Помоги проекту - поделись книгой:
Многочисленные экспедиции того времени позволили получить новые крупные результаты, что предопределило развитие более ясных представлений о явлениях в море, хотя о процессах, происходящих в глубоких слоях, по-прежнему было известно очень мало.
В 1786 г. появилась первая карта Гольфстрима, составленная Бенджамином Франклином, которая в поразительном соответствии с современными представлениями уподобляет течение реке в море и содержит даже ряд данных о его скорости. Эта карта основана на наблюдениях американских китобоев. Их опыт Франклин пытался также применить на курсирующих между Англией и Северной Америкой почтовых судах. С предложения Франклина определять течение Гольфстрим по систематическим измерениям температуры воды и начинаются первые шаги в установлении связи между океанографическими научными выводами и практикой мореплавания.
В XIX столетии различные страны направляли экспедиции в море. Вновь возобновились исследования полярных районов. Эти исследования часто сопровождались океанографическими наблюдениями. В это же время предпринимались многочисленные кругосветные плавания, которые наряду с научно-исследовательскими задачами преследовали также военные или торгово-политические цели.
О систематическом развитии океанографии можно, однако, говорить только с середины XIX столетия. Промышленная революция, которая сначала в Англии, а в последующие десятилетия XIX века и в прочих европейских государствах, а также в США, привела к крупномасштабному механизированному производству, способствовала резкой интенсификации торговли и в первую очередь мореплавания. Все более развивающееся мореплавание нуждалось в достоверных сведениях о системах ветров и течений в Мировом океане, о приливах и отливах, ледовых условиях, частоте повторяемости туманов и о многом и многом другом. С помощью метеорологических, гидрографических и океанологических исследований было необходимо заложить основы рациональной и безопасной навигации.
Хотя в некоторых странах в это время уже были созданы гидрографические службы (так, например, в 1720 г. во Франции, в 1784 г. в Дании, в 1795 г. в Англии, в 1827 г. в России и в 1861 г. в тогдашней Пруссии), однако в международных рамках различные наблюдения систематически не обобщались и не обрабатывались. Особенно высокой оценки в связи с этим заслуживает деятельность американского морского офицера М.Ф. Мори, который в 1847 г. на основе судовых журналов составил первые карты ветров и течении и впоследствии дополнил их данными из лоций. Эти работы позволили лучше использовать природные условия для целей мореплавания, которое в то время ежегодно приносило, например, британскому торговому флоту, доход в два миллиона фунтов стерлингов.
В 1853 г. на I Международной географической конференции в Брюсселе 10 государств договорились об унифицированной службе наблюдений в море. В 1857 г. в ней принимали участие уже свыше 200 кораблей. В настоящее время 5000 торговых судов производят метеорологические и частично океанографические наблюдения и измерения, которые необходимы для прогноза погоды и для решения других научных и практических задач.
Второй импульс мореведение получило в 1850 г., когда были созданы технические предпосылки для прокладки телеграфных кабелей через океанические районы. Эта проблема неминуемо требовала исследования «третьего измерения» океана! Необходимость знания глубин на кабельной трассе выдвинула задачу проведения обширных промерных работ. В 1855 г. Мори представил первую карту глубин северной части Атлантического океана, которая содержала 150 измерений лотом на глубинах свыше 1800 м. В течение многих лет после этого также производились многочисленные определения глубин. Тем не менее международная карта глубин океанов, составленная в 1904 г., основывалась только на 18 400 лотовых промеров.
Третьим импульсом для развития науки о море послужил оставшийся совершенно нерешенным вопрос о жизни в глубинах моря. Хотя уже в 1818 г. при лотовых промерах в арктических водах с глубин свыше 1800 и были подняты на поверхность черви и морские звезды, большинство биологов считало, что ниже обильно населенного слоя толщиной в несколько сотен метров в море не может быть пи растительной, ни животной жизни. Однако, когда вскоре после 1860 г. для ремонта был поднят кабель, проложенный на глубинах от 1500 до 3000 м. оказалось, что он густо заселен морскими животными. Старые взгляды были отвергнуты окончательно.
