Текст книги "Как изучают Мировой океан"

Андрей Шарков
Как изучают Мировой океан

2-е издание, исправленное и дополненное

Рецензенты:

Доктор технических наук, профессор, заслуженный работник геодезии и картографии РФ, Президент гидрографического общества РФ

Н. А. Нестеров

Доктор военных наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ

А. И. Исмаилов

Доктор военных наук, профессор В. А. Катенин

Художник А. В. Егоров

© Шарков А. М., 2024

© Редакционно-издательское оформление. Издательство «Наука», 2024

От Акционерного общества «Государственный научно-исследовательский навигационно-гидрографический институт»

В 2024 г. Акционерному обществу «Государственный научно-исследовательский навигационно-гидрографический институт» исполняется 85 лет.

10 марта 1939 г. во исполнение Приказа Народного комиссара ВМФ на базе научно-исследовательского бюро Гидрографического управления РК ВМФ был сформирован Научно-испытательный гидрографическо-штурманский институт РК ВМФ (далее Институт).

Институт неоднократно реформировался в соответствии с решаемыми в определенный период времени задачами.

Предвоенная деятельность Института была направлена на разработку морских средств навигации и океанографии, в том числе отечественных штурманских приборов для кораблей ВМФ, что позволило отказаться от закупки их за рубежом.

В период Великой Отечественной войны сотрудники Института продолжили работу по созданию технических средств и методов навигации.

В послевоенные годы Институт занимался вопросами обеспечения штурманской техникой строящихся кораблей и навигационным обеспечением послевоенного траления. Институт принимал участие в развитии навигационного оборудования морей и спутниковых навигационных систем. Увеличение объема гидрографических работ обусловило участие в создании различных технических средств изучения Мирового океана, а также разработке методик их применения.

За достигнутые успехи в 1984 г. Институт награжден орденом Трудового Красного Знамени.

Постановлением Правительства РФ от 19 июня 1994 г. № 711 «О совершенствовании научных исследований в области навигации, гидрографии и океанографического обеспечения» Институт определен головной научно-исследовательской организацией РФ, ответственной за обоснование и разработку технической политики в области навигации, гидрографии, морской картографии. При этом ему присвоен статус «государственный».

После нескольких преобразований Институт в настоящее время имеет наименование: Акционерное общество «Государственный научно-исследовательский навигационно-гидрографический институт» (АО «ГНИНГИ»).

В 1988 г. в Институте образован специализированный Совет по защите кандидатских и докторских диссертаций, а в 1995 г. Институт начал издавать журналы «Навигация и гидрография» и «Научно-технический сборник».

Результаты научно-исследовательских, а также других работ, проводимых специалистами Института, нацелены на решение задач навигационно-гидрографического обеспечения оборонной и экономической деятельности на море, в том числе эффективного освоения Мирового океана.

В области гидрографии, геофизики и гидрометеорологии основные векторы работы Института направлены на создание средств и методов изучения параметров поля глубин, гравитационного и магнитного полей Земли, на автоматизацию гидрографических работ, методов создания и использования морских карт.

В целях расширения научной и практической деятельности Института в области изучения физических полей океана представляем книгу начальника управления гидрографии, геофизики и гидрометеорологии АО «ГНИНГИ» доктора технических наук, доцента Шаркова Андрея Михайловича. Книга предназначена для людей молодого поколения, которым предстоит выбрать дальнейший путь в жизни. Доходчивое изложение основных положений гидрографической науки, а также методов проведения гидрографических работ делает книгу интересной для широкого круга лиц, интересующихся процессом изучения Мирового океана.

Автор книги – гидрограф с многолетним стажем работы, капитан 1-го ранга запаса. За период военной службы получил большой опыт самостоятельного выполнения различных видов навигационно-гидрографического обеспечения действий сил и средств ВМФ.

