История открытия Мирового океана

История исследований Мирового океана неразрывно связана с историей его открытия. История эта полна и романтизма, и трагизма. Кратко опишем важнейшие этапы океанологических исследований [27, 38].

Первыми мореходами, о которых до нас дошли некоторые сведения, были финикияне (3000 лет до н.э.). Сведения о Миро­вом океане в Древнем мире были далеко неполными и противо­речивыми: одни считали известную тогда сушу островом среди единого океана, а другие рассматривали океаны как отдельные водоемы, окруженные сушей. Вторая точка зрения нашла свое отражение в атласе Птолемея и сохранялась в науке вплоть до IX века.

Средние века, по крайней мере для Европы, отличались за­стоем в науке, многое из знаний древних либо погибло в это вре­мя, либо надолго стало недоступным для пользования Впослед­ствии многое, известное древним, пришлось открывать заново

С IX века начинаются плавания в Китай и в Индию, в это время уже известен компас (есть предположение, что в Китае уже за 2000 лет до н. э применяли магнит для указания на­правления в путешествиях по пустыне). Первые упоминания о компасе в Европе относятся к XII-XIIIвв. Он представлял собой магнитную стрелку, укрепленную на пробке, плавающей в сосуде с водой. И только в XIV в. итальянец Флавио Джойя укрепил стрелку на шпильку и снабдил компас картушкой — легким кру­гом, разбитым по окружности на 16 румбов. Появление компаса сделало мореплавание более безопасным и эффективным.

В X-XIвв. были осуществлены многочисленные плавания норвежцев, которые увенчались открытием Гренландии, Лабра­дора, Ньюфаундленда и северо-восточного берега Америки. И хотя норвежцы плавали в эти области Атлантического океана в течение трех веков, их открытия были прочно забыты, и Колум­бу пришлось открывать Америку заново.

В XIIIвеке состоялось знаменитое путешествие Марко Поло в Индию и Китай.

________________ Гл 7 Изучение Мирового океана________________ 137

В 1486 г. португальская экспедиция Бартоломео Диаша, идя открытым океаном, обогнула Африку с юга, не увидев при этом ее южной оконечности, и высадилась на африканский берег уже в Индийском океане И только на обратном пути экспедиция обнаружила южную оконечность Африки и назвала ее мысом Бурь, впоследствие он был переименован в мыс Доброй Наде­жды. Один из участников экспедиции Диаша, а именно Мартин Бехайм, в 1492 г. построил глобус и нанес на него все известные к тому времени географические сведения. Отчеты Диаша об экспедиции были использованы Васко да Гама при разработке маршрута своего плавания к берегам Индии, и Диаш принимал участие в первой экспедиции Васко да Гама. Экспедиция Васко

138 Гл. 7. Изучение Мирового океана

да Гама, состоявшаяся в 1497 г., обогнув Африку, достигла бере­гов Индии (рис. 7.1).

Продолжались поиски новых путей в Индию и Китай и в последующие годы. Искать эти пути заставляли экономические причины. Дело в том, что к XV в. деньги стали всеобщим средст­вом обмена, потребность в золоте для чеканки монет сильно возросла. Торговля с Востоком шла сухопутными путями, и по­средниками между европейцами и Востоком были арабы, чьи владения лежали на пути из Европы в Индию и Китай. Однако появление и усиление турок, которое началось с X века, сильно осложнило пользование прежними путями торговли с Восто­ком. Турки захватили Константинополь, закрыли дороги через Среднюю Азию и Египет и стали, практически, абсолютными диктаторами на пути из Европы на Восток. Все это и подготовило эпоху Великих географических открытий, когда за 35 лет (1487-1522) была открыта почти половина поверхности Земли.

