Открытие и изучение океанов

Большую часть нашей планеты занимают моря и океаны. Их площадь составляет 361 млн. км2, т. е. 71 % от поверхности всего Земного шара (510 млн. км2). Кроме того, Мировой океан — это непрерывное водное пространство, в то время как суша представляет собой отдельные массивы, как бы острова в безбрежной массе океана.

Самые протяженные участки суши располагаются в северном полушарии, а воды — в южном. Более всего выдвинута в Северный Ледовитый океан северная оконечность Гренландии — до 84° с. ш., а далее этой точки водная поверхность неразрывна. Постепенно к югу поверхность суши все более сужается и на 35°—50° ю. ш. выклинивается лишь мысами на юге Южной Америки, Африки и Австралии. У мыса Горн, на 55°59′ ю. ш., суша исчезает. Здесь океан охватывает Землю сплошным кольцом, встречаются лишь небольшие острова. Однако с 68° ю. ш. суша появляется вновь — это Антарктида.

Следовательно, у Северного полюса планеты расположен обширный и глубокий (до 5 тыс. м) океан, а у Южного — обширный и высокий (более 5 тыс. м) материк.

Неровность земной поверхности обусловила распределение суши и океана, хотя эти неровности и незначительны по отношению к общим размерам Земли. Повышенные части земной коры образовали материки, а пониженные (тоже, впрочем, выпуклые, как и общая поверхность материков) заполнены водами океанов.

В целом Мировой океан не имеет естественного деления, но все же материки разбивают его на три большие части. Полагают, что первым был открыт Индийский океан. Это название появилось на карте в 1555 г., ранее океан именовали Восточным. Был и Западный, но с 1507 г. он становится известен как Атлантический. Мореплаватель Магеллан первым пересек Тихий океан, также имевший другое название. Первый европеец, обозревший океан с возвышенных берегов Мексики, назвал его Великим. Однако Магеллан решил, что «Тихий» ему больше подходит, ибо за время его длительного плавания, океанские воды были удивительно спокойны. Очень долго существовали оба названия, пока не стало принятым Магелланово — «Тихий океан».

Потребовалось несколько столетий, чтобы окончательно установить и границы океанов. В 1845 г. Королевское географическое общество в Лондоне определило, что на Земном шаре — пять океанов: два Полярных, Тихий, Индийский и Атлантический. В соответствии с их очертаниями были зафиксированы границы, сохранявшиеся до начала XX столетия. Между тем изучение океанов углублялось, открывались и исследовались все новые его свойства, пришло время разделения Мирового океана с учетом его физико-географических особенностей: систем океанических и воздушных течений, приливов, горизонтального и вертикального распределения температуры и солености и др. В результате Мировой океан оказался поделенным на три океана: Индийский, Атлантический и Тихий. Такой принцип был более научным и менее формальным.

В настоящее время принято считать, что Мировой океан состоит из Тихого, Атлантического, Индийского и Северного Ледовитого, хотя последний по своим физико-географическим свойствам является внутренним морем Атлантического океана. Многие ученые предлагают восстановить пятый, Южный океан, утративший свою официальную самостоятельность в 30-х годах текущего столетия.

Океаны, вдаваясь в той или иной степени в глубь суши, приобретают особые гидрометеорологические отличия — это части, отгороженные от остальной океанической массы островами или подводными возвышенностями. Так определяются моря. Пока нет общепринятой их классификации. Разделяют моря по ряду признаков: расположению, степени удаленности от океана, особенностям режима, происхождению, форме. В работах Ю. М. Шокальского описываются и средиземные (междуматериковые и внутриматериковые) и окраинные моря, окаймляющие материки.

Размеры и глубины океанов следующие (табл. 1).

Как видим, половину всего Мирового океана занимает Тихий. Ему же принадлежит и самое большое море — Коралловое, площадь которого 4068 тыс. км2, а объем — 11,5 тыс. км3. Здесь же отмечен и предел глубины для морей — 9174 м. Из морей, омывающих нашу страну, самое большое — Берингово. Знание точных размеров морей и океанов очень важно не только для физической географии в целом; суша и вода по своим физическим свойствам различаются чрезвычайно сильно, поэтому и влияние их на атмосферу и климат велико и разнообразно.

Таблица 1

Указанный принцип деления Мирового океана не единственный. Вдаваясь в сушу, океан или море образуют залив, границы которого обычно условны. Заливы имеют различную форму и, в зависимости от происхождения и других характеристик, называются фиордами, лиманами, лагунами, бухтами, губами. Относительно узкие части океана или моря, простирающиеся между участками суши и соединяющие два смежных водоема, представляют собой проливы. Они обладают особым гидрологическим режимом, обусловленным их размером, водообменом и особенностями водоемов, которые они соединяют. Впервые проливы обстоятельно и детально изучены, а также научно классифицированы в книге советского океанолога Н. Н. Зубова «Учение о проливах Мирового океана».

Накопление знаний об океане шло постепенно. «Драгоценнейший дар человеческой мысли, — писал Ю. М. Шокальский, — пытливо относиться ко всему окружающему — с первых времен умственного развития людей заставлял их интересоваться всем окружающим».

Рассмотрим кратко историю изучения океанов. Первые сведения о них были добыты финикийцами еще в III тысячелетии до н. э. Колонии финикийцев, занимавшихся мореходством и торговлей, простирались далеко на запад, по берегам Средиземного моря. Свои плавания они совершали также к берегам Красного моря, Персидского залива, по Индийскому и Атлантическому океанам. Существует сказание о путешествии финикийцев вокруг Африки, но было ли оно на самом деле — неизвестно. Достоверно лишь, что вдоль западного берега Африки они доходили до 7°—8° с. ш.

Египтяне, греки, китайцы и другие народы, населявшие земли Тихого океана, были знакомы с такими явлениями, как приливы, течения. Высказывались убедительные предположения и о единстве океана, о сферичности Земли. В V в. до н. э. в Греции уже существовала географическая карта. Упоминания о ней встречаются в комедиях Аристофана. В труде греческого философа Эудокса (IV в. до н. э.) содержалось совершенно правильное утверждение, что населенная часть Земли в 2 раза длиннее по параллели, чем по меридиану.

Аристотель (IV в. до н. э.) определил развитие науки на многие сотни лет вперед. В его труде «Метеорология» в главе, посвященной океану, говорилось о распределении суши и моря, о неразрывном кольце океана в средних широтах. Последнее означало, что берега Индии и Испании разделяет лишь океан (это заключение и послужило основой для плавания Колумба). Аристотель указал на различия глубин Средиземного, Азовского, Черного и Эгейского морей. Он писал также о течениях в Босфоре, Дарданеллах и Керченском проливе. Дициарх, ученик Аристотеля и автор многих географических трудов, изобрел первую картографическую сетку.

Ученый Древней Греции Страбон (I в. н. э.), как и Аристотель, считал Мировой океан единым. Он полагал, что поверхность Земли в прошлом менялась — на месте теперешних материков могло быть море, и наоборот.

Римский ученый Сенека (I в. н. э) составил верное представление о балансе влаги на планете — испарение с океанов компенсируется водой, которую они получают от рек и дождей. Отсюда последовал вывод о постоянстве солености вод океана, не утративший справедливости и по сей день.

Результаты длительных наблюдений были обобщены во II в. н. э. Птолемеем в капитальном труде «География». Его географическая карта (около 8 тыс. названий) включала все, что было известно в ту пору в пределах от Атлантического океана до Индокитая, и содержала много новых данных. Птолемей отрицал единство Мирового океана. Он полагал, что суша, охватывая океаны, делит их на самостоятельные моря. Так, на его карте возник отделенный от Атлантического Индийский океан — их якобы разделяла вытянутая южная часть Африки, «поворачивающая» с 20° ю. ш. на восток и по южной границе Индийского океана соединенная с Китаем. Эта ошибочная точка зрения продержалась до XV столетия.

После падения Римской империи в V в. развитие наук существенно замедлилось. Однако в мореплавании были достигнуты очень большие успехи, благодаря появлению компаса. Удалось более точно картировать морские побережья; правда, обозначение Индийского океана как замкнутой акватории повторялось. Лишь карта 1311 г. вышла с коррективами — берега Африки уже не огибают Индийский океан.

Новый расцвет в развитии океанографии приходится на конец XV — начало XVI в., он связан с великими географическими открытиями. В 1486 г. португальцы обогнули Африку с юга, а южную ее оконечность, открытую на обратном пути, назвали мысом Бурь. Король Португалии переименовал его в мыс Доброй Надежды, предвидя, что в недалеком будущем через него пройдет новый путь в Азию. Это название сохранилось до наших дней. Так идея о возможности обойти на судах Африку, которая появилась еще в IV в. до н. э., воплотилась лишь через 2 тыс. лет.

Развитие торговли заставляло европейцев искать свободный морской путь на восток, в Азию. И в конце XV столетия появился человек, который был подготовлен к выполнению такой задачи. Это был X. Колумб родом из Генуи. Плавая с юношеских лет в Исландию, Гвинейский залив, он становился смелым, наблюдательным и опытным моряком. Предполагалось, что, идя на запад от берегов Европы, можно достигнуть Азии — о существовании материка, названного потом Америкой, ведь еще никто не знал.

3 августа 1492 г. три каравеллы Колумба вышли в Атлантический океан, держа курс на запад. В пути Колумб произвел первые наблюдения над течением в открытом океане, открыл Северное пассатное течение, Саргассово море, впервые обнаружил склонение магнитной стрелки компаса. Через 70 дней после выхода из Испании — 12 октября 1492 г. — была открыта первая земля. Посетив затем Кубу и Гаити, Колумб повернул обратно в Испанию через Азорские острова.

Другой итальянец, Дж. Кабот, живший в Англии, также предпринял путешествие с целью достичь Китая. Он вышел из Бристоля весной 1497 г., открыл Ньюфаундленд, Лабрадор (вторично после норманнов) и холодное Лабрадорское течение. Впервые на основе уже имевшихся сведений он воспользовался течением Гольфстрим, что позволило значительно ускорить плавание.

Первое кругосветное плавание португальца Ф. Магеллана (1519–1521 гг.) полностью решило проблему единства Мирового океана и дало возможность определить соотношение размеров суши и океанов на Земле. Дело в том, что великие открытия и завоевания новых земель в Америке не приблизили испанцев к цели — открытию морского пути в Индию и к Зондским островам. Мешала также невозможность пройти в Тихий океан через Панамский перешеек. Поэтому Испания охотно согласилась санкционировать экспедицию опытного моряка Магеллана.

20 сентября 1519 г. во главе эскадры из пяти судов он вышел из порта Сан-Лукар. Путь Магеллана был значительно длиннее, чем он предполагал, из-за ошибки в определении географической долготы. В этом не было ничего удивительного — географическую долготу тогда не умели определять. Впервые в истории океанографии Магеллан попытался измерить глубину океана, но лот не достал дна, и мореплаватель решил, что его судно находится над самой глубокой частью океана. Заслуга Магеллана велика — он открыл и пересек самый большой океан планеты, равный трети ее поверхности.

Таким образом, всего за 35 лет было открыто больше половины земной поверхности. Это время было справедливо названо эпохой Великих географических открытий.

В XVI–XVIII вв. многочисленные плавания охватили различные районы Мирового океана. Голландец А. Тасман впервые обогнул с юга Австралию и открыл в 1642 г. берег Новой Зеландии.

Пройдя вдоль берегов Сибири, русские обследовали весь Северо-Восток Азии. В 1648 г, казак С. Дежнев впервые достиг ее восточной оконечности и доказал, что она отделяется от Америки проливом. Он открыл также северо-восточный берег Камчатки и мыс, вначале названный Восточным. В 1898 г. по представлению Русского географического общества он стал именоваться мысом Дежнева. Следует заметить, что открытие Дежневым пролива между Азией и Америкой было впоследствии забыто. А в 1728 г. Витус Беринг вновь прошел этим проливом, и с тех пор он носит имя этого отважного морехода.

Значительное место в истории занимает географическое предприятие россиян — Великая Северная экспедиция, продолжавшаяся с 1732 по 1743 г. Это было первое обследование всего северного берега Европы и Азин — от Белого моря до реки Колымы. Вплоть до начала XX столетия собранные экспедицией материалы во многом оставались уникальными.

В 1768–1779 гг. англичанин Дж. Кук предпринял три экспедиции в Тихий океан, обследовав его от Антарктики до Чукотского моря в Арктике. За столетие после плаваний Кука было проведено 75 научных морских экспедиций, из них 25 кругосветных. Все они приносили новые данные о физических свойствах вод океанов, об их движении.

Среди кругосветных плаваний необходимо отметить походы И. Ф. Крузенштерна и Ю. Ф. Лисянского на кораблях «Нева» и «Надежда» в 1803–1806 гг. На этих судах велись глубоководные океанографические наблюдения — определялись течения, температура, колебания уровня. В 1819–1821 гг. Ф. Ф. Беллингсгаузен и М. П. Лазарев, совершив беспримерное плавание на шлюпах «Восток» и «Мирный», открыли Антарктиду. Они изучали физико-химические свойства антарктических льдов, составили их классификацию. Именами шлюпов названы первые советские станции на самом южном, ледовом материке планеты.

Капитан-лейтенант О. Коцебу в 1823–1826 гг. на военном шлюпе «Предприятие» совершил кругосветное путешествие. В нем участвовал известный физик Э. Ленц, сконструировавший первый батометр. С помощью этого прибора удалось взять пробы воды и определить ее температуру до глубины почти 2 тыс. м. Таким образом были получены первые точные данные о вертикальном распределении температуры и солености в разных точках океана. Заметим, что, по подсчетам Ю. М. Шокальского, из 522 глубоководных наблюдений, проведенных до 1869 г. судами всех стран мира, более 20 % приходилось на долю русских моряков.

XVIII–XIX века — время первых больших обобщений, организации специальных океанографических экспедиций, становления новых методов исследований. Крупный вклад в развитие океанографии внесли работы И. Ньютона, П. Лапласа, Ж. Лагранжа и других великих ученых. И. Ньютону принадлежит первое теоретическое объяснение приливов. Впоследствии оно было развито П. Бернулли, П. Лапласом и Дж. Эри.

Занимала ученых и проблема океанических течении. Для их изучения особенно много сделал лейтенант американского флота М. Мори, названный его современниками «следопытом морей». Опираясь на записи в судовых журналах, Мори собрал и обработал огромный материал наблюдении, который лег в основу книги «Физическая география моря». В ней впервые помещена составленная им карта течений. Большой заслугой Мори является и то, что он стал родоначальником морской метеорологии, наметил пути совместного изучения океана и атмосферы для развития мореплавания. По инициативе Мори в 1853 г. в Брюсселе была созвана Международная морская конференция, на которой было решено установить для флотов всего мира однородную систему производства судовых наблюдений и их запись.

При всей значительности попутных наблюдений в последней трети прошлого столетня назрела необходимость в специальных экспедициях, имеющих целью сбор материала для комплексного изучения океана. В 1868 г. Лондонское королевское общество предприняло несколько небольших океанографических плаваний, в задачу которых входили отработка методики исследований, усовершенствование приборов. По существу, это была подготовка к большой кругосветной экспедиции, снаряженной по инициативе английских ученых.

21 декабря 1872 г. деревянный корвет «Челленджер» вышел из Портсмута (Англия) и вернулся в порт лишь через три с половиной года — 24 мая 1876 г. За это время он прошел почти 69 тыс. морских миль и сделал 362 морские глубоководные станции, на которых наблюдались: глубина, грунт, температуры, течения, флора и фауна. Ежечасно проводились метеорологические наблюдения. Материалов, собранных экспедицией, было так много, что на их обработку ушло 20 лет. Только к 1895 г. было закончено издание всех 50 книг. Океанологии посвящено восемь больших томов (более 2 тыс. рисунков и чертежей).

В них включены впервые составленные ежемесячные карты атмосферного давления. Значение экспедиции для океанографии огромно.

Все последующие экспедиции включали в свои программы исследования, проводившиеся на «Челленджере».

