Роль океанографии в изучении мировых океанов и климата Земли

Океанография и навигация – это две стороны одной медали, изучающие самый большой водоем на нашей планете. Благодаря этим наукам мы можем не только безопасно перемещаться по морям и океанам, но и лучше понять процессы, происходящие в глубинах воды. Откуда берутся волны, какие тайны скрывают морские глубины и как предсказать шторм – ответы на эти и многие другие вопросы дает нам океанография.

Океан – часть Мирового океана, расположенная среди материков, обладающая самостоятельной системой циркуляции вод и специфическими особенностями гидрологического режима.

Мировой океан подразделяется на четыре океана:

1. Тихий,
2. Атлантический,
3. Индийский,
4. и Северный Ледовитый.

Система разделения Мирового океана, принятая Международным гидрографическим бюро (МГБ), имеет мало отношения к естественным границам между морями и океанами. Перечень МГБ насчитывает 54 моря; некоторые из них находятся одно внутри другого, например, Средиземное море включает в себя семь морей. Вода океана составляет около 85 % всей воды на Земле и 71 % ее поверхности.

Если всю сушу распределить ровным слоем вокруг земного шара, то ее всю сплошь покроет океан глубиной около 2 700 м. Давление на самых больших глубинах в океане почти в тысячу раз превышает атмосферное давление у поверхности земли. Если поместить объем воздуха на глубину около 6 000 м, то он сожмется настолько, что его удельный вес составит примерно 70 % удельного веса окружающей воды.

Океанское дно разделяется на три области:

• Флот освоения континентального шельфаконтинентальный шельф,
• континентальный склон
• и ложе океана.

Средняя ширина континентального шельфа составляет около 65 км, но в некоторых местах он может простираться и на сотни миль от берега. На долю шельфа приходится около 7 процентов дна океана. Это районы, где в настоящее время интенсивно ведутся исследования запасов полезных ископаемых. Континентальный склон, расположенный между шельфом и ложем океана, имеет средний уклон от 2 до 6 градусов, однако вблизи вулканических островов крутизна склона может достигать 50 градусов. Большинство океанографических наблюдений проводится на ходу судна, однако иногда они становятся на якорь.

На глубинах порядка 5 км обычно употребляется конический трос с диаметром, последовательно уменьшающимся от 16 мм до 13 мм, а на больших глубинах – с диаметром от 19 до 15 мм. Это связано с тем, что при большой длине стального каната его верхняя часть удерживает не только массу якоря, но и массу всего каната, которая становится существенной. Например, для стального каната длиной 5 км и постоянным диаметром 15,5 мм нагрузка от его собственной массы составит 40 % от разрывного усилия.

Для быстрой постановки на большой глубине используют свободно падающий якорь. Термин быстрой постановки относителен, так как якорь весом 1 800 кг идет на глубину 5 300 м более 16 минут.

Читайте также: Мировой Океан и океанотехника. Характеристики морских льдов, течений и волн

Исследование океанского дна осуществляется в основном с помощью глубоководных аппаратов. Рекордное погружение на глубину 10 919 м впервые совершили 23 января 1960 года Жак Пиккар и лейтенант ВМС США Дональд Уолш в батискафе “Триест“.

Даже совершенно чистая вода по крайней мере в тысячу раз менее прозрачна, чем воздух. Глубина, до которой человек может видеть под водой, зависит от содержания в воде взвешенных частиц и от угла падения солнечных лучей. Когда водолаз погружается в море, он прежде всего замечает, что все вокруг становится сине-зеленым; на глубине около 30 метров уже невозможно различать цвета. Кажется, что свет приходит со всех сторон, тени отсутствуют. На глубине 300 м царит бледный синий свет, позволяющий различать лишь очертания предметов. На больших глубинах отсутствует фотосинтез – основа питания всего живого на Земле. По этим причинам животный мир океанских глубин обычно беден. Однако исследования океанского дна в глубоководных желобах с помощью подводных аппаратов показали, что там имеются скопления донных животных (моллюсков).

