Листковий пиріг в океані

У 1965 р. американський вчений Генрі Стоммел та радянський вчений Костянтин Федоров спільно проводили випробування нового американського приладу для вимірювання температури та солоності вод океану. Роботи проводилися в Тихому океані між островами Мінданао (Філіппіни) та Тимор. Прилад опускали на тросі у глибину вод.

Якось дослідники виявили на реєстраторі приладу незвичайний запис вимірювань. На глибині 135 м, там, де закінчився перемішаний шар океану, температура повинна була відповідно до існуючих уявлень почати поступово зменшуватися з глибиною. А прилад зареєстрував підвищення на 0,5 °C. Шар води з такою підвищеною температурою мав товщину близько 10 м. Потім температура почала зменшуватися.

Ось що написав про це примітне спостереження вчених доктор технічних наукН. В. Вершинський, керівник морської лабораторії вимірювальних приладівІнституту океанології АН СРСР: Щоб зрозуміти здивування дослідників, треба сказати, що в будь-якому курсі океанографії тих років про розподіл температури в океані по вертикалі можна було прочитати приблизно наступне. Спочатку від поверхні углиб йде верхній перемішаний шар. У цьому вся шарі температура води фактично залишається незмінною. Товщина перемішаного шару зазвичай становить 60 – 100 м. Вітер, хвилі, турбулентність, протягом постійно перемішують воду в поверхневому шарі, завдяки чому її температура і стає приблизно однаковою. Але можливості сил, що перемішують, обмежені, на якійсь глибині їх дія припиняється. При подальшому зануренні температура води різко зменшується. Стрибком!

Цей другий шар так і називається – шар стрибка. Зазвичай він невеликий і становить лише 10–20 м. Протягом цих небагатьох метрів температура води знижується на кілька градусів. Градієнт температури у шарі стрибка зазвичай становить кілька десятих часток градуса на метр. Цей шар – дивовижне явище, якому немає аналога у атмосфері. Він відіграє велику роль у фізиці та біології моря, а також у людській діяльності, пов'язаній з морем. Завдяки великому градієнту щільності у шарі стрибка збираються різні частинки суспензії, планктонні організми та мальки риб. Підводний човен у ньому може лежати, як у грунті. Тому іноді його називають шаром «рідкого ґрунту».

Шар стрибка є своєрідним екраном: через нього погано проходять сигнали ехолотів і гідролокаторів. До речі, він не залишається завжди на одному місці. Шар переміщається вгору або вниз і іноді досить велика швидкість. Нижче шару стрибка розташовується шар головного термокліну. У цьому третьому шарі температура води продовжує зменшуватися, але не така швидка, як у шарі стрибка, градієнт температури тут становить кілька сотих часток градуса на метр.

Протягом двох днів дослідники кілька разів повторювали свої виміри. Результати були схожі. Записи незаперечно свідчили про наявність в океані тонких прошарків води довжиною від 2 до 20 км, температура та солоність яких різко відрізнялися від сусідніх. Товщина шарів від 2 до 40 м. Океан у цьому районі нагадував листковий пиріг».

1969 р. англійський вчений Вудс знайшов елементи мікроструктури в Середземному морі біля острова Мальта. Він спершу використав для вимірів двометрову рейку, на яку зміцнив десяток напівпровідникових датчиків температури. Потім Вудс сконструював автономний зонд, що падає, який допоміг чітко зафіксувати шарувату структуру полів температури і солоності води.

А 1971 р. шарувату структуру вперше виявили в Тиморському морі та радянські вчені на НІС «Дмитро Менделєєв». Потім під час плавання судна Індійським океаном вчені знаходили елементи такої мікроструктури у багатьох районах.

Таким чином, як часто буває в науці, застосування нових приладів для виміру раніше багаторазово виміряних фізичних параметрів призвело до нових сенсаційних відкриттів.

Раніше температуру глибинних шарів океану заміряли ртутними термометрами в окремих точках різних глибинах. З цих точок за допомогою батометрів піднімали з глибини проби води для подальшого визначення в судновій лабораторії її солоності. Потім за результатами вимірювань в окремих точках океанологи будували плавні криві графіків зміни параметрів води з глибиною нижче за шар стрибка.

Тепер нові прилади – малоінерційні зонди із напівпровідниковими датчиками – дозволили виміряти безперервну залежність температури та солоності води від глибини занурення зонда. Їх використання дало змогу вловити зовсім невеликі змінипараметрів водних мас при переміщенні зонда по вертикалі в межах десятків сантиметрів та фіксувати їх зміни у часі за частки секунд.

Виявилося, що скрізь в океані вся водна маса від поверхні до глибин розділена на тонкі однорідні шари. Різниця в температурі між сусідніми горизонтальними шарами становила кілька десятих градусів. Самі шари мають товщину від десятків сантиметрів до десятків метрів. Найдивовижніше було те, що при переході з шару в шар температура води, її солоність і щільність змінювалися різко, стрибкоподібно, а самі шари стійко існують іноді кілька хвилин, іноді кілька годин і навіть доби. А в горизонтальному напрямку такі шари з однорідними параметрами тягнуться на відстань до десятка кілометрів.

Перші повідомлення про відкриття тонкої структури океану не всіма вченими-океанологами було прийнято спокійно та доброзичливо. Багато вчених сприйняли результати вимірів як випадковість і непорозуміння.

Справді, було чого дивуватися. Адже вода у всі віки була символом рухливості, мінливості, плинності. Тим більше вода в океані, де структура її надзвичайно мінлива, хвилі, поверхневі та підводні течії постійно перемішують водні маси.

Чому ж зберігається така стійка шаруватість? Однозначної відповіді це питання поки немає. Ясно одне: всі ці виміри не гра випадку, не химера - відкрито щось важливе, що грає істотну рольу динаміці океану. На думку доктора географічних наук А. А. Аксьонова, не зовсім зрозумілі причини цього явища. Поки що пояснюють його так: з тієї чи іншої причини в товщі води виникають численні досить чіткі межі, що розділяють шари з різною щільністю. На межі двох шарів різної густини дуже легко виникають внутрішні хвилі, які перемішують воду. При руйнуванні внутрішніх хвиль з'являються нові однорідні верстви і межі верств утворюються інших глибинах. Цей процес повторюється багаторазово, змінюються глибина залягання та товщина шарів із різкими межами, але загальний характер водної товщі залишається незмінним.