В последней трети XIX столетия все большее число экспедиций, работавших в различных районах, специально занимались океанографическими исследованиями.
Эра обширного «трехмерного» изучения биологических, химических, геологических и физических условий в море началась с кругосветного плавания британского военного корабля «Челленджер» с 1872 по 1876 г., в котором принимали участие шесть ученых. Корабль водоизмещением 2300 т под научным руководством Уивилла Томсона во время своего путешествия прошел 68 500 морских миль, причем было произведено 370 промеров глубин лотом, 255 намерения температуры и 240 сетевых обловов. Экспедиция собрала большой научный материал. Было обнаружено свыше 4700 до того времени неизвестных видов живых организмов.
Пример «Челленджера» послужил стимулом к организации целого ряда океанографических экспедиций в различных государствах. В 1874–1876 гг. немецкий корвет «Газель» также совершил кругосветное плавание. В 1889 г. в Атлантике работала организованная Прусской академией наук планктонная экспедиция на судне «Националь», целью которой было изучение ареала распространения и видового состава растительных и животных планктонных организмов. В немецкой экспедиции на реконструированном торговом пароходе «Вальдивиа» водоизмещением 2170 регистровых брутто-тонн, проходившей в 1898–1899 гг., решался вопрос о существовании жизни в огромной промежуточной лишенной света толще воды, заключенной между обитаемыми поверхностными слоями моря и морским грунтом с населяющей его донной фауной.
Из других научных экспедиций в эти десятилетия необходимо отметить русские океанографические исследования в Тихом океане под руководством адмирала С. О. Макарова на корвете «Витязь» с 1886 по 1889 г. и на первом, в мире ледоколе «Ермак» у Шпицбергена, а также дрейф Нансена на «Фраме» в Северном Ледовитом океане с 1893 по 1896 г. В 1882 г. в распоряжение рыболовного ведомства Соединенных Штатов было предоставлено первое океанографическое исследовательское судно — «Альбатрос».
Начавшиеся в конце прошлого столетия и в дальнейшем все более и более развивающиеся теоретические исследования позволили обобщить уже известные к тому времени факты и сформировать новые представления о динамике происходящих в море процессов. В океанографии наметился постепенный переход от преимущественно географически-описательной науки к науке, основанной на физико-математических методах. Одновременно были разработаны различные океанографические приборы — такие, например, как опрокидывающийся термометр, надежно работающий батометр, измеритель течений, усовершенствованные сети и драги. Эти приборы и до настоящего времени являются основой стандартного оборудования исследовательских судов.
В это время образовались также первые международные океанографические организации. С 1882 по 1883 г. проводился Международный Полярный год, причем исследования по согласованным программам велись на 49 станциях наблюдений. Эти исследования не ограничивались только полярными областями — их результаты служили также для объяснения общепланетарных связей. При этом неоднократно затрагивались океанографические вопросы. Подобные исследования были повторены во втором Международном Полярном году — с 1932 по 1934 г. Наконец, они достигли кульминации в Международном Геофизическом году — 1957–1958 гг.
Сильные колебания в доходах от сельдяного промысла у восточного выхода из пролива Скагеррак стали поводом для международных океанографических работ в Северном и Балтийском морях. В Копенгагене был создан Международный совет по исследованию морей (ICES) — первый международный океанографический орган. ICES и сейчас стимулирует различные океанологические и рыболовно-биологические исследования в северной Атлантике и координирует эти работы.
Время обширных съемок в океанах с исследовательских судов сменилось новым периодом развития океанографии, характеризующимся систематическими исследованиями океанологической структуры и гидрологических процессов в тех или иных океанических районах. Так, например, в 1913 г. в восточной части северной Атлантики начались работы норвежцев на судне «Армауер Хансен» водоизмещением всего 57 регистровых брутто-тонн. Их задачей было изучение сезонных изменений различных океанологических факторов.
