2.6. Океан [2, 5]

2.6. Океан [2, 5]
В окрестностях Солнца есть лишь одна планета −
Земля, на которой вода одновременно пребывает в
трёх фазовых состояниях, твёрдом, жидком и парообразном. Пары воды, в свою очередь, при соответствующих условиях диссоциируют, разлагаясь на
водород и гидроксил.
Если смотреть на Землю из необъятных просторов космоса (Рис. 2.27), то она представляется в виде
Мирового океана, в котором «плавают» материки.
Площадь поверхности Земли равна S ≅ 4,99⋅108 км2,
океан при этом покрывает ≅ 71%, т.е. 3,61⋅108 км2.
Всего на Земле, по последним оценкам учёных, соРис. 2.27. Материки в Мировом
средоточенно 1,5⋅1018 т воды, при этом в Мировом
8
3
океане
океане воды запасено − 13,41⋅10 км , т.е. 97,2%.
Океан является одним из основных источников пресной воды.
Мировой океан делится материками на четыре части: Атлантический, Тихий, Индийский и Северный Ледовитый. Средняя глубина океанских вод составляет 3711 м, наибольшая глубина − 11022 м (Марианская впадина в Тихом океане).
Наиболее крупные океаны – Тихий, Атлантический и Индийский. Тихий океан (площадь ≅ 178,62⋅106 км2) имеет в плане округлую форму и занимает почти половину водной
поверхности земного шара. Атлантический океан (91,56⋅106 км2) имеет форму широкой
буквы S, причем его западное и восточное побережья почти параллельны. Индийский океан площадью 76⋅106 км2 имеет форму треугольника [13].
Северный Ледовитый океан площадью всего 14,75⋅106 км2 почти со всех сторон окружен сушей. Как и Тихий, он имеет округлую в плане форму. Некоторые географы выделяют еще один океан – Антарктический, или Южный, – водное пространство, окружающее Антарктиду.
Мировой океан, средняя глубина которого составляет ≅ 3,7 км, содержит ≅ 1,35⋅109 км3
воды. Атмосферу, окутывающую всю Землю слоем толщиной в несколько сотен километров, с гораздо большим основанием, чем Мировой океан, можно рассматривать как своеобразную «оболочку», отделяющую водную Массу от космического пространства. Океан
и атмосфера представляют собой среды, соответственно, в жидком и газообразном состоянии, в которых развилась и существует жизнь; их свойства определяют среду обитания организмов.
Циркуляционные потоки в атмосфере влияют на общую циркуляцию воды в океанах, а
от состава и температуры воздуха в сильной степени зависят свойства океанических вод.
В свою очередь, океан определяет основные свойства атмосферы и является источником
энергии для многих протекающих в атмосфере процессов. На циркуляцию воды в океане
влияют ветры, вращение Земли и материки [13].
Известно, что температурный режим и другие климатические характеристики местности в окрестностях любого континента изменяются по направлению от побережья океана
в глубь материка. Особенно это заметно, например, при перемещении из ПетропавловскаКамчатского вглубь полуострова. По сравнению с сушей океан медленнее нагревается летом и медленнее остывает зимой, сглаживая колебания температуры на прилежащей к нему суше. Даже на расстоянии 20 − 25 км от Петропавловска в зимнее время уже можно
63
зафиксировать понижение температуры. Атмосфера получает от океана значительную
часть поступающего к ней тепла и практически весь водяной пар. Молекулы водяного пара поднимаются, конденсируется, образуя капельную форму жидкости − облака, которые
переносятся в атмосфере на значительные расстояния вглубь материков, поддерживая на
планете все формы жизни, орошая землю дождями или снегами. В процессах теплообмена
и обмена влагой участвуют только поверхностные слои водной массы океана; более 95%
всей воды находится в глубинах, где ее температура остается практически неизменной. На
глубинах 2 и более км температура во всех четырёх океанах составляет одну и ту же величину от +2 до +3 оС.
Средняя годовая температура поверхности воды составляет 17,5 оС, в районе экватора
температура максимальна ≅ 28 0С, по мере приближения к полюсам она падает, уменьшаясь (до 1,9 оС). Следует отметить незначительный разброс температур поверхности воды в
трёх земных океанах:
Тихий − +19,4 оС;
Индийский − +17,3 оС;
Атлантический − + 16,5 оС;
Ледовитый − +2,5 оС.
С поверхности Мирового океана каждые сутки в атмосферу испаряется 9,15⋅108 м3
пресной воды. В водах океанов растворено 44 химических элемента. Общее количество
солей по массе составляет ≅ 5⋅1016 т. Ели бы стало возможным все соли океанов выпарить
и приготовить в виде сухого остатка, то им можно было бы покрыть всю поверхность
Земли слоем высотой 150 м. В табл. 2.6 приведены данные о содержании в водах Мирового океана основных химических элементов
Таблица 2.6
Химический элемент
Кислород
Водород
Хлор
Натрий
Магний
Кальций
Сера
Массовый %
Химический элемент
Калий
Бром
Углерод
Стронций
Бор
Фтор
Кремний
85,8
10,67
2,00
1,07
1,4⋅10 − 1
4,5⋅10 − 2
9⋅10 − 2
Массовый %
3,8⋅10 − 2
6,5⋅10 − 3
3,5⋅10 − 3
1⋅10 − 3
4,5⋅10 − 4
1⋅10 − 4
2⋅10 − 5
Как видно из приведенных данных, из всех химических элементов более всего в морской воде содержится кислорода, который, в частности обеспечивает жизнедеятельность
живых организмов. Исследования океанологов и ихтиологов обнаружили, что содержание
кислорода не одинаково по глубине. Максимальная концентрация наблюдается в поверхностных слоях, однако даже на дне Марианской впадины на глубине более 11 км имеется
кислород, о чём свидетельствуют, обнаруженные там живые организмы.
Вода в океане, как известно, соленая. Такой вкус ей придают содержащиеся в ней 3,5%
растворенных минеральных веществ – главным образом соединения натрия и хлора – основные ингредиенты столовой соли NaCl. Следующим по количеству является магний, за
ним следует сера; присутствуют также все известные человеку металлы. Из неметаллических компонентов особенно важны кальций и кремний, так как именно они участвуют в
строении скелетов и раковин многих морских животных. Благодаря тому, что вода в океане постоянно перемешивается волнами и течениями, ее состав почти одинаков во всех
океанах.
Плотность морской воды при температуре 20 0С и солености ≅ 3,5% примерно 1,03⋅103
кг/м3 т.е. несколько выше, чем плотность пресной воды (1⋅103 кг/м3). Плотность воды в
64
океане меняется с глубиной, потому что силы всестороннего сжатия сближают молекулы
друг, с другом увеличивая их количество в единице объёма. Плотность воды зависит также от температуры и солености. В наиболее глубоких частях океана воды обычно солонее
и холоднее. Наиболее плотные массы воды в океане могут оставаться на глубинах и сохранять пониженную температуру по сравнению с поверхностью 1000 лет и более.
