Мировой океан, покрывающий 71% поверхности Земли, поражает сложностью и разнообразием процессов, развивающихся в нем.
От поверхности до наибольших глубин воды океана находятся в непрерывном движении. Эти сложные движения воды от огромных по масштабу океанических течений до мельчайших вихрей возбуждаются приливообразующими силами и служат проявлением взаимодействия атмосферы и океана.
Водная масса океана в низких широтах накапливает тепло, полученное от солнца, и переносит это тепло в высокие широты. Перераспределение тепла, в свою очередь, возбуждает определенные атмосферные процессы. Так, в области сближения холодных и теплых течений в Северной Атлантике возникают мощные циклоны. Они достигают Европы и часто определяют погоду на всем ее пространстве до Урала.
Живая материя океана очень неравномерно распределяется по глубинам. В различных районах океана биомасса зависит от климатических условий и поступления солей азота и фосфора в поверхностные воды. В океане обитает великое множество растений и животных. От бактерий и одноклеточных зеленых водорослей фитопланктона до крупнейших на земле млекопитающих — китов, вес которых достигает 150 т. Все живые организмы составляют единую биологическую систему со своими законами существования и эволюции.
На дне океана очень медленно накапливаются рыхлые осадки. Это первая стадия образования осадочных горных пород. Для того, чтобы геологи, работающие на суше, могли правильно расшифровать геологическую историю той или иной территории, необходимо детально исследовать современные процессы осадкообразования.
Как выяснилось в последние десятилетия, земная кора под океаном обладает большой подвижностью. На дне океана образуются горные хребты, глубокие рифтовые долины, вулканические конусы. Словом, дно океана «живет» бурно, и нередко там возникают такие сильные землетрясения, что по поверхности океана стремительно бегут огромные опустошительные волны цунами.
Пытаясь исследовать природу океана — этой грандиозной сферы земли, ученые сталкиваются с определенными трудностями, для преодоления которых приходится применять методы всех основных естественных наук: физики, химии, математики, биологии, геологии. Обычно об океанологии говорят как о союзе различных наук, о федерации наук, объединенных предметом исследования. В таком подходе к изучению природы океана сказывается естественное стремление глубже проникнуть в его тайны и настоятельная необходимость глубоко и всесторонне знать характерные черты его природы.
Задачи эти очень сложны, и решать их приходится большим коллективом ученых и специалистов. Для того, чтобы представить, как именно это делается, рассмотрим три наиболее актуальных направления океанологической науки:
- взаимодействие океана и атмосферы;
- биологическая структура океана;
- геология дна океана и его минеральные ресурсы.
Завершило многолетний неустанный труд старейшее советское научно-исследовательское судно «Витязь». Оно прибыло в Калининградский морской порт. Закончился 65-й прощальный рейс, продолжавшийся более двух месяцев.
Вот и сделана последняя «ходовая» запись в судовом журнале ветерана нашего океанологического флота, который за тридцать лет плаваний оставил за кормой более миллиона миль.
В беседе с корреспондентом «Правды» начальник экспедиции профессор А. А. Аксенов отметил, что 65-й рейс «Витязя», как и все предыдущие, оказался успешным. Во время комплексных исследований в глубоководных районах Средиземного моря и Атлантического океана получены новые научные данные, которые обогатят наши знания о жизни моря.
«Витязь» будет временно базироваться в Калининграде. Предполагается, что затем он станет базой для создания музея Мирового океана.
Несколько лет ученые многих стран работают по международному проекту ПИГАП (программа исследования глобальных атмосферных процессов). Цель этой работы — найти надежный метод прогноза погоды. Нет необходимости объяснять, насколько это важно. Можно будет заранее знать о засухе, о наводнениях, ливнях, сильных ветрах, жаре и холоде…
Пока никто не может дать такого прогноза. В чем главная трудность? Невозможно точно описать математическими уравнениями процессы взаимодействия океана и атмосферы.
Почти вся вода, выпадающая на сушу в виде дождя и слега, поступает в атмосферу с поверхности океана. Воды океана в районе тропиков сильно нагреваются, и течения разносят это тепло в высокие широты. Над океаном возникают огромные вихри — циклоны, которые определяют погоду на суше.
Океан — это кухня погоды… Но в океане очень мало постоянных станций наблюдения за погодой. Это немногочисленные острова и несколько автоматических плавучих станций.
Ученые пытаются построить математическую модель взаимодействия океана и атмосферы, но она должна быть реальной и точной, а для этого недостает многих данных о состоянии атмосферы над океаном.