В эти годы состоялись четыре плавания Христофора Колум­ба (рис. 7.2), главным событием которых стало открытие Амери­ки. Экспедиции Колумба положили начало великим открытиям за Атлантическим океаном, они были организованы испанским, а точнее, кастильским правительством для достижения морским путем «Индий», т. е. восточной и южной Азии. Первые две экс­педиции Колумба (август 1492 г.-март 1493 г. и сентябрь 1493 г.-июнь 1496 г.) привели к открытию Антильских островов, в том числе Кубы, Гаити, Ямайки и Пуэрто-Рико. Датой открытия самой Америки считается 12 октября 1492 г. — день высадки Колумба на один из южных Багамских островов. Берег материка Америки был обнаружен на несколько лет позднее. Третья экс­педиция Колумба открыла остров Тринидад и материк Южной Америки в районе реки Ориноко. Кастильское правительство считало, что Колумб не выполнил своей задачи (достижения «Индий» западным путем) и лишило его монопольного права открытий в западном направлении. После этого был целый ряд экспедиций, которые открывали различные части побережья Южной Америки. В одной из этих экспедиций в 1499-1500 гг. участвовал флорентиец Америго Веспуччи, именем которого и был назван материк. Четвертая и последняя экспедиция Колумба состоялась в 1502-1504 гг., и тогда Колумб открыл все побережье Центральной Америки (от Юкатана до Дарьенского залива). Во время своих экспедиций Колумб помимо Америки открыл Север­ное экваториальное течение, пересек Саргассово море и впервые обнаружил склонение магнитной стрелки, т.е. угол отклонения

140 Гл 7 Изучение Мирового океана

магнитной стрелки от направления географического меридиана, знание которого необходимо для ориентации на местности.

В 1513 г. экспедиция, организованная губернатором о Пу­эрто-Рико, открыла мощное течение, выходящее в океан между полуостровом Флорида и островом Куба. Это был Гольфстрим В том же 1513 г. испанцы пересекли Панамский перешеек (посуху) и открыли Тихий океан (Южное море). Открытие Панамского канала состоялось только в 1914 г.

Несмотря на такие значительные успехи в деле первооткры­вательства новых земель, людей не покидала идея поиска нового пути в Индию, к Зондским островам. И в 1519 г. была снаря­жена новая экспедиция под руководством Фернана Магеллана (рис. 7.3). Он открыл пролив в южной части Южной Америки и вышел в Тихий океан. Пролив носит его имя. Название океану Магеллан дал за спокойную погоду, которая сопутствовала ему во время всего 90-дневного перехода к берегам Азии. Экспедиция подошла к Филиппинским островам, где в бою с туземцами 27 ап­реля 1521 г. Магеллан погиб. Однако экспедиция продолжала свой путь на запад, прошла через Зондские острова, пересекла Индийский океан, обогнула Африку и вернулась в тот порт, из которого вышла (Санлукар-де-Баррамеда) Этой экспедицией были достигнуты важнейшие в научном отношении результаты

- было показано, что Земля сферична;

- подтверждено, что океан занимает большую часть земной
поверхности планеты, чем суша.

После 1522 г., т е. после окончания эпохи Великих географи­ческих открытий, проявилась тенденция к изучению северных областей Мирового океана. Были осуществлены плавания англи­чан на север Канады, русские плавания вдоль всего северо-вос­точного берега Азии Достаточно вспомнить имена Дежнева, Бе­ринга, упомянуть Большую Северную экспедицию (1734-1741), во время которой были исследованы берега северных морей от Белого моря до реки Колымы.

В XVI веке продолжались исследования Зондских островов и появились предположения о существовании Австралии, но толь­ко в 1642 г. голландский мореплаватель Тасман впервые обогнул с юга Австралию и подошел к Новой Зеландии, которую принял за южный материк Антарктиду, о существовании которой уже в то время говорили

Перелистывая историю исследований Мирового океана, нельзя не упомянуть экспедиции Кука, последняя из которых

142 Гл. 7. Изучение Мирового океана

состоялась в 1776-1779 гг. Джеймс Кук — английский мореплава­тель, много сделавший для расширения наших знаний о Южном полушарии. Кук открыл ряд островов, пролив между северным и южным островами Новой Зеландии, исследовал восточное побережье Австралии. Кук совершил три кругосветных плавания, одно из которых было организовано с целью открытия южного материка (1772-1775). Кук достиг 71°10' ю. ш., но материк не открыл и в своих записках об этом плавании написал, что этот материк открыть нельзя. Кук считал, что если материк и существует, то он расположен вокруг Южного полюса, где плавание невозможно. Авторитет Кука был настолько велик, что его убежденность в невозможности обнаружения южного материка явилась причиной того, что поиски шестой части света приостановились более чем на 40 лет. Во время третьей экспедиции Кук был убит на Гавайских островах местными аборигенами.

