авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 11 |
-- [ Страница 1 ] --

Предисловие редактора

перевода

... будет завершено после окончания работы над проектом.

Перевод главы 1 — Николай Колдунов, главы 2 — Николай Колдунов,

главы 3 —

Николай Колдунов, главы 4 — Галина Суркова, Дмитрий Чечин,

главы 5 — редактор перевода, главы 6 — Николай Колдунов, главы 7 —

Николай Колдунов, главы 8 — Николай Колдунов, главы 9 — Настя К.,

редактор перевода, главы 10 — Тронь Александр Анатольевич, главы 11 —

редактор перевода, главы 12 — Павел Файман, главы 13 — редактор пе ревода, главы 14 — Таня Алексеева, редактор перевода, главы 15 — Анна Акимова, главы 16 — редактор перевода, главы 17 — Виктор Колдунов, редактор перевода.

Переводчики искренне благодарны всем, кто внес свои предложения по улучшению качества перевода и сообщал о найденных в нем ошибках. Осо бо следует отметить решающий вклад участника форума oceanographers.ru под псевдонимом Jo.

Текущая версия перевода доступна по адресу:

http://itpo_ru.bitbucket.org/itpo_ru.pdf.

По техническим причинам, файл, полученный по данной ссылке, может оказаться поврежденным. В этом случае следует воспользоваться альтер нативной ссылкой на архив сайта:

http://bitbucket.org/itpo_ru/itpo_ru.bitbucket.org/get/tip.zip.

Сообщить о найденных ошибках, а также внести любые другие пред ложения по улучшению качества учебника или принять участие в их об суждении можно либо на странице форума oceanographers.ru, посвященной данному переводу:

http://www.oceanographers.ru/forum/viewtopic.php?f=2&t=897, либо непосредственно на сайте проекта:

https://bitbucket.org/itpo_ru/itpo_ru.bitbucket.org/issues?

status=new&status=open.

На данном этапе работы над переводом особо важна вычитка глав 14–17, которые пока еще не проверялись никем из специалистов. Также команда переводчиков будет рада любым предложениям по включению в текст све дений о научных результатах, полученных после выхода в свет последней версии оригинала.

Глава Исследовательское путешествие Влияние океана на погоду и климат часто обсуждается в новостях. Кто не слышал об Эль-Ниньо, изменении погоды, Атлантическом сезоне ураганов и штормовых нагонах? Однако, какую именно роль в этих процессах играет океан, и почему нас заботит подобный вопрос?

1.1 Зачем изучать физику океана?

Ответ зависит от наших интересов, которые, в свою очередь, определяют ся тем, как мы используем океан. Следующие три аспекта имеют особую важность:

• Океан — источник пищи. Поэтому мы интересуемся влияющими на него процессами так же, как фермеры — погодой и климатом. Океану не просто присущи некоторые погодные условия, такие как измене ния температуры и течения;

важность этих характеристик в том, что они определяют биологическую продуктивность моря. С другой сто роны, атмосферные условия редко затрагивают плодородие почвы, за исключением разве что небольшого количества азота, фиксируемого молниями.

• Океан используется человеком. Мы строим различные сооружения на побережье или просто в море, транспортируем грузы, добываем нефть и газ, а также отдыхаем: купаемся, катаемся на лодках, рыбачим, за нимаемся серфингом и подводным плаванием. Таким образом, нам интересны процессы, которые влияют на эту деятельность, особенно волны, ветры, течения и температура.

• Океан влияет на погоду и климат: распределение дождей, засух, на воднений, региональный климат и развитие штормов, ураганов и тай фунов. Следовательно, нам интересно взаимодействие океана с атмо сферой, особенно потоки тепла и воды, проходящие через поверхность моря, транспорт тепла океанами, а также их влияние на климат и си ноптическую ситуацию.

4 Глава 1. Исследовательское путешествие Эти темы влияют на выбор объектов изучения. Объекты определяют, что мы меряем, как производим измерения и где. Некоторые процессы ло кальны, такие как разрушение волн на пляже, некоторые — региональны, такие как влияние севера Тихого океана на погоду Аляски, а некоторые — глобальны, такие как влияние океанов на изменение климата и глобальное потепление.

Если эти причины для изучения океана действительно важны, давайте начнём наше исследовательское путешествие. Любому путешествию необ ходим пункт назначения. Какой же следует избрать нам?

1.2 Цели В целом, я надеюсь, что студенты почерпнут из этого учебника представ ление о главных концептуальных схемах (или теориях) физической океано графии, лежащих в её основе, о том, какой путь в процессе их построения довелось пройти науке, а также о причинах их широкого признания. Поми мо этого мы познакомимся с методами, которыми океанографы извлекают закономерности из океана случайностей, и рассмотрим роль эксперимента в океанографии (перефразируя [301, стр. 89]).

В частности, я ожидаю, что читательская аудитория будет в итоге спо собна описать физические процессы, происходящие в океанах и прибреж ных зонах, взаимодействие океана и атмосферы, распределение океанских ветров, течений, потоков тепла и водных масс. В тексте общим идеям уде лено большее внимание, чем математическим выкладкам. Мы постараемся ответить на следующие вопросы:

1. Какова основа нашего понимания физики океана?

• Что такое физические свойства морской воды?

• Каковы важные термодинамические и динамические процессы, влияющие на океан?

• Какие уравнения описывают эти процессы, и как они выведены?

• Какие допущения мы использовали для их вывода?

• Имеют ли эти уравнения полезные решения?

• Насколько хорошо эти решения описывают процесс? То есть, ка ковы экспериментальные основания теорий?

• Какие процессы плохо понятны? Какие — хорошо?

2. Каковы источники информации о физических переменных?

• Какие инструменты используются для измерения каждой пере менной?

• Каковы их точность и ограничения?

• Какие данные существуют за длительный период времени?

• Какая платформа используется: cпутники, корабли, буи, буйко вые станции?

1.3. Организация (структура) 3. Какие процессы важны? Некоторые важные процессы, которые мы будем изучать, включают:

• накопление и транспорт тепла в океанах;

• обмен теплом с атмосферой и роль океана в климате;

• ветровое и температурное воздействие на поверхностный слой пе ремешивания;

• ветровую циркуляцию (включая экмановский перенос, экманов скую подкачку глубинной циркуляции, а также апвеллинг).

• динамику океанических течений (в частности, геострофические течения и роль завихренности);

• формирование типов воды и водных масс;

• глубинную циркуляцию океана;

• экваториальную динамику, Эль-Ниньо и влияние океана на пого ду;

• математические модели циркуляции;

• волны в океане (в том числе поверхностные волны, инерционные колебания, приливы и цунами);

• волны в мелкой воде, прибрежные процессы и предсказание при ливов.

4. Каковы основные течения и водные массы в океане, что определяет их распределение?

1.3 Организация (структура) Перед тем, как начать путешествие, мы обычно стараемся узнать о тех местах, которые собираемся посетить, для чего изучаем карты и путево дители. В нашей книге путеводителями будут статьи и книги, написанные океанографами. Мы начнем с краткого обзора того, что известно об океа нах. Затем продолжим описанием океанских бассейнов, чтобы понять, как форма морей влияет на физические процессы в воде. Далее мы рассмотрим внешние силы, ветер и тепло, действующие на океан, и его отклик на них.

Во время изучения будут изложены необходимые теоретические сведения и представлены натурные данные.

К тому времени, когда мы достигнем главы 7, нам необходимо будет понять уравнения, описывающие динамическую реакцию океана. Так, мы рассмотрим уравнения движения, влияние вращения Земли и вязкости. Это приведёт к изучению ветровых океанических течений, геострофического приближения и важности постоянства вихря.

В дальнейшем мы обсудим некоторые частные примеры: глубинную цир куляцию, экваториальный океан и Эль-Ниньо, а также циркуляцию отдель ных частей океана. Затем рассмотрим роль математического моделирова ния в описании океана. В завершение мы изучим прибрежные процессы, волны, приливы, предсказание волн и приливов, цунами и штормовые на гоны.

6 Глава 1. Исследовательское путешествие 1.4 Общая картина Океан представляет собой одну из частей географической оболочки. Он ока зывает влияние на атмосферные процессы путем переноса массы, момента и энергии через водную поверхность. Речной сток, вместе с растворёнными в нем минеральными веществами, тоже в конечном итоге оказывается в оке ане. Накопленные осадочные материалы со временем становятся скальной породой на суше. Следовательно, понимание океана важно для получения картины всей Земли как системы в целом, так и вопросов глобальной сме ны климата и глобального потепления в частности. На более общем уровне, физическая океанография и метеорология сближаются. Океан обеспечивает обратную связь, замедляющую изменения в состоянии атмосферы.

Я надеюсь, вы обратите внимание на то, что при описании динамики океана мы будем использовать теорию, натурные (эмпирические) данные и численные модели. Их необходимо рассматривать вместе, по отдельности они не самодостаточны.

1. Процессы в океане нелинейны и турбулентны, а теория нелинейных, турбулентных потоков в сложных бассейнах не очень хорошо разви та. Теории, используемые для описания океана — сильно упрощённые приближения реальности.

2. Натурные измерения разбросаны в пространстве и во времени. Они обеспечивают грубое описание усреднённого по времени потока, но большинство процессов во многих регионах ещё мало исследованы.

3. Численные модели включают наиболее реалистичные теоретические идеи, они могут помочь интерполировать натурные исследования во времени и пространстве и используются для предсказания климати ческих изменений, течений и волн. Однако, численные равенства яв ляются приближениями непрерывных аналитических уравнений, опи сывающих жидкий поток;

они не содержат никакой информации о по токе между узловыми точками, в силу чего пока не могут использо ваться для полного описания турбулентного потока, наблюдающегося в океане.

Соединяя теорию и натурные измерения в численных моделях, мы избе гаем сложностей, связанных с их использованием по отдельности (рис. 1.1).