Виявлення тонкошарової структури тривало. Радянські вчені А. С. Монін, К. Н. Федоров, В. П. Швецов виявили, що і глибинні течії у відкритому океані також мають шарувату структуру. Течія залишається постійною в межах шару товщиною від 10 см до 10 м, потім його швидкість стрибкоподібно змінюється при переході до сусіднього шару і т. д. І тут вчені виявили «шаруватий пиріг».

Значний внесок у вивчення тонкої структури океану зробили наші океанологи, використовуючи наукове обладнання нових середньотоннажних спеціалізованих НІС водотоннажністю 2600 т, збудованих у Фінляндії.

Це НДС «Академік Борис Петров», що належить Інституту геохімії та аналітичної хімії ім. В. І. Вернадського АН СРСР, "Академік Микола Страхов", що працює за планами Геологічного інституту АН СРСР, і належать Далекосхідному відділенню АН СРСР "Академік М. А. Лаврентьєв", "Академік Опарін".

Ці судна отримали імена відомих радянських учених. Герой Соціалістичної Праці академік Борис Миколайович Петров (1913–1980) був найбільшим вченим у галузі проблем управління, талановитим організатором космічної науки та міжнародного співробітництва у цій галузі.

Також закономірно поява імені академіка Миколи Михайловича Страхова (1900 – .1978) на борту корабля науки. Видатний радянський геолог зробив великий внесок у вивчення осадових порід на дні океанів і морів.

Радянський математик і механік академік Михайло Олексійович Лаврентьєв (1900-1979) отримав широку популярність як великий організатор науки в Сибіру та на сході СРСР. Саме він стояв біля джерел створення уславленого Академмістечка в Новосибірську. В останні десятиліття дослідження в інститутах Сибірського відділення АН СРСР набули таких масштабів, що тепер неможливо уявити загальну картину майже в будь-якій галузі науки без урахування роботи сибірських учених.

З чотирьох НІС цієї серії три (крім НІС «Академік Опарін») будувалися для гідрофізичних досліджень водних мас океанів та морів, дослідження океанського дна та шарів атмосфери, що прилягають до поверхні океану. Виходячи із цих завдань і спроектовано встановлений на судах науково-дослідний комплекс.

Важливий складовоюцього комплексу є занурювані зонди. У носовій частині головної палуби суден цієї серії розміщені гідрологічна та гідрохімічна лабораторії, а також так звана «мокра лабораторія». Наукова апаратура, розміщена в них, включає реєструючі блоки зондів, що занурюються, з датчиками електропровідності, температури і щільності. При цьому конструкція гідрозонду передбачає наявність на ньому комплекту батометрів для взяття проб води з різних горизонтів.

На цих судах встановлені не тільки глибоководні вузькопроменеві дослідницькі ехолоти, а й багатопроменеві.

Як розповів відомий дослідник Світового океану доктор географічних наук Гліб Борисович Удінцев, появу цих приладів – багатопроменевих ехолотів – слід оцінити як революцію у справі вивчення океанського дна. Адже протягом багатьох років наші судна оснащувалися ехолотами, які вимірювали глибини за допомогою одного променя, спрямованого з судна по вертикалі. Це дозволяло отримувати двомірне зображення рельєфу океанського дна, його профіль за маршрутом руху судна. Використовуючи великий масив даних, зібраний за допомогою однопроменевих ехолотів, досі складалися карти рельєфу дна морів та океанів.

Однак побудова карт по профілям дна, між якими потрібно було прокладати лінії рівних глибин – ізобати, залежало від уміння картографа-геоморфолога або гідрографа створювати просторове тривимірне зображення, базуючись на синтезі всієї доступної геолого-геофізичної інформації. Зрозуміло, що при цьому карти рельєфу океанського дна, які служили основою для всіх інших геологічних і геофізичних карт, містили багато суб'єктивного, що особливо виявлялося при їх використанні для розробки гіпотез походження дна морів і океанів.

Становище суттєво змінилося з появою багатопроменевих ехолотів. Вони дозволяють приймати відбиті дном звукові сигнали, надіслані ехолотом, у вигляді віяла променів; що охоплюють смугу поверхні дна шириною, що дорівнює двом глибинам океану в точці виміру (до кількох кілометрів). Це не тільки набагато підвищує продуктивність досліджень, але, що особливо важливо для морської геології, можна за допомогою електронно-обчислювальної техніки відразу представляти тривимірне зображення рельєфу на дисплеї, а також графічно. Таким чином, багатопроменеві ехолоти дозволяють отримувати детальні батиметричні карти при суцільному площадному покритті дна зйомкою приладів, зводячи частку суб'єктивних уявлень до мінімуму.

Перші рейси радянських НІС, оснащених багатопроменевими ехолотами, відразу ж показали переваги нових приладів. Стало ясно їх значення не тільки для виконання фундаментальних робіт з картографування дна океанів, але і як засобу активного управління дослідженнями як прилади свого роду акустичної навігації. Це дало можливість активно і з мінімальними витратами часу вибирати місця для геологічних і геофізичних станцій, контролювати рух приладів, що буксируються над дном або по дну, здійснювати пошук морфологічних об'єктів дна, наприклад мінімальних глибин над вершинами підводних гір, і т.п.

Особливо ефективним щодо реалізації можливостей багатопроменевого ехолота був рейс НІС «Академік Микола Страхов», проведений у період з 1 квітня до 5 серпня 1988 р. в екваторіальній Атлантиці.

Дослідження велися за повним комплексом геолого-геофізичних робіт, але головним було багатопроменеве ехолотування. Для досліджень було обрано екваторіальну ділянку Серединно-Атлантичного хребта у районі о. Сан-Паулу. Цей маловивчений район виділявся своєю незвичністю порівняно з іншими ділянками хребта: виявлені тут магматичні та осадові породи несподівано виявилися надзвичайно давніми. Треба було з'ясувати, чи ця ділянка хребта відрізняється від інших і за іншими своїми характеристиками, а насамперед – по рельєфу. Але для вирішення цього питання необхідно було мати надзвичайно детальну картину підводного рельєфу.

