Великий неизвестный

Загадки океана

Великим неизвестным назвал Мировой океан глава советской океанологии академик Л. М. Бреховских, основатель нового направления – акустики океана. (За выдающиеся работы в области акустики в 1977 г. Акустическим обществом Великобритании и английским Институтом акустики Л. М. Бреховских награжден Золотой медалью имени Релея. А в 1986 г. ему присуждена премия имени А. П. Карпинского. Эта премия присуждается за выдающиеся научные достижения в области природоведческих наук на благо человечества.) Каждый год в океане обнаруживаются новые явления. Вот одно из последних: член – корреспондент АН СССР К. Н. Федоров и кандидат физико – математических наук А. И. Гинзбург нашли в океане новые когерентные структуры. Так они назвали особый вид поверхностных течений в форме гриба или в виде вихревых диполей. К. Н. Федоров и А. И. Гинзбург сначала обнаружили их при изучении космических фотографий поверхности океана, сделанных со спутника «Метеор», а потом воспроизвели эти явления на лабораторной установке в Институте океанологии (см. рис. на с. 7 и 9).

На рисунках на с. 7 представлены космическая фотография грибовидного течения и его схема. Подобные снимки удаются только в том случае, если на поверхности воды океана есть тот или иной трассер (трассером могут быть плавающие на поверхности океана льдинки или скопления фитопланктона, а в лабораторных экспериментах – капля краски или чернил). Не все еще ясно в образовании этого удивительного явления. И самое главное – каков характер импульса, вызывающего его появление?

Космическая фотография грибовидного течения в океане.

Схема грибовидного течения.

Грибовидное течение, смоделированное на лабораторной установке.

Что такое океанология? Это комплекс пяти наук: физики и химии океана, его геологии и биологии, техники для исследования. Проблемы, возникающие при изучении Мирового океана, связаны с различными научными дисциплинами. Этими проблемами успешно занимается Институт океанологии им. П. П. Ширшова АН СССР.

Океанология – советский термин. Примерно тот же комплекс наук на Западе чаще называют океанографией. У нас же под океанографией обычно понимается более узкий комплекс научных дисциплин, без биологии и геологии.

Отдельные науки, входящие в океанологический комплекс, объединяет техника. Прежде всего – научно – исследовательское судно (НИС). Оно – основной инструмент океанологов, без хорошего судна в океане ничего не сделаешь. На борту НИС имеются приборы для измерения основных параметров морской воды. Если экспедиция имеет комплексный характер, то в ней работают представители всех разделов океанологии. Но часто бывают и специализированные рейсы, тогда приглашаются специалисты по теме рейса. Но, каким бы рейс ни был, на борту судна окажутся хоть по одному представителю других наук.

К числу измеряемых в океане физических параметров океанологи относят следующие.

Температура. Информация о температуре воды на разных глубинах океана необходима всем специалистам. Гидрофизики по температуре определяют различные водные массы и находят в океане фронты или пограничные слои между ними. Данные о температуре воды очень важны для биологов. В океане рыбаки ищут рыбу в зоне высоких градиентов температуры, там крнцентрируются планктонные организмы, которые служат пищей рыбам. Синоптики также учитывают температуру воды в океане. Если в энергоактивные зоны или близко к берегам Европы подойдут большие синоптические вихри с пониженной температурой воды, то тепла ждать не приходится.

Особое значение для биологов, акустиков и военных моряков имеет распределение температуры во – ды по вертикали: расположение слоя скачка температуры, известного под названием сезонного термоклина или слоя «жидкого грунта». В нем скапливаются планктонные животные и могут лежать, как на настоящем грунте, подводные лодки. Глубина залегания слоя скачка температуры изменяется в зависимости от сезона года. Зимой он глубже, а летом – ближе к поверхности.

Интересуются температурой воды, особенно в придонных слоях, и морские геологи. Им важно знать распределение температуры по вертикали в слое осадков на дне. По величине и знаку градиента температуры они могут судить о тепловом потоке, идущем в океан из недр Земли.

Измерение температуры океана с борта научно – исследовательских судов занимает много времени и стоит дорого. Поэтому ученые ищут новые способы, позволяющие получать информацию о температуре дешевле и быстрее. Перспективными считаются измерения температуры поверхности океана со спутников, когда используется инфракрасное излучение (ИК) или излучение в области сверхвысоких частот (СВЧ). В этом случае удается быстро получить информацию о распределении температуры по большей части Мирового океана. Но точность измерений не всегда достаточна.

Недавно советскими учеными предложен новый метод измерения, основанный на эффекте когерентного антистоксовского рассеяния света (КАРС). Сущность его заключается в том, что поверхность океана освещается поляризованным светом лазера. О температуре воды судят по отношению двух взаимноперпендикулярных компонент отраженных лучей. Ученые предполагают, что разработка метода КАРС позволит измерять поверхностную температуру океана с погрешностью не более ±0,1 °C.

А пока для получения точных данных проводятся одновременные исследования океана с помощью НИС, автоматических буев, самолетов и искусственных спутников Земли.