Способы комбинирования этих подходов непрерывно совершенствуются, что ведёт к гораздо более точному описанию океана. Конечная цель — узнать океан так хорошо, чтобы можно было предсказывать будущие перемены в окружающей среде, включая изменения климата или реакцию рыбных ресурсов на перелов.

Объединение теории, натурных исследований и компьютерных моделей относительно молодо. Четыре десятилетия экспоненциального роста вычис лительной мощности привели к появлению массово доступных настольных компьютеров, способных моделировать важные физические процессы и ди намику океана.

Все мы, люди науки, знаем, что компьютер стал важнейшим исследовательским инструментом... научные расчёты достигли 1.5. Дополнительная литература Data Numerical Understanding Prediction Models Theory Рис. 1.1. Данные, численные модели и теория — все это необходимо для по нимания океана. В конечном итоге, понимание устройства системы «океан атмосфера-суша» должно привести к возможности предсказывать ее буду щее состояние.

того уровня, на котором они становятся инструментом научных и инженерных изысканий наравне с лабораторным эксперимен том и математической теорией. [163] Объединение теории, натурных исследований и компьютерных моделей предполагает новый путь развития океанологии. В прошлом океанограф должен был бы сформулировать теорию, собрать данные для её проверки, а затем опубликовать результаты. Теперь задачи стали настолько специали зированными, что мало кто может всё это проделать в одиночку. Немногие преуспели одновременно в построении теорий, сборе данных и разработке численных моделей. Вместо этого всё больше и больше работы делается командами учёных и инженеров.

1.5 Дополнительная литература Если вы знаете об океанах и океанографии не слишком много, я предлагаю вам начать с книги Маклениша, особенно её четвёртой главы, посвящённой «чтению океана». По моему мнению, в ней даётся наиболее полное нетех ническое описание того, как океанографы идут к пониманию океана.

Вы также можете извлечь немало полезных сведений из соответствую щих глав любой океанографической книги начального уровня. Особый ин терес представляют работы таких авторов, как Gross, Pinet, или Segar. Три публикации Открытого Университета, включенные в список литературы, ориентированы на более подготовленного читателя.

• Gross, M. Grant and Elizabeth Gross (1996) Oceanography, A View of Earth. 7th edition. Prentice Hall.

• MacLeish, William (1989) The Gulf Stream: Encounters With the Blue God. Houghton Mifflin Company.

• Pinet, Paul R. (2006) Invitation to Oceanography. 4nd edition. Jones and Bartlett Publishers.

• Open University (2001) Ocean Circulation. 2nd edition. Pergamon Press.

8 Глава 1. Исследовательское путешествие • Open University (1995) Seawater: Its Composition, Properties and Behavior.

2nd edition. Pergamon Press.

• Open University (1989) Waves, Tides and Shallow-Water Processes. Pergamon Press.

• Segar, Douglas A. (2007) Introduction to Ocean Sciences. 2nd edition. W.

W. Norton.

Глава Немного истории Наши знания о существовании океанских течений, ветров и приливов на считывают тысячи лет. Полинезийские мореплаватели совершали торговые путешествия на большие расстояния в Тихом океане уже в 4000 до н. э. [299].

Пифей в 325 до н. э. исследовал Атлантику от Италии до Норвегии. Араб ские торговцы в Средние века использовали свои знания о ветрах и тече ниях в Индийском океане для того, чтобы установить торговые отношения с Китаем, а позже — с Занзибаром на побережье Африки. Связь между Солнцем, Луной и приливами была описана в Сама-веде, одном из свя щенных писаний индуизма ведического периода (2000–1400 до н. э.) [262].

Некоторые океанографы, доверяющие только инструментальным измере ниям, могли бы многому поучиться у тех, кто зарабатывал себе на жизнь в океане.

Современные европейские знания об океане начинаются с исследова тельских экспедиций Бартоломеу Диаша (1487–1488), Христофора Колумба (1492–1494), Васко да Гама (1497–1499), Фернана Магеллана (1519–1522) и многих других. Они заложили основы для появления в начале XVI века глобальных торговых маршрутов, протянувшихся от Испании до Филип пин. Эти маршруты были основаны на хороших знаниях о пассатах, запад ных ветрах и западных прибрежных течениях в Атлантическом и Тихом океанах [46, стр. 192–193].

За первыми европейскими исследовательским экспедициями вскоре по следовали научные, которыми руководили, в частности, Джеймс Кук (1728– 1779) на кораблях «Индевор», «Резольюшен» и «Эдвенчур», Чарльз Дарвин (1809–1882) на «Бигле», сэр Джеймс Кларк Росс и сэр Джон Росс, которые проводили исследования в Арктике и Антарктике с кораблей «Виктори», «Изабелла» и «Эребус», а также Эдвард Форбс (1815–1854), изучавший вер тикальное распределение жизни в океанах. Другие обобщали наблюдения и строили на их основе различные карты, так, Эдмунд Галлей картировал пассаты и муссоны, а Бенджамин Франклин нанёс на карту Гольфстрим.

Медленные корабли XIX и XX веков уступили в конце XX века дорогу спутникам, дрейфующим буям и другим автоматическим приборам. Сейчас спутники исследуют океаны, атмосферу и сушу. Тысячи дрейфующих буев ведут наблюдения на глубинах до двух километров. Полученные с их помо щью данные обрабатываются при помощи численных моделей и позволяют изучать Землю как единую систему. Впервые в истории науки мы получили 10 Глава 2. Немного истории возможность узнать, как биологические, химические и физические системы взаимодействуют между собой и влияют на окружающую среду.

2.1 Определения Долгая история изучения океана привела к появлению различных специ ализированных дисциплин, каждая из которых обладает своими собствен ными интересами и терминологией. Среди этих дисциплин наиболее важны следующие:

Океанография занимается изучением океана как среды. Целью этой на уки является получение количественного описания океана, достаточ ного для того, чтобы с некоторой достоверностью предсказывать его будущее состояние.

Геофизика изучает физику Земли.

Физическая океанография изучает физические характеристики и дина мику океанов. Основными интересами этой науки являются взаимо действие океана с атмосферой, тепловой баланс океана, формирование водных масс, течения и процессы в прибрежных областях. Многими физическая океанография рассматривается как раздел геофизики.

Геофизическая гидродинамика изучает динамику движения жидкости в масштабах, в которых ощущается влияние вращения Земли. Метео рология и океанография используют геофизическую гидродинамику для расчёта полей планетарных течений.

Гидрография занимается составлением морских карт, таких как карты глубины океана, течений, полей плотности в океане и приливов.

Науки о Земле изучают Землю как единую систему, в состав которой входит множество взаимодействующих подсистем, таких как океан, атмосфера, криосфера и биосфера.1 Отдельным важным объектом ис следований служат изменения, происходящие в этих подсистемах под влиянием деятельности человечества.

2.2 Периоды исследований океана Исследование океана можно условно разделить на различные периоды [391].

Рассмотрим эту классификацию, расширив её до конца XX века:

1. Период поверхностной океанографии: с древнейших времён до 1873.

Систематизация наблюдений за ветрами, течениями, волнами, темпе ратурой и другими явлениями, поддающимися наблюдению с палубы корабля. Известными примерами достижений той эпохи служат кар ты пассатов, составленные Галлеем, карта Гольфстрима Франклина и книга Мэтью Фонтейна Мори «Физическая география моря».

1 Научная дисциплина «Earth-system Science» пока не имеет точного аналога в русско язычной номенклатуре;

как следствие, общепринятый перевод её названия также отсут ствует. — Прим. перев.

2.2. Периоды исследований океана 2. Период глубоководных исследований: 1873–1914. Различные по значи мости океанографические экспедиции, цель которых — выяснение по верхностных и глубинных характеристик океана возле колониальных земель. Важнейший пример — экспедиция «Челленджера» (рис. 2.1), но можно назвать также экспедиции «Газели» и «Фрама».

60 o 40 o 20 o 0o -20 o -40 o -60 o -60 o 0o 60 o 120 o 180 o -120 o Рис. 2.1. Пример экспедиции периода глубоководных исследований. Путь «Челленджера» (Великобритания) в ходе экспедиции 1872–1876 гг. Wust (1964).

3. Период национальных систематических исследований: 1925–1940. Как примеры можно привести изучение Атлантики «Метеором» (рис. 2.2) и экспедицию «Дискавери».

4. Период новых методов: 1947–1956. Долговременные исследования с использованием новых инструментов (рис. 2.3). Как пример можно привести сейсмическое изучение Атлантики с судна «Вема», в резуль тате которого Б. Хейзеном были составлены карты морского дна.

5. Период международной кооперации: 1957–1978. Многонациональные исследования океана и происходящих в нем процессов. Примеры: Про грамма Атлантический Полярный Фронт (Atlantic Polar Front Program), рейсы NORPAC, рейсы в ходе Международного геофизического года и Международной декады изучения океана (рис. 2.4), исследования с одновременным участием нескольких десятков кораблей — экспери менты MODE, POLYMODE, NORPAX и JASIN.

6. Эра спутников: 1978–1995. Глобальное изучение океанических про цессов из космоса. Примеры: Seasat, NOAA 6–10, NIMBUS-7, Geosat, Topex/Poseidon, ERS-1 и ERS-2.

7. Эра изучения Земли как системы: 1995–. Изучение в глобальных мас штабах взаимодействия биологических, химических и физических про цессов в океане, атмосфере и на суше с использованием численных моделей и входных данных для них, полученных как in situ (то есть, непосредственно в океане), так и из космоса. В случае океана это World 12 Глава 2. Немного истории 60 o 40 o 20 o XII XIV XII X IX 0o XI VII VI -20 o VII II IV -40 o I Stations III Anchored Stations V -60 o Meteor 1925– -80 o -60 o -40 o -20 o 0o 20 o 40 o Рис. 2.2. Пример экспедиции периода национальных систематических ис следований. Путь НИС «Метеор» (Германия) [391].

