text:
Предисловие
С кругосветного плавания "Челленджера" началось систематическое исследование Мирового океана
В последнее время интерес к изучению Мирового океана неуклонно растет. Это вызвано как все расширяющимся освоением огромных биологических и сырьевых ресурсов океана, так и вновь возникающими научными и техническими проблемами, решение которых требует поисков новых методов океанологических исследований. Среди них важное место занимают прямые наблюдения, проводимые человеком, находящимся под водой.
Предлагаемая вниманию читателей книга охватывает широкий круг проблем, связанных с океанологическими исследованиями и главным образом с непосредственным проникновением человека в подводный мир.
Как в нашей стране, так и за границей в последние годы появилось много научно-популярных работ, посвященных разным аспектам исследования океанической толщи. Брошюра Г.-Ю. Брозина выгодно отличается от большинства из них сжатостью изложения, хотя в ней рассматриваются самые различные вопросы, касающиеся деятельности человека под водой.
Значительное место уделено истории развития исследований в океане, начиная с первых океанографических экспедиций на "Челленджере", работ адмирала С. О. Макарова на корвете "Витязь" и Ф. Нансена во время знаменитого дрейфа "Фрама" и кончая советскими исследованиями последних лет.
В глубь веков уходит появление первых водолазов. Автор прослеживает историю проникновения человека в море с попыток первых погружений, предпринятых еще Александром Македонским, и до создания самых современных батискафов.
Читатель с интересом познакомится с различными батисферами, "подводными домами" и батискафами, уникальным буем Кусто. Среди батискафов, конечно, не забыт и "Триест", совершивший рекордное погружение в Марианский желоб на глубину более 10 000 м.
В Советском Союзе подводным исследованиям придается очень большое значение. Ведутся разработки различных подводных домов, в частности и новой модели подводной лаборатории "Черномор". Недавно Академия наук СССР приобрела в Канаде два батискафа "Pises", рассчитанных на погружение до 2000 м. Каждый из батискафов управляется двумя пилотами и берет на борт научного сотрудника. Серьезное внимание уделяется созданию подводных манипуляторов.
Книга очень оптимистична. Эпиграфом к ней могли бы быть поставлены приводимые автором в тексте слова директора Института океанологии АН СССР члена-корреспондента АН СССР А. С. Монина, сказанные им в одном из интервью: "Человек по природе смел и предприимчив. Он все глубже проникает в бездну морей".
Книга, безусловно, будет интересна читателям самого различного возраста и профессий.
Неизведанное море
Последние два десятилетия явились началом новой эры научных открытий, захватывающих нас смелым новаторством. Запуск 4 октября 1957 г. первого искусственного спутника Земли - Спутника 1 положил начало проникновению в космос. Всего лишь три с половиной года понадобилось для того, чтобы первый человек - Юрий Гагарин - покорил космическое пространство, а через восемь лет американские астронавты вступили на Луну. Ho еще раньше этих событий новейшую информацию давали автоматические приборы и зонды. С 1960 г. несут свою службу метеорологические спутники, позволяющие вести непрерывные наблюдения за погодными процессами на Земле. Наконец, советская орбитальная станция "Салют" стала первой пилотируемой космической лабораторией нашей планеты. Благодаря этому изучение околоземного космического пространства поднялось на более высокую ступень и открыло новые возможности в исследовании Земли.
На фоне грандиозных успехов в изучении космоса несколько отодвинулись на задний план достижения в исследовании океанов и морей, занимающих большую часть нашей планеты. Правда, погружение батискафа "Триест" в 1960 г. на максимальную глубину в океане вызвало сенсацию, подобную сенсации, связанной с проникновением в космос. Привлекли к себе внимание и первые обитаемые "подводные дома". И все же многое в деятельности человека в изучении Мирового океана было почти обойдено молчанием.
В то время как пилотируемые космические корабли облетают Землю на высоте сотен километров, к неисследованным планетам с поразительной точностью запускаются автоматические станции, морские глубины, непосредственно доступные человеку, ограничиваются всего лишь несколькими сотнями метров. Несмотря на тысячелетнюю связь человека с морем, океан хранит в себе много тайн и еще целый ряд проблем ждет своего разрешения.