Американской экспедиции на «Тускароре» удалось открыть огромные глубины вдоль окраин Алеутских и Курильских островов — до 8490 м. Со временем эти данные были дополнены и уточнены (они оказались еще большими).

В конце XIX в. изучались и полярные районы. Особенно выделяется знаменитое плавание по Северному Ледовитому океану Ф. Нансена на «Фраме» в 1894–1896 гг. Научный результат этой экспедиции огромен — были изучены и верно описаны океанографические условия бассейна Ледовитого океана. Много исследований проводилось и в водах Антарктики. К концу XIX в. число экспедиций в Южном полярном бассейне достигло полутора десятков. Таким образом, был собран материал обо всем Мировом океане.

Первым трудом, посвященным непосредственно океану, была «Океанография» итальянского ученого Марсильи, изданная в 1725 г. В ней сообщалось о составе грунтов океана, рельефе дна (полагая его аналогичным суше), составе солей и удельном весе морских вод.

Большой вклад в развитие океанографии внес М. В. Ломоносов. По его замыслу был сконструирован измеритель течений. В 1761 г. Ломоносов составил классификацию морских льдов, а двумя годами позже — описание Северного Ледовитого океана. Он научно обосновал идею о возможности прохода в Индию и Китай Северным морским путем.

Труды Ломоносова продолжил Ф. П. Литке. Он описал западное побережье Новой Земли, Баренцево и Белое моря. Особенно же значителен вклад в океанологию знаменитого флотоводца и ученого С. О. Макарова. В 1886–1889 гг. русский корвет «Витязь», которым командовал Макаров (в ту пору еще капитан 1-го ранга), совершил кругосветное плавание. И хотя перед экспедицией не стояло прямых научных целей, она вела очень большие океанографические наблюдения в Тихом океане, а затем в Японском, Охотском и Желтом морях. Все эти данные описаны в замечательной книге «„Витязь“ и Тихий океан» (1894).

Макарова интересовало изучение морских вод еще до плавания на «Витязе». В проливе Босфор он обнаружил глубинное течение. Здесь было выполнено более четырех тысяч наблюдений над температурой и удельным весом воды и около тысячи измерений течений — невиданный по тому времени объем работы, позволивший получить важные, до сих пор не утратившие своего значения выводы.

В 1889 г. по инициативе Макарова был построен ледокол «Ермак», равного которому в то время не было (машина в 10 тыс. сил, водоизмещение 6 тыс. т). Первое испытательное плавание ледокола совершалось к западу от Шпицбергена до полярных льдов. При этом Макаров произвел интересные океанографические работы, описанные в его труде «„Ермак“ во льдах» (1901).

В 1902 г. был создан специальный Международный совет по изучению морей, который способствовал развитию морских исследований. Создание совета было подготовлено Международным географическим конгрессом, проходившим в Берлине в 1889 г. В работе конгресса приняли участие многие страны: Бельгия, Великобритания, Германия, Дания, Нидерланды, Норвегия, Россия, Швеция и Соединенные Штаты. Совет просуществовал 10 лет и успел сделать очень много в области океанографии как пауки. В то же время основной целью совета было изучение морских промыслов и их охрана от хищнического истребления. Все полученные материалы быстро обрабатывались и издавались не позднее, чем через год. Организованное советом наблюдение вдоль постоянных линий (разрезов), повторяемое регулярно 4 раза в год, дало возможность обнаружить большие изменения океанографических характеристик от года к году. Таким образом, постоянный центр сделал большой шаг в исследовании морей, разработке методов, создании приборов.

В 1918 г. в Советском Союзе был создан Комитет для исследований по гидрологии, метеорологии и геологии. Через четыре года этот комитет был преобразован в Центральное гидрометеорологическое бюро, задачей которого стало изучение прибрежных зон морей (с устьями рек) и руководство гидрометеорологической сетью.

За подписью В. И. Ленина 10 марта 1921 г. был издан проект постановления об учреждении Плавучего морского института. Ему надлежало планомерно изучать советские моря, побережья, острова. Впоследствии этот институт реорганизовали, и с 1933 г. он существует как Всесоюзный научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии (ВНИРО). Одновременно с Плавмормином появились: Институт Севера (затем Арктический и ныне Арктики и Антарктики) и морской отдел в Государственном гидрологическом институте. Создаются местные научно-исследовательские обсерватории в системе Гидрометеорологической службы и Военно-Морского Флота, институты и станции рыбного хозяйства. Работу прибрежных морских станций дополняли многочисленные экспедиции, а затем родилось могучее средство наблюдений — ледовая авиаразведка.

Со знаменитой станции «Северный полюс-1» (1937–1938 гг.) началось планомерное освоение этого сурового района, прерванное на несколько лет войной.

В послевоенное время все большее развитие стали получать специальные океанские экспедиции, организуемые Институтом океанологии АН СССР, Морским гидрофизическим институтом и Гидрометеослужбой СССР. Исследования проводились на судах «Витязь», «Михаил Ломоносов», кораблях погоды — «А. И. Воейков», «Ю. М. Шокальский». В 1966–1969 гг. вступили в строй флагман научно-исследовательского флота Академии наук СССР «Академик Курчатов», суда Гидрометеорологической службы «Профессор Визе», «Профессор Зубов» и др.

Во всех экспедициях тех лет применялась единая методика наблюдений и их обработка. Особенно широко развилось международное сотрудничество, многие экспедиции стали проводиться совместно разными странами. Так было во время Международного геофизического года (МГГ) в 1957–1958 гг., Международного геофизического сотрудничества (МГС) в 1959–1962 гг. и позднее. С 1958 г. начаты обширные советские экспедиции в районы Антарктики, проводимые также в порядке международного сотрудничества. Интенсивно изучаются внутренние и окраинные моря, омывающие берега нашей страны.

Какова же реальная цель многочисленных дорогостоящих, трудоемких, а зачастую и небезопасных экспедиций? Развитие океанологии, как и всякой науки, определяется постоянно растущими запросами хозяйственной и культурной жизни человечества. С глубокой древности изучение океана было связано с промыслом рыбы и морского зверя. Все явления, наблюдаемые в океане, важны для мореплавателя, но есть среди них и такие, которые привлекают особое внимание. Это прежде всего волнение на поверхности моря, колебания уровня, течения и ледовые условия. Сильное волнение не только усложняет плавание, приносит повреждения, но может стать и причиной гибели судна. Поэтому необходимо точно знать фактические и ожидаемые условия волнения. В настоящее время широко внедрено плавание так называемыми рекомендованными курсами, передаваемыми из центральных учреждений Гидрометеослужбы судам, находящимся в океане.

В прибрежной зоне суда находятся в большой зависимости от приливов, достигающих в отдельных пунктах предельных величин (12–19 м). Такие крупнейшие порты мира, как Бордо, Гамбург и Ливерцуль, могут принимать большие суда только во время прилива. Морские течения с давних времен учитываются в морской навигации. И даже современные огромные суда не могут не принимать их в расчет: встречные течения замедляют ход судна, попутные — увеличивают скорость его движения.

В замерзающих морях (а в нашей стране на всех морях, даже на теплом Черном, бывает лед) исключительно важно знать ледовую обстановку, и не только текущую, но и ожидаемую на маршруте судов. Так, в некоторых случаях можно обойтись без ледокола, а иногда он необходим. Исключительно тяжелые ледовые условия бывают во всех арктических морях. Покрываются льдом и дальневосточные моря, северная треть Каспия, в отдельные зимы — даже Азовское море.

Обычно меньше внимания уделяется учету такого элемента гидрологического режима, как плотность морской воды. Но знание сезонных распределений плотности помогает решать вопрос об изменении загрузки судов — ее увеличении или уменьшении. И это, казалось бы, не такое уж значительное обстоятельство, дает в итоге огромный экономический эффект.

Особенно важно знать и изменение во времени гидрологических условий — в первую очередь температуры, солености, содержания газов (в особенности кислорода) — для промысла рыбы. Известно, что в некоторых районах океана существует подъем глубинных вод на поверхность (принято английское название «апвеллинг»). Такие места замечены у берегов Южной Америки и Африки и в открытом океане, в районах встречи вод с различными свойствами (фронтов). При апвеллинге лежащие выше слои воды обогащаются питательными солями, поэтому здесь бурно развивается биологическая жизнь. Определить эти места, объяснить сущность явления и даже попытаться предсказать его — одна из задач современной океанологии.

Распределение рыбных и других промысловых богатств в океане неравномерно — есть богатые «пастбища», есть зоны, подобные бесплодным пустыням. В целом же биологические ресурсы океана далеко не безграничны и в ряде случаев в современных условиях значительно истощены. Вот почему во всем мире принимаются меры для сбережения этого великого богатства, в значительной степени обеспечивающего население Земли животным белком. Но население растет, и уже остро встал вопрос не только об увеличении промысла рыбы и морского зверя, но и других органических веществ, — таких, как протеин.

В то же время вдоль берегов океанов и морей все более развивается строительство различных сооружений: портов, причалов и т. д. При их проектировании и возведении совершенно необходимо знать гидрометеорологические характеристики: колебания уровня, волнения, течения, льды, химический состав вод, биологическую активность (связанную с обрастанием моллюсками и пагубной деятельностью древоточцев), подверженность явлению тягуна, цунами и др. Для нефтяных морских сооружений, покоящихся на металлических сваях, необходим учет возможной коррозии. Здесь бывает опасен подход плавучих льдов, высокие волны.

Можно подумать, что развитие техники уменьшает роль океанологии. В действительности дело обстоит как раз наоборот — значение ее возрастает буквально с каждым годом. Экономика большинства стран, в том числе и тех, которые не имеют прямого выхода в океаны и моря, так или иначе связана с их использованием. Это — дешевые пути сообщения, источник рыбных и минеральных (нефти, алмазов, золота и т. д.) богатств. Из самой воды извлекаются поваренная соль, магний, бром. В целом элементы всей таблицы Менделеева заключены в океане.

Гигантская энергия океанов еще только начинает использоваться. Мощная электростанция Сен-Мало во Франции, советская станция на Белом море и др. основаны на действии приливов. Впереди перспектива освоения многих гигантских энергетических ресурсов океана: морского волнения, течений, тепловой энергии. Можно предположить с достаточным на то основанием, что когда энергетические возможности суши исчерпаются, ее место займет океан.

Итак, в сферу практических интересов человечества в океане входят источники питания, минеральное сырье, энергия, пути сообщения между материками, островами, государствами.

Назревает и новая проблема — улучшение климата отдельных районов Земли. Без использования Мирового океана эту проблему решить нельзя. Сюда относятся проекты использования тепла океанических течений, растапливания полярных льдов и др. Не исключено также, что сам человек, который в какой-то форме вышел из моря, вернется в него на новом, высшем уровне. Но это пока больше относится к области фантастики, которая часто превращается в реальность быстрее, чем можно ожидать.

Мировой океан заметно влияет на состояние атмосферы (это взаимное влияние — весьма важный и сложный вопрос, к которому мы еще вернемся). Изучение теплосодержания морей, взаимодействия океана и атмосферы — один из путей улучшения долгосрочных прогнозов погоды.

Одновременно с увеличением значения Мирового океана возрастает роль океанологии и ее практических рекомендаций. Методологически океанология развивается в трех связанных между собой направлениях: теоретическом, экспериментальном (моделирование) и непосредственные наблюдения в природе. Каждый из них перспективен. В ряде разделов (например, изучение приливов и морского волнения) теория достигла определенных результатов. Достаточно точно можно рассчитать колебания уровня моря и элементы волн. Ведутся исследования в области исключительно сложных проблем: непериодических течений, глубинной циркуляции, термики моря.

Автоматизация наблюдений и механизация их обработки, внедряющиеся в последние десятилетия, — крупный шаг в развитии натурных наблюдений. Основная идея современного развития океанологии — организация сети стационарных станций в открытых частях океанов и морей для сбора возможно более полной информации.

В настоящее время объем этой информации столь огромен, что встал вопрос о том, как успеть ее обработать, проанализировать, сформулировать выводы.

Что понимается под стационарной сетью станций? Это — прежде всего «корабли погоды», которым надлежит находиться в заданном районе океана и проводить обширный комплекс океанологических и метеорологических наблюдений непрерывно в течение нескольких лет; заякоренные буйковые станции (без человека), передающие информацию с моря, судов, самолетов и искусственных спутников Земли на берег; станции, медленно дрейфующие во льдах или в районах океанов с замкнутой циркуляцией. К этим источникам прибавляются давно ведущиеся прибрежные и островные наблюдения на суше и попутные наблюдения судов, курсирующих в океанах и морях. Вся эта гигантская информация, обобщенная, картированная, сведенная в таблицы, является основой для получения режимных характеристик и развития научно-исследовательских работ.

Однако для последних по-прежнему остается обязательным производство специальных тематических экспедиций, ставящих конкретные цели. И иногда для них нужны будут не огромные корабли науки, а суда среднего и малого тоннажа, соответствующие их относительно узким, но важным задачам. Особое место здесь принадлежит подводным кораблям и аппаратам, предназначенным для длительного пребывания человека под водой. Для составления наиболее полной и детальной характеристики элементов морского режима и их изменений во времени организуются наблюдения на так называемых полигонах — выбирается участок в океане и в его пределах расставляются суда и буйковые станции, ведущие строго синхронно однотипные наблюдения. Вопрос о том, как расставить эти наблюдательные точки (расстояния и форма сетки), далеко не прост, и различные варианты вызывают споры, имеют своих сторонников и противников. С одной стороны, не должны пропасть возможные интересные детали, и в то же время лишние наблюдения бесполезны. Результаты наблюдений на полигонах дают наиболее полную картину и позволяют обнаружить прежде неизвестные явления.

В последние годы в ключевых районах океана, оказывающих огромное влияние на погоду и климат всей планеты, организуются под флагом международного сотрудничества специальные экспедиции-эксперименты. Это — ТРОПЭКС (тропический эксперимент), ПОЛЭКС (полярный эксперимент). Советский Союз принимает в них активное участие.

Проблема взаимодействия океана и атмосферы, по которой раньше материалы собирались лишь попутно, также нуждается теперь в более общем организационном решении. Под девизом этой проблемы века (завершающегося и, вероятно, будущего) начаты обширные наблюдения.

Все физико-химические свойства воды, физические явления и процессы, происходящие в Мировом океане, изучает океанология или океанография. Более точно отражает сущность пауки первый термин (от греческого слова «логос» — наука), но «океанография» долгое время был более употребительным, возможно потому, что изучение океана начиналось с его открытия и описания («графо» — по-гречески пишу, описываю).

В современных условиях одна из главных задач океанологии — прогнозирование будущего состояния вод океанов и морей. Таким образом выделилась самостоятельная дисциплина — морские гидрологические прогнозы. Будущее состояние моря можно определить, только обнаружив причины, вызывающие данный процесс или явление, и установив, какие при этом возникнут изменения в гидросфере. Это — очень сложная, кропотливая работа, связанная одновременно с учетом многих факторов.

Широкое развитие в последние годы получили исследования полей некоторых геофизических элементов: гравитационного, магнитного, электрического. Возникли и самостоятельные области знания, прежде входившие в общую океанографию: морская геология, морская метеорология, гидробиология и морская геофизика.

Океанология опирается прежде всего на физические науки, исследующие общие законы динамики жидкостей, и также широко использует математический аппарат. Невозможно обойти и географию, являющуюся наукой о Земле в целом. Неудивительно поэтому, что в океанологической науке работают ученые различных направлений — только так, комплексно, может быть изучен Мировой океан, тайны которого еще до конца не раскрыты. Пользуясь выводами смежных наук, океанология в то же время питает их, дает возможность применять полученные знания.

Современное естествознание в качестве одной из главных своих проблем ставит выяснение происхождения и взаимного расположения океанов и материков на протяжение всей истории Земли. Здесь достигнуты определенные результаты — удалось установить границы (во времени) различных геологических эр (их пять) и периодов, составить шкалу абсолютного геологического времени.