Долгое время примером систематического исследования всего океана служила немецкая Атлантическая экспедиция 1925–1927 гг. на судне «Метеор» водоизмещением 1178 т. Цель ее — изучение процессов циркуляции в южной Атлантике и проведение обширных биологических, химических и метеорологических исследований. Тринадцать раз пересекал «Метеор» Атлантический океан между 18° с.ш. и 55° ю. ш. и выполнил наблюдения на 310 станциях (так в океанографии называются отдельные точки измерений). Результаты этих исследований не потеряли своего значения и до настоящего времени, являясь основой при планировании дальнейших работ.
Многочисленные океанографические экспедиции снаряжались также и другими странами, вплоть до второй мировой войны. В этот период были созданы новые исследовательские институты.
Быстрый подъем был характерен для развития океанографии в Советском Союзе. Уже в 1918 г. была снаряжена гидрографическая экспедиция для работ в европейской части Северного Ледовитого океана, за которой в 1920 г. последовал целый ряд научных экспедиций в другие моря. В 1921 г. учрежден Плавучий морской научный институт, заложивший основы советской океанологии[2]. В том же году были организованы первые экспедиции. В 1922–1923 гг. для этого института зверобойная шхуна водоизмещением 550 т была переоборудована в первое советское исследовательское судно «Персей». «Персей» принимал участие во втором Международном Полярном году и до 1941 г. провел в северных морях 90 экспедиций [3].
Вслед за Морским плавучим институтом создавались и другие океанологические и рыбохозяйственные институты. Главной задачей советских океанологических исследований в то время было освоение Северного морского пути. Впервые в 1937–1938 гг. дрейфующая льдина послужила базой для океанографических и метеорологических исследований в Арктике. Вслед за руководимой Папаниным дрейфующей станцией «Северный полюс 1» после войны были организованы многочисленные новые станции. В настоящее время работает станция «Северный полюс 23».
После второй мировой войны при организации крупных глубоководных экспедиций возникли новые аспекты в постановке исследований. Особое значение при этом придавалось изучению морского дна и нижележащих слоев грунта. Так, шведская экспедиция на «Альбатросе» в 1947–1948 гг. главное внимание уделяла вопросам морской геологии. Здесь впервые удалось получить в глубоководных областях колонки грунта длиной свыше 20 м, которые позволили заглянуть в геологическое прошлое океанического дна более чем на 10 млн. лет назад. Во время датской экспедиции на «Галатее» в 1950–1952 гг. были сделаны выдающиеся открытия при исследовании животного мира морских глубин.
В последующие годы при биологических и геологических исследованиях в глубоководных желобах Тихого океана особенно отличилось реконструированное в Висмаре и введенное в строй в 1949 г. советское научно-исследовательское судно «Витязь».
Обширные исследования показали, что природные условия в Мировом океане очень сложны и во многих его областях отличаются большой пространственно-временной изменчивостью. Случайные выборочные измерения в каком-либо одном районе могут лишь очень приближенно характеризовать естественные условия. Все сильнее возникало требование к синхронным (синоптическим) исследованиям с нескольких судов по единой методике. Далее выяснилось, что при таком обширном и сложном объекте изучения, как Мировой океан, необходимо равноправное международное сотрудничество и весьма желателен обмен данными наблюдений.
Попытки одновременной совместной работы многих исследовательских судов предпринимались и раньше. Так, в 1928 г. проводились одновременные исследования восемью советскими судами по восьми профилям в Финском заливе. Позднее такие исследования были предприняты в Баренцевом море и в дальневосточных водах Советского Союза. В 1938 г. в районе Азорских островов при международном изучении Гольфстрима велись совместные работы немецким и норвежским исследовательскими судами, к которым время от времени подключался также французский корабль погоды.