Поскольку морская вода имеет относительно низкую вязкость и достаточно высокие
значения коэффициента поверхностного натяжения, она оказывает относительно слабое
сопротивление движению в ней твёрдых тел и быстро стекает с различных поверхностей.
Преобладающая синяя окраска морской воды связана с рассеянием солнечных лучей
взвешенными в воде мелкими частицами.
Морская вода менее прозрачна для видимого света по сравнению с воздухом. Однако,
учёными зарегистрировано проникновение солнечных лучей в океан до глубины 700 м.
Радиоволны проникают в толщу воды лишь на несколько сантиметров, в то время как
низкочастотные звуковые волны могут распространяться под водой на сотни километров.
Скорость распространения звука в морской воде колеблется, составляя в среднем с ≅ 1500
м/с. Электропроводность морской воды примерно в 4000 раз выше, чем электропроводность пресной воды.
На дне Мирового океана находятся горные хребты, глубокие расселины с обрывистыми стенками, протяженные гряды и глубокие рифовые долины. Океанское дно изрезано не
менее чем поверхность суши, причём перепады высот на много превосходят сухопутные
варианты гор.
Часть океана, ограничивающая континенты называемая материковой отмелью, или
шельфом. На внешней части шельфа, как правило, имеются в изобилии скальные выступы. Коренные породы часто выходят и на примыкающей к шельфу части материкового
склона. Средняя глубина внешнего края (бровки) шельфа, отделяющей его от материкового склона, составляет ≅ 130 м. У берегов, подвергавшихся в прошлом оледенению, на
шельфе часто отмечаются ложбины и впадины. Так, у берегов Норвегии, Аляски, южного
Чили глубоководные участки обнаруживаются вблизи современной береговой линии; глубоководные ложбины существуют у берегов штата Мэн и в заливе Св. Лаврентия. Выработанные ледниками трещины часто тянутся поперек всего шельфа; местами вдоль них
располагаются исключительно богатые рыбой отмели, например шельфовая зона Охотского и Берингова морей.
Шельфы не тронутые оледенением, имеют более однообразное строение, однако и на
них часто встречаются песчаные или даже скальные гряды, возвышающиеся над общим
уровнем. В ледниковую эпоху, когда уровень океана понизился вследствие того, что огромные массы воды сконцентрировались на суше в виде ледниковых покровов, в многочисленных местах были созданы речные дельты.
На внешнем шельфе, можно обнаружить отложения, образовавшиеся в прошлом, когда
уровень океана был более чем на 100 м ниже современного. Там достаточно часто находят
кости мамонтов, живших в ледниковую эпоху, а иногда и орудия первобытного человека.
Материковые склоны обычно образуют четкую и хорошо выраженную границу с
шельфом, кроме того, почти всегда его пересекают глубокие подводные каньоны. Средний угол наклона на материковом склоне составляет ≅ 4°, но встречаются и более крутые,
иногда почти вертикальные участки. У нижней границы склона в Атлантическом и Индийском океанах располагается полого наклонные поверхности, так называемые, материковые подножья. По периферии Тихого океана материковое подножье обычно отсутствует; его часто замещают глубоководные желоба, где тектонические подвижки порождают
землетрясения, которые очень хорошо знакомы жителям Китая, Японии и Камчатки. Подводные землетрясения являются причиной зарождения большого количества цунами.
На дне мирового океана располагаются каньоны, врезанные в морское дно на 300 м и
более, обычно эти каньоны отличаются крутыми бортами, узким днищем, извилистостью
в плане; как и их аналоги на суше, они принимают многочисленные притоки. Самый глу65
бокий из известных подводных каньонов – Большой Багамский, который врезан на ≅ 5 км.
Несмотря на внешнее сходство с подобными наземными образованиями, подводные каньоны, как правило, не являются бывшими речными долинами, погруженными ниже уровня
океана. Конфигурация подводных долин постоянно изменяется, потому что по ним происходит перемещение наносов, свидетельством тому является волнообразная рябь на дне, от
чего глубина их меняется.
В толще вод океанов и морей имеется циркуляция жидкости, которая и является причиной попадания кислорода на столь значительные глубины. Вертикальная циркуляция
обеспечивается разностью температур воды на поверхности и в придонных слоях. Вода,
находясь в северных районах земного шара, охлаждается, плотность становится выше, что
вызывает её погружение. Место охлаждённой воды занимает более тёплая, а охлаждённые
массы распространяются в придонных областях, чтобы на значительных расстояниях от
полюсов, где-то снова всплыть и нагреться в приповерхностном слое. Вновь нагретая вода
начинает свой долгий путь в направлении Арктики и Антарктики. Время полной циркуляции в Атлантическом океане по оценке исследователей составляет примерно 1000 лет, а в
Тихом океане, который больше по площади, вдвое больше.
Встречающиеся на пути циркуляционных потоков материки усложняют картину течений. В 1796 г. Бенджамин Франклин, чей портрет красуется на стодолларовых купюрах,
обнаружил в океане огромную тёплую «реку» − Гольфстрим, которая имеет среднюю скорость течения 6,4 км/ч и глубину около 800 м и ширину 80 км. Это самая большая «река»
на Земле. Течение переносит в секунду примерно в 1500 раз больше воды, чем Миссисипи.
Океанские течения со временем были исследованы и нанесены на карты. В Северном
полушарии все течения вследствие действия силы Кориолиса, движутся в океане по часовой стрелке. В районах экватора сила Кориолиса, практически, равна нулю, что вызывает
тонкие прямолинейные течения, обнаруженные в Тихом и Атлантическом океанах. В тихом океане американский океанолог Таунсенд Кромвелл открыл течение, распространяющееся вдоль экватора на восток на расстояния нескольких тысяч километров. В Атлантическом океане тоже имеется более медленное экваториальное течение.
В Северном Ледовитом океане берёт своё начало и движется по дну Атлантики, проходя под Гольфстримом ещё одно мощное течение. В Тихом океане такого течения нет,
его образованию мешает относительно узкий пролив Беринга, что превращает северную
часть Тихого океана в своеобразный тупик.
Учёные достаточно подробно исследовали структуру океанских течений по содержанию в воде кислорода. Дело в том, что холодная вода содержит больше кислорода, чем
тёплая. На «макушках» земли, таким образом, в воде содержится наибольшее количество
кислорода. Нормируя содержание кислорода относительно максимума, можно проследить
океанские течения.
Океан для людей представляет интерес по многим фундаментальным и прикладным
причинам. Океан во многом формирует климат на Земле, являясь естественным терморегулятором, он поддерживает состояние динамического равновесия с атмосферой. Кроме
того, воды океанов и морей являются своеобразными короткими транспортными артериями, по которым, наиболее экономически выгодно перемещать на значительные расстояния
хозяйственные грузы. Никакие другие транспортные средства не сравнятся по грузоподъёмности с морскими судами. Океан, наряду с атмосферой планеты, стал стратегическим
плацдармом для организации военных приготовлений. Глубины океана и его необъятные
просторы открывают широкие возможности скрытной дислокации подводного и надводного оружия. Многие исследования физических параметров океана были выполнены военными ведомствами развитых стран, особенно это касается вопросов гидроакустики и
гидрологии. Температурное состояние океана оказывает непосредственное влияние на
разнообразные процессы в атмосфере, т.е. определяет широкий спектр явлений, объединяемых понятием − климат.