Проникновение человека в глубины моря, трудности длительного пребывания в нем - лишь одна сторона этой сложной проблемы. Даже такая важная задача, как исследование и измерение пространственных характеристик морей, до сих пор не решена. Необходимым условием использования морей в интересах человека является прежде всего накопление знаний о процессах, происходящих в Мировом океане, об их причинах и основных закономерностях. Без этих знаний невозможно освоение морских ресурсов. Однако непродуманное вмешательство в происходящие в море процессы может вызвать нежелательные изменения естественных условий, которые не смогут быть ликвидированы или будут устранены лишь с большим трудом.
Огромные размеры Мирового океана, занимающего свыше двух третей земной поверхности, и его большая глубина затрудняют исследование происходящих в море процессов. Из 510 млн. км2 земной поверхности 361 млн. км2, или 71 %, приходится на океаны и моря, в то время как суша составляет только 149 млн. км2, или 29 %. Мировой океан имеет среднюю глубину 3790 м. На глобусе диаметром 335 см она соответствовала бы углублению всего в 0,1 мм, т. е. примерно была бы равна линии, оставляемой чертежным пером средней толщины. (Для сравнения вспомним, что средняя высота материков 875 м.)
Соотношение между протяженностью и глубиной Мирового океана составляет примерно 10 000:1. Поэтому в происходящих в океане явлениях главную роль играют процессы большого горизонтального масштаба в сравнительно незначительной вертикальной толще. В качестве примера можно упомянуть хотя бы о сильных морских течениях. Однако не следует упускать из виду, что и вертикальные процессы имеют важное значение для океанических условий. Доказательством служат процессы вертикального перемешивания.
Соотношение масштабов океана в горизонтальной и вертикальной плоскостях практически не позволяет геометрически воссоздать подобие океанических процессов на модели. Например, если бы мы попытались изобразить без искажений Балтийское море, длина которого около 1500 км и средняя глубина 55 м, то модель при длине свыше 27 м должна была бы иметь толщину в 1 мм. В этом водном слое, в соответствии с естественными условиями, должна была бы моделироваться разница температур в летнее время более чем в 15°С, а содержание соли на дне было бы примерно в 2 раза больше, чем на поверхности, и, наконец, направление течений многократно изменялось бы с глубиной.
Огромная водная поверхность Мирового океана разделена материками на несколько больших океанов, в которых, в свою очередь, более или менее отчетливо выделяются отдельные районы и окраинные моря. Согласно данным океанологических исследований последнего времени теперь склоняются к тому, что, помимо трех известных океанов - Атлантического, Индийского и Тихого, следует выделить еще четвертый - Арктический океан. Он включает воды Северного полярного моря, которое ранее считали окраинным морем Атлантического океана. Южное полярное море до сего времени еще не получило собственного наименования, и антарктические воды соответственно относят к Атлантическому, Индийскому и Тихому океанам.
При рассмотрении рельефной карты морского дна вызывает удивление, что она выглядит такой же сложной, как карта поверхности суши. Если встречающиеся на Земле естественные возвышенности и низменности расположить по закону частоты распределения случайных величин, то получится так называемая гипсометрическая кривая. Она позволяет определить также некоторые важные закономерности увеличения глубин в море, причем отдельные отрезки кривой могут характеризовать соответствующие крупные формы рельефа морского дна.
Мелководное море, или шельф, - это прилегающая к материку часть морского дна с глубинами до 200 м. Эта область глубин охватывает около 27,4 млн. км2, или 5, 4 % земной поверхности. В настоящее время непосредственное вторжение человека в море и его деятельность по освоению морских ресурсов сосредоточены главным образом именно в этой области.
К шельфу прилегают материковые склоны, которые опоясывают континенты ниспадающим рантом длиной свыше 300 тыс. км и глубиной около 3000 м. Области с глубинами до 3000 м составляют 10,7 % земной поверхности.
Значительную часть морского дна занимают глубоководные области (ложе океана). 77 % Мирового океана, или 53,6 % всей земной поверхности, имеют глубины между 3000 и 6000 м.
Наконец, наибольшие глубины Мирового океана приходятся на глубоководные впадины [1]. Области с глубинами более 6000 м составляют всего 1 % земной поверхности. Глубина в 11 034 м в Марианском желобе до сего времени считается самой большой в Мировом океане.
Как крупные формы рельефа морского дна должны быть упомянуты также срединноокеанские хребты, общая длина которых свыше 70 тыс. км и которые в виде сомкнутых подводных горных цепей прослеживаются во всех океанах.
