Текст книги "Удивительная океанология"

Викентий Юльевич Преображенский
Удивительная океанология

Океанология: первое знакомство

Земля – самая водная планета Солнечной системы. При этом бо́льшая часть поверхности Земли покрыта океанами и морями, и вся эта вода представляет собой своеобразный огромный термостат – летом он не дает Земле перегреваться, а зимой постоянно снабжает континенты теплом. К тому же океан поглощает избыток углекислого газа в атмосфере, и без него Земля перегрелась бы из-за «парникового эффекта».

Океан – это составляющая часть Мирового океана, то есть всей совокупности водной оболочки земного шара. Он расположен среди материков, обладает системой циркуляции вод и другими специфическими особенностями. Океан находится в непрерывном взаимодействии с атмосферой и земной корой.

В свою очередь, море – это тоже часть Мирового океана, обособленная сушей или возвышениями подводного рельефа.

Море отличается от океана гидрологическим, метеорологическим и климатическим режимом, что связано, как правило, с окраинным положением по отношению к океану.

Моря бывают окраинными, внутренними, изолированными (замкнутыми), полуизолированными (полу замкнутыми), межконтинентальными (средиземными) и межостровными.

Площадь поверхности Мирового океана, в состав которого входят океаны и моря, составляет около 71 % поверхности Земли (порядка 361 миллиона квадратных километров).

Общий объем воды на Земле составляет около 1500 миллионов кубических километров. Чтобы осознать это количество, представим себе: если бы эту воду было можно равномерно распределить по поверхности Земли, то толщина ее слоя составила бы почти четыре километра.

А если бы растаяли все ледники, уровень воды на Земле поднялся бы на 64 метра, и примерно 1/8 поверхности суши была бы затоплена водой.

Наука, изучающая моря и океаны, называется океанологией.

Как и в любой другой науке, в океанологии имеют место теоретические и эмпирические (экспериментальные) исследования. Понятно, что они тесно взаимосвязаны. Термин «эмпирический» происходит от греческого слова «эмпейриа» (опыт). Но данные, получаемые в экспериментах, требуют еще и теоретического осмысления, поскольку без этого нельзя составить целостную картину устройства изучаемого объекта. А теоретические модели, в свою очередь, подсказывают, как организовать последующие опыты, чтобы получить еще больше новых знаний.

До недавнего времени основным средством экспериментального изучения морей и океанов (если не считать путевых наблюдений обычных мореплавателей) были морские экспедиции на научно-исследовательских судах. Естественно, такие суда специально оснащаются множеством приборов: для измерения температуры воды, ее химического состава, скорости течений и т. д. Эти приборы называются океанографическими.

Первые попытки измерить температуру воды на различных глубинах морей и океанов были сделаны в XVIII веке, но систематическое изучение глубин, течений и ветров началось только в XIX веке.

Очень многое для исследования Мирового океана сделали русские моряки. Только в первой половине XIX века они совершили около сорока кругосветных плаваний, целью которых было налаживание морских связей с русскими владениями на Аляске, с Алеутскими и Курильскими островами. Но попутно русские мореплаватели открыли сотни новых островов, части побережий материков и т. д. Эти кругосветные плавания имели очень большое значение для развития только зарождавшейся тогда океанологии.

Начало подобным исследованиям положила первая русская кругосветная экспедиция на шлюпах «Надежда» и «Нева», предпринятая в 1803–1806 годах под командованием капитанов И. Ф. Крузенштерна (1770–1846) и Ю. Ф. Лисянского (1773–1837).

В экспедицию были специально приглашены немецкие ученые: астроном Горнер, естествоиспытатели Тилезиус и Лангсдорф. Они изучали температуру воды на различных глубинах от поверхности до 366 метров, ее удельный вес, наблюдали свечение моря, приливы и течения в Атлантическом и Тихом океанах, в Балтийском, Охотском, Японском и Южно-Китайском морях. Они установили, что соленость воды в морях ниже, чем в океанах, а соленость Тихого океана ниже, чем Атлантического. Кроме того, на картах было исправлено положение более 100 географических пунктов, были сделаны зарисовки, собраны различные коллекции.

После плавания Крузенштерна и Лисянского глубоководные исследования стали обязательными в программе работ многих русских и иностранных экспедиций XIX века.

А в 1815–1818 годах русская кругосветная экспедиция на бриге «Рюрик» под командованием О. Е. Коцебу (1788–1846) стала первой экспедицией, специально снаряженной для научных исследований малоизвестных районов Тихого океана. Участники этой экспедиции сделали более 300 измерений температуры и плотности воды на поверхности океана, 83 измерения температуры на различных глубинах до 1829 метров, впервые провели наблюдения над прозрачностью воды и т. д.