Однако до работ в больших масштабах по согласованным программам на многих исследовательских кораблях дело дошло только после второй мировой войны. Здесь следует упомянуть, например, совместные работы в 1950 г. шести исследовательских судов США и Канады в районе Гольфстрима между мысом Хаттерас и Ньюфаундлендской банкой. Кульминационного пункта совместные международные исследования достигли во время Международного Геофизического года в 1957–1958 гг. и Международного Геофизического сотрудничества. Свыше 70 исследовательских судов (в том числе более 20 из Советского Союза) сотрудничали по заранее согласованным программам. Последующая обширная международная программа исследований, включающая около 40 судов, проводилась с 1958 по 1965 г. (основные работы велись в 1962–1964 гг.) в Индийском океане, который до того времени океанология достаточно несправедливо обходила своим вниманием.
По инициативе ГДР, в которой морские исследования начались только после 1945 г., с целью изучения временных изменений различных океанологических факторов, летом 1964 г. в Балтийском море на 12 судах были проведены работы по совместной программе шести балтийских государств.
В 1969–1970 гг. во время Международного года Балтийского моря проводились исследования на судах СССР, Финляндии, Польши, Швеции, ГДР и ФРГ.
Наряду с программами научных работ, направленных преимущественно на изучение региональных особенностей океанологических условий, в последние годы были начаты специальные исследования, целью которых является объяснение фундаментальных проблем океанологии. К ним принадлежат, например, совместные исследования метеорологов и океанологов проблемы обмена энергией между океаном и атмосферой. Как пример можно привести, в частности, советский полярный эксперимент (ПОЛЭКС), который проводится с 1970 г. [4].
Во время советского полигонного эксперимента в северной Атлантике в 1970 г. шесть месяцев работали 17 буйковых станций с измерителями течений и другими регистрирующими приборами, причем участвовало несколько исследовательских судов. Цель этого эксперимента прежде всего заключалась в исследовании процессов океанической циркуляции и проверке существующих теоретических представлений.
Для научного планирования и подготовки более обширных международных программ необходимо было создать соответствующие международные организации, которые должны были также заботиться о стандартизации способов измерений и разработке правил обмена полученными данными. В 1957 г. был образован Научный Комитет по океаническим исследованиям (SCOR), в работе которого принимают участие и океанологи ГДР. В 1966 г. в качестве международного органа на государственном уровне в рамках ЮНЕСКО была создана Межпарламентская Океанографическая Комиссия (IOS).
Принятая в 1971 г. Комплексная программа Совета Экономической Взаимопомощи предусматривает совместные работы по проблемам океанографии. Сюда относится изучение химических, физических, биологических и других процессов в важных районах Мирового океана и исследование морей и океанов с целью использования их минеральных ресурсов.
Чтобы устранить недостатки в получении обширной своевременной информации о состоянии Мирового океана, в первую очередь применительно к прогнозу океанологических факторов, в настоящее время осуществляется подготовка всеобъемлющей программы наблюдений за состоянием океана и процессами взаимодействия между океаном и атмосферой. На основе национальных вкладов участвующих государств с помощью Межпарламентской Океанографической Комиссии и Всемирной Метеорологической ассоциации будет создана глобальная система океанических станций (IGOSS), в какой-то мере восполняющая недостаточную сеть наблюдательных станций в океанах. Наряду с уже существующими постоянными станциями (корабли погоды и береговые станции) в первую очередь должны быть созданы станции нестационарные (кроме исследовательских судов в большей степени, чем до сих пор, должны использоваться рыболовные и торговые суда), на которых регулярно, несколько раз в день будут измеряться по единой методике и передаваться по радио девять различных метеорологических и океанологических характеристик.
