронтальных зон, течений, льдов и т. д. Для его реализации необходимо прежде всего, развивать космические методы наблюдений, сети коммуникаций для передачи информации и электронно-вычислительную технику для ее обработки и анализа. Также необходимо развивать традиционные методы исследования океана. Использование всего массива информации позволит разработать математические модели строения океана и его динамики.
Возросшие масштабы антропогенного воздействия, увеличение добычи природных ресурсов Мирового океана, развитие морского транспорта и рекреации требуют детального изучение его природы. Главной задачей этих исследований должна стать разработка частных математических моделей, описывающих отдельных природные процессы и явления, происходящие в Мировом океане, и создание его комплексной модели. Решение этой проблемы позволит раскрыть многие секреты Мирового океана, даст возможность более эффективно использовать его огромные и абсолютно необходимые человеку природные ресурсы.
Глубоководные исследования Мирового океана. Человек с незапамятных времен стремился познакомиться с подводным миром океана. Сведения о простейших водолазных приспособлениях встречаются во многих литературных памятниках Древнего мира. Как говорят предания, первым водолазом был Александр Македонский, который спускался подводу в небольшой камере, напоминавшей бочонок. Создание первого водолазного колокола следует отнести к ХV? веку. Первый спуск под воду происходил в 1538 году в городе Толедо на реке Тахо. В 1660 году водолазный колокол построил немецкий физик Штурм. Этот колокол имел высоту около 4 метров. Свежий воздух добавлялся из бутылок, которые брали с собой и по мере надобности разбивали. Первую примитивную подводную лодку построил в начале ХV?? века в Лондоне голландец К. Ван Дреббель. В России первое автономное водолазное снаряжение было предложено Ефимом Никоновым в 1719 году. Он также предложил проект первой подводной лодки. Но лишь в конце Х?Х века появились настоящие подводные лодки. Изобретенный в 1798 году водолазный аппарат Клингерта уже имел качества свойственные современным скафандрам. К нему подводились две гибкие трубки для подачи свежего воздуха и отвода выдыхаемого. В 1868 году французские инженеры Рукейроль и Денайруз разработали жесткий скафандр. Современный акваланг изобрели в 1943 году французы Жак Ив Кусто и Э. Ганьян.
Параллельно со скафандрами разрабатывались подводные аппараты, находясь в которых, исследователь мог спокойно работать на больших глубинах, изучать окружающую среду из иллюминатора, собирать пробы грунта, используя манипуляторы и т.д. Первая достаточно удачная батисфера была создана американским ученым О. Бартоном. Это была стальная герметичная сфера с иллюминатором из кварцевого стекла, способная выдерживать большое давление. Внутри сферы находились баллоны со свежим воздухом и специальные поглотители, убирающие углекислоту и пары воды, выдыхаемые людьми, находящимися внутри камеры. Параллельно стальному тросу проходил провод телефона, связывающий участников подводной экспедиции с надводным кораблем. В 1930 году Бартон и Биб произвели в районе Бермудских островов 31 погружение, достигнув глубины 435 метра. В 1934 году они спустились до глубины 923 метра, а в 1949 году Бартон довел рекорд погружения до 1375 метров.
На этом батисферные погружения закончились. Эстафета перешла к более совершенному автономному подводному кораблю – батискафу. Его изобрел в 1905 году швейцарский профессор Огюст Пикар. В 1953 году он со своим сыном Жаком на батискафе “Триест” достиг глубины 3150 метров. В 1960 году Жак Пикар опустился на дно Марианской впадины. Развивая идеи отца, он изобрел и построил мезоскаф. Это был усовершенствованный батискаф, который мог совершать автономные плавания, используя океанические течения. В 1969 году Жак Пикар на своем мезоскафе с экипажем из шести человек совершил многодневное плавание по течению Гольфстрим на глубине около 400 метров. Было проведено множество интересных наблюдений над геофизическими и биологическими процессами, протекающими в океане.
Начиная с 70-годов, резко повысился интерес к природным ресурсам Мирового океана, что обусловило быстрое развитие техники для исследования его глубин. Все глубоководные аппараты делятся на две большие группы: необитаемые подводные аппараты (НПА) и обитаемые подводные аппараты (ОПА). НПА делятся на два класса – наблюдательные и силовые. Первые проще и легче. Они весят от нескольких десятков до нескольких сотен килограммов. Их задачей является детальная оптическая съемка дна, инспекция технических установок на дне, в особенности трубопроводов, выявление неисправностей, нахождение затонувших объектов и т. д. Для этой цели НПА имеют теле- и фотокамеры передающие изображение на судно, гидролокаторы, системы ориентации (гирокомпасы) и навигации, ультразвуковые дефектоскопы, позволяющие выявлять трещины в металлоконструкциях. Силовые НПА мощнее, их вес достигает нескольких тонн. Они имеют развитую систему манипуляторов для самозакрепления на нужных участках металлоконструкций и проведения ремонтных работ – резки, сварки и т. д. Рабочие глубины большинства НПА в настоящее время от нескольких сотен метров до 7 км. Управляют НПА по кабелю, гидроакустическому или радиоканалу. Но как бы не был широк спектр задач, выполняемых необитаемыми аппаратами, без опускания человека в глубины не обойтись. В настоящее время в мире имеется несколько сотен обитаемых подводных аппаратов разных конструкций. Среди них аппараты “Пайсис” (максимальная глубина погружения 2000 м), на котором советские ученые исследовали дно Байкала, Красноморскую и Северо-Атлантическую рифтовые зоны. Французский аппарат “Сиана” (глубина до 3000 м), американский “Алвин” (глубина до 4000 м), при помощи которых сделаны многие открытия в глубинах океана. В 80-е годы появились аппараты, работающие на глубинах до 6000 метров. Два таких батискафа принадлежат России (“Мир – 1” и “Мир – 2”), по одному Франции, США и Японии (“Мицубиси”, глубина до 6500 м).