Русские моряки и ученые внесли выдающийся вклад в изу­чение Мирового океана [113]. Особенно велик вклад русских в освоение Северного Ледовитого океана. Корвет «Витязь», на ко­тором под руководством адмирала С. О. Макарова проводилось исследование Тихого океана, удостоен чести быть указанным на фронтоне Океанографического музея Монако наряду с «Фра-мом» Нансена, «Вегой» Норденшельда и другими. Первое рус­ское кругосветное плавание было осуществлено в 1803-1806 гг. Крузенштерном и Лисянским на кораблях «Надежда» и «Нева». Впервые были выполнены широкие океанографические работы в Атлантике, Тихом и Индийском океанах. Во время этого пла­вания было положено начало систематическим глубоководным исследованиям океанов. Впервые в мировой практике на «На­дежде» исследовалось вертикальное распределение температуры воды на девяти глубоководных разрезах, измерялись плотности морской воды. В 1820 г. Беллинсгаузеном и Лазаревым была открыта Антарктида. Плавание Беллинсгаузена и Лазарева на шлюпах «Восток» и «Мирный» является важнейшим после пла­вания Кука и завершает эпоху Великих географических откры­тий. Все основные водные объекты были открыты. На шлюпе «Восток» был впервые применен батометр — прибор для отбора проб морской воды с различных глубин. Усовершенствованные батометры широко используются и в настоящее время. В ходе экспедиции были уточнены карты морских течений, навигацион­ные карты, описаны ледовые поля, проводились эксперименты по замораживанию пресной и морской воды.

________________ Гл. 7. Изучение Мирового океана____________________ 143

Следует упомянуть, что первый водомерный пост на Ка­спийском море для регулярных наблюдений за уровнем моря был установлен по указанию Петра I, а за работы по изучению Каспийского моря Петр I, первым из русских был избран членом Французской академии наук.

Во время кругосветной экспедиции 1815-1818 гг. Коцебу на шлюпе «Рюрик» организовал глубоководные (до двух километ­ров) измерения температуры, обширные измерения температуры и течений в поверхностном слое. Впервые в океанографической практике проводились измерения прозрачности морской воды по глубине видимости белого диска. Этот метод благодаря своей простоте и надежности применяется в океанографической прак­тике до сих пор. Во время кругосветной экспедиции в 1823-1826 гг. на шлюпе «Предприятие» под руководством Коцебу были открыты новые острова в архипелаге Туамоту, Самоа. Океанографические исследования во время этой экспедиции про­водились под руководством Ленца, за которые он был избран в 1828 г. адъюнктом Петербургской академии наук. Ленц сфор­мулировал положение о том, что теплые воды тропиков поверх­ностными течениями переносятся в высокие широты, а холодные воды полярных областей поступают в тропическую зону с глу­бинными течениями.

Для России чрезвычайно важными являются исследования, проводимые в Северном Ледовитом океане. Важность освое­ния Севера неоднократно подчеркивалась М.В.Ломоносовым, Д.И.Менделеевым [113]. Ломоносову принадлежат крылатые слова: «Богатство России будет прирастать Сибирью и Северным Ледовитым океаном». М. В. Ломоносов был инициатором и науч­ным вдохновителем арктической экспедиции Чичагова, состояв­шейся уже после смерти Ломоносова. В 1889 г. для исследования Арктики по инициативе Макарова был построен самый мощный по тому времени ледокол «Ермак» (водоизмещение б 000 т, двига­тель мощностью 10000 лошадиных сил), прослуживший долгие годы в Арктике. Макарову принадлежат классические исследо­вания гидрологического режима проливов, уже упоминавшиеся фундаментальные исследования северной части Тихого океана, проведенные на корвете «Витязь». Степан Осипович Макаров считается одним из основателей современной океанологии.

Первый переход Северного Ледовитого океана вдоль берегов Европы и Азии до Берингова пролива был совершен в 1878 1879 гг. шведской экспедицией под руководством Норденшельда. Экспедиция была проведена на средства России и Швеции.

144 Гл. 7. Изучение Мирового океана

В 1894-1896 гг. под руководством Нансена было совершено зна­менитое плавание на «Фраме». Первый переход вдоль берегов Северной Америки был совершен норвежской экспедицией под руководством Амундсена на судне «Йоа» в 1903-1906 гг. Об­ширные исследования северных морей были выполнены в СССР по программе 2-го Международного полярного года (1932-1933). Новый период исследования Арктики начался с создания ледо­вых станций. До ледовой станции «Северный полюс» — позд­нее «СП-1» (1937-1938) — в районе Северного полюса никто не проводил научные исследования. Одним из организаторов арктических исследований был академик О. Ю. Шмидт.