Приборы — разведчики морских глубин
Если у физика имеются широкие возможности проводить свои эксперименты в лаборатории при однозначно определяемых и контролируемых начальных условиях, то океанологи оказываются лицом к лицу с окружающим Землю Мировым океаном. Им приходится учитывать все многообразие происходящих там сложных процессов. Хотя в океанологии для решения специальных задач, таких, например, как исследование проблемы перемещения вод в прибрежной зоне, приливо-отливных явлений или даже общей океанической циркуляции, проводились модельные эксперименты в лабораториях, однако полученные при этом научные выводы большей частью ограничивались специальными случаями или выявляли более или менее значительные отклонения от реальных условий. Это объясняется тем, что перенесение результатов, полученных на небольшой модели, на масштаб Мирового океана, без сомнения, невозможно.
В настоящее время разработка математических моделей для океанологических исследований приобретает все большее значение. Их целью при исследовании специальных проблем является описание важнейших процессов с помощью соответствующих математических выражений. В эти уравнения не только входят действующие силы и процессы, но и с помощью соответствующих формул включаются также граничные условия (например, размеры исследуемого района моря, рельеф дна и др.). Такие математические модели позволяют объяснять происходящие процессы и могут служить для прогнозирования океанологических факторов. Из-за больших расчетных трудностей лишь успехи в электронно-вычислительной технике при обработке данных сделали возможным создание таких моделей в больших масштабах. С помощью подобного рода модельных расчетов значительные успехи были достигнуты, например, при исследовании и предсказании приливов и отливов или изменений уровня, вызываемых ветровыми нагонами в окраинных морях. Подобные модели были созданы для расчета полей течений, а в последнее время делаются попытки математического описания и биохимических процессов в море.
Общим для всех этих моделей является то, что исходным материалом для них служат данные о фактических гидрологических условиях в море и что результаты модельных расчетов, в свою очередь, должны проверяться материалами непосредственных измерений. Таким образом, наблюдения и измерения в море создают основу для дальнейшего углубления знаний о нем, о действующих при этом силах и о происходящих в океане процессах. В океанологии, в отличие от метеорологии, до сих пор отсутствует сеть стационарных станций наблюдений. Немногие постоянные станции на побережье и на брандвахтах собирают данные только для прибрежной зоны. Корабли погоды, оборудованные для проведения метеонаблюдений и для обеспечения безопасности полетов (в настоящее время девять судов размещены в северной Атлантике и четыре в северной части Тихого океана), выполняют океанологические измерения только в самом ограниченном объеме. Наконец, определенную помощь в сборе и передаче материалов наблюдений будет оказывать создаваемая в настоящее время глобальная океаническая система станций, о которой уже говорилось раньше.
Однако одной глобальной океанической системы наблюдения недостаточно, так как даже при привлечении дополнительных судов, а в дальнейшем и измерительных буев, возможная плотность сети станций все же оставит желать много лучшего и значительная часть микро- и мезомасштабных процессов будет выпадать из поля зрения. Даже применение в будущем искусственных спутников Земли для океанографических исследований, о котором еще пойдет речь ниже, не исключает специальных исследований. Поэтому, несмотря на такую ценную информацию, которую дают торговые суда, автоматически работающие измерительные буи и искусственные спутники Земли, исследовательские суда будут занимать важное место в океанологии.
В настоящее время имеется свыше 1000 исследовательских судов, из которых, однако, лишь около 160 судов имеет водоизмещение более 1000 т. Только Советский Союз имеет в своем распоряжении более 100 исследовательских судов, которые ведут работы во всех морях.
Исследовательское судно должно обладать хорошими мореходными качествами, так как океанологические исследования проводятся не только при хорошей погоде. С помощью соответствующей конструкции корпуса, используя дополнительные технические устройства, выдвижные успокоители качки, надлежащим образом размещая лебедки и лабораторные помещения, стремятся уменьшить вредное влияние возникающих при волнении собственных движений судна. Необходимы также хорошая маневренность при опускании измерительных приборов и по возможности уменьшение шумовых и вибрационных помех. Расходы на эксплуатацию исследовательского судна должны находиться в разумных пределах, так как эти суда и без того принадлежат к самым дорогостоящим основным средствам океанологии.
