Природные комплексы мирового океана. Мировой океан

Мировой океан

Мировой океан

Океан
Мировой океан
водная оболочка, покрывающая бóльшую часть земной поверхности (четыре пятых в Южном полушарии и более трех пятых – в Северном). Лишь местами земная кора вздымается над поверхностью океана, образуя континенты, острова, атоллы и т.д. Хотя Мировой океан представляет собой единое целое, для удобства исследования отдельным его частям присвоены различные названия: Тихий, Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый океаны.
Наиболее крупные океаны – Тихий, Атлантический и Индийский. Тихий океан (площадь ок. 178,62 млн. км 2) имеет в плане округлую форму и занимает почти половину водной поверхности земного шара. Атлантический океан (91,56 млн. км 2) имеет форму широкой буквы S, причем его западное и восточное побережья почти параллельны. Индийский океан площадью 76,17 млн. км 2 имеет форму треугольника.
Северный Ледовитый океан площадью всего 14,75 млн. км 2 почти со всех сторон окружен сушей. Как и Тихий, он имеет округлую в плане форму. Некоторые географы выделяют еще один океан – Антарктический, или Южный, – водное пространство, окружающее Антарктиду.
Океан и атмосфера. Мировой океан, средняя глубина которого составляет ок. 4 км, содержит 1350 млн. км 3 воды. Атмосфера, окутывающая всю Землю слоем толщиной в несколько сотен километров, с гораздо большим основанием, чем Мировой океан, может рассматриваться как «оболочка». И океан и атмосфера представляют собой текучие среды, в которых существует жизнь; их свойства определяют среду обитания организмов. Циркуляционные потоки в атмосфере влияют на общую циркуляцию волы в океанах, а от состава и температуры воздуха в сильной степени зависят свойства океанических вод. В свою очередь, океан определяет основные свойства атмосферы и является источником энергии для многих протекающих в атмосфере процессов. На циркуляцию воды в океане влияют ветры, вращение Земли и барьеры суши.
Океан и климат. Хорошо известно, что температурный режим и другие климатические характеристики местности на любой широте могут существенно изменяться по направлению от побережья океана в глубь материка. По сравнению с сушей океан медленнее нагревается летом и медленнее остывает зимой, сглаживая колебания температуры на прилежащей суше.
Атмосфера получает от океана значительную часть поступающего к ней тепла и почти весь водяной пар. Пар поднимается, конденсируется, образуя облака, которые переносятся ветрами и поддерживают жизнь на планете, проливаясь в виде дождя или снега. Однако в тепло- и влагообмене участвуют только поверхностные воды; более 95% воды находится в глубинах, где ее температура остается практически неизменной.
Состав морской воды. Вода в океане соленая. Соленый вкус придают содержащиеся в ней 3,5% растворенных минеральных веществ – главным образом соединения натрия и хлора – основные ингредиенты столовой соли. Следующим по количеству является магний, за ним следует сера; присутствуют также все обычные металлы. Из неметаллических компонентов особенно важны кальций и кремний, так как именно они участвуют в строении скелетов и раковин многих морских животных. Благодаря тому что вода в океане постоянно перемешивается волнами и течениями, ее состав почти одинаков во всех океанах.
Свойства морской воды. Плотность морской воды (при температуре 20° С и солености ок. 3,5%) примерно 1,03, т.е. несколько выше, чем плотность пресной воды (1,0). Плотность воды в океане меняется с глубиной из-за давления вышележащих слоев, а также в зависимости от температуры и солености. В наиболее глубоких частях океана воды обычно солонее и холоднее. Наиболее плотные массы воды в океане могут оставаться на глубине и сохранять пониженную температуру более 1000 лет.
Поскольку морская вода имеет низкую вязкость и высокое поверхностное натяжение, она оказывает относительно слабое сопротивление движению корабля или пловца и быстро стекает с различных поверхностей. Преобладающая синяя окраска морской воды связана с рассеянием солнечных лучей взвешенными в воде мелкими частицами.
Морская вода гораздо менее прозрачна для видимого света по сравнению с воздухом, но более прозрачна по сравнению с большинством других веществ. Зарегистрировано проникновение солнечных лучей в океан до глубины 700 м. Радиоволны проникают в толщу воды лишь на небольшую глубину, зато звуковые волны могут распространяться под водой на тысячи километров. Скорость распространения звука в морской воде колеблется, составляя в среднем 1500 м в секунду.
Электропроводность морской воды примерно в 4000 раз выше, чем электропроводность пресной воды. Высокое содержание солей препятствует ее использованию для орошения и полива сельскохозяйственных культур. Для питья она также непригодна.
ОБИТАТЕЛИ МОРЯ
Жизнь в океане необычайно разнообразна – там обитает более 200 000 видов организмов. Некоторые из них, например кистеперая рыба целакант, представляют собой живые ископаемые, предки которых процветали здесь более 300 млн. лет назад; другие появились совсем недавно. Бóльшая часть морских организмов встречается на мелководье, куда проникает солнечный свет, способствующий процессу фотосинтеза. Благоприятны для жизни зоны, обогащенные кислородом и питательными веществами, например, нитратами. Широко известно такое явление, как «апвеллинг» (англ. upwelling), – поднятие к поверхности глубинных морских вод, обогащенных питательными веществами; именно с ним связано богатство органической жизни у некоторых побережий. Жизнь в океане представлена самыми различными организмами – от микроскопических одноклеточных водорослей и крошечных животных до китов, превышающих в длину 30 м и превосходящих по размерам любое животное, жившее когда-либо на суше, включая самых крупных динозавров. Океаническая биота делится на следующие основные группы.
Планктон представляет собой массу микроскопических растений и животных, не способных к самостоятельному передвижению и обитающих в приповерхностных хорошо освещенных слоях воды, где они образуют плавучие «кормовые угодья» для более крупных животных. Планктон состоит из фитопланктона (включающего такие растения, как диатомовые водоросли) и зоопланктона (медузы, криль, личинки крабов и пр.).
Нектон состоит из свободно плавающих в толще воды организмов, преимущественно хищных, и включает более 20 000 разновидностей рыб, а также кальмаров, тюленей, морских львов, китов.
Бентос состоит из животных и растений, обитающих на дне океана или вблизи него, как на больших глубинах, так и на мелководье. Растения, представленные различными водорослями (например, бурыми), встречаются на мелководье, куда проникает солнечный свет. Из животных следует отметить губок, морских лилий (одно время считавшихся вымершими), плеченогих и др.