Некоторые ученые предполагают, что первичный океан покрывал Землю равномерным слоем 4,8 млрд. лет назад, а материки возникли уже позднее. Этот слой воды был относительно тонок и пополнялся постепенно за счет конденсации водяного пара, исходящего из недр планеты по вулканическим трещинам. Вначале материки представляли собой лишь узкие зоны накопления сравнительно легкого силикатного материала — гряды островов и подводных хребтов. Позже, видимо, образовались системы архипелагов и островов и, наконец, материковые платформы.

История формирования поверхности Земли — цепь непрерывных изменений. На этот процесс влияли вулканические явления, ледники и др. Сначала в океане не было никакой жизни. Однако 2 млрд. лет назад на его поверхности появились простейшие организмы — водоросли. Осуществляя фотосинтез, древнейшие представители растительного мира полностью очистили атмосферу от углекислоты и обогатили ее кислородом. Так были подготовлены условия для обитания более сложных биологических организмов.

Очертания океанов, их размеры и глубины не были постоянны на протяжении истории планеты, и даже самый древний океан — Тихий — имел обширные участки суши в центре. До последнего времени менялись очертания Балтийского, Черного, Азовского и Каспийского морей. Уже на глазах современного поколения, в 30-е годы, в связи с падением уровня исчезли заливы Кайдак и Комсомолец на востоке северного Каспия.

 

Ложе океанов и морей

Долго не было известно, каков размер дна океана, на чем покоятся его воды. Древние мореплаватели оставили лишь сведения о промерах глубин вблизи берегов, которые производились для безопасности подхода к ним. Как мы уже знаем, первая попытка Магеллана измерить глубину в центре Тихого океана успеха не принесла. Опыты по измерению глубин возобновились лишь через 300 лет, но на первых порах они тоже были неудачны. Это объяснялось тем, что большие глубины нельзя было измерить тем простым способом, который использовался в мелких прибрежных водах. Англичанин Дж. Росс в экспедиции 1839–1841 гг. нашел способ усовершенствовать эти наблюдения, а в 1854 г. мичман американского флота Р. Брук предложил новый лот с лотлинем и трубкой, берущей образец грунта. Это изобретение (за ним закрепилось на долгие годы название «лот Брука») позволило сделать первые систематические измерения глубин, проложить телеграфные кабели по океанскому дну. На их основе лейтенант М. Мори составил карту рельефа дна северной части Атлантического океана. Заметим, кстати, что Мори, который был начальником Брука, считал, что последний использовал для конструкции своего лота идею Петра I. Тросовым лотлинем в последний раз работали на «Челленджере».

В то же время был предложен новый глубомер, тросовый лотлинь заменили проволочным (для этой цели сначала использовались фортепьянные струны, а потом начали изготовлять цинковую проволоку) — и техническая идея измерения глубин стала иной. Это изобретение, значительно облегчившее и уточнившее измерение глубин, принадлежало английскому физику У. Томсону (впоследствии барону Кельвину). Далее исследователи разных стран ввели в глубомеры много усовершенствований. В XX в. изобретен эхолот — глубина определяется с помощью звукового сигнала, отправляемого на дно и возвращающегося на судно. Скорость прохождения звука позволяет судить о глубине. Этот метод дал возможность сделать наблюдения массовыми и постоянными. Особенно быстрое развитие он получил в 50-е годы, после второй мировой войны.

Одновременно с уточнением и детализацией данных о рельефе океана удалось провести и совершенно новые наблюдения. Так, советской экспедицией Главсевморпути в 1948 г. был открыт хребет Ломоносова, пересекающий Северный Ледовитый океан от Новосибирских островов до Канады. «Витязь» в Тихом и Индийском океанах, а «Михаил Ломоносов» в Атлантическом обнаружили плосковершинные горы, многие глубоководные впадины, огромные подводные хребты. Именно «Витязю» принадлежит треть открытий всех глубоководных впадин Тихого океана. При составлении карты рельефа Тихого океана было использовало 300 тыс. промеров глубин, в то время как карта глубин всего Мирового океана в начале века основывалась менее чем на 18 тыс. промеров. В Советском Союзе на основе единой методики составлена и издана серия карт по самым современным и надежным данным.

Однако несмотря на большие достижения в изучении океана мы еще не можем сказать, что ложе его хорошо известно. В некоторых районах промерные галсы лежат далеко друг от друга, а что находится между ними, никто не знает. В первую очередь это относится к южной части Тихого океана. Изученность рельефа дна океана все еще сильно отстает от изученности рельефа суши, на которой пока не охвачены инструментальной съемкой только высокогорные области Азии и Америки, внутренние части материка Антарктиды.

Сравнивая рельеф суши и океана, установили, что средняя высота суши — 875 м, а глубина океана — 3795 м. На суше высоты до 1 тыс. м составляют 71 % ее поверхности, что равно 21 % от всего Земного шара. В океане же преобладают большие глубины 3–6 тыс. м — это 76 % площади океанов, или 54 % поверхности планеты. Высокие горы (более 4 тыс. м) и глубоководные океанические впадины (свыше 6 тыс. м), в общем, очень невелики по площади: горы занимают 0,5 %, а впадины около 1 % поверхности всей Земли. При изменениях уровня океана существенные перемены претерпит суша и малозаметные — сам океан. Подсчитано, что, если уровень океана повысится на 200 м, он зальет 32 % суши, а при понижении уровня на те же 200 м поверхность океана уменьшится только на 12 %.

Сравнение неровностей Земли с ее радиусом показывает, что первые относительно невелики. Так, расстояние по вертикали между высочайшим пиком — горой Джомолунгма (8848 м) и наибольшей глубиной океана (11 022 м) составляет 1:320 среднего радиуса Земли. Если бы Земля была гладкой, как бильярдный шар, ее поверхность полностью покрыл бы океан слоем в 2685 м. Уровень такого океана был бы на 245 м выше теперешнего.

Еще не так давно существовало неправильное убеждение, что морское дно — это более или менее ровная поверхность, во всяком случае более простая, чем поверхность суши. Теперь мы знаем, что дно океана изрезано, там есть протяженные горные цепи и отдельные горы, обширные равнины и узкие ущелья. Имеются районы со сравнительно стабильным рельефом и с сильно меняющимся. Последнее особенно заметно в районах активной вулканической деятельности, где глубины могут значительно изменяться, буквально мгновенно.

Дно Мирового океана подразделяют на следующие зоны: материковая отмель (шельф), материковый склон и ложе океана. Зоны отличаются друг от друга происхождением, закономерностями развития, глубинами и другими характеристиками, свойственными всем океанам. Шельф — прибрежная часть океана, как бы продолжение суши, она почти горизонтальна и простирается в среднем до глубин 200 м. Расстояние от внешнего края материковой отмели до ложа океана занимает наклонная поверхность — материковый склон. Он имеет довольно большие уклоны — до 20°—40°. Нижней границей материкового склона принято считать 2,5 км. Далее идет ложе океана.

Рельеф дна Атлантического океана был изучен раньше и лучше других. Исследования последних десятилетий резко продвинули наши знания о рельефе Северного Ледовитого, Индийского и Тихого океанов. Сложность и расчлененность их дна оказалась весьма значительной.

Если посмотреть на обычную географическую карту, легко заметить, что Атлантический океан напоминает по форме букву S. Любопытно, что эту же форму повторяет и рельеф дна, где с севера на юг, от Исландии до 42° ю. ш., простирается Срединный хребет, разделенный глубоководной впадиной на две части. По обе стороны от хребта лежат зоны террас и предгорных холмов, а затем глубокие (до 4–5 тыс. м) котловины. На дне Атлантического океана имеются и обширные плато.

Дно Северного Ледовитого океана замечательно протяженными хребтами, разделяющими его на отдельные котловины. В центральной его части расположены два хребта, носящие имена русских ученых Ломоносова и Менделеева. На материковом склоне есть подводные долины, а мелководье обнаруживает многие следы, говорящие о том, что суша здесь когда-то затоплялась морем.

Индийский океан разделяется Центральным Индийским хребтом на западную и восточную части. Ряд поперечных хребтов и поднятий дна расчленяет эти части на относительно более мелкие (котловины). У юго-западной оконечности Австралии — самые большие в мире уклоны дна материкового склона. В северо-западной части океана множество островов и коралловых рифов.

Рельеф дна Тихого океана характеризуется наиболее значительными глубинами, обилием плосковершинных гор, коралловых построек — погруженных в воды и возвышающихся над ними. К последним относятся атоллы, поражающие мореплавателей своей красотой. В южном полушарии с юго-запада на северо-восток, от Антарктиды до экватора, тянутся два хребта, разделяющие ложе Тихого океана на несколько обширных котловин. Более сложен рельеф дна северной части океана, с тремя большими котлованами. В одной из них, Северо-Восточной, находится ряд разломов — дно здесь сильно расчленено. В зоне разломов встречаются многочисленные подводные вулканы.

Знание рельефа дна нужно прежде всего судоводителям. На морских картах обычно подробно указываются отдельные скалы, мели, подводные каньоны и др. Для рыбного флота важны также характеристики морского дна: наличие камней, кораллов, скопления водорослей и др. Этими данными пользуются подводники, строители гидротехнических сооружений, горняки. Велико и научное значение сведений о рельефе дна, дающих возможность выяснить особенности движения морских вод, формирования их основных характеристик.

Чем выложено дно Мирового океана? На почти всей огромной площади дна океана из века в век происходит накопление морских отложений. Лишь на больших уклонах частицы грунта не задерживаются, их сносит водой. Частицы грунта разнообразны по размерам: от каменных глыб весом в несколько топи до мельчайших — в тысячные и даже миллионные доли миллиграмма. По форме они окатанные, например галька, или остроугольные. Происхождение грунтов различно — разрушение горных пород суши, органическое и др. Крупные частицы накапливаются вблизи берегов, мелкие — в удалении. Попадая в море с суши, частицы постепенно претерпевают изменения в минералогическом и химическом составе. В удаленных от берегов районах некоторых морей происходит на дне значительное накопление скелетов морских организмов — оно может даже превышать по количеству твердые частицы, принесенные с земли. В центральных частях океанов, а также в районах активной вулканической деятельности преобладают осадки из вулканических частиц.

Морские грунты имеют окраску от белой до почти черной и, как правило, без чистых тонов. Иногда цвета ярко выражены, и грунт тогда называют красной глиной, черным илом и т. д. Однако чаще всего приходится пользоваться такими определениями, как коричнево-серый или темно-серый. Грунты вулканического происхождения — темного цвета.

Грунты, состоящие преимущественно из обломочных пород, принесенных с суши, покрывают дно материковой отмели. В понижениях дна скапливаются более мелкие, на возвышенностях — более крупные породы. Замечена довольно отчетливая зависимость между рельефом дна и составом грунтов. Основная часть дна в Атлантическом океане на глубинах до 4 тыс. м покрыта илом и глинистым илом. В Индийском океане аналогичная картина — илы состоят из остатков глобигерин и мельчайших обломочных частиц. В Тихом океане на глубинах свыше 4 тыс. преобладает глубоководный глинистый ил, который за его буровато-коричневый цвет называют красной океанической глиной. Она образуется чрезвычайно медленно — около 0,1 см за 1 тыс. лет. Вдоль Антарктиды лежит полоса ледниково-морских отложений. Основная часть донных отложений в море занесена с суши. В морях донные отложения образуются значительно быстрее, чем в океане, — в 10, а иногда и в 100 раз.

Возможности для эксплуатации богатств со дна океана появились сравнительно недавно, в связи с мощным развитием техники. Теперь со дна добываются алмазы в Южной Африке (ЮАР), уголь — у берегов Южной Англии и Японии. Главным источником богатств морского дна можно считать нефть, так как уже сейчас установлено, что две трети известных на суше газонефтеносных районов лежит у морских побережий. Значит, можно ожидать, что нефть есть и в открытом море. Поиски ее ведутся в западной части Карибского моря, у берегов Панамы, Гватемалы, Никарагуа, у острова Ява, в Северном море, в Восточно-Китайском и Южно-Китайском морях, на дне Персидского залива. В последнем обнаружены крупнейшие в мире залежи.

Глубоководное драгирование и фотографирование морского дна позволило в последние десятилетия обнаружить на поверхности дна огромные скопления круглых, овальных (иногда неправильной формы) образований величиной с грецкий орех или картофель — это так называемые железомарганцевые конкреции. Они содержат также никель, кобальт, медь и др. Конкреции лежат прямо на поверхности дна, его не нужно бурить, как при добыче нефти (иногда очень глубоко!). Залежи конкреций огромны, они широко распространены на больших участках дна Атлантического и Индийского океанов и, в особенности, в Тихом. Предполагается, что в Атлантическом океане находится 50 млн. т конкреций, в Индийском — вдвое больше, а в Тихом — 100 млрд. т.

Стали известны также фосфоритовые конкреции, лежащие вдоль внешнего края континентального склона на возвышенностях в океане. Их добыча уже начата на склоне Южной Калифорнии. Обнаружены и другие минеральные богатства: соляные купола, оловянные и железные руды, пески, содержащие железо, хром, золото, титан. Перспективы в этой области пока трудно определить — очень многое здесь еще неизвестно или нуждается в дополнительной проверке.

 

Морская вода

В природе нет химически чистой воды. Даже самые чистые природные воды — дождь и снег — содержат примеси, поглощаемые на пути к земле из воздуха. Текущая вода растворяет горные породы, по которым она протекает или сквозь которые просачивается. Воды много и в самой твердой коре планеты в свободном и в связанном состоянии. Водяные пары, выделяющиеся при извержении вулканов, позволяют думать, что вода есть и на значительной глубине в толще Земли, хотя пока трудно сказать, в какой форме и в каких объемах.

Вода — главная составная часть гидросферы — представляет собой окись водорода (Н2O); она состоит из 11,2 % водорода и 88,8 % кислорода. Морская вода содержит в своем растворе многие соли (об этом подробнее будет рассказано ниже) и газы — кислород, азот, углекислый газ. Вода способна при колебаниях температур принимать различные состояния: жидкое, твердое и газообразное. При переходе из одного состояния в другое поглощается или освобождается большое количество тепла.

Вода как физическое тело имеет ряд аномалий, объясняемых строением ее молекул и очень сложной структурой. Так, при нагревании пресной воды от 0 до 4 °C плотность воды растет, а затем при увеличении температуры уменьшается. Вторая аномалия — увеличение объема при замерзании примерно на 10 %. Лишь немногие вещества в твердой фазе легче, чем в жидкой, — это висмут, галлий, германий и др. Для воды характерны и такие аномалии, как очень большая теплота плавления и парообразования, высокая теплоемкость и др. Есть еще ряд любопытных аномалий. Так, аномальна привычная для всех температура кипения, равная 100°: ведь водород кипит при 253°, а кислород при 180 °C.

Количество солей в морской воде невелико по сравнению с ее массой, но соли весьма существенно изменяют физические и химические свойства воды. Ее состав определяется с помощью химического анализа взятых проб (эти опыты стали проводить в 60-х годах прошлого столетия) вначале на поверхности, а затем и на различных глубинах, вплоть до придонных участков. Уже первые исследования показали (а последующие их подтвердили), что вдали от берегов состав морской воды везде одинаков — как на поверхности, так и на глубине. Это постоянство сохраняется весьма длительное время, измеряемое геологическими эпохами.

Количество растворенных твердых минеральных веществ (солей), выраженное в граммах на килограмм морской воды, называется ее соленостью. Тысячные доли целого называются промилле и обозначаются значком ‰. В открытых частях океанов соленость равна в среднем 0,035 кг, т. е. средняя соленость Мирового океана 35‰. Морская вода имеет горько-соленый вкус, обладает большим удельным весом, чем пресная, не растворяет мыло, образует накипь в паровых котлах. Все это происходит оттого, что в морской воде растворены твердые минеральные вещества, причем в разных количествах — некоторые в граммах на килограмм воды, а иные — только в тысячных долях грамма на тонну воды. Но именно последняя группа микроэлементов наиболее многочисленна. В то же время соленость морской воды определяется преобладающими по весу элементами. Химический состав морской воды, полученный из анализов проб, взятых в трех океанах еще во время плавания на «Челленджере», следующий (табл. 2);

Таблица 2

Эта таблица, составленная английским химиком Дитмаром в 1878–1882 гг., не утратила в целом своего значения и сейчас.