Арктический регион не перестает удивлять своими возмож­ностями. Во время очередного рейса научно-исследовательского судна в центральную часть Арктики в 2001 г. были открыты несколько действующих подводных вулканов. В Северном Ле­довитом океане обнаружены обширные поля гидротермальных источников, населенные ранее неизвестными науке биосообщест­вами, обширные месторождения нефти, газа и газогидратов, насыщенных метаном и другими горючими газами. Возможно газогидраты являются одним из видов будущих энергоносителей.

В 1872 г. состоялось плавание английской экспедиции на судне «Челленджер», явившееся поворотным пунктом в разви­тии морской науки. Эта экспедиция была осуществлена на спе­циально оборудованном для морских научно-исследовательских работ корабле. Во время экспедиции было испытано много новых приборов и методов для исследования океана. Определялись глубина, состав грунта морского дна, придонная температура, брались пробы морской воды, добывались донные животные и растения. Интересно, что новая идея измерения глубины была предложена У. Томсоном (лорд Кельвин) во время плавания на «Челленджере». За три с половиной года экспедиции было вы­полнено 362 глубоководных станции. Обработка результатов экс­педиции продолжалась несколько лет и составила труд объемом в 50 томов. Считается, что именно с плавания «Челленджера» начинается целенаправленное исследование Мирового океана.

В 1885 г. обширные научные исследования Мирового оке­ана начались под руководством принца монакского Альберта. На специально построенных судах исследования проводились в Средиземном море и в Атлантическом океане от Шпицбергена до экватора. По инициативе Альберта были организованы Океа­нографический музей в Монако в 1896 г. и Океанографический институт при Сорбонне в 1906 г.

_______________ Гл. 7. Изучение Мирового океана ________________ 145

В XX веке число морских чисто географических экспедиций сократилось, так как все основные географические объекты были открыты. Но увеличивается число так называемых океанологи­ческих экспедиций. К числу таких экспедиций относятся и рабо­ты на дрейфующих станциях «Северный полюс», и экспедиции в Антарктиде. Наиболее значимые результаты океанологических экспедиций — открытие экваториального противотечения, глу­бинных течений Кромвелла в Тихом океане и Ломоносова в Атлантике.

Развитие подводного атомного флота инициировало очеред­ной взрыв интереса к изучению глубин океана в 50-60-е гг. XX века. Для обеспечения скрытности и безопасности эксплу­атации дорогостоящих технических объектов потребовалось развитие акустики и оптики океана, теории струй, волн и турбулентности.

Современное состояние исследований Мирового океана

Изучение процессов, протекающих в океане, требует привле­чения большого количества кораблей и аппаратуры, т. е. это достаточно дорогостоящий процесс. Поэтому в последние деся­тилетия прошлого века стали осуществляться крупные между­народные проекты, в выполнении которых участвовали ученые многих стран. Эти исследования значительно пополнили наши знания о Мировом океане. Основную информацию о физических параметрах в атмосфере и гидросфере Земли получают на гидро­метеорологических станциях и постах. Эти данные получаются по специальным программам и стекаются в один центр. Однако сеть таких станций весьма неравномерна. Над океанами она более редкая, чем над сушей, и на многих значительных акваториях Мирового океана станций практически нет.

Чтобы восполнить сеть стационарных станций наблюдений, в определенных точках Мирового океана дежурят суда, периоди­чески сменяя друг друга, проводятся гидрологические разрезы по одним и тем же маршрутам, ставятся в открытом океане радиобуи, применяются трансозонды для горизонтального зон­дирования значительных площадей Мирового океана.

В конце 60-х годов стало очевидно, что использование «ко­раблей погоды» для наблюдений за состоянием океана и при­водной атмосферы дорого и малоинформативно. Не оправдала себя и идея глобального океанского мониторинга с помощью сети тяжелых якорных буев, которые оснащались датчиками для измерения метеорологических и океанографических параметров.

146 Гл 7 Изучение Мирового океана

С целью изучения глобальной циркуляции в океане были проведены крупные международные проекты В конце 70-х п — Первый глобальный эксперимент (ПГЭП) В ходе выполнения этого проекта только в Южном полушарии между 20 и 65 ° ю ш было размещено 300 дрейфующих буев, положение которых отслеживалось спутниками В 1977-1978 гг в Атлантическом океане был выполнен советско-американский эксперимент «ПО­ЛИМОДЕ», в ходе которого были исследованы синоптические вихревые системы, открытые советскими учеными ранее В экс­периментах «ПОЛЭКС-ЮГ»-«АЙСОС» в 1974 1983 гг совет­скими и американскими учеными изучалось Антарктическое циркумполярное течение Впервые были получены данные о распределении скоростей течений по глубине Оказалось, что на глубинах в 3000 м максимальная скорость течения может достигать 70-80 см/с Для изучения закономерностей дрейфа льда, его выноса из Арктического бассейна в Северную Атланти­ку были выполнены в 1967-1984 гг международные программы «АЙСЕК», «АОБП» Наиболее масштабный океанологический проект был выполнен в конце 90-х гг по программе «ВОСЕ», в ходе которого исследовалась глобальная циркуляция Мирового океана, перенос тепла, влаги, солей, влияние вихревых структур, климатическая и погодная изменчивость