Пищевые цепи. Более 90% органических веществ, составляющих основу жизни в море, синтезируется при солнечном освещении из минеральных веществ и других компонентов фитопланктоном, в изобилии населяющим верхние слои водной толщи в океане. Некоторые организмы, входящие в состав зоопланктона, поедают эти растения и в свою очередь являются источником пищи для более крупных животных, обитающих на большей глубине. Тех поедают более крупные животные, живущие еще глубже, и такая закономерность прослеживается до самого дна океана, где наиболее крупные беспозвоночные, например стеклянные губки, получают необходимые им питательные вещества из остатков отмерших организмов – органического детрита, опускающегося на дно из вышележащей толщи воды. Однако известно, что множество рыб и другие свободно передвигающиеся животные сумели приспособиться к экстремальным условиям высокого давления, низкой температуры и постоянной темноты, характерных для больших глубин. См. также морская биология .
ВОЛНЫ, ПРИЛИВЫ, ТЕЧЕНИЯ
Как и вся Вселенная, океан никогда не остается в покое. Разнообразные природные процессы, в том числе такие катастрофические, как подводные землетрясения или извержения вулканов, вызывают движения океанических вод.
Волны. Обычные волны вызываются ветром, дующим с переменной скоростью над поверхностью океана. Сначала возникает рябь, затем поверхность воды начинает ритмично подниматься и опускаться. Хотя водная поверхность при этом вздымается и опускается, отдельные частицы воды движутся по траектории, представляющей собой почти замкнутый круг, практически не испытывая смещения по горизонтали. По мере усиления ветра волны становятся выше. В открытом море высота гребня волны может достигать 30 м, а расстояние между соседними гребнями – 300 м.
Подходя к берегу, волны образуют буруны двух типов – ныряющие и скользящие. Ныряющие буруны характерны для волн, зародившихся в удалении от берега; они имеют вогнутый фронт, их гребень нависает и обрушивается, как водопад. Скользящие буруны не образуют вогнутого фронта, и снижение волны происходит постепенно. В обоих случаях волна накатывается на берег, а затем откатывается обратно.
Катастрофические волны могут возникать в результате резкого изменения глубины морского дна при образовании сбросов (цунами), при сильных штормах и ураганах (штормовые волны) или при обвалах и оползнях береговых обрывов.
Цунами могут распространяться в открытом океане со скоростью до 700–800 км/ч. При приближении к берегу волна цунами тормозится, одновременно увеличивается ее высота. В результате на берег накатывается волна высотой до 30 м и более (относительно среднего уровня океана). Цунами обладают огромной разрушительной силой. Хотя больше всего от них страдают районы, находящиеся вблизи таких сейсмически активных зон, как Аляска, Япония, Чили, волны, приходящие от удаленных источников, могут причинить значительный ущерб. Подобные волны возникают при взрывных извержениях вулканов или обрушении стенок кратеров, как, например, при извержении вулкана на о.Кракатау в Индонезии в 1883.
Еще более разрушительными могут быть штормовые волны, порожденные ураганами (тропическими циклонами). Неоднократно подобные волны обрушивались на побережье в вершинной части Бенгальского залива; одна из них в 1737 привела к гибели примерно 300 тыс. человек. Сейчас благодаря значительно усовершенствованной системе раннего оповещения имеется возможность заранее предупреждать население прибрежных городов о приближающихся ураганах.
Катастрофические волны, вызванные оползнями и обвалами, относительно редки. Они возникают в результате падения крупных блоков породы в глубоководные заливы; при этом происходит вытеснение огромной массы воды, которая обрушивается на берег. В 1796 на о.Кюсю в Японии сошел оползень, имевший трагические последствия: порожденные им три огромные волны унесли жизни ок. 15 тыс. человек.
Приливы. На берега океана накатываются приливы, в результате чего уровень воды поднимается на высоту 15 м и более. Основной причиной приливов на поверхности Земли является притяжение Луны. В течение каждых 24 ч 52 мин происходят два прилива и два отлива. Хотя эти колебания уровня заметны только у берегов и на отмелях, известно, что они проявляются и в открытом море. Приливами обусловлены многие очень сильные течения в прибрежной зоне, поэтому для безопасной навигации морякам необходимо пользоваться специальными таблицами течений. В проливах, соединяющих Внутреннее море Японии с открытым океаном, приливо-отливные течения достигают скорости 20 км/ч, а в проливе Симор-Нарроус у берегов Британской Колумбии (о.Ванкувер) в Канаде зарегистрирована скорость ок. 30 км/ч.
Течения в океане могут также создаваться волнением. Прибрежные волны, подходящие к берегу под углом, вызывают относительно медленные вдольбереговые течения. Там, где течение отклоняется от берега, его скорость резко возрастает – образуется разрывное течение, которое может представлять опасность для пловцов. Вращение Земли заставляет крупные океанические течения двигаться по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки – в Южном. С некоторыми течениями связаны самые богатые рыболовные угодья, например в районе Лабрадорского течения у восточных берегов Северной Америки и Перуанского течения (или Гумбольдта) у берегов Перу и Чили.
Мутьевые течения относятся к наиболее сильным течениям в океане. Они вызываются перемещением большого объема взвешенных наносов; эти наносы могут быть принесены реками, явиться результатом волнения на мелководье или образоваться при сходе оползня по подводному склону. Идеальные условия для зарождения таких течений существуют в вершинах подводных каньонов, расположенных вблизи берега, особенно при впадении рек. Такие течения развивают скорость от 1,5 до 10 км/ч и временами повреждают подводные кабели. После землетрясения 1929 с эпицентром в районе Большой Ньюфаундлендской банки многие трансатлантические кабели, соединявшие Северную Европу и США, оказались поврежденными, вероятно, вследствие сильных мутьевых течений.
БЕРЕГА И БЕРЕГОВЫЕ ЛИНИИ
На картах хорошо видно необычайное разнообразие очертаний берегов. В качестве примеров можно отметить берега, изрезанные заливами, с островами и извилистыми проливами (в шт. Мэн, на юге Аляски и в Норвегии); берега относительно простых очертаний, как на большей части западного побережья США; глубоко проникающие и ветвящиеся заливы (например, Чесапикский) в средней части атлантического побережья США; выступающий низменный берег Луизианы около устья р.Миссисипи. Подобные примеры могут быть приведены для любой широты и любой географической или климатической области.