Выход был найден в том, чтобы в небольшом районе океана очень точно и непрерывно проводить измерения с судов, с самолетов и метеорологических спутников. Такой международный эксперимент под названием «Тропекс» был проведен в тропической зоне Атлантического океана в 1974 г., и были получены очень важные данные для построения математической модели.
Необходимо знать всю систему течений в океане. Течения переносят тепло (и холод), питательные минеральные соли, нужные для развития жизни. Очень давно моряки начали собирать сведения о течениях. Это началось в XV— XVI вв., когда парусные суда вышли в открытый океан. В наше время все моряки знают, что существуют подробные карты поверхностных течений, и пользуются ими. Однако в последние 20—30 лет были сделаны открытия, которые показали, насколько неточны карты течений и насколько сложна общая картина циркуляции вод океана.
В экваториальной зоне Тихого и Атлантического океанов были исследованы, измерены и нанесены на карты мощные глубинные течения. Они известны как течение Кромвелла в Тихом и течение Ломоносова в Атлантическом океанах.
На западе Атлантического океана было открыто глубинное Антило-Гвианское противотечение. А под знаменитым Гольфстримом оказался Противогольфстрим.
В 1970 г. советские ученые провели очень интересное исследование. В тропической зоне Атлантического океана была установлена серия буйковых станций. На каждой станции непрерывно регистрировались течения на различных глубинах. Измерения длились полгода, причем периодически выполняли гидрологические съемки в районе измерений для получения данных об общей картине движения вод. После обработки и обобщения материалов измерений выяснилась очень важная общая закономерность. Оказывается, ранее существовавшее представление об относительно равномерном характере постоянного пассатного течения, которое возбуждается северными пассатными ветрами, не соответствует действительности. Не существует этого потока, этой громадной реки в жидких берегах.
В зоне пассатного течения движутся громадные вихри, водовороты, размером в десятки и даже сотни километров. Центр такого вихря перемещается со скоростью порядка 10 см/с, но на периферии вихря скорости течения значительно больше. Это открытие советских ученых было позднее подтверждено американскими исследователями, а в 1973 г. подобные вихри были прослежены в советских экспедициях, работавших на севере Тихого океана.
В 1977—1978 гг. был поставлен специальный эксперимент по изучению вихревой структуры течений в районе Саргассова моря на западе Северной Атлантики. На большом пространстве советские и американские экспедиции в течение 15 месяцев непрерывно вели измерения течений. Этот огромный материал еще не до конца проанализирован, но сама постановка задачи потребовала массовых специально поставленных измерений.
Особое внимание к так называемым синоптическим вихрям в океане вызвано тем, что именно вихри несут в себе наибольшую долю энергии течения. Следовательно, их тщательное изучение может существенно приблизить ученых к решению задачи о долгосрочном прогнозе погоды.
Еще одно интереснейшее явление, связанное с океанскими течениями, открыто в последние годы. К востоку и к западу от мощного океанского течения Гольфстрим обнаружены очень устойчивые так называемые ринги (кольца). Подобно реке, Гольфстрим имеет сильные изгибы (меандры). В некоторых местах меандры смыкаются, и образуется кольцо, в котором резко различается температура поды на периферии и в центре. Такие кольца прослежены также на периферии мощного течения Куросио в северо-западной части Тихого океана. Специальные наблюдения над рингами в Атлантическом и Тихом океанах показали, что эти образования очень устойчивы, сохраняют существенную разницу в температуре воды на периферии и внутри ринга в течение 2—3 лет.
В 1969 г. впервые были применены специальные зонды для непрерывного измерения температуры и солености на различных глубинах. До этого температуру измеряли ртутными термометрами в нескольких точках на разных глубинах и с этих же глубин в батометрах поднимали воду. Затем определяли соленость воды и наносили значения солености и температуры на график. Получали распределение этих свойств воды по глубине. Измерения в отдельных точках (дискретные) не позволяли даже предположить, что температура воды с глубиной изменяется так сложно, как это показали непрерывные измерения зондом.
Оказалось, что вся водная масса от поверхности до больших глубин разделяется на тонкие слои. Разница в температуре соседних горизонтальных слоев доходит до нескольких десятых градуса. Эти слои толщиной от нескольких сантиметров до нескольких метров существуют иногда несколько часов, иногда исчезают за несколько минут.