Таке завдання було поставлено перед експедицією. Протягом чотирьох місяців велися дослідження з інтервалами між галсами трохи більше 5 миль. Вони охопили велику область океану завширшки зі сходу на захід до 700 миль і з півночі на південь до 200 миль. В результаті виконаних досліджень стало очевидним, що екваторіальний сегмент Серединно-Атлантичного хребта, укладений між розломами 4° на півночі та о. Сан-Паулу на півдні дійсно має аномальну будову. Звичайні інших частин хребта (на північ і південь від вивчалася області) структура рельєфу, відсутність потужного осадового покриву і показники магнітного поляпорід виявилися тут характерними тільки для вузької осьової частини сегмента шириною не більше 60-80 миль, що отримала назву хребта Петропавлівського.

А те, що вважалося раніше схилами хребта, виявилося великими плато з іншим характером рельєфу і магнітного поля, з сильним осадовим покривом. Отже, мабуть, походження рельєфу та геологічну будовуплато є зовсім іншим, ніж у Петропавлівського хребта.

Значення одержаних результатів може бути дуже важливим для розробки загальних уявлень про геологію дна Атлантичного океану. Однак доведеться багато чого осмислити і перевірити. А для цього потрібні нові експедиції, нові дослідження.

Слід особливо відзначити обладнання для дослідження водних мас, встановлене на НІС «Арнольд Веймер» водотоннажністю 2140 т. державного діячата вченого ЕРСР президента АН ЕРСР у 1959–1973 pp. Арнольд Веймер.

Серед суднових лабораторій – три фізики моря (гідрохімічна, гідробіологічна, морська оптика), обчислювальний центр та ряд інших. Для проведення гідрофізичних досліджень на судні є комплект вимірників течії, що реєструють. Сигнали від них приймаються встановленим на судні гідрофонним приймачем і передаються в систему реєстрації та обробки даних, а також записуються на магнітну стрічку.

Для цієї ж мети служать вільно плаваючі сповіщувачі течії фірми «Бентос» для реєстрації значень параметрів течії, сигнали від яких приймаються судновим приймальним пристроєм.

На судні встановлено автоматизована системавідбору проб з різних горизонтів та вимірювання гідрофізичних та гідрохімічних параметрів за допомогою дослідницьких зондів з акустичними вимірювачами течії, датчиками вмісту розчиненого кисню, концентрації водневих іонів (pH) та електропровідності.

Гідрохімічна лабораторія оснащена високоточною апаратурою, що дозволяє проводити аналізи проб морської води та донних відкладень на вміст мікроелементів. Для цієї мети призначені складні та точні прилади: спектрофотометри різних систем (у тому числі атомно-абсорбційний), флуоресцентний рідинний хроматограф, полярографічний аналізатор, два автоматичні хімічні аналізатори та ін.

У гідрохімічній лабораторії розташована наскрізна шахта у корпусі розміром 600X600 мм. З неї можна забирати морську воду з-під судна і проводити спуск приладів у воду за несприятливих метеоумов, що не дозволяють використовувати в цих цілях палубні пристрої.

В оптичній лабораторії є два флуорометри, двопроменевий спектрофотометр, багатоканальний оптичний аналізатор і програмований багатоканальний аналізатор. Таке обладнання дозволяє вченим проводити широкий спектр досліджень, пов'язаних із вивченням оптичних властивостейморської води.

У гідробіологічній лабораторії, окрім стандартних мікроскопів, є планктонний мікроскоп «Олімпус», спеціальне обладнання для проведення досліджень за допомогою радіоактивних ізотопів: сцинтиляційний лічильник та аналізатор частинок.

Особливий інтерес становить судова автоматизована система реєстрації та обробки зібраних наукових даних. У ВЦ розміщено міні-ЕОМ угорського виробництва. Ця ЕОМ двопроцесорної системи, тобто вирішення завдань та обробка експериментальних даних проводиться в ЕОМ паралельно за двома програмами.

Для автоматизованої реєстрації зібраних експериментальних даних, що надходять від численних приладів та пристроїв, на судні змонтовано дві кабельні системи. Перша – радіальна кабельна мережа передачі даних з лабораторій і місць проведення вимірів на головний комутаційний пульт.

На пульті можна приєднати лінії вимірювання до будь-якого контакту і вивести сигнали на будь-яку суднову ЕОМ. Розподільні коробки цієї лінії встановлені у всіх лабораторіях та на робочих майданчиках біля лебідок. Друга кабельна мережа – резервна для підключення нових приладів та пристроїв, які будуть встановлені на судні у майбутньому.

Прекрасна система, а ця порівняно потужна і розгалужена система збору та обробки даних за допомогою ЕОМ так вдало розміщена на невеликому середньотоннажному НІС.

НІС «Арнольд Веймер» за складом наукового обладнаннята можливостям проведення багатопланових досліджень є зразковим для середньотоннажного НІС. За його будівництва та оснащення склад наукового обладнання був ретельно продуманий вченими АН ЕРСР, що значно підвищило ефективність проведення дослідницьких робітпісля введення судна у експлуатацію.

З книги Життєзабезпечення екіпажів літальних апаратівпісля вимушеного приземлення чи приводнення (без ілюстрацій) автора Волович Віталій Георгійович

З книги Життєзабезпечення екіпажів літальних апаратів після вимушеного приземлення чи приводнення [з ілюстраціями] автора Волович Віталій Георгійович

Із книги Новітня книгафактів. Том 1. Астрономія та астрофізика. Географія та інші науки про Землю. Біологія та медицина автора Кондрашов Анатолій Павлович

З книги Зачаровані острови Галапагоси автора фон Ейбл-Ейбесфельдт Іреніус

З книги автора

Де більше бактерій – в океані чи у міській каналізації? За даними англійського мікробіолога Томаса Кертіса, мілілітр океанської води містить у середньому 160 видів бактерій, грам грунту – від 6400 до 38 000 видів, а мілілітр стічних водз міської каналізації, як не

З книги автора

Едем у Тихому океані На островах Галапагос вирішено створити біологічну станцію! Цю радісну звістку я отримав навесні 1957 року, коли готувався до експедиції до Індо-Малайської області. Міжнародний союз охорони природи та ЮНЕСКО запропонували мені вирушити на

Найвищий шар океану (ВПС + сезонний термоклін) вимагає набагато більше детального опису. Цьому питанню буде присвячений наступний параграф.