После окончания военной службы А. М. Шарков неоднократно принимал участие в выполнении общероссийских и международных проектов в области навигационно-гидрографического обеспечения в качестве руководителя или ответственного исполнителя, выполнял обязанности начальника научных экспедиций по изучению физических полей Мирового океана.

На протяжении нескольких лет А. М. Шарков является руководителем дипломных работ гидрографов, выпускников Морского корпуса Петра Великого – Санкт-Петербургского Военно-морского института и председателем Государственной комиссии по приему выпускных экзаменов в Российском государственном гидрометеорологическом университете по профилю подготовки (специализации) «Геоинформационное обеспечение гидрометеорологической и гидрографической деятельности в Арктике».

Полученный А. М. Шарковым опыт изучения Мирового океана был использован при написании данной книги.

Учитывая, что многие вопросы современной гидрографии в книге не затрагиваются, можно надеяться, что автор продолжит работу в этой области.

Генеральный директор АО «ГНИНГИ» кандидат технических наук В. М. Смолин

Предисловие от автора

Дорогие ребята!

Школьные годы – прекрасное время, когда есть возможность насладиться беззаботной жизнью. Но чем ближе окончание школы, тем чаще каждый из вас начинает задумываться: а что дальше? Чем заниматься во взрослой жизни? Пойти работать или продолжить обучение? Какую профессию выбрать?

В этой книге я на простом, доступном языке расскажу вам о профессии гидрографа. Это одна из многих удивительных профессий, занимающихся изучением Мирового океана.

Возможно, вы мечтаете о выдающихся открытиях, об исследованиях новых миров, хотите показать человечеству то, о чем оно еще не знает. Если это так, то изучение Мирового океана как раз для вас. Океан исследован и изучен не так обстоятельно, как космос, и вероятность найти что-то новое в глубинах океана гораздо выше, чем в космосе.

Цель написания этой книги – сформировать общее представление о работе гидрографа. Полученные начальные сведения помогут с выбором профессии всем тем, кто решит связать свою жизнь с морем.

Если кто-то из вас после прочтения этой книги примет решение выбрать гидрографию в качестве своей будущей специальности, значит, книга написана не зря.

Часть 1
Общие сведения о гидрографии

Глава 1
Основные профессии специалистов, изучающих Мировой океан

Большую часть поверхности Земли (72 %) занимает вода. Совокупность вод океанов, морей и поверхностных вод суши носит название гидросфера. Значительной ее частью является Мировой океан, объем воды которого составляет около 98 % гидросферы.

Специалистов, изучающих Мировой океан с разных направлений и с разными целями, достаточно много. Полученная ими информация обеспечивает эффективное и безопасное использование морей и океанов в интересах человека. Это – судоходство, рыбная ловля, туризм и т. п.

В данной главе я расскажу об основных профессиях людей, изучающих Мировой океан.

К основным профессиям относятся:

1. Гидрограф. Специальность – гидрография.

2. Гидрометеоролог. Состоит сразу из двух хотя и взаимосвязанных, но все же различных специальностей: 1-я специальность – гидрология, 2-я – метеорология.

3. Картограф. Специальность – морская картография.

Именно эти специалисты создают картографический и описательный материал, который в своей профессиональной деятельности используют все остальные.

На рис. 1.1 наряду с указанием этих специальностей изображена чашка чая. Она здесь не случайно, сейчас объясню почему. На ее примере будет показано, чем занимается каждая специальность.

Рис. 1.1. Основные профессии специалистов, изучающих Мировой океан.

Итак, в путь!

1-я специальность – гидрография.

В Большой Российской энциклопедии дано следующее определение: «Гидрография (от греч. hydor – вода и grapho – пишу) – прикладная наука, занимающаяся описанием и исследованием океанов, морей, озёр, водохранилищ, рек и других водных объектов с целью обеспечения безопасности судоходства и повышения эффективности использования судов торгового, пассажирского и промыслового флотов, кораблей Военно-Морского Флота» [1].

