Теоретическая часть

7.1 Методы измерения глубин

До 1920 г. все промеры глубин осуществляли следующим образом: в воду опускали груз, подвешенный на конце линя. Когда груз достигал дна (отмечали линь), затем линь с грузом выбирали и замеряли длину линя (до отметки). После 1870 г. веревочный линь, растяжение которого сказывалось на результатах измерений, был заменен металлическим тросом. Первое глубоководное зондирование было проведено Дж. Россом в 1840 г. в Атлантике – с борта корабля было вытравлено около 3660 м каната. Это измерение было очень грубым. Промеры с помощью металлического троса также были весьма затруднительными. Глубоководные промеры занимали много времени, поэтому до 1923 г. было выполнено всего 15 000 промеров океанических глубин.

В настоящее время промеры проводят эхолотами, а сам метод получил название эхолотирования. Большинство применяемых сейчас эхолотов снабжено встроенными стабилизаторами частоты посылки сигналов, что обеспечивает стабильное управляющее напряжение самописцам, в результате достигается почти 100 %-ная точность измерения 99-99,5 %. Метод эхолотирования не позволяет с такой же точностью получать абсолютные глубины, поскольку скорость прохождения звука через толщу воды для разных глубин различна. Тем не менее, повторное зондирование при измененной частоте сигналов должно дать те же значения глубины.

Ошибок при эхолотировании можно избежать, если прибор буксировать за судном вблизи дна, используя эхолот с узкой диаграммой направленности в сочетании с направленным вверх эхолотом.

Для измерения глубин используются гидролокаторы типа ASDIC, аналогичного устройствам, применяемым для обнаружения подводных лодок. Луч этого излучателя направлен вниз, под небольшим углом от поверхности океана. Описанный метод, получивший название метода бокового обзора, или сканирования, был разработан М. Такером и А. Стабсом. С помощью гидролокатора удается обнаружить детали строения морского дна – узкие гряды, складки, разломы, а также контуры выходов песчаных и скальных пород, и даже различить участки тонко- и грубозернистых песков.

7.2 Методы отбора грунтовых проб

На заре океанологических исследований драгирование было основным методом опробования морского дна и имело главной целью сбор донных организмов (бентоса). Почти в течение целого столетия пользовались небольшими грунтовыми трубками. Еще раньше материал со дна доставали при помощи смазанного жиром углубления в основании промерного лота.

7.2.1 Дночерпатели

В 1911 г. ученым из Дании К. Петерсеном для морских исследований был предложен дночерпатель – прибор для взятия проб грунта со дна водоемов, а для пресноводных исследований – ученым из Швеции С. Экманом.

Дночерпатели могут иметь различные конструкции, которые постоянно совершенствуются и модернизируются (рисунок 7.1, 7.2).

Современные дночерпатели имеют следующие разновидности:

– Автоматические дночерпатели (например, ДА-3), которые предназначаются для взятия проб осадков, перенасыщенных водой, а также слоя воды, расположенного у самого дна.

– Шланговые дночерпатели (например, ГР-91) – предназначаются для сбора проб с нарушением структуры песчано-гравелистых, илистых донных отложений со дна рек и каналов глубиной не более 3 м при скорости течения воды не более 2 м/с, а также озер и водохранилищ глубиной до 4 м.

– Коробчатые автоматические дночерпатели (например, ДАК) – предназначаются для взятия проб донного грунта различной плотности в пресноводных водоемах с любого плавательного средства.

Трубчатый штанговый дночерпатель	Ван Вина ковш

Рисунок 7.1 – Приборы для взятия проб грунта

– Дночерпатель бентосный (крупный вариант называется грейфером) – предназначен для сбора поверхностного слоя грунта со дна водоема на любой глубине погружения. Поверхностный слой грунта бентосный дночерпатель собирает при помощи скребков, которые при подъеме стягиваются тросом.

– Штанговый коробчатый дночерпатель Заболоцкого – предназначен для количественного учета макробентоса и микробентоса (организмов, которые обитают на грунте и в грунте дна водоемов) на глубине не более 2,5 м с зонами мелководья с нарушением структуры песчано-гравелистых, илистых донных отложений.