66
Слово климат происходит от греческого слова klimax − наклон (земной поверхности к
направлению солнечных лучей). Климат представляет собой набор многолетних данных о
режимах погоды, являясь основным параметром, определяющим географические характеристики местности. Параметры климата зависят от географического положения региона и
свойств, так называемой, подстилающей поверхности. Поскольку большая часть площади
Земли покрыта водой, то температурный режим поверхностного слоя водных масс существенно влияет на климат.
На рис. 2.28 приведены
данные Василия Владимировича Шулейкина [12] о взаимосвязи температур поверхностного слоя воды и воздуха. Сплошная линия соответствует изменениям температуры воды, а пунктирная −
воздуха. По вертикальной
оси отложены значения температур в градусах по шкале
Цельсия, а по горизонтальной географические широты.
Буквами обозначено: Ч −
чёрное море; Э − Эгейское
море; СЗ − средиземное мо- Рис. 2.28. Взаимосвязь температуры воды и воздуха [12]
ре; К − красное море; ИО −
индийский океан; М − Малаккский пролив, ЮК − Южно-Китайское море; В-К − Восточно-Китайское море; Я − Японское море.
Как видно из приведенных данных, температура воды во всех областях измерений была выше, чем температура воздуха. Наибольшие
отличия наблюдались в области течений, например, в
области течения Куросио.
Изгибы температурных кривых наблюдались на границах береговой линии, что
связано с наиболее интенсивным процессом испарения, понижающим температуру воды.
На рис. 2.29 показаны
изолинии радиационного баланса [12], выраженные в
ккал/см2⋅год.
Наиболее
интенсивный
радиационный теплообмен
протекает в области экватора,
где температура океанских
Рис. 2.29. Усреднённый радиационный баланс [12]
вод выше. В районе Петропавловска-Камчатского излучение тепла в течение года, 1 см2 поверхности в четыре раза
меньше, чем в области экватора, при прочих равных условиях.
67
Температурный режим водной поверхности определяет интенсивность испарения. На
рис. 2.30 показаны изолинии (ккал/см2⋅год), соответствующие количеству тепла, затраченного в течение года на испарение молекул воды с элементарной площадки поверхности в 1 см2.
Замкнутая изолиния испарения (120 ккал/см2⋅год), проходящая в районе г. Токио является самой мощной в показанном регионе океана, что свидетельствует, что именно на этой
площади будет наблюдаться наибольшее количество молекул воды, попадающих в атмо-
Рис. 2.30. Затраты тепла на испарение [12]
сферу в единицу времени с единицы площади водной поверхности..
Последнее обстоятельство является причиной перемещения воздушных масс. Свидетельством этой особенности являются изолинии рис.2.31, характеризующие количество
тепла, расходуемого на турбулентный обмен атмосферы и океана. Наибольшие затраты
тепла обнаруживаются именно в обсуждаемом регионе Тихого океана.
С позиций термодинамики и гидродинамики, управляющие движением воздушных и
водных масс потоки энергии, обусловлены особенностями поглощения энергии Солнца.
Поступающая от Солнца тепловая энергия неравномерно нагревает различные широты
земного шара, включая океан, атмосферу и материковые области. Это даёт основание моделировать атмосферные и гидросферные процессы методами, используемыми в термодинамике для анализа тепловых машин, механическая работа которых, как известно, зависит
от соотношения параметров нагревателя и холодильника.
В качестве нагревателя, с одной стороны, выступают тропические пояса Земли, где поступление солнечной энергии (Рис. 2.29) существенно превышает величину энергии, излучаемой поверхностью океана в ночное время в космическое пространство. В качестве
холодильников можно рассматривать высокоширотные пояса нашей планеты, где обратное излучение существенно преобладает над поглощением солнечной энергии.
68
Рис. 2.31. Затраты тепла на турбулентный обмен океана с атмосферой [12]
Работа природной тепловой машины, с чрезвычайно сложными и многообразными
геофизическими, гидродинамическими, термодинамическими и астрофизическими взаимосвязями не поддаётся полному аналитическому описанию. Учёным удаётся анализировать только некоторые частности её функционирования и фиксировать отдельные фазы
состояния. Так, например, спутниковые и наземные наблюдения позволяют фиксировать
зарождение и развитие циклонов, что является чрезвычайно важным для всех тех, кто по
роду своей деятельности связан с работой в океане или находится в непосредственной
близости от береговой линии (Рис. 2.32).
Как видно по конфигурации изобар (линии равного
давления) в показанной области синоптической карты
находятся пять областей низкого давления, которые вызвали пять вихревых движений атмосферного воздуха.
На карте можно различить
пять циклонов. Вблизи Камчатского полуострова «работают» одновременно два циклона, давление в центре которых составляет 986 миллибар. Наблюдая эти циклоны, все жители полуострова
могли убедиться воочию
особенностями перемещения
в них воздушных масс. В
Рис. 2.32. Карта погоды в районе Камчатки на 5.12.05
районе о. Сахалин располо69
Рис. 2.33. Аномалии уровня поверхности Мирового океана [3]
жена ещё одна зона пониженного давления, которая начнёт оказывать своё действие на
полуостров после перемещения, в направлении указанном стрелкой первых двух циклонов.
По количеству непонятных учёным явлений Мировой океан не уступает телам космического происхождения, таким как Солнце, Луна и другие планеты и звёзды, и это несмотря на то, находится не в пример ближе к наблюдателям. Причём загадки большей
площади нашей планеты, покрытой водой, множатся по мере развития теоретических и
экспериментальных методов исследований. Так, например, уже в космическую эпоху исследований с помощью спутниковых наблюдений была развеяна царившая долгое время
идея нулевого уровня поверхности океана. Оказалось, даже при абсолютном штиле океанская поверхность имеет рельеф [3], стабильно обнаруживаются пять перепадов уровня поверхности. Поверхность Индийской аномалии опущена относительно общего уровня на 112 м,
Калифорнийская
аномалия
опущена на 56 м, Австралийская, наоборот − поднята на 78
м, Карибская − опущена на 60 м,
Северо-Атлантическая − поднята на 68 м. На рис. 2.33 приведены данные уровня Мирового
океана в различных его районах.
Наличие различных уровней
можно объяснить только аномалиями гравитационного поля
Земли, причины которых пока
не ясны. Есть предположение,
что причиной является слоистая
структура планеты. Плотности
слоёв, как было показано ранее,
минимальна на поверхности и
возрастает к центру. Поверхности геосфер далека от сферической формы, кроме того, причинами гравитационных аномалий
могут быть области перехода
вещества из твёрдого состояния
в жидкое и наоборот. Последние
обстоятельства делают возможным отклонение направления
силы тяжести от радиального.