Кстати, О. Е. Коцебу первым описал коралловые острова и высказал гипотезу об их образовании.

Но наиболее выдающимся по научным результатам было плавание в Антарктиду русских моряков Ф. Ф. Беллинсгаузена (1778–1852) и М. П. Лазарева (1788–1851), предпринятое в 1819–1821 годах на двух шлюпах – «Восток» и «Мирный». Это было очень рискованное плавание: русским морякам впервые пришлось встретиться с суровой антарктической природой. Тем не менее 28 января 1820 года шлюпы подошли к берегам Антарктиды, и этот день и поныне считается датой одного из величайших географических открытий – открытия последнего, шестого континента.

Разумеется, исследования морей и океанов проводили не только русские. Например, в 1819–1820 годах английская экспедиция Уильяма Эдуарда Парри (1790–1855) на судах «Гекла» и «Грайпер» провела глубоководные измерения температуры воды в северной части Атлантического океана. Аналогичные наблюдения проводились в 1825–1828 годах на английском судне «Блоссом» под командованием Фредерика Бичи (1796–1856) в Атлантическом и Тихом океанах и в Беринговом море. А французская экспедиция Жюля Себастьена Дюмон д’Юрвиля (1790–1842) на судне «Астролябия» в 1826–1829 годах провела первые глубоководные наблюдения в морях Восточно-Индийского архипелага и нанесла на карту северные берега Новой Гвинеи и Новой Зеландии.

Примеры и имена отважных мореплавателей можно было бы приводить еще очень долго; им посвящено немало книг. Здесь же мы только хотели показать, что океанология – наука относительно молодая. И приборы, без которых невозможно ее существование, появились сравнительно недавно.

В 1839 году русский ученый-мореплаватель Ф. П. Литке (1797–1882) предложил создать прибор, записывающий уровень моря, – приливомер. Эту идею воплотил в жизнь академик Э. Х. Ленц. Под его руководством приливомер был построен и впервые установлен на берегах Тихого океана в Ново-Архангельске (Русская Америка), а затем на берегах Северного Ледовитого океана.

Понятно, что первые океанографические приборы были весьма простыми; они опускались с борта корабля на металлическом тросе с помощью обычной лебедки. Но тем не менее именно с их помощью в конце XIX века были заложены основы целостного изучения природы Мирового океана.

Впрочем, это только кажется, что приборы были простыми. На самом деле вот задачка даже для современного человека: как снять показания прибора, находящегося на глубине в несколько километров?

Казалось бы, надо поднять его на поверхность. Но за время подъема прибор пройдет через самые разные слои воды, и его показания многократно изменятся… В XIX веке люди нашли весьма оригинальное решение этой проблемы. Чтобы зафиксировать, например, значение температуры на нужной глубине, они использовали особый «опрокидывающийся» термометр. После переворачивания «вверх ногами» такой термометр уже не менял своих показаний и фиксировал температуру воды именно на той глубине, на которой произошло опрокидывание. А почему он больше не менял показаний? Да потому, что на нужной глубине в этом ртутном термометре капилляр сужался вблизи резервуара ртути, а при опрокидывании термометра столбик ртути отрывался от резервуара, фиксируя показание. А как термометр опрокидывался? Сигналом к этому служило падение посыльного грузика, который соскальзывал вниз по несущему тросу.

Морские приборы XIX века: секстант, компас

Аналогичным образом при переворачивании закрывались и горловины сосудов для отбора проб воды на химический анализ. Такие сосуды были названы батометрами.

В 1832 году известные физики, профессор Тартуского университета Иоганн Фридрих Паррот (1767–1852) и академик Петербургской Академии наук Эмилий Христианович Ленц (1804–1865) разработали новый тип батометра: они соединили его с термометром, изолированным от влияния давления воды. Они также сконструировали первый глубомер – устройство для погружения в толщу воды измерительных приборов и для определения глубины моря.

В последние годы на смену таким сравнительно простым, но весьма оригинальным приборам, долгое время верой и правдой служившим океанографам, стали приходить их электронные «собратья», которые опускают в толщу морских вод на токопроводящем кабеле. Через такой кабель прибор сообщается с бортовым компьютером, который сразу же запоминает и обрабатывает данные, поступающие из глубины.