Эволюция берегов. Прежде всего проследим, как менялся уровень моря за последние 18 тыс. лет. Как раз перед этим бóльшая часть суши в высоких широтах была покрыта огромными ледниками. По мере таяния этих ледников талые воды поступали в океан, в результате чего его уровень поднялся примерно на 100 м. При этом оказались затопленными многие устья рек – так образовались эстуарии. Там, где ледники создали долины, углубленные ниже уровня моря, образовались глубокие заливы (фьорды) с многочисленными скалистыми островами, как, например, в береговой зоне Аляски и Норвегии. При наступании на низменные побережья море также затопляло речные долины. На песчаных побережьях в результате волновой деятельности сформировались низкие барьерные острова, вытянутые вдоль берега. Такие формы встречаются у южного и юго-восточного берегов США. Иногда барьерные острова образуют аккумулятивные выступы берега (например, мыс Хаттерас). В устьях рек, несущих большое количество наносов, возникают дельты. На тектонических блоковых берегах, испытывающих поднятия, которые компенсировали подъем уровня моря, могут образоваться прямолинейные абразионные уступы (клифы). На о.Гавайи в результате вулканической деятельности в море стекали лавовые потоки и формировались лавовые дельты. Во многих местах развитие берегов протекало таким образом, что заливы, образовавшиеся при затоплении устьев рек, продолжали существовать – например, Чесапикский залив или заливы на северо-западном побережье Пиренейского п-ова.
В тропическом поясе подъем уровня моря способствовал более интенсивному росту кораллов с внешней (морской) стороны рифов, так что с внутренней стороны образовывались лагуны, отделяющие от берега барьерный риф. Подобный процесс происходил и там, где на фоне подъема уровня моря происходило погружение острова. При этом барьерные рифы с внешней стороны частично разрушались во время штормов, и обломки кораллов нагромождались штормовыми волнами выше уровня спокойного моря. Кольца рифов вокруг погрузившихся вулканических островов образовали атоллы. В последние 2000 лет поднятие уровня Мирового океана практически не отмечается.
Пляжи всегда высоко ценились человеком. Они сложены преимущественно песком, хотя встречаются также галечные и даже мелковалунные пляжи. Иногда песок представляет собой измельченные волнами раковины (т.н. ракушечный песок). В профиле пляжа выделяются наклонная и почти горизонтальная части. Угол наклона прибрежной части зависит от слагающего ее песка: на пляжах, сложенных тонким песком, фронтальная зона наиболее пологая; на пляжах из крупнозернистого песка уклоны несколько больше, а наиболее крутой уступ образуют галечные и валунные пляжи. Тыловая зона пляжа находится обычно выше уровня моря, но порой огромные штормовые волны заливают и ее.
Различают несколько типов пляжей. Для берегов США наиболее типичны протяженные, относительно прямолинейные пляжи, окаймляющие с внешней стороны барьерные острова. Для таких пляжей характерны вдольбереговые ложбины, где могут развиваться опасные для пловцов течения. С внешней стороны ложбин находятся вытянутые вдоль берега песчаные бары, где и происходит разрушение волн. При сильном волнении здесь часто возникают разрывные течения.
Скалистые берега неправильных очертаний обычно образуют множество мелких бухточек с небольшими изолированными участками пляжей. Эти бухточки часто бывают защищены со стороны моря выступающими над поверхностью воды скалами или подводными рифами.
На пляжах обычны образования, созданные волнами, – пляжевые фестоны, знаки ряби, следы волнового заплеска, промоины, образующиеся при стоке воды во время отлива, а также следы, оставленные животными.
При размыве пляжей во время зимних штормов песок перемещается по направлению к открытому морю или вдоль берега. При более спокойной погоде летом на пляжи поступают новые массы песка, принесенные реками или образовавшиеся при размыве волнами береговых уступов, и таким образом происходит восстановление пляжей. К сожалению, этот компенсационный механизм часто нарушается вмешательством человека. Строительство плотин на реках или сооружение берегоукрепительных стенок препятствует поступлению на пляжи материала взамен размытого зимними штормами.
Во многих местах песок переносится волнами вдоль берега, преимущественно в одном направлении (т.н. вдольбереговой поток наносов). Если береговые сооружения (дамбы, волноломы, пирсы, буны и т.п.) преграждают этот поток, то пляжи «выше по течению» (т.е. расположенные с той стороны, откуда происходит поступление наносов) либо размываются волнами, либо расширяются за счет поступления наносов, тогда как пляжи «ниже по течению» почти не подпитываются новыми отложениями.
РЕЛЬЕФ ДНА ОКЕАНОВ
На дне океанов находятся огромные горные хребты, глубокие расселины с обрывистыми стенками, протяженные гряды и глубокие рифтовые долины. Фактически морское дно не менее изрезано, чем поверхность суши.
Шельф, материковый склон и материковое подножье. Платформа, окаймляющая континенты и называемая материковой отмелью, или шельфом, не столь ровная, как это когда-то считалось. На внешней части шельфа обычны скальные выступы; коренные породы часто выходят и на примыкающей к шельфу части материкового склона.
Средняя глубина внешнего края (бровки) шельфа, отделяющей его от материкового склона, составляет ок. 130 м. У берегов, подвергавшихся оледенению, на шельфе часто отмечаются ложбины (троги) и впадины. Так, у фьордовых берегов Норвегии, Аляски, южного Чили глубоководные участки обнаруживаются вблизи современной береговой линии; глубоководные ложбины существуют у берегов штата Мэн и в заливе Св. Лаврентия. Выработанные ледниками троги часто тянутся поперек всего шельфа; местами вдоль них располагаются исключительно богатые рыбой отмели, например банки Джорджес или Большая Ньюфаундлендская.
Шельфы у берегов, где оледенения не было, имеют более однообразное строение, однако и на них часто встречаются песчаные или даже скальные гряды, возвышающиеся над общим уровнем. В ледниковую эпоху, когда уровень океана понизился вследствие того, что огромные массы воды аккумулировались на суше в виде ледниковых покровов, во многих местах нынешнего шельфа были созданы речные дельты. В других местах на окраинах материков на отметках тогдашнего уровня моря в поверхность были врезаны абразионные платформы. Однако результаты этих процессов, протекавших в условиях низкого положения уровня Мирового океана, были существенно преобразованы тектоническими движениями и осадконакоплением в последующую послеледниковую эпоху.