У більш важливому динамічному формулюванні за допомогою частоти Вяйссяля-Брента N шар стрибка щільності стратифікований помітно більш стійко (Л З-10 2 с-1), ніж тропосфера в цілому, в якій дТ/дгж 6,5 ° С/км і Л/ 10-2 с“1, хоч і менш стійко, ніж сильні атмосферні інверсії (ТУ «1,7-10-1 с-1). При повсюдному поширенні шару стрибка щільності в океані і рідкості сильних інверсій в атмосфері цим пояснюється набагато ширше поширення внутрішніх хвиль в океані порівняно з атмосферою.

Найбільш активний верхній шар океану, де панує жива речовина планктон, до 150-200 м. Забруднення піддаються впливу живих організмів. Останні пов'язують дуже багато розчинених і завислих речовин. Такої потужної біофільтраційної системи на суші не існує.

Своєрідною зоною Світового океану, що характеризується високою рибопродуктивністю, є апвеллінг, тобто. підйом вод із глибини у верхні шари океану, як правило, на західних берегах контингентів.

Нагрівач – тепла вода з верхніх шарів океану. Найбільш висока температура води спостерігається в Перській затоці у серпні – понад 33 °С (а найвища температура води зафіксована у Червоному морі – плюс 36 °С). Але на максимальну температуру розраховувати перетворювач не можна: вона зустрічається на обмежених ділянках Світового океану, а великі райони мають температуру поверхневого шару близько 25 °С. Це досить висока температура, за якої киплять багато рідини. Д'Арсонваль запропонував застосувати як робочу рідину аміак - рідину з температурою; кипіння мінус 33,4 “С, яка добре кипітиме ■ при 25 °С. При нормальній температурі (20 ° С) аміак - безбарвний газ із їдким запахом. При підвищенні тиску газоподібний аміак знову перетворюється на рідину. При 20 °З цього тиск треба підвищити до 8,46 атм, але за 5 °З - значно меньше.[ ...]

Енергоактивні області Світового океану – це мінімальні структурні складові, що беруть участь у формуванні великомасштабного обміну теплом між океаном та атмосферою. Займаючи «20 % площі Світового океану, вони відповідають за «40 % загального теплообміну в системі океан-атмосфера-суша. Це області максимальної неузгодженості між тепловими та вологими полями верхнього шару океану та планетарного прикордонного шару атмосфери: саме тут інтенсивність роботи за узгодженням цих полів максимальна. І хоча ми стверджуємо, що ЕАО - характерні структури у великомасштабних полях, це означає, що просторове їх розташування жорстко фіксовано, а інтенсивність постійна. Цим же областям притаманні максимальні діапазони мінливості потоків тепла, що говорить про те, що вони є найбільш інформативними акваторіями для стеження за станом кліматичної системи. Тобто всі вони одночасно можуть не перебувати в активному стані, але саме в цих сферах у певній поліциклічній послідовності формується і збуджується найбільш активний локальний теплообмін.

Внаслідок дії цих факторів верхній шар океану зазвичай добре перемішаний. Він так п називається – перемішаний. Товщина його залежить від пори року, сили вітру та географічного району. Наприклад, влітку в штиль товщина перемішаного шару на Чорному морі всього 20-30 м. А в Тихому океані поблизу екватора було виявлено (експедицією на науково-дослідному судні «Дмитро Менделєєв») перемішаний шар завтовшки близько 700 м. Від поверхні до глибини 700 м розташовувався шар теплої та прозорої води з температурою близько 27 °С. Цей район Тихого океануза своїми гідрофізичними властивостями схожий на Саргасове море в Атлантичному океані. Взимку на Чорному морі перемішаний шар у 3-4 рази товщий за літній, його глибина доходить до 100-120 м. Така велика різниця пояснюється інтенсивним перемішуванням у зимовий час: чим сильніший вітер, тим більше хвилювання на поверхні і сильніше йде перемішування. Такий шар стрибка називають ще сезонним, оскільки глибина залягання шару залежить від сезону року.

АПВЕЛЛІНГ [англ. upwelling] - підйом вод із глибини у верхні шари океану (моря). Звичайний на західних берегах континентів, де вітри відганяють поверхневі води від берега, які місце займають багаті біогенними речовинами холодні маси води.[ ...]

Обмін вуглекислим газом відбувається також між атмосферою та океаном. У верхніх шарах океану розчинено велика кількістьвуглекислого газу, що знаходиться в рівновазі з атмосферним. Усього в гідросфері міститься близько 13-1013 т розчиненого вуглекислого газу, а в атмосфері – у 60 разів менше. Життя Землі і газовий баланс атмосфери підтримуються щодо невеликими кількостями вуглецю, що у малому кругообігу і міститься у рослинних тканинах (5-1011 т), в тканинах тварин (5-109 т). Кругообіг вуглецю у біосферних процесах представлений рис. 2. […]

Загалом слід зазначити, що амплітуда річних коливань температури у верхніх шарах океану трохи більше 10-15°С, у континентальних водах -30-35°С.[ ...]

Кисле А. В., Семенченко Б. А., Тужілкін В. С. Про фактори мінливості структури верхнього шару океану в тропіках//Метеорологія та гідрологія, № 4, 1983, с. 84-89.

Біосфера сконцентрована переважно у вигляді відносно тонкої плівки на поверхні суші і переважно (але не виключно) у верхніх шарах океану. Вона не може функціонувати без тісної взаємодії з атмосферою, гідросферою та літосферою, а педосфера без живих організмів просто не існувала б.