Любознательный Бенджамен
Франклин путешествуя в середине XVIII века на судне, обратил внимание, что в светильнике, висящим под подволоком
его каюты во время качки судна
поверхность
осветительного
масла остаётся в спокойном состоянии, в то время как, находящийся под ним слой воды находится в состоянии волнового
70
движения. Это было первое наблюдение подводных волн. Оказалось, что под водной поверхностью океана могут возникать участки интенсивного волнового движения с амплитудой волн до 100 м. На поверхности таких страстей не наблюдается даже при цунами.
Волновое движение возникает на поверхности жидкостей, когда меняются под действием внешних причин формы её границ (Рис. 2.34). Формирование волн гравитационного
типа происходит за счёт действия сил тяжести и поверхностного натяжения, поэтому эти
волны часто называют гравитационно-капиллярными. Если какое либо воздействие от порыва ветра на поверхности океана до тривиального булыжника в луже нарушает равновесное состояние поверхностного слоя жидкости, то указанные силы, стремясь восстановить состояние равновесия, передают от частицы к частице движение, которое и является,
по сути, волновым. Возникающее волновое движение, строго говоря, охватывает все слои
жидкости, но в первом приближении, вполне достаточном для элементарного рассмотрения, считать, что волновое движение сосредоточено в поверхностном слое. Однако следует оговориться, что такое становится возможным в глубокой воде, когда высота слоя жидкости больше длины волны.
Всё многообразие форм и размеров волн на поверхности жидкости можно условно свести к четырём основным типам (Рис. 2.34). На больших глубинах в открытом море при сильном ветре образуются волны, профиль которых не является обычной
гармонической функцией (Рис. 2.34, а). Эти волны
описываются гиперболическими функциями.
После прекращения ветра на глубокой воде ещё
довольно продолжительное время существуют волны, именуемые мёртвой зыбью (Рис. 2.34, б), профиль этих волн описывается трохоидой, которая
представляет собой траекторию точки, расположенной на катящейся окружности.
Существенно отличны от остальных волны, набегающие на мелководье (Рис. 2.34, в). По мере
уменьшения глубины профили волны меняется за
счёт того, что условия движения верхушки волн отличаются от условий перемещения подошвы, которая тормозится дном.
Совершенно загадочными являются одиночные
волны – солитоны (Рис. 2.34, г), изучение которых
началось совсем недавно, всего 150 лет назад. Первое объяснение этого феномена появилось и того
Рис. 2.34. Профили волн [14]
позже, в основе теории солитонов лежит эффект
«взаимодействия» нелинейности и дисперсии.
Начнём рассмотрение гравитационнокапиллярных волн с
мёртвой зыби. На рис.
2.35 показано, каким
образом можно получить трохоиду.
Выделим на окружности радиуса R
произвольную точку
Рис. 2.35. Схема получения трохоидального профиля волн [14]
71
А, находящуюся на расстоянии R/2 от центра и проследим за её траекторией при качении
колеса по горизонтальной поверхности скоростью. Крутизна трохоиды определяется очевидным соотношением
R
1
.
(2.8)
ς=
=
2πR 2π
Основы теории гравитационно-капиллярных волн были заложены в работах Джона
Уильяма Стретта (лорд Рэлей) (1842 – 1919) и Джозефа Джона Томсона (лорд Кельвин)
(1856 – 1940). Был рассмотрен простейший случай. Считалось, что движение поверхности
жидкости является плоским, при этом частицы жидкости движутся по круговым траекториям, профиль волны аппроксимируется синусоидой.
Разлагая плоское движение на два более простых (Рис. 2.36), возможно для них записать следующие уравнения движения
2πct
x = ct ; y = r sin
.
(2.9)
λ
Уравнение траектории в этом случае представится
как
2πx
y = r sin
.
(2.10)
λ
Тонкий слой на поверхности жидкости можно считать приближённо трубкой тока, т.е. объём, в котоРис. 2.36. Простейший случай
ром скорость всех частиц жидкости одинакова. Для
волнового движения
трубки тока можно использовать уравнение Даниила Бернулли. Для точек А и В уравнение Бернулли будет иметь вид
2
2
ρ(c − v )
ρ(c + v )
,
+ 2ρgr = PB +
PA +
2
2
или
2ρc 2 = 2ρgr + (PA − PB ) ,
(2.11)
где ρ - плотность жидкости, c - скорость распространения волны вдоль оси ох, v – линейная скорость вращательного движения, РА, РВ – давления в точках А и В, которые можно
представить в виде суммы и разности атмосферного давления Р0 и лапласовского давлений РЛ
PA = P0 + σk ;
PB = P0 − σk ,
в данном случае безразмерная величина
d 2 y 4πr 2
k= 2 = 2 ,
(2.12)
λ
dt
является параметром кривизны. С учётом сделанных преобразований, уравнение (2.11)
можно переписать следующим образом
4πσr
4πσr
PA = P0 +
, PB = P0 − 2 ,
(2.13)
2
λ
λ
ρc 2 = ρgr +
Так как λ = 2πr , то
4πσr
4πσr
, ⇒ c = gr + 2 .
2
λ
λ
(2.14)
gλ 2πσ
.
(2.15)
+
2π ρλ
Полученное уравнение демонстрирует зависимость фазовой скорости гравитационнокапиллярных волн от длины волны, что указывает, в свою очередь, на наличие дисперсии.
c=
72
Уравнение (2.15) впервые было получено лордом Кельвином при решении волнового
уравнения. Подкоренное выражение состоит из двух слагаемых, одно из которых определяет вклад гравитационных сил, а второе сил, вызванных поверхностным натяжением. Если волны достаточно длинные, т.е.
2πσ
gλ
>>
,
(2.16)
2π
ρλ
то
gλ
c Грав ≅
.
(2.17)
2π
Волны, удовлетворяющие условию (3.9) называются гравитационными волнами. В
другом крайнем случае, для относительно коротких капиллярных волн
2πσ
c Капил ≅
.
(2.18)
ρλ
На рис. 2.37, в качестве примера, показана
зависимость фазовой скорости вол на поверхности жидкости от их длины для глубокой воды. Очевидно, что кривая с = f(λ) имеет две асимптоты, одна из которых соответствует случаю гравитационных волн (2.17), а
вторая – капиллярных волн (2.18).
Волны на поверхности морей и океанов,
вызванные природными факторами, как правило, достаточно длинные, т.е. это гравитационные волны, потому, что влияние сил поверхностного натяжения не существенно,
превалирующую роль играют силы инерциального происхождения.
Рассмотренная модель образования волн
во многом является условной. Эксперименты,
Рис. 2.37. Фазовая скорость [14]
проведенные в реальных морских условиях,
по данным академика Шулейкина [12], показали, что трохоидальный и синусоидальный
профиль волн на глубокой воде не наблюдается. На рис. 2.38 показана траектория светящейся точки, помещённой на плавающем поплавке. Кружочками отмечены середины отрезков, полученных при киносъёмке в те промежутки времени, когда обтюратор открывал
доступ света на фотоплёнку. Полученная траектория движения далека от трохоиды: на
плоское движение, рассмотренное выше в элементарной теории, накладывается «волновое» течение, обусловленное эффектом Стокса.
