Люди давно изучают Мировой океан (совокупность всех морей и океанов Земли), но до сих пор знают его недостаточно.
Маленькая лаборатория океанологии, созданная для обработки материалов легендарной станции «Северный полюс-1» заботами и трудами академика Петра Петровича Ширшова, превратилась в Институт океанологии АН СССР (ИОАН), который теперь носит его имя. Более 40 лет научно — исследовательские суда института бороздят воды Мирового океана. Они сделали около 200 рейсов, пройдя за это время более 4 млн. морских миль. Вихри открытого океана — первое звено в цепочке современных открытий — были обнаружены советской экспедицией в 1970 г. С тех пор каждый год приносит новые данные об их размерах, направлении вращения, температуре и энергии.
Нам еще предстоит многое узнать об океане, решить много загадок. Этим и занят большой отряд ученых — океанологов. Над чем они работают?
В число трех самых важных вопросов современной океанологии входит изучение микроструктуры океанских вод, турбулентности и внутренних волн.
Ученые изучают необычную жизнь в глубинах, еще недавно считавшихся пустынными, холодными и темными. При громадном давлении и высокой температуре там в экологических оазисах процветают богатые колонии невиданных ранее животных. Если Солнце погаснет, они это заметят не сразу.
Новейший глубоководный обитаемый аппарат «Мир» совместной советско — финской постройки. Рассчитан на работу на глубинах до 6 тыс. м.
Движение литосферных плит{Слова, выделенные курсивом, смотри в кратком словаре специальных терминов.}, происхождение гидротерм и их роль в образовании ценных сульфидных и корковых руд привлекают особое внимание морских геологов и биологов. Подводные руды — надежда металлургов. Еще не совсем ясно, как лучше их искать и добывать. Наиболее изучены поля железомарганцевых конкреций, но они обычно находятся на больших глубинах. Внутренние волны, еще недавно считавшиеся редким явлением, в настоящее время занимают умы ученых.
Одно из новых направлений — изучение влияния аномалий температуры воды в океанах на погоду континентов: в Атлантическом — Европы, Тихом — Америки, Индийском — Индии и Африки. Президент АН СССР академик Г. И. Марчук предложил проследить за влиянием на климат изменений параметров океана с помощью периодических измерений в отдельных его районах, относительно небольших по размерам, но характерных по совершающимся в них физическим процессам. Особенно там, где наиболее интенсивно идет теплообмен между океаном и атмосферой. Они названы энергоактивными зонами (ЭАЗо). Была создана «Программа исследования взаимодействия атмосферы и океана в целях изучения короткопериодных изменений климата».
Изучение короткопериодных колебаний климата (длительностью от месяца до нескольких лет) имеет большое значение для сельского хозяйства, потому что его успешное ведение очень зависит от погоды. Важно знать наперед погоду и многим другим отраслям народного хозяйства, например морскому и воздушному транспорту.
В Атлантическом и Тихом океанах выделено пять ЭАЗо: Норвежская, Ньюфаундлендская, зона Гольфстрима, Атлантическая тропическая и зона Куросио. Четыре раза в год здесь проводятся исследования на полигонах размерами 1500X2000 км. Однако некоторые океанологи считают, что необходимо брать большие площади. Высказываются мнения и за увеличение числа контролируемых ЭАЗо.
Программу выполняет около 10 % экспедиционного флота нашей страны: 25–30 рейсов в год делают научно — исследовательские суда. Наиболее интенсивное взаимодействие между океаном и атмосферой происходит в холодную половину года. В этот период во всех взятых под наблюдение энергоактивных зонах одновременно выполняется максимальная программа наблюдений. Конечная цель этой программы — создание математической модели взаимодействия океана с атмосферой. Это очень важная и трудная задача.
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.