Можливі та інші інтегральні показники. Так, для моделювання розподілу сайри в Тихому океані такою інтегральною характеристикою виявилася температура у верхньому шарі океану, оскільки розподіл течій, водних мас, солоності та інших гідрологічних та гідрохімічних показників північно-західної частини Тихого океану тісно корелює з розподілом температури води верхнього шару. ).[...]

Нагрів зверху (контактним чином і через сильне поглинання водою проникаючого в неї світла) і опріснення (опадами, що випадають, стоком річок, таненням льоду) можуть впливати лише на дуже тонкий верхній шар океану, всього в десятки метрів, так як через гідростатичну стійкості нагрітого або опрісненого шару він не може самостійно перемішуватися з нижчою водою, а вимушене перемішування, що створюється поверхневими хвилями, що обрушуються, проникає неглибоко (перемішування ж в турбулентних плямах, що утворюються в місцях гідродинамічної нестійкості внутрішніх хвиль, в середньому дуже слабко і , Вкрай повільно).

Якщо рівняння (4.9.2) або його еквівалентну форму зі штрихами у змінних проінтегрувати по всьому океану, то отримаємо те саме очевидне протиріччя, як і у випадку з рівнянням механічної енергії. На великих масштабах є приплив через поверхню океану (оскільки солоність поверхні висока там, де є потік солі в океан, див., наприклад), але втрати солі за рахунок дифузії незначні на великих масштабах. Як і у випадку з енергією, має місце перенесення солоності від одного масштабу до іншого через нелінійного адвективного члена (4.3.8), причому істотний внесок у праву частину (4.9.2) роблять дуже малі масштаби. За оцінкою, середньоквадратичний градієнт солоності у верхньому шарі океану в 1000 разів перевищує середній градієнт.

Сполуки азоту (нітрати, нітрити) в розчинах надходять в організми рослин, беручи участь в утворенні органічної речовини (амінокислоти, складні білки). Частина сполук азоту виноситься в річки, моря, проникає в підземні води. Зі сполук, розчинених у морській воді, азот поглинається водними організмами, а після їх відмирання переміщається в глиб океану. Тому концентрація азоту у верхніх шарах океану помітно зростає.

Аналіз причин існуючого фазового співвідношення між річними температурними коливаннями в повітрі та воді наводиться на основі модельних інтерпретацій річного ходу. Як правило, такі моделі виходять із рівняння перенесення тепла, в якому різні автори з різним ступенем повноти враховують фактори формування циклічності в океані та в атмосфері. А. А. Пивоваров та Во Ван Лань побудували нелінійну модель для стратифікованого океану та врахували об'ємне поглинання променистої енергії верхнім шаром океану. В аналізується добовий перебіг температур поверхні води та повітря. Отримано відставання за фазою температури повітря від температури води, що не узгоджується з емпіричними даними, згідно з якими і в добовому ході температура повітря випереджає температуру води.

Гумінова і стеаринова кислоти, що зустрічаються в природі, які є звичайними домішками багатьох стічних вод, також сильно уповільнювали утворення кальциту. Це пригнічення, ймовірно, викликається адсорбцією аніону кислоти, оскільки в умовах експерименту переважають іонні форми цих сполук. Сьюес і Майєрс і Квайн виявили, що стеаринова кислота та інші природні органічні речовиниможуть сильно адсорбуватися при контакті карбонату кальцію з морською водою. Мабуть, такою адсорбцією пояснюється пригнічення утворення карбонату кальцію у верхніх шарах океану. У присутності стеаринової кислоти (1-1О-4 М) відбувається в незначній мірі, але реакція кристалізації, що піддається вимірюванню (див. рис. 3.4), яка показує, що ця кислота не так повно інгібує реакцію кристалізації, як метафосфат. ]

Другий спеціальний експеримент з вивчення синоптичної мінливості океанських течій («Полігон-70») був проведений радянськими океанологами на чолі з Інститутом океанології АН СРСР у лютому-вересні 1970 р. у північній пасатній зоні Атлантики, де протягом шести місяців були здійснені безперервні виміри на 10 глибинах від 25 до 1500 м на 17 заякорених буйкових станціях, що утворювали хрест розмірами 200X200 км з центром у точці 16 ° ЗГ 14, 33 ° 30 Ш, і був також виконаний ряд гідрологічних зйомок.

Величезний контраст теплозапасу в океані набагато перевершує як потенційну енергію нахилу рівня, так і енергію щільності диференціації вод. Самі теплові відмінності вод, зазвичай, формуються великих просторах і супроводжуються плавними просторово протяжними рухами конвективного типу. У нерівномірно прогрітих водах з щільностями, що змінюються в просторі, існують горизонтальні градієнти, які можуть бути і джерелами локальних рухів. У разі в них переходить частина доступної потенційної енергії. Якщо при її обчисленні виходити з різниці запасів потенційних енергій двох сусідніх рівних обсягів з різними щільностями у верхніх частинах, то для всього океану ми приходимо до тієї оцінки, яку раніше визначили як енергію диференціації щільності, тобто до 1018- Ю19 Дж. Вік вод верхнього шару океану (1000 м) оцінюється 10-20 роками. Зі зіставлення енергії теплового розмаїття вод океану і розмаїття надходження сонячної енергії до теплим і холодним водам океану [(1-3) -1023 Дж/год] слід, що з накопичення цього розмаїття потрібно приблизно 10- 15 років. Тоді можна орієнтовно прийняти, що основні риси щільності диференціації верхнього шару сформуються за 10 років. Десята частина цієї енергії щорічно передається механічним рухам океану. Отже, щорічне надходження енергії в результаті бароклінної нестійкості орієнтовно слід оцінити приблизно в 1018 Дж.

У 1905 р. шведський вчений В. Екман створив теорію вітрової течії, яка отримала математичне та графічне вираження, відоме як спіраль Екмана. Згідно з нею, потік води має бути спрямований під прямим кутом до напрямку вітру, з глибиною він настільки відхиляється силою Коріоліса, що починає текти у протилежному вітрі напрямку. Один із наслідків перенесення води, за теорією Екмена, полягає в тому, що пасатні вітри стають причиною зміщення потоку, спрямованого на північ і південь від екватора. Для компенсації відтоку відбувається підйом холодних глибинних вод. Ось чому температура поверхневої води на екваторі виявляється нижчою на 2-3°С, ніж у сусідніх із ним тропічних областях. Повільний підйом глибинних вод у верхні шари океану називають апвеллінгом, а опускання - даунвеллінгом.