Ураганы, тайфуны, морозы, шторма и другие погодные ано­малии все еще приходят неожиданно и совсем не туда где ожи­даются Возникла парадоксальная ситуация — появление новых глобальных инструментов, повышение точности отдельных из­мерений и увеличение их объема не способствовали повышению надежности прогноза эволюции природных систем, выделению антропогенных факторов, снижению экономического ущерба от природных катастроф

Необходимость перестройки современного государственного подхода в России к изучению Мирового океана была отмечена в письме группы выдающихся ученых, следствием которого стали поручения президента и правительства о подготовке концепции федеральной целевой программы «Мировой океан» Программа «Мировой океан» была утверждена и начала финансироваться Вслед за Россией к ревизии своей морской политики приступили и другие промышленно развитые страны Особенно серьезный характер эта работа приняла в США, 1де одновременно были со­зданы специальные рабочие группы в конгрессе, Национальной академии наук и администрации президента Для координации

Гл 7 Изучение Мирового океана

практических работ создан Межотраслевой комитет по морским наукам и технологиям

В 1999 г Комиссией МОК (Межправительственная океано­графическая комиссия) и ВМО (Всемирная метеорологическая организация) представлена стратегия проведения глобальных дрифтерных наблюдений для построения наблюдательных си­стем за состоянием океана и климата В том же году была создана Объединенная техническая комиссия для океанографии и морской метеорологии (JCOMM) Структура наблюдательного

Рис 7 4 Структура наблюдательного блока JCOMM

блока JCOMM приведена на рис 7 4 Наибольший вес в получа­емых данных наблюдений имеют буйковые измерения Согласно имеющимся планам до 2005 г будет размещено около 3000 дриф­теров, одна половина — в 2000-2003 гг, вторая половина — между 2003 и 2005 гг В целом предполагается размещать 500-700 дрифтеров в год

Наиболее широкое распространение пока нашли дрифтеры поверхностного слоя, общий вид такого дрифтера представлен на рис 7 5 Дрифтеры в физическом смысле являются ква-зилагранжевыми частицами, «вмороженными» в окружающую

трос.

трос

промежуточная плавучесть

Рис 7 5 Лагранжевый SVP-B дрифтер

148 Гл. 7. Изучение Мирового океана

водную массу. Дрифтеры обладают большим брезентовым под­водным парусом цилиндрической формы (высотой 6 м и диа­метром 1 м), центр сопротивления которого расположен на глу­бине около 15 м. На таких глубинах влияние ветровых волн и дрейфовых течений является уже незначительным и, следова­тельно, дрифтер переносится непосредственно океанскими или морскими течениями. С помощью тонкого кабеля-троса парус связан с небольшим поверхностным поплавком, в котором на­ходится передатчик, периодически передающий сигналы, прини­маемые на спутниках системы «Аргос». По доплеровскому эф­фекту спутники определяют координаты дрифтера с точностью не хуже нескольких сотен метров. В средних широтах коорди­наты определяются 6-8 раз в сутки. Кроме того, размещенные в поплавках дрифтеров датчики температуры поверхности воды (SVP дрифтеры) и атмосферного давления (SVP-B дрифтеры) благодаря спутниковой связи позволяют передавать на Землю в центры приема (США, Франция и другие страны) информацию о текущих значениях этих гидрометеорологических параметров практически в реальном времени. Эта оперативная информа­ция используется для прогноза погоды. Данные об атмосферном давлении, поставляемые дрифтерами с открытых океанских ак­ваторий необходимы для составления прогнозов в оперативной метеорологии.

В 1999-2001 гг. Морским гидрофизическим институтом На­циональной академией наук Украины и Институтом океаноло­гии РАН был проведен первый международный эксперимент по мониторингу Черного моря с помощью дрифтерных методов измерения течений. На рис. 7.6 приведен пример инфракрасного изображения температуры поверхности северо-восточной части Черного моря с нанесенными на него маршрутом судна, точками выполнения гидрологических станций, траекториями дрифте­ров [60].