Но и таких устройств, более точных и более удобных в обращении, чем их предшественники, явно недостаточно для получения полной картины состояния Мирового океана. Дело в том, что его размеры столь велики, что даже самому быстроходному судну потребовалось бы много десятилетий, чтобы побывать повсюду. Да в этом и нет смысла, ибо состояние вод постоянно меняется, подобно тому, как меняется погода в атмосфере. В результате можно получить лишь фрагментарную картину, к тому же сильно искаженную из-за растянутости наблюдений во времени.

Современное научно-исследовательское судно

По этой причине на помощь океанологам сейчас пришли искусственные спутники Земли, совершающие несколько оборотов в течение суток либо же «неподвижно» зависающие над какой-либо точкой. Главный принцип тут – регистрация испускаемого поверхностью океана электромагнитного излучения. Анализируя это излучение, улавливаемое спутниковыми приборами, можно определять практически все: и температуру поверхности океана, и скорость течения, и высоту волн, и многое-многое другое.

Кстати, а чем отличается океанология от океанографии? Мы уже несколько раз употребляли эти слова, и настало время ответить на этот вопрос.

Более двух третей поверхности Земли занято морями и океанами, и их изучает наука океанология. Другое ее название – океанография.

Термин «океанология» происходит от слова «океан» и греческого слова логос, что значит «суждение» или «высказывание». В свою очередь, термин «океанография» происходит от слова «океан» и греческого слова графия, что значит «пишу» или «описываю».

В принципе, эти два термина можно считать синонимами. Первое из них чаще используется в России, а второе – в Америке и западноевропейских странах. Иногда под океанографией подразумевают простое описание того, что мы можем непосредственно наблюдать, тогда как к океанологии относят более глубокое проникновение в суть явлений и процессов, протекающих в океане.

А вот полное научное определение, данное в Большой советской энциклопедии:

Океанология (океанография) – это совокупность научных дисциплин о физических, химических, геологических и биологических процессах в Мировом океане. Целесообразность объединения физики, химии, геологии и биологии океана в единую науку определяется единством среды, в которой происходят разнородные процессы, многообразными взаимодействиями между ними, общей методологической основой их изучения – исследованием трансформации и обмена энергии и веществ в океане, единством основных технических средств исследования. Главные практические цели океанологии – обеспечение безопасности и повышение эффективности надводного и подводного мореплавания, использование биологических минеральных и энергетических ресурсов вод и дна океана, усовершенствование методов прогноза погоды.

Океанология делится на следующие семь разделов:

– морская биология, или биологическая океанография, изучает флору и фауну морей и океанов, а также их экологические взаимодействия;

– химическая океанология изучает химию морей и океанов;

– морская геология, или геологическая океанография, изучает геологию и минеральные ресурсы морского и океанического дна;

– отдельный раздел изучает взаимодействие океана и атмосферы;

– физическая океанология изучает физические свойства морской воды (термодинамика, акустика, оптика), динамические процессы (течения, волны, приливы), а также структуру водных масс;

– техническая океанология изучает и разрабатывает приборы, используемые в океанологии, обеспечивает их применение в научных экспедициях;

– промысловая океанология изучает влияние среды обитания на воспроизводство, распределение и поведение скоплений промысловых объектов с целью рациональной эксплуатации биологических ресурсов Мирового океана.

Какая разница между океаном, морем, бухтой и заливом? Понятно, что океан больше моря. Он представляет собой огромное водное пространство, простирающееся на сотни километров. Например, длина Атлантического океана с севера на юг составляет 13 335 километров.

Всего на Земле четыре океана: Тихий, Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый. Самый маленький из океанов – Северный Ледовитый. Он же и самый мелководный: его средняя глубина составляет «всего» 1225 метров. А вот в Тихом океане есть место, глубина которого превышает 11 километров (это высота 170 двадцатиэтажных домов, поставленных друг на друга).

Моря гораздо меньше по размерам. Существуют два вида морей: внутренние и наружные. Внутреннее море со всех сторон окружено континентом (например, Средиземное море), а наружное лишь примыкает к нему (например, Баренцево море). А еще по степени обособленности и особенностям гидрологического режима моря подразделяются на внутренние (средиземные и полузамкнутые), окраинные и межостровные. По географическому положению средиземные моря иногда делят на межматериковые и внутриматериковые.

Самое большое в мире – это Филиппинское море. Его площадь составляет 5726 тысяч квадратных километров. Правда, есть еще и Саргассово море, площадь которого составляет около 7000 тысяч квадратных километров, но оно особенное. Это море находится в Атлантическом океане и ограничивается весьма условно – течениями: на западе – Гольфстримом, на севере – Северо-Атлантическим, на востоке – Канарским, на юге – Северным Пассатным.