Для погружения измерительных приборов исследовательское судно должно иметь специальные тросовые и кабельные лебедки, а также соответствующие устройства для спуска различных приспособлений. Для обработки измерений на борту должны быть лаборатории и другие помещения для регистрации информации, поступающей от непрерывно работающих датчиков. Чтобы полноценно эксплуатировать исследовательское судно, предусматривают частичную смену судовых лабораторий. Кроме того, современные исследовательские суда имеют на борту собственный вычислительный центр, к которому подключаются измерительные приборы и целые лаборатории.
Различные новые конструкции судов предназначены для комплексных океанологических исследований, однако некоторые суда оборудуются для специальных задач, например для научного рыболовства или для разведки обстановки на морском дне. Уже имеются специальные суда, с которых на глубинах более чем 6000 м в ложе океана были проложены 1100-метровые буровые скважины.
В последнее время во все возрастающих масштабах применяются суда, позволяющие проводить научные исследования в космосе и в высоких слоях атмосферы. Эти суда одновременно обеспечивают радиосвязь с космическими кораблями. Для выполнения подобных задач Академия наук СССР только в 1967 г. получила девять новых судов. В начале 1972 г., после разносторонних испытаний, вступил в строй новейший корабль «Космонавт Юрий Гагарин».
Эксплуатация исследовательских судов поднимает проблему об определении их места в море. К точности обсервации предъявляются очень высокие требования.
Большинство имеющихся в настоящее время навигационных систем еще не удовлетворяют этим требованиям. Обычные методы астрономической навигации, с помощью которых при благоприятных условиях точность обсервации достигает примерно одной морской мили, в отдаленных морских районах даже сегодня — единственный способ определения места корабля в море. Ценным вспомогательным средством являются различные новейшие способы радионавигации. Вблизи берегов эти средства позволяют достичь точности примерно ± 20 м. Использование искусственных спутников Земли в навигационных целях может оказаться очень полезным для океанографии. Различные новейшие исследовательские суда уже оборудованы установками для спутниковой навигации.
Непосредственные наблюдения человека за процессами, происходящими в море, вряд ли возможны, хотя здесь также наметились некоторые перемены, к которым мы еще вернемся в дальнейшем.
В настоящее время измерения в толще моря проводятся преимущественно косвенными методами с помощью дистанционных измерительных приборов, погружаемых с судов.
В распоряжении океанографии имеется весьма разнообразный комплекс приборов. Несмотря на различные задачи, океанографические приборы должны удовлетворять определенным требованиям. При относительном однообразии в распределении многих океанологических характеристик небольшие различия в них играют значительную роль. Поэтому измерительные приборы, обеспечивая точность измерений, должны быть прочными и надежными. Прежде всего они должны выдерживать суровые эксплуатационные условия в море. Ввиду того что измерения проводятся и на больших глубинах, важное значение имеет высокий предел прочности при сжатии измерительных приборов. Наконец, они должны быть коррозиоустойчивыми, чтобы не подвергаться действию морской воды.
Плодотворное влияние на развитие океанографической измерительной техники оказывают успехи в исследовании космоса.
Целью новейших способов измерения является отказ от дискретных исследований распределения отдельных характеристик и поиски возможностей непрерывной регистрации их изменений по глубине или во времени. При этом измерения стремятся проводить непосредственно в море, в то время как до сих пор большая часть исследований выполнялась на пробах воды, которые доставлялись на борт исследовательского судна с помощью батометров или других приборов для отбора проб.
С появлением новейшей аппаратуры возросло и количество измеряемых параметров, для обработки которых необходима современная вычислительная техника.
Для полного и точного описания океана потребуется очень большое число измерений, которые должны быть, во-первых, достаточно точными, а во-вторых, взаимно сопоставимыми. Сопоставимость данных, стандартизация измерительных приборов и методов измерений играют чрезвычайно важную роль при стандартных наблюдениях, например для глобальной сети океанографических станций.