Установлено, что соли, растворенные в морской воде, распадаются (диссоциируют) на ионы: катионы, заряженные положительно (атомы водорода и металлов), и анионы, заряженные отрицательно (кислотные и водные остатки). Поэтому в настоящее время солевой состав морской воды иногда представляют не в виде солей, а в виде ионов. Возвращаясь к последней таблице, обратим внимание на то, что относительное содержание солей остается одинаковым (в %) как при повышении, так и при понижении солености. Это — очень важное для практики свойство: зная содержание лишь одной составляющей, например хлористых соединений, можно легко рассчитать остальные. Любопытно, что состав человеческой крови имеет точно такое же процентное соотношение входящих в нее элементов, как и морская вода.

Уже первые исследования показали, что из числа известных химических элементов 32 встречается в воде океанов и морей. Несмотря на незначительное содержание микроэлементов в 1 т воды сумма (учитывая гигантский общий объем океанических вод) получается весьма внушительной. Так, содержание золота в 1 т воды меньше 0,005 мг, а в Мировом океане в целом его несколько миллиардов тонн! Специально нужно выделить соединения азота, фосфора и кремния — они играют решающую роль в жизнедеятельности морских организмов. Невелико по количеству содержание в морской воде растворимых в ней газов. Некоторые вещества в морской воде находят лишь косвенным путем: йод — в водорослях, медь и серебро — в коралловых известняках, и т. д.

Воды океанов постоянно пополняются пресной водой, стекающей в него с суши береговыми потоками и реками, — примерно 30–40 тыс. км3 в год. Эти воды тоже содержат некоторое количество веществ в растворе. Но соотношение солей в океанах и реках различно. Так, хлоридов в речной воде 5,2 %, сульфатов 9,9, карбонатов 60,1 и прочих веществ 24,8 %. Казалось бы, при таком преобладании карбонатов в речной воде, оно должно было увеличиваться и в морской. Но этого не происходит, так как они легко выпадают в осадок, активно поглощаются морскими организмами для построения раковин, панцирей, скелетов, коралловых рифов и целых островов. Считают, что для того, чтобы увеличить количество хлоридных ионов в океане всего на 0,02‰ понадобилось бы 200 тыс. лет.

Сравнивая состав морской и речной воды, легко увидеть, что хлористые соединения, преобладающие в морской воде, в очень малом количестве представлены в речной. В то же время в речной воде больше половины карбонатов. Значит, соли океана внесены в него не реками, они другого происхождения, окончательно еще не установленного. По этому вопросу существует несколько предположений. Сохраняя общее процентное соотношение солей, соленость вод океанов изменяется в значительных пределах как в океане в целом, так и в каждом его районе и даже точке. Эти изменения зависят от испарения с поверхности, осадков, вертикального перемешивания и горизонтальных переносов воды, таяния льдов и выноса пресных речных вод. Когда происходит испарение, то в пар превращается только пресная вода, а оставшаяся в океане становится еще более соленой. Унесенные ветром водяные пары потом вновь попадают на поверхность океана (и суши), теперь уже распресняя его. Одновременно с испарением наблюдается и другой физический процесс — ветер уносит не только «пресный» пар, но и морские брызги на материк. При этом убыль солей равна примерно 300–400 млн. т (при объеме осадков на материках 100 тыс. км3).

Морской лед также в основном пресный — рассол постепенно стекает из него вниз, осолоняя поверхностный слой воды. Весной происходит обратный процесс, если лед тает на месте и не выносится. Небольшие реки распресняют воду лишь у устья, крупные — далеко в море.

Системы крупных океанических течений — таких, как Гольфстрим и Куросио, — нарушают распределение солености, принося в высокие широты соленые воды пассатных областей.

Изменение солености происходит в вертикальном направлении — ветер постоянно перемешивает поверхностные воды (примерно до 100 м), конвекция, являющаяся результатом осолонения или охлаждения поверхностных под, ведет к изменениям солености до глубин в 1 тыс. м.

Если же взглянуть на изменения солености с исторических позиций, то выясняется, что большое значение имели ледниковые периоды — во время оледенений соленость Мирового океана постепенно возрастала, максимум наступал в конце этих периодов. В послеледниковые периоды из-за таяния льдов соленость уменьшалась. Очень медленные изменения солености океанических вод связаны с поступлением и потерей солей, приходящих в океан из рек, недр Земли, атмосферы. Это все пополнение. Убыль же солей происходит от выпадения в осадок на дно (например, в районах Кара-Богаз-Гол или Сиваш), испарения, выноса на сушу ветром, пропитывания грунтов и др. Следует заметить, что в океан из атмосферы солей поступает всего в 2,5–3 раза меньше, чем приносят воды суши.

Соленость океана различна на глубине и на поверхности и может сильно отклоняться от средней величины, особенно в морях (в Красном — от 8 до 42‰). В открытых же частях океана пределы колебания невелики — от 32 до 37‰. Можно заметить общие черты в распределении солености на поверхности Мирового океана, связанные с географической широтой, т. е. с общим распределением испарения и осадков. Минимум солености приходится на высокие широты (малое испарение, обильные осадки, таяние приносных льдов). Чем ближе к пассатным зонам, тем соленость выше, и у тропиков (25° с. ш. и 20° ю. ш.) она максимальна (большое испарение из-за постоянных ветров, ясная погода). В направлении к экватору соленость несколько уменьшается.

Из океанов самый соленый Атлантический, его соленость достигает 37,5‰ — абсолютный максимум на поверхности открытого океана. Немного ниже соленость Тихого океана, предельно она равна 36,5‰. Это общее зональное распределение солености нарушают мощные океанические течения.

Распределение солености в глубинах океана отличается от поверхностного по ряду причин, одна из которых состоит в том, что распределение солености на глубине определяется ее плотностью. Например, распресненные, менее плотные поверхностные воды в высоких широтах создают устойчивость, а это значит, что на глубинах может и не быть малой соленость. Различная соленость на поверхности и на глубине связана также с глубинными течениями. Известно, что на горизонте 75—150 м в экваториальной зоне Тихого и Атлантического океанов поверхностные воды подстилаются слоем очень соленой воды (более 36‰), принесенной с запада глубинными экваториальными противотечениями Кромвелла и Ломоносова, открытыми сравнительно недавно. Следовательно, по современным представлениям, соленость на глубинах открытого океана изменяется по-разному. Однако удалось установить некоторые общие черты. Так, заметные колебания обнаруживаются лишь в верхнем слое — до глубин 1500 м. А ниже, в слое «стратосферы» океана, колебания солености чрезвычайно малы. Часто нижний предел находится значительно выше, например в полярных областях он равен всего 200 м. При всем разнообразии вертикального распределения солености ученым удалось выделить несколько характерных типов.

Колебания солености в открытых частях океанов во времени невелики — годовые не превышают 1‰. В глубине соленость почти постоянна и лежит в пределах точности измерений.

Таким образом, соленость — одна из консервативных характеристик режима всех океанов, и наблюдения ее позволяют распознавать природу различных процессов. В частности, благодаря измерениям солености в Тихом океане сделан вывод о движении вод течения Кромвелла. Подобные же исследования были проведены в 1963 г. при изучении движения средиземноморских вод в Атлантическом океане от Гибралтара до Британских островов. Обнаружилось, что соленые средиземноморские воды создают слой от 800 до 1500 м, простирающийся до юга Англии.

Существенную роль играют также газы и взвешенные вещества, растворенные в морской воде, хотя содержание их незначительно. Это кислород, азот, углекислота, иногда водород. Значение их велико для организмов, населяющих толщу вод. Кислород, захваченный из воздуха поверхностным слоем воды, проникая на глубину, указывает на интенсивную вертикальную циркуляцию. Кислород появляется в морской воде и в результате фотосинтеза морских растений, главным образом фитопланктона. Кислород расходуется на дыхание морских организмов, окисляется и частично возвращается в атмосферу при пересыщении. Известен случай, когда вода Азовского моря была пересыщена кислородом до 350 %. В целом кислород, несколько уменьшаясь с глубиной, распространен в океане довольно равномерно, и лишь в некоторых областях на глубинах 400–500 м его почти нет.

Азот в поверхностных слоях океана состоит в почти полном равновесии с азотом атмосферы. На глубине количество азота определяется образованием и распадом органического вещества.

Сероводород возникает на дне моря в результате распада органического вещества и деятельности некоторых бактерий. Сероводород, заражая глубинные слои воды, делает ее непригодной для существования животных и растений. В частности, этим отличается Черное море, в котором лишь 13 % вод не заражено сероводородом.

В морской воде содержится относительно малое количество углекислоты, но значение ее очень велико и не уступает кислороду. Углекислота необходима для построения органического вещества, с ней связана коррозия металлов и разрушение бетона.

Соленость обязательно учитывается в портостроительных работах. Она определяет также грузовую марку торговых судов, особенно работающих на трассах с резкими переходами морских и пресных вод. Очень важно знать соленость для рыбной и химической промышленности. Воды морей и океанов могут обеспечить сырьем стекольную, фармацевтическую и другие виды промышленности, дать удобрения и неограниченное количество пресной воды.

 

Температура моря

В понятие тепловых свойств воды входят теплоемкость, теплота плавления и кристаллизации, испарения и конденсации. По всем этим свойствам вода сильно отличается от других жидкостей. Поэтому рассмотрим их более подробно.

Под теплоемкостью понимают количество теплоты, которое необходимо для повышения температуры 1 г морской воды на 1 °C. Теплоемкость воды значительно выше, чем у всех других веществ (как жидких, так и твердых), исключение здесь составляют лишь водород и жидкий аммиак. Теплоемкость льда, например, вдвое меньше теплоемкости воды, чугуна — почти в 8 раз, а гранита — в 5 раз. Теплоемкость морской воды очень мало отличается от пресной — следовательно, значение теплоемкости можно считать одинаковым для всего Земного шара.

Воды Земли соприкасаются с воздушным океаном, охватывающим ее. Разница в теплоемкости этих двух океанов огромная, благодаря чему Мировой океан является источником запаса тепла для атмосферы. Если мысленно охладить слой воды толщиной в 200 м всего на полградуса, выделится столько тепла, что воздух над всей Европой до высоты 4 тыс. м нагреется на 10 °C.

Вода, лед и воздух — плохие проводники тепла, так как теплопроводность морской воды чрезвычайно мала. С увеличением температуры и уменьшением солености теплопроводность морской воды возрастает слабо.

Теплота, поглощаемая при плавлении 1 г вещества при условии постоянства температуры, называется теплотой плавления. Теплота плавления чистого льда значительно превышает теплоту плавления всех других веществ на Земле, за исключением аммиака. Теплота плавления морского льда зависит от его солености и при небольших отрицательных температурах заметно убывает с повышением солености льда. Теплота испарения — это количество теплоты, необходимое для поддержания неизменной температуры при испарении (или конденсации) 1 г жидкости. Для тепловых процессов в море и атмосфере очень важно то, что теплота испарения у воды больше, чем у какого-либо другого вещества. Большая часть солнечной энергии тратится на испарение морской воды. В среднем за год поверхность океана испаряет слой воды, равный примерно 1 м. Если принять эту величину (определить ее точно пока невозможно), то получится, что на испарение каждого квадратного сантиметра морской поверхности затрачивается ежегодно около 60 ккал.

Температура кипения морской воды, отличаясь от пресной, немного увеличивается с повышением солености. Большое влияние на температуру оказывает давление толщи воды. На температуру воды в различных районах океанов и морей влияют приход тепла от Солнца, вертикальный и горизонтальный теплообмен. Огромный поток тепла, поступающий от Солнца (30 % его поглощает атмосфера), захватывается совсем тонким поверхностным слоем и глубоко не проникает. Достаточно сказать, что на глубине 1 см тепловой эффект лучистой энергии Солнца убывает почти в 100 раз по сравнению с поверхностью, а на глубине 1 м — в 8350 раз!

Не будь в океане постоянного перемешивания вод, глубинные воды остались бы без тепла. Но существует механическое перемешивание, вызываемое ветровым волнением и течениями — они-то и переносят тепло на глубину 100–200 м. Вертикальное перемещение частиц воды в море (конвекция), возникающее в результате различной плотности слоев, приводит и к нагреванию и к охлаждению воды на глубине в слое до 500 м.

Доля лучистой энергии, проникающая на некоторую глубину, главным образом освещает воду и лишь отчасти нагревает. Ночью и зимой вода охлаждается и отдает воздуху тепло — при охлаждении 1 см3 воды на 1° выделяется огромное количество теплоты, способное на 1 °C повысить температуру 3134 см3 воздуха. К источникам тепла, нагревающим поверхность океанов и морей, можно было бы отнести звезды, Луну и внутреннее тепло твердой коры Земного шара (для придонных слоев). Правда, теплота от звезд и отраженной поверхности Луны хоть и существует, но ничтожно мала.

На изменениях температуры воды сказываются и другие факторы. Это прежде всего сток рек, особенно крупных. Реки умеренного пояса (и в высоких широтах) отепляют приустьевые участки, а горные реки тропиков иногда охлаждают их.

Режим ветров побережий существенно влияет на температуру, понижая или повышая ее на несколько градусов в зависимости от направления ветра. В морях на температуру воздействуют также течения, направленные с юга на север или с севера на юг. Уже упоминалось, что море не только получает, но и отдает, теряет тепло. Главные причины этого — испарение и эффективное излучение. Последнее представляет собой разность между тепловым излучением поверхности моря и встречным длинноволновым излучением атмосферы. Теплообмен между морями, соединяющимися между собой, имеет в ряде случаев также большое значение, равно как и образование и таяние льда в ледовитых морях. Таким образом, возникает проблема учета прихода и расхода тепла, составление теплового баланса моря и расчета всех его составляющих. Именно расчета, потому что определить каждую из них с помощью непосредственных наблюдений пока практически невозможно. Изучение тепловых процессов в океане — исключительно важная задача сегодняшней океанологии. Она дает возможность обнаружить причины многих явлений как в океане, так и атмосфере и поставить вопрос об их предсказании.

За длительное время приход и расход тепла балансируется. Так, за интервал, равный примерно столетию, можно полагать температуру всей поверхности Земного шара неизменной, в том числе и среднюю температуру Мирового океана.

Представим себе Земной шар, покрытый неподвижной водой океана — без всяких течений. Тогда температура воды на его поверхности в точности совпала бы с нагреванием ее солнечными лучами. При таком предположении изотермы (линии равных температур) повторяли бы линии географических параллелей. Так (или почти так) и происходит на самом деле на обширных пространствах южного полушария, начиная от 40° ю. ш. и до самой Антарктиды. Здесь нет больших участков суши и материков (кроме южной оконечности Америки), а течения незначительно искажают плавный ход изотерм.

Но в других районах океана влияние материков, ветров и течений резко меняет картину. Это легко заметить по картам среднегодовых изотерм. В восточных частях океанов в тропической зоне они сходятся в направлении к экватору, а в западных расходятся от него, что особенно отчетливо прослеживается в Атлантическом океане. Это объясняется экваториальными поверхностными течениями, встречающими на своем пути материки Америки, Азии и Африки. Здесь течения расходятся к северу и югу, теплые воды уходят в умеренные широты, а в западных частях океанов удаляются от экватора. В то же время в восточных частях океанов по обе стороны экватора (от 30° с. ш. до 30° ю. ш.) течения приносят более холодные воды из умеренных широт.

Иное распределение поверхностных температур в северных районах Атлантического океана (от 35° с. ш.). Здесь, в восточных частях океанов, изотермы расходятся веерообразно, в Атлантическом океане они даже приближаются к направлению меридианов или составляют с ними угол в 45°. Эта особенность связана с мощным потоком Гольфстрима и Куросио. В западных частях океанов вблизи 40° с. ш. у побережий материков изотермы сближаются и, значит, температура резко меняется — на протяжении 5° по широте разница в температурах составляет 10° (от 20 до 10°) в Атлантическом и 12 °C (от 18 до 6°) у побережья Японии.