Помимо дрифтеров поверхностного слоя используются дриф­теры, способные погружаться до глубины 2000 м и дрейфовать на этих глубинах. Эти дрифтеры периодически всплывают. Всплы­вая, дрифтеры собирают информацию о вертикальном распре­делении температуры и солености океанических вод, которая передается на спутник.

В настоящее время в океане работает примерно 800 дрифте­ров SVP-класса, эксплуатация которых высветила ряд проблем, требующих быстрого решения. Одной из наиболее важных про­блем является проблема надежности. В настоящее время дриф­теры размещаются в океане авиационным путем (сбрасываются с

150 Гл 7 Изучение Мирового океана

самолетов в различных точках Мирового океана), что позволяет размещать их в отдаленных океанских регионах. Опыт выпол­ненных уже наблюдений показывает, что 30% размещенных та­ким методом дрифтеров выходит из строя сразу после приводне­ния Большинство дрифтеров замолкает задолго до контрольного срока в один год. Усилия ученых и конструкторов направлены на ликвидацию выявленных недостатков.

Сравнительно низкая стоимость дрифтеров и спутниковой связи, а также долгий срок их службы (1-2 года) сделали их весь­ма распространенным в настоящее время средством изучения течений Мирового океана и гидрометеополей, в том числе, что очень важно, в районах, отдаленных от центров цивилизации

В настоящее время для получения информации о термоди­намическом состоянии атмосферы и океана широко использу­ются возможности искусственных спутников Земли. Основная трудность здесь заключается в расшифровке этой информации и получении не только качественной картины, но и количест­венных характеристик Например, измерение температуры во­ды поверхностного слоя моря может эффективно осуществлять­ся дистанционными средствами: ИК-радиометрами с самолетов, судов и спутников. Для коррекции влияния атмосферы выпол­няются замеры радиационной температуры воды с трех уров­ней: судна, самолета и спутников. Первичная информация со спутников может приниматься как на собственных региональ­ных центрах, так и из Интернета. Широко представлена ин­формация с разных спутников, а также методика обработки и анализа данных на сайте Института космических исследо­ваний РАН (http://smis.iki.rssi.ru/welcome.html), центра НОАА (http://www.saa.noaa.gov/). Например, первичная ин­формация, получаемая аппаратурой AVHRR со спутника НОАА, представляет собой изображение подспутникового пространства радиометром в видимом и инфракрасном диапазонах электро­магнитного спектра (0,58-0,68; 0,725-1,1; 3,55-3,93; 10,5-11,5; 11,5-12,5 мкм) с пространственным разрешением 0,8-1,1 км.

В исследованиях океана в настоящее время широко применяется лазерное зондирование, осуществляемое с помощью спектроскопических лазерных локаторов [133] — лидаров (LIDAR — Light Detection and Ranging). Дистанционные методы делятся на два класса — пассивные и активные. В первом случае используются радиометры и сканеры, во втором — локаторы. Все эти приборы работают в СВЧ, ИК и видимом диапазонах оптического спектра. В качестве носителя радиометра используется широкий набор «платформ» — от

Гл 7 Изучение Мирового океана

судов до спутников. Локаторы (в оптическом диапазоне — лидары) размещают на самолетах и вертолетах, судах, береговых станциях и морских платформах. Пассивные и активные методы и средства значительно различаются по своим диагностическим возможностям.

В настоящее время с помощью лидара берегового базирова­ния возможно дистанционное определение температуры и соле­ности морской среды; определение in situ нефтяных загрязнений морской среды в прибрежных акваториях и идентификация ти­па гумусового вещества в морской воде; биоиндикация качества морской воды [134].

Типичный спектр флуоресценции фитопланктона при воз­буждении лазерным излучением на длине волны А_еХс ⁼ 532 нм представлен на рис. 7.7. Спектр содержит единственную полосу

500_п

Рис. 7.7. Спектр морской воды (длина волны возбуждения А_ехс ⁼

= 532 нм): 1 — полоса комбинационного рассеяния молекул воды; 2 —■•

полоса флуоресценции фитопланктона

флуоресценции фитопланктона с максимумом на А_ехс = 685 нм, одинаковую по форме и положению для многих групп водо­рослей. Важнейшей проблемой во флуоресцентной диагностике фитопланктона является определение видовой принадлежности

Гл. 7. Изучение Мирового океана

и состояния водорослей. Эти данные важны как для оценки пер­вичной продукции, так и для создания дистанционного метода биоиндикации состояния экосистемы водоема.