– Штанговый трубчатый дночерпатель предназначен для количественного учета макробентоса и микробентоса (организмов, которые обитают на грунте и в грунте дна водоемов) на глубине не более 2,5 м с областями мелководья не нарушая структуру донных отложений, благодаря трубчатой конструкции.

– Трубчатый дночерпатель (например, ДТ-3) предназначен для сбора проб плотных донных отложений на глубине от 1 до 100 м с сохранением структуры грунта, благодаря трубчатой концентрации. Трубчатый дночерпатель, благодаря автоматической герметизации пробоотборника на глубине пробоотбора, обеспечивает высокую сохранность пробы.

ДТ-3 Дночерпатель трубчатый	ДА-3 Дночерпатель автоматический	Дночерпатель бентосный
ГР-91 дночерпатель штанговый	Дночерпатель автоматический коробчатый	Дночерпатель стратификационный	Коробчатый штанговый дночерпатель Заболоцкого

Рисунок 7.2 – Модификации дночерпателей

7.2.2 Грунтовые трубки

Для взятия проб на морском дне трубки гораздо эффективнее дночерпателей. В пробах, полученных с помощью грунтовых трубок, довольно легко отличать современные осадки от более древних: они существенно различаются по составу. Грунтовые трубки за последние годы значительно усовершенствованы, разработано много новых методов получения колонок. Грунтовые трубки, внедряющиеся в дно под действием силы тяжести, для чего используются соответствующие грузы (трубки ударного действия), все еще сравнительно широко применяются, несмотря на то, что поршневые трубки обладают рядом преимуществ (рисунок 7.3).

Рисунок 7.3 – Трубки для взятия проб (ТГ-1, ТГ-1,5 ГОИН)

7.2.3 Драги

Большинство образцов коренных пород морского дна получено путем драгирования. Наиболее широко использовались два типа драг: цилиндрическая и драга с жесткой рамой. Драги с жесткой рамой, снабженные кошелем из стальных звеньев, имеют большую емкость и наиболее пригодны для работ на глубоководных океанических хребтах. Из-за больших размеров такая драга неудобна, может зацепиться за большой скальный выступ, с другой стороны, эти драги легко опрокидываются, теряя взятые образцы пород. Эти недостатки можно исключить, используя в первом случае прочный трос, и подвесив цепной кошель к основанию драги во втором случае.

7.2.4 Глубоководное бурение

В результате значительных успехов, достигнутых при бурении континентальных шельфов на нефть, постепенно развивалась и совершенствовалась технология подводного бурения с дрейфующих судов. Пять океанографических институтов США, субсидируемых Национальным научным фондом, разработали многолетнюю программу бурения в пределах глубоководных океанических котловин. Эта программа, осуществление которой возглавил скриппсовский океанографический институт в Ла-Холье (Калифорния), получила название ДЖОЙДЕС (JOIDES). При работах по этой программе использовалось судно «Гломар Челленджер» компании «Глобал Марин». Принимающие участие в выполнении программы геологи и инженеры нефтяники добились замечательных результатов. В течение двух первых лет работ по программе приходилось прерывать бурение нескольких скважин из-за быстрого изнашивания буровых коронок, особенно при «разбуривании» плотных кремнистых пород. В 1970 г. установка для глубоководного бурения была усовершенствована, в результате чего стало возможным повторное попадание в ту же скважину после подъема инструмента для замены затупившейся коронки. При наличии в настоящее время новых, усовершенствованных коронок разбуривание твердых пород проходило довольно быстро.