Рис. 2.38. Экспериментальная волновая траектория [12]
Несмотря на отмеченные недостатки, рассмотренная выше элементарная теория успешно может использоваться для приближённых оценок параметров морских ветровых
73
волн, что вполне удовлетворяет большинству практических задач. Так, например, для глубокой воды период волн Т, их длина и скорость определятся соотношениями
2πλ
gT 2
.
(2.19)
T=
≅ 0,8 λ ; λ =
g
2π
λ
gλ
=
≅ 1,25 λ ≅ 1,56T .
(2.20)
T
2π
Исследование морских волн конечной амплитуды показало, что скорость их распространения зависит так же и от высоты волн h, несколько увеличиваясь с возрастанием h.
Суммарная энергия, приходящаяся на единицу площади взволнованной морской поверхности, определяется уравнением
1
1
E Σ ≅ ρgh 2 γh 2 ,
(2.21)
8
8
где γ = 104 Н − вес 1м3 воды. При высоте волн h = 0,5 м суммарная энергия составляет 312
Дж, это на 1м2 , что примерно соответствует энергии кирпича, поднятого над поверхностью земли на высоту 10м. А волны метровой высоты на площади 1м2 соответствуют
энергетически кирпичу, вознесённому на 42 м. Не трудно пересчитать энергию волн на
1км2 и т.д. Энергия волн переносится в направлении их распространения с групповой скоростью, равной половине фазовой
u = 0,5c .
(2.22)
Полученные значения энергии завораживают своими потенциальными возможностями
в плане перспективного использования. Однако всё не так просто. Идея волновых электростанций не нова, но пока сложна в реализации, да и нефти ещё есть некоторое количество.
Для жидкости конечной глубины Н период и фазовая скорость волн определяется более сложными уравнениями, потому что траектории движения частиц становятся ещё более сложными
2πλ
T=
,
(2.23)
⎛ 2πH ⎞
gth ⎜
⎟
⎝ λ ⎠
c=
c=
gλ ⎛ 2πH ⎞
th ⎜
⎟
2π ⎝ λ ⎠
.
(2.24)
Очевидно, для большой глубины, т.е. когда отношение H/λ велико, гиперболический тангенс определится как
2πH 2πH
th
≅
,
λ
λ
в этом случае фазовая скорость волн определяется как
(2.25)
c = gH .
Скорость, как видно из последнего уравнения, не зависит от длины вол, следовательно,
перенос энергии осуществляется с фазовой скоростью.
На мелководье групповая скорость волн определяется через гиперболический синус
c⎛
2χH ⎞
⎟,
(2.26)
u = ⎜⎜1 +
2 ⎝ sh (2χH ) ⎟⎠
где χ = 2π λ − частота формы волны. Из уравнения (2.26) следует зависимость групповой
скорости волн от глубины моря, кроме того, видно, что величина u может меняться в пределах
0,5c ≤ u ≤ c .
74
(2.27)
Перемещение энергии с фазовой скоростью имеет место и у одиночных волн, возникающих в мелководных каналах и устьях рек при движении судов. Одиночные волны полностью располагаются над поверхностью воды, образуя подобие перемещающегося бугра.
Частицы жидкости в такой волне движутся по полуорбитам, фазовая скорость одиночной
волны равна
(2.28)
c = g (H + h ) .
Физические особенности некоторых типов одиночных волн будут рассмотрены позже.
При движении судов поверхность воды деформируется, и частицы жидкости, будучи выведенными, из положения равновесия, под действием силы тяжести начинают совершать колебательные движения, которые, распространяясь вокруг, образуют систему гравитационных волн,
распространяющихся далеко за судном (Рис.
2.39). Глобально, причиной образования корабельных волн являются дополнительные скорости, вызванные судном. На рис. 2 39 приведена
спутниковая фотография группы из пяти быстроходных военных судов, на которой отчётливо
просматривается система кильватерных следов.
Картина волн, занимающих пространство, сущеРис. 2.39. Корабельные волны
ственно превышающее масштабы кораблей, позволяет на качественном уровне установить их периодичность и особенности геометрии.
При перемещении судна глубоко погруженного в воду, вдоль его корпуса устанавливается распределение давлений: в носовой и кормовой частях судна создаётся повышенное давление (Рис. 2.40), а в средней части – пониженное. Напомним, что в механике
сплошных сред давление следует
рассматривать как систему распределённых сил. Изменение давления, как правило, сопровождается
перемещением сплошной среды.
Так как на невозмущённой поверхРис.2.40 Схема образования корабельных волн
ности жидкости давление постоянно и равно атмосферному давлению Р0, то согласно уравнению Эйлера – Бернулли
ρv 2
P0 +
+ ρgz = const ,
(2.29)
2
в кормовой и носовой оконечности корпуса судна уровень жидкости должен повышаться,
а в средней части понижаться. Вследствие инерциальных свойств масс воды форма поверхности не будет в точности следовать уравнению (2.29). На рис. 2.41 пунктирной линией показан расчётный профиль носовой и кормовой волны, а сплошной линией - экспериментальная кривая (по данным А.А. Костюкова).Теоретические данные получены при
анализе волнового сопротивления корпуса судна (метод Шигера, Виглея).
Волны, образуемые равномерно движущимся судном в спокойной воде, перемещаются вместе с корпусом с такой
же скоростью и не меняют своей относительной конфигурации. Корабельные
волны можно условно поделить на две
группы: расходящиеся волны, образуюРис. 2.41. Корабельная волна
75
щие характерный конус и поперечные волны, заполняющие площадь
конуса. Расходящиеся волны располагаются симметрично по обе
стороны корпуса рядами, состоящими из отдельных сравнительно
коротких гребней волн (Рис. 2.42).
Середины гребней расходящихся волн лежат на одной прямой линии, составляющих с диаметральной плоскостью угол α. При движении по глубокой воде величина
Рис. 2.42. Кильватерный след судна
этого угла слабо зависит от скорости судна и лежит обычно в зависимости от остроты обводов носовой ветви ватерлинии в пределах α ≈ 18 − 200. Угол β
между направлением гребней расходящихся волн и диаметральной плоскостью равен
приблизительно 2α. При перемещении судна в неограниченном фарватере расходящиеся
кормовые и носовые волны не взаимодействуют, распространяясь, независимо друг от
друга.
Первая поперечная носовая волна возникает в непосредственной близости от форштевня, а первая поперечная кормовая волна располагается несколько впереди ахтерштевня. Гребни поперечных волн отстоят друг от друга на расстоянии λ, являющемся
длиной этих волн. Длина поперечных волн связана со скоростью судна v0 следующим соотношением
2πv 02
λ=
.
(2.30)
g
Картина волн за кормой судна представляется типичным интерференционным взаимодействием поперечных кормовых и носовых волн. На ограниченной глубине Н процесс
волнообразования изменяется. При скоростях судна больших критической скорости
v k = gH резко увеличивается угол α и может достигать своей предельной величины α ≅
900. В этом случае судно «тащит» за собой две одиночные поперечные волны, кормовую и
носовую, которые имеют вид выпученности над поверхностью. Скорость переноса энергии этой волной равна скорости её распространения.