Первые измерения, сделанные в 1969 г., показались многим случайным явлением в океане. Не может быть, говорили скептики, чтобы могучие океанские волны и течения не перемешивали воду. Но в последующие годы, когда зондирование водной толщи точными приборами было проведено по всему океану, оказалось, что тонкослоистая структура водной толщи обнаруживается везде и всегда. Не вполне ясны причины этого явления. Пока объясняют его так: по той или иной причине в толще воды возникают многочисленные довольно четкие границы, разделяющие слои с различной плотностью. На границе двух слоев различной плотности очень легко возникают внутренние волны, которые перемешивают воду. В процессе разрушения внутренних волн возникают новые однородные слои, и границы слоев образуются на иных глубинах. Так этот процесс повторяется многократно, меняются глубина залегания и толщина слоев с резкими границами, но общий характер водной толщи остается неизменным.
В 1979 г. начался экспериментальный этап международной программы изучения глобальных атмосферных процессов (ПИГАП). Несколько десятков судов, автоматические наблюдательные станции в океане, специальные самолеты и метеорологические спутники, вся эта громада исследовательских средств работает на всем пространстве Мирового океана. Все участники этого эксперимента работают по единой согласованной программе для того, чтобы, сопоставляя материалы международного эксперимента, можно было построить глобальную модель состояния атмосферы и океана.
Бели принять во внимание, что кроме генеральной задачи — поиска надежного метода долгосрочного прогноза погоды, необходимо знать множество частных фактов, то общая задача физики океана представится весьма и весьма сложной: методы измерений, приборы, действие которых основано на применении самых современных электронных схем, довольно трудная обработка получаемой информации с обязательным использованием ЭВМ; построение весьма сложных и оригинальных математических моделей процессов, развивающихся в водной толще океана и на границе с атмосферой; постановка широких экспериментов в характерных районах океана. Таковы общие особенности современных исследований в области физики океана.
Особые трудности возникают при изучении живой материи в океане. Относительно недавно были получены необходимые материалы для общей характеристики биологической структуры океана.
Лишь в 1949 г. была открыта жизнь на глубинах более 6000 м. Позднее глубоководная фауна — фауна ультраабиссали оказалась интереснейшим объектом специального исследования. На таких глубинах условия существования очень стабильны в геологическом масштабе времени. Можно по сходству ультраабиссальной фауны установить былые связи отдельных океанических впадин и восстановить географические условия геологического прошлого. Так, например, сравнивая глубоководную фауну Карибского моря и восточной части Тихого океана, ученые установили, что в геологическом прошлом не было Панамского перешейка.
Несколько позднее было сделано поразительное открытие — в океане обнаружен новый тип животных — погонофоры. Тщательное исследование их анатомии, систематическая классификация составили содержание одного из выдающихся трудов в современной биологии — монографии А. В. Иванова «Погонофоры». Эти два примера показывают, насколько трудным оказалось изучение распределения жизни в океане и тем более общих закономерностей функционирования биологических систем океана.
Сопоставляя разрозненные факты, сравнивая биологию основных групп растений и животных, ученые пришли к важным выводам. Общая биологическая продукция Мирового океана оказалась несколько меньше аналогичной величины, характеризующей всю площадь суши, несмотря на то, что площадь океана в 2,5 раза больше, чем суши. Это связано с тем, что областями высокой биологической продуктивности являются периферия океана и области подъема глубинных вод. Остальное пространство океана — почти безжизненная пустыня, в которой можно встретить разве что крупных хищников. Отдельными оазисами в океанской пустыне оказываются лишь небольшие коралловые атоллы.
Другой важный вывод касается общей характеристики пищевых цепей в океане. Первым звеном пищевой цепи являются одноклеточные зеленые водоросли фитопланктона. Следующее звено — зоопланктон, далее планктоноядные рыбы и хищники. Существенное значение имеют дойные животные — бентос, также являющиеся пищей для рыб.
Воспроизводство в каждом звене пищевой цени таково, что продуцируемая биомасса в 10 раз превышает ее потребление. Иначе говоря, 90%, например, фитопланктона погибает естественным путем и только 10% служит пищей для зоопланктона. Установлено также, что рачки зоопланктона совершают в поисках пищи вертикальные суточные миграции. Совсем недавно удалось обнаружить в пищевом рационе рачков зоопланктона сгустки бактерий, причем этот вид пищи составил до 30% общего объема. Общий итог современных исследований биологии океана состоит в том, что найден подход и построена первая блоковая математическая модель экологической системы открытого океана. Это первый шаг на пути к искусственному регулированию биологической продуктивности океана.
Какими же методами пользуются биологи в океане?