7.2.5 Использование аквалангов

Первые попытки спуска людей под воду с помощью примитивного автономного снаряжения датируются 80-ми годами XIX столетия, впервые способ подводных погружений, получивший наименование СКУБА, был разработан в 1943 г. Ж. Кусто и Э. Ганьяном. К спине аквалангиста привязывались воздушные баллоны, а поступление воздуха контролировалось ручным регулятором. Для решения геологических задач погружение с аквалангом СКУПА впервые было осуществлено в 1950 г. и с тех пор широко применяется до сих пор при изучении узкого шельфа. Этот способ оказался очень эффективным для геологического картирования морского дна, причем геологи-аквалангисты используют приемы и оборудование, аналогичные применяемым для работы на суше. Обычным снаряжением геолога-аквалангиста стали компасы, уклономеры, молотки, грифельные доски и надувные рюкзаки. Так как аквалангисты в воде находятся в состоянии, близком к невесомости, они могут без затруднений обследовать выходы скальных пород на крутых уступах. Используя погружные буксируемые сани, геологи-аквалангисты могут в течение сравнительно короткого времени изучить значительные площади морского дна.

По данным Р.Ф. Дилла, геологическое картирование вблизи берегов Южной Калифорнии способствовало подготовке к эксплуатации, по меньшей мере, трех нефтяных месторождений. Наблюдения геологов-аквалангистов вскрыли важную роль, которую играют подвижки пород на морском дне. Эти смещения определяются по изменениям положения вешек, закрепленных на дне подводных каньонов. На многих местах наблюдались следы оползней и крупные зияющие трещины по краям террас, а также песчаные потоки на стенах каньонов.

Глубина погружения аквалангистов, как правило, ограничена глубиной 50 м, однако при использовании газовых смесей с включением азота и других газов показали, что можно работать и на значительно больших глубинах.

7.2.6 Глубоководные погружные транспортные средства

В 60-е годы XX столетия был достигнут значительный прогресс в создании небольших подводных лодок, с помощью которых специалисты могут вести наблюдение и изучение морского дна. Самым первым глубоководным погружным аппаратом был батискаф «ФНРС-2» (FNRS-2 – Fonds National Belge de la Recherche Scientifigue – Бельгийский национальный фонд для научных исследований, финансировавший постройку батискафов. Первое погружение на батискафе было совершено 25 октября 1948 г. у островов Зеленого Мыса), сконструированный Огюстом Пиккаром в 1948 г. и позднее поступивший в распоряжение французского военно-морского флота. В апреле 1959 г. О. Пиккаром в Италии была построена улучшенная модель батискафа под названием «Триест». В 1960 г. батискаф «Триест» погрузился на глубину 10 915 м и достиг дна одной из глубочайших океанических впадин, известной под названием впадины Челленджера. Глубоководные аппараты такого типа не получили широкого применения из-за высокой стоимости, сложности и эксплуатации, малой маневренности.

Значительно удачнее оказалось «Ныряющее блюдце» Ж.И. Кусто и другие погружные устройства такого типа, сочетающие небольшие размеры с достаточно высокой маневренностью. Глубина блюдца в первое время не превышала 300 м, но уже аппарат «Дип Стар» («Глубоководная звезда»), сконструированный «Вестингауз электрик корпорейшн» в содружестве с Ж. Кусто, много раз опускался на глубину 1200 м и дал интересную информацию.

Аппараты «Мир»– два советских и российских научно-исследовательских глубоководных обитаемых аппарата (ГОА) для океанологических исследований и спасательных работ. Аппараты имеют глубину погружения до 6 км.

С применением ГОА «Мир-1» и «Мир-2» в период 1987 по 1991 гг. проведено 35 экспедиций в Атлантический, Тихий и Индийский океаны, а 2 августа 2007 г. впервые в мире было достигнуто дно Северного Ледовитого океана на Северном полюсе, где был размещен Российский флаг и капсула с посланием будущим поколениям.

В настоящее время аппарат «Мир-1» находится в качестве экспоната в калининградском Музее Мирового океана, а «Мир-2» базируется на борту научно-исследовательского судна «Академик Мстислав Келдыш».

Техническое задание на создание аппаратов было подготовлено заведующим Отделом глубоководных обитаемых аппаратов Института Океанологии АН СССР, руководителем проекта И. Е. Михальцевым. Основные идеи по конструкции аппарата, устройству его отдельных систем, узлов, элементов, по комплектованию научного и навигационного оборудования принадлежат И. Е. Михальцеву, его заместителю А. М. Сагалевичу и главному инженеру проекта от финской судостроительной компании Саули Руохонену, возглавлявшему группу финских инженеров и техников, принимавших участие в строительстве аппаратов.