В заключение отметим, что образование волн за движущимся судном является показателем несовершенства конструкции транспортного средства. Бурун за кормой – это напрасно израсходованные тонны топлива: красиво, но совершенно бесполезно.
Изменение взаимного расположения Земли, Солнца и Луны в той или иной степени
отражается на величине гравитационных сил, действующих на любую материальную точку, находящуюся на земной поверхности. С учётом расстояний и масс наиболее сильное
влияние оказывает положение Луны.
С незапамятных времён люди обратили внимание на периодическое изменение уровня
морей и океанов. Приблизительно через каждые 12ч 25 мин вблизи берегов уровень воды
начинает подниматься, наступает прилив, который длится около 6ч 13 мин. После повышения уровня до максимального значения, начинается его понижение, наступает отлив.
Таким образом, за 24ч 50 мин наблюдаются два прилива и два отлива. Как оказалось это
время соответствует промежутку между кульминациями Луны – верхней и нижней. Естественно было предположить, что приливы и отливы обусловлены именно положением
нашего естественного спутника. Практически все древние азиатские и американские цивилизации вели наблюдения за этим природным явлением. Первая попытка количественной оценки явления была сделана Ньютоном на основе открытого им закона тяготения.
76
Представим, подобно Ньютону, Землю в виде
шара покрытого водой (Рис. 2. 43). Под действием притяжения Луны все точки земной поверхности получают некоторое ускорение, поверхность океана в этой связи должна принимать вытянутую по направлению к Луне форму. Ускорения в точках А и В поверхности условного океана определятся как
Gm
Gm
,
(2.31) Рис. 2.43. Гравитационное взаимодейaA =
; aB =
2
2
ствие Земли и Луны по Ньютону
(r − 1)
(r + 1)
где m – масса Луны. Разность ускорений в указанных точках приводит к возникновению
приливообразующего потенциала гравитационного поля
⎛1
⎞
(2.32)
Ω = gΞ⎜ − cos 2 ϑ ⎟ ,
⎝3
⎠
3 ⎛ m ⎞ R 2З x 2
⎟
.
(2.33)
Ξ = ⎜⎜
2 ⎝ M З ⎟⎠ r 3
В уравнениях приняты следующие обозначения: МЗ – масса Земли, х – расстояние от
Земной оси до точки наблюдения,RЗ – радиус Земли, ϑ - зенитное расстояние центра Луны, измеренное в точке наблюдения.
Образующаяся под действием приливообразующих сил поверхность с высокой степенью точности совпадает с поверхностью вытянутого эллипсоида, большая ось которого
совпадает с направлением Земля – Луна. Вследствие вращения Земли и Луны приливная
волна перемещается по поверхности океана. Аналогичный эллипсоид образуется и вследствие взаимодействия масс воды с Солнцем. Эффект от солнечной гравитации примерно в
2,17 раза слабее, т.к. при всём при том, потенциал обратно пропорционален кубу расстояния.
Ускорения, вызываемые приливообразующими потенциалами, имеют порядок около
10 –7 g. Важным этапом в развитии теории приливных волн была, опубликованная в 1775
г., динамическая теория Лапласа. Основу теории составляли общие уравнения гидродинамики, решения которых имели период, близкий к периоду собственных колебаний океана.
Со временем уравнения Лапласа были распространены и на жидкие внутренние слои
земной структуры. Эти уравнения предсказывали приливные волны в жидких слоях нашей
планеты. В 50-е гг. XX в. эти волны были обнаружены экспериментально. Под действием
приливных сил Земля периодически деформируется, причём смещение земной поверхности может достигать 50 см. Установлено, что земные приливные волны в Азии меньше,
чем в Европе. Наличие приливных внутренних волн сказывается на угловой скорости
вращения Земли.
Приливные волны на поверхностях морей и океанов описываются обычным волновым
уравнением
∂2y
∂2y
=
gH
,
(2.34)
∂t 2
∂x 2
где gH = c − фазовая скорость волн. Для полусуточного прилива, когда Т = 12ч 25 мин
наблюдаются следующие значения длин вол в зависимости от глубины (Табл. 2.7)
Н, м
10
50
100
500
с, м/с
9,9
21
31
70
λ , км
444
992
1400
3130
Н, м
1000
5000
10000
77
Таблица 2.7
с, м/с
λ , км
4440
99
9920
210
14000
310
Необходимо отметить, что даже для максимально возможной глубины 10 000 м длина
волны составляет 14 000 км, что в 1400 раз превышает глубину. В более мелкой воде разница становится ещё более значительной. Энергия приливных волн вычисляется из условия постоянства смещений частиц воды, находящихся на одной вертикали. Применительно к каналу шириной b на элементарном участке dx потенциальная энергия может быть
вычислена через элементарную работу, совершаемую при подъёме массы m в = ρby , на высоту 0,5y, т.е. на высоту центра тяжести слоя воды, находящегося над не взволнованной
поверхностью. На расстоянии λ потенциальная энергия определится интегралом вида
λ
1
П = ρgb ∫ y 2 dx .
(2.35)
2
0
Кинетическая энергия той же массы воды определится как
λ
2
1
⎛ dy ⎞
(2.36)
K = ρHb ∫ ⎜ ⎟ dx .
dt ⎠
2
0⎝
Полная энергия приливной волны, как и положено законом сохранения энергии, равна
сумме кинетической и потенциальной Энергий, т.е.
E = K + П ; ⇒ K = П = 0,5E .
(2.37)
Самостоятельный интерес представляют волны, вызванные подводными землетрясениями. Цунами представляют собой длинные океанские волны, возникающие, главным
образом, при подводных извержениях вулканов и землетрясениях, когда на достаточно
больших площадях происходит смещение дна.
Длина волн цунами изменяется от десятков до
сотен километров.
Механизм образования волн цунами в упрощённом варианте можно представить следующим образом. Предположим, что участок
океанского дна сместился вверх. Ввиду не сжимаемости воды на поверхности возникнет холм
небольшой высоты (Рис. 2.44). Развитие волны
можно условно разделить на четыре этапа: первый этап – зарождение волны, образование над
Рис. 2.44. Образование цунами
поверхностью океана холма; второй этап – перемещение волны по поверхности океана; третий этап – взаимодействие волны с береговой
линией; четвёртый этап – перемещение водных
масс над берегом (Рис. 2.45).
При рассмотрении особенностей перемещения этих волн необходимо обязательно учитывать их гигантскую длину. Для цунами все
океаны и моря представляют собой мелководье,
поэтому скорость распространения описывается
уравнением
Рис. 2.45. Форма волны цунами при вы(2.38)
c = gH .
ходе на берег
При глубине океана 2000 м, что вполне реально
в условиях камчатского шельфа, средняя скорость цунами оказывается равной
c = 10 ⋅ 2000 ≅ 141 м c ≅ 510 км ч ,
т.е. скорость волны соизмерима со скоростью современных летательных аппаратов.