Лидары делают возможным не только определение вида нефтяного загрязнения (рис. 7.8), но и дистанционное лазерное определение толщины нефтяной пленки на поверхности воды. Предложено несколько лазерных методов решения этой задачи, во всех этих методах тем или иным образом используется сиг­нал комбинационного рассеяния воды, который индуцируется лазерным лучом в водной толще под пленкой. Интенсивность регистрируемого сигнала комбинационного рассеяния воды за­висит от оптической толщины пленки на длинах волн лазерного излучения и комбинационного рассеяния воды и, следовательно, от геометрической толщины пленки.

Большие перспективы для лазерного мониторинга открывает использование математических методов, основанных на технике искусственных нейронных сетей [134]. Важным свойством метода искусственных нейронных сетей является то, что в нем практи­чески не используются какие-либо априорные знания об объекте исследования, а работа алгоритмов основана исключительно на информации, содержащейся во входных данных. Эта информа­ция усваивается и обобщается нейронной сетью, которая делает свои оценки не только на основе предъявленного ей в данный момент примера, но и на основе всех тех примеров, которые содержались в обучающей выборке.

Гл. 7. Изучение Мирового океана

Подобные методы особенно эффективны в ситуациях, когда решение задачи плохо алгоритмизуемо или методы ее точного решения отсутствуют, а данные противоречивы и содержат зна­чительную шумовую составляющую. Именно к такому классу задач относятся многочисленные обратные задачи, которые при­ходится решать при изучении Мирового океана.

Г л а в а 8 Термодинамика океана

Лучистая энергия Солнца в океане

Основным энергетическим источником для всех геофизиче­ских процессов, происходящих на Земле, является энергия Солн­ца. Естественно, это относится и к Мировому океану. Существу­ют еще два источника энергии, о которых следует упомянуть, так как они тоже играют определенную роль в формировании дина­мического и теплового режимов гидросферы. Это приливообра-зующие силы, которые вызывают приливы и отливы в Мировом океане и связанные с ними приливные течения, и геотермальные источники, располагающиеся на дне водоемов, в том числе на дне морей и океанов, которые формируют температурное поле водоемов вулканического происхождения и отдельных областей Мирового океана. Но основной источник, питающий все геофи­зические процессы — Солнце.

Благодаря огромной теплоемкости, намного превышающей теплоемкость суши и атмосферы, океан является терморегуля­тором нашей планеты. Только верхний 10-метровый слой океа­нических вод содержит тепла больше, чем вся атмосфера, эф­фективная высота которой равна 10 км. В глубинах же океана тепла в сотни раз больше, чем в этом верхнем слое. Поэтому даже при незначительном изменении температуры океана в ат­мосферу или из нее устремляются большие потоки тепла. Регу­лирующее влияние оказывает океан и на влагооборот в системе атмосфера-гидросфера. На испарение тратится, а при конденса­ции выделяется более 1/3 всего тепла, поступающего на Землю. А источником водяного пара является океан. Кроме того, океан поддерживает постоянство газового состава атмосферы. Океан прекрасно растворяет углекислоту, образующуюся при взаимо­действии СО2 с парами воды, и тем самым смягчает пагубные воздействия парникового эффекта. Углекислоту связывают так­же зеленые водоросли океана.

Океан участвует и в поставке в атмосферу кислорода. Раст­воренный в воде воздух содержит О2 в два раза больше, чем атмосферный. Верхние слои океана получают О2 от мельчайших

Гл. 8. Термодинамика океана 155

водорослей (фитопланктона) в результате фотосинтеза. При вол­нении и при прогреве этот кислород поступает в нижние слои атмосферы. И хотя этот источник меньше, чем тот, который связан с фотосинтезом растительного покрова планеты, однако он есть и его роль велика.

Что же происходит с той частью солнечной энергии G, ко­торая проникает под поверхность Мирового океана и которая может быть записана в виде

G = (1 - A) J,

где J — солнечная энергия, приходящая на морскую поверх­ность, А — альбедо океана. Распространяясь в толще вод Миро­вого океана, солнечное излучение испытывает ослабление вслед­ствие поглощения и рассеяния. Океан, так же как и атмосфера, является примером мутных сред, т. е. сред, в которых локальные неоднородности плотности возникают из-за наличия взвесей, ча­стиц органического и неорганического происхождения [43, 49]. Поэтому рассеяние солнечной энергии при распространении в океане включает в себя рассеяние как на отдельных молекулах, так и на крупных взвешенных частицах. По характеру рассеяния различают два вида рассеяния:

- на частицах, диаметр которых меньше длины волны излу­
чения: D < Л;

- на частицах, диаметр которых сопоставим или больше дли­
ны волны: D > А.