Однако изображение форм рельефа морского дна еще очень несовершенно. Точность многих современных морских карт не превышает степень точности географических карт, составленных примерно 250 лет назад. Обширные морские области или совсем не измерены или измерены очень приближенно. В 1969 г. только четверть всей береговой линии Мирового океана была обеспечена картами масштабом в 1:75 000. Когда в начале 60-х годов был рассмотрен проект международной карты мира в масштабе 1: 1 000 000, выяснилось, что если для континентов такая карта может быть построена для 64 % их поверхности, то для морских областей - всего лишь для 1,4 %.
В то время как для большей части суши, кроме топографических карт, имеются также данные более или менее обширных геологических съемок, то во всем Мировом океане, исключая зону шельфа, к концу 60-х годов было только около 20 глубинных буровых скважин, несколько сотен образцов горных пород, собранных на поверхности морского дна, и менее 200 сейсмических профилей. Однако в связи с ростом использования морских ресурсов быстро возрастает потребность в точных батиметрических картах моря, необходимых для решения как научных, так и практических задач.
Использование богатств моря
Как и в прежние времена, сейчас при исследовании моря важной движущей силой является развитие торговли. С ускорением научно-технического прогресса, с ростом мирового производства все большее значение приобретают морские сообщения между теми, кто производит продукты, и теми, кто их потребляет. Море стало важнейшим связующим путем между отдельными кооперирующими друг с другом экономическими районами. Менее чем за 10 лет транспорт грузов по морю удвоился. Только в 1970 г. было перевезено около 2,2 млрд. т товаров. С каждым годом морской товарооборот увеличивается более чем на 100 млн. т и можно ожидать, что в 1980 г. он составит 4-5 млрд. т. С ростом морской торговли резко увеличивается мировой торговый флот, который в настоящее время насчитывает около 30 тыс. судов общим водоизмещением 247 млн. регистровых брутто-тонн.
При этом отчетливо наблюдаются структурные изменения в судоходстве. С перераспределением энергетических ресурсов и с развитием химической промышленности в перевозках значительно возросла доля жидких грузов и в первую очередь нефти. Если в 1937 г. поставки жидких грузов составляли около 105 млн. т., то в 1970 г. по морю на специальных наливных суднах было перевезено свыше 1 млрд. т нефти, т. е. более половины всех грузов, транспортируемых морем. Соответственно резко возросло число наливных судов, причем быстро увеличились их размеры. Новый характер морскому транспорту придают также и специализированные суда, предназначенные для транспортировки навальных грузов, таких, например, как руда, уголь, и другие виды промышленного сырья. Наконец, в результате все возрастающего применения контейнеров радикальные изменения претерпевают перевозки обычных мелких грузов.
Непрерывное развитие морского транспорта сказывается и на портах. В них перегружается все больше товаров и соответственно расширяются их емкости. Возникают новые порты и гавани.
Само собой разумеется, что морские перевозки зависят от природных условий в Мировом океане. Погодные условия в море, волнение и ледовая обстановка в значительной степени влияют на судоходство. Увеличивающиеся размеры судов и расширение морских перевозок требуют более точных морских карт, а для строительства гаваней и углубления фарватеров необходимы данные о глубинах, волнении, течениях в прибрежной зоне и о других океанографических характеристиках.
Для населения земного шара большую роль играет добываемый из моря животный белок. За последние 20 лет рыболовство в открытом море значительно расширилось. Это стало возможным как благодаря увеличению и модернизации промыслового флота, усовершенствованию технологии лова и переработки его продуктов, так и в результате освоения новых промысловых районов. Если в 1950 г. объем мирового рыболовства составлял примерно 21 млн. т, то в 1970 г. - 69 млн. т. Следовательно, за 20 лет объем промысла утроился.
Объем рыболовного промысла в различных морских районах весьма неодинаков. Первое место здесь занимают северо-западная, северо-восточная и юго-восточная части Тихого океана, а также северо-восточная Атлантика. Эти традиционные рыболовецкие районы в настоящее время поставляют свыше половины продукции мирового рыболовства. Государством, возглавляющим мировой рыбный промысел, является Перу. Благодаря благоприятным естественным условиям за несколько лет Перу стала первой рыболовецкой страной мира. Далее следуют Япония, Советский Союз, Китай и Норвегия.