В настоящее время проводится значительный обмен данными в международных масштабах, который в дальнейшем будет расширяться. Чтобы эффективно и быстро обрабатывать эти материалы, добиваются единых форм передачи данных и ввода их в машины.
После обзора некоторых общих проблем, связанных с исследованиями океана, обратимся к наиболее важным методам измерений. Из-за небольшого объема брошюры мы остановимся лишь на некоторых из них, чтобы показать многообразие стоящих на очереди проблем. В океанологии уже давно применяются батометры, с помощью которых те или иные объемы воды могут доставляться на поверхность даже с больших глубин без смешивания с окружающей средой. Имеется много конструкций таких батометров. В качестве стандартной модели был принят батометр, сконструированный норвежским ученым Фритьофом Нансеном. Прибор позволяет отбирать пробу воды объемом около 1 л. Батометр представляет собой металлическую трубку с двумя клапанами на ее верхнем и нижнем концах. Трубка прикрепляется зажимами к тонкому тросу и открытой опускается на заданную глубину. Затем по тросу спускается посыльный груз, который освобождает верхнее крепление батометра и он переворачивается. При этом оба клапана закрываются, и вода в батометре, уже изолированная от внешней среды, сохраняется для последующих исследований. В процессе опрокидывания высвобождается второй посыльный груз, который перевертывает следующий батометр. Таким образом, на один трос может быть подвешена целая серия батометров. Для отбора больших объемов воды применяются батометры из пластмассы с откидными крышками, которые тоже закрываются при помощи посыльных грузов. Батометры, изготовленные из неметаллических материалов, применяют и для проб воды, предназначенных для биохимических исследований, при которых не должно быть загрязнения воды следами металла.
Отобранные с помощью батометров пробы затем исследуются в судовой лаборатории и только в в исключительных случаях хранятся для более поздних анализов до конца экспедиции. В области химии моря, даже в трудных судовых условиях, также должно предусматриваться серийное применение аналитических методов с достаточно точными результатами. Пробы должны обрабатываться по возможности сразу после их отбора, так как концентрации содержащихся в морской воде веществ могут сильно изменяться во время хранения из-за происходящих в них биохимических процессов. Это особенно важно в тех случаях, когда исследуются вещества, содержащиеся в морской воде в очень небольших количествах (например, содержание фосфатов составляет меньше чем миллиграмм на 1 м3).
Важным исследованием, проводимым на полученных пробах воды, является определение солености — одной из основных величин при оценке океанографических условий. По температуре и солености морской воды может быть рассчитана ее плотность, а пространственное распределение плотности и ее изменения во времени служат ключом к объяснению движений водных масс и процессов перемешивания в море. Соленость — важная исходная величина также и для оценки многих других процессов. Новейшие методы измерения используют зависимость электропроводности воды от концентрации в ней соли.
Для определения микроэлементов, присутствующих в морской воде в незначительных количествах, в химии моря укоренились колориметрические методы. При этом исследуемое вещество окрашивается с помощью соответствующих химических реактивов и затем в специальных фотометрах сравнивается с эталонными растворами. Для ускорения обработки проб, поступающих в большом количестве, на борту корабля с успехом используются и автоматические средства проведения анализов, разработанные ранее для медицинских целей.
Для измерения температуры воды — также весьма важной характеристики — служат опрокидывающиеся термометры. В современном виде они начали употребляться в океанографии в конце XIX столетия. Это тщательно выверенные ртутные термометры, предохраняемые от давления воды защитным футляром из стекла. Точность измерения составляет 0,01 — 0,02°С. Как же оценить истинную температуру на глубине, если при подъеме термометр попадает в слои воды с иной температурой? Дело в том, что при опрокидывании батометра ртутный столбик в прикрепленном к нему термометре обрывается в месте сужения капилляров, что и позволяет зафиксировать температуру на исследуемой глубине.