Слова «залив» и «бухта» являются практически взаимозаменяемыми. Более часто используется слово «залив». Некоторые заливы по размерам превосходят многие моря. Например, Мексиканский залив имеет площадь в 1544 тысяч квадратных километров, а длина его береговой линии от мыса Сейбл (штат Флорида, США) до мыса Каточе (Мексика) составляет 500 километров.

Глубина воды в заливах или бухтах не бывает слишком уж большой, и это неудивительно. Дно моря постепенно поднимается, и со временем залив может стать сушей.

В настоящее время принято разделять Мировой океан на четыре отдельных океана (Тихий, Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый). Выделяют также Южный океан, не имеющий четко очерченной островами и континентами северной границы, – это условное название вод трех океанов, окружающих Антарктиду. Его иногда неофициально называют «пятым океаном».

Бассейн Тихого океана насчитывает 31 море: море Аки, море Бали, море Банда, Берингово море, море Висаян, Внутреннее Японское море, Восточно-Китайское море, Желтое море, море Камотес, Коралловое море, море Коро, Новогвинейское море, море Минданао, Молуккское море, Охотское море, море Савву, море Самар, море Серам, море Сибуян, Соломоново море, море Сулавеси, море Сулу, Тасманово море, море Тувалу, море Фиджи, Филиппинское море, море Флорес, море Хальмахера, Южно-Китайское море, Яванское море и Японское море.

Бассейн Атлантического океана включает 28 морей: Азовское море, Балтийское море, Гебридское море, Ирландское море, Карибское море, Кельтское море, море Ирмингера, море Лабрадор, Мраморное море, Саргассово море, Северное море, Ваттовое море, Средиземное море, Адриатическое море, море Альборан, Балеарское море, Ионическое море, Кипрское море, Кипкийское море, Левантинское море, Лигурийское море, Тирренское море, Эгейское море, Икарийское море, Критское море, Миртойское море, Фракийское море и Черное море.

В бассейне Индийского океана – 6 морей: Андаманское море, Аравийское море, Арафурское море, Красное море, Лаккадивское море и Тиморское море.

К бассейну Северного Ледовитого океана относятся 15 морей: Баренцево море, Печорское море, море Баффина, Белое море, море Бофорта, море Ванделя, Восточно-Сибирское море, Гренландское море, море принца Густава-Адольфа, море кронпринца Густава, Карское море, море Лаптевых, море Линкольна, Норвежское море и Чукотское море.

Бассейн Южного океана охватывает 13 морей: море Амундсена, море Росса, море Уэдделла, море Скоша, море Лазарева, море Дейвиса, море Беллинсгаузена, море Моусона, море Рисер-Ларсена, море Содружества, море Космонавтов, море Сомова и море Дюрвиля.

Кроме того, к морям относят крупнейшие озера (Аральское море, Каспийское море и Мертвое море), а также крупные заливы (Бенгальский, Гудзонов, Мексиканский и Персидский).

Итого на Земле сейчас имеется около сотни морей.

Однако такое разделение существовало не всегда. Как мы уже говорили, Мировой океан охватывает Землю непрерывным покровом, и его отдельные части не имеют четких естественных границ. Их выделение происходило постепенно, по мере развития человеческих знаний.

Первым, по-видимому, стал известен Индийский океан, который в древности назывался «Восточным». В его названии отразилось стремление европейцев найти водный путь в сказочно богатую и диковинную, как тогда считалось, страну – Индию. Знаменит Индийский океан и своими исключительно теплыми морями, расположенными в его северной части. В Персидском заливе, например, вода летом прогревается до +35 °C.

А вот Атлантический океан свое нынешнее название получил по имени титана Атланта, согласно греческой мифологии, державшего на своих плечах небесный свод. В разное время его называли по-разному: «Море за Геркулесовыми столбами», «Западный океан», «Море мрака» и т. д. Название «Атлантический океан» впервые появилось в 1507 году на карте немецкого картографа Мартина Вальдземюллера (это была первая карта, на которую было нанесено название «Америка»), и с тех пор именно это название утвердилось в географии.

Самый большой из океанов – Тихий – занимает более трети поверхности Земли. Поэтому он по праву носит еще одно название – Великий. А вот название «Тихий» он получил с легкой руки знаменитого мореплавателя XVI века Фернана Магеллана (1480–1521), первым из европейцев пересекшего его.

В 1519 году Магеллан с пятью кораблями оставил испанские берега и поплыл по пути, по которому плыл Колумб, но, дойдя до Америки, он повернул на юг, обогнул Южную Америку и вышел в новый океан.