Энергия цунами определяется амплитудой и длиной волны, которые в свою очередь,
зависят от силы подземных толчков и от того, на сколько близко от поверхности дна находится эпицентр землетрясения. На рис. 2.46 показана динамика распространения волны
78
цунами, возникшей 22 мая 1960 г. вблизи берегов Чили. Побережья Камчатки эта волна
достигнет примерно через 18 часов. К Новой Зеландии и к югу Японии волна подкатит
через 22 часа.
В открытом море волна цунами совершенно не опасна, она воспринимается
в виде плавного подъёма и, не менее
плавного опускания судна на высоту
волны (порядка 1–4 метра) относительно
статического уровня.
Приближение волны к берегу характеризуется уменьшением её длины и
увеличением амплитуды. При изменении
глубины с Н1 до Н2 изменение скорости
составит
(2.39)
Δc = gH1 − gH 2 .
Длина волны, при этом, изменится на
Рис. 2.46. Распространение цунами
величину
(2.40)
Δλ = T gH1 − gH 2 .
Определим энергию волны, для чего рассмотрим её гребень шириной L, длиной λ/2 и высотой h. Масса воды, в этой полуволне, находящейся выше уровня невозмущённой поверхности определится как
m = ρL(λ 2)h .
(2.41)
Потенциальную энергию этой части волны можно определить в предположении, что её
центр масс поднимается на высоту h/2
2
⎛ ρLhλ ⎞ h ρgLh λ
П=⎜
.
(2.42)
⎟⋅g =
4
⎝ 2 ⎠ 2
На самом деле гребень не является прямоугольным параллепипедом, т.е. в (2.42) необходимо добавить коэффициент формы α<1/4
П = αρgLh 2 λ .
(2.43)
В первом приближении можно считать, что при подходе к берегу будут меняться параметры волны от h1, λ1 до h2,λ2, а запасённая в ней энергия сохранится, т.е.
(
)
h12 λ1 ≅ h 22 λ 2 .
(2.44)
Из уравнения (2.38) определим величину λ
λ
c = λν = ; ⇒ λ = T gH ,
T
и подставим в уравнение (2.44)
h 12 H1 = h 22 H 2 ,
откуда следует, что
h2
H
(2.45)
=4 1 .
h1
H2
Определим изменение высоты волны, которая зародилась на глубине Н1 = 5000 м, и
подошла к берегу, где глубина составляет Н2 = 50м. Если на глубокой воде h1 = 2м при λ1
= 10000м, то при приближении к берегу скорость волны с с1 = 1000 км/ч уменьшится до с2
= 100 км/ч, а высота волны возрастёт до h2 = 6,3 м.
79
Таким образом, на стометровом отрезке в соответствии с (2.44) волна обладает при подходе к
берегу энергией порядка 1⋅1011 Дж, это эквивалентно потенциальной энергии массы в 1⋅106 кг,
поднятой на высоту 10 км (Рис.2.47).
Динамика цунами существенно отличается от
динамики ветровых волн. Скорость установившихся штормовых волн составляет примерно 0,8
от скорости ветра. При восьми бальном шторме
скорость ветра достигает 40 м/с (144 км/ч), это,
несомненно, скорость внушительная, но всё равРис. 2.47. Выход цунами на берег
но гораздо меньшая скорости цунами, которые
могут проходить до 1000 км за один час. К тому же, длина штормовых волн не превышает
500 м, в то время как волны цунами могут легко достигать длины в 10 км. А вот высота
штормовых волн больше. В открытом океане штормовые волны могут иметь высоту до 20
м, а цунами, только 3 − 5 м. Естественно, что крутизна, наконец-то это слово употребилось в его исконном смысле, штормовых волн больше, поэтому они представляют для всего плавающего большую опасность. В табл. 2.8 приведены сравнительные характеристики
ветровых волн и волн цунами.
Таблица 2.8
Параметры
Ветровые волны
Цунами
Скорость распространения
до 100 км/час до 1000 км/час
Длина волны
до 0.5 км
до 1000 км
Период
до 20 секунд
до 2.5 часов
Глубина проникновения
до 300 м
до самого дна
Высота волны в открытом море
до 30 м
до 2 м
Высота волны у побережья
до 4 м
до 70 м
Цунами представляется весьма сложным физическим многофакторным явлением планетарного масштаба. Изучение механизмов возникновения и протекания этого природного
явления показало, что для успешного решения задач защитного характера необходимы
совместные усилия вулканологов, сейсмологов, физиков, математиков и океанологов. Совместными усилиями было установлено, в частности, что землетрясения, возбуждающие
волны цунами вызывают не только перемещения горных пород на дне океана, но и волновые движения в атмосфере. Частично энергия колебаний атмосферы передаётся поверхности океана, за счёт относительно высокочастотного периодического изменения атмосферного давления. При возрастании давления уровень океана понижается, при уменьшении
давления, наоборот − уровень увеличивается. Образуются волны малой амплитуды, но с
огромными длинами волн, что не позволяет сбрасывать их со счетов, как потенциальную
опасность.
Самым последним катастрофическим проявлением грозных сил Земли стало землетрясение и последующее за ним цунами, произошедшее 26 декабря 2004 г. вблизи острова
Суматра. На рис. 2.48, 2.49 показаны спутниковые характеристики катастрофических событий. От этого цунами пострадало население семи стран, в общей сложности погибло и
пропало без вести более 240 тыс. человек, захоронено 113 913 человек. Разрушены многие
прибрежные города.
Как утверждают очевидцы, многочисленные жертвы были вызваны неадекватным поведением людей. Так, например, на острове Пхукет за 20 мин. до цунами вода отошла от
обычной своей линии на 800 м, обнажив дно. Островитяне не придумали ни чего лучше,
как собирать на отливе рыбу и прочую морскую живность.
80
Рис. 2.48. Землетрясение 26. 12. 04 вблизи о. Суматра
Рис.2.49. Уровень поверхности океана вблизи о. Суматра [15]
81
К настоящему времени зарегистрировано более 1000 случаев цунами, из которых более 100 − с катастрофическими последствиями, вызвавших полное уничтожение строительных сооружений и смыв почвенно-растительного покрова. Более 80% цунами возникают на периферии Тихого океана, включая западный склон Курило-Камчатского жёлоба.
Исходя из закономерностей возникновения и распространения цунами, проведено районирование побережья по степени угрозы.
Жизненно важное значение для прибрежных регионов тихоокеанского побережья имеют наземные сейсмостанции, информация которых может своевременно предупреждать
население о надвигающихся цунами, грозящих безопасной жизнедеятельности людей.
Океан, несмотря на описанные выше грозные явления, обладает значительными энергетическими и сырьевыми ресурсами. В донных отложениях и толще океанских вод имеются огромные запасы полезных ископаемых. В водах океана в больших количествах содержатся практически все известные в настоящее время человеку химические элементы. В
растворённом виде в океанской воде присутствует 4 млрд. т урана, 300 млн. т серебра, 4
млн. т золота. Учитывая массу океанических вод, можно легко представить, что концентрации этих элементов таковы, что в настоящее время их добыча не представляется экономически целесообразной.
Оправдана в наши дни добыча из океанской воды магния и брома. В частности, Брома
из океанов и морей добывается около 75% от общего объёма потребления этого вещества.