Удельная электропроводность. Эта величина важна для изучения различных свойств океана. Она представляет собой проводимость столба воды длиной 1 м, площадью поперечного сечения 1 м². Величиной, обратной ей, является удельное сопротивление.

В морской воде электрическое сопротивление зависит от температуры, солености и гидростатического давления.

Пульсации температуры и солености затухают в океане с различными скоростями. Это очень важная особенность: сравнение затухания двух кривых позволяет установить время начала пульсаций от прошедшего объекта. Можно узнать, когда он прошел.

Исследование нарушений микроструктуры в океане можно анализировать и с помощью других физических свойств: датчиков пульсаций скорости звука или датчиков, регистрирующих изменения коэффициента пропускания света. Параметры эти интересуют океанологов – акустиков и океанологов – оптиков. Они важны не только для изучения микроструктуры. Например, информация о скорости звука позволяет уточнять работу судовых эхолотов и гидролокаторов. Акустическая связь в океане и сверхдальнее распространение звука также нуждаются в информации о скорости звука. А изучение светового режима вод океанов привело к возникновению оптической океанографии, решающей широкий круг задач.

Соленость. Есть несколько определений солености. Общепринятое – общее количество растворенных солей в 1 кг морской воды.

Парадоксальный факт – нет прибора, который мог бы прямо определить содержание соли в воде с достаточной точностью. Она выявляется по электропроводности воды или по показателю преломления света с помощью интерферометра.

Ученые некоторых стран вообще отказались от измерения солености в ходе экспедиций и стали пользоваться упрощенной формулой, полагая, что во многих случаях ни стратификация, ни циркуляция, ни адвекция, ни конвекция не зависят от солености, а все эти процессы определяются только температурой вод.

Однако знание солености воды очень важно для морских биологов. Многие морские животные погибают, если соленость воды становится выше допустимого предела. Это происходит, например, в Азовском море с некоторыми видами рыб (бычками и судаком).

В 1987 г. член – корреспондент АН СССР К. Н. Федоров в докладе на Ученом совете Института океанологии им. П. П. Ширшова АН СССР отметил, что соленость в Мировом океане играет куда большую роль, чем это принято думать. Он привел много интересных фактов.

Например, по данным советского ученого А. И. Перескокова, более чем в 40 % объема Мирового океана соленость обеспечивает создание стратификации, благоприятной для развития конвекции по типу двойной диффузии. Это очень важно с точки зрения влияния океана на климат. Под влиянием солености происходит трансформация водных масс Мирового океана, обеспечивается вентиляция термоклина, возникает глубокая конвекция и происходят многие другие удивительные явления, в том числе образование солевых пальцев и загадочных гигантских линз.

Советский ученый Б. А. Каган подсчитал, что ледовый режим Северного Ледовитого океана тесно связан с соленостью. Если бы удалось повысить соленость арктических вод, то, возможно, удалось бы полностью освободить Северный морской путь от льда!

А американский ученый У. Брокер отметил, что только благодаря повышенному значению солености в Северной Атлантике последние 9 тыс. лет европейцы живут в относительно теплом климате. Доктор Виллебранд из ФРГ предупреждает: надо следить за тем, чтобы соленость вод Северной Атлантики не понижалась. Иначе направление циркуляции вод в Атлантике может измениться на противоположное, что приведет к наступлению новой ледниковой эпохи. Вот какое важное значение имеет соленость.

Плотность. Гидрофизикам требуется знать плотность воды в океане на разных глубинах. Плотность обычно вычисляют по измеренной температуре и удельной электропроводности с внесением поправки на гидростатическое давление. Это – косвенный метод; прямой метод позволил бы повысить точность измерения одного из самых главных физических параметров океана. Но нет удобного прибора, который мог бы работать в широком интервале глубин – от поверхностных слоев хотя бы до средней глубины океана (3710 м).

Для измерения основных параметров воды океанологи применяют зонды – измерительные приборы, опускающиеся с палубы НИС в океан. Они зондируют его толщу, измеряя основные гидрофизические параметры по мере погружения в глубину. Информация по кабелю передается в судовую ЭВМ или фиксируется в регистрирующем устройстве автономного зонда, не связанного кабелем с судном, что позволяет избежать влияния качки судна на результаты измерений.

Существуют различные зонды для измерения температуры, удельной электропроводности и гидростатического давления. Одни рассчитаны на работу в течение многих лет, другие – только на одно измерение, а потом тонут. Их называют обрывными термозондами (ОТЗ). С помощью таких зондов можно измерить распределение температуры в океане по вертикали на ходу НИС, не останавливаясь. Это очень важно, особенно для военных кораблей, ведь остановка в условиях боевых действий может привести к гибели.

Разработаны обрывные зонды для оперативного измерения и некоторых других параметров, как, например, скорости звука и электропроводности.

Морским химикам, кроме того, необходимо знать и многое другое. Например, содержание в воде биогенов, питательных солей для развития водорослей, концентрацию водородных ионов (pH), содержание углекислоты и других газов, в первую очередь кислорода. В последние годы усилился интерес к определению содержания в морской воде метана и гелия как индикаторов гидротерм.