Методы, приборы и оборудование используемые при исследовании Мирового океана. Океан изучают с помощь самых разнообразных средств – с кораблей, самолетов, из космоса. Применяют также автономные средства.
В последнее время исследовательские корабли строятся по специальным проектам. Их архитектура подчинена единой цели – сделать наиболее эффективным использование приборов, опускаемых на глубину, а также применяемых при исследовании приводного слоя атмосферы. На кораблях широко представлена современная вычислительная техника, предназначенная для планирования экспериментов и оперативной обработки полученных результатов.
Для изучения океана на кораблях используются зонды разного назначения. Зонд температуры, солености и глубины представляет собой, совокупность трех миниатюрных датчиков, измеряющих температуру (термистор), соленость (датчик электропроводности, исходя из которой рассчитывается содержание солей в воде) и гидростатическое давление (для определения глубины). Все три датчика объединены в единый прибор, укрепленный на конце кабель-троса. При опускании прибора кабель-трос сматывается с лебедки, установленной на палубе корабля. Данные о температуре, солености и глубине поступают на компьютер. Существуют аналогичные зонды, предназначенные для регистрации концентрации газов, растворенных в воде, скорости звука и течений. В ряде случаев зонды работают по принципу свободного падения. Широко используются теряемые (одноразовые) зонды. Одна из разновидностей зонда – “рыба” – представляет собой буксируемый за кораблем измеритель температуры, солености и скорости течения. В результате развития техники зондирования глубин океана более старые методы с опусканием и подъемом термометров, забором проб воды с разных глубин употребляются все реже и реже.
Важным классом приборов являются измерители течений, способные работать на максимальных глубинах. В последнее время все шире, вместо различных “вертушек” используются электромагнитные и акустические измерители течений. В первых из них скорость течения определяется по разности потенциалов, между электродами расположенными в морской воде. Во вторых используется эффект Доплера – изменение частоты звуковой волны при распространении ее в движущейся среде.
При исследовании дна океана до сих пор широко применяют два традиционных прибора – черпак и геологическая трубка. Черпаком берется проба грунта с поверхностного слоя дна. Геологическая трубка может проникать значительно глубже – до 16-20 метров. Для изучения рельефа дна и его внутренней структуры широко применяют эхолоты новых конструкций – многолучевые эхолоты, гидролокаторы “бокового” обзора и др. При исследовании внутренней структуры морского дна до глубин в несколько километров используют сейсмопрофилографы.
Набор автономных средств для исследования океана также значителен. Наиболее распространенным из них является буйковая станция. Она представляет собой плавающий на поверхности воды буй, от которого вниз ко дну идет стальной или синтетический трос, оканчивающийся лежащим на дне тяжелым якорем. На тросе на определенных глубинах закрепляются автономно работающие приборы – измерители температуры, солености, скорости течения. Применяются и буи другого рода: акустический буй нейтральной плавучести, буи с подводным или надводным парусом, буи-лаборатории и др. Важными автономными средствами являются автономные донные станции, исследовательские подводные лодки и батискафы.
Использование самолетов и вертолетов позволяет изучать течения и волнение на поверхности океана. Аэрофотосъемка позволяет получить интересные данные о рельефе дна на небольших глубинах, обнаружить подводные скалы, рифы и отмели. Магнитная аэросъемка океана, дает возможность выявить на дне океана области распространения некоторых полезных ископаемых. С помощью сложной аэрофотосъемки, где применяется целый спектр световых волн, можно обнаружить и контролировать загрязнение прибрежных вод. Но самолеты и особенно вертолеты привязаны к своим базам на суше, а аэрофотосъемка основана на использовании электромагнитных волн, которые не могут проникать глубоко в воду. Поэтому более перспективны космические методы исследования океана.
Все без исключения космические методики наблюдений основаны на использовании одного из трех диапазонов электромагнитных волн – видимого света, инфракрасных лучей и сверхвысоких частот электромагнитных волн. Важнейший параметр, характеризующий состояние океана, температура его поверхности – измеряется из космоса радиометрами по собственному излучению этой поверхности с точностью до 1° С. Столь же точно можно определить режим приповерхностного слоя воздуха. Для измерений используется процесс рассеяния электромагнитных волн на поверхности океана. Узкий пучок радиоволн направляют на поверхность океана под некоторым углом. По силе их рассеяния в обратном направлении судят об интенсивности поверхностной ряби, т. е. о силе ветра. В настоящее время достижима точность измерения приповерхностного ветра до 1 м/с. Одним из важнейших приборов, устанавливаемых на океанологических спутниках, является альтиметр. Он работает в локационном режиме, периодически посылая вниз радиоимпульсы. По искажению формы радиолокационного импульса альтиметра отраженного от морской волны, можно, с точность до 10 см, определить высоту морских волн. Кроме того, из космоса сравнительно легко зарегистрировать воды с повышенной биологической продуктивностью, наблюдать крупномасштабные изменения его геофизических характеристик, проводить наблюдения за загрязнением Мирового океана и т.д.