Удивительнее всего то, что во многих местах на внешнем шельфе все-таки можно обнаружить отложения, образовавшиеся в прошлом, когда уровень океана был более чем на 100 м ниже современного. Там же находят кости мамонтов, живших в ледниковую эпоху, а иногда и орудия первобытного человека.
Говоря о материковом склоне, необходимо отметить следующие особенности: во-первых, он обычно образует четкую и хорошо выраженную границу с шельфом; во-вторых, почти всегда его пересекают глубокие подводные каньоны. Средний угол наклона на материковом склоне составляет 4°, но встречаются и более крутые, иногда почти вертикальные участки. У нижней границы склона в Атлантическом и Индийском океанах располагается пологонаклонная поверхность, получившая название «материкового подножья». По периферии Тихого океана материковое подножье обычно отсутствует; его часто замещают глубоководные желоба, где тектонические подвижки (сбросы) порождают землетрясения и где зарождается большинство цунами.
Подводные каньоны. Эти каньоны, врезанные в морское дно на 300 м и более, обычно отличаются крутыми бортами, узким днищем, извилистостью в плане; как и их аналоги на суше, они принимают многочисленные притоки. Самый глубокий из известных подводных каньонов – Большой Багамский – врезан почти на 5 км.
Несмотря на сходство с одноименными образованиями на суше, подводные каньоны в своем большинстве не являются древними речными долинами, погруженными ниже уровня океана. Мутьевые течения вполне способны как выработать долину на дне океана, так и углубить и преобразовать затопленную речную долину или понижение по линии сброса. Подводные долины не остаются неизменными; по ним осуществляется транспорт наносов, о чем свидетельствуют знаки ряби на дне, и глубина их постоянно меняется.
Глубоководные желоба. Многое стало известно о рельефе глубоководных частей океанического дна в результате широкомасштабных исследований, развернувшихся после Второй мировой войны. Наибольшие глубины приурочены к глубоководным желобам Тихого океана. Самая глубокая точка – т.н. «пучина Челленджера» – находится в пределах Марианского желоба на юго-западе Тихого океана. Ниже приводятся наибольшие глубины океанов с указанием их названий и местоположения:
Северный Ледовитый – 5527 м в Гренландском море;
Атлантический – желоб Пуэрто-Рико (у берегов Пуэрто-Рико) – 8742 м;
Индийский – Зондский (Яванский) желоб (к западу от Зондского архипелага) – 7729 м;
Тихий – Марианский желоб (у Марианских о-вов) – 11 033 м; желоб Тонга (у Новой Зеландии) – 10 882 м; Филиппинский желоб (у Филиппинских о-вов) – 10 497 м.
Срединно-Атлантический хребет. О существовании большого подводного хребта, протянувшегося с севера на юг через центральную часть Атлантического океана, известно уже давно. Его протяженность почти 60 тыс. км, одно из его ответвлений тянется в Аденский залив к Красному морю, а другое заканчивается у берегов Калифорнийского залива. Ширина хребта составляет сотни километров; наиболее поразительную его черту представляют рифтовые долины, прослеживающиеся почти на всем его протяжении и напоминающие Восточно-Африканскую рифтовую зону.
Еще более удивительным открытием явилось то, что основной хребет пересекают под прямым углом к его оси многочисленные гребни и ложбины. Эти поперечные гребни прослеживаются в океане на протяжении тысяч километров. В местах пересечения их с осевым хребтом находятся т.н. зоны разломов, к которым приурочены активные тектонические подвижки и где находятся центры крупных землетрясений.
Гипотеза дрейфа материков А.Вегенера. Примерно до 1965 большинство геологов полагало, что положение и очертания материков и океанических бассейнов остаются неизменными. Существовало довольно смутное представление о том, что Земля сжимается, и это сжатие приводит к образованию складчатых горных хребтов. Когда в 1912 немецкий метеоролог Альфред Вегенер высказал идею о том, что материки перемещаются («дрейфуют») и что Атлантический океан образовался в процессе расширения трещины, расколовшей древний суперконтинент, эта идея была встречена с недоверием, несмотря на множество фактов, свидетельствующих в ее пользу (сходство очертаний восточного и западного побережий Атлантического океана; сходство ископаемых остатков в Африке и Южной Америке; следы великих оледенений каменноугольного и пермского периодов в интервале 350–230 млн. лет назад в районах, ныне расположенных вблизи экватора).
Разрастание (спрединг) океанического дна. Постепенно доводы Вегенера были подкреплены результатами дальнейших исследований. Было высказано предположение о том, что рифтовые долины в пределах срединно-океанических хребтов возникают как трещины растяжения, которые затем заполняются поднимающейся из глубин магмой. Материки и примыкающие к ним участки океанов образуют огромные плиты, движущиеся в стороны от подводных хребтов. Фронтальная часть Американской плиты надвигается на Тихоокеанскую плиту; последняя в свою очередь поддвигается под материк – происходит процесс, называемый субдукцией. Есть множество других свидетельств в пользу этой теории: например, приуроченность к этим районам центров землетрясений, краевых глубоководных желобов, горных цепей и вулканов. Эта теория позволяет объяснить почти все крупные формы рельефа материков и океанических бассейнов.
Магнитные аномалии . Наиболее убедительным доводом в пользу гипотезы разрастания океанического дна является чередование полос прямой и обратной полярности (положительных и отрицательных магнитных аномалий), прослеживающихся симметрично по обе стороны от срединно-океанических хребтов и следующих параллельно их оси. Изучение этих аномалий позволило установить, что спрединг океанов происходит в среднем со скоростью несколько сантиметров в год.
Тектоника плит. Еще одно доказательство вероятности этой гипотезы было получено с помощью глубоководного бурения. Если, как следует из данных по исторической геологии, разрастание океанов началось в юрском периоде, ни одна часть Атлантического океана не может быть старше этого времени. Глубоководными буровыми скважинами в некоторых местах были пройдены отложения юрского возраста (образовавшиеся 190–135 млн. лет назад), но нигде не встречены более древние. Это обстоятельство может считаться весомым доказательством; в то же время из него следует парадоксальный вывод о том, что дно океана моложе, чем сам океан.
ИССЛЕДОВАНИЯ ОКЕАНОВ
Ранние исследования. Первые попытки исследовать океаны носили исключительно географический характер. Путешественники прошлого (Колумб , Магеллан , Кук и др.) совершали долгие утомительные плавания через моря и открывали острова и новые материки. Первая попытка исследовать сам океан и его дно была сделана британской экспедицией на «Челленджере» (1872–1876). Это плавание заложило основы современной океанологии. Метод эхолотирования, разработанный в годы Первой мировой войны, позволил составить новые карты шельфа и материкового склона. Специальные океанологические научные учреждения, появившиеся в 1920–1930-е годы, распространили свою деятельность на глубоководные области.
Современный этап. Настоящий прогресс в исследованиях, однако, начинается лишь после окончания Второй мировой войны, когда в изучении океана приняли участие военно-морские силы различных стран. В это же время получили поддержку многие океанографические станции.
Ведущая роль в этих исследованиях принадлежала США и СССР; в меньших масштабах подобные работы проводили Великобритания, Франция, Япония, Западная Германия и другие страны. Примерно за 20 лет удалось получить довольно полное представление о рельефе океанического дна. На опубликованных картах рельефа дна вырисовывалась картина распределения глубин. Большое значение приобрели также исследования дна океана с помощью эхозондирования, при котором звуковые волны отражаются от поверхности коренных пород, погребенных под рыхлыми осадками. Сейчас об этих погребенных отложениях известно больше, чем о породах континентальной земной коры.
Погружные аппараты с экипажем на борту. Большим шагом вперед в исследованиях океана явилась разработка глубоководных погружных аппаратов с иллюминаторами. В 1960 Жак Пикар и Дональд Уолш на батискафе «Триест» I осуществили погружение в самой глубокой из известных областей океана – «пучине Челленджера» в 320 км к юго-западу от о.Гуам. «Ныряющее блюдце» Жак Ива Кусто оказалось наиболее удачным среди аппаратов подобного типа; с его помощью удалось открыть удивительный мир коралловых рифов и подводных каньонов до глубины 300 м. Другой аппарат, «Алвин», спускался до глубины 3650 м (при проектной глубине погружения до 4580 м) и активно использовался в научных исследованиях.
Глубоководное бурение. Подобно тому, как концепция тектоники плит революционизировала геологическую теорию, глубоководное бурение произвело переворот в представлениях о геологической истории. Усовершенствованная буровая установка позволяет проходить сотни и даже тысячи метров в магматических породах. При необходимости замены затупившейся коронки этой установки в скважине оставлялась обсадная колонна, которую легко можно было обнаружить гидролокатором, укрепленным на новой коронке бурильной трубы, и таким образом продолжить бурение той же скважины. Керны глубоководных скважин позволили заполнить множество пробелов геологической истории нашей планеты и, в частности, дали множество доказательств правильности гипотезы спрединга дна океанов.
РЕСУРСЫ ОКЕАНА
По мере того как ресурсы планеты все с бóльшим трудом удовлетворяют потребности растущего населения, океан приобретает особое значение как источник пищи, энергии, минерального сырья и воды.
Пищевые ресурсы океана. В океанах ежегодно вылавливаются десятки миллионов тонн рыбы, моллюсков и ракообразных. В некоторых частях океанов добыча с применением современных плавучих рыбозаводов ведется очень интенсивно. Почти полностью истреблены некоторые виды китов. Продолжающийся интенсивный вылов может нанести сильный ущерб таким ценным промысловым видам рыбы, как тунец, сельдь, треска, морской окунь, сардина, мерлуза.
Рыбоводство . Для разведения рыбы можно было бы выделить обширные участки шельфа. При этом можно удобрять морское дно, чтобы обеспечить рост морских растений, которыми питается рыба.
Минеральные ресурсы океанов. Все минералы, которые находят на суше, присутствуют и в морской воде. Наиболее распространены там соли, магний, сера, кальций, калий, бром. Недавно океанологи обнаружили, что во многих местах дно океана буквально покрыто россыпью железомарганцевых конкреций с высоким содержанием марганца, никеля и кобальта. Найденные на мелководье фосфоритные конкреции могут использоваться в качестве сырья для производства удобрений. В морской воде присутствуют также такие ценные металлы, как титан, серебро и золото. В настоящее время в значительных количествах из морской воды добываются лишь соль, магний и бром.
Нефть . На шельфе уже сейчас разрабатывается ряд крупных месторождений нефти, например, у берегов Техаса и Луизианы, в Северном море, Персидском заливе и у берегов Китая. Ведется разведка месторождений во многих других районах, например у берегов Западной Африки, у восточного побережья США и Мексики, у берегов арктической Канады и Аляски, Венесуэлы и Бразилии.
Океан – источник энергии. Океан является практически неистощимым источником энергии.
Энергия приливов. Уже давно было известно, что приливные течения, проходящие через узкие проливы, можно использовать для получения энергии в такой же степени, как водопады и плотины на реках. Так, например, в Сен-Мало во Франции с 1966 успешно действует приливная гидроэлектростанция.
Энергия волн также может использоваться для получения электроэнергии.
Энергия термического градиента. Почти три четверти солнечной энергии, поступающей на Землю, приходится на океаны, поэтому океан является идеальным гигантским накопителем тепла. Получение энергии, основанное на использовании разности температур поверхностных и глубинных слоев океана, могло бы проводиться на крупных плавучих электростанциях. В настоящее время разработка таких систем находится в экспериментальной стадии.
Прочие ресурсы. К другим ресурсам можно отнести жемчуг, который образуется в теле некоторых моллюсков; губки; водоросли, использующиеся в качестве удобрений, пищевых продуктов и пищевых добавок, а также в медицине как источник иода, натрия и калия; залежи гуано – птичьего помета, добываемого на некоторых атоллах в Тихом океане и используемого в качестве удобрения. Наконец, опреснение позволяет получить из морской воды пресную.
ОКЕАН И ЧЕЛОВЕК
Ученые полагают, что жизнь зародилась в океане примерно 4 млрд. лет назад. Особые свойства воды оказали огромное воздействие на эволюцию человека и до сих пор делают возможной жизнь на нашей планете. Человек использовал моря как пути торговли и сообщения. Плавая по морям, он совершал открытия. К морю он обращался в поисках пищи, энергии, материальных ресурсов и вдохновения.
Океанография и океанология. Исследования океана часто подразделяют на физическую океанографию, химическую океанографию, морскую геологию и геофизику, морскую метеорологию, биологию океана и инженерную океанографию. В большинстве стран, имеющих выход к океану, ведутся океанографические исследования.

Слоеный пирог в океане

В 1965 г. американский ученый Генри Стоммел и советский ученый Константин Федоров совместно проводили испытания нового американского прибора для измерения температуры и солености вод океана. Работы проводились в Тихом океане между островами Минданао (Филиппины) и Тимор. Прибор опускали на тросе в глубину вод.

Однажды исследователи обнаружили на регистраторе прибора необычную запись измерений. На глубине 135 м, там, где окончился перемешанный слой океана, температура должна была согласно существовавших представлений начать равномерно уменьшаться с глубиной. А прибор зарегистрировал ее повышение на 0,5 °C. Слой воды с такой повышенной температурой имел толщину около 10 м. Затем температура начала уменьшаться.

Вот что написал об этом примечательном наблюдении ученых доктор технических наук Н. В. Вершинский, руководитель лаборатории морских измерительных приборов Института океанологии АН СССР: «Чтобы понять удивление исследователей, надо сказать, что в любом курсе океанографии тех лет о распределении температуры в океане по вертикали можно было прочесть примерно следующее. Первоначально от поверхности вглубь идет верхний перемешанный слой. В этом слое температура воды практически остается неизменной. Толщина перемешанного слоя обычно составляет 60 – 100 м. Ветер, волны, турбулентность, течение все время перемешивают воду в поверхностном слое, благодаря чему ее температура и становится примерно одинаковой. Но возможности перемешивающих сил ограниченны, на какой-то глубине их действие прекращается. При дальнейшем погружении температура воды резко уменьшается. Скачком!

Этот второй слой так и называется – слой скачка. Обычно он невелик и составляет всего 10–20 м. На протяжении этих немногих метров температура воды снижается на несколько градусов. Градиент температуры в слое скачка обычно составляет несколько десятых долей градуса на метр. Этот слой – удивительное явление, которому нет аналога в атмосфере. Он играет большую роль в физике и биологии моря, а также в человеческой деятельности, связанной с морем. Благодаря большому градиенту плотности в слое скачка собираются различные частицы взвеси, планктонные организмы и мальки рыб. Подводная лодка в нем может лежать, как на грунте. Поэтому иногда его называют слоем «жидкого грунта».

Слой скачка представляет собой своеобразный экран: через него плохо проходят сигналы эхолотов и гидролокаторов. Кстати сказать, он не остается всегда на одном месте. Слой перемещается вверх или вниз и иногда с довольно большой скоростью. Ниже слоя скачка располагается слой главного термоклина. В этом третьем слое температура воды продолжает уменьшаться, но не так быстра, как в слое скачка, градиент температуры здесь составляет несколько сотых долей градуса на метр…

В течение двух дней исследователи несколько раз повторяли свои измерения. Результаты были схожи. Записи неопровержимо свидетельствовали о наличии в океане тонких прослоек воды протяженностью от 2 до 20 км, температура и соленость которых резко отличались от соседних. Толщина слоев от 2 до 40 м. Океан в этом районе напоминал слоеный пирог».

В 1969 г. английский ученый Вудс нашел элементы микроструктуры в Средиземном море около острова Мальта. Он сперва использовал для замеров двухметровую рейку, на которую укрепил десяток полупроводниковых датчиков температуры. Затем Вудс сконструировал автономный падающий зонд, который помог четко зафиксировать слоистую структуру полей температуры и солености воды.

А в 1971 г. слоистую структуру впервые обнаружили в Тиморском море и советские ученые на НИС «Дмитрий Менделеев». Затем во время плавания судна по Индийскому океану ученые находили элементы такой микроструктуры во многих районах.

Таким образом, как часто бывает в науке, применение новых приборов для измерения ранее многократно замеренных физических параметров привело к новым сенсационным открытиям.

Ранее температуру глубинных слоев океана замеряли ртутными термометрами в отдельных точках на разных глубинах. Из этих же точек при помощи батометров поднимали с глубины пробы воды для последующего определения в судовой лаборатории ее солености. Затем по результатам измерений в отдельных точках океанологи строили плавные кривые графиков изменения параметров воды с глубиной ниже слоя скачка.

Теперь новые приборы – малоинерционные зонды с полупроводниковыми датчиками – позволили измерить непрерывную зависимость температуры и солености воды от глубины погружения зонда. Их использование дало возможность уловить совсем небольшие изменения параметров водных масс при перемещении зонда по вертикали в пределах десятков сантиметров и фиксировать их изменения во времени за доли секунд.

Оказалось, что везде в океане вся водная масса от поверхности до больших глубин разделена на тонкие однородные слои. Разница в температуре между соседними горизонтальными слоями составляла несколько десятых градуса. Сами слои имеют толщину от десятков сантиметров до десятков метров. Самое поразительное было то, что при переходе из слоя в слой температура воды, ее соленость и плотность менялись резко, скачкообразно, а сами слои устойчиво существуют иногда несколько минут, а иногда несколько часов и даже суток. А в горизонтальном направлении такие слои с однородными параметрами простираются на расстояние до десятка километров.

Первые сообщения об открытии тонкой структуры океана не всеми учеными-океанологами были приняты спокойно и благожелательно. Многие ученые восприняли результаты измерений как случайность и недоразумение.

Действительно, было чему удивляться. Ведь вода во все века была символом подвижности, изменчивости, текучести. Тем более вода в океане, где структура ее чрезвычайно изменчива, волны, поверхностные и подводные течения все время перемешивают водные массы.

Почему же сохраняется такая устойчивая слоистость? Однозначного ответа на этот вопрос пока нет. Ясно одно: все эти замеры не игра случая, не химера – открыто нечто важное, играющее существенную роль в динамике океана. По мнению доктора географических наук А. А. Аксенова, 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. При разрушении внутренних волн возникают новые однородные слои и границы слоев образуются на иных глубинах. Этот процесс повторяется многократно, меняются глубина залегания и толщина слоев с резкими границами, но общий характер водной толщи остается неизменным.

Выявление тонкослойной структуры продолжалось. Советские ученые А. С. Монин, К. Н. Федоров, В. П. Швецов обнаружили, что и глубинные течения в открытом океане также имеют слоистую структуру. Течение остается постоянным в пределах слоя толщиной от 10 см до 10 м, затем его скорость скачкообразно меняется при переходе к соседнему слою и т. д. И тут ученые обнаружили «слоистый пирог».

Значительный вклад в изучение тонкой структуры океана сделали наши океанологи, используя научное оборудование новых среднетоннажных специализированных НИС водоизмещением 2600 т, построенных в Финляндии.

Это НИС «Академик Борис Петров», принадлежащее Институту геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского АН СССР, «Академик Николай Страхов», работающее по планам Геологического института АН СССР, и принадлежащие Дальневосточному отделению АН СССР «Академик М. А. Лаврентьев», «Академик Опарин».

Эти суда получили имена видных советских ученых. Герой Социалистического Труда академик Борис Николаевич Петров (1913–1980) был крупнейшим ученым в области проблем управления, талантливым организатором космической науки и международного сотрудничества в этой области.

Так же закономерно появление имени академика Николая Михайловича Страхова (1900 – .1978) на борту корабля науки. Выдающийся советский геолог внес крупный вклад в изучение осадочных пород на дне океанов и морей.

Советский математик и механик академик Михаил Алексеевич Лаврентьев (1900–1979) получил широкую известность как крупный организатор науки в Сибири и на востоке СССР. Именно он стоял у истоков создания прославленного Академгородка в Новосибирске. В последние десятилетия исследования в институтах Сибирского отделения АН СССР приобрели такие масштабы, что теперь невозможно представить себе общую картину почти в любой области науки без учета работы сибирских ученых.

Из четырех НИС этой серии три (кроме НИС «Академик Опарин») строились для гидрофизических исследований водных масс океанов и морей, исследования океанского дна и слоев атмосферы, прилегающих к поверхности океана. Исходя из этих задач и спроектирован установленный на судах научно-исследовательский комплекс.

Важной составной частью этого комплекса являются погружаемые зонды. В носовой части главной палубы судов этой серии размещены гидрологическая и гидрохимическая лаборатории, а также так называемая «мокрая лаборатория». Научная аппаратура, размещенная в них, включает регистрирующие блоки погружаемых зондов с датчиками электропроводности, температуры и плотности. Причем конструкция гидрозонда предусматривает наличие на нем комплекта батометров для взятия проб воды с различных горизонтов.

На этих судах установлены не только глубоководные узколучевые исследовательские эхолоты, но и многолучевые.

Как рассказал известный исследователь Мирового океана доктор географических наук Глеб Борисович Удинцев, появление этих приборов – многолучевых эхолотов – следует оценить как революцию в деле изучения океанского дна. Ведь на протяжении многих лет наши суда оснащались эхолотами, измерявшими глубины при помощи одного луча, направленного с судна вниз по вертикали. Это позволяло получать двухмерное изображение рельефа океанского дна, его профиль по маршруту движения судна. Используя большой массив данных, собранный при помощи однолучевых эхолотов, до сих пор составлялись карты рельефа дна морей и океанов.

Однако построение карт по профилям дна, между которыми нужно было пролагать линии равных глубин – изобаты, зависело от умения картографа-геоморфолога или гидрографа создавать пространственное трехмерное изображение, базируясь на синтезе всей доступной геолого-геофизической информации. Понятно, что при этом карты рельефа океанского дна, служившие затем основой для всех других геологических и геофизических карт, содержали много субъективного, что особо проявлялось при их использовании для разработки гипотез происхождения дна морей и океанов.

Положение существенно изменилось с появлением многолучевых эхолотов. Они позволяют принимать отраженные дном звуковые сигналы, посланные эхолотом, в виде веера лучей; охватывающих полосу поверхности дна шириной, равной двум глубинам океана в точке измерения (до нескольких километров). Это не только намного повышает производительность исследований, но, что особенно важно для морской геологии, можно с помощью электронно-вычислительной техники тут же представлять трехмерное изображение рельефа на дисплее, а также графически. Таким образом, многолучевые эхолоты позволяют получать детальные батиметрические карты при сплошном площадном покрытии дна приборной съемкой, сводя долю субъективных представлений до минимума.