Это определение показывает, что гидрограф занимается измерением и описанием характеристик океанов, морей, а также прогнозированием их изменения. Основная цель изучения морей и океанов – это поддержка таких видов морской деятельности, как мореплавание, рыболовство, туризм, оборона, научные исследования и защита окружающей среды.

Именно гидрограф описывает подводный рельеф, обследует объекты, как лежащие на дне, так и находящиеся под слоем ила, изучает грунт.

Если в качестве примера рассмотреть чашку чая, то это тот, кто изучает чашку изнутри под налитым в нее чаем. Чем покрыты стенки чашки – стеклом или керамикой? Ровное у нее дно или изогнутое? Треснувшее или нет? Что лежит на дне чашки – кусочек сахара или листочек мяты? Ответы на эти вопросы даст гидрограф.

Рис. 1.2. Изображение подводного рельефа, полученное с использованием современных технических средств.

В своей работе именно гидрограф опишет рельеф дна, изображенный на рис. 1.2 [2]. Гидрограф определит, что это за подводный объект изображен на рис. 1.3 [3] – затопленное это судно или выход скальных пород?

Рис. 1.3. Неопознанный подводный объект.

2-я специальность – гидрометеорология (от греч. hydor – вода, meteora – атмосферные явления и logos – учение).

Как уже было сказано, состоит она сразу из двух специальностей. Это гидрология и метеорология.

В Большой Российской энциклопедии дано следующее определение: «Гидрология – это наука, занимающаяся изучением природных вод, явлений и процессов, в них протекающих» [1].

Гидрология исследует вопросы круговорота воды в Мировом океане, влияния на нее деятельности человека и управления режимом водных объектов. Сама гидрология как наука тоже состоит из двух частей. Это гидрология суши и океанология.

Гидрология суши – раздел гидрологии, изучающий водные объекты суши – реки, озера, водохранилища, болота, ледники. Океанология (от греч. ocean – океан и logos – учение) – наука, включающая совокупность дисциплин, изучающих физические, химические, биологические и геологические процессы, протекающие в океане в целом, в его отдельных регионах, исследует структуру его вод, свойства морской воды [1]. В этой книге мы будем рассматривать работу в океане.

В нашем примере с чашкой чая океанолог – это тот, кто изучает налитый в чашку чай. Крепкой заварки он или слабой? Черный чай или зеленый? Горячий он или остывший? Прозрачный или темный? Что за кусочек лимона плавает на поверхности (это аналог льда в водоемах)? Ответы на эти вопросы даст океанолог.

В своей работе именно океанолог даст ответ на вопросы: почему вода, изображенная на следующем рисунке, состоит из двух разных частей и почему эти части не перемешиваются между собой? Чем одна часть воды отличается от другой (рис. 1.4 [4])?

Рис. 1.4. Устойчивые, не перемешивающиеся между собой водные массы с различными характеристиками.

Метеорология (от греч. meteora – атмосферные явления и logos – учение).

Большой энциклопедический словарь дает следующее определение: «Метеорология – это наука о земной атмосфере и происходящих в ней процессах» [5].

Метеоролог сможет предсказать состояние погоды и выдать рекомендации по ее учету в планируемой деятельности на море.

В нашем примере с чаем метеоролог – это тот, кто изучает пар, идущий от чашки. В какую сторону он пойдет? Высоко ли над чашкой он поднимется? Густой он или еле заметный?

В своей работе именно метеоролог объяснит, что это за странные облака на рис. 1.5 [6] и можно ли судам выходить в море в таких условиях?

Рис. 1.5. Плотная облачность над прибрежным городом.

Для обеспечения безопасности при выполнении работ на море необходим совместный анализ гидрологической и метеорологической информации, что и привело к появлению единой специальности – гидрометеорологии.

Гидрометеоролог сможет предсказать наступление такого опасного явления, как обледенение судов, и выработать рекомендации судоводителям, как избежать подобной ситуации (рис. 1.6 [6]).

Рис. 1.6. Затопление судна, вызванное обледенением.