Ocean Circulation Experiment (WOCE) (рис. 2.5) и Topex/Poseidon (рис. 2.6), Join Global Ocean Flux Study (JGOFS), Global Ocean Data Assimilation Experiment (GODAE), а также спутники SeaWiFS, Aqua и Terra.

2.3 Вехи в понимании океана Что же удалось узнать об океане в ходе исследовательских программ и экспедиций, упомянутых в предыдущем разделе? Перечислим некоторые ключевые достижения, начиная с XVII в. Сначала прогресс был очень мед 2.3. Вехи в понимании океана 60 o 40 o 20 o 0o -20 o -40 o -100 o -80 o -60 o -40 o -20 o 0o 20 o Рис. 2.3. Пример экспедиции периода новых методов: путь НИС «Атлантис»

(Океанографический институт в Вудсхоле) [391].

ленным. Первые простые, но очень важные в перспективе наблюдения бы ли сделаны учёными, которые не считали себя океанографами, если такой термин в те времена вообще существовал. В дальнейшем пришла пора бо лее детальных описаний и океанографических экспериментов, проделанных учёными, специализирующимися именно на изучении океана.

1685 Эдмунд Галлей опубликовал результаты проведенного изучения оке анской системы ветров и течений в работе «Историческая оценка пас сатов и муссонов, наблюдаемых в морях между и вблизи тропиков, и попытка установить физическую причину возникновения названных ветров» («An Historical Account of the Trade Winds, and Monsoons, observable in the Seas between and near the Tropicks, with an attempt to assign the Physical cause of the said Winds», Philosophical Transactions, 16: 153–168).

1735 Джордж Гадлей изложил свою теорию возникновения пассатов, осно ванную на сохранении углового момента, в статье «О причинах воз никновения пассатов» («Concerning the Cause of the General Trade Winds», Philosophical Transactions, 39: 58–62).

14 Глава 2. Немного истории 60 o Dis cov ery II Dis cov ery II ery II Discov 40 o Crawford Chain Discovery II Atlantis Discovery II o Atlantis Crawford Crawford Crawford 0o Crawford Crawford Crawford -20 o Crawford Atlantis -40 o Capt. Canepa Atlantic I.G.Y.

Capt. Canepa Program 1957– -60 o -40 o -60 o 40 o -80 o -20 o -0 o 20 o Рис. 2.4. Пример экспедиций периода международной кооперации: измере ния, проведённые в ходе Атлантической программы Международного гео физического года 1957–1959 гг. [391].

1751 Генри Эллис провёл в районе тропиков первое измерение температу ры на глубине и обнаружил под тёплым поверхностным слоем холод ные воды, что указывало на их полярное происхождение.

1769 Бенджамин Франклин во время работы почтмейстером создал первую карту Гольфстрима на основе информации о маршрутах кораблей, курсирующих между Англией и Новой Англией, собранной его ку зеном Тимоти Фолгером (рис. 2.7).

1775 Лаплас публикует свою теорию приливов.

2.3. Вехи в понимании океана Indian Pacific Atlantic 80 o 60 o 2 18 40 o 4 22 5 26 o 20 20 28 8 9 10 11 6 1 30 14 15 16 17 18 15 o 0 7 7N 8 8N 9N 10 20 -20 o 10 5 11S -40 o 8S 9S 6 7S 23 12 S4 14S S4 -60 o S4 o 60 o 100 140 o 20 o -80 o -40 o 0 o o 180 o -140 o - -80 o Committed/completed Рис. 2.5. Эксперимент по исследованию циркуляции мирового океана (WOCE): пути НИС, осуществлявших одновременное глобальное исследо вание мирового океана (по данным World Ocean Circulation Experiment).

1800 Граф Румфорд предлагает вариант меридиональной циркуляции оке ана, в которой вода опускается на глубину возле полюсов и поднима ется на поверхность возле экватора.

1847 Мэтью Фонтейн Мори публикует первую карту ветров и течений, ос нованную на судовых записях. Мори стал первопроходцем практики международного обмена данными об окружающей среде;

он предла 60 o 40 o 20 o 0o -20 o -40 o -60 o 160 o -160 o -120 o 120 o 180 o -80 o -40 o Рис. 2.6. Пример периода изучения Земли, как системы: трассы спутни ка Topex/Poseidon над Тихим океаном за период 10 дней (по данным Topex/Poseidon Project).

16 Глава 2. Немного истории Рис. 2.7. Карта Гольфстрима Франклина и Фолгера (1786 г.).

гал за сведения из судовых журналов карты и таблицы, составленные на их основе.

1872–1876 Экспедиция «Челленджера», которая ознаменовала начало си стематического изучения биологии, химии и физики океанов.

1885 Пильсбери произвёл прямые измерения Флоридского течения с за якоренного корабля.

1903 Основание Морской биологической ассоциации Сан-Диего. Позднее она стала Институтом океанографии имени Скриппса в составе Кали форнийского университета.

1910–1913 Вильгельм Бьеркнес опубликовал книгу «Динамическая метео рология и гидрография» (Dynamic Meteorology and Hydrography), за ложившую основы геофизической гидродинамики. В ней он развива ет понятия фронтов, динамического метра, геострофических течений, взаимодействия океана и атмосферы, циклонов.

1930 Основание Океанографического Института в Вудсхоле.

1942 Публикация Свердрупом, Джонсоном и Флемингом труда «Океаны»

(«The Oceans»), первого всеобъемлющего обзора океанографических знаний.

2.3. Вехи в понимании океана После 2-й Мировой Войны Потребность в средствах обнаружения под водных лодок привела к тому, что военно-морские силы многих госу дарств существенно расширили свои программы по изучению моря.

В связи с этим были открыты кафедры океанографии в различных университетах, включая Орегонский и Техасский университеты, уни верситет Майами, университет Род-Айленда, а также созданы океано графические институты и лаборатории в других странах.

1947–1950 Свердруп, Стоммел и Манк публикуют свои теории ветровой циркуляции океана. Вместе эти три работы заложили основы нашего понимания океанской циркуляции.

1949 Начало изучения Калифорнийского течения в рамках программы California Cooperative Fisheries Investigation of the California Current, которая стала самым детальным исследованием прибрежного течения из когда либо проводившихся.

1952 Кромвелл и Монтгомери открывают экваториальное противотечение в Тихом океане.

1955 Брюс Хамон и Нейл Браун разрабатывают зонд CTD, предназначен ный для измерения электропроводности и температуры как функции глубины.

1958 Стоммел публикует свою теорию глубинной циркуляции океана.

1963 Корпорация «Сиппикан» (Тим Фрэнсис, Вильям Ван Аллен Кларк, Грэхем Кемпбелл и Сэм Фрэнсис) изобретает отрывной батитермо граф XBT (Expendable BathyThermograph), который в настоящее вре мя является, наверное, самым широко используемым океанографиче ским прибором в мире.

1969 Кирк Брайен и Майкл Кокс разрабатывают первую численную мо дель океанской циркуляции.

1978 NASA запускает первый океанографический спутник Seasat. Техно логии, разработанные в ходе этого проекта, использовались последу ющими поколениями спутников дистанционного зондирования.

1979–1981 Терри Джойс, Роб Пинкель, Ллойд Ригер, F. Rowe и J. W.

Young занимаются разработками, которые в итоге привели к созданию акустического доплеровского профилографа течений — популярного среди океанографов инструмента, предназначенного для измерения скорости поверхностных течений с движущихся судов.

1988 NASA Earth System Science Committee, возглавляемый Фрэнсисом Брезертоном, показал в общих чертах взаимосвязь всех систем Земли.

Тем самым были разрушены барьеры, разделяющие традиционную астрофизику, экологию, геологию, метеорологию и океанографию.

1991 Уолли Брокер предполагает, что изменения в глубинной циркуляции океанов регулируют наступление ледниковых периодов, и что глубин ная циркуляция в Атлантике может быть нарушена, в результате чего северное полушарие погрузится в новый ледниковый период.

18 Глава 2. Немного истории Murman Greenland Irminger Arctic Circle Norway North Atlantic o 60 drift Alaska Oyeshio Labrador 45 o Gulf North Pacific California Stream Kuroshio Florida 30 o Canaries 15 o North Equatorial Guinea N. Eq. C.

Equatorial Countercurrent Somali N. Eq. C.

Equator C.C.

0o South Equatorial S. Eq. C. Eq.C.C.

-15 o Benguala S. Eq. C.

Brazil East Australia Peru Agulhas West Australia o -30 or Humboldt -45 o Falkland West wind drift or West wind drift Antarctic Circumpolar -60 o or Antarctic Circumpolar warm currents N. north S. south Eq. equatorial cool currents C. current C.C. counter current Рис. 2.8. Осреднённая по времени поверхностная циркуляция океана в се верном полушарии в зимний период, построенная на основе данных, полу ченных за столетие океанографических экспедиций [350].

1992 Рас Дэвис и Даг Вебб изобретают автономный погружающийся буй, способный постоянно измерять течения на глубине до 2 км.

1992 NASA и CNES разрабатывают и запускают спутник Topex/Poseidon, который картирует океанские поверхностные течения, волны и при ливы каждые 10 дней. Полученные при этом данные совершили рево люцию в нашем понимании океанской динамики и приливов.

1993 Команда учёных проекта Topex/Poseidon публикует первые точные глобальные карты приливов.

Более полная информация об истории физической океанографии до ступна в Приложении А работы фон Аркса (W.S. von Arx) «An Introduction to Physical Oceanography» [365].

Данные, накопленные в течении веков океанских экспедиций, были ис пользованы для составления исчерпывающего описания океана. В большин стве работ рассматривалось его устойчивое состояние, течения, как поверх ностные так и глубинные, а также его взаимодействие с атмосферой. Систе ма научных знаний на данном уровне сложилась в целом к началу 1970-х.