Почти четыре месяца плыл по нему Магеллан, не видя земли. И почти все это время погода стояла прекрасная, что и побудило мореплавателя назвать этот океан Тихим.

А пролив между южной оконечностью Южной Америки и островом Огненная Земля, по которому прошел Магеллан, назвали Магеллановым проливом.

Фернан Магеллан

Теперь по Тихому океану очень спокойно и очень быстро ходят корабли, и всякий матрос знает, что его ждет впереди; а тогда не знали этого ни капитан, ни матросы. Нужно быть отчаянно смелым, чтобы почти четыре месяца плыть, не зная куда, не видя берегов и других кораблей…

Однако позже мореплаватели убедились в том, что этот «тихоня» – как раз самый бурный и непредсказуемый из всех океанов.

А вот самый спокойный и самый маленький, но зато и самый холодный океан расположился около Северного полюса. В России на картах и в атласах он значится под названием Северный Ледовитый океан, но в других странах приняты другие названия – Северный Полярный или Арктический.

Было время, когда наряду с Северным Полярным ученые выделяли также Южный Полярный (или Антарктический) океан. Однако его границы были до такой степени условны, что вскоре эти названия практически перестали использоваться и исчезли с карт.

Как и когда на земле появилась вода?

Ученые считают, что Мировой океан появился 3,5 миллиарда лет назад.

На сегодняшний день существует несколько гипотез образования воды на Земле. Прежде всего, имеются сторонники космического происхождения воды: они утверждают, что вода попала на нашу планету с потоками космических лучей. Они пронизывают Вселенную и содержат протоны – ядра атомов водорода. Оказавшись в верхних слоях земной атмосферы, протоны захватывают электроны, превращаются в атомы водорода, а затем, вступив в реакцию с кислородом, образуют воду. Ежегодно в стратосфере образуется полторы тонны такой «космической воды». Расчеты показали, что за миллиарды лет «космическая вода» вполне могла заполнить все моря и океаны.

Согласно другой гипотезе, вода имеет земное происхождение: она появилась из горных пород, слагающих земную мантию, став следствием дегазации магмы и последующей конденсации паров атмосферы. В самом деле, при извержениях вулканов расплавленные горные породы изливались на земную поверхность, и из них выделялись летучие компоненты – разнообразные газы и водяные пары. Подсчитано: если изверженной «геологической воды» в среднем поступало 0,5–1,0 кубических километров в год, то за всю историю Земли ее могло выделиться столько, сколько сейчас содержит Мировой океан.

Считается, что большинство океанских бассейнов современности возникло в последние 250 миллионов лет в результате раскола древнего суперконтинента. Согласно этой версии, миллиард лет назад Земля уже была покрыта прочной оболочкой, в которой выделялись континентальные выступы и океанические впадины. Тогда площадь океанов была примерно в два раза больше площади материков. Примерно 250 миллионов лет назад на Земле был один материк – Пангея. Площадь его составляла примерно столько же, сколько площадь всех современных материков и островов вместе взятых. Этот «суперконтинент» омывался «суперокеаном», называемым Панталассой.

Создатель этой теории, немецкий ученый Альфред Вегенер (1880–1930), в 1915 году, после пяти лет исследований, опубликовал труд под названием «Происхождение материков и океанов», в котором им были придуманы названия Пангея (от греческих слов пан – «всеобщий» и гея – «земля») и Панталасса (таласса по-гречески – «море»).

По мнению Вегенера, Пангея оказалась недолговечным образованием. Примерно 200 миллионов лет назад этот материк под действием силы вращения Земли раскололся на две части: северную – Лавразию и южную – Гондвану. Между ними появился океан Тетис (ныне его остатками являются Средиземное, Черное, Каспийское и Аральское моря, а также Персидский залив).

А потом течения мантии продолжили покрывать Лавразию и Гондвану сетью трещин и разваливать их на множество осколков. Некоторые исследователи даже считают, что именно эти процессы стали причиной гибели динозавров, но вопрос этот пока остается открытым.

Так могли выглядеть Пангея и Панталасса

Постепенно между расходившимися осколками пространство заполнялось мантийным веществом, поднимавшимся из недр Земли. Остывая, оно образовало дно будущих океанов. Со временем здесь появились три океана – Атлантический, Тихий и Индийский. По мнению некоторых ученых, Тихий океан – это остаток древнего океана Панталасса.

Позднее все новые и новые разломы охватили Гондвану и Лавразию: от них отламывались куски суши (материковые плиты), которые начинали дрейфовать в разные стороны, постепенно образовав Евразию, Северную Америку, Южную Америку, Австралию и Антарктиду.