Кроме рыб, человек использует также и других морских животных, таких, например, как иглокожие, моллюски и ракообразные. На стационарных морских фермах в больших объемах разводят мидий и устриц, ракообразных, например креветок, и некоторые виды рыб. Это в первую очередь касается Дальнего Востока, где морская культура достигла высокого уровня развития.
Наряду с морскими животными все возрастающую роль в качестве пищевых продуктов играют также морские растения. В настоящее время из моря ежегодно собирают урожай водорослей общим весом примерно 900 тыс. т, и первенство здесь принадлежит Японии.
Морские животные и растения служат сырьем для многочисленных отраслей промышленности. Например, из морских водорослей изготовляются продукты, которые находят применение в текстильной, кожевенной и пищевой промышленности. Морские животные и растения применяются также в качестве первичных материалов для производства различных лекарственных средств. Важным продуктом является рыбная мука, которая идет на корм животным, а ими, в свою очередь, питается человек. В настоящее время проводятся опыты по непосредственному использованию рыбной муки в человеческой пище.
В то время как современное морское рыболовство поставляет примерно 15 % мирового потребления животного белка, по мнению многих ученых, в 2000 г. море должно покрыть потребность человека в белке более чем на 20, а по другим оценкам даже на 40 %. Это требует, наряду с освоением новых районов лова, использования также и других источников белка. Море может принести большую пользу, если, кроме обычных пригодных для пищи рыб, вылавливать мелких рыб и рачков, собирать мелкие водоросли, количество которых неисчислимо. В этих целях океанографии придется решать многие задачи, начиная с изучения условий окружающей среды и кормовой базы и кончая исследованием жизненного цикла морских организмов.
Использование морской воды в качестве поставщика минерального сырья - исключая поваренную соль! - было начато лишь в этом столетии, а освоение и разработка полезных ископаемых на морском дне и под ним - только В последние 20 лет. Предполагаемая в будущем нехватка некоторых видов сырья, добываемых из обычных источников, потребует привлечения морских резервов для обеспечения нужд человечества.
По-видимому, в море имеются все существующие в природе химические элементы, хотя и в очень различных концентрациях. К настоящему времени обнаружено около 70 элементов. В среднем одна тонна морской воды содержит около 35 кг растворенных неметаллических и металлических веществ. Растворенные в морской воде соли составляют около 50 млрд. т.
Старейшим добываемым из моря сырьем является поваренная соль, которая производится путем выпаривания морской воды в мелких бассейнах. Мировая добыча поваренной соли из моря составляет сейчас от 6 до 10 млн. т. Этот способ добычи соли нашел наиболее широкое распространение в Советском Союзе, США, странах Средиземноморского бассейна, а также в государствах Дальнего Востока и в Австралии.
Большое экономическое значение имеет производство магния, различные сплавы с которым применяются в промышленности и в первую очередь в самолетостроении и в производстве легких металлических конструкций. В настоящее время море дает свыше 60 % мировой добычи магния. 70 % производимого в мире брома также добывается из морской воды. С ростом механизации растет и потребность в броме. Помимо других промышленных целей, бром применяется в производстве антидетонаторов для горючего. Фабрики добычи брома из морской воды имеются в Советском Союзе, США, Великобритании, Индии и Канаде. Япония свою потребность в броме полностью покрывает добычей его из моря.
Само собой разумеется, что этими несколькими примерами далеко не исчерпываются потенциальные возможности моря как поставщика сырья. Все возрастающее значение приобретает, например, получение из моря пресной воды. Сейчас на Земле работает свыше 200 установок по опреснению, например на Антильских островах, в Средиземном море, близ Кувейта в Персидском заливе и на юге Советского Союза. В совокупности они производят ежедневно свыше 1 млн. т пресной воды.
В последнее время усилились исследования сырьевых ресурсов морского дна. И все же о размещении и составе подводных полезных ископаемых известно значительно меньше, чем об аналогичных континентальных месторождениях. В море очень трудно находить точные местоположения залеганий и определять объем содержащихся в них запасов. Скорее всего разработка их будет по большей части проводиться "вслепую" или, может быть, с помощью дистанционного управления. Наконец, влияние окружающей среды в море (плохая погода, волнение, течения) препятствует разработкам гораздо сильнее, чем на суше. Имеется много нерешенных проблем и в области технологии. Необходимые затраты во многих случаях будут выше, чем на континенте.