Рис. 2.8 демонстрирует пример достижений того времени;

он изображает поверхностную циркуляцию океана. В более поздних работах делается по пытка описать динамические процессы в океане для того, чтобы научиться предсказывать его годовую и межгодовую изменчивость, а также понять роль океана в глобальных процессах.

2.4. Эволюция некоторых теоретических представлений 2.4 Эволюция некоторых теоретических пред ставлений Теоретическое понимание океанических процессов основано на классиче ской физике, объединённой со всё более развивающимися представлениями о хаотических системах в математике и их применением к теории турбу лентности. Даты, приведенные ниже, приблизительны.

XIX век Становление аналитической гидродинамики. Кульминацией это го процесса считается труд Ламба «Гидродинамика». Бьеркнес пред лагает геострофический метод, широко используемый в метеорологии и океанографии.

1925–40 Разработка теорий турбулентности на основе аэродинамики и по нятия длины смешения турбулентного потока. Работы Прандтля и фон Кармана.

1940–1970 Развитие теорий турбулентности на базе статистических корре ляций и понятия однородной изотропной турбулентности. Книги Бэт челора [11], Хинце [115] и других.

1970– Численные исследования турбулентной геофизической гидродина мики при помощи выскопроизводительных компьютеров.

1985– Механика хаотических процессов. Её применение к гидродинами ке лишь начинается. Большинство процессов движения в атмосфере и океане могут быть непредсказуемыми по своей природе.

2.5 Роль наблюдений в океанографии На основе приведенного выше небольшого обзора теоретических основ оке анологии можно предположить, что наблюдения очень важны для пони мания океана. В самом деле, теория поведения жидкости во вращающей ся системе координат с учётом конвекции, ветрового воздействия и турбу лентности никогда не была развитой настолько, чтобы предсказать важные свойства процессов циркуляции в океане до их обнаружения на практике.

Почти всегда для понимания океанических процессов учёные обращаются к наблюдениям.

Может создаться впечатление, что многочисленные экспедиции, прове дённые с 1873 г., должны дать хорошее описание мирового океана. Их ре зультаты действительно впечатляют: cотни экспедиций были проведены во всех океанах. Но, несмотря на это, большая часть океана исследована слабо.

К 2000 г. большинство районов океана исследовалось от поверхности до дна только один раз. Некоторые районы, такие как Атлантика, исследова лись выборочно трижды: в течение Международного геофизического года (1959), во время Geochemical Sections cruises в начале 1970-х и в ходе World Ocean Circulation Experiment с 1991 по 1996 гг. К сожалению, выборки по всем районам не являются репрезентативными (подробнее об ошибках вы борочного обследования см. врезку). Наших измерений океана недостаточно для того, чтобы предсказывать его изменчивость и реакцию на различные 20 Глава 2. Немного истории внешние воздействия. Отсутствие репрезентативных наблюдений — наи больший источник ошибок в нашем понимании океана.

Нехватка эмпирических данных служит весьма частой причиной суще ственных концептуальных ошибок:

«Отсутствие фактического подтверждения трактовалось как подтверждение отсутствия.» Высокая сложность наблюдений за происходящими в океане явлениями вела к тому, что фе номен, который не удалось наблюдать, считался несуществую щим вообще. По мере увеличения возможностей, нашему взгляду всё отчетливее открывается сложность и тонкость происходяще го. [389] Как следствие, наше понимание океанических процессов зачастую слишком упрощено, чтобы быть верным.

2.5. Роль наблюдений в океанографии Ошибка выборочного обследования Ошибки выборочного обследования считаются в геонауках самым большим источником проблем. Причиной их служит использование наборов данных, не репрезентативных по отношению к генеральной совокупности измеря емой переменной. Генеральная совокупность — это набор всех возможных измерений, а наши измерения — выборка из генеральной совокупности соот ветственно. Мы предполагаем, что каждое измерение сделано с абсолютной точностью.

Чтобы понять, допущена ли ошибка выборочного обследования, требует ся прежде всего точно сформулировать проблему, которую предполагается исследовать. Тем самым задаётся генеральная совокупность. Затем следует выяснить, представляют ли измерения данную совокупность. Оба эти шага необходимы.

Допустим, нам требуется измерить среднегодовую температуру поверх ности океана, чтобы определить, идёт ли глобальное потепление. Для этой проблемы генеральной совокупностью являются всевозможные измерения поверхностной температуры во всех регионах и во все месяцы. Для того, чтобы выборочное и реальное среднее совпадали, измерения должны быть однородно распределены на протяжении года и по всей площади океана;

также они должны быть достаточно плотными для того, чтобы включать в себя все важные процессы изменчивости в пространстве и во времени. Это невозможно. Корабли обходят районы штормов, такие как высокие широты зимой, в силу чего корабельные измерения не могут представлять генераль ную совокупность поверхностных температур. Спутники не в состоянии однородно измерять поверхностную температуру на протяжении дневного цикла, а спутниковым наблюдениям за температурой в высоких широтах зимой мешают постоянные облака;

тем не менее в большинстве регионов они обеспечивают измерения, однородные по пространству на протяжении года. Если дневная изменчивость мала, спутниковые данные будут более репрезентативными, чем данные с судов.

Исходя из вышесказанного ясно, что океанологические наблюдения ред ко представляют собой генеральную совокупность переменной, которую мы хотим изучать, и ошибка выборочного обследования неминуема.

Определяя ошибку выборочного обследования, мы должны чётко для себя разделять ошибку выборочного обследования и инструментальную. В самом деле, инструментальная ошибка происходит вследствие неточности инструмента, а ошибка выборочного обследования обусловлена невозмож ностью провести измерения. Рассмотрим пример, приведённый выше: опре деление средней температуры на поверхности. Если измерения производят ся с судов при помощи термометров, каждое измерение обладает неболь шой ошибкой, поскольку термометры не идеальны. Это инструментальная ошибка. С другой стороны, если судно зимой не заходит в высокие широты, то отсутствие измерений в высоких широтах зимой — ошибка выборочного обследования.

Участники метеорологического проекта Tropical Rainfall Mapping Mission исследовали ошибку выборочного обследования на примере измерений ко личества осадков. Их результаты являются общими и могут быть примене ны к другим переменным. Интересующимся этой проблемой можно посове товать обратиться к [233].

22 Глава 2. Немного истории Выбор массива океанологических данных. Большинство существу ющих океанологических данных организовано в большие массивы. Напри мер, спутниковые данные обрабатываются и распространяются группами учёных, сотрудничающими с NASA. Данные с судов и собираются, и клас сифицируются другими коллективами. В настоящее время океанографы в своей деятельности всё больше и больше полагаются на данные, собранные другими.

Каждый, кто собирается работать как с публичными, так и с закры тыми наборами данных, полученными другими исследователями, должен предварительно выяснить следующее:

1. Насколько точны эти данные?

2. Каковы ограничения этого набора данных?

3. Как он согласуется с другими?

Далее будут изложены несколько основополагающих принципов, кото рыми следует руководствоваться при работе с такими данными.

1. Используйте хорошо документированные наборы данных. Полностью ли документация описывает источники измерений, шаги, проведенные при обработке данных, и критерии, согласно которым отбрасывались неверные значения? Включает ли набор данных номер версии, позво ляющий прослеживать изменения?

2. Пользуйтесь проверенными (валидированными) данными. Хорошо ли задокументирована точность данных? Определялась ли точность, ис ходя из сравнения с другими измерениями той же переменной? Была валидация глобальной или региональной?

3. Используйте данные, которые уже применялись другими, и на кото рые ссылаются в научных статьях. Широкая популярность некото рых наборов данных вполне обоснованна. Те, кто получил эти данные, использовали их в своих публикациях, и другие учёные им доверяют.

4. И наоборот, не следует пользоваться данными только потому, что они легко доступны. Известен ли источник данных? Например, сейчас доступно много версий электронных карт морского дна на 5-мильной сетке. Некоторые из них основаны на первых данных, полученных U.S.

Defense Mapping Agency, а другие — на данных со спутника ETOPO 5. Не полагайтесь на мнение коллег об источнике данных. Найдите документацию. Если документации нет, ищите другие данные.

Планирование эксперимента. Наблюдения очень важны для океано графии, но они дороги, так как корабельное время дорого и спутники тоже удовольствие не из дешёвых. Поэтому океанографический эксперимент дол жен быть тщательно спланирован. Рассказ о планировании эксперимента не совсем уместен в главе об истории, но, возможно, эта тема заслуживает нескольких коротких замечаний, так как она нечасто упоминается в кни гах по океанографии, хотя ей уделяется много внимания в текстах, посвя щённым другим наукам. Планирование эксперимента чрезвычайно важно, 2.5. Роль наблюдений в океанографии поскольку неправильно спланированный эксперимент приводит к сомни тельным результатам, в ходе него могут измеряться не те переменные или вообще получаться бесполезные данные.

Первый и наиболее важный аспект в планировании любого эксперимен та: перед тем, как будет принято решение, что и как будет измеряться, следует понять, зачем требуется проводить данные измерения.

1. Какова цель наблюдений: проверка гипотезы или описание процесса?

2. С какой точностью следует проводить измерения?

3. Какое пространственное и временное разрешение необходимо? Какова продолжительность измерений?

Рассмотрим, например, как цель измерений будет определять способ, ко торым следует проводить измерения температуры и солёности как функции глубины.

1. Если, например, в нашу задачу входит описание водных масс в каком нибудь океанском бассейне, тогда раз в 20–50 лет требуется проводить измерения с вертикальным разрешением 20–50 м и горизонтальным — 50–300 км.

2. Если же целью является описание вертикального перемешивания в open equatorial Pacific, тогда необходимо проводить измерения с вер тикальным разрешением 0.5–1.0 мм и расстоянием между станциями наблюдений 50–1000 км каждый час в течение многих дней.