Биомасса в скоплении составляла от 16 до 51 кг/м². Для сравнения: в тропическом мелководье биомасса редко превосходит 20-25 кг/м².

Обнаруженные экологические оазисы имеются лишь на небольших участках дна океана в районах выхода геотермальных вод.

Температура воды горячих источников достигает 450 °C. Обычная же температура воды на океанском дне порядка 0,6 °С. Самая высокая температура поверхности воды в океане – вблизи экватора: 36 °С. Минимальная температура поверхности океана – в полярных районах, у кромки морских льдов, где она колеблется от минус 1,5 °С до минус 2,0 °С. Средняя температура на поверхности Мирового океана равна 17,4 °С.

Среднее количество растворенных в водах Мирового океана твердых веществ составляет около 3,5 % по весу. Растворенные в воде элементы:

• хлор – 1,9 %;
• натрий – 1,06 %;
• магний – 0,13 %;
• сера – 0,088 %;
• кальций – 0,04 %;
• калий – 0,038 %;
• бром – 0,0065 %;
• углерод – 0,003 %;

обычно находятся в виде соединений.

Основными из них являются:

• хлориды (NaCl, MgCl), процентное содержание которых равно 88,7 %;
• сульфаты (MgSO4, CaSO4, K2SO4), которых в морской воде содержится 10,8 %;
• карбонаты (CaCO3) – 0,3 %.

Содержание растворенных твердых веществ выражается в промилле и численно равно их весу (в граммах) в одном килограмме морской воды. На всех океанах распределение солености поверхностных вод вдоль широтных зон практически равномерно (0-40 промилле). Минимум солености в открытых районах океанов отмечается вблизи экватора, а максимум в зонах около 20 градусов северной и южной широты.

Распределение солености по глубине различно в основном до глубин порядка 1 500 м. Ниже этого горизонта соленость с глубиной остается практически неизменной. Распределение плотности морской воды определяется распределением температуры и солености. Наибольшее значение плотности отмечается в высоких широтах, где она достигает 1,0275 г/см³. К экватору плотность уменьшается, достигая значения 1,022 г/см³. Неравномерность распределения плотности по горизонтали вызывает движение масс воды в направлении выравнивания плотности. Поэтому поверхностные воды высоких широт опускаются и движутся в направлении экватора к горизонтам, на которых плотность воды одинакова с поверхностной плотностью высоких широт. Вследствие этого глубинные и придонные воды во всем Мировом океане являются холодными. С глубиной плотность воды возрастает благодаря понижению температуры и увеличению давления, что создает устойчивость слоев воды. Особенно больших значений устойчивость достигает в слоях резкого увеличения плотности с глубиной – слоях скачка плотности. Характер изменения плотности с глубиной и наличия слоя скачка существенно влияют на распространение акустических волн, а следовательно, и эффективность работы гидроакустической аппаратуры.

Колебания водных масс, возбуждаемые ветром на поверхности океана, подразделяются на два основных типа: ветровые волны и зыбь. Наиболее часто суда встречаются с ветровыми волнами, вызывающими:

• качку;
• заливаемость палубы;
• уменьшение скорости хода;
• а иногда и повреждения корпуса.

Выделяются следующие геометрические элементы волны:

• гребень – часть волны, расположенная выше среднего волнового уровня;
• ложбина – часть волны, расположенная ниже среднего волнового уровня;
• вершина – высшая точка гребня волны;
• подошва – низшая точка ложбины волны;
• высота волны – превышение вершины волны над соседней подошвой;
• длина волны – горизонтальное расстояние между вершинами двух смежных гребней.

Зыбь – это волнение, оставшееся после ветра, его вызвавшего или ослабевшего, или изменившего свое направление более чем на 45 градусов. В море часто наблюдается смешанное волнение, при котором одновременно существуют ветровые волны и зыбь, которая пришла из другого района или образовалась на месте при изменении ветровых условий.

Существуют условно три стадии ветрового волнения:

• развивающееся, когда с увеличением скорости ветра наблюдается возрастание высоты и длины волн;
• установившееся, при котором размеры волн достигают своих предельных значений при определенных скорости и продолжительности действия ветра и длине его разгона над морем;
• затухающее, у которого с ослаблением скорости ветра происходит значительно медленное уменьшение элементов волн.