Наибольшие температуры воды наблюдаются не на экваторе, а несколько севернее. Полоса этих температур, незначительно изменяющая свое положение в различные сезоны, носит название термического экватора. Редко и лишь в отдельных местах термический экватор «заходит» в южное полушарие.

Каковы же наблюдаемые, не осредненные значения температуры воды на поверхности океанов в области термического экватора? Они превышают 28–29 °C. По данным наблюдений, средняя температура во всех океанах равна 17,4° (в Тихом 19,1°, в Индийском 17,0°, в Атлантическом 16,9°). Самая высокая температура в Персидском заливе — 35,6°. Воды океанов в северном полушарии гораздо теплее, чем на таких же широтах в южном. Это объясняется тем, что холодные воды из Антарктиды свободно проникают во все океаны. А влияние холодных вод и льдов Северного Ледовитого океана сдерживают, с одной стороны, узкий Берингов пролив, а с другой — тепло Гольфстрима.

На поверхности океанов в целом преобладает теплая вода — обширные их области (в среднем около 53 % поверхности) заняты водой с температурой выше 20°, и лишь 13 % поверхности имеет температуру ниже 4 °C.

Сравнивая среднюю годовую температуру воды на поверхности Мирового океана со средней годовой температурой нижних слоев атмосферы Земного шара, равной 14,4°, получаем, что в среднем (за год) океан теплее воздуха на 3 °C.

Мы уже говорили о том, как проникает тепло с поверхности океана на глубину. Распределение температуры воды в вертикальном направлении различно в океанах и морях и, в особенности, по широтам, а также в западных и восточных частях океанов. В то же время на гигантских пространствах океанов в пределах 45° с. и ю. ш. есть много общего в распределении температур с глубиной. Здесь в открытой части океана температура равномерно понижается от поверхности и почти до дна (у дна может быть повышение за счёт тепла, идущего снизу). Вначале температура падает очень быстро до глубины 300–500 м, потом все медленнее до 1,2–1,5 тыс. м, а глубже понижение очень медленное или его нет совсем. На глубине более 3 тыс. м температура воды лежит в пределах от 2 до 0 °C. Это значит, что температура воды на больших глубинах всегда ниже самой низкой температуры на поверхности в тех же местах. Замечено, что в некоторых глубоководных впадинах с 3,5–4 тыс. м и до дна (например, в Филиппинской) температура воды немного повышается.

В умеренных зонах температура воды с глубиной не претерпевает такого сильного изменения, так как летом поверхностные воды здесь прогреваются меньше. Приполярные воды сначала (до глубины 50—100 м) охлаждаются, глубже немного теплеют (это создает теплые и соленые воды умеренных широт); максимум приходится примерно на 250–500 м и далее следует постепенное понижение до дна.

В районе Антарктиды сильно охлажденные воды постоянно опускаются на глубину, питая придонные слои Атлантического, Индийского и Тихого океанов.

Моря, которые свободно соединяются с океаном, имеют распределение температур по вертикали, сходное со смежным районом океана. Это общее совпадение, правда, может быть нарушено стоком больших рек, течениями и, главным образом, льдами. В морях, отделенных от океана глубокими порогами или вовсе изолированных от него, изменение температур с глубиной сложное, со своими особенностями, обусловленными местными физико-географическими условиями. Говоря о распределении температуры воды по вертикали, мы уже указывали, что убывание часто идет не непрерывно — понижение в некотором слое сменяется повышением, а затем температура вновь начинает падать. Это довольно распространенное явление тщательно изучено.

Слой холодной воды, лежащий между верхним и нижним слоями более теплой воды, называется холодным промежуточным слоем, а глубинный слой с повышенной температурой — теплым промежуточным слоем. В умеренных широтах и приполярных районах эти слои появляются в результате зимнего охлаждения и особенно заметны весной и ранним летом, когда вода не успела прогреться, а холодные зимние воды опустились на глубину.

Холодный промежуточный слой может исчезнуть или сохраниться до следующей зимы, в зависимости от того, каким было охлаждение. Каких величин достигает охлаждение в этом слое? В северной части Черного моря вдали от берегов — 6–8°, в Охотском море — 1,6–1,8 °C, что соответствует температуре замерзания морской воды.

Холодный и теплый промежуточный слои могут возникнуть и по другой причине — благодаря приносу вод (в горизонтальном направлении) из других районов с иными температурами и соленостью. Характерный пример — поступление теплых атлантических вод в Северный Ледовитый океан.

Слой воды с большими изменениями температуры по вертикали (градиентами) в океанологии называют слоем скачка. Условно принято считать слоем скачка в океане градиент, равный 0,1° на 1 м. В действительности наблюдаются и значительно большие градиенты. Так, к востоку от Японии с помощью батискафа были обнаружены слои с температурами, отличающимися друг от друга на несколько градусов. Они непосредственно соприкасались между собой без промежуточного слоя скачка. Это явление замечает и каждый купающийся в море — теплая вода поверхности немного глубже подстилается очень холодной.

В зависимости от времени (сезона, суток) температура воды в океанах также сильно изменяется, в особенности в верхних слоях, которые по аналогии с атмосферой принято называть тропосферой, и меньше в нижних слоях — стратосфере. Колебания температуры зависят от соответствующих изменений количества тепла, поступающего из атмосферы и притока вод другой температуры со стороны или снизу. Основной источник прихода тепла — это Солнце, поэтому в колебаниях температур наблюдается суточный и годовой ход. Суточный и годовой ход имеют обычно форму, близкую к синусоиде; это особенно заметно при осреднении данных. Но за конкретные сутки или годы под влиянием дополнительных причин температуры могут отличаться от главного синусоидального хода. Наибольшей величины температура достигает через 2,5–3 часа после полудня и наименьшей — перед восходом Солнца. Разница между максимальной и минимальной температурами в пределах суток на поверхности в среднем очень мала — 0,5 °C, хотя иногда может достигать и нескольких градусов. Размах колебаний температуры в открытом океане зависит от времени года, географической широты, облачности, ветра.

Сезонные изменения температуры (годовой ход) обусловлены главным образом соотношением составляющих теплового баланса, так как зимой море теряет тепло, а летом аккумулирует. Самые высокие температуры на поверхности океанов в северном полушарии приходятся на сентябрь или вторую половину августа, а в южном — на февраль-март. Это — так называемое гидрологическое лето. Самые низкие температуры в северном полушарии наблюдаются в феврале-марте и в южном — в августе-сентябре. Изменения температур в течение года гораздо большие, чем за сутки, — наименьшие они в приэкваториальной зоне, наибольшие — в районах около 40° с. ш. и 30° ю. ш. Самые большие годовые колебания, объясняющиеся влиянием теплых и холодных течений, замечены у берегов Северной Америки и к востоку от Японии.

Колебания температуры воды на ее поверхности быстро угасают — они незаметны уже на глубинах более 25–30 м, и лишь если существует мощный однородный слой, их можно заметить глубже. Максимум в последнем случае запаздывает по сравнению с поверхностным на несколько часов.

Годовые колебания распространяются гораздо глубже, достигая 400–500 м, и также уменьшаются. От года к году изменения температуры колеблются — меньше всего в тропиках (до 1 °C), увеличиваясь к северу и югу от них и вновь уменьшаясь в высоких широтах, особенно в ледовитых районах.

Океан оказывает очень большое влияние на климат материков. В холодное время года в Европу тепло приносят юго-западные ветры. Многие исследования были посвящены влиянию Гольфстрима на климат Европы. Когда тепло Гольфстрима (и его продолжения — Северо-Атлантического течения) концентрируется в его середине, зима в Европе холодная. Но если Гольфстрим теплее в северной части, в Европе теплая зима, а в Гренландии — холодная. К этому выводу пришел шведский ученый В. Сандстрем. Он предположил, что влияние тепла Гольфстрима не непосредственное, а через атмосферу — над теплой водной поверхностью увеличивается барическая депрессия и, в зависимости от того, севернее или южнее это происходит, возникают холодные или теплые ветры. Теория Сандстрема не общепризнанна, хотя и верна в принципе. Дело в том, что остаются неясными еще многие явления. В частности, по Сандстрему, потепление вод Гольфстрима должно сменяться похолоданием, затем следует новая волна потепления; промежуток времени добегания гребня или подошвы волны «потепление — похолодание» от Флоридского пролива до северо-западных берегов Норвегии составляет 3–4 года. Но в действительности оказалось, что это не так.

С 20-х годов нашего столетия в Арктике было длительное потепление. Заметно повысилась температура воздуха и воды, отступила к северу кромка льда, интенсивно таяли ледники; в воды Шпицбергена пришли косяки рыб, обычно встречающиеся в Норвежском море. Замечательное явление потепления Арктики, продолжавшееся примерно полтора десятилетия, по-видимому, объясняется общим усилением атмосферной циркуляции на всем Земном шаре — в областях высокого давления оно стало еще выше, а в областях низкого — еще ниже. Это, в частности, усилило юго-западные ветры в Норвежском море и, соответственно, большим стал приток теплых вод в Арктику. На климат Дальнего Востока оказывает влияние теплое течение Куросио. Во многом схожее с Гольфстримом, оно, однако, не переносит на север такого же огромного количества тепла. Во всяком случае, его влияние на климат Канады во много раз меньше, чем Гольфстрима на климат Северной Европы.

Взаимодействие океанов и материков отчетливо проявляется в действии ветров — муссонов и бризов. Муссоны — это устойчивые воздушные течения, дующие летом с более нагретого моря на сушу, а зимой — с более холодного материка в сторону моря.

Бризы меняют свое направление 2 раза в сутки: днем дуют с моря, ночью — с суши. Муссоны и бризы — явления, подобные друг другу, но различные по масштабу. В свою очередь, и материки оказывают влияние на океан, как правило, через атмосферу, что видно на примере образования муссонов и бризов. В частности, дальневосточный муссон определяет суровость зим в морях нашего Дальнего Востока: Японского, Берингова и Охотского.

При исследовании термического режима океанов и морей важно изучить пространственное распределение температуры (по вертикали и горизонтали) на обширных пространствах и ее изменения (на полигонах), слой скачка, фронты, вертикальные движения вод. С этой целью организуется густая сеть буйковых станций, используются искусственные спутники Земли.

К практическому освоению тепловой энергии океанов и морей относится также возможность получения электроэнергии. Эти работы были начаты во Франции в 1928 г. Принцип их состоял в использовании значительной разности температур воды тропических морей, где на поверхности температуры равны 25–30°, а на глубине 250–300 м — лишь около 5 °C. Таким образом, на поверхности находится естественный нагреватель, а на глубине — холодильник. Эти слои соединяются трубкой; рабочее вещество, преобразующее энергию, — морская вода, кипящая в вакууме при температуре 25 °C. Правда, коэффициент полезного действия такой электростанции мал. Однако построенный в Абиджане завод стабильно давал энергию, так как разность температур здесь устойчива. К тому же, одновременно выделялась пресная вода, выпаривались ценные соли. Проект по своей идее и осуществлению в целом признан перспективным. Он может быть также перенесен совсем в иные условия, а именно — в северные моря. Только здесь нагревателем будет служить вода подо льдом (с температурами около 0 °C), а холодильником — внешний, очень холодный воздух. Быть может, проблема борьбы со льдами будет решена с помощью тепла глубинных вод, лежащих под ними. Но это дело будущего, равно как и проблема использования термической энергии океанических течений для улучшения климата.

Без знания температурного режима океана невозможны как метеорологические долгосрочные прогнозы, так и морские.

 

Морские льды

К особенностям теплового режима океанов относится удивительное явление образование, развитие и исчезновение льда. Пресная и морская вода замерзают при разных условиях: пресная — при 0 °C, наибольшей плотности достигает при 4° (дистиллированная при 3,8 °C). Температура замерзания морской воды всегда ниже 0 °C, и чем больше соленость, тем температура замерзания ниже. Так, при средней для океана солености 35‰ замерзание происходит при —1,9, а при солености 40‰ — при —2,2 °C. Например, вода Финского залива начинает замерзать при —0,3…—0,5° (соленость ее 15–10‰). В Черном море, где соленость 15–20‰, для появления льда нужно охлаждение в пределах (—0,8…—1,1°), а в полярных странах — еще большее.

Для образования льда необходима сильная потеря тепла водой, некоторое переохлаждение и присутствие в воде ядер кристаллизации. К последним относятся мельчайшие частицы пыли, снежинки и т. д. Вокруг этих ядер образуются мельчайшие диски льда. Срастаясь между собой, они превращаются в иглы — это кристаллики чистого льда, растущие преимущественно в горизонтальном направлении. На спокойной воде иглы могут достигать 10 см, на взволнованной — от 0,5 до 2 см. Ледяные иглы скапливаются, смерзаются — появляется «сало». Это название дано не случайно — пятна и налет серовато-свинцового, темного цвета, действительно, напоминают сало.

Когда на холодную морскую поверхность выпадает снег (а осенью это — обычное явление), он не тает, так как температура ниже 0 °C, пропитывается водой, уплотняется и также превращается в вязкую массу льда — снежуру. Сало и снежуру ветер и течения сбивают в полосы или пятна рыхлого, пропитанного водой льда — шугу. Если вода энергично перемешивается волнением и течениями, кристаллы появляются не только на ее поверхности, но и в толще, а иногда и на дне — это внутриводный глубинный и донный лед. Он губчатого строения, между кристаллами самой разнообразной формы вкраплены пузырьки воздуха, вода, рассол. Лед, образовавшийся на дне (обычно скалистом), может достигать полуметровой толщины. Всплывая на поверхность, такие глыбы поднимают со дна камни, затонувшие якоря. Вышедший на поверхность внутриводный лед непрозрачен и непрочен. Когда море спокойно, сало превращается в сплошной тонкий эластичный слой — нилас. На пресной воде он выглядит прозрачной, блестящей, хрупкой коркой, разбивающейся со звоном и потому называемой «склянка».

Блинчатый лед появляется при слабом волнении одновременно в разных точках, образуя небольшие округлые диски («блины») диаметром 30–50 см и более. Края таких льдин из-за трения друг о друга обрамлены валиком из разрушенных кристаллов. По образному выражению Н. Н. Зубова, соли постепенно вытекают из льда, как слезы. Но молодой лед еще соленый, часто на его поверхности остаются кристаллы соли. Те соли, которые не успевают вытечь, сохраняются между кристаллами льда в виде ячеек концентрированного рассола. При температуре ниже —55 °C рассол замерзает, выпадает хлористый кальций, образуя смесь кристаллов льда и соли. Однако кристаллизация солей начинается и при небольшом понижении температуры: ниже —8° из рассола ячеек выпадает сульфат натрия, ниже —23 °C — хлориды. Довольно часто ледообразование начинается при положительных температурах воздуха. В этих случаях поверхностный слой очень тонок и резко отличается от нижележащих по плотности.

По мере того как зима все больше входит в свои права, первичные льды нарастают, наслаиваются, смерзаются и постепенно образуется сплошной, довольно ровный морской лед серого цвета. Теперь вода гораздо меньше теряет тепла. Лед нарастает снизу медленно, он более прозрачен, имеет почти правильную кристаллическую структуру. Так происходит в защищенных бухтах, полосе неподвижного льда у берега. Но в открытом море лед постоянно взламывается, нагромождается, переслаивается.

Давно замечено, что характер нарастания льда зависит от суровости зимы. Получен ряд уравнений, связывающих толщину льда с суммой градусо-дней мороза, т. е. суммой отрицательных среднесуточных температур. Теоретические исследования и анализ материалов наблюдений дали в общем сходное соотношение — число градусо-дней мороза приблизительно пропорционально квадрату толщины льда.

Льды в море различают по происхождению, форме, размеру, возрасту и подвижности. По происхождению льды бывают морские (образовавшиеся непосредственно из морской воды), речные (принесенные реками — пресные, загрязненные) и материковые, сползающие с суши, — айсберги. Если в водах Северного Ледовитого океана можно встретить все эти льды, то у берегов Антарктиды речного льда нет совсем и значительно больше материкового.