Пример рассеяния первого типа — молекулярное рассеяние, основы теории которого заложены Рэлеем. Для этого типа рас­сеяния зависимость коэффициента рассеяния от длины имеет следующий вид:

Так, для излучения с длиной волны А = 0,44 мкм (фиолетовая область) коэффициент рассеяния К_рас в 5,1 раза больше, чем для А = 0,66 мкм (красная область). Теория Рэлея хорошо оправ­дала себя при объяснении явлений, происходящих в разрежен­ных газах и, в частности, в атмосфере. Однако применение ее для количественного описания рассеяния света в океане менее удачно, так как здесь молекулярные расстояния сравнимы с размерами молекул. По Рэлею должно было бы быть ослабление полного потока, так как световые волны, рассеянные соседними

156 Гл 8 Термодинамика океана

молекулами, будут мало отличаться друг от друга по фазе и должны интерферировать между собой.

Процесс рассеяния света в жидкости лучше описывает теория Смолуховского, которая рассматривает рассеяние не на отдель­ных молекулах, а на неоднородностях среды, обусловленных слу­чайными изменениями плотности вследствие теплового движе­ния молекул. При этом в теории Смолуховского, как и в теории Рэлея, при D < А также получается зависимость К_рах- ~ А . Таким образом, и в воде сильнее всего рассеиваются синие лучи, а слабее всего — красные. Часть световых лучей, рассеянных в водоеме, выходит из воды, попадает в наш глаз и участвует в формировании цветового восприятия моря. Цвет моря опреде­ляется соотношением отраженного водой светового потока и све­тового потока рассеянного света, исходящего из глубины моря. Цвет моря сильно зависит от количества взвеси в воде. Синий цвет — очень прозрачная вода, сине-зеленый и зеленый — в воде много взвешенных частиц, сильно рассеивающих свет, желто-коричневый — много желтого вещества (распад планктона или гумусовые соединения). Последнее явление характерно для болот или озер, питаемых болотными водами.

Иные закономерности имеют место для рассеяния света на крупных частицах в воде, для которых D > А. Академик В. В. Шулейкин показал, что в этом случае зависимость К_рас от длины волны излучения становится меньше, чем при молекулярном рассеянии [157].

Несмотря на существенное рассеяние солнечного излучения водой, основным механизмом, обусловливающим ослабление его с глубиной, является поглощение, характеризуемое объемным показателем поглощения х- Коэффициент рассеяния морской воды К_рас меньше коэффициента поглощения %. Величина ко­эффициента поглощения х Д^ля солнечной радиации меняется на несколько порядков в зависимости от длины волны излучения. На рис. 8.1 приведена зависимость показателя ослабления стан­дартной морской воды е = K_paiC + х, равного сумме коэффици­ентов рассеяния и поглощения от длины волны.

Наличие растворенных органических веществ, мелких частиц минерального происхождения приводит к резкому возрастанию ослабления в синей и ультрафиолетовой частях спектра. Показа­тель ослабления на крупных частицах (диатомовые водоросли, детрит, фораминиферы) практически не зависит от длины вол­ны светового излучения. Результирующее ослабление морской воды будет определяться суммарным действием указанных фак­торов, поэтому показатели ослабления для различных морских

Гл.».

Рис. 8.1. Спектр объемного показателя поглощения стандартной мор­ской воды в диапазоне длин волн солнечной радиации

вод значительно различаются, особенно в коротковолновой части спектра. Например, в Балтийском море показатель ослабления в синей области на порядок больше показателя ослабления чистых океанских вод.

Простейшие оптические измерения начали проводить с по­мощью белого диска (диаметр стандартного диска равен 30 см). Накоплен значительный объем этих простейших измерений, ха­рактеризующих состояние морских вод. При измерениях фикси­ровалась глубина, на которой диск переставал быть видимым. Эта глубина называется относительной прозрачностью. Сущест­вуют эмпирические формулы, связывающие относительную про­зрачность морской воды с показателем ослабления.

А. Г. Колесников предложил использовать следующую форму записи для величины плотности потока радиации G(z), достиг­шего глубины z:

G(z) = G₀(l -