Прежде всего, разнообразными орудиями лова. Мелкие организмы планктона отлавливаются специальными конусными сетями. В результате лова получают осредненное количество планктона в весовых единицах на единицу объема воды. Этими сетями можно облавливать отдельные горизонты водной толщи или «процеживать» воду от заданной глубины до поверхности. Донные животные отлавливаются различными орудиями, буксируемыми по дну. Рыбы и другие организмы нектона отлавливаются разноглубинными тралами.
Своеобразные методы применяются для изучения пищевых взаимоотношений различных групп планктона. Организмы «метят» радиоактивными веществами и затем определяют количество и темп выедания в последующем звене пищевой цепи.
В последние годы нашли применение физические методы косвенного определения количества планктона в воде. Один из этих методов основан на использовании лазерного луча, который как бы прощупывает поверхностный слой воды в океане и дает данные о суммарном количестве фитопланктона. Другой физический метод основан на использовании способности организмов планктона к свечению — биолюминесценции. Специальный батометр-зонд погружается в воду, и по мере погружения фиксируется интенсивность биолюминесценции, как показатель количества планктона. Этими методами очень быстро и полно получают характеристику распределения планктона во множестве точек зондирования.
Важным элементом изучения биологической структуры океана являются химические исследования. Содержание биогенных элементов (минеральных солей азота и фосфора), растворенного кислорода и ряд других важных характеристик среды обитания организмов определяют химическими методами. Особенно важны тщательные химические определения при изучении высокопродуктивных прибрежных районов — зон апвеллинга. Здесь, при регулярных и сильных ветрах с берега, происходит сильный сгоп воды, сопровождающийся подъемом глубинных вод и распространением их в мелководной области шельфа. Глубинные воды содержат в растворенном виде значительное количество минеральных солей азота и фосфора. Вследствие этого в зоне апвеллинга пышно расцветает фитопланктон и в конечном счете формируется область промысловых скоплений рыбы.
Прогноз и регистрация специфического характера среды обитания в зоне апвеллинга выполняются методами химии. Таким образом, и в биологии вопрос о допустимых и применяемых методах исследования решается в наше время комплексно. Широко применяя традиционные методы биологии, исследователи все шире используют методы физики и химии. Обработка материалов, а также обобщение их в виде оптимизированных моделей выполняются методами современной математики.
В области изучения геологии океана за последние 30 лет получено так много новых фактов, что пришлось решительно изменить многие традиционные представления.
Всего лишь 30 лет назад измерение глубины дна океана было исключительно трудным делом. Нужно было опускать в воду тяжелый лот с грузом, подвешенным на длинном стальном тросе. При этом результаты часто бывали ошибочными, а точки с измеренными глубинами отстояли одна от другой на сотни километров. Поэтому и господствовало представление о громадных пространствах океанического дна как о гигантских равнинах.
В 1937 г. впервые был применен новый метод измерения глубин, основанный на эффекте отражения звукового сигнала от дна.
Принцип измерения глубины эхолотом очень прост. Специальный вибратор, укрепленный в нижней части корпуса судна, излучает пульсирующие акустические сигналы. Сигналы отражаются от поверхности дна и улавливаются принимающим устройством эхолота. Время пробегания сигнала «туда и обратно» зависит от глубины, и на ленте при движении корабля вычерчивается непрерывный профиль дна. Серия таких профилей, разделенных относительно небольшими расстояниями, дает возможность провести на карте линии равных глубин — изобаты и изобразить донный рельеф.
Измерения глубин эхолотом изменили прежние представления ученых о рельефе дна океана.
Как же оно выглядит?
От берега тянется полоса, которую называют континентальным шельфом. Глубины на континентальном шельфе обычно не превышают 200—300 м.
В верхней зоне континентального шельфа идет непрерывное и бурное преобразование рельефа. Берег отступает под натиском волн, и одновременно под водой возникают большие скопления обломочного материала. Именно здесь образуются крупные залежи песка, гравия, гальки — превосходный строительный материал, раздробленный и отсортированный самой природой. Разнообразные косы, пересыпи, бары, в свою очередь, наращивают берег в другом месте, отделяют лагуны, перегораживают устья рек.
В тропической зоне океана, где вода очень чистая и теплая, вырастают грандиозные коралловые сооружения — береговые и барьерные рифы. Они тянутся на сотни километров. Коралловые рифы служат убежищем для великого множества организмов и вместе с ними образуют сложную и необыкновенную биологическую систему. Словом, верхняя зона шельфа «живет» бурной геологической жизнью.
На глубинах 100—200 м геологические процессы как бы замирают. Рельеф становится выровненным, на дне много выходов коренных пород. Разрушение скал идет очень медленно.