В последнее время разработан ряд измерительных приборов, которые, в отличие от опрокидывающихся термометров, пригодных лишь для дискретных измерений, дают возможность проводить непрерывную запись температуры, а в некоторых случаях применяются даже на ходу судна.
Раньше разные приборы применялись только для отдельных измерений на определенных горизонтах. Сегодня делаются попытки создания приборов, имеющих несколько датчиков, помещаемых в батизонды. Они одновременно измеряют несколько величин и по кабелю передают данные на борт корабля, где они принимаются в виде кривых или цифр. Еще лучше, если все величины выдаются в форме, пригодной для электронной обработки, например в виде перфолент или магнитофонной записи.
Принципиально новые способы измерений — свободно погружаемые зонды, которые сбрасываются с судна или даже вертолета. Например, были продемонстрированы приборы, одновременно измеряющие глубину, температуру воды и скорость распространения в ней звука. Приборы свободно опускаются на глубину до 5000 м со скоростью около 2 м/с. После освобождения от балласта зонды, внутри которых содержатся накопленные измеренные данные, всплывают и их поднимают на борт исследовательского судна.
Важной проблемой физической океанологии была и остается проблема изучения морских течений. Для их определения с давних пор использовались данные о дрейфе судов. По разнице между фактическим местом судна, найденным посредством астрономических или радионавигационных обсерваций, и его местом, вычисленным по истинному курсу и скорости[5], можно судить о его перемещении под действием течения на поверхности моря. Соответствующие данные из судовых журналов статистически обрабатываются в Центре сбора данных и затем представляются в виде карт. Разумеется, эти карты дают лишь упрощенную картину фактической скорости и направления течений. Наблюдения распределены очень неравномерно и главным образом сосредоточены на маршрутах основных судоходных путей.
Результаты, аналогичные получаемым по данным о дрейфах судов, можно извлечь также и с помощью бутылочной почты, которая является очень старым вспомогательным средством получения информации. Этот столь примитивный способ применяется и сегодня, только вместо бутылок используют запечатанные в пластмассовые пакеты почтовые открытки. Много открыток было выброшено, например, в 1954 г. к западу от Британских островов, а в 1963–1964 гг. — в Немецкой бухте. Таким методом попытались получить сведения о вероятных путях распространения нефтяных загрязнений в море.
Принцип, подобный бутылочной почте, был применен английским океанологом Сваллоу для исследования глубинных течений: поплавки, находящиеся во взвешенном состоянии на определенной глубине, посылают звуковые сигналы, которые улавливаются на борту судна. Если дрейф судна известен, можно определить течение на глубине. С помощью таких поплавков в глубинных слоях были обнаружены поразительно высокие скорости течений.
Однако измерять скорость и направление течений в тех или иных точках моря можно также соответствующими приборами.
Трудность состоит в получении в море некоторого неподвижного пункта, с которого могли бы проводиться наблюдения. Даже поставленное на якорь судно не находится в покое, а перемещается вокруг якоря, причем перемещения зависят от ветра и течения. Они сильно искажают получаемую информацию. Кроме того, постановка на якорь на больших глубинах — задача сложная и трудоемкая. Поэтому около 15 лет назад пришли к выводу, что на якорь следует ставить не само исследовательское судно, а выставлять с него буи, на якорном тросе которых подвешиваются измерительные приборы. Зачастую применяют также притопленные буи, на которые не влияет действие волнения. Местоположение такой станции отмечается маленьким сигнальным буйком с радиопередатчиком.
При измерении течений важно, чтобы одновременно фиксировались две величины — направление и скорость. Для определения скорости течения почти во всех измерительных приборах применяются пропеллеры или какие-либо иные роторы, число оборотов которых показывает скорость[6]. Так как прибор устанавливается по течению, его направление можно фиксировать с помощью компаса. Новейшие приборы конструируются как регистраторы течений, автоматически работающие несколько месяцев. Большое значение имеет форма записи, которая должна удовлетворять требованиям автоматической обработки данных.
Поделиться книгой: