Основную массу водной оболочки Земли образуют соленые воды Мирового океана, покрывающие 2/з поверхности Земли. Их объем Равен примерно 1379106 км3, в то время как объем всех вод суши (включая ледники и подземные воды до глубины 5 км) - менее 90106 км3. Так как океанические воды составляют около 93 % всех вод биосферы, можно считать, что их химический состав определяет основные черты состава гидросферы в целом.
Современный химический состав океана представляет собой итог его длительного изменения под влиянием деятельности живых организмов. Образование первичного океана было обусловлено теми же процессами дегазации твердого вещества планеты, которые привели к формированию газовой оболочки Земли. По этой причине состав атмосферы и гидросферы тесно связан, их эволюция происходила также взаимосвязанно.
Как отмечено ранее, среди продуктов дегазации преобладали пары воды и углекислый газ. С того момента, как температура поверхности планеты опустилась ниже 100 °С, пары воды стали конденсироваться и образовывать первичные водоемы. На поверхности Земли возник процесс круговорота воды, который положил начало циклической миграции химических элементов в системе суша-океан-суша.
В соответствии с составом выделявшихся газов первые скопления воды на поверхности планеты были кислыми, обогащенными главным образом НС1, а также HF, H3BO3, H2S. Вода океана прошла множество круговоротов. Кислые дожди энергично разрушали алюмосиликаты, извлекая из них легкорастворимые катионы - натрий, калий, кальций, магний, которые накапливались в океане. Катионы постепенно нейтрализовывали сильные кислоты, и воды древней гидросферы приобрели хлор-кальциевый состав.
Среди разнообразных процессов трансформации дегазируемых соединений, очевидно, протекала деятельность сгущений термо-литотрофных бактерий. Появление цианобактерий, обитавших в воде, предохранявшей их от губительной ультрафиолетовой радиации, ознаменовало начало фотосинтеза и биогеохимического продуцирования кислорода. Уменьшение вследствие фотосинтеза парциального давления СО2 способствовало осаждению крупных масс карбонатов Fe2+, затем Mg2+ и Са3+.
Свободный кислород стал поступать в воды древнего океана. На протяжении длительного отрезка времени восстановленные и недоокиеденные соединения серы, двухвалентного железа и марганца были окислены. Состав океанической воды приобрел хлоридно-сульфатный состав, близкий к современному.
Химические элементы в гидросфере находятся в разнообразных формах. Среди них наиболее характерны простые и сложные ионы, а также молекулы, находящиеся в состоянии сильно разбавленных растворов. Распространены ионы, сорбционно связанные с частицами коллоидных и субколлоидных размеров, присутствующими в морской воде в виде тонкой взвеси. Особую группу составляют элементы органических соединений.
Общее количество растворенных соединений в морской воде (соленость) в поверхностных слоях океанов и окраинных морей колеблется от 3,2 до 4 %. Во внутриконтинентальных морях соленость меняется в более широких пределах. Средняя соленость Мирового океана принята равной 35%.
Еще в середине XIX в. ученые обнаружили замечательную геохимическую особенность океанической воды: несмотря на колебания солености, соотношение главных ионов остается постоянным. Солевой состав океана является своего рода геохимической константой.
В результате настойчивой работы ученых многих стран был накоплен обширный аналитический материал, характеризующий содержание в воде морей и океанов не только главных, но и рассеянных химических элементов. Наиболее обоснованные данные о средних значениях (кларках) химических элементов в воде Мирового океана приведены в сводках Э.Д. Голдберга (1963), А.П. Виноградова (1967), Б. Мейсона (1971), Г. Хорна (1972), А.П. Лисицина (1983), К.Н. Турекиана (1969). В табл. 4.1 использованы результаты преимущественно двух последних авторов.
Как видно из приведенных данных, основную массу растворенных соединений составляют хлориды распространенных щелочных и щелочно-земельных элементов, меньше содержится сульфатов, еще меньше гидрокарбонатов. Концентрация рассеянных элементов, единицей измерения которых служит мкг/л, на три математических порядка ниже, чем в горных породах. Диапазон значений кларков рассеянных элементов достигает 10 математических порядков, т.е. примерно такой же, как в земной коре, но соотношения элементов совершенно иные. Отчетливо доминируют бром, стронций, бор и фтор, концентрация которых выше 1000 мкг/л. В значительном количестве присутствуют иод, барий, их концентрация превышает 10 мкг/л.
Таблица 4.1
Содержание растворимых форм химических элементов в Мировом океане.| Химический элемент или ион | Средняя концентрация | Отношение концентрации в сумме солей к кларку гранитного слоя | Общая масса, млн т | |
| в воде, мкг/л | в сумме солей, 10 -4 % | |||
| С1 | 19 353 000,0 | 5529,0 | 3252,0 | 26513610000 |
| SО 4 2 — | 2 701 000,0 | 771,0 | - | 3700370000 |
| S | 890000,0 | 254,0 | 63,0 | 1216300000 |
| НСО 3 — | 143000,0 | 41,0 | - | 195910000 |
| Na | 10764000,0 | 3075,0 | 14,0 | 14746680000 |
| Mg | 1297000,0 | 371,0 | 3,1 | 1776890000 |
| Са | 408000,0 | 116,0 | 0,5 | 558960000 |
| К | 387000,0 | 111,0 | 0,4 | 530190000 |
| Вг | 67 300,0 | 1922,9 | 874,0 | 92 201 000 |
| Sr | 8100,0 | 231,4 | 1,0 | 1 1 097 000 |
| В | 4450,0 | 127,1 | 13,0 | 6 096 500 |
| SiO 2 | 6200,0 | 176,0 | - | 8494000 |
| Si | 3000,0 | 85,0 | 0,00028 | 4 1 10 000 |
| F | 1300,0 | 37,1 | 0,05 | 1 781 000 |
| N | 500,0 | 14,0 | 0,54 | 685 000 |
| Р | 88,0 | 2,5 | 0,0031 | 120 560 |
| I | 64,0 | 1,8 | 3,6 | 87690 |
| Ва | 21,0 | 0,57 | 0,00084 | 28770 |
| Мо | 10,0 | 0,29 | 0,22 | 13700 |
| Zn | 5,0 | 0,14 | 0,0027 | 6850 |
| Fe | 3,4 | 0,097 | 0,0000027 | 4658 |
| U | 3,3 | 0,094 | 0,036 | 4521 |
| As | 2,6 | 0,074 | 0,039 | 3562 |
| Al | 1,0 | 0,029 | 0,00000036 | 1370 |
| Ti | 1,0 | 0,029 | 0,0000088 | 1370 |
| Сu | 0,90 | 0,025 | 0,001 1 | 1233 |
| Ni | 0,50 | 0,014 | 0,00054 | 685 |
| Mn | 0,40 | 0,011 | 0,000016 | 548 |
| Cr | 0,20 | 0,0057 | 0,00017 | 274 |
| Hg | 0,15 | 0,0043 | 0,130 | 206 |
| Cd | 0,11 | 0,0031 | 0,019 | 151 |
| Ag | 0,10 | 0,0029 | 0,065 | 137 |
| Se | 0,09 | 0,0026 | 0,019 | 123 |
| Co | 0,03 | 0,00086 | 0,0012 | 41,1 |
| Ga | 0,03 | 0,00086 | 0,0012 | 41,1 |
| Pb | 0,03 | 0,00086 | 0,0012 | 41,1 |
| Zr | 0,026 | 0,00070 | 0,0000041 | 34,0 |
| Sn | 0,020 | 0,00057 | 0,00021 | 27,4 |
| Аu | 0,011 | 0,00031 | 0,26 | 15,1 |
Часть находящихся в воде металлов - молибден, цинк, уран, титан, медь - имеет концентрацию от 1 до 10 мкг/л. Концентрация никеля, марганца, кобальта, хрома, ртути, кадмия значительно ниже - сотые и десятые доли мкг/л. В то же время железо и алюминий, играющие роль главных элементов в земной коре, в океане имеют концентрацию более низкую, чем молибден и цинк. В наименьшем количестве в океане растворены такие элементы, как ниобий, скандий, бериллий и торий.
Для определения некоторых геохимических и биогеохимических показателей необходимо знать концентрацию элементов не только в морской воде, но и в твердой фазе растворимых веществ, т.е. в сумме солей морской воды. В таблице приведены данные, для расчета которых величина средней солености принята равной 35 г/л.
Как было показано выше, ведущим фактором эволюции химического состава океана на протяжении геологической истории была суммарная биогеохимическая деятельность живых организмов. Не менее важную роль организмы играют в современных процессах дифференциации химических элементов в океане и выведения их масс в осадок. Согласно биофильтрационной гипотезе, разработанной А. П. Лисициным, планктонные (преимущественно зоопланктонные) организмы ежедневно профильтровывают через свои тела около 1,2107 км3 воды, или около 1 % объема Мирового океана. При этом тонкие минеральные взвеси (частицы размером 1 мкм и менее) связываются в комочки (пеллеты). Размеры пеллетов от десятков микрометров до 1 - 4 мм. Связывание тонких взвесей в комочки обеспечивает более быстрое оседание на Дно взвешенного материала. Одновременно часть растворенных в воде химических элементов в телах организмов переходит в нерастворимые соединения. Наиболее распространенными примерами биогеохимического связывания растворенных элементов в нерастворимые соединения могут служить образования известкоых (кальцитовых) и кремниевых (опаловых) скелетов планктонныx организмов, а также извлечение карбоната кальция известковыми водорослями и кораллами.
Среди пелагических илов (глубоководных отложений океана) можно выделить две группы. Первые состоят преимущественно из биогенных образований планктона, вторые образованы в основном частицами не биогенного происхождения. В первой группе наиболее распространены известковые (карбонатные) илы, во второй - глинистые илы. Карбонатные илы занимают около трети площади дна Мирового океана, глинистые - более четверти. В карбонатных осадках возрастает концентрация не только кальция и магния, но также стронция и йода. В илах, где преобладают глинистые компоненты, значительно больше металлов. Некоторые элементы очень слабо выносятся из раствора в илы и постепенно накапливаются в морской воде. Их следует называть талас-софилъными. Рассчитав отношение между концентрациями в сумме растворимых солей морской воды и илах, мы получим величину коэффициента талассофилъности КТ, показывающего, во сколько раз данного элемента больше в солевой части океанической воды по сравнению с осадком. Талассофильные элементы, аккумулирующиеся в растворенной солевой части воды, имеют следующие коэффициенты КТ:
| Химический элемент | По отношению к глинистым илам. | По отношению к известковым илам |
| Иод | 180 0 | 36,0 |
| Бром | 27 5 | 27 5 |
| Хром | 27 0 | 27 0 |
| Сера | 19 5 | 19 5 |
| Натрий | . 7 7 | 15 4 |
| Магний | 1 8 | 0 9 |
| Стронций | 1 3 | 0 1 |
| Бор. | 06 | 2 3 |
| Калий | 04 | 3 8 |
| Молибден | 0 01 | 10 0 |
| Литий | 0.09 | 1.0 |
Зная массу элемента в Мировом океане и величину его годового поступления, можно определить скорость его удаления из океанического раствора. Например, количество мышьяка в океане составляет примерно 3,6109 т, с речным стоком приносится 74103 т/год. Следовательно, за период, равный 49 тыс. лет, происходит полное удаление всей массы мышьяка из Мирового океана.
Оценку времени нахождения элементов в растворенном состоянии в океане предпринимали многие авторы: Т.Ф. Барт (1961), Э.Д. Гольдберг (1965), Х.Дж. Боуэн (1966), А.П.Виноградов (1967) и др. Данные разных авторов имеют большие или меньшие расхождения. Согласно нашим расчетам, периоды полного удаления растворенных химических элементов из Мирового океана характеризуются следующими интервалами времени (в годах, в последовательности увеличения периода в каждом ряду):
- n*102: Th, Zr, Al, Y, Sc
- n*103: Pb, Sn, Mn, Fe, Co, Cu, Ni, Cr, Ti, Zn
- n*104: Ag, Cd, Si, Ba, As, Hg, N
- n*105: Mo, U, I
- n*106: Ca, F, Sr, В, К
- n*107: S, Na
- n*108: С1, Br
При всей ориентировочности таких расчетов порядки полученных величин позволяют выделить группы рассеянных элементов, различающиеся длительностью нахождения в океаническом растворе. Элементы, наиболее интенсивно концентрирующиеся в глубоководных илах, имеют наименьшую длительность нахождения в океане. Таковы торий, цирконий, иттрий, скандий, алюминий. К ним близки периоды нахождения в океаническом растворе свинца, марганца, железа, кобальта. Большая часть металлов полностью выводится из океана на протяжении нескольких тысяч или десятков тысяч лет. Талассофильные элементы находятся в растворенном состоянии сотни тысяч лет и более.
Значительные массы рассеянных элементов в океане связываются дисперсным органическим веществом. Его основным источником служат отмирающие планктонные организмы. Процесс разрушения их остатков наиболее активно происходит до глубины 500-1000 м. Поэтому в осадках шельфовых и неглубоких приконтинентальных морей скапливаются огромные массы дисперсного органического вещества морских организмов, к которым добавляются органические взвеси, вынесенные речным стоком с суши.
Основная часть органического вещества океана находится в растворенном состоянии и лишь 3 - 5 % в виде взвеси (Виноградов А. П., 1967). Концентрация этих взвесей в воде невелика, но их общая масса во всем объеме океана весьма значительна: 120 - 200 млрд т. Ежегодное накопление высокодисперсного органического детритуса в осадках Мирового океана, по данным В.А.Успенского, превышает 0,5109 т.
Дисперсное органическое вещество сорбирует и увлекает в осадки определенный комплекс рассеянных элементов. Об их содержании с известной условностью можно судить по микроэлементарному составу крупных скоплений органического вещества - залежей каменного угля и нефти. Концентрация элементов в этих объектах обычно приводится по отношению к золе; не менее важны Данные по отношению к исходному, неозоленному материалу.
Как видно из табл. 4.2, микроэлементный состав каменных углей и нефти принципиально различается.
Таблица 4.2
Средние концентрации рассеянных металлов в каменном угле и нефти, 10-4 %
| Химический элемент | В сухом веществе каменных углей (В. Р. Клер, 1979) | В золе каменных углей (Ф.Я.Сапрыкин, 1975) | В золе нефтей (К. Краускопф, 1958) |
| Ti | 1600 | 9200 | - |
| Мn | 155 | - | - |
| Zr | 70 | 480 | 50-500 |
| Zn | 50 | 319 | 100-2500 |
| Cr | 18 | - | 200-3000 |
| V | 17 (10-200) | - | 500-25000 |
| Сu | 11 | - | 200-8000 |
| Pb | 10 | 93 | 50-2000 |
| Ni | 5 | 214 | 1000-45000 |
| Ga | 4,5(0,6-18) | 64 | 3-30 |
| Co | 2 | 63 | 100-500 |
| Mo | 2 | 21 | 50-1500 |
| Ag | 1,5 | - | 5 |
| Sn | 1,2 | 15 | 20-500 |
| Hg | 0,2 | - | - |
| As | - | - | 1500 |
| Ba | - | - | 500-1000 |
| Sr | - | - | 500-1000 |
В нефти иное соотношение значительно более высокая концентрация многих рассеянных элементов. Высокое содержание титана, марганца и циркония в каменных углях обусловлено минеральными примесями. Среди рассеянных металлов наибольшая концентрация характерна для цинка, хрома, ванадия, меди и свинца.
В органическом веществе активно накапливаются многие токсичные элементы (мышьяк, ртуть, свинец и др.), которые беспрестанно удаляются из океанической воды. Следовательно, дисперсное органическое вещество, как и минеральные взвеси, выполняет роль глобального сорбента, регулирующего содержание рассеянных элементов и предохраняющего среду Мирового океана от опасных уровней их концентрации. Количество рассеянных элементов, связанное в дисперсном органическом веществе, весьма значительно, учитывая, что масса вещества в осадочных породах в сотни раз превышает суммарное количество всех залежей каменных углей, углистых сланцев и нефти. В соответствии с данными Дж. Ханта (1972), Н.Б. Вассоевича (1973), А.Б. Ронова (1976) общее количество органического вещества в осадочных породах составляет (1520)1015 т.
Массы рассеянных элементов, аккумулированные в органическом веществе осадочной толщи Земли, измеряются многими миллиардами тонн.
(Visited 91 times, 1 visits today)
Общие сведения. Площадь Мирового океана - 361 млн км/кв. В северном полушарии Мировой океан занимает 61%, а в южном - 81% площади полушарий. Для удобства земной шар изображают в виде так называемых карт полушарий. Выделяют карты Северного, Южного, Западного и Восточного полушарий, а также карты полушарий океанов и материков (рис. 7). В океанических полушариях 95,5% площади занимает вода.
Мировой океан: строение и история исследования. Мировой океан един, он нигде не прерывается. Из любой его точки можно попасть в любую другую, не пересекая сушу. По мнению ученых, термин океан заимствован у финикиян и в переводе с древнегреческого языка означает «великая река, опоясывающая Землю».
Термин «Мировой океан» ввел в обиход русский ученый Ю.М. Шокальский в 1917 году. В редких случаях вместо термина «Мировой океан» используют термин «океаносфера».
Карта полушарий графических открытий, которой охватывают океанов период со второй половины XV века до первой половины XVII века. Великие географические открытия связаны с именами X. Колумба, Дж. Кабота, Васко да Гамы, Ф. Магеллана, Дж. Дрейка, А. Тасмана, А. Веспуччи и др. Благодаря выдающимся мореплавателям и путешественникам человечество узнало немало интересного о Мировом океане, о его очертаниях, глубине, солености, температурном режиме и т. д.
Целенаправленные научные исследования Мирового океана были начаты в XVII веке и связаны с именами Дж. Кука, И. Крузенштерна, Ю. Лисянского, Ф. Беллинсгаузена, Н. Лазарева, С. Макарова и др. Весомый вклад в изучение Мирового океана внесла океанографическая экспедиция на корабле «Челленджер». Результаты, полученные экспедицией «Челленджера», заложили основу новой науки - океанографии.
В XX веке исследование Мирового океана осуществляется на основе международного сотрудничества. Начиная с 1920 года ведутся работы по измерению глубин Мирового океана. Выдающийся французский исследователь Жан Пикар в 1960 году первым опустился на дно Марианской впадины. Немало интересных сведений о Мировом океане собрала команда знаменитого французского исследователя Жака Ива Кусто. Ценную информацию о Мировом океане дают космические наблюдения.
Строение Мирового океана. Мировой океан, как известно, условно разделен на отдельные океаны, моря, заливы и проливы. Каждый океан представляет собой обособленный природный комплекс, обусловленный географическим положением, своеобразием геологического строения и населяющими его биоорганизмами.
Мировой океан в 1650 году был впервые разделен голландским ученым Б. Варениусом на 5 частей, которые в настоящее время утвердил Международный океанографический комитет. В составе Мирового океана выделяют 69 морей, в том числе 2 на суше (Каспийское и Аральское).
Геологическое строение. Мировой океан состоит из крупных литосферных плит, которые, за исключением Тихоокеанской, названы по имени материков.
На дне Мирового океана встречаются речные, ледниковые и биогенные отложения. Отложения действующих вулканов, как правило, приурочены к Срединно-океаническим хребтам.
Рельеф дна Мирового океана. Рельеф дна Мирового океана, как и рельеф суши, имеет сложное строение. Дно Мирового океана обычно отделено от суши материковой отмелью, или шельфом. На дне Мирового океана, как и на суше, встречаются равнины, горные цепи, платообразные возвышения, каньоны и впадины. Глубоководные впадины - примечательность Мирового океана, которую нельзя встретить на суше.
Срединно-океанические хребты представляют собой вместе с отрогами непрерывную единую цепь гор протяженностью 60 000 км. Воды суши разделены между пятью бассейнами: Тихоокеанским, Атлантическим, Индийским, Северным Ледовитым и Внутренним замкнутым. Например, реки, впадающие в Тихий океан или в составляющие его моря, называются реками Тихоокеанского бассейна и т.д.
Внимание! Если Вы нашли ошибку в тексте, выделите её и нажмите Ctrl+Enter для уведомления администрации.
Водное пространство вне суши называется Мировым океаном . Воды Мирового океана занимают около 70,8 % площади поверхности нашей планеты (361 млн. км 2) и играют исключительно важную роль в развитии географической оболочки.
Мировой океан содержит 96,5 % вод гидросферы. Объем его вод равен 1 336 млн. км 3 . Средняя глубина равна 3711 м, максимальная – 11022 м. Преобладающие глубины от 3000 до 6000 м. На них приходится 78,9 % площади.
Температура поверхности воды от 0°С и ниже в полярных широтах до +32 °С в тропиках (Красное море). К придонным слоям она снижается до +1°С и ниже. Средняя соленость – около 35 ‰, максимальная – 42 ‰ (Красное море).
Мировой океан разделяется на океаны, моря, заливы, проливы.
Границы океанов не всегда и не везде проходят по берегам материков, нередко они проводятся весьма условно. Каждый океан обладает комплексом только ему присущих качеств. Для каждого из них характерна своя система течений, система приливов и отливов, специфическое распределение солености, свой температурный и ледовый режим, своя циркуляция с воздушными течениями, свои характер глубин и господствующие донные отложения. Выделяют Тихий (Великий), Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый океаны. Иногда выделяют и Южный океан.
Море – значительная акватория океана, более или менее обособленная от него сушей или подводными поднятиями и отличающаяся своими природными условиями (глубина, рельеф дна, температура, соленость, волнение, течения, приливы, органическая жизнь).
В зависимости от характера контакта материков и океанов моря делятся на следующие три типа:
1.Средиземные моря: располагаются между двумя материками или находятся в поясах разлома земной коры; они характеризуются сильной изрезанностью береговой линии, резким перепадом глубин, сейсмичностью и вулканизмом (Саргассово море, Красное море, Средиземное море, Мраморное море и др.).
2. Внутренние моря : глубоко вдаются в сушу, располагаются внутри материков, между островами или материками или в пределах архипелага, значительно отделены от океана, характеризуются небольшими глубинами (Белое море, Балтийское море, Гудзоново море и др.).
3. Окраинные моря : располагаются по окраинам материков и больших островов, на материковых отмелях и склонах. Они широко открыты в сторону океана (Норвежское море, Карское море, Охотское море, Японское море, Желтое море и др.).
Географическое положение моря во многом определяет его гидрологический режим. Внутренние моря слабо связаны с океаном, поэтому соленость их воды, течения и приливы заметно отличаются от океанских. Режим окраинных морей в сущности океанический. Большая часть морей находится у северных материков, особенно у берегов Евразии.
Залив – часть океана или моря, вдающаяся в сушу, но имеющая свободный водообмен с остальной акваторией, слабо отличается от нее по природным особенностям и режиму. Не всегда уловима разница между морем и заливом. В принципе залив меньше моря; каждое море образует заливы, наоборот же не бывает. Исторически сложилось так, что в Старом свете и небольшие акватории, например Азовское и Мраморное, называются морями, а в Америке и Австралии, где названия давали европейские первооткрыватели, даже большие моря называются заливами – Гудзонов, Мексиканский. Иногда одинаковые акватории называются одна морем, другая – заливом (Аравийское море, Бенгальский залив).
В зависимости от происхождения, строения берега, формы и размеров заливы называются бухтами, фьордами, лиманами, лагунами:
Бухты (гавани) – заливы небольших размеров, защищенные от волнения и ветров выступающими в море мысами. Являются удобными для стоянки судов (Новороссийская, Севастопольская – Черное море, Золотой Рог – Японское море и др.).
Фьорды – узкие, глубокие, длинные заливы с выступающими, крутыми, скалистыми берегами и корытообразным профилем, часто от моря отделяются подводными порогами. Длина некоторых может доходить свыше 200 км, глубина – свыше 1000 м. Их происхождение связано с разломами и эрозионной деятельностью четвертичных ледников (побережье Норвегии, Гренландии, Чили).
Лиманы – мелководные, глубоко вдающиеся в сушу заливы с косами и пересыпями. Они образуются в расширенных устьях рек при опускании береговой суши (Днепровский, Днестровский лиманы в Черном море).
Лагуны – вытянутые вдоль берега мелководные заливы с соленой или солоноватой водой, отделенные от моря косами, либо соединенные с морем узким проливом (хорошо развиты на побережье Мексиканского залива).
Губы – мелкие заливы, в которые обычно впадают крупные реки. Здесь вода сильно опреснена, по цвету резко отличается от воды прилегающего участка моря и имеет желтоватые и коричневатые оттенки (Пенжинская губа).
Проливы – относительно узкие водные пространства, соединяющие отдельные части Мирового океана и разделяющие участки суши. По характеру водообмена делятся на: проточные – течения направлены по всему поперечному сечению в одну сторону; обменные – воды движутся в противоположных направлениях. В них водообмен может происходить по вертикали (Босфор) или горизонтали (Лаперуза, Девисов).
Структурой Мирового океана называется его строение – вертикальная стратификация вод, горизонтальная (географическая) поясность, характер водных масс и океанических фронтов.
В вертикальном разрезе толща воды распадается на большие слои, аналогичны слоям атмосферы. Выделяются следующие четыре сферы (слоя):
Верхняя сфера формируется непосредственным обменом энергией и веществом с тропосферой. Она охватывает слой в 200–300 м мощности. Эта верхняя сфера характеризуется интенсивным перемешиванием, проникновением света и значительными колебаниями температуры.
Промежуточная сфера простирается до глубин 1500–2000 м; ее воды образуются из поверхностных вод при их опускании. При этом они охлаждаются и уплотняются, а затем перемешиваются в горизонтальных направлениях, преимущественно с зональной составляющей. Они выделяются в полярных областях повышенной температурой, в умеренных широтах и тропических областях пониженной или повышенной соленостью. Преобладают горизонтальные переносы водных масс.
Глубинная сфера не доходит до дна примерно на 1000 м. Этой сфере свойственна определенная однородность. Ее мощность составляет около 2000 м и она концентрирует более 50% всей воды Мирового океана.
Придонная сфера занимает самый нижний слой толщи океана и простирается на расстояние примерно 1000 м от дна. Воды этой сферы образуются в холодных поясах, в Арктике и Антарктике и перемещаются на огромных пространствах по глубоким котловинам и желобам, отличаются наиболее низкими температурами и наибольшей плотностью. Они воспринимают тепло из недр Земли и взаимодействуют с дном океана. Поэтому при своем движении они значительно трансформируются.
Водной массой называется сравнительно большой объем воды, формирующийся в определенной акватории Мирового океана и обладающий в течение длительного времени почти постоянными физическими (температура, свет), химическими (газы) и биологическими (планктон) свойствами. Одна масса от другой отделяется океанским фронтом.
Выделяются следующие типы водных масс:
1.Экваториальные водные массы характеризуются самой высокой в открытом океане температурой, пониженной соленостью (до 34–32 ‰), минимальной плотностью, большим содержанием кислорода и фосфатов.
2.Тропические и субтропические водные массы создаются в областях тропических атмосферных антициклонов и характеризуются повышенной соленостью (до 37 ‰ и более) и большой прозрачностью, бедностью питательными солями и планктоном. В экологическом отношении они представляет собой океанские пустыни.
3.Умеренные водные массы располагаются в умеренных широтах и отличаются большой изменчивостью свойств как по географическим широтам, так и по сезонам года. Для умеренных водных масс характерен интенсивный обмен теплом и влагой с атмосферой.
4.Полярные водные массы Арктики и Антарктики характеризуются самой низкой температурой, наибольшей плотностью, повышенным содержанием кислорода. Воды Антарктики интенсивно погружаются в придонную сферу и снабжают ее кислородом.
Воды Мирового океана находятся в непрерывном движении и перемешивании. Волнения – колебательные движения воды, течения – поступательные. Главная причина волнений (волн) на поверхности – ветер при скорости более 1м/с. Волнение, вызванное ветром, с глубиной затухает. Глубже 200 м даже сильное волнение уже незаметно.При скорости ветра примерно 0,25 м/с образуется рябь. При усилении ветра вода испытывает не только трение, но и удары воздуха. Волны растут в высоту и длину, увеличивая период колебания и скорость. Рябь превращается в гравитационные волны. Величина волн зависит от скорости ветра и разгона. Максимальная высота в умеренных широтах (до 20 – 30 метров). Наименьшее волнение – в экваториальном поясе, повторяемость штилей 20 – 33 %.
Вследствие подводных землетрясений и извержений вулканов возникают сейсмические волны – цунами . Длина этих волн 200 – 300 метров, скорость – 700 – 800 км/час. Сейши (стоячие волны) возникают в результате резких изменений давления над водной поверхностью. Амплитуда 1 – 1,5 метра. Характерны для замкнутых морей и заливов.
Морские течения – это горизонтальные перемещения воды в виде широких потоков. Причиной поверхностных течений является ветер, глубинных – разная плотность воды. Теплые течения (Гольфстрим, Северо-Атлантическое) направляются из более низких широт в сторону более широких, холодные (Лабродорское, Перуанское) – наоборот. В тропических широтах у западных берегов материков пассаты сгоняют теплую воду и увлекают ее в западном направлении. На ее место поднимается из глубины холодная вода. Образуется 5 холодных течений: Канарское, Калифорнийское, Перуанское, Западно-Австралийское и Бенгельское. В южном полушарии в них вливаются холодные струи течения Западных Ветров. Теплые воды образуются движущимися параллельными пассатным течениям: Северное и Южное. В Индийском океане в северном полушарии – муссонное. У восточных берегов материков они разделяются на части, отклоняются к северу и югу и идут вдоль материков: на 40 – 50º с.ш. под влиянием западных ветров течения откланяются на восток и образуют теплые течения.
Приливно-отливные движения океанских вод возникают под воздействием сил притяжения Луны и Солнца. Самые высокие приливы наблюдаются в заливе Фанди (18 м). Различают приливы полусуточные, суточные и смешанные.
Также для динамики вод характерно вертикальное перемешивание: в зонах конвергенции – погружение вод, в зонах дивергенции – аппвелинг.
Дно океанов и морей покрыто осадочными отложениями, которые называются морскими осадками , грунтами и илами . По механическому составудонные отложения классифицируют на: грубообломочные осадочные породы или псефиты (глыбы, валуны, галечники, гравий), песчаные породы или псаммиты (пески крупные, средние, мелкие), алевритовые породы или алевриты (0,1 – 0,01 мм) и глинистые горные породы или пеллиты .
По вещественному составу среди донных отложений различают слабоизвестковистые (содержание извести 10–30 %), известковистые (30–50 %), сильноизвестковистые (более 50 %), слабокремнистые (содержание кремния 10–30 %), кремнистые (30–50 %) и сильнокремнистые (более 50 %) отложения. По генезису выделяют терригенные, биогенные, вулканогенные, полигенные и аутигенные отложения.
Терригенные осадки приносятся с суши реками, ветром, ледниками, прибоем, приливами и отливами в виде продуктов разрушения горных пород. Близ берега они представлены валунами, дальше галькой, песками, наконец, алевритами и глинами. Они покрывают примерно 25 % дна Мирового океана, залегают преимущественно на шельфе и материковом склоне. Особую разновидность терригенных отложений составляют айсберговые отложения, которые отличаются низким содержанием извести, органического углерода, плохой сортировкой и разнообразным гранулометрическим составом. Они образуются из осадочного материала, выпадающего на океаническое дно при таянии айсбергов. Они наиболее характерны для антарктических вод Мирового океана. Выделяются также терригенные отложения Северного Ледовитого океана, образующиеся из осадочного материала, приносимого реками, айсбергами, речными льдами. Большей частью терригенный состав имеют и турбидиты – осадки мутьевых потоков. Они типичны для материкового склона и материкового подножия.
Биогенные осадки образуются непосредственно в океанах и морях в результате отмирания различных морских организмов, главным образом планктонных, и выпадения в осадок их нерастворимых остатков. Биогенные отложения по вещественному составу делятся на кремнистые и известковые.
Кремнистые осадки состоят из остатков диатомовых водорослей, радиолярий и кремневых губок. Диатомовые осадки широко распространены в южных частях Тихого, Индийского и Атлантического океанов в виде сплошного пояса вокруг Антарктиды; в северной части Тихого океана, в Беринговом и Охотском морях, но здесь в них высока примесь терригенного материала. Отдельные пятна диатомовых илов обнаружены на больших глубинах (более 5000 м) в тропических поясах Тихого океана. Диатомово-радиоляриевые отложения наиболее распространены в тропических широтах Тихого и Индийского океанов, кремнево-губковые встречаются на шельфе Антарктиды, Охотском море.
Известковые отложения , как и кремнистые, делятся на ряд видов. Наиболее широко развиты фораминиферово-кокколитовые и фораминиферовые илы, распространенные главным образом в тропических и субтропических частях океанов, особенно в Атлантике. Типичный фораминиферовый ил содержит до 99% извести. Значительную часть таких илов составляют раковины планктонных фораминифер, а также кокколитофорид – раковины планктонных известковых водорослей. При существенной примеси в донных осадках раковин планктонных моллюсков птеропод образуются птероподово-фораминиферовые отложения. Большие их участки встречаются в экваториальной Атлантике, а также в Средиземном, Карибском морях, в районе Багамских островов, в западной части Тихого океана и других районах Мирового океана.
Кораллово-водорослевые отложения занимают экваториальные и тропические мелководья западной части Тихого океана, покрывают дно на севере Индийского океана, в Красном и Карибском морях, ракушечные карбонатные отложения – прибрежные зоны морей умеренных и субтропических поясов.
Пирокластические, или вулканогенные, осадки образуются в результате поступления в Мировой океан продуктов вулканических извержений. Обычно это туфы или туфобрекчии, реже – неконсолидированные пески, алевриты, реже осадки глубинных, сильносоленых и высокотемпературных подводных источников. Так, у их выходов в Красном море формируются сильножелезистые осадки с высоким содержанием свинца и других цветных металлов.
К полигенным осадкам относится один тип донных отложений – глубоководная красная глина – осадок пелитового состава коричневого или коричнево-красного цвета. Такая окраска обусловлена высоким содержанием оксидов железа и марганца. Глубоководные красные глины распространены в абиссальных котловинах океанов на глубинах более 4500 м. Наиболее значительные площади они занимают в Тихом океане.
Аутигенные, или хемогенные, осадки образуются в результате химического либо биохимического выпадения тех или иных солей из морской воды. К ним относится оолитовые отложения, глауконитовые пески и илы и железомарганцевые конкреции.
Оолиты – мельчайшие шарики извести, встречаются в теплых водах Каспийского и Аральского морей, Персидского залива, в районе Багамских островов.
Глауконитовые пески и илы – осадки различного состава с заметной примесью глауконита. Наибольшее распространение имеют на шельфе и материковом склоне у атлантического побережья США, Португалии, Аргентины, на подводной окраине Африки, у южного берега Австралии и в некоторых других районах.
Железомарганцевые конкреции – стяжения гидроксидов железа и марганца с примесью других соединений, в первую очередь кобальта, меди, никеля. Встречаются как включения в глубоководных красных глинах и местами, особенно в Тихом океане, образуют большие скопления.
Более трети всей площади дна Мирового океана занято глубоководной красной глиной и примерно такую же площадь распространения имеют фораминиферовые осадки. Скорость накопления осадков определяется толщиной слоя осадков, отложившихся на дне за 1000 лет (в некоторых районах 0,1–0,3 мм за тысячу лет, в устьях рек, переходных зонах и желобах – сотни миллиметров за тысячу лет).
В распределении в Мировом океане донных отложений ярко проявляется закон широтной географической зональности. Так, в тропических и умеренных поясах дно океана до глубины 4500–5000 м покрыто биогенными известковыми отложениями, глубже – красными глинами. Субполярные пояса занимает кремнистый биогенный материал, а полярные – айсберговые отложения. Вертикальная зональность находит выражение в смене карбонатных осадков на больших глубинах красными глинами.
Давно известно, что океанические воды покрывают большую часть поверхности нашей планеты. Они составляют непрерывную водную оболочку, на долю которой приходится более 70% всей географической плоскости. Но мало кто задумывался о том, что свойства океанических вод уникальны. Они оказывают огромное влияние на климатические условия и хозяйственную деятельность людей.
Свойство 1. Температура
Океанские воды способны накапливать тепло. (около 10 см в глубину) удерживают огромное количество тепла. Охлаждаясь, океан обогревает нижние слои атмосферы, благодаря чему средняя температура земного воздуха составляет +15 °С. Если бы на нашей планете не было океанов, то средняя температура с трудом дотягивала бы до -21 °С. Получается, что благодаря способности Мирового океана накапливать тепло нам досталась комфортная и уютная планета.
Температурные свойства океанических вод изменяются скачкообразно. Прогретый поверхностный слой постепенно перемешивается с более глубокими водами, в результате чего на глубине нескольких метров происходит резкий температурный перепад, а затем плавное понижение до самого дна. Глубинные воды Мирового океана имеют примерно одинаковую температуру, измерения ниже трех тысяч метров обычно показывают от +2 до 0 °С.
Что же касается поверхностных вод, то их температура зависит от географической широты. Шарообразная форма планеты определяет угол падения солнечных лучей на поверхность. Ближе к экватору солнце отдает больше тепла, чем у полюсов. Так, например, свойства океанических вод Тихого океана напрямую зависят от средних температурных показателей. Поверхностный слой имеет самую высокую среднюю температуру, которая составляет более +19 °С. Это не может не влиять и на окружающий климат, и на подводную флору и фауну. Далее следует поверхностные воды которого в среднем прогреты до 17,3 °С. Затем Атлантика, где этот показатель равен 16,6 °С. И самые низкие средние температуры - в Северном Ледовитом океане - примерно +1 °С.
Свойство 2. Соленость
Какие еще свойства океанических вод изучают современные ученые? их интересует состав морской воды. Вода в океане - коктейль из десятков химических элементов, и важная роль в нем отведена солям. Соленость океанических вод измеряется в промилле. Обозначают ее значком «‰». Промилле означает тысячную долю числа. Подсчитано, что литр океанической воды имеет среднюю соленость 35‰.
При исследовании Мирового океана ученые не раз задавались вопросом о том, каковы свойства океанических вод. Везде ли в океане они одинаковы? Оказывается, соленость, как и средняя температура, неоднородна. На показатель влияет целый ряд факторов:
- количество атмосферных осадков - дождь и снег значительно понижают общую соленость океана;
- сток крупных и мелких рек - соленость океанов, омывающих материки с большим количеством полноводных рек, ниже;
- льдообразование - этот процесс повышает соленость;
- таяние льдов - этот процесс понижает соленость воды;
- испарение воды с поверхности океана - соли не испаряются вместе с водами, и соленость повышается.
Получается, что различная соленость океанов объясняется температурой поверхностных вод и климатическими условиями. Самая высокая средняя соленость у воды Атлантического океана. Однако самая соленая точка - Красное море, принадлежит Индийскому. Наименьшим показателем характеризуется Северный Ледовитый океан. Эти свойства океанических вод Северного Ледовитого океана наиболее сильно ощущаются вблизи впадения полноводных рек Сибири. Здесь соленость не превышает 10‰.
Интересный факт. Общее количество соли в Мировом океане
Ученые не сошлись во мнениях, какое количество химических элементов растворено в водах океанов. Предположительно от 44 до 75 элементов. Но они подсчитали, что всего в Мировом океане растворено просто астрономическое количество солей, примерно 49 квадриллионов тонн. Если выпарить и высушить всю эту соль, то она покроет поверхность суши слоем более чем в 150 м.
Свойство 3. Плотность
Понятие «плотность» изучается уже давно. Это отношение массы вещества, в нашем случае Мирового океана, к занимаемому объему. Знание о величине плотности необходимо, например, для поддержания плавучести судов.
И температура, и плотность - неоднородные свойства океанских вод. Среднее значение последней - 1,024 г/см³. Этот показатель измерялся при средних значениях температуры и содержания солей. Однако на разных участках Мирового океана плотность изменяется в зависимости от глубины измерения, температуры участка и его солености.
Рассмотрим для примера свойства океанических вод Индийского океана, а конкретно изменение их плотности. Наибольшим этот показатель будет в Суэцком и Персидском заливе. Здесь он доходит до 1,03 г/см³. В теплых и соленых водах северо-западной части Индийского океана показатель падает до 1,024 г/см³. А в распресненных северо-восточной части океана и в Бенгальском заливе, где выпадает много осадков, показатель наименьший - примерно 1,018 г/см³.
Плотность пресной воды ниже, именно поэтому держаться на воде в реках и других пресных водоемах несколько сложнее.
Свойства 4 и 5. Прозрачность и цвет
Если набрать в банку морскую воду, то она покажется прозрачной. Однако при увеличении толщины водного слоя она приобретает голубоватый или зеленоватый оттенок. Изменение цвета связано с поглощением и рассеиванием света. Кроме того, на окрас океанских вод влияют взвеси различного состава.
Голубоватый цвет чистой воды - результат слабого поглощения красной части видимого спектра. При высокой концентрации в океанической воде фитопланктона, она приобретает сине-зеленый или зеленый цвет. Это происходит из-за того, что фитопланктон поглощает красную часть спектра и отражает зеленую.
Прозрачность океанической воды косвенно зависит от количества взвешенных частиц в ней. В полевых условиях прозрачность определяют диском Секки. Плоский диск, диаметр которого не превышает 40 см, опускают в воду. Глубина, на которой он становится не виден, принимается за показатель прозрачности в этом районе.
Свойства 6 и 7. Распространение звука и электропроводность
Звуковые волны способны распространяться под водой на тысячи километров. Средняя скорость распространения - 1500 м/с. Этот показатель для морской воды выше, чем для пресной. Звук всегда немного отклоняется от прямой.
Имеет более значительную электропроводность, чем пресная. Разница - 4000 раз. Это зависит от числа ионов на единицу водного объема.
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.
Из книги Жизнеобеспечение экипажей летательных аппаратов после вынужденного приземления или приводнения (без иллюстраций) автора Волович Виталий Георгиевич Из книги Жизнеобеспечение экипажей летательных аппаратов после вынужденного приземления или приводнения [с иллюстрациями] автора Волович Виталий Георгиевич Из книги Новейшая книга фактов. Том 1. Астрономия и астрофизика. География и другие науки о Земле. Биология и медицина автора Кондрашов Анатолий Павлович Из книги Зачарованные острова Галапагосы автора фон Эйбл-Эйбесфельдт Ирениус Из книги автораГде больше бактерий – в океане или в городской канализации? По данным английского микробиолога Томаса Кертиса, миллилитр океанской воды содержит в среднем 160 видов бактерий, грамм почвы – от 6400 до 38 000 видов, а миллилитр сточных вод из городской канализации, как ни
Из книги автораЭдем в Тихом океане На островах Галапагос решено создать биологическую станцию! Это радостное известие я получил весной 1957 года, когда готовился к экспедиции в Индо-Малайскую область. Международный союз охраны природы и ЮНЕСКО предложили мне отправиться на