Первые же рейсы советских НИС, оснащенных многолучевыми эхолотами, сразу же показали преимущества новых приборов. Стало ясно их значение не только для выполнения фундаментальных работ по картографированию дна океанов, но и как средства активного управления исследовательскими работами в качестве приборов своего рода акустической навигации. Это дало возможность активно и с минимальными затратами времени выбирать места для геологических и геофизических станций, контролировать движение буксируемых над дном или по дну приборов, производить поиск морфологических объектов дна, например минимальных глубин над вершинами подводных гор, и т. п.

Особенно эффективным по реализации возможностей многолучевого эхолота был рейс НИС «Академик Николай Страхов», проведенный в период с 1 апреля по 5 августа 1988 г. в экваториальной Атлантике.

Исследования велись по полному комплексу геолого-геофизических работ, но главным было многолучевое эхолотирование. Для исследований был выбран экваториальный участок Срединно-Атлантического хребта в районе о. Сан-Паулу. Этот малоизученный район выделялся своей необычностью по сравнению с другими участками хребта: обнаруженные здесь магматические и осадочные породы неожиданно оказались необычайно древними. Предстояло выяснить, отличается ли этот участок хребта от других и по остальным своим характеристикам, а прежде всего – по рельефу. Но для решения этого вопроса необходимо было иметь чрезвычайно детальную картину подводного рельефа.

Такая задача и была поставлена перед экспедицией. В течение четырех месяцев велись исследования с интервалами между галсами не более 5 миль. Они охватили обширную область океана шириной с востока на запад до 700 миль и с севера на юг до 200 миль. В результате выполненных исследований стало очевидным, что экваториальный сегмент Срединно-Атлантического хребта, заключенный между разломами 4° на севере и о. Сан-Паулу на юге, действительно имеет аномальное строение. Обычные для остальных частей хребта (к северу и к югу от изучавшейся области) структура рельефа, отсутствие мощного осадочного покрова и характеристики магнитного поля пород оказались здесь характерными только для узкой осевой части сегмента шириной не более 60–80 миль, получившей название Петропавловского хребта.

А то, что считалось ранее склонами хребта, оказалось обширными плато с совершенно иным характером рельефа и магнитного поля, с мощным осадочным покровом. Так что, видимо, происхождение рельефа и геологическое строение плато являются совершенно иным, чем у Петропавловского хребта.

Значение полученных результатов может оказаться очень важным для разработки общих представлений о геологии дна Атлантического океана. Однако предстоит многое осмыслить и проверить. А для этого необходимы новые экспедиции, новые исследования.

Следует особо отметить оборудование для исследования водных масс, установленное на НИС «Арнольд Веймер» водоизмещением 2140 т. Это специализированное НИС построено финскими корабелами для АН ЭССР в 1984 г. и названо в честь видного государственного деятеля и ученого ЭССР президента АН ЭССР в 1959–1973 гг. Арнольда Веймера.

В числе судовых лабораторий – три физики моря (гидрохимическая, гидробиологическая, морской оптики), вычислительный центр и ряд других. Для проведения гидрофизических исследований на судне имеется комплект регистрирующих измерителей течения. Сигналы от них принимаются установленным на судне гидрофонным приемником и передаются в систему регистрации и обработки данных, а также записываются на магнитную ленту.

Для этой же цели служат свободно плавающие извещатели течения фирмы «Бентос» для регистрации значений параметров течения, сигналы от которых также принимаются судовым приемным устройством.

На судне установлена автоматизированная система отбора проб с различных горизонтов и замера гидрофизических и гидрохимических параметров с помощью исследовательских зондов с акустическими измерителями течения, датчиками содержания растворенного кислорода, концентрации водородных ионов (pH) и электропроводности.

Гидрохимическая лаборатория оснащена высокоточной аппаратурой, позволяющей проводить анализы проб морской воды и донных отложений на содержание микроэлементов. Для этой цели предназначены сложные и точные приборы: спектрофотометры различных систем (в том числе атомно-абсорбционный), флуоресцентный жидкостный хроматограф, полярографический анализатор, два автоматических химических анализатора и др.

У гидрохимической лаборатории расположена сквозная шахта в корпусе размером 600X600 мм. Из нее можно забирать морскую воду из-под судна и производить спуск приборов в воду при неблагоприятных метеоусловиях, не позволяющих использовать в этих Целях палубные устройства.

В оптической лаборатории имеются два флуорометра, двухлучевой спектрофотометр, оптический многоканальный анализатор и программируемый многоканальный анализатор. Такое оборудование позволяет ученым проводить широкий спектр исследований, связанных с изучением оптических свойств морской воды.

В гидробиологической лаборатории, помимо стандартных микроскопов, есть планктонный микроскоп «Олимпус», специальное оборудование для проведения исследований с помощью радиоактивных изотопов: сцинтиляционный счетчик и анализатор частиц.

Особый интерес представляет судовая автоматизированная система регистрации и обработки собранных научных данных. В ВЦ размещена мини-ЭВМ венгерского производства. Эта ЭВМ двухпроцессорной системы, то есть решение задач и обработка экспериментальных данных производится в ЭВМ параллельно по двум программам.

Для автоматизированной регистрации собранных экспериментальных данных, поступающих от многочисленных приборов и устройств, на судне смонтированы две кабельные системы. Первая – радиальная кабельная сеть для передачи данных из лабораторий и мест проведения измерений на главный коммутационный пульт.

На пульте можно подсоединить линии измерения к любому контакту и вывести поступающие сигналы на любую судовую ЭВМ. Распределительные коробки этой линии установлены во всех лабораториях и на рабочих площадках у лебедок. Вторая кабельная сеть – резервная для подключения новых приборов и устройств, которые будут установлены на судне в будущем.

Прекрасная система, а ведь эта сравнительно мощная и разветвленная система сбора и обработки данных с помощью ЭВМ так удачно размещена на небольшом среднетоннажном НИС.

НИС «Арнольд Веймер» по составу научного оборудования и возможностям проведения многоплановых исследований является образцовым для среднетоннажного НИС. При его постройке и оснащении состав научного оборудования был тщательно продуман учеными АН ЭССР, что значительно повысило эффективность проведения исследовательских работ после ввода судна в эксплуатацию.