3-я специальность – картография (от греч. chartes – папирус, лист бумаги и graphein – писать) – это изучение, практика создания и использования карт.

Большой энциклопедический словарь дает следующее определение: «Картография – это наука, включающая теорию, методику и технические приемы создания и использования географических карт» [5].

В нашем примере с чашкой чая это фотограф, сделавший фотографию чашки. Причем именно фотограф, а не художник. Отличие фотографа от художника в том, что фотограф абсолютно точно передает все увиденное, а художник может внести в рисунок свое представление, что хотя и украсит его, но в чем-то исказит действительность, а искажения, от которых зависит безопасность морской деятельности, недопустимы.

В своей работе картограф создает карту, на которую наносятся и специальным образом обозначаются все объекты и явления, изученные и описанные как гидрографом, так и гидрометеорологом.

На рис. 1.7 [7] приведена морская навигационная карта, показывающая выход из Северного Ледовитого океана в Тихий океан.

Рис. 1.7. Морская навигационная карта.

Глава 2
Рельеф дна Мирового океана

Как только человек стал плавать в море, а моряки об этом говорят «ходить по морям», он начал изучать рельеф дна. Чем больше становились суда и чем на большее расстояние они могли отойти от берега, тем 66 лыпие глубины приходилось измерять. На протяжении сотен лет самым глубоководным измерительным прибором был ручной лот — приспособление, позволяющее измерить глубину на несколько десятков метров. О нем будет рассказано в следующих главах. Но помимо выполнения конкретной задачи по обеспечению безопасности судовождения, для решения которой измеряли глубину, человечество всегда интересовал вопрос: а что находится глубже? Ответа на этот вопрос не было.

На карте полуострова Крым начала XIX в. (рис. 2.1 [8]) отчетливо видно, что глубина измерена только до 60 метров. Что далее – неизвестно.

Рис. 2.1. Фрагмент морской карты полуострова Крым начала XIX в.

Полагали, что все Черное море имеет равную глубину, что хорошо видно на общей карте, также изданной в начале XIX в. (рис. 2.2 [8]).

Рис. 2.2. Общая карта Черного моря начала XIX в.

Как видно, только прибрежная полоса имеет измеренные глубины. Дальше информация отсутствует. Анализ информации, представленной на карте, показывает, что остальная часть моря имеет одинаковую глубину. Объясняется это просто – имевшиеся в то время средства измерения не доставали до дна и не позволяли измерить большие глубины.

Первое предположение о том, что на больших глубинах рельеф дна такой же сложный, как и на суше, выдвинул в своей книге «20 тысяч лье под водой», опубликованной в 1869 г., французский писатель Жюль Верн. Если вы до сих пор не прочитали этот крайне занимательный и поучительный роман, то наверняка видели советскую кинокартину «Капитан Немо» (1975 г.) режиссера Василия Левина, в которой подводная лодка «Наутилус» обследовала подводные горы, впадины, каньоны, террасы. Но на протяжении долгих десятилетий это был лишь вымысел фантаста. Документальных подтверждений тому, что рельеф дна такой же сложный, как на суше, не было.

Только появление в первой половине XX в. такого прибора, как эхолот, позволяющего измерять большие глубины, открыло человечеству правду о том, какой на самом деле рельеф дна океана. Оказалось, что он даже более сложный и более изрезанный, чем рельеф суши. Ведь самая большая гора Эверест высотой 8 800 метров значительно меньше самой глубокой впадины – Марианского желоба, имеющего глубину почти 11 000 метров.

Но вернемся к Черному морю. На рис. 2.3 [9] показан фактический рельеф дна.

Рис. 2.3. Рельеф дна Черного моря.

На рис. 2.4 [9] приведена современная морская карта, позволяющая оценить общий рельеф и увидеть, как изменяется глубина от побережья к центральной части моря.

Рис. 2.4. Современная карта Черного моря.

Сейчас известно, что подводный рельеф не менее разнообразен, чем рельеф материков (рис. 2.5 [10]).