По возрасту льды различают: начальные, молодые и с устойчивым снежным покровом (в неарктических морях этот лед летом весь тает). Но в Арктике лед может и перезимовать и вновь начать приобретать мощность — это двухлетний лед, достигающий к концу второй зимы 2 м толщины. Однако здесь есть еще более старые, сильно опресненные сглаженные льды, толщина которых выше 2,5 м, — арктический пак.

В зависимости от динамичности льды делятся на плавучие и неподвижные. Неподвижный лед покрывает сплошным слоем поверхность моря, он всегда связан с берегом, как бы припаян к нему. Вначале вдоль суши, в закрытых бухтах, заливах, проливах, образуется сравнительно узкая полоса заберегов, которая все растет в ширину и толщину, образуя припай, наиболее мощный к концу зимы. Как правило, он живет одну зиму, но известны места, где он существует десятилетия. Это — берега Гренландии, где припай порой не взламывается более 20 лет, держа в плену айсберги. Многолетний припай, толщиной более 3 м, иногда доходит до самого грунта, постоянно наблюдается у берегов Антарктиды. В морях умеренных широт его толщина составляет 1,5 м, а в южных морях нашей страны — 50—100 см. Припай развивается особенно сильно в мелководных районах с сильно изрезанными берегами, многими островами, мелями, защищенными от волн, распресненными реками. Характерный пример таких условий — море Лаптевых, где припай простирается на расстояние 500 км.

Плавучий лед — самый распространенный в Мировом океане. Он не связан с берегом и движется (дрейфует) по воле ветров и течений. К плавучим льдам относятся все известные нам формы — от сала и снежуры до огромных ледяных полей. Они образуются самостоятельно и в результате разлома припая. По размерам (причем горизонтальные значительно превышают вертикальные) различают мелкобитый лед — от 2 до 20 м в поперечнике и крупнобитый — от 20 до 100 м. Самые большие ледяные поля достигают 10 км. Сталкиваясь или сжимаясь друг с другом, льды образуют нагромождения из обломков — торосы. Торосы очень прочны, и даже весенний прогрев долго не может растопить их.

Мощные поля глетчерного льда имеют протяженность в несколько десятков километров и толщину в несколько десятков метров. Эти льды встречаются в морях Арктики как обломки шельфового льда острова Элсмира на севере Канады. Они возвышаются над уровнем моря до 12 м и достигают размеров 30 X 35 км. Ледяные горы — айсберги — Арктики и Антарктики очень медленно сползают в море. Отламываясь, они начинают новую жизнь уже в виде морских льдов. Ледниковые языки Антарктиды тянутся на десятки, даже сотни километров. Характерна и другая особенность айсбергов, связанная с их происхождением, — они пресные. Размеры айсбергов различны. В Антарктиде преобладают небольшие, менее 1,5 км, но моряки не раз встречали в этих водах гигантские ледяные горы. В 1953 г. путь китобойной матке «Белене» преградил айсберг длиной 145 км. Попадаются и более крупные.

Главный поставщик материкового льда (90 %) в Арктике — Гренландия. Из 2,1 млн. км2 ее поверхности 1,9 млн. км2 покрыто глетчерным льдом. Его можно обнаружить и на многих островах Северного Ледовитого океана. Так, например, Земля Франца-Иосифа покрыта льдом на 97 %. Самые крупные айсберги наблюдаются у берегов Западной Гренландии, но в целом в Арктике они гораздо меньше, чем в Антарктике. Самый большой айсберг, который видели у Баффиновой Земли, был длиной 13 км, шириной — около 7 км и возвышался над водой до 22 м. Естественно, что айсберги и меньше живут — очень редко более двух лет, в то время как жизнь антарктических льдов продолжается 10 лет, а иногда и более.

Для удобства наблюдений над льдами в разных странах Всемирная метеорологическая организация (ВМО) приняла единую международную ледовую номенклатуру. Советские океанографы активно участвовали в ее разработке. Таким образом, моряки могут пользоваться и обмениваться информацией, понятной всем.

Таяние льдов начинается активно и бурно с приходом весны. Но и при любом повышении температуры льда он начинает таять — растапливается чистый лед, возобновляется движение рассола вниз по трещинкам, лед становится более пористым. Он ослабляется также испарением. Чем меньше лед по размеру, тем активнее процесс его ослабления и разрушения. Снег, покрывающий лед, влияет на таяние различно. Чистый, белый, он почти полностью отражает лучистую энергию Солнца и, следовательно, мешает процессу таяния. Быстрее тает лед под немного загрязненным снегом. Но слишком загрязненный снег имеет малую теплопроводность и, опять-таки, задерживает таяние. Во льду и снегу постепенно накапливается тепло под ледяной коркой, которая образуется из воды при временных похолоданиях. Этот процесс похож на сохранение тепла в теплицах под стеклом. Постепенно образуются снежницы — озерки талой воды на льду. Они настолько пресные, что моряки используют эту воду для питья.

Дружное таяние льда начинается после того, как температура воздуха преодолеет нулевой барьер и льды станут бурно поглощать тепло. Могучие льды ослабевают, механические разрушения все более понижают их прочность. Волны, особенно при ветре, дующем с моря, образуют прибой у кромки сгрудившихся у берега льдов, смачивают, разламывают, мельчат и, наконец, уничтожают лед. Зная сущность процесса разрушения льда, в некоторых случаях можно его ускорить. В частности, это очень важно для облегчения условий ледового плавания, продления навигации, освобождения судов, попавших в непроходимые льды, для охраны ледовых сооружений. Здесь есть два пути. Один — широко известный и распространенный — использование ледоколов и взрывов. Другой — покрытие поверхности льда тонким темным слоем шлака, каменноугольной пыли, черного песка и смесями из них за несколько недель до обычного времени таяния. Опыленный лед за сутки стаивает на 8 см, а чистый — на 4 см.

Распределение льдов в Мировом океане, мощность и продолжительность их существования в том или ином районе зависит от баланса тепла, режима ветров зимой, отчасти и накопления тепла водой в летнюю пору. Существуют моря, в которых льды можно встретить всегда, в некоторых большая часть их летом тает (например, в Баренцевом и Карском), а в иных они бывают и зимой, и летом — в Северном Ледовитом океане, в большинстве морей Антарктики. Есть моря, где льды бывают только зимой, — Японское, Охотское, Балтийское, Белое, Азовское, Каспийское. И наконец, в отдельных морях льды встречаются эпизодически, не каждую зиму, иногда же появляются и исчезают (например, в Северном).

Сколько льда на нашей планете? Подсчитать это довольно сложно как из-за отсутствия достаточно полной информации, так и из-за постоянной изменчивости его количества. В северном полушарии максимальное развитие покрова наблюдается в апреле и минимальное в сентябре. В южном полушарии картина обратная. Удалось подсчитать, что площадь морских льдов в северном полушарии изменяется от 8,4 млн. до 150 млн. км2, а объем— от 11,5 тыс. до 25,5 тыс. км3 (с учетом льдов Черного, Азовского, Каспийского и Аральского морей). В южном полушарии площадь льдов колеблется в пределах 12,0—25,5 млн. км2, объем 7—30 тыс. км3.

В изучении ледяного покрова очень большое значение имеет его движение, динамика. Для этой цели используются все возможные в настоящее время средства наблюдений: береговые станции, авиаразведка, подводные лодки, дрейфующие станции на льду, специальные экспедиции, искусственные спутники Земли. Эти наблюдения особенно важны в Арктике и Антарктике. Искусственные спутники дают возможность охватить сразу огромные пространства и увидеть их изменения во времени. Знание состояния льдов очень важно для практики — для судовождения, его безопасности и экономичности.

 

Волнение

Волны в море — это колебательные движения жидкости в некотором слое. И хотя широко распространены такие выражения, как «волна бежит», «быстрый, как волна» или «волна принесла», они неточны. Частицы воды при этом процессе совершают периодические колебания около положения своего равновесия и никуда не бегут. Условно их можно уподобить волнам ржи, над которой проносится ветер, — на поверхности такого поля колосья приходят в движение. А движение в ту или иную сторону на поверхности моря создает течение, если волнение было вызвано ветром. Ветер и есть одна из главных причин, порождающих короткие морские волны. Приливы вызывают длинные волны. Изменение атмосферного давления приводит к образованию так называемых стоячих волн — сейш. Особо длинные волны — цунами — возникают при подводных землетрясениях. Все волны образуются от природных причин, заложенных в космосе, атмосфере или ложе океана. Но и движение корабля вызывает волну на поверхности моря, которая так и называется — корабельной. Самыми распространенными являются морские ветровые волны. Даже после того, как ветер над морем утих, еще долго сохраняется зыбь.

Первым пытался объяснить причины волнения Леонардо да Винчи. Этим вопросом занимались также И. Ньютон, П. Лаплас и др. Постепенно развивалась теория морского волнения, накапливались, анализировались и обобщались материалы наблюдений во всех океанах и морях планеты. В настоящее время существует ряд классификаций морских волн по ряду признаков: силам, действию, изменчивости, отношению к глубине моря.

Известно, из каких элементов слагается волна. Это — гребень волны, или наивысшая точка волнового профиля, и подошва, т. е. ложбина, — наинизшая точка. Линия, проходящая вдоль гребня волны, перпендикулярная направлению перемещения волн, называется фронтом волны. Высота волны — это расстояние по вертикали от гребня до ближайшей подошвы. Расстояние по горизонтали между двумя гребнями или двумя подошвами соседних волн — длина волны. Время, в течение которого форма волны пробегает расстояние, равное ее длине, представляет собой период волны. За один период частица волны описывает свою орбиту. И наконец, расстояние, которое форма волны проходит в единицу времени, называется скоростью волны.

Итак, четыре элемента составляют характерные особенности волны: высота, длина, период и скорость. Три из них связаны между собой определенными зависимостями, из которых можно знать лишь два, а третий вычислить, и только высоту необходимо понаблюдать непосредственно в море или океане.

Из элементов морского волнения наиболее непостоянна высота волны — быстро возрастая, она быстро и уменьшается. Сильно изменяется и длина волны, особенно в начале волнения, когда волны наиболее крутые. С усилением шторма длила все более возрастает, но, достигнув известного предела, она еще долго остается прежней, даже когда ветер уже утих. Самый постоянный элемент морского волнения — скорость: она и мало меняется, и долго сохраняется. Период волны зависит от длины и скорости.

Всем, кто бывал в море или на его побережье, случалось наблюдать, как зарождаются, а потом развиваются ветровые волны. Поверхность моря гладкая, зеркальная, ветра нет. Но стоит ему подуть, начинают появляться мельчайшие первичные волны, называемые еще и капиллярными. На вид это — мелкая рябь. Она вызывается тем, что над спокойной поверхностью моря возникают не-большие воздушные вихри. Таким образом, давление над морем пульсирует, и там, где частицы воздуха опускаются, на воде можно заметить впадинки, а в точках восходящих воздушных частиц — возвышения. Рябь равномерна, она образует параллельные дуги, но складки ее невысоки — всего несколько миллиметров. Ветер все усиливается, волны тоже увеличиваются, растет их высота, длина и крутизна. Это происходит не сразу, должно пройти некоторое время, пока поверхность морской воды прореагирует на действие ветра. При этом, оказывается, имеет значение не только сила ветра, но и его продолжительность, и то расстояние, на котором наблюдается ветер, — как говорят, разгон ветра. Отношение скорости волн к скорости ветра называется возрастом волн.

Энергия ветра расходуется в двух направлениях: на увеличение длины и высоты волн и на преодоление трения. Длина волн растет быстрее, чем высота, поэтому крутизна становится меньше. Ветер всегда дует порывами и более или менее изменяет свое направление. Вот почему и волны образуются различные — рядом с большими более мелкие, они обладают различной скоростью, накладываются друг на друга, создают группы волн. И вот ветер начинает стихать, а за ним постепенно спадают и волны, сначала мелкие и значительно медленнее длинные. Как установлено наблюдениями, зыбь и мертвая зыбь (волнение при полном безветрии) заметна на поверхности океанов за сотни и тысячи километров от того места, где она появилась.

Современная наука о волнах имеет два теоретических направления — нахождение физических законов волновых процессов и разработка статистических основ этого явления. Основоположником теоретического направления был академик В. В. Шулейкин. Значительную роль сыграли его многочисленные опыты в специальном штормовом бассейне, построенном в Крыму. Как уже говорилось, ветровые волны на поверхности океанов и морей очень разнообразны. Поэтому статистические методы учитывают вероятность волн различных размеров, для чего строятся кривые повторяемости и обеспеченности тех или иных элементов волн (высот, периодов). На практике обычно используются эмпирические формулы, в которые входят сила, ветра, продолжительность и разгон. Такие формулы существуют уже около 100 лет, впервые их предложил Берген в 1890 г. По мере накопления новых материалов наблюдений эти формулы уточнялись, детализировались, получали физическую интерпретацию.

Когда волны приближаются к берегу, особенно по мелководью, они изменяются, деформируются: гребни делаются крутыми, а подошвы — пологими. Трение воды о дно становится все ощутимее: частицы, находящиеся у подошвы, движутся медленнее, чем на гребне, который начинает опрокидываться, разрушаться. У берега при этом возникает прибой. У глубокого берега, особенно когда его достигает океанская волна, образуется взброс. Когда волна опрокидывается не у самого берега, а над отмелями или рифами, возникает бурун, грохочущий как пушечный выстрел. Во всех морях нашей страны бывают буруны, особенно большие в Черном море и у берегов дальневосточных морей. Заметив и услышав шум буруна, мореплаватель знает, даже не глядя на карту, что там находятся рифы или подводные мели — и, значит, это место нужно обойти.

Можно ли ответить однозначно на вопрос, приносят волны вред или пользу берегам? Нет. С одной стороны, они их разрушают, с другой — участвуют в формировании новых, распределяя продукты разрушений и перенося их на новые места. Волны размывают породы, мельчат их, окатывают в гальку, песок, ил. Породы послабее разрушаются довольно быстро. Известно, что в Англии был утес, который размывало со скоростью 5—15 м в год, а другой утес, высотой 25 м, на котором жили люди, ныне погрузился в море на глубину 7 м. Взбросы могут достигать высоты 60 м. Те, кто бывал на Черном море вблизи Симеиза, видели разбитую на три куска скалу, называемую «Монахом». Еще в первых числах января 1931 г. эта скала была единым монолитом, пока гигантский шторм 19 января того же года не разбил его на части. В Шотландии дважды строился мол (первый — весом 1950 т, второй — почти вдвое тяжелее), и волны опрокидывали его в гавань. Такого рода примеров можно привести немало, и каждый из них содержит историю стихийного бедствия, часто трагедию. Во внутренних морях таких крупных разрушений не происходит, но и они могут быть достаточно серьезными. К ним относятся, в частности, постоянные разрушения волнами берега Черного моря.

Когда судно, идущее в море, попадает в район сильного волнения, оно испытывает качку, зависящую и от величины самого судна и от размеров волн. При определенном (предельном) наклоне корабля он может перевернуться. Эту катастрофу можно предупредить, изменив скорость и направление судна. С древних времен для уменьшения волнения используется масло — растекаясь по поверхности топким слоем, оно вследствие своей большой вязкости не дает ветру срывать гребни волн. Этот, в сущности, довольно простой способ спасает от несчастных случаев, когда волны, заливая палубу, смывают в море людей, грузы, спасательные шлюпки, ломают надстройки. Всего 3 кг масла (например, рыбьего или тюленьего жира) сглаживают гребни больших волн — точнее, превращают их в волны, подобные зыби. Такое же действие оказывают скопления водорослей и льдов (даже лишь кристаллы льда), дождь.

Тысячи наблюдений над волнением, производящиеся уже более 100 лет, позволили сделать некоторые общие заключения. Самые большие волны в открытом океане встречаются в южном полушарии, там, где Мировой океан охватывает Землю сплошным кольцом. Это объясняется и отсутствием суши, и характером ветров. В этих районах волны достигают 400 м длины, 12–13 м высоты, скорость распространения — до 22 м/с. Исключительно крупные, штормовые волны сравнительно редки. Обычно же штормовые волны, развивающиеся в южных широтах при северо-западных ветрах, имеют длину до 150 м и высоту 7–8 м.