Гідросфера - це оболонка Землі, яку утворюють океани, моря, поверхневі водоймища, сніги, льоди, річки, тимчасові потоки води, водяна пара, хмари. Оболонка, складена з водойм та річок, океанів має уривчастий характер. Підземну гідросферу утворюють підземні течії, ґрунтові води, артезіанські басейни.

Гідросфера має об'єм, рівний 1533000000 кубічним кілометрам. Водою покрито три четверті поверхні Землі. Сімдесят один відсоток поверхні Землі покривають моря та океани.

Величезна водна площа багато в чому визначає водний і тепловий режими на планеті, оскільки вода має високу теплоємність, в ній закладено великий енергетичний потенціал. Воді належить велика роль формування грунту, образу ландшафту. Води Світового океану відрізняються хімічним складом, у дистильованому вигляді вода практично не зустрічається.

Океани та моря

Світовий океан - це водний простір, що омиває материки, він становить понад 96 відсотків всього обсягу земної гідросфери. Два шари водяної маси світового океану мають різну температуру, що у результаті обумовлює температурний режим Землі. Світовий океан акумулює енергію сонця, при охолодженні частину теплоти передає атмосфері. Тобто терморегуляція Землі багато в чому зумовлена ​​характером гідросфери. Світовий океан включає чотири океани: Індійський, Тихий, Північний Льодовитий, Атлантичний. Деякі вчені виділяють Південний океан, що оточує Антарктиду.

Світовий океан відрізняється неоднорідністю водних мас, які, розташовуючись у певному місці, набувають відмінних характеристик. По вертикалі в океані виділяють придонні, проміжні, поверхневі та підповерхневі шари. Придонна маса має найбільший обсяг, вона є найхолоднішою.

Море - частина океану, яка вдається у материк чи прилягає щодо нього. Море відрізняється за своїми особливостями від решти океану. У басейнах морів складається свій гідрологічний режим.

Моря поділяються на внутрішні (наприклад, Чорне, Балтійське), міжострівні (в Індо-Малайському архіпелазі) та окраїнні (моря Арктики). Серед морів виділяють внутрішньоматерикові (Біле море), міжматерикові (Середземне).

Річки, озера та болота

Важлива складова гідросфери Землі - річки, у яких міститься 0,0002 відсотків усіх водних запасів, 0,005 відсотків прісних вод. Річки – важливий природний резервуар води, що витрачається на питні потреби, потреби промисловості, сільського господарства. Річки – джерело зрошення, водопостачання, обводнення. Річки живляться за рахунок снігового покриву, ґрунтових та дощових вод.

Озера виникають при надлишку вологи та за наявності улоговин. Казани можуть мати тектонічне, льодовиково-тектонічне, вулканічне, карове походження. Термокарстові озера поширені у районах вічної мерзлотиУ заплавах річок часто зустрічаються заплавні озера. Режим озер визначається тим, чи виносить із озера воду річка чи ні. Озера можуть бути безстічні, проточні, представляти з річкою загальну озерно-річкову систему.

На рівнинах в умовах перезволоженості поширені болота. Низинні підживлюються ґрунтами, верхові - опадами, перехідні - ґрунтами та опадами.

Підземні води

Підземні води розташовуються на різній глибині у вигляді водоносних горизонтів у гірських породах земної кори. Грунтові водизалягають ближче до землі, підземні води розташовуються у глибших шарах. Найбільший інтерес становлять мінеральні та термальні води.

Хмари та водяна пара

Конденсат водяної пари утворює хмари. Якщо хмара має змішаний склад, тобто включає кристали льоду та води, то вони стають джерелом опадів.

Льодовики

Всі компоненти гідросфери мають свою особливу роль у глобальних процесах енергетичного обміну, глобального вологообороту, впливають на багато життєтворчих процесів на Землі.

Давно відомо, що океанічні води покривають більшу частину поверхні нашої планети. Вони становлять безперервну водну оболонку, частку якої припадає понад 70% всієї географічної площини. Але мало хто думав про те, що властивості океанічних вод унікальні. Вони мають величезний вплив на кліматичні умови та господарську діяльністьлюдей.

Властивість 1. Температура

Океанські води здатні накопичувати тепло. (близько 10 см завглибшки) утримують величезну кількість тепла. Охолоджуючи, океан обігріває нижні шари атмосфери, завдяки чому середня температура земного повітря становить +15 °С. Якби на нашій планеті не було океанів, то середня температура важко дотягувала б до -21 °С. Виходить, що завдяки здатності Світового океану накопичувати тепло нам дісталася комфортна та затишна планета.

Температурні властивості океанічних вод змінюються стрибкоподібно. Прогрітий поверхневий шар поступово перемішується з глибшими водами, внаслідок чого на глибині кількох метрів відбувається різкий температурний перепад, а потім плавне зниження до самого дна. Глибинні води Світового океану мають приблизно однакову температуру, виміри нижче трьох тисяч метрів зазвичай показують від +2 до 0 °С.

Щодо поверхневих вод, їх температура залежить від географічної широти. Куляста форма планети визначає сонячних променівна поверхню. Ближче до екватора сонце віддає більше тепла, ніж біля полюсів. Так, наприклад, властивості океанічних вод Тихого океану залежать від середніх температурних показників. Поверхневий шар має найвищу середню температуру, що становить понад +19 °С. Це не може не впливати і на навколишній клімат, і на підводну флору та фауну. Далі слідують поверхневі води якого в середньому прогріті до 17,3 °С. Потім Атлантика, де цей показник дорівнює 166 °С. І найнижчі середні температури – у Північному Льодовитому океані – приблизно +1 °С.

Властивість 2. Солоність

Які властивості океанічних вод вивчають сучасні вчені? їх цікавить склад морської води. Вода в океані - коктейль із десятків хімічних елементів, і важливу роль у ньому відведено солям. Солоність океанічних вод вимірюється у проміле. Позначають її значком «‰». Проміле означає тисячну частку числа. Підраховано, що літр океанічної води має середню солоність 35‰.