Базовый корабль, научно-исследовательское судно «Академик Мстислав Келдыш» построено в 1981 г. на финской верфи Hollming в городе Раума. С 1982 г. использовалось как судно обеспечения подводных обитаемых аппаратов «Пайсис-VII» и «Пайсис-XI». В августе-октябре 1987 г. было переоборудовано в судно обеспечения для двух обитаемых подводных аппаратов «Мир». Глубоководные аппараты изготовлены в 1987 г. финской компанией Rauma-Repola Oceanics, причём контракт на создание аппаратов был подписан 16 мая 1985 г., а приемо-сдаточный акт – 17 декабря 1987 г., после успешных испытательных погружений в Ботническом заливе и вАтлантическом океане на максимальную глубину 6170 м («Мир-1») и на глубину 6120 м («Мир-2»)^[. Так был создан уникальный глубоководный исследовательский комплекс, объединяющий судно и два ГОА «Мир», оснащенный навигационным оборудованием и научными приборами для проведения широкого комплекса океанологических исследований.

Как НИС «Академик Мстислав Келдыш», так и подводные аппараты находятся под управлением Института океанологии имени П. П. Ширшова РАН.

Огромное значение для научных исследований имеет рабочая глубина погружения «Миров» – 6000 м., благодаря чему эти аппараты могут достигать глубин, на которых расположено 98,5 % дна Мирового океана.

По свидетельству Пекки Лакселлы, в то время руководителя финской компании, разрешение на экспорт в СССР было получено лишь потому, что чиновники не верили, что из подобной затеи что-либо получится. Когда же стало ясно, что инженерные проблемы решены, то поднялся шум по поводу того, как такие технологии могут быть проданы в СССР и Лакселле пришлось несколько раз посещать Пентагон.

В мае 2018 г. в Крыму, в районе Феодосии, специалисты ВМФ России приступили к испытаниям нового автономного необитаемого подводного аппарата «Клавесин-2Р». Аппарат способен погружаться на глубину до двух тысяч метров. В состав бортового оборудования робота входят детектор магнитных аномалий, видеокамера, датчики температуры и электропроводности. Аппарат планируется использовать для поисковых работ, картографирования дна и зондирования грунта.

7.2.7 Подводная фотосъемка

Во многом облегчило исследования морских пучин подводное фотографирование. Если раньше даже на не больших глубинах ученые были вынуждены знакомиться с подводным миром с помощью драг, тралов и других приборов, то теперь они могут сами опускаться в море и сами фотографировать исследуемые объекты. Взяв с собой фотокамеру, ученый может снимать именно то, что его интересует. С развитием фотографии за последние несколько десятилетий подводные съемки приобрели новое качество: они стали доступны многочисленным исследователям, поэтому при всех исследованиях в морях и океанах, кроме визуального обследования и наблюдения, ученым и техникам очень помогают подводные фотодокументы. Подводная фотосъемка сравнительно молода. В отличие от обычной фотосъемки подводное фотографирование требует решения многих технических вопросов, связанных с физикой моря. Если ихтиолог, использующий подводную съемку для поисков в океане рыбы, нуждается лишь в глубоководной автоматической фотокамере, то гидротехнику, прикованному к строительной площадке, вынужденному зачастую фотографировать объекты в загрязненной прибрежной воде, требуется уже особая аппаратура. В первом случае возможность фотосъемки целиком будет зависеть от конструктивных особенностей и прочности подводной фотокамеры, во втором – в процессе съемки необходимо дополнительное оборудование, помогающее фотографировать в малопрозрачной воде.

Самое раннее сообщение о фотосъемках морского дна было сделано в 1893 г. Б. Бутаном, проводившим подводные исследования у берегов Алжира. Одетый в водолазный скафандр, Б. Бутан фотографировал мелководное морское дно камерой, помещенной в герметический футляр. Незадолго до второй мировой войны была создана первая фотоустановка с дистанционным управлением для подводных съемок на глубине 200 м. При включении открытой лампы-вспышки синхронно срабатывал автоматический фотоаппарат, заключенный в медный футляр с застекленным отверстием.