Следует упомянуть в этой связи, что экономически оправдана добыча йода из водорослей,
который они накапливают в процессе своей жизнедеятельности. Листья ламинарии (морской капусты) в сушёном виде издавна используются для покрытия йододефицита, необходимого для нормального функционирования щитовидной железы.
В прибрежных мелководных зонах некоторыми странами налажена добыча известняка
и ракушечника, представляющих собой прекрасный строительный материал. Так, например, Америка таким способом получает ежегодно около 20 млн. т устричных раковин, которые, будучи измельчёнными, используются в качестве добавок при изготовлении различного рода строительных конструкций.
На дне океанов, особенно Тихого, находятся металлические конкреции, представляющие собой различные металлы, выделившиеся из воды на небольших твёрдых телах за
длительный промежуток времени. Обнаруживаются конкреции, возникшие на мелкой
гальке, акульих зубах и т.п. На дне Тихого океана, на каждом квадратном километре находится 1,24⋅105 т конкреций. В тихоокеанских конкрециях содержится 1% никеля, 0,5%
меди и 0,5% кобальта.
Мировой океан, наряду с прочим, является источником высококачественной естественной экологически чистой пищи. Для успешной её добычи потребовались исследования распределения и перемещения питательных веществ отдельных, привлекательных в
качестве сырья, гидробионтов. Как отмечалось ранее, в настоящее время из океанов добывается около 55 млн. т гидробионтов при потенциальной возможности добычи, не нарушая естественных экологических балансов, в районе − 200 млн. т. На рис. 2.50 показано
распределение живых организмов по глубине.
Жизнь в океане более разнообразна, чем на суше – там обитает более 200 000 видов
организмов. Некоторые из них, например кистеперая рыба целакант, представляют собой
живые ископаемые, предки которых появились в водах океана более 300 млн. лет назад.
Большая часть из всего многообразия морских организмов встречается в относительно
мелководных районах океана, куда в изобилии проникает излучение Солнца, способствующее процессам фотосинтеза. Водная жизнь наилучшим образом развивается в районах
богатых кислородом, что обуславливает обилие питательных веществ.
Технологии, используемые при освоении биологических ресурсов океана, так же как и
все прочие, далеки от совершенства и рациональности. Примером может служить ситуация с рыбной мукой. Человек уже несколько тысяч лет добывает морепродукты, а получать в промышленных объёмах рыбную муку стали только в последние 5- − 70 лет.
82
Рис.2. 50. Живые организмы в океане
Обнаружено, что к поверхности океана поднимаются глубинные воды, обогащённые
питательными веществами, что обеспечивает устойчивое состояние многочисленных пищевых цепочек, как для простейших одноклеточных организмов, так и для млекопитающих, превосходящих по массе и размером все сухопутные живые организмы. Речь идёт о
китах, касатках и дельфинах.
Самые первые метры глубины океана населены планктоном, представляющим собой
совокупность растений и мельчайших организмов. На рис.
2.51 показан видовой состав
планктона южных акваторий
океана и тёплых морей [16].
Планктон (от греческого
planktos − блуждающий) не
способен к самостоятельному
движению в толще воды, его
перемещение обусловлено течениями и особенностями волнового движения поверхностных слоёв. В состав планктона
входят (Рис. 2.50): 1− 3 − ракообразные и их личинки, 4 −
икринки рыб, 5 − аппендикулярии, 6 − личинки моллюсков,
Рис. 2.51. Планктон южных акваторий океана [16]
83
7 − инфузории тинтинииды, 8 − диатомовые водоросли, 9 − перидинени, 10 − ночесветки.
Планктон принято разделять на фитопланктон (растения) и зоопланктон (живые организмы) в состав которого входят моллюски, ракообразные, различного рода личинки и такие
объекты промысла как креветки, мизиды и криль.
Фитопланктон является основным источником кислорода и органических веществ, являющихся кормовой основой других организмов, населяющих океан. Считается, что Мировой океан содержит 1,5 млрд. т фитопланктона. Запасы биопланктона составляют существенно большую величину − 20 млрд. т. Однако продуктивность фитопланктона во много
раз превышает аналогичный показатель для зооплактона, т.е. водные растения, входящие
в состав планктона, способны достаточно быстро восстанавливать свою численность.
Нектон, представляет собой свободно перемещающиеся в океане организмы, преимущественно хищной сущности. Нектон включает более 20 000 разновидностей рыб, головоногих и морских животных.
Бентос включает в себя растения и живые организмы, обитающие и растущие как на
мелководье, так и на больших глубинах. Растения, входящие в состав бентоса представлены водорослями. Состав животных более разнообразен, к ним относятся губки, плеченогие, морские лилии, кораллы и др.
В океане трудно отыскать живой организм, который бы кого-нибудь не ел. Как правило более крупные поедают тех, кто помельче, хотя имеют место и обратные исключения.
Организмы, входящие в состав зоопланктона, используют в пищу растения, которые в
свою очередь являются пищевым продуктом для более крупных водных обитателей, обретающихся на большей глубине. В океане ничего не пропадает зря. Например, стеклянные
губки, получают необходимые им харчи из останков отживших свой короткий век существ – органического детрита, погружающегося на глубины и дно из тех слоёв, что расположены выше. Пищевой механизм океана, с его многообразными цепями, имеет очень
тонкое динамически настроенное равновесие, законы которого человеком ещё не до конца
изучены.
Нарушение численности любого вида растений или животных, вследствие жёстких
пищевых связей неминуемо приведет к изменениям в численном и видовом составе всех
остальных обитателей водного мира. Океан огромен и сбалансирован по всем параметрам,
но вмешательство в его динамику человека, не до конца осознающего последствия своих
действий, может вызвать необратимые негативные процессы планетарного масштаба. Тому есть многочисленные примеры. На протяжении жизни двух поколений (не более 60
лет) в одном из самых биопродуктивных районов Мирового океана, в Охотском море подорваны биопопуляции более десяти видов гидробионтов, в частности камчатского краба,
минтая, сельди, кальмвра, белокорого и синекорого палтуса, трески, морского окуня и т.д.
Мало того, что человек в настоящее время изымает биологического сырья больше, чем
океан может воспроизводить, так в последнее время за счёт океана цивилизация начала
решать свои энергетические проблемы. Нефть в последние десятилетия начали добывать в
шельфовых зонах. К чему это приводит можно наглядно проследить на примере Сахалинского шельфа, где большие по площади районы в окрестностях буровых платформ превращены в биологически мёртвые зоны. В настоящее время аналогичный процесс разворачивается у берегов Камчатки. В ближайшее время в Охотском море начнутся пробные
бурения. Природа распорядилась так, что нефтеносные районы Охотского моря совпадают
с акваториями наиболее насыщенными промысловыми видами морских обитателей.
Несанкционированные незначительные выбросы нефтепродуктов с рыболовных судов,
которыми так были озабочены представители экологических служб, покажутся видами
Палестины в волшебном фонаре, по сравнению с загрязнениями, вызванными добычей
нефти. Добывать, разливать и транспортировать сырую нефть без аварийных разливов невозможно даже теоретически.
84