На внешнем крае шельфа, обращенном к океану, круче становится падение поверхности дна. Иногда уклоны достигают 40—50°. Это материковый склон. Его поверхность рассекают подводные каньоны. Здесь происходят напряженные, порой катастрофические процессы. На склонах подводных каньонов накапливается ил. Временами устойчивость скоплений внезапно нарушается, и по дну каньона низвергается грязевой поток.
Грязевой поток достигает устья каньона, и здесь основная масса песка и крупных обломков, отлагаясь, образует конус выноса — подводную дельту. За пределы материкового подножия выходит мутьевой поток. Нередко отдельные конусы выноса соединяются, и у материкового подножия образуется сплошная полоса рыхлых осадков большой мощности.
53% площади дна занимает ложе океана, та область, которая до недавнего времени считалась равниной. В действительности рельеф ложа океана довольно сложный: поднятия различного строения и происхождения делят его на огромные котловины. Размеры океанических котловин можно оценить хотя бы по одному примеру: северная и восточная котловины Тихого океана занимают площадь большую, чем вся Северная Америка.
На большом пространстве самих котловин господствует холмистый рельеф, иногда встречаются отдельные подводные горы. Высота гор океана достигает 5—6 км, и их вершины нередко возвышаются над водой.
В других районах ложе океана пересекают громадные пологие валы шириной в несколько сот километров. Обычно на этих валах располагаются вулканические острова. В Тихом океане, например, есть Гавайский вал, на котором расположена цепь островов с действующими вулканами и лавовыми озерами.
Со дна океана во многих местах поднимаются вулканические конусы. Иногда вершина вулкана достигает поверхности воды, и тогда возникает остров. Некоторые из таких островов постепенно разрушаются и скрываются под водой.
В Тихом океане обнаружено несколько сотен вулканических конусов с явными следами действия волн на плоских вершинах, погруженных на глубину 1000—1300 м.
Эволюция вулканов может быть и иной. На вершине вулкана поселяются рифообразующие кораллы. При медленном погружении кораллы надстраивают риф, и с течением времени образуется кольцевой остров — атолл с лагуной в середине. Рост кораллового рифа может продолжаться очень долго. На некоторых атоллах Тихого океана было проведено бурение, с тем чтобы определить мощность толщи коралловых известняков. Оказалось, что она достигает 1500. Это значит, что вершина вулкана опускалась медленно — приблизительно на протяжении 20 тыс. лет.
Изучая рельеф дна и геологическое строение твердой коры океана, ученые пришли к некоторым новым выводам. Земная кора под дном океана оказалась значительно тоньше, чем на материках. На материках мощность твердой оболочки Земли — литосферы — достигает 50—60 км, а в океане не превышает 5—7 км.
Оказалось также, что литосфера суши и океана различна по составу пород. Под слоем рыхлых пород — продуктов разрушения поверхности суши лежит мощный гранитный слой, который подстилается базальтовым слоем. В океане гранитный слой отсутствует, и рыхлые отложения лежат прямо на базальтах.
Еще более важным оказалось открытие грандиозной системы горных цепей на дне океана. Горная система срединно-океанических хребтов тянется через все океаны на 80 000 км. По своим размерам подводные хребты сравнимы лишь с величайшими горами на суше, например с Гималаями. Гребни подводных хребтов обычно рассечены вдоль глубокими ущельями, которые были названы рифтовыми долинами, или рифтами. Их продолжение прослеживается и на суше.
Ученые поняли, что глобальная система рифтов — явление очень важное в геологическом развитии всей нашей планеты. Начался период тщательного изучения системы рифтовых зон, и в скором времени были получены столь значительные данные, что произошло резкое изменение представлений о геологической истории Земли.
Сейчас ученые вновь обратились к полузабытой гипотезе дрейфа континентов, высказанной немецким ученым А. Вегенером в начале века. Было выполнено тщательное сопоставление контуров материков, разделенных Атлантическим океаном. При этом геофизик Я. Буллард совмещал контуры Европы и Северной Америки, Африки и Южной Америки не по береговым линиям, а по срединной линии материкового склона, приблизительно по изобате 1000 м. Очертания обоих берегов океана совпали так точно, что даже завзятые скептики не могли сомневаться в действительном огромном горизонтальном перемещении материков.
Особенно убедительны были данные, полученные во время геомагнитных съемок в области срединно-океанических хребтов. Выяснилось, что излившаяся базальтовая лава постепенно смещается в обе стороны от гребня хребта. Таким образом, было получено прямое доказательство расширения океанов, раздвижения земной коры в области рифта и в соответствии с этим дрейфа континентов.