Зыбь, так же как и ветровые волны, весьма различна по размерам. За двое-трое суток она может пересечь океан, сохраняя большую длину и период волн. Громадная зыбь зарождается преимущественно в 40°—50° с. и ю. ш., где зимой и ранней весной проходят штормовые циклоны, создающие, сильное волнение. Расходясь от этих широт, зыбь обычно достигает штилевой экваториальной зоны. В Атлантике такое явление наблюдается часто — зыбь приходит или из области штормовых циклонов Гольфстрима, или от штормов южных широт. Иногда она пересекает экватор. Часто вдоль океанического побережья Европы наблюдается пришедшая издалека зыбь с очень большими периодами.

Во внутренних морях ветровое волнение, естественно, не достигает таких размеров, как в открытом океане, что связано с их глубиной и площадью. В Средиземном море высота волн порядка 5–5,5 м, в Балтийском — до 5 м.

Воздействуя на берега, волны способны нанести ущерб народному хозяйству, разрушить различные постройки: маяки, здания, стенки набережных. В открытом море волнение часто небезопасно для судов — понижает управляемость и скорость. Для того чтобы точно и экономно рассчитать крепость, плавучесть, устойчивость судов различного класса, плавающих в разных районах Мирового океана, нужно знать элементы волн.

Советскими океанологами разработана и широко применяется система обслуживания судов, находящихся в открытом океане, рекомендованными курсами. Сущность этой работы состоит в том, что на основе учета реально сложившейся обстановки и ее прогноза судам сообщаются наиболее выгодные, оптимальные курсы их движения. Можно подумать, что кратчайший путь и есть самый выгодный. Однако в действительности это не всегда так. В океане часто приходится отклоняться от наикратчайшего пути и прокладывать курс в обход больших встречных волн, которые сильно снижают скорость. Таким образом, несмотря на удлинение пути, скорость выигрывается, в порт назначения суда приходят раньше. Четко налаженная служба обеспечения судов рекомендованными курсами, применение современных средств расчетов и связи дают положительные результаты.

При проектировании и строительстве морских портов исключительно важно знать основные характеристики ветрового волнения данного района — средние и, особенно, экстремальные, потенциально несущие в себе возможность будущих катастроф. Подход ко многим портам морских судов идет по искусственным морским каналам, которые постоянно нуждаются в очистке.

В перспективе — применение энергии волнения. Сущность ее основана на движении поплавка на волне: это колебание приводит в движение насосы, которые в свою очередь поднимают воду вверх, а падая, вода заставляет работать турбину. Есть и другой способ: ударяя в лопасти турбины, волны заставят их производить работу.

Огромная и бесполезная пока (а часто вредная) сила прибоя может быть направлена в специальные русла. Вода при этом будет подниматься прибоем и также использоваться для работы турбин. Разумно, со знанием характера волнения, выбранное для этого место и правильный расчет сооружений принесли бы большую пользу. Это — задачи будущего.

 

Уровень

Уровенной поверхностью океанов называется поверхность, перпендикулярная направлению равнодействующей сил, влияющих на положение водной частицы в данном месте, — сил тяжести и центробежной. Такая поверхность может образоваться, если составляющие ее частицы достаточно подвижны. Этим условиям удовлетворяет свободная поверхность воды. Вследствие неодинакового распределения плотности земной коры свободная поверхность океанов несколько отличается от правильной математической формы эллипсоида вращения и имеет форму, которую в геодезии принято называть геоидом. Различие этих двух форм по сравнению с радиусом Земного шара очень невелико.

Помимо основных указанных сил, на уровень океанов и морей влияют и другие причины: ветры, атмосферное давление, течения, приливы, соленость и температура морской воды, осадки, сток рек. На общую форму геоида они не влияют, но в жизни людей и их деятельности имеют весьма существенное значение.

Довольно долго считалось, что средние уровни различных морей находятся на одинаковой высоте. Так полагали еще в середине прошлого столетия, когда начали производить точные нивелировки местности для измерения высот — средние уровни моря были взяты в качестве нулей высот. Но исследования, произведенные позднее, показали, что так делать нельзя. Тогда за нулевые высоты были приняты уровенные поверхности, проходящие через условные нули высот. В различных районах морей и океанов преобладают те или иные макропроцессы. Поэтому средний уровень океана в различных пунктах не совпадает в точности с поверхностью геоида. В морях без приливов, например Каспийском, при отсутствии нивелирной сети в каком-нибудь районе, средний уровень можно принять за нуль высот.

Отчего же колеблется уровень океана и моря? Основных причин три: гидрометеорологические процессы, которые обусловливают вертикальные и горизонтальные перемещения воды; действие космических приливообразующих сил Луны, Солнца и звезд; влияние геодинамических сил, возникающих при тектонических процессах в земной коре.

Рассмотрим более подробно первую группу сил, связанную непосредственно с влиянием атмосферы на поверхность океана. Уровень изменяется с изменением атмосферного давления над данным районом. Это статическая реакция водной массы: давление больше — уровень ниже, и наоборот. Величина статического давления теоретически основана на том, что плотность ртути в 13,3 раза больше плотности морской воды. Это значит, что при изменении давления атмосферы на 1 мб уровень меняется на 1 см. Этот расчет справедлив только при очень медленном изменении давления (например, если над данным районом моря располагается малоподвижный антициклон). Если же проходят циклоны с сильными ветрами, общая картина нарушается и усложняется. При работах над методами морских прогнозов установлен ряд эмпирических зависимостей, показывающих, что влияние статического давления на колебания уровня моря примерно в 10 раз меньше, чем динамического, т. е. определяемого не весом столба воздуха, а его движением. Так, колебания уровня, вызванные ветром, могут достигать очень больших величин — до 1–2 м. Продолжительные ветры одного направления вызывают вблизи берега подъемы и спады уровня, сгоны и нагоны. В небольших морях эти ветры называются сквозными — они охватывают все море и сгоны или нагоны иногда могут стать катастрофическими. Это временные, сравнительно быстротечные колебания. Существуют также сезонные и постоянные колебания уровня. Они относятся в основном к области пассатов. Например, пассаты Атлантического океана гонят воду в Карибское море и Мексиканский залив, в то время как пассаты Тихого океана отгоняют воду от Панамского перешейка. Таким образом, средний уровень в этом районе со стороны Атлантического океана выше, чем со стороны Тихого океана примерно на 0,5 м. Вдоль одного и того же берега материка средний многолетний уровень повышается с юга на север. Когда в Советском Союзе была проведена самая длинная в мире нивелировка — от Кронштадта до Владивостока, оказалось, что и здесь существует разница в 1,8 м. А нивелировкой между Балтийским и Черным морями обнаружена разность уровней в 0,25 м. Разница уровней в Архангельске и Одессе достигает 1,1 м.

У северо-западного побережья Европы и Северной Америки происходят сезонные колебания уровня, обязанные своим происхождением зональным западно-восточным переносам — в осенне-зимний период уровень у континентов повышается, а летом понижается. Типичны сезонные колебания уровня в зоне муссонов. У наветренных берегов в этих областях уровень повышается, а у подветренных — понижается. В нашей стране такой областью являются дальневосточные моря. В зимнее время северо-западные муссонные ветры дуют с суши на море, и тогда в юго-восточных районах морей уровень выше, чем в северо-западных. А в летнее время, когда муссон направлен с моря на сушу, уровень ниже. Эту картину в целом легко обозреть, если построить графики годового хода среднего уровня для типичных условий муссонного и зонального режимов.

Бризовые ветры, изменяющие свое направление 2 раза в сутки, вызывают соответствующие колебания уровня, они периодически повторяются и относительно невелики — это как бы маленькие муссонные колебания. Без какой-либо видимой периодичности время от времени происходят значительные колебания уровня. Они обусловлены большими изменениями атмосферного давления и ветра, связанными с прохождением над морем циклонов и антициклонов. При этом могут произойти катастрофичные нагоны или сгоны уровня — первые наиболее опасны. С ними, в частности, связаны ленинградские наводнения. Так, известное наводнение 23 сентября 1923 г. было вызвано глубоким циклоном, с давлением в центре ниже 735 мб и скорости ветра в среднем до 25 м/с (при порывах 40 м/с). Именно в этих условиях уровень воды достиг наиболее интенсивного подъема. Метеорологическая наука не смогла донести до нас условия наводнения, происходившего за 100-летие до этого и описанного А. С. Пушкиным в «Медном всаднике».

В течение уже нескольких десятилетий в Ленинграде гидрометеорологическая служба ведет большую работу по предсказанию наводнений. Здесь используются теоретические и эмпирические методы, моделирование, налажена четкая оперативная информация, использующая все современные средства связи. Делается все, чтобы вовремя оповестить население, уберечь здания, службы, имущество. А наводнения продолжаются. В настоящее время принят проект сооружения плотины, которая оградила бы город на Неве от стихийных бедствий. Какую роль после ее сооружения будут играть прогнозы, сказать пока трудно, но надо полагать, что в какой-то степени и форме они останутся необходимыми.

Из чего складывается величина колебаний уровня при сгонно-нагонных ветрах, от чего она зависит? Прежде всего от ветра. Само влияние ветра складывается из его силы, продолжительности, направления по отношению к береговой черте. Кроме того, имеет значение глубина моря и рельеф дна. Данные условия можно было бы учесть в общем виде и установить зависимости от них колебаний уровня. Однако в настоящее время это еще не удалось сделать ни одному ученому. И. Н. Зубов расчленил задачу на ряд более простых, элементарных случаев, в которых рассматривается циркуляция, вызываемая ветром в прямоугольном длинном бассейне.

Катастрофические сгонно-нагонные колебания уровня время от времени происходят практически на всех морях. 10–13 ноября 1952 г. в северо-западной части Каспийского моря нагон был вызван штормовыми ветрами, достигавшими 28 м/с. Поднявшаяся вода затопила западное побережье моря и берега в дельте Волги. Этот нагон был близок лишь к одному в наше столетие, имевшему место на Каспии в ноябре 1910 г.

Изменения уровня происходят, когда в данный район поступают дополнительные количества воды. Основная роль в этом принадлежит передвижению морской и речной воды (в пределах одного года и от года к году), второстепенная — осадкам и испарению. Обмен водами между морями, соединенными с океаном, а также сток рек в общем не вызывают заметного колебания уровня. Но в морях, отделенных от океана, материковый сток играет очень большую роль. Например, на Каспийском море во время весеннего половодья на реках (в первую очередь на Волге) уровень достигает наибольшей величины. Общеизвестно также падение уровня Каспия (с 1933 г.), связанное с резким уменьшением стока Волги.

В течение ряда лет изучались причины падения уровня Каспия. Проводились также работы по долгосрочным прогнозам его уровня. Советский океанолог Н. А. Белинский предложил метод, успешно применяющийся на практике. В основе его лежит учет атмосферной циркуляции на обширных пространствах, формирующих цепочку процессов, конечным итогом которых явилось падение уровня Каспия.

В прогнозах уровня Каспия на год (по месяцам) и на пятилетие заинтересованы многие отрасли народного хозяйства: гидростроительство, рыбная промышленность и промысел морского зверя (на Каспии водятся тюлени) и др.

Рассматривая колебания уровня, мы часто говорим «средний уровень». Как и всякая средняя величина, он является результатом вычисления (осреднения наблюдений) за тот или иной период: сутки, месяц, сезон, год, ряд лет. Такие расчеты важны для практических и научных целей. Колебания среднесуточных уровней, особенно связанные со сгонно-нагонными явлениями, могут быть очень большими — до 2–3 м. Средние месячные уровни в одном и том же пункте колеблются в пределах нескольких десятков сантиметров и наиболее велики в области действия муссонов. Средние годовые уровни меняются от года к году. В Азовском, Балтийском и Черном морях они отклоняются от среднемноголетнего уровня больше, чем на океанских побережьях. Но в целом изменение величины годового уровня небольшое — в пределах 20 см.

Многолетние уровни вычисляют по данным наблюдений за все имеющиеся годы — чем ряд наблюдений длиннее, тем с большей точностью он определяется. Самые длительные наблюдения в нашей стране ведутся на Балтийском море, в Кронштадте, где они начаты с 1835 г. Для каждого порта вычисляется средний уровень за определенное число лет, принимаемый как ординар. Средний многолетний уровень для морей без приливов служит нулем глубин для морских карт. Это значит, что от этого уровня отсчитываются глубины моря, а также высоты на суше. В нашей стране за нуль высот принят нуль Кронштадтского футштока — рейки, по которой отмечается положение уровня. Чтобы не вводить отрицательных значений уровня, все наблюдения уровня приведены к отметке на 5 м ниже нуля Кронштадтского футштока. В то же время в других странах существуют свои нули высот. Естественно, что при изучении, анализе и сравнении колебаний уровня Мирового океана это создает лишние сложности. Поэтому возникла необходимость создать единую международную систему — единый нуль глубины и высоты. В сентябре 1954 г. в Риме Генеральная ассамблея Международного геодезического и геофизического союза приняла решение об уравнивании европейской нивелирной сети.

На всех морях нашей страны есть один или несколько пунктов, связанных с общегосударственной системой высотных отметок. Широко используется также метод, позволяющий путем расчетов увязать нули постов (в пунктах, где это трудно или невозможно сделать нивелировкой) с теми, которые связаны с государственной сетью.

Наблюдения над уровнем при решении научных и практических задач подвергаются различной статистической обработке — это и спектральный анализ, позволяющий выявить скрытые периодичности, и гармонический анализ для определения некоторых характеристик колебаний и др. Часто важно знать, как долго стоит уровень, — это особенно интересует портостроителей и мореплавателей. В таких случаях строятся графики повторяемости уровня.

Следует упомянуть еще о колебаниях уровня, вызываемых сейшами. Они могут возникнуть при резких изменениях атмосферного давления над каким-либо районом моря и от иных причин: сейсмических, сгонов и нагонов и др. Сейши начали изучать не на морях, а на озерах, где они особенно заметны. Так, на Женевском озере наблюдаются сейши с амплитудой до 2 м. На Азовском море бывают сейши с амплитудой до 80 см. В Севастополе, когда над городом прошла гроза (25 августа 1911 г.), падение атмосферного давления на 6 мм вызвало толчок в колебаниях уровня около 60 см. Полагают, что сейши являются причиной и тягуна, наблюдающегося в некоторых портах, например в Туапсе на Черном море. Происходящее при тягуне горизонтальное и вертикальное движение вод приводит к катастрофам — суда наваливаются друг на друга, на стенки набережных и т. д. Это явление, однако, еще до конца не изучено.

Сведения о колебаниях уровня моря требуются в первую очередь гидрографической службе, мореплавателям, жителям побережий. Знание характера колебаний уровня важно также при определении горизонтальной циркуляции вод океана, при поисках полезных ископаемых на дне моря и т. д.

 

Течения

Движения морской воды, о которых мы говорили до сих пор, носят колебательный характер. Но в Мировом океане существуют движения, при которых частицы воды переносятся на огромные расстояния — на тысячи миль. Это — морские течения. Они разнообразны. Течения с общим направлением и средней скоростью называются постоянными. Они несут колоссальные объемы поверхностной воды, захватывающие более или менее мощный слой. Движение вод на глубине и у дна медленнее, но также имеет генеральное направление, часто обратное по отношению к поверхностному. Так возникает круговорот океанических вод на планете.

В морях и океанах наблюдаются также течения, которые вызывают временные причины, в первую очередь ветер, изменчивый по скорости и направлению. За 12–24 часа такие течения переносят воду на 5—10 миль. Существуют также периодические приливно-отливные течения. В узких заливах и проливах они движутся вперед и назад.

Морские течения были известны еще в древние времена. Аристотель писал о течениях в Керченском проливе, Босфоре, Дарданеллах. Знания о течениях накапливались из века в век, со все более серьезными обобщениями картированием.