Объединение различных научных дисциплин в океанологическом комплексе позволяет ставить и успешно решать задачи на стыке различных наук. Полвека назад никто и не помышлял об изучении Мирового океана в таких масштабах, как теперь. Заслуга в постановке этого вопроса принадлежит советским ученым.

Пионер океанологии. Организатором и первым директором Института океанологии был академик Петр Петрович Ширшов, удивительный человек. Будучи студентом биологического факультета Днепропетровского института народного образования, он плавал через стремнины Днепра за образцами особых водорослей, росших тогда на скалах знаменитых днепровских порогов. Теперь грозных порогов нет, они скрылись под водой после постройки плотины Днепрогэса. Но остались две научные, работы, посвященные этим водорослям.

После окончания института П. П. Ширшов переезжает в Ленинград и становится научным сотрудником Ботанического института АН СССР, а затем переходит на работу в Арктический институт. В 1930 г. Петр Петрович принял участие в экспедиции на Кольский полуостров, занимался составлением биологической карты на Новой Земле. В 1934 г. П. П. Ширшов снова отправляется в Арктику – в экспедицию на борту парохода «Челюскин». В тяжелейших условиях арктической ночи П. П. Ширшов не прекращал научной работы в ледяном лагере. Едва умолкли овации героям челюскинской эпопеи, как П. П. Ширшов снова отправляется для исследований в Арктику на ледоколе «Красин».

В 1937–1938 гг. имя П. П. Ширшова прославилось на весь мир. В составе знаменитой четверки «папанинцев» он высадился на льдину на Северном полюсе. Первое, что он там начал делать, – это рубить вместе со своими товарищами прорубь в толстенном, многометровом льду, на котором был разбит лагерь. Когда была сделана прорубь, П. П. Ширшов опустил в нее трал для лова морских обитателей. Что‑то вроде большой «авоськи» из сетного полотна с мелкими отверстиями. Опустил, несмотря на то, что ему хорошо была известна господствовавшая тогда гипотеза, согласно которой в Северном Ледовитом океане на полюсе нет и не может быть никаких животных. Океан там глубок – более 4 км тонкого стального троса было намотано на барабане его ручной лебедки. Это была очень тяжелая работа, в которой принимали участие все «папанинцы». Исследования закончились полным успехом – океан на полюсе оказался населенным. В прорубь опускался не только трал, но и другие приборы. В том числе – опрокидывающийся термометр (ртутный), сделанный так, что он позволяет измерить температуру воды на той глубине океана, где нужно. Обычным термометром этого сделать нельзя. Измерения на станции «Северный полюс» показали, что относительно теплые воды из Северной Атлантики доходят до района полюса, но находятся глубоко подо льдом. Это было открытие. П. П. Ширшов объяснил его так: атлантические воды, входящие в Полярный бассейн, продвигаясь на север и восток, охлаждаются. Поэтому становятся более тяжелыми и опускаются в глубины Ледовитого океана. Было сделано много важных наблюдений.

За выдающиеся открытия в биологии и гидрофизике океана П. П. Ширшов был избран в 1939 г. в действительные члены Академии наук СССР.

Мы помним П. П. Ширшова не только как выдающегося ученого, полярника и директора Института океанологии. Пятнадцать лет он был министром морского флота Советского Союза, в том числе и в тяжелые годы Великой Отечественной войны. Одновременно он являлся заместителем Председателя Совета Министров СССР по транспорту. Он всегда отличался скромностью и простотой, был ровным в обращении с подчиненными. Его научные труды внесли большой вклад в мировую науку.

Как стать океанологом. Морских специалистов различных профилей, инженеров и научных работников готовят различные средние и высшие учебные заведения нашей страны. Географический и физический факультеты Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова выпускают океанологов широкого профиля и гидрофизиков.

В Московском физико – техническом институте, на кафедре термогидромеханики океана, также готовят высококвалифицированных специалистов. Институт океанологии им. П. П. Ширшова – база для студентов этой кафедры. Ученые института читают лекции по специальным предметам. Студенты получают хорошую подготовку по математике, физике, гидродинамике, технике физического эксперимента в океане. В одном из отделений Института океанологии студенты проходят первую практику после окончания III курса, а после V курса они отправляются в дальнее плавание на одном из научно – исследовательских судов института. На практике они знакомятся с методами и техникой физических исследований океана и собирают материалы для своих дипломных работ. Плавание в дальнем рейсе в течение 3,5–4 месяцев дает студентам очень много: удается не только собрать экспериментальный материал, но и обработать его на судовой ЭВМ, обобщить полученные данные.

Специалистов, необходимых стране для изучения и освоения океана, готовят вузы Ленинграда, Тбилиси, Одессы, Ростова. Непрерывно пополняется молодыми специалистами большой коллектив ученых, занятых изучением и освоением океана. От души желаю моим читателям присоединиться к ним.