При использовании ресурсов морского дна возникают также юридические и политические проблемы. В то время как распределение и эксплуатация богатств шельфа в достаточной степени разграничены соглашениями между заинтересованными государствами, их правовой статус в отношении открытого моря еще неясен. Здесь правовые нормы должны обеспечивать оптимальное использование богатств моря, а также соответствовать интересам развивающихся стран. Следует всячески препятствовать превращению морских месторождений в объект спекуляции.
Некоторые из разведанных и уже отчасти используемых месторождений полезных ископаемых на морском дне
В последние годы почти во всех морях были обнаружены пригодные для эксплуатации месторождения полезных ископаемых, которые частично уже разрабатываются. В различных районах побережья и прилегающих мелководных областях широко используются песчаные отложения, содержащие в высоких концентрациях тяжелые минералы. В этих песках встречаются титан, циркон и торий, необходимые в металлургической промышленности и ядерной технике, а также железо, ванадий, олово, золото, платина и алмазы. Эти отложения содержат, например, 80 % разведанных мировых запасов циркона и 20 % запасов титана. Подводные залежи гравия и песка зачастую разрабатываются с целью их использования для строительства и намыва морских берегов. В равной мере обширные месторождения раковин служат сырьем для производства цемента, а в районах их обитания из морской воды добывается магний. Для производства удобрений могут использоваться фосфоритовые глыбы и фосфоритовые пески, содержащие от 20 до 30 % Р2О5. Они были обнаружены на африканском и американском шельфах и у берегов Японии и Австралии.
Глубинные залежи полезных ископаемых в настоящее время еще не используются. Однако экономическое значение могут приобрести содержащие металл илистые отложения, открытые, например, в Красном море на глубине свыше 2 тыс. м. Кроме железа и марганца, в них в высоких концентрациях включены свинец, медь и цинк. В последние годы особое внимание уделяется также подводным конкрециям, содержащим в концентрированном виде различные руды. В них - около 25-30 % марганца, 15-20 % железа и примерно по 1 % кобальта, меди и никеля. Первые пробы были взяты в 1970 г. у побережья Флориды, а несколько позднее - в Тихом океане. Однако эффективная с экономической точки зрения добыча этих руд затрудняется, с одной стороны, неполным представлением об их промышленной значимости, а с другой - высокими расходами на их разработку и обогащение.
Из полезных ископаемых, залегающих в более глубоких слоях морского дна, в настоящее время, помимо угля и железной руды, добыча которых производится через шахты с суши или искусственных островов, используются в первую очередь сера, нефть и природный газ. За последние 20 лет быстро возросло производство углеводородов из подводных угольных пластов. Сейчас около 18 % мирового производства нефти и 6 % выработки природного газа приходятся на подводные месторождения. По расчетам в 1980 г. одну треть мировой добычи нефти будет давать море. В настоящее время у берегов 28 стран нефть или газ добываются из моря, в прибрежных водах 75 стран производятся разведочные работы. Сегодня основными районами добычи являются Персидский и Мексиканский заливы, калифорнийские прибрежные воды, бухта Маракаибо у Венесуэлы, Каспийское море, а также африканский шельф у Габона и Нигерии и Северное море.
Стоимость продукции минерального сырья, добываемого из моря, оценивается советскими экономистами примерно в 6,5 млрд. руб., в то время как доходы мирового судоходства от перевозок грузов в середине 60-х годов составили около 10 млрд. руб., а доходы от рыболовства - 35 млрд. руб. Можно рассчитывать, что в будущем доходы от добываемых из моря продуктов будут быстро возрастать.
Человек исследует море
Многие археологические находки, бесспорно, указывают на то, что еще задолго до наступления Новой эры люди, живущие в различных местностях, общались между собой. Достоверно известно, что прежде всего это были жители прибрежных районов, которые ощупью продвигались по морям на значительные расстояния. Их первые плавания были, вероятно, продолжением плаваний по рекам и осуществлялись вблизи берегов, так как они не знали никаких средств для определения своего местонахождения в море.
Проникновение в отдаленные районы на заре мореплавания вызывалось интересами торговли. Вместе с меновыми товарами передавались также первые сведения о дальних странах. Если сначала посещение этих стран было связано с поисками кремней или обсидиана, то позднее оно диктовалось торговлей, стимулирующей развитие морских путей. Такие пути становились все более необходимыми в связи с поисками металла, приобретающего в бронзовый и в приближающийся железный век все большее и большее значение.