При дослідженні Світового океану вчені неодноразово задавалися питанням про те, які властивості океанічних вод. Чи скрізь в океані вони однакові? Виявляється, солоність, як і середня температура, є неоднорідною. На показник впливає ціла низка факторів:

  • кількість атмосферних опадів - дощ та сніг значно знижують загальну солоність океану;
  • стік великих і дрібних рік - солоність океанів, що омивають материки з великою кількістю повноводних рік, нижче;
  • льодоутворення - цей процес підвищує солоність;
  • танення льодів - цей процес знижує солоність води;
  • випаровування води з поверхні океану - солі не випаровуються разом із водами, і солоність підвищується.

Виходить, що різна солоність океанів пояснюється температурою поверхневих вод і кліматичними умовами. Найвища середня солоність біля води Атлантичного океану. Однак найсолоніша точка - Червоне море, належить Індійському. Найменшим показником характеризується Північний Льодовитий океан. Ці властивості океанічних вод Північного Льодовитого океану найбільше відчуваються поблизу впадання повноводних річок Сибіру. Тут солоність не перевищує 10 ‰.

Цікавий факт. Загальна кількість солі у Світовому океані

Вчені не зійшлися на думках, скільки хімічних елементів розчинено у водах океанів. Імовірно, від 44 до 75 елементів. Але вони підрахували, що всього у Світовому океані розчинено просто астрономічну кількість солей, приблизно 49 квадрильйонів тонн. Якщо випарувати і висушити всю сіль, то вона покриє поверхню суші шаром більш ніж в 150 м.

Властивість 3. Щільність

Поняття "щільність" вивчається вже давно. Це ставлення маси речовини, у разі Світового океану, до займаному обсягу. Знання про величину щільності необхідне, наприклад, підтримки плавучості судів.

І температура, і щільність – неоднорідні властивості океанських вод. Середнє значення останньої – 1,024 г/см³. Цей показник вимірювався при середніх значеннях температури та вмісту солей. Однак на різних ділянках Світового океану щільність змінюється залежно від глибини виміру, температури ділянки та її солоності.

Розглянемо приклад якості океанічних вод Індійського океану, саме зміна їх щільності. Найбільшим цей показник буде у Суецькій та Перській затоці. Тут він сягає 1,03 г/см³. У теплих та солоних водах північно-західної частини Індійського океану показник знижується до 1,024 г/см³. А в розпреснених північно-східній частині океану та в Бенгальській затоці, де випадає багато опадів, показник найменший – приблизно 1,018 г/см³.

густина прісної водинижче, саме тому триматися на воді в річках та інших прісних водоймах дещо складніше.

Властивості 4 та 5. Прозорість та колір

Якщо набрати в банку морську воду, то вона видасться прозорою. Однак при збільшенні товщини водного шару вона набуває блакитнуватого або зеленуватого відтінку. Зміна кольору пов'язана з поглинанням та розсіюванням світла. Крім того, на забарвлення океанських вод впливають суспензії різного складу.

Блакитний колір чистої води- Результат слабкого поглинання червоної частини видимого спектра. При високій концентрації в океанічній воді фітопланктону вона набуває синьо-зеленого або зеленого кольору. Це відбувається через те, що фітопланктон поглинає червону частину спектра та відбиває зелену.

Прозорість океанічної води опосередковано залежить кількості зважених частинок у ній. У польових умовах прозорість визначають диском Секкі. Плоский диск, діаметр якого вбирається у 40 див, опускають у воду. Глибина, на якій він стає не видно, береться за показник прозорості у цьому районі.

Властивості 6 і 7. Поширення звуку та електропровідність

Звукові хвилі здатні поширюватися під водою на тисячі кілометрів. Середня швидкістьпоширення – 1500 м/с. Цей показник для морської води вищий, ніж для прісної. Звук завжди трохи відхиляється від прямої.

Має більшу електропровідність, ніж прісна. Різниця – 4000 разів. Це від кількості іонів на одиницю водного обсягу.

Багато в чому ця геосфера залишається загадковою. Так, розвиток космонавтики спростував «очевидну» істину про нульову поверхню Світового океану. Виявилося, що навіть у повний штиль водяна поверхня має свій рельєф. Впадини та пагорби з абсолютним перевищенням у десятки метрів накопичуються на відстанях у тисячі кілометрів, а тому й непомітні. Чудовими є п'ять планетарних аномалій (в метрах): Індійська мінус 112, Каліфорнійська мінус 56, Карибська плюс 60, Північно-Атлантична плюс 68, Австралійська плюс 78.

Причин таких стабільних аномалій поки не з'ясовано. Але передбачається, що перевищення та зниження поверхні Світового океану пов'язані з аномаліями сили тяжіння. Багатошаровою моделлю планети передбачає зростання густини кожного наступного по глибині шару. Межі поділу підземних геосфер нерівні. Гори поверхні Мохоровичича вдвічі вищі за земні Гімалаї. На глибині від 50 до 2900 км джерелами аномалій сил тяжіння можуть бути зони фазових переходів речовини. Напрямок тяжкості завдяки збуренням відхиляється від радіонального. Вважається, що на глибині 400 – 900 кілометрів знаходяться маси зниженої щільності та маси особливо щільної речовини. Під позитивними аномаліями густини океанічної поверхні розташовуються маси підвищеної густини, під западинами - розущільнені маси. може бути використана для пояснення рельєфу Світового океану. Обширність водно-поверхневих аномалій відповідає великим неоднорідностям внутрішнього, які пов'язані не тільки з фазовими переходамиречовини, але й з різною речовиною протопланетних модулів. У Землі возз'єднаний відносно легкий матеріал місячних модулів і відносно важкий матеріал. У 1955 році на півдні США впав метеорит Твін Сіті, що складається з 70 відсотків заліза та 30 відсотків нікелю. Але мартенситову структуру, типову для подібних метеоритів, у метеориті Твін Сіті не виявили. Американський вчений Р. Кнокс припустив, що цей метеорит є незмінним фрагментом планетезималі, з якої, зокрема, мільярди років тому сформувалися планети. Наявність у глибинах мас речовини, що відповідає метеориту Твін Сіті, забезпечить стабільне існування аномалій сили тяжіння.