В 1940 году Эвинг, Вайн и Ворзель в Вудс -Холлском океанографическом институте (США) заложили основу планомерного изучения морского дна на больших глубинах с помощью глубоководной фотографии. Оснащенные импульсными осветителями, автоматическим управлением приборы для глубоководных фотосъемок позволили получить фотографии с глубин в несколько тысяч метров.

В годы второй мировой войны подводная фотография применялась для нужд аварийно-спасательных работ.

Во второй половине 40-х – начале 50-х годов приобретают известность подводные фотографы разных стран: Ж.-И. Кусто, Ф. Дюма, Ф. Диоле, Д. Ребиков, Тайе, Бруассард, Дж. Гринберг, Л. Марден, С. де Сазо, М. Рокка, Г. Хеберляйн, В. Хигнесс, П. Тзимоулис и многие др.

В СССР как любительская, так и научная подводная фотография начала интенсивно развиваться в середине 50-х годов. Первые самодельные фотобоксы были разработаны и изготовлены инженерами спортсменами-подводниками В. Суетиным, А. Массарским, Ю. Астафьевым. В начале 60-х годов был опубликован ряд руководств по подводной фотографии О. Хлудовой, О. Соколова, В. Ажажы, А. Рогова, А. Массарского. Ю. Транкеиллицкий, В. Джус, А. Майер, М. Пропп, В. Лощилов успешно применили подводную фотографию в научных и спортивных целях в различных условиях: в тропиках, в Арктике и Антарктиде. Всемирно известны также глубоководные исследования с применением подводной фотографии профессора МГУ Л. А. Зенкевича.

В СССР во многих институтах созданы группы подводных исследований, широко применяющие подводную фотографию в биологических, геологических, океанографических исследованиях. ПИНРО, ТИНРО, ЛГМИ, ИнБЮМ и другие институты разрабатывают оригинальную конструкцию подводной фотосъемочной аппаратуры, методики подводных съемок.

В настоящее время подводная фотография применяется во всех исследованиях, связанных с океаном.

Существует много подводных фотокамер, пригодных для использования практически на любой глубине. Они снабжены электронной вспышкой и механизмом, автоматически перематывающим пленку, что позволяет за одно погружение получать большое количество снимков. Имеется также огромное количество фотоснимков морского дна. Прекрасные результаты дало подводное фотографирование, выполненное аквалангистами.

Вопросы для самоконтроля:

1. История развития методов измерения глубин

2. Перечислить технические средства для отбора проб донных отложений

3. Результаты выполнения программы подводного бурения с дрейфующих судов

4. Перечислить глубоководные погружные транспортные средства

5. Разработчики глубоководных погружных транспортных средств

6. Глубоководные погружные транспортные средства, используемые в России

7. Основные достижения в исследовании морского дна с использованием аквалангов

8. История развития подводной фотосъемки в исследовании морского дна

Литература: [1; 9; 13; 18, 19]

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 8

Тема: ДЕШИФРИРОВАНИЕ СНИМКОВ ОТДЕЛЬНЫХ РАЙОНОВ МИРОВОГО ОКЕАНА, ПОЛУЧЕННЫХ С ИССКУСТВЕННЫХ СПУТНИКОВ ЗЕМЛИ

Цель работы: провести дешифрование снимков отдельных районов Мирового океана, полученных с искусственных спутников Земли с целью определения речного стока, вихревых образований, зон подъема холодных глубинных вод (апвеллингов) и анализ влияния абиотических факторов на экосистему исследуемых районов.

Задание:

1. Изучить историю развития спутниковых систем

2. Классификация снимков по признакам

3. Выделить области применения снимков, полученных с ИСЗ

4. Освоить методику дешифрирования спутниковых снимков инфракрасного (ИК) диапазона

5. Дешифрировать снимки, полученные с ИСЗ, с целью определения абиотических факторов среды

Материалы и оборудование:Литературные источники; карты температуры воды, полученные с искусственных спутников Земли