Точность, прецизионность и линейность. Поскольку зашла речь об экспериментах, будет уместным представить три концепции, которые пона добятся нам на протяжении всей книги, когда мы будем касаться экспери ментирования: точность, прецизионность и линейность измерений.

Точность — это разница между измеренным и истинным значением.

Прецизионность — это разница между повторяющимися измерениями. Разницу между точностью и прецизионностью обычно иллюстрируют на простом примере стрельбы из винтовки по мишени. Точностью в данном случае будет среднее расстояние между центром мишени и местом попада ния, а прецизионностью — среднее расстояние между попаданиями. Таким образом, десять попаданий могут быть сгруппированы внутри круга с диа метром 10 см с центром, отстоящим от центра мишени на 20 см. Тогда точность будет равняться 20 см, а прецизионность — 5 см.

Линейность — линейная зависимость результата измерений от изме ряемой величины. Нелинейные инструменты могут реагировать на измен чивость входного сигнала добавлением ложной постоянной компоненты в результат измерений, что, в свою очередь, приводит к неверным средним 2 Термин «прецизионность» появился в русскоязычной научной литературе сравни тельно недавно, после принятия в 2002 г. ГОСТ Р ИСО 5725 «Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений». Следует также отметить, что автор использует термин «точность» там, где согласно стандарту следует употреблять термин «правильность». — Прим. перев.

24 Глава 2. Немного истории значениям. Нелинейность может быть так же важна, как и точность. На пример, пусть Выход = Вход + 0.1(Вход) Вход = a sin t Тогда Выход = a sin t + 0.1(a sin t) 0.1 2 0.1 a Выход = a sin t + 2a cos 2t 2 Обратите внимание на то что среднее значение входа — нуль, в то время как выход этого нелинейного инструмента имеет среднее значение 0.05a2 плюс такой же член, умноженный на косинус с удвоенной частотой. В целом, если вход обладает частотами 1 и 2, то выход нелинейного инструмента имеет частоты 1 ± 2. Линейность особенно важна в случае, когда инструмент должен измерять среднее значение турбулентной переменной. Например, когда мы измеряем течения на небольшой глубине у поверхности, где вет ры и волны вызывают большую изменчивость течений, нам необходимы «линейные» измерители течения.

Чувствительность к другим переменным. Ошибки могут быть свя заны с влиянием других переменных. Например, результаты измерения электропроводности чувствительны к температуре. Таким образом, ошибки при измерении температуры в солемере приводят к ошибкам в измеренных значениях электропроводности и солёности.

2.6 Важные концепции Автор надеется, что из сказанного выше читатели сделали следующие вы воды:

1. Океан изучен не очень хорошо. Всё, что мы о нём знаем, основано на информации, собранной за период океанографических экспедиций, насчитывающий чуть больше века и дополненной данными спутников, накопленными с 1978 г.

2. Базовых знаний об океане, накопленных ранее, достаточно для того, чтобы описать его циркуляцию, осреднённую по времени, в то время как более современные работы уже начинают затрагивать также его изменчивость.

3. Наблюдения важны для понимания океана. Немногие процессы были предсказаны теоретически до того, как наблюдались.

4. Нехватка эмпирических данных ведёт к представлениям об океаниче ских процессах, которые зачастую слишком упрощены и даже невер ны.

5. Океанографы всё больше и больше полагаются на наборы данных, по лученные другими. Эти данные обладают ошибками и ограничениями, которые требуется знать и понимать перед их использованием.

2.6. Важные концепции 6. Планирование эксперимента по меньшей мере так же важно, как его проведение.

7. Ошибки выборочного обследования появляются тогда, когда наблю дения не отображают изучаемый процесс. Эти ошибки — наибольший источник проблем в океанографии.

8. На данном этапе почти все наблюдения производятся при помощи спутников, дрейфующих буев и других автоматических инструмен тов. Роль судовых наблюдений неуклонно снижается.

26 Глава 2. Немного истории Глава Физические параметры океана Земля имеет форму сжатого у полюсов эллипсоида вращения с экватори альным радиусом Re = 6 378.1349 км [376], который немного больше полярного радиуса Rp = 6 356.7497 км.

Эта разница образуется за счёт вращения Земли.

Расстояния на земной поверхности измеряются в различных единицах;

наиболее распространёнными являются градусы широты и долготы, метры, мили и морские мили. Широта — это угол между вертикалью на местности и экваториальной плоскостью. Меридиан — это линия пересечения земной поверхности с плоскостью, перпендикулярной экваториальной плоскости и проходящей через ось вращения Земли. Долгота — это угол между нулевым меридианом и любым другим, где нулевым является меридиан, проходящий через Королевскую Гринвичскую обсерваторию в Англии. Таким образом, долгота измеряется на восток и запад от Гринвича.

За исключением экватора, градус широты на земной поверхности по длине отличается от градуса долготы. Широта измеряется вдоль большого круга с радиусом R, где R — средний радиус Земли. Долгота измеряет ся на окружностях с радиусом R cos(), где — широта. Таким образом, 1 широты = 111 км, а 1 долготы = 111 cos() км.

Так как расстояние в градусах долготы не постоянно, океанографы из меряют расстояние на картах, используя градусы широты.

И морские мили, и метры исторически связаны с размерами Земли. В 1670 г. Габриэль Мутон предложил десятичную систему измерений, осно ванную на одной минуте дуги большого круга Земли. Длина этой дуги позд нее вошла в определение морской мили, а предложение Мутона привело к созданию метрической системы, основанной на другой единице длины — метре, который первоначально предполагался равным одной десятимилли онной расстояния от экватора до полюса вдоль Парижского меридиана.

Хотя от взаимосвязи морских миль и метров с размерами Земли вскоре 28 Глава 3. Физические параметры океана отказались, ввиду её непрактичности, погрешность приближённых значе ний, вычисленных таким образом, достаточно мала. В самом деле, пусть длина меридиана1 приближенно равна 40 008 км. Отсюда одна десятимил лионная длины квадранта (дуги, составляющей четверть окружности) рав на 1.0002 м. В случае морской мили поступаем аналогично: поделив длину меридиана на 360 60 = 21600 угловых минут, получаем 1.8522 км. Дан ное значение очень близко к официальному определению международной морской мили: 1 миля 1.852 км.

3.1 Океаны и моря Будем полагать, что существует единый мировой океан, условно поделен ный на три именованные части, также называемые «океанами»: Атлантиче ский, Тихий и Индийский. Границы океанов задаются соглашениями, при нятыми Международной гидрографической организацией [129]. Моря, ко торые считаются частью океанов, определяются различными способами;

мы рассмотрим два из них.

Атлантический Океан (рис. 3.1) расположен к северу от Антарктиды и включает Арктическое море2, европейское Средиземноморье и аме риканское Средиземноморье (Карибское море). Границей между Ат лантическим и Индийским океанами является меридиан мыса Иголь ный (20 в. д.). Граница между Атлантическим и Тихим океанами на юге — линия между мысом Горн и Южными Шетландскими остро вами, а на севере — Берингов пролив, отделяющий Тихий океан от Арктического моря, входящего в состав Атлантического океана.

Тихий Oкеан (рис. 3.2) простирается к северу от Антарктиды до Берин гова пролива. Граница между Тихим и Индийским океаном лежит на линии, проходящей от Малайского полуострова через Суматру, Яву, Тимор, австралийский мыс Лондондерри и Тасманию, а от Тасмании до Антарктиды — на меридиане мыса Северо-Восточный (147 в. д.).

Индийский Океан (рис. 3.3) простирается от Антарктиды до Евразий ского континента, включая в себя Красное море и Персидский залив.

Некоторые авторы используют название Южный океан для вод вокруг Антарктиды. Существуют различные типы морей. Мы ограничимся двумя:

Средиземные моря большей частью окружены сушей. Согласно этому определению, Арктическое и Карибское моря — средиземные, Аркти ческое cредиземное и Карибское cредиземное.

1 Найденная как периметр эллипса с большой и малой полуосями, равными R и R e p соответственно. — Прим. перев.

2 Существуют различные мнения о том, следует ли считать Северный Ледо витый океан морем в составе Атлантического океана (как это делает автор), ли бо отдельным океаном (согласно действующей в настоящий момент 3-й редакции стандарта Международной гидрографической организации Limits of oceans and seas, http://www.iho.shom.fr/publicat/free/files/S23_1953.pdf). — Прим. перев.

3 Южный океан включен в проект очередной, 4-й редакции стандарта (http://www.iho-ohi.net/mtg_docs/com_wg/S-23WG/S-23WG_Misc/Draft_2002/Draft_2002.htm).


— Прим. перев.

3.2. Размеры океанов 90 o 60 o 30 o -30 -60 o -90 o -40 o 0o 40 o -80 o -4000 -3000 -1000 -200 Рис. 3.1. Атлантический океан в равновеликой проекции Эккерта VI. Глу бины (в метрах) приведены согласно набору данных ETOPO 30. Изоба та 200 м показывает границу континентального шельфа.

Окраинные моря определяются только изрезанностью побережья. При мерами окраинных морей являются Аравийское и Южно-Китайское моря.

3.2 Размеры океанов Океаны и моря покрывают 70.8% земной поверхности, что составляет 361 254 000 км2.

Площади океанов значительно различаются (табл. 3.1):

181.34 106 км Тихий Океан Атлантический Океан 106.57 106 км 74.12 106 км Индийский Океан Горизонтальные размеры океанов изменяются от 1500 км — минималь ной ширины Атлантического океана, до 13000 км — его протяженности с севера на юг либо ширины Тихого океана. При этом типичные глуби ны составляют 3–4 км. Таким образом, горизонтальные размеры океанских 30 Глава 3. Физические параметры океана 90 o 60 o 30 o 0o -30 o -60 o -90 o 160 o -160 o -120 o -80 o 120 o -4000 -3000 -200 - Рис. 3.2. Тихий океан в равновеликой проекции Эккерта VI. Глубины (в метрах) приведены согласно набору данных ETOPO 30. Изобата 200 м по казывает границу континентального шельфа.