Глубинное бурение в океане, которое несколько лет ведется с американского судна «Гломар Челленджер», вновь подтвердило факт расширения океанов. Установили даже среднюю величину расширения Атлантического океана — несколько сантиметров в год.
Удалось также объяснить повышенную сейсмичность и вулканизм на периферии океанов.
Все эти новые данные послужили основанием для создания гипотезы (часто ее называют теорией, настолько убедительны ее аргументы) тектоники (подвижности) литосферных плит.
Первоначальная формулировка этой теории принадлежит американским ученым Г. Хессу и Р. Дитцу. Позднее ее развили и дополнили советские, французские и другие ученые. Смысл новой теории сводится к представлению о том, что жесткая оболочка Земли — литосфера — разделена на отдельные плиты. Эти плиты испытывают горизонтальные перемещения. Силы, приводящие в движение литосферные плиты, порождаются конвективными течениями, т. е. течениями глубинного огненно-жидкого вещества Земли.
Расплывание плит в стороны сопровождается образованием срединно-океанических хребтов, на гребнях которых возникают зияющие трещины рифтов. Через рифты происходит излияние базальтовой лавы.
В других областях литосферные плиты сближаются и сталкиваются. В этих столкновениях, как правило, рождается поддвиг края одной плиты под другую. На периферии океанов известны такие современные зоны поддвига, где часто возникают сильнейшие землетрясения.
Теория тектоники литосферных плит подтверждается множеством фактов, добытых за последние пятнадцать лет в океане.
Общей основой современных представлений о внутреннем строении Земли и процессах, происходящих в ее недрах, служит космогоническая гипотеза академика О. Ю. Шмидта. По его представлениям, Земля, как и другие планеты Солнечной системы, образовалась путем слипания холодного вещества пылевого облака. Дальнейшее нарастание Земли происходило путем захвата новых порций метеоритного вещества при прохождении через пылевое облако, некогда окружавшее Солнце. По мере нарастания планеты происходило погружение тяжелых (железных) метеоритов и всплывание легких (каменных). Этот процесс (разделение, дифференциация) был столь мощным, что внутри планеты вещество расплавлялось и разделялось на тугоплавкую (тяжелую) часть и легкоплавкую (более легкую). Одновременно действовал и радиоактивный разогрев во внутренних частях Земли. Все эти процессы привели к образованию тяжелого внутреннего ядра, более легкого внешнего ядра, нижней и верхней мантии. Геофизические данные и расчеты показывают, что в недрах Земли таится огромная энергия, действительно способная к решительным преобразованиям твердой оболочки — литосферы.
Основываясь на космогонической гипотезе О. 10. Шмидта, академик А. П. Виноградов разработал геохимическую теорию происхождения океана. А. П. Виноградов путем точных расчетов, а также экспериментов по изучению дифференциации расплавленного вещества метеоритов установил, что водная масса океана и атмосферы Земли образовалась в процессе дегазации вещества верхней мантии. Этот процесс продолжается и в наше время. В верхней мантии действительно происходит непрерывная дифференциация вещества, и наиболее легкоплавкая его часть проникает на поверхность литосферы в виде базальтовой лавы.
Представления о строении земной коры и ее динамике постепенно уточняются.
В 1973 и 1974 гг. в Атлантическом океане была осуществлена необычная подводная экспедиция. В заранее выбранном районе Срединно-Атлантического хребта были выполнены глубоководные погружения подводных аппаратов и был детально исследован небольшой по размеру, но очень важный участок океанского дна.
Исследуя дно с надводных судов в период подготовки экспедиции, ученые детально изучили рельеф дна и обнаружили такой район, внутри которого было глубокое ущелье, рассекающее вдоль гребень подводного хребта — рифтовая долина. В этом же районе находится хорошо выраженный в рельефе трансформный разлом — поперечный по отношению к гребню хребта и рифтовому ущелью.
Такая типичная структура дна — рифтовое ущелье, трансформный разлом, молодые вулканы, была обследована с трех подводных судов. В экспедиции участвовали французский батискаф «Архимед» с обеспечивающим его работу специальным судном «Марсель ле Биан», французская подводная лодка «Сиана» с судном «Норуа», американское исследовательское судно «Кнорр», американская подводная лодка «Алвин» с судном «Лулу».
Всего было сделано 51 глубоководное погружение за два сезона.
При выполнении глубоководных погружений до 3000 м экипажи подводных судов столкнулись с некоторыми затруднениями.
Первое, что поначалу сильно усложняло исследования, это невозможность определить местоположение подводного аппарата в условиях сильно расчлененного рельефа.