На рост элементов волн влияет длина разгона – расстояние, на котором ветер постоянный по скорости (+/-2 м/с) и направлению (+/-25 градусов) воздействует на волны.

При длине разгона больше 200 км высота волны приближается к максимальному значению. Изменение высоты волны от продолжительности действия ветра t и его скорости u определяется соотношением:

На рис. 2 показан график, характеризующий промежуток времени, необходимый для того, чтобы высоты волн достигли своих предельных значений. Реальные морские ветровые волны отличаются разнообразием своих характеристик, однако наблюдения показывают, что существуют определенные статистические закономерности.

Повторяемость волнения – вероятность появления волны определенных размеров (высота, длина, период) из общего числа наблюдений.

Обеспеченность волнения характеризует распределение элементов волн по размерам из общего числа наблюдений. Повторяемость штормового волнения в отдельных морях существенно различна. Некоторые количественные характеристики бурности отдельных морей и океанов приведены в табл. 1

Высоты волн, указанные в таблице, относятся к волнам 3 %-ой обеспеченности, т. е. три волны из каждых 100, наблюдающихся при этом волнении, могут иметь высоту большую, чем указанная в таблице, а максимальная высота может превышать ее в 1,3-1,4 раза.

Для оценки ветрового волнения по высоте применяется Кто придумал шкалу измерения ветра, и где она теперь используетсяшкала степени волнения, приведенная в табл. 2.

При высоте волны более 4 м морские суда вынуждены замедлять ход или менять курс. В условиях высокого волнения продолжительность плавания, расход топлива и опасность повреждения груза резко увеличиваются, поэтому на основании метеорологической информации маршрут прокладывается в обход таких районов.

При плавании в прибрежной зоне необходимо учитывать изменение характера волнения и размеров его элементов под воздействием берегов и рельефа дна.

Фронт волны на глубокой воде λθ по мере уменьшения глубины моря изменяет направление бега на λ1θ1, λ2θ2 и λ3θ3, постепенно приближаясь к направлению, параллельному береговой черте. Это явление приводит при посадке судна на мель к его развороту вдоль береговой черты.

Когда деформированная волна выходит на глубины порядка 1,5 высоты волны, начинается ее полное разрушение. Оно проявляется в том, что передний склон гребня становится совершенно отвесным, а затем, потеряв под собой основание, опрокидывается.

Это явление называется прибоем. Прибойный поток и возникающие течения приводят к тому, что в прибойной зоне на плавсредства и малые суда действуют силы и моменты, способствующие их опрокидыванию. Вот почему плавание в прибрежной мелководной зоне и высадка на берег во время прибоя бывают весьма затруднительны, а порой и невозможны.

Под влиянием ряда природных сил поверхность океана испытывает непериодические колебания, которые подразделяются на две группы.

1. Анемобарические, вызываемые действием метеорологических факторов ветра и атмосферного давления. Под воздействием ветра происходят сгонно-нагонные колебания уровня. В результате перемещения барических систем возникают длинные волны, которые называются «штормовые нагоны». Инерционные колебания водных масс, возникающие как реакция на ослабление или прекращение сил, нарушавших равновесие масс в водоеме, называются «сейши».
2. Сейсмические (цунами), сформированные резким понижением или повышением дна во время землетрясений, возникающие в результате сброса в воду больших масс грунта или льда, порожденные взрывами в результате подводных извержений вулканов или искусственных взрывов большой мощности.

К катастрофическим цунами относятся такие, которые создают средний подъем уровня 8 метров и более на участке побережья длиной 400 километров. Местами волны цунами могут иметь высоту 20-30 метров. Наибольшее количество цунами различной интенсивности наблюдается у берегов Японии, Курильских островов, Камчатки, а также у побережья Северной и Южной Америки.