Крупные открытия океанических течений были сделаны в конце 50-х годов и во второй половине нашего столетия. Речь идет о мощных глубинных течениях в Атлантическом, Тихом и Индийском океанах. Еще совсем недавно считалось, что течения в глубине вод имеют очень маленькие скорости. Современные методы наблюдений (с помощью заякоренных буев и поплавков нейтральной плавучести) позволили установить, что на глубинах в 1 тыс. м непериодические течения в некоторых местах достигают 30 см/с, а приливные — даже 50 см/с. Инструментальные наблюдения показали также, что на глубинах более 1 тыс. м скорости течения колеблются от 5 до 15 см/с. После тщательного изучения мощных океанических течений Гольфстрима и Куросио установлено, что они сохраняют направление и скорость до глубин 750—1500 м. Подтвердилась также гипотеза о том, что под крупнейшими течениями Мирового океана должны наблюдаться достаточно сильные течения, направленные в обратную сторону. И действительно, такие течения были открыты — прежде всего в Атлантическом океане под Гольфстримом, а потом в Тихом под Куросио.

До сих пор нет обобщенных сведений о придонных течениях, хотя косвенные данные указывают на то, что и там возможны довольно сильные течения. Об этом свидетельствуют глубоководные опускания батискафов, крупнозернистый материал на глубоководных участках дна. Пока известно, что в придонных глубоких частях океана потоки направлены в основном с юга на север — от Антарктики и до северных окраин океанов.

Более сложная система течений в промежуточных слоях океана — здесь наблюдается движение вод против часовой стрелки (в Атлантическом океане на глубине 1,5–2 тыс. м). В то же время в западной части Атлантического океана промежуточные воды, двигаясь с севера на юг, поворачивают по часовой стрелке, создавая замкнутый круговорот. В тропической зоне Тихого океана на глубине 100–300 м преобладает движение вод на восток.

Многие страны (СССР, США, Япония, Англия и др.) ведут в наши дни многочисленные наблюдения над течениями — и поверхностными, и глубинными. Это дало возможность открыть подповерхностные течения: Кромвелла в Тихом океане, Ломоносова — в Атлантическом. В Индийском океане во время 33-го рейса «Витязя» (1960–1961 гг.) было обнаружено сильное течение на глубине 1 тыс. м. Впоследствии оно было названо именем молодого советского ученого Б. А. Тареева.

В числе задач ближайшего времени, решение которых уже начато, находится изучение течений одновременно на больших пространствах (полей течений) и проведение непрерывных наблюдений в течение года — изучение их изменчивости во времени. Такие наблюдения необходимы при разработке методов прогнозов течений.

Накопленные данные о течениях позволяют свести их к определенной системе. Заметим, кстати, что по этому вопросу у ученых возникали разные мнения, и всего несколько десятилетий назад была введена унификация, единообразие понятий. Классификация может быть основана на различных признаках, и прежде всего на происхождении течений. К этой системе относятся: ветровые течения (или дрейфовые), создаваемые движением воздуха над поверхностью моря благодаря силе трения; сгонно-нагонного характера, возникающие при наклонах уровня моря (первопричина — также ветер); приливо-отливные, вызванные периодическими приливообразующими силами Луны и Солнца; плотностные, порождаемые неравномерным распределением плотности воды.

Течения могут быть классифицированы и по продолжительности, или устойчивости. Это — постоянные непериодические и периодические течения. К первым относятся такие течения, которые всегда наблюдаются в определенных районах и, хотя и имеют ту или иную изменчивость, в целом сохраняют генеральное направление (Гольфстрим, Куросио, пассатные течения). Естественно, что непериодические, временные течения возбуждаются внешними силами, прежде всего ветром. Периодические течения вызываются, в основном, приливами.

Есть и другие принципы классификаций — по глубине расположения (поверхностные, глубинные, придонные), по характеру движения (прямолинейные, криволинейные, в том числе циклонические и антициклонические); по физико-химическим свойствам (теплые и холодные, соленые и распресненные).

Таковы основные классификации течений, из которых главной является первая — по происхождению.

При всей очевидной ясности и необходимости для науки и практики классификации течений заметим, что редко течения вызываются какой-то единственной причиной из тех, что были рассмотрены выше. По большей части течения обусловлены комплексом причин. Характерным примером может служить опять-таки Гольфстрим, который вызывается и наклоном уровня, и ветром, и др.

Обычно, когда течение уже возникло, вступают в действие вторичные силы, видоизменяющие его: Кориолиса (сила вращения Земли), отклоняющая поток вправо в северном полушарии и влево в южном; трение, которое всякое движение замедляет; центробежная, проявляющаяся при криволинейных движениях малого радиуса.

Таким образом, наблюдения и теоретические методы привели к общему выводу, что основной силой, благодаря которой возникают непериодические поверхностные течения в океанах и морях, остается ветер, т. е. циркуляция воздуха. Когда ветер непродолжительный, появляется ветровое течение, когда длительный или господствующий, рождается течение, называемое дрейфовым, — пассатное, экваториальное.

Ветер, вызывающий дрейфовые течения, создает в то же время наклон уровня, так как большие массы воды переносятся с одного места в другое. Особенно заметны такие наклоны у берега. В результате появляется сгонно-нагонная циркуляция во всей толще моря от поверхности до дна. В мелководном море наибольший нагон возникает при ветре, дующем перпендикулярно к берегу, а сгон — при ветре, направленном от берега.

Накопления воды в том или ином районе порождают так называемые стоковые течения. Эти накопления образуются не только под действием ветра, но и от других причин: притока речных вод, обильного выпадения осадков и таяния льдов, неравномерного распределения плотности ВОДЫ.

Разница в атмосферном давлении над различными частями океанов вызывает течения небольшой силы. Так, изменение давления на 1 мб приводит к изменению уровня на 1 см, т. е. возбуждаемые при этом течения (они называются бароградиентными) не являются сколько-нибудь значительными. Когда над морем медленно проходит циклон, частицы воды начинают двигаться от центра к периферии; далее, под действием силы Кориолиса они отклоняются вправо — в море возникает циркуляция по часовой стрелке (антициклоническая). Эта циркуляция будет ослабляться ветровыми течениями с обратной циркуляцией. В то же время через проливы станет поступать вода из соседних морей. Циклон, который предположительно находился над центром моря, будет, естественно, смещаться к его окраине, и тогда в центре моря уровень начнет понижаться, течения в проливах станут откачивать воду из данного моря в соседние. Такая сложная система получается при довольно простой ситуации, рассмотренной здесь схематически. При всей сложности реальных условий взаимодействия океана и атмосферы, их постоянной изменчивости, наложении друг на друга различных причин трудно составить единую систему взаимодействий океана и океанических течений. Поэтому пока приходится прибегать к рассмотрению отдельных типичных ситуаций, в частности таких, как прохождение различных барических систем через определенные моря или участки океанов.

В последнее время изучается также влияние на морские течения рельефа дна и очертания берегов. И хотя размеры проливов ничтожно малы по сравнению с морями и океанами, их роль в водообмене очень велика. Недаром поэтому в океанологии существует специальный раздел — учение о проливах, родоначальником которого был, как уже упоминалось, С. О. Макаров, а продолжателем — Н. Н. Зубов. Макаров оставил замечательную работу о водообмене между Средиземным и Черным морями через пролив Босфор. Его наблюдения, их анализ и оригинальные выводы не утратили своего значения до наших дней.

Исследования Макарова позволили сформулировать следующие общие правила движения вод в проливах северного полушария: течения вокруг больших островов и архипелагов движутся в направлении часовой стрелки; в широких проливах течения вдоль различных берегов противоположны по направлению. Различны также направления течений в вертикальном разрезе. Макаров наблюдал это в Сангарском проливе Японского моря. Такие же наблюдения известны в Корейском проливе и др.

В самом общем виде схема течений Мирового океана может быть представлена так. В северных частях трех океанов — Атлантического, Тихого и Индийского — отчетливо видны системы больших антициклонических круговоротов, а в южных частях — циклонических. Особенно нужно отметить проникновение в высокие широты Северо-Атлантического течения, являющегося ветвью Гольфстрима.

Гольфстрим оказывает большое влияние на климат нашей страны. В частности, в районе Баренцева моря ветвь теплого течения оттесняет границу постоянных льдов на север, до 81° с. ш. — самой высокой широты в мире. Как указывал В. В. Шулейкин, даже в Карское море теплое течение приносит в 9 раз больше тепла, чем воды Енисея и Оби. Изучено и более отдаленное воздействие Гольфстрима, например на средний уровень Каспийского моря.

Тепло Гольфстрима ощущает вся Западная Европа и восточные районы Северной Америки. При небольших скоростях Северо-Атлантического течения (0,1–0,2 см/с) тепло, приносимое им к северо-западным берегам Европы, так велико, что на западном берегу Норвегии, в Тромсе, расположенном на 70° с. ш., температура воздуха на 22° выше средней для данного широтного круга.

Начатое давно изучение Гольфстрима (обнаруженного Понсом де Леоном в 1513 г.) пережило качественно новый скачок лишь в 50-е годы нашего столетия. Поставленные в это время синхронные съемки несколькими судами (в том числе и советскими) дали интереснейшие результаты. Среди других проблем особенно внимательно рассмотрено меандрирование Гольфстрима и его многолетние колебания. Материалы исследований впервые обобщил американский ученый Г. Стоммел в книге «Гольфстрим».

Исследование течений считается проблемой номер один в современной физической океанологии. Это означает не только ее важность, но и то, что еще очень многое в ней предстоит сделать. Стоммел пишет: «Даже теперь, после многих лет усилий, наше представление о Гольфстриме является еще не полным». Наблюдения последних десятилетий показали, что положение Гольфстрима настолько изменчиво, что его путь даже приблизительно нельзя назвать прямым. Исследования течения Стоммел проводил одновременно с изучением условий атмосферной циркуляции над Атлантическим океаном, системой ветров.

С точки зрения практики морские течения имеют значение в первую очередь для навигации. Встречное течение задерживает движение судна, боковое — сбивает его с курса и может стать опасным, попутное — благоприятствует движению вперед. Каждый судоводитель снабжен таблицами о приливо-отливных течениях в прибрежных районах и картами течений в открытом океане, составленными по средним характеристикам.

Большое значение имеет изменчивость течений для рыболовного промысла. Рыба часто концентрируется во фронтальных зонах океана и зонах расхождения течений, где поднимаются глубинные воды, насыщенные питательными солями.

 

Океан из космоса

Начиная с первого полета в космос стали очевидными перспективы, которые открывают наблюдения над поверхностью океанов с пилотируемых аппаратов. На космических снимках отчетливо видны струи океанических течений, фронтальные зоны, пятна и полосы. В 1978 г. орбитальная станция «Салют-6» имела уже совершенно определенное научное задание по изучению природной среды и биологической продуктивности океанов нашей планеты. Одновременно в эту работу были включены и суда, находящиеся в океанах. Таким образом, данные, получаемые с борта судна, непосредственно проверялись, сопоставлялись, постоянно происходил обмен результатами наблюдений. Удалось найти признаки для определения ряда динамических образований в море: фронтальных зон, разделяющих воды с различными физическими свойствами; зоны поднятия к поверхности вод из глубины; вихрей и мест с высокой биологической продуктивностью. Наблюдения с судов показали, что высокая биологическая продуктивность соответствует динамически активным зонам. Космические исследования внесли некоторые уточнения: высокая биологическая активность, которая обычно считается характерной для прибрежных районов, присуща также и районам открытого океана, где были замечены большие скопления морских организмов. Изучение вихрей на морской поверхности показало, что они не случайны, повторяются часто и, видимо, представляют собой элемент общей циркуляции.

Наземная информация недостаточна для большинства районов Мирового океана. Огромные пространства, лежащие вне путей транспортных и рыболовных судов, остаются неосвещенными, сеть кораблей погоды слишком редкая. В океанографической оперативной и научной практике наиболее успешно применяются телевизионные снимки поверхности Земли (в том числе океанов) и облачности. Два основных аспекта использования этой информации — о ледовом покрове и зонах штормового волнения по весьма обширному району одновременно. Существующие уже много лет наблюдения над ледовым покровом с береговых станций, постов, самолетов и судов ограничены как во времени, так и в пространстве. Наиболее совершенное из этих наблюдений — ледовая авиаразведка — не охватывает всей акватории, производится с большими промежутками. Таким образом, часто трудно бывает проследить за изменением положения кромки льдов и другими важными характеристиками.

Большая работа ведется по дешифрированию получаемых снимков. Яркость дает возможность определить различные формы льда, воду среди льда — полыньи, каналы, разводья, запринайные полыньи. Самый яркий тон означает, что на снимке зафиксирован неподвижный или малоподвижный лед. Менее яркий — разреженный, серобелый и серый и т. д. Яркость снимка зависит от многих причин, в том числе от сезона года. Особенные трудности вызывает дешифрирование снимков, когда над льдами лежит плотная облачность. Здесь на помощь пришло сопоставление снимков последовательно в течение нескольких дней.

Облачная система значительно менее инертна, чем ледовая, и изменения кромки припая удается представить себе достаточно точно. При этом уточнение делается с помощью географических ориентиров — таких, как мысы, полуострова и острова, береговая линия, которые в большинстве случаев на спутниковых снимках видны достаточно отчетливо.

Естественно, что анализ снимков неразрывно связан со знанием климатических условий: льда, ветра, течений, температуры воды и воздуха, т. е. это может делать только специалист-гидрометеоролог. Надо знать также условия в океане и атмосфере за предшествующее время. Это важно прежде всего при резких изменениях — например, когда сильные ветры заметно меняют положение кромки льда, его сплоченность и т. д.

По спутниковым данным составляются ледовые карты. Такая карта соответствующим образом обрабатывается, наносятся границы различных форм льда, в принятых условных обозначениях даются виды льда, сплоченность, участки чистой воды и т. д. Если есть карта последней ледовой разведки, делают сравнения с ней, анализируют и объясняют возникающие при этом в ряде случаев расхождения.

Спутниковая информация может оказать неоценимую услугу, если других данных нет. В декабре 1967 г. научно-исследовательское судно «Профессор Визе» совершало плавание в антарктических водах (это судно не приспособлено для плавания во льдах). Обслуживание велось по данным метеорологического спутника Земли «Космос-184». По ним удалось установить границу берегового припая и зоны льдов различной сплоченности, предполагаемое место распространения айсбергов. Судну был рекомендован оптимальный маршрут. Операция оказалась успешной.

Второй, исключительно важной стороной использования спутников являются снимки облачных вихрей для определения зон штормового волнения в океане. Состояние погоды, несмотря на современное мощное развитие мореплавания, весьма важно для успешного движения судов в океане. Нередки случаи, когда приходится менять курс судна, снижать его скорость, прекращать лов рыбы или морского зверя, ложиться в дрейф и т. д. Все это, естественно, увеличивает непроизводительные затраты, наносит определенный ущерб. Анализ спутниковых наблюдений и карт морского волнения показал отчетливую связь между вихревой структурой облачности и морским ветровым волнением. Прежде всего было изучено отличие вихревой структуры облачности циклонов от барических образований вихревой же структуры, не влияющих на погодные условия. Это было сделано, так как известно, что показываемые спутником вихревые возмущения над океаном в 80 % имели вихревую структуру облачности, развитые и окклюдированные циклоны, в 20 % — не связанные с циклогенезом. След циклона виден на снимке как остатки отчетливо выраженной облачной спирали с округлым просветом в середине. Эти снимки потребовали тщательного анализа, так как возможны различного вида осложнения, вызывающие непредвиденные ошибки. Когда на снимке спутника обнаруживается вихревая структура облачности над определенным районом океана, на его поверхности наблюдаются ветровые волны. Высота их может достигать 3–4 м, а зона распространения простирается в среднем на 300 X 200 миль. Постепенно волнение нарастает, волны увеличиваются до 5–7 м, а площадь — до 500 X 350 миль. Далее начинается жестокий шторм с волнами до 10–12 м, общая площадь волнения, вытянутая в направлении ветра в форме эллипса, расширяется до 1000 миль. При заполнении циклона шторм начинает утихать.

Таким образом, по данным вихревой структуры облачности можно составить достаточно точное представление о морском штормовом волнении — высотах волн и зонах распространения.

Особенно опасны для плавания в приэкваториальных и тропических зонах океанов тропические циклоны. Спутник позволяет обнаружить место их возникновения, и полученная Землей информация своевременно поступает на суда.