Подводный аппарат должен был двигаться, сохраняя расстояние от дна не более 5 м. На крутых склонах и пересекая узкие долины, батискаф и подводные лодки не могли пользоваться системой акустических маяков, так как подводные горы препятствовали прохождению сигналов. По этой причине была введена в действие бортовая система на обеспечивающих судах, с помощью которой определяли точное место подводного судна. С обеспечивающего судна следили за подводным аппаратом и руководили его движением. Иногда была и прямая опасность для подводного аппарата, и однажды такая ситуация возникла.
17 июля 1974 г. подводная лодка «Алвин» буквально застряла в узкой трещине и в течение двух с половиной часов осуществляла попытки выйти из западни. Экипаж «Алвин» проявил удивительную находчивость и хладнокровие — после выхода из западни не всплыл на поверхность, но продолжал исследования еще два часа.
В дополнение к непосредственным наблюдениям и измерениям из подводных аппаратов, когда выполнялось фотографирование и сбор образцов, в районе работ экспедиции было сделано бурение с известного специального судна «Гломар Челленджер».
Наконец, с борта исследовательского судна «Кнорр» регулярно проводились геофизические измерения, дополнявшие работу наблюдателей подводных аппаратов.
В результате в небольшом районе дна было сделано 91 км маршрутных наблюдений, 23 тысячи фотографий, собрано более 2 т образцов горных пород и сделано более 100 видеозаписей.
Научные результаты этой экспедиции (она известна под названием «Famous») очень важны. Впервые были применены подводные аппараты не просто для наблюдений подводного мира, но для целеустремленного геологического исследования, подобного тем подробным съемкам, которые геологи ведут на суше.
Впервые были получены прямые доказательства перемещения литосферных плит вдоль границ. В данном случае исследовалась граница между Американской и Африканской плитами.
Была определена ширина зоны, которая расположена между движущимися литосферными плитами. Неожиданно оказалось, что эта зона, где земная кора образует систему трещин и где происходит излияние базальтовой лавы на поверхность дна, то есть формируется новая земная кора, эта зона имеет ширину менее километра.
Очень важное открытие было сделано на склонах подводных холмов. В одном из погружений подводного аппарата «Сиана» на склоне холма были обнаружены трещиноватые рыхлые отдельности, сильно отличающиеся от различных обломков базальтовой лавы. После всплытия «Сианы» было установлено, что это марганцевая руда. Более подробное обследование района распространения марганцевых руд привело к открытию древнего гидротермального месторождения на поверхности дна. Повторные погружения дали новые материалы, доказывающие, что действительно вследствие выхода на поверхность дна термальных вод из недр дна в этом небольшом участке дна лежат руды железа и марганца.
Во время экспедиции возникало множество технических проблем и бывали неудачи, но драгоценный опыт целеустремленных геологических исследований, полученный в течение двух сезонов, тоже важный результат этого необыкновенного океанологического эксперимента.
Методы изучения строения земной коры в океане отличаются некоторыми особенностями. Рельеф дна изучается не только с помощью эхолотов, но также локаторов бокового обзора и специальными эхолотами, которые дают картину рельефа в пределах полосы, равной по ширине глубине места. Эти новые методы дают результаты более точные и более правильно позволяют изобразить рельеф на картах.
На научно-исследовательских судах проводится гравиметрическая съемка с помощью набортных гравиметров, съемка магнитных аномалий. Эти данные дают возможность судить о строении земной коры под океаном. Основной метод исследования — это сейсмическое зондирование. В толще воды помещают небольшой заряд взрывчатки и производят взрыв. Специальное приемное устройство регистрирует время вступления отраженных сигналов. Вычислениями определяют скорость распространения продольных волн, вызванных взрывом в толще земной коры. Характерные величины скоростей дают возможность разделять литосферу на несколько слоев различного состава.
В настоящее время в качестве источника используют пневматические устройства или электрический разряд. В первом случае в воде происходит выброс (практически мгновенно) небольшого объема воздуха, сжатого в специальном устройстве давлением 250—300 атм. На небольшой глубине воздушный пузырь резко расширяется и этим самым имитируется взрыв. Частое повторение таких взрывов, вызываемых устройством, которое называют воздушной пушкой, дает непрерывный профиль сейсмического зондирования и, следовательно, достаточно подробный профиль строения земной коры на всем протяжении галса.
Аналогичным образом используется профилограф с электрическим разрядником (спаркер). В этом варианте сейсмической аппаратуры мощность разряда, возбуждающего колебания, обычно невелика, и пользуются спаркером для изучения мощности и распределения неуплотненных слоев донных отложений.