бассейнов в 1000 раз больше, чем вертикальные. Масштабы Тихого океана можно представить себе с помощью обычного листа бумаги 8.511 дюймов:

задав коэффициент масштабирования 10 дюймов = 10 000 км, получим, что ширина океана сравнима с размерами листа, а глубина в 3 км, которая в выбранном масштабе равна 0.003 дюйма, соответствует типичной толщине листа.

Таким образом, графики поперечного сечения океана для удобства ис пользования должны иметь сильно преувеличенный вертикальный масштаб.

Как правило, его выбирают в 200 раз большим, чем горизонтальный (рис. 3.4).

Это преувеличение искажает наши представления об океане. Края океани ческих бассейнов (континентальные склоны), которые на рис. 3.4 выглядят крутыми обрывами (41 з. д., 12 в. д.), на самом деле представляют собой пологие склоны, понижающиеся на 1 м по вертикали на каждые 20 м по горизонтали.

Малое отношение глубин океанических бассейнов к их ширине также иг рает важную роль в теории океанских течений. Так, вертикальные скорости 3.3. Элементы рельефа 30 o 0o -30 o -60 o -90 o 40 o 80 o 120 o -4000 -3000 -1000 - Рис. 3.3. Индийский океан в равновеликой проекции Эккерта VI. Глубины (в метрах) приведены согласно набору данных ETOPO 30. Изобата 200 м показывает границу континентального шельфа.

должны быть гораздо меньше, чем горизонтальные. Даже на расстояниях порядка нескольких сотен километров вертикальные скорости должны со ставлять менее 1% горизонтальных. Мы используем эту информацию позже для того, чтобы упростить уравнение движения.

В то же время, относительно малые вертикальные скорости существенно влияют на турбулентность. Трёхмерная турбулентность по своей природе сильно отличается от двумерной. В двумерной турбулентности вихревые линии всегда должны быть вертикальны, так что растяжение вихря неве лико. С другой стороны, в трёхмерном случае растяжение вихря играет фундаментальную роль.

3.3 Элементы рельефа Земная кора делится на два типа: сравнительно тонкая (около 10 км), но более плотная океаническая и более толстая (около 40 км), но менее плот ная континентальная. Участки коры континентального типа погружаются в более плотное вещество мантии не так глубоко, как участки океаниче ского типа, так что средняя высота их поверхности относительно уровня моря имеет два различных значения: континенты в среднем возвышаются на 1100 м, а дно океанов погружено на 3400 м (рис. 3.5).

Объём воды в океанах превышает объём океанических бассейнов, так что её часть покрывает низменные окраины континентов. Образующие 32 Глава 3. Физические параметры океана Depth (km) - - - -45 o -30 o -15 o 0o 15 o Longitude 6k m m 6k -45 o -30 o -15 o 0o 15 o Рис. 3.4. Профиль дна в южной Атлантике вдоль 25 ю. ш., демонстрирую щий континентальный шельф Южной Америки, подводную гору (35 з. д.), Срединнo-Атлантический хребет (14 з. д.), хребет Вальвис (6 в. д.) и уз кий континентальный шельф Южной Африки. Вверху: масштаб по вер тикали увеличен в соотношении 180:1. Внизу: масштаб по вертикали уве личен в соотношении 30:1. Если нарисовать график в действительных про порциях, то он будет тоньше, чем линия, обозначающая поверхность моря на нижнем графике.

ся при этом мелководные моря называются континентальным шельфом.

Ширина некоторых из них (например, Южно-Китайского моря) превосхо дит 1100 км, а типичная глубина большинства сравнительно невелика: 50– 100 м. Наиболее важными участками шельфа считаются Восточно-Китайское море, Берингово море, Северное море, Большая Ньюфаундлендская банка, Патагонский шельф, Арафурское море и залив Карпентария, а также Си бирский шельф. Мелководные моря помогают рассеиванию (диссипации) приливов, они часто являются зонами высокой биологической продуктив ности и, как правило, входят в исключительные экономические зоны близ лежащих стран.

Земная кора разделена на большие плиты, которые движутся относи тельно друг друга. Новая кора создаётся в срединно-океанических хреб тах, а старая исчезает в глубоководных желобах. Относительное движе ние литосферных плит порождает большое количество элементов морского дна. Эти элементы, изображённые на рис. 3.6, включают в себя срединно океанические хребты, глубоководные желоба, котловины и островные дуги.

Названия элементов рельефа морского дна утверждены Международной гидрографической организацией, а определения, приведенные ниже, дают ся согласно работам [336], [304] и [62].

Котловина Понижение морского дна, напоминающее по своей форме круг или овал.

Каньон Относительно узкая глубокая долина с крутыми склонами, про 3.3. Элементы рельефа Frequency (% Area) 0.00% 0.50% 1.00% 1.50% 2.00% 2.50% 3.00% 3.50% 4.00% 4.50% 5.00% 10, 8, 6, 4, Elevation (meters) 2, -2, -4, -6, -8, -10, 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Cumulative (% Area) Рис. 3.5. Гистограмма превышений суши и глубины дна океана в процент ном отношении к площади Земли in 100 m intervals. Видно явное различие между континентами и морским дном. Кривая кумулятивной плотности представляет собой интеграл, вычисленный по гистограмме. Обе кривые построены по набору данных ETOPO 2 George Sharman, Национальный центр геофизических данных НУОА.

ходящая по континентальному шельфу и континентальному склону, глубина которой постоянно увеличивается.

Shore High Water CONTINENT Sea Level Low Water SHELF OCEAN (Gravel, ISLAND ARC Sand Av slope SLOPE 1 in 500) TRENCH (Mud av slope SEAMOUNT RI 1 in 20) SE MID-OCEAN RIDGE BASIN (Clay & Oozes) Mineral Organic DEEP SEA Рис. 3.6. Схематический разрез океана, демонстрирующий основные эле менты рельефа океанского дна. Отметим, что уклоны изображены в утри рованном масштабе.

34 Глава 3. Физические параметры океана Континентальный шельф Зона, смежная с континентом (или окружа ющая остров), простирающаяся от линии малой воды до глубины (как правило, порядка 120 м), на которой обнаруживается резкое или хо тя бы достаточно ярко выраженное увеличение крутизны склона в направлении больших глубин (рис. 3.7).

Континентальный склон Уклон в сторону моря от границы шельфа к большим глубинам.

Равнина Плоская поверхность океанского дна, обнаруженная во многих глубоких бассейнах.

Хребет Вытянутое узкое поднятие морского дна с крутыми склонами и неравномерной (нерегулярной) топографией.

Подводная гора Изолированное или относительно изолированное подня тие, возвышающееся на 1000 м и более над дном океана, со сравни тельно небольшой площадью вершины (рис. 3.8).

Рис. 3.7. Пример континентального шельфа — шельф у побережья Монте рея в Калифорнии;

здесь можно видеть каньон Монтерей и другие. Каньо ны часто встречаются на шельфе и обычно простираются через весь шельф и континентальный склон. Права на рисунок принадлежат Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI).

3.3. Элементы рельефа 21.4 o o 21. 30 21.2 o 21.1 o 21.0 o 20.9 o 20.8 o 163.0 o 163.1 o 163.2 o 163.3 o 163.4 o 163.5 o 163.6 o Рис. 3.8. Пример подводной горы — гайот Вилд. Гайот — это морская гора с плоской вершиной. Такая форма объясняется волновым воздействием в то время, когда вершина горы еще находилась над уровнем моря. Поскольку подводная гора перемещается вместе с литосферными плитами, она посте пенно движется в сторону увеличивающихся глубин. Для построения изо бат использованы данные эхолотирования, полученные по курсу движения судна (тонкие прямые линии), дополненные показаниями гидролокатора бо кового обзора. Глубины приведены в сотнях метров. (По данным William Sager, Texas A&M University.) Порог Наиболее глубокий участок хребта, отделяющего океанические кот ловины друг от друга или от близлежащего морского дна. Глубоководный желоб (впадина) Протяжённое, узкое и глубокое пони жение морского дна с относительно крутыми склонами (рис. 3.9).

Элементы подводного рельефа оказывают важное влияние на цирку ляцию океанов. Хребты разделяют глубинные воды океанов на отдельные котловины. Вода, находящаяся глубже порога, не может перемещаться из одной котловины в другую. Десятки тысяч изолированных пиков, подвод ных гор, разбросаны по дну океана. Они преграждают путь течениям и вызывают турбулентность, которая приводит к вертикальному перемеши ванию вод.

4 Существуют различные мнения относительно целесообразности трактовки порогов как отдельного класса элементов рельефа дна. — Прим. перев.

36 Глава 3. Физические параметры океана 57 o - B - ula ins en 56 o Bering Sea nP ka - s Ala - - 55 o - -50 Latitude (North) - -500 - - 54 o -200 - -1000 - - - - - 53 o - - ch ren nT -600 leutia 52 o A Pacific Ocean 00 A - 51 o 167 o 165 o 163 o 161 o 159 o 157 o 155 o Longitude (West) Depth (m) - Section A:B - - 51 o 52 o 53 o 54 o 55 o 56 o 57 o Latitude (North) Рис. 3.9. Пример глубоководного жёлоба — Алеутский желоб;


островная дуга, п-ов Аляска и континентальный шельф, Берингово море. Островная дуга состоит из вулканов, образовавшихся тогда, когда океаническая кора, погружаясь в желоб, плавилась и поднималась к поверхности. Вверху:

карта региона Алеутских островов в северной части Тихого океана. Внизу:

профиль через регион.