Рис. 2.5. Общий рельеф дна океана.

Основные части подводного рельефа – шельф, материковый склон, ложе океана, глубоководные желоба, срединно-океанические хребты, подводные котловины, океанические плато, острова. Более подробно рельеф дна вы будете изучать на уроках географии. Цель книги, которую вы сейчас читаете, показать, как получают и обрабатывают информацию, на основе которой картографы строят модели дна океанов. Получает эту информацию специалист-гидрограф.

Каждый раз, когда вы видите карту, следует понимать, что фактический рельеф значительно сложнее, чем указано. Для примера на рис. 2.6 [10] приведены изображение Тихого океана из школьного атласа и карта фактического рельефа дна. Для того чтобы, глядя на карту, понять, насколько рельеф сложен, необходимо научиться правильно ее читать. Тогда вам не потребуется искать изображение рельефа. Помогут прочитать карту условные знаки, приведенные на карте.

Рис. 2.6. Сравнение рельефа дна Тихого океана, указанного на физической карте, с картой фактического рельефа.

Глава 3
Становление гидрографии как специальности

С незапамятных времен, как только люди начали осваивать просторы морей, стало понятно, что для безопасного плавания необходимо знать глубину. Только в том случае, если глубина достаточно большая, судно может свободно маневрировать на любой скорости, а при приближении к берегу подойти к нему близко и при этом избежать посадки на мель.

Указывались глубины на картах морей и рек. Основным содержанием подобных карт, помимо глубин, были конфигурация береговой черты и подходы к воде со стороны берега. Все элементы, нанесенные на карту, должны были максимально точно соответствовать их фактическому положению на акватории и на местности. Сейчас этот процесс носит название привязка объекта к координатам.

Карты изготавливались в единичных экземплярах и высоко ценились среди моряков. Каждая карта принадлежала специалисту, который ее создал, или тому моряку, кто заплатил за ее изготовление. Изготовители и пользователи морских карт имели комплект только на тот участок моря, где они работали. Морские карты ценились так высоко, что до Средних веков фиксировались случаи пиратских нападений на суда только с одной целью – завладеть имевшимися на борту картами.

На небольшом расстоянии от берега для измерения глубины использовали шест с нанесенными делениями. Если шест полностью уходил под воду и не доставал при этом дна, значит, проход судов безопасный. Если шест доставал дно, то по значению деления, совпадавшему с уровнем воды, определялась глубина в точке выполнения измерений. Шест, как очень простой и надежный инструмент, использовался на протяжении сотен лет. Даже в настоящее время, когда созданы суперсовременные технические средства измерения глубины, в отдельных акваториях такой метод может быть применен. Этот вид работ называется пеший промер и выполняется в труднодоступных участках акваторий (рис. 3.1 [11]).

Рис. 3.1. Измерение глубин шестом. Фотография XIX в.

В местах, где рельеф дна изобилует подводными опасностями и работать с лодки нельзя из-за возможности повредить ее корпус, измерения глубин выполнялись зимой со льда. Этот вид работ носит название ледовый промер (рис. 3.2 [11]).

Рис. 3.2. Измерение глубин шестом со льда в Карелии.

Фотография XIX в.

На фотографии видно, что группа работников состоит из трех человек: руководителя работ (в центре), работника, непосредственно измеряющего глубину (справа), и работника, записывающего значения измеренной глубины (слева). Обратите внимание на высокий шест, находящийся за спиной второго работника. Он поставлен специально для того, чтобы с берега можно было заметить и зафиксировать место на акватории, в которой измерялась глубина.

Промер с помощью шеста позволял выполнять абсолютно точные измерения, но его использование было ограничено глубиной до 5–6 метров.