В суживающихся заливах с уменьшающимися глубинами штормовые нагоны приводят к катастрофическим наводнениям. В ряде портов на побережье различных континентов наблюдается периодическое движение масс воды, получившее название «тягун». При этом явлении суда, стоящие на якорях и у причалов, совершают ритмические движения синхронно с потоками воды, зачастую срываются с якорей, обрывают швартовы, разрушают борта о стенки причалов, а иногда и сами причалы.

Под действием космических сил, сил притяжения между Землей, Луной и Солнцем, в океане наблюдаются периодические, долгопериодные волновые колебания, называемые приливами. Приливообразующая сила Луны в 2,17 раз больше солнечной, поэтому основные черты приливных явлений определяются главным образом взаимным положением Луны и Земли. В заливах и проливах на характер приливных явлений большое влияние оказывают конфигурация берегов и рельеф дна.

В отдельных длинных узких заливах наблюдается аномально большая величина прилива. Например:

в
• Пенженской губе Охотского моря – 12 м;
• в Бристольском заливе на побережье Франции – 15 м;
• в Заливе Фанди на Атлантическом побережье Канады – 18 м.

Полной водой называется максимальный уровень в продолжение одного периода приливных колебаний, а малой водой – минимальный уровень в продолжение этого периода. Периодом прилива называется промежуток времени между двумя последовательными полными или малыми водами. В зависимости от периода различают суточные, полусуточные и смешанные приливы. Высотой прилива называется положение приливного уровня по отношению к нулю глубин. В России отсчет высот уровня на морях с приливами ведется от низшего возможного по астрономическим условиям уровня (наименьшей малой воды). Этот уровень называют теоретическим нулем глубин.

Есть в океане районы, которые издавна имеют печальную славу “гиблых мест“. Один из самых грозных таких участков располагается к югу и юго-востоку от мыса Доброй Надежды. И в наше время этот район считается опасным для мореплавания из-за необычных одиночных волн, которые назвали “волнами-убийцами“. Характерная особенность этих волн – крутой передний склон, а за ним пологая ложбина. Их высота составляет 15-20 метров (однажды отмечена 24-метровая волна). При этом они иногда возникают даже при относительно спокойном море.

Предлагается к прочтению: Биосфера океанов и развитие промышленной марикультуры

Причина появления “волн-убийц” оказалась в следующем. Ревущие сороковые широты гонят к юго-востоку Африки крупные волны зыби. Взаимное наложение ветровых волн и зыби способно резко увеличить размер волны. Но этого ещё недостаточно для образования “волн-убийц“. Сопутствующие холодному фронту северные ветры ускоряют Агульясово течение до максимальной скорости порядка пяти узлов. А навстречу этой быстро движущейся океанической “реке” мчатся ветровые волны и волны зыби. Высота первых всего около трех метров, высота вторых достигает 6-8 метров. В один из моментов течение “запирает” всю массу валов. Тут-то и взлетает “ненормальный“, высотой до двадцати и более метров гребень. Когда все это выяснилось, то оказалось, что морякам, в общем, нетрудно спастись от “волн-убийц“. Если судно следует навстречу зыби, а ветер, усиливаясь, также меняет направление на встречное, то надо уйти со стремнины Агульясова течения. Вот и все.

Лучшее средство борьбы с авариями судов – их предупреждение. Но для этого необходимо, прежде всего, знать причины и первоисточники аварий, а следовательно, систематически изучать их. Опыт свидетельствует, что именно изучение аварий даёт материал для эффективного обнаружения конструктивно-технологических, эксплуатационных и организационных недостатков. Уроки, извлечённые из этого анализа, полезны мореплавателям, судоводителям и спасателям.