3.4 Измерение глубины океана Глубина океана может быть измерена двумя способами: 1) эхолотом, уста новленным на судне, или 2) спутниковым альтиметром.

Эхолоты. Большинство карт океана созданы на основе измерений, сде ланных при помощи эхолотов. Этот прибор посылает звуковой импульс ча стотой 10–30 кГц и принимает сигнал, отражённый от морского дна. Вре менной интервал между посылкой импульса и приходом эха, умноженный на скорость звука, даёт удвоенную глубину океана (рис. 3.10).

Впервые трансатлантическое эхолотирование было выполнено в 1922 г.

3.4. Измерение глубины океана Electronics Contact bank Time-interval Surface Measurment, Display, Recording Zero-contact switch Bottom Sliding Amplifier Oscillator contact Endless ribbon Transmitter Receiver Strip chart transducer transducer Electromechanical drive Oscillator 33 kHz sound pulse Receiver Transmitter transducer transducer Рис. 3.10. Слева: Эхолокаторы измеряют глубину океана, посылая звуко вой импульс и измеряя время, которое требуется для получения ответного сигнала, отраженного от дна. Справа: время регистрируется при помо щи искры, прожигающей отметку на медленно движущейся бумажной лен те [62, стр. 124].

американским эсминцем «Стюарт», а первые систематические промеры про изводились немецким исследовательским судном «Метеор» в ходе экспеди ции в южную Атлантику в 1925–1927 гг. В настоящее время океаногра фические и военные суда во время плавания ведут эхолотирование прак тически непрерывно. Миллионы миль профилей глубины, записанных на бумагу, были оцифрованы и занесены в базы данных, на основе которых и составляются батиметрические карты. Распределение судовых маршрутов по поверхности океана неравномерно. В южном полушарии они пролегают довольно далеко друг от друга даже возле Австралии (рис. 3.11), а в уже хо рошо картированных районах, таких как Северная Атлантика, достаточно близко.

Использование эхолотов дает наиболее точные данные о глубине океана:

их погрешность составляет ±1%.

Спутниковая альтиметрия. Пробелы в наших знаниях о глубинах оке ана между маршрутами судов теперь заполнены данными спутниковой аль тиметрии. Альтиметры измеряют (профилируют) форму морской поверх ности, которая некоторым образом связана с рельефом дна. Чтобы понять, почему это происходит, мы вначале должны обсудить то, как гравитация влияет на уровень моря.

Взаимосвязь уровня моря и рельефа дна. Избыток массы на дне океана, например подводная гора, увеличивает местную гравитацию. Плот 38 Глава 3. Физические параметры океана 0o -10 o -20 o -30 o -40 o 90 o 100 o 110 o 120 o 130 o 140 o 150 o 160 o 170 o 180 o Walter H. F. Smith and David T. Sandwell, Ship Tracks, Version 4.0, SIO, September 26, 1996 Copyright 1996, Walter H. F. Smith and David T. Sandwell Рис. 3.11. Расположение данных эхолотирования, использованных для кар тирования океана около Австралии. Отметим наличие обширных про странств, в которых не проводились измерения с судов. (David Sandwell, Scripps Institution of Oceanography.) ность скальных пород, образующих гору, в три раза превышает плотность воды, поэтому масса горы соответственно больше массы воды, которую она замещает. В свою очередь, увеличение силы тяжести притягивает к горе воду, изменяя форму морской поверхности (рис. 3.12).

Рассмотрим это явление более подробно. С достаточной точностью мож но считать, что поверхность моря — частный случай уровенной поверхно сти, называемой геоидом (см. врезку). По определению, уровенная поверх ность представляет собой множество точек с одинаковым гравитационным потенциалом и в каждой своей точке перпендикулярна силе тяжести. В частности, она должна быть перепендикулярна локальной вертикали, опре деляемой при помощи отвеса, то есть «небольшого груза, свободно подве шенного на нити, по которой определяют вертикальное направление» (Тол ковый словарь русского языка Ушакова5 ).

Избыток массы подводной горы притягивает грузик отвеса, тем самым немного отклоняя его нить от направления к центру масс Земли в сторону горы. Так как поверхность моря должна быть перепендикулярна вектору силы тяжести, над подводной горой образуется небольшая вспученность, как показано на рис. 3.12. Обычные подводные горы вызывают вспученно сти высотой 1–20 м на расстоянии 100–200 км. Конечно, такое изменение высоты слишком мало, чтобы быть обнаруженным с корабля, однако спут никовым альтиметром это сделать довольно просто. Глубоководные желоба вызывают дефицит масс и создают понижения морской поверхности.

5 — http://slovari.yandex.ru/dict/ushakov/article/ushakov/15-2/us290207.htm Прим. перев.

3.4. Измерение глубины океана 10 m sea surface 200 km 2 km sea floor Рис. 3.12. Плотность пород, из которых состоят подводные горы, гораздо выше, чем плотность морской воды, поэтому их присутствие увеличива ет локальную силу тяжести, так что локальные вертикали, определенные с помощью отвеса и показанные на рисунке стрелками, будут отклонять ся в сторону горы. Поскольку поверхность океана в спокойном состоянии должна быть перпендикулярна силе тяжести, то поверхность моря и геоид в этом месте должны иметь небольшую выпуклость, как показано на ри сунке. Такие выпуклости легко измеряются спутниковыми альтиметрами.

Следовательно, данные альтиметров могут использоваться для картирова ния морского дна. Отметим, что выпуклость поверхности моря на рисунке сильно преувеличена: подводная гора высотой 2 км порождает выпуклость высотой приблизительно 10 м.

Взаимосвязь между формой морской поверхности и глубиной не очень строга. Она зависит от плотности подстилающей коры, возраста элементов рельефа, толщины слоя осадочных пород. Если подводная гора «плавает»

на поверхности дна, словно лёд на воде, то гравитационный сигнал будет слабее, чем если бы она покоилась на дне, как лёд, лежащий на столе. В результате взаимосвязь силы тяжести и рельефа дна изменяется от места к месту.

Глубина, измеряемая эхолотами, используется для того, чтобы опреде лить эту взаимосвязь. Затем с помощью альтиметрии проводится интерпо ляция между измерениями эхолотов [313].

Системы спутниковой альтиметрии. Рассмотрим, каким образом альтиметры измеряют форму земной поверхности. Системы спутниковой альтиметрии включают в себя радар для измерения высоты спутника над земной поверхностью и систему слежения для определения высоты спут ника в геоцентрической системе координат. Система измеряет превышение уровня моря относительно центра масс Земли (рис. 3.13) и, тем самым, определяет форму морской поверхности.

В околоземное космическое пространство выведено большое количество альтиметрических спутников, предназначенных для изучения морского гео ида и влияния на него элементов подводного рельефа. Наиболее важные альтиметрические данные были получены спутниками Seasat (1978), GEOSAT (1985– 1988), ERS-1 (1991–1996), ERS-2 (1995–), Topex/Poseidon (1992–2006), Jason (2002– ) и Envisat (2002). Спутники Topex/Poseidon и Jason специально предна значены для измерения высоты морской поверхности с высокой точностью, 40 Глава 3. Физические параметры океана Satellit e's O rbit h Geoid Sea Surface id e } so nc lip re El efe Topography R { (not to scale) r Geoid Undulation Center of Mass Рис. 3.13. Спутниковый альтиметр измеряет высоту спутника над уровнем моря. При вычитании этого значения из высоты r орбиты спутника, полу чим уровень моря относительно центра Земли. Форма поверхности изме няется под воздействием вариаций силы тяжести, которые вызывают ун дуляции геоида, и под воздействием океанских течений, которые приводят к образованию океанической топографии (отклонениям поверхности моря от геоида). Референц-эллипсоид — наиболее близкая сглаженная аппрок симация геоида. Показанные на рисунке вариации формы геоида сильно преувеличены. [323] достигающей ±0.05 м.

Спутниковые альтиметрические карты дна. Орбиты спутников Seasat, Geosat, ERS-1 и ERS-2 располагались таким образом, что расстояние между маршрутами измерений на поверхности, равное 3–10 км, оказалось достаточным для картирования геоида. На основе показаний альтиметров спутников GEOSAT и ERS-1, объединенных с данными эхолотирования, были построены карты морского дна с пространственным разрешением 5– 10 км и средней погрешностью по глубине, равной ±100 м [314].

Геоид Уровенная поверхность, соответствующая невозмущённому уровню моря, называется геоидом. В первом приближении, геоид — это эллипсоид, соот ветствующий поверхности однородной (не имеющей внутренних течений) жидкости, совершающей твердотельное вращение. Во втором приближе нии, геоид отличается от элипсоида из-за локальных неоднородностей силы тяжести. Эти отклонения называются ундуляциями геоида. Максимальная их амплитуда ориентировочно равна ±60 м. В третьем приближении, гео ид отличается от поверхности моря, поскольку океаны далеко не спокойны.

Отклонения уровня моря от геоида называют топографией. Обозначают её так же, как наземную топографию, например, высотой, нанесённой на топографическую карту.

Топография океана определяется приливами и океанскими поверхност ными течениями, которые будут рассмотрены подробнее в гл. 10 и 17. Мак 3.5. Батиметрические карты и базы данных симальная амплитуда топографии составляет приблизительно ±1 м, таким образом, она мало сравнима с ундуляциями геоида.

Ундуляции геоида вызываются локальными вариациями силы тяжести вследствие неравномерного распределения массы на дне океана. В местах расположения подводных гор наблюдается избыток массы благодаря их плотности, что ведет к образованию на геоиде выпуклости (см. ниже). В районах глубоководных желобов наблюдается дефицит масс и, соответ ственно, прогиб геоида. Таким образом, геоид взаимосвязан с рельефом дна, и карты морского геоида имеют заметное сходство с батиметрически ми.