На больших глубинах, далеко от берега, для измерения использовали простой, но очень надежный прибор – ручной лот. Это длинная веревка с грузом на конце и завязанными через равные промежутки узлами. Чем больше вытравлено веревки, тем глубже. Узлы были особым образом помечены, что позволяло записать значение измеренной глубины. Использование ручного лота позволяло измерить глубины на десятки метров, что обеспечивало безопасное плавание любых надводных судов.

Ручной лот, как и шест, используются настолько давно, что имена тех, кто начал применять их первыми, не сохранились. Да это и невозможно сделать, так как эти приборы настолько просты в применении, что использовались по всему миру (рис. 3.3 [11]).

Рис. 3.3. Измерение глубин ручным лотом.

Рисунок XIX в.

Ручной лот позволял измерять глубину в любом районе, но приходилось учитывать особенности его применения. Моряки понимали, что значения могут быть неточными или, как говорят специалисты, «выполнены с погрешностью». Ошибка в измерении глубины обусловливалась тем, что лот сносит течением, как это показано на рис. 3.4 [11].

Рис. 3.4. Погрешности при измерении глубины ручным лотом.

Чем сильнее течение, тем больше лот сносило в сторону и тем большей была погрешность в измерениях. В случае, если глубина была небольшой, а течение – сильным, могло показаться, что глубина позволяет безопасно пройти судну. Фактически же судно могло сесть на мель. Так выяснилось, что любые измерения, от которых зависит безопасность судна, необходимо тщательно проверять.

Все же лот был и остается очень надежным и простым в использовании средством измерения. На небольших судах, где не требуется использования дорогостоящего оборудования, ручные лоты применяются до настоящего времени (рис. 3.5 [11]).

Максимальная глубина, которую на судне измеряли ручным лотом, составляла несколько десятков метров. С появлением в XVIII–XIX вв. механических лебедок она увеличилась до нескольких километров, что давало возможность описать рельеф дна не только в прибрежной полосе, а на большом удалении от берега. Использование лота положило начало массовому картографированию рельефа дна, выполняемому с целью обеспечения безопасности судовождения.

Рис. 3.5. Современный ручной лот.

Первые сведения о попытке определения глубины Мирового океана на большом удалении от берега относятся к 1520 г. Члены экспедиции португальского и испанского мореплавателя Фернана Магеллана во время первого кругосветного путешествия, находясь в Тихом океане, опустили лот на максимально возможную глубину. Дно обнаружено не было. После нескольких безуспешных попыток измерения были прекращены.

Измерения глубины лотом продолжались только в мелководных районах. Следующие задокументированные сведения об измерении глубины в открытом море относятся уже ко 2-й половине XIX в.

После измерения глубин полученные данные обобщаются, определяются пути для безопасного прохода судов, которые обозначаются на акватории с помощью плавающих буев или стационарных знаков (рис. 3.6 [12]).

Рис. 3.6. Обозначение на акватории безопасного прохода для судов стационарными знаками.

Обозначаются все объекты, представляющие опасность для судов, как видимые, так и скрытые под водой (рис. 3.7 [12]).

Рис. 3.7. Обозначение на акватории навигационных опасностей.

Чем интенсивнее осуществлялось судоходство, тем яснее становилось, что только одного знания о глубине недостаточно для того, чтобы обеспечить безопасное судовождение. Необходимо знать состав грунта. У моряков возникали вопросы. Почему в одних местах судно стоит на якоре, не меняя своего места, а в других постепенно перемещается под воздействием ветра и течения? Почему в одном месте поднять якорь просто, а в других это сделать очень тяжело?

Наблюдения показали, что ответы на эти вопросы дает знание о характере грунта морского дна. Ведь если внизу сплошная каменная плита, то якорю будет не за что зацепиться и судно не сможет устоять в одной точке. Если дно, наоборот, состоит из толстого слоя ила, то судно будет стоять «как вкопанное», но его якорь может настолько сильно в нем завязнуть, что для его поднятия будет недостаточно силы матросов, несущих дежурство, и потребуется привлечение всей команды без исключения. Подобные работы, требующие общего сбора, на судах носят название аврал.