Як було сказано раніше аномалії поверхні Світового океану та проекцій радіаційних аномалій у просторово збігаються. Можливо, що обурення поля сили тяжіння та магнітного поля мають одну внутрішню причину, пов'язану з первинною неоднорідністю планети

Поверхня Світового океану ретельно вивчається з населених та автоматичних супутників. Супутником «Гео-3» над східним берегом Австралії на відстані 3200 км встановлено перепад висоти поверхні океану на 2 м: рівень вод біля північного узбережжя материка вищий. Спеціальний супутник "Сісат", запущений у 1978 році, вимірює водну поверхню з точністю до 10 сантиметрів.

Не менш цікавою є проблема внутрішніх хвиль Світового океану. У середині XVIII століття Б. Франклін під час морської подорожіпомітив, що масло у світильнику на качку не реагувало, а у шарі під олією періодично виникала хвиля. Публікація Б. Франкліна стала першим науковим повідомленням про підводні хвилі, хоча саме явище було добре відоме мореплавцям.

Іноді при спокійному вітрі та малому хвилюванні корабель раптово втрачав хід. Моряки говорили про загадкову «мертву воду», але тільки після 1945 року почалися систематичні дослідження цього явища. Виявилося, що при повному штилі на глибині вирують шторми небаченої сили: висота підводних хвиль досягає 100 метрів! Щоправда, частота хвиль від кількох хвилин за кілька діб, але ці повільні хвилі пронизують всю товщу океанічних вод.

Не виключено, що саме внутрішня хвиля стала причиною загибелі американської атомної субмарини «Трешер»: човен був раптово захоплений хвилею на велику глибину і був розчавлений.

Одні внутрішні океанічні хвилі викликані припливами (період таких хвиль дорівнює половині діб), інші - вітром, течією. Однак таких природних пояснень вже недостатньо, тому численні кораблі цілодобово ведуть спостереження в океані.

Людина завжди намагалася проникнути в глиб Світового океану. Перший спуск у підводному дзвоні на річці Тахо зафіксовано у 1538 році. 1911 року в Середземному морі американець Г. Гартман опустився на рекордну глибину - 458 метрів. Експериментальні підводні човни досягли 900 метрів («Долфін» у 1968 році). Батискафи штурмували надглибини. 23 січня 1960 року швейцарець Ж. Пікар та американець Д. Уолш опустилися до глибини 10 919 метрів на дно Маріанської западини. Це не лише випадки, що демонструють технічні та вольові можливості людини, а й пряме занурення у «океан загадок».

За геологічне час настала сольова рівновага Світового океану та твердої земної кори. Середня солоність океанічної води 34,7 проміле, її коливання 32-37,5 проміле.

Головні іони Світового океану (у відсотках): CI 19,3534, SO24-2,707, HCO 0,1427, Вг-0,0659, F-0,0013, H3BO3 0,0265, Na+ 10,7638, Mg2+ Са2+ 0,4080, К+ 0,3875, Sr2+ 0,0136/

Океан поповнюється іонами із різних джерел у результаті дегазації глибин планети, руйнування океанічного ложа, вітрової ерозії, біологічного кругообігу речовини. Велике числоіонів надходить із річковим стоком. Вся суша при загальному річковому стоку 33 540 кубічних кілометрів постачає понад два мільярди тонн іонів на рік.

Водна маса Світового океану неоднорідна. За аналогією з атмосферою вчені почали виділяти у Світовому океані об'ємні межі мас. Але якщо в атмосфері звичайні циклони та антициклони діаметром тисяча кілометрів, то в океані вихори вдесятеро дрібніші. Причини – велика гідростатична стійкість водних мас та великий вплив бічних берегових кордонів; крім того, різні щільність, в'язкість і товщина океану. Але головне - різні за солоністю, і забруднення води перемішуються погано. Внутрішні водні течії, вітер і хвилі утворюють біля поверхні океану однорідний шар. Вертикальна стратифікація Світового океану є дуже стійкою. Але існують обмежені вікна вертикального переміщення вод різної температурита солоності. Особливо важливими є зони «апвелінгу», де холодні глибинні води піднімаються до поверхні моря і виносять значні маси і поживних речовин.

Межі розділів водних мас видно чітко з літаків та космічних супутників. Але це лише частина меж водних мас. Значна частка кордонів прихована на глибині. К. Н. Федоров звертає увагу на дивовижне явище: води Середземного моря, виливаючись у придонному шарі Гібралтарської протоки, стікають по схилах шельфу та материкового схилу, потім відриваються від ґрунту на глибинах близько тисячі метрів і у вигляді шару завтовшки у сотні метрів перетинають весь Атлантичний. океан. У напрямку зі сходу на захід шар середземноморської води ділиться на тонкі прошарки, які завдяки більш високій солоності та підвищеній температурі чітко простежуються на глибині 1,5 – 2 кілометри у Саргасовому морі. Аналогічно поводяться води Червоного моря, що виливаються в Індійський океан. У самому Червоному морі термальні рудоносні розсоли перекриті двокілометровою товщею вод, температура яких нижче 20-30 ° С. Однак вони не перемішуються. Термальні води нагріті до 45-58 ° С, сильно мінералізовані (до 200 г на літр) Верхня межа термальних вод представлена ​​серією різких щільних сходів, де відбувається тепломасообмін.

Таким чином, водні маси Світового океану розділені з природних причин на ізометричні області, шари та найтонші прошарки. Насправді ці властивості широко використовуються при прихованому проході підводних човнів. Однак, це далеко не все. Виявляється, можна без бетонних гребель і перегородок штучно створювати слабко переборні межі вод різної солоності та температури, а це шлях до створення контрольованих зон аквакультури. Наприклад, відомі пропозиції щодо створення біля берегів Бразилії за допомогою насосів штучного «апвелінгу» для «добрива» поверхневих вод, що підвищить можливості.