3.5 Батиметрические карты и базы данных Почти все доступные результаты эхолотирования были оцифрованы и со браны вместе, чтобы на их основе построить батиметрические карты. В результате дальнейшей обработки эти данных были созданы цифровые ба зы данных, которые получили широкое распространение на CD-ROM. Эти данные были дополнены данными альтиметрических спутников для того, чтобы создать карты морского дна с пространственным разрешением око ло 3 км.

Британский центр океанографических данных, действуя по поручению Межправительственной океанографической комиссии ЮНЕСКО и Меж дународной гидрографической организации, публикует электронный атлас «Общая батиметрическая карта океанов» (также известный как GEBCO, то есть, General Bathymetric Chart of the Oceans). Этот атлас содержит, в основном, изобаты, линию берега и путевые линии, построенные на основе 5-й редакции Общей батиметрической карты океанов, изданной в масшта бе 1 : 10 000 000. Исходные изолинии были нарисованы от руки согласно оцифрованным данным эхолотирования.

Национальный центр геофизических данных США выпустил CD-ROM ETOPO-2, содержащий значения как глубин океана, измеренных при помо щи эхолотов и спутниковых альтиметров, так и высот на суше. Интерпо ляция данных осуществлялась на сетке с шагом 2 (2 морские мили). Дан ные по океану в области от 64 с. ш. до 72 ю. ш. взяты из работы [314], в которой результаты эхолотирования объединены с показаниями альти метров, установленных на спутниках GEOSAT и ERS-1;

в области к северу от 64 с. ш. — согласно Международной батиметрической карте Северного Ледовитого океана, а в области южнее 72 ю. ш. — в соответствии с Циф ровой базой батиметрических данных переменного разрешения US Naval Oceanographic Office. Данные по рельефу суши основаны на результатах проекта GLOBE, в ходе которого по сведениям, предоставленным многими государствами, были построены цифровые модели рельефа суши с шагом сетки 0.5 (0.5 морской мили).

Правительства разных стран публикуют карты побережья и гаваней. В США за эту деятельность отвечает NOAA National Ocean Service, которая выпускает навигационные карты гаваней и вод материковой отмели.

42 Глава 3. Физические параметры океана 60 o 30 o 0o -30 o -60 o 0o 60 o 120 o 180 o -120 o -60 o 0o Walter H. F. Smith and David T. Sandwell Seafloor Topography Version 4.0 SIO September 26, 1996 © 1996 Walter H. F. Smith and David T. Sandwell Рис. 3.14. Карта глубин океана с разрешением 3 км, созданная по данным спутниковых альтиметрических наблюдений поверхности моря (Smith and Sandwell).

3.6 Звук в океане Звук обеспечивает единственный приемлемый способ передачи информа ции на большие расстояния в океане. При помощи звука измеряются ха рактеристики дна океана и его глубина, а также температура и параметры течений. Киты и другие животные, обитающие в океане, используют звук для навигации, общения друг с другом на больших расстояниях и поиска пищи.

Скорость звука в воде зависит от температуры, солёности и давления [184], [224, стр. 33]:

C = 1448.96 + 4.591 t 0.05304 t2 + 0.0002374 t3 + 0.01630 Z (3.1) + (1.340 0.01025 t)(S 35) + 1.675 107 Z 2 7.139 1013 t Z где C — скорость в м/с, t — температура в градусах Цельсия, S — солёность (см. определение в гл. 6) в промилле и Z — глубина в метрах. Точность этой формулы примерно 0.1 м/c [69]. Существуют и другие популярные форму лы скорости звука, например, формула Вильсона [383], которую широко использовал военно-морской флот США.

В обычных условиях скорость звука C составляет от 1450 до 1550 м/c (рис. 3.15). Используя формулу (3.1), мы можем оценить влияние на ско рость звука небольших изменений температуры, глубины и солёности, часто происходящих в океане. Так, скорость звука изменяется на 40 м/c при уве личении температуры на 10 Цельсия, на 16 м/c при увеличении глубины на 1000 м и на 1.5 м/c при увеличении солёности на 1 промилле. Таким об разом, основные причины изменения скорости звука — это температура и глубина (давление). Изменения солёности слишком малы, чтобы оказывать 3.6. Звук в океане Salinity Speed Corrections (m/s) Sound Speed (m/s) 33.0 33.5 34.0 34.5 35.0 0 20 40 60 80 100 1500 1520 1540 0 - -1 - -2 - Depth (km) -3 - -4 - t S CS Ct CP C -5 - - - o o o o o 0 5 10 15 20 0 20 40 60 80 100 1500 1520 1540 o TC Рис. 3.15. Процессы, приводящие к возникновению в океане подводного звукового канала. Слева: температура T и солёность S, измеренные НИС Hakuho Maru в северной части Тихого Океана (рейс KH-87-1, станция JT (33 52.90 с. ш., 141 55.80 в. д.), 28 января 1987 г.). В центре: изменение скорости звука в зависимости от изменений температуры, солёности и глу бины. Справа: график зависимости скорости звука от глубины;

подводный звуковой канал образуется в точке минимума, приходящейся на глубину около 1 км. [146] существенное влияние.

Если изобразить на графике скорость звука как функцию глубины, то мы увидим, что её минимум приходится примерно на 1000 м (рис. 3.16). Вод ный слой, расположенный на этой глубине, получил за свои особые свойства название подводного звукового канала. Он присутствует во всех океанах, а в высоких широтах обычно выходит на поверхность.

Важность подводного звукового канала в том, что звук в нем может рас пространяться очень далеко, иногда проходя половину пути вокруг Земли.

Кратко, принцип действия подводного звукового канала состоит в следую щем: звуковые лучи, которые начинают выходить из канала, отражаются обратно к его центру. Лучи, распространяющиеся вверх под небольшими уг лами к горизонтали, отражаются книзу, а лучи, распространяющиеся вниз, отклоняются кверху соответственно (рис. 3.16). Глубина канала изменяется от 10 до 1200 м в зависимости от местоположения.

Поглощение звука водной средой. Поглощение звука (абсорбция) на единицу расстояния зависит от интенсивности звука I:

dI = kI dx, I(0) = I0 (3.2) 44 Глава 3. Физические параметры океана - ray + + + axis - Depth (km) -2 - - - 1.50 1.55 100 C (km/s) Range (km) Рис. 3.16. Распространение в океане звука от источника, расположенного вблизи оси подводного звукового канала [224].

где I0 — интенсивность до поглощения, а k — коэффициент поглощения, зависящий от частоты звука. Решение данного уравнения:

I = I0 exp(kx) (3.3) Типичные значения k (в децибелах на километр) составляют: 0.08 дБ/км при 1000 Гц и 50 дБ/км при 100 000 Гц. Децибелы считаются таким обра зом: дБ = 10 lg(I/I0 ), где I0 — первоначальная мощность звука, I — мощ ность звука после поглощения. Например, пройдя расстояние 1 км, сигнал с частотой 1000 Гц ослаб нет всего на 1.8%: I = 0.982I0. На том же расстоянии сигнал с часто той 100 000 Гц уменьшится до I = 105 I0. Частота сигнала, обычно ис пользуемого при эхолотировании морского дна, составляет 30 000 Гц, и его затухание при прохождении от поверхности до дна и обратно незначитель но.

Сигналы очень низкой, менее 500 Гц, частоты были зафиксированы в подводном звуковом канале на расстоянии мегаметров. В 1960 г. звук часто той 15 Гц от взрывов в подводном звуковом канале у австралийского города Перт был слышен около Бермудских островов;

он прошёл почти полмира.

Дальнейшие эксперименты показали, что сигнал частотой 57 Гц, послан ный в подводный звуковой канал около острова Херд (75 в. д., 53 ю. ш.), может быть зафиксирован на Бермудах в Атлантике и в Монтерее (Кали форния) на побережье Тихого океана [223].

Использование звука. Поскольку низкочастотные звуки распространя ются на большие расстояния, военно-морской флот США в 1950-х разме стил на дне океана систему микрофонов как в глубоких, так и в мелких водах, подключив их к наземным станциям. Эта система акустической раз ведки SOSUS (Sound Surveillance System), первоначально предназначенная 6 Строго говоря, в качестве параметра k соотношения 3.3 применимо не само значе ние в децибелах, рассчитанное по указанному определению, а его абсолютная величина, преобразованная из десятичного логарифма в натуральный. — Прим. перев.

3.7. Основные концепции для слежения за подводными лодками, нашла немало и других применений.

Так, она использовалась для поиска и слежения за китами на расстоянии до 1 700 км, а также для обнаружения подводных вулканических изверже ний.

3.7 Основные концепции 1. Если уменьшить ширину океана до 8 дюймов, то его глубина в том же масштабе будет соответствовать толщине листа бумаги. Благодаря этому, поля скорости в океане близки к двумерным, а вертикальные скорости гораздо меньше горизонтальных.

2. Количество океанов равно трём. 3. Объём воды превышает вместительность океанических бассейнов, так что океаны затапливают побережье континентов, образуя континен тальный шельф.

4. Измерение глубины океанов и составление карт морского дна произво дится на основе информации, полученной при помощи установленных на судах эхолотов. Принцип действия эхолота состоит в измерении времени, требуемого звуковому импульсу для прохождения от поверх ности до дна и в обратном направлении. Карты глубин имеют в неко торых регионах малое пространственное разрешение, поскольку эти регионы редко посещатся кораблями, так что маршруты измерений расположены далеко друг от друга.

5. Еще одним способом измерения глубин служат спутниковые альти метрические системы, которые профилируют форму поверхности мо ря. Элементы подводного рельефа вызывают изменение гравитации в месте своего расположения, что, в свою очередь, влияет на форму морской поверхности в этом районе. У современных карт, основан ных на спутниковых альтиметрических измерениях и данных эхоло тирования, ошибка по глубине составляет ±100 м, а пространственное разрешение — ±3 км.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 11 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.