Автор статьи

Владимир Филатов

Старший помощник капитана

Список литературы

1. Агишев Е. П., Цыпин О. Д., Ерпулев М. А. Спасательный подводный снаряд проекта 1837 и автономный рабочий снаряд проекта 1839 Российского ВМФ / / Судостроение. – 1995. № 2.
2. Александров М. Н. Безопасность человека на море. – Л.: Судостроение, 1983. – 208 с.
3. Бакетов Н. В., Чебыкин О. В., Шубин П. К. Технические средства спасательной службы. – Л.: ЛКИ, 1989. – 74 с.
4. Белкин С. И. Голубая лента Атлантики. – Л.: Судостроение, 1990. – 240 с.
5. Букань С. П. По следам подводных катастроф. – М.: Русь, 1992. – 208 с.
6. Буров В. Н. Отечественное военное кораблестроение в третьем столетии своей истории. – СПб: Судостроение, 1995. – 601 с.
7. Глобальная морская система связи при бедствии и для обеспечения безопасности / Пер. с англ. Ю. С. Ацерова и др. – М.: Транспорт, 1989. – 63 с.
8. Гольдин Э. Р. Козлов В. П., Челышев Ф. П. Подводно-технические, судоподъемные и аварийно-спасательные работы: Справочник. – М.: Транспорт, 1990. – 336 с.
9. Горз Д. Н. Подъем затонувших кораблей / Пер. с англ. – Л.: Судостроение, 1985. – 336 с.
10. Дунаевский Е. Я., Жбанов А. В. Спасание на море. – М.: Судостроение, 1991. – 143 с.
11. Джилмер Т. С. Проектирование современного корабля. – Л.: Судостроение, 1974. – 280 с.
12. Дыгало В. А. Флот государства Российского. Откуда и что на флоте пошло? – М.: Прогресс; Пангея, 1993. – 352 с.
13. Захаров В. М. Организационная структура и техническая оснащенность спасательных служб на море за рубежом и в СССР // Экспресс-информация. Сер. Аварийно-спасательные и подводно-технические работы. – 1991. – Вып. 4. – С. 1-5.
14. Информационный сборник управления поисковых и аварийно-спасательных работ ВМФ. – Ломоносов, 1995. Вып. 7. – 331 с.
15. Караогланов С. А. Экспорт российских кораблей // Морской сборник. – 1992. № 12. – С 42-47.
16. Лисов Г. П. Человек – существо несухопутное. – СПб.: Судостроение, 1994. – 336 с.
17. Логачев С. И., Орлов О. П. Проблемные вопросы развития транспортного судостроения // Судостроение. – 1995. № 2. – С 3-9.
18. Ляликов А. П., Саруханов В. А. Корабли, автоматы, роботы. Л.: Судостроение, 1985. – 104 с.
19. Молчанов В. А. Возвращение из глубин. – Л.: Судостроение, 1982. – 184 с.
20. Наугольнов В. И., Чебыкин О. В., Смирнов В. А. Суда спасательной службы. – СПб.: ГМТУ, 1993. – 119 с.
21. Нечаев Ю. И., Царев Б. А.,Челпанов И. В. Профессия – судостроитель: Учебник. – Л.: Судостроение, 1987. – 144 с.
22. Осинцев В. В. Артиллерийское вооружение современных российских кораблей. – СПб.: ПТТО «Барс», 1994. – 38 с.
23. Подсевалов Б. В., Фомин А. П. Словарь стандартизированной терминологии в судостроении. – Л.: Судостроение, 1990. – 240 с.
24. Сидорченко В. Ф. Суда-спасатели и их служба. – Л.: Судостроение, 1983. – 240 с.
25. Снопков В. И., Конопелько Г. И., Васильева В. Б. Безопасность мореплавания: Учебник для вузов. – М.: Транспорт, 1994. – 247 с.
26. Скрягин Л. Н. Тайны морских катастроф. – М.: Транспорт, 1986. – 336 с.
27. Фигичев А. И. Аварийно-спасательные и судоподъёмные средства / Ю. В. Васильев, Г. К. Крылов, А. В. Сытин, В. С. Ястребов. – Л.: Судостроение, 1979. – 264 с.
28. Ханке Х. Люди, корабли, океаны. – Л.: Судостроение, 1976. – 432 с.
29. Чикер Н. П. Служба особого назначения: Хроника героических дел. – М.: ДОСААФ, 1975. – 224 с.
30. Штукин Д. Л. Средства связи и наблюдения ВМФ. – Л.: ЛКИ, 1972. – 94 с.