Для изучения состава донных отложений и получения их образцов применяют различные системы грунтовых трубок и дночерпателей. Грунтовые трубки имеют, в зависимости от задачи исследования, различный диаметр, обычно несут на себе тяжелый груз для максимального заглубления в грунт, иногда имеют внутри поршень и несут на нижнем конце тот или иной замыкатель (кернопрерыватель). Трубка погружается в воду и в осадок на дне на ту или иную глубину (но обычно не более 12—15 м), и извлеченный таким образом керн, обычно называемый колонкой, поднимается на палубу судна.
Дночерпатели, представляющие собой грейферного типа устройства, как бы вырезают небольшой монолит поверхностного слоя донного грунта, который доставляется на палубу судна. Разработаны модели дночерпателей самовсплывающие. Они позволяют обойтись без троса и палубной лебедки и значительно упрощают способ получения образца. В прибрежных районах океана на малых глубинах применяют вибропоршневые грунтовые трубки. С их помощью удается получить колонки длиной до 5 м на песчаных грунтах.
Очевидно, все перечисленные приборы нельзя использовать для получения образцов (кернов) донных пород, уплотненных и имеющих мощность десятки и сотни метров. Эти образцы получают с помощью обычных буровых установок, смонтированных на судах. Для относительно небольших глубин шельфа (до 150—200 м) используют специальные суда, несущие буровую вышку и устанавливаемые в точке бурения на нескольких якорях. Удержание судна в точке осуществляется путем регулирования натяжения цепей, идущих к каждому из четырех якорей.
На глубинах в тысячи метров в открытом океане постановка судна на якорь технически неосуществима. Поэтому разработан специальный метод динамического позиционирования.
Буровое судно выходит в заданную точку, причем точность определения места обеспечивается специальным навигационным устройством, принимающим сигналы с искусственных спутников Земли. Затем на дно устанавливается довольно сложное устройство типа акустического маяка. Сигналы этого маяка принимает система, установленная на судне. После получения сигнала специальные электронные устройства определяют смещение судна и мгновенно выдают команду на подруливающие устройства. Включается нужная группа гребных винтов и положение судна восстанавливается. На палубе судна глубинного бурения размещены буровая вышка с установкой вращательного бурения, большой набор труб и специальное устройство для подъема и свинчивания труб.
Буровое судно «Гломар Челленджер» (пока единственное) осуществляет работы по международному проекту глубоководного бурения в открытом океане. Уже пробурено более 600 скважин, причем наибольшая глубина проходки скважин составила 1300 м. Материалы глубоководного бурения дали столько новых и неожиданных фактов, что интерес к их изучению чрезвычайный. При исследовании дна океана применяют много разнообразных приемов и методов, и можно ожидать в недалеком будущем появления новых методов, использующих новые принципы измерений.
В заключение следует кратко упомянуть об одной задаче в общей программе исследований океана — об изучении загрязнения. Источники загрязнения океана разнообразны. Сброс промышленных и бытовых стоков из прибрежных предприятий и городов. Состав загрязняющих веществ здесь чрезвычайно разнообразен: от отходов атомной промышленности до современных синтетических моющих средств. Значительное загрязнение создают сбросы с океанских судов, а порой и катастрофические разливы нефти при авариях танкеров и морских нефтяных скважин. Есть еще один способ загрязнения океана — через атмосферу. Воздушные течения переносят на громадные расстояния, например, свинец, попадающий в атмосферу с выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания. В процессе газообмена с атмосферой свинец попадает в воду и обнаруживается, например, в антарктических водах.
Определения загрязнения организованы в настоящее время в специальную международную систему наблюдений. При этом систематические наблюдения над содержанием загрязняющих веществ в воде возложены на соответствующие суда.
Наибольшее распространение в океане имеет загрязнение нефтепродуктами. Для контроля над ним применяют не только химические методы определения, но большей частью оптические методы. На самолетах и вертолетах устанавливают специальные оптические устройства, с помощью которых определяют границы площади, покрытой нефтяной пленкой, и даже толщину пленки.
Природа Мирового океана, этой, образно выражаясь, огромной экологической системы нашей планеты, еще недостаточно изучена. Доказательством такой оценки служат недавние открытия в различных областях океанологии. Методы изучения Мирового океана довольно разнообразны. Несомненно, в будущем, по мере того как будут найдены и применены новые методы исследования, наука обогатится новыми открытиями.
Автор: А. А. Аксенов, доктор географических наук