Морская торговля быстро развивалась на Ближнем Востоке. Здесь уже давно образовались государства, производительные силы в которых достигли уровня, позволяющего вести широкий обмен товарами. Благоприятные природные условия также способствовали развитию здесь мореплавания. Вероятно, первыми длительные плавания но морю совершали шумеры, а вслед за ними египтяне и жители острова Крит.
Уже в 2500 г. до н. э. в Красном море египтяне достигли легендарной страны Пунт, расположенной к югу от удаленного более чем на 2000 км побережья Сомали. Жители Крита, предприняв в 1800 г. до н. э. путешествие с торговыми целями, дошли до богатой рудами Южной Испании. Несколько позднее, в последней трети второго тысячелетия до нашей эры, по их следам двинулись финикийцы, которые считались выдающимися мореплавателями древних времен. По всей вероятности, уже в 1200 г. до н. э. финикийские моряки плавали по Атлантическому океану к западу от Гибралтарского пролива и достигли месторождений серебра и олова вблизи современного Кадиса. В 600 г. до н. э. одна финикийская морская экспедиция по заданию египетского фараона Нахо обошла вокруг всей Африки. Только спустя примерно 2100 лет португальским морякам удалось повторить подобное плавание.
Экспедиции, выходящие из Средиземного моря, отправлялись также и на север. Наиболее известное путешествие, имевшее целью, вероятно, поиски олова, пользующегося в то время большим спросом, было предпринято в 310 г. до н. э. греком Питеасом из Массилии, сегодняшнего Марселя. По его расчетам, он дошел примерно до Шотландских островов. Отсюда он, по-видимому, проник в легендарную страну Фуле, которая, как предполагают теперь, находилась в Исландии или Средней Норвегии. Питеас был первым греком, описавшим приливы и отливы и установившим их связь с фазой луны.
Вообще греки были первыми, кто стал собирать данные о чужеземных странах и морях и составлять их описания и карты. Эти сведения, представляющие несомненный интерес для мореплавания, систематизировались в своеобразных летописях, которые могут рассматриваться как прообразы современных морских справочников и карт. В них содержались сведения об очертаниях берегов и прежде всего описание примечательных береговых пунктов и гаваней, а также данные о расстояниях между ними. В отдельных случаях имеются даже ссылки на морские течения. Напротив, промеры глубин в древние времена производились только изредка, хотя ручной лот уже тогда должен был быть известен мореплавателям.
В 150 г. н. э. Птолемей из Александрии высказал распространенные в то время понятия о Земле. Кроме Средиземного моря, ему были известны восточная Атлантика до Канарских островов и Северное море, а также Индийский океан, который он считал внутренним морем, закрытым с юга землей "terra anstralis". Позднее картина мира Птолемея через арабов дошла до Европы, сохраняясь почти неизменной до XV столетия. Перед закатом античного мира Птолемей имел представление только примерно о 4 % водной поверхности нашей планеты. В последующие столетия знания о море в Европе выросли очень незначительно.
Мореплавание в это время находилось на подъеме не только в Средиземном море, но и в других областях Земли. Так, в Индийском океане или в Восточной Азии существовали хорошо развитые морские связи, которые не ограничивались каботажным плаванием. Происходил здесь и обмен товарами по морю. При этом, например, во время плавания из Красного моря в Индию использовали регулярно работающий здесь юго-западный муссон. В первом столетии нашей эры китайские джонки дошли до Японии, Суматры и Индии.
В северной Атлантике ирландские монахи между 750 и 790 гг. дошли до Фарерских островов и Исландии. Примерно 100 годами позднее в этих районах начались дальние плавания норманнов. Около 850 г. Вульфштан из Дании совершил плавание по Балтийскому морю и дошел до устья Вислы. Примерно в то же время торговец пушниной Отар обогнул мыс Нордкап и доказал, что Скандинавия является полуостровом. Однако оба мореплавателя во время своих путешествии не прокладывали новых маршрутов, а, вероятно, пользовались принятыми морскими путями.
Финикийское торговое судно (около 1000 г. до н. э.)
После того как норманны в 867 г. поселились в Исландии, в 986 г. Эрик Рыжий высадился в юго-западной Гренландии. Долгое время существовала более или менее постоянная морская связь с их европейской родиной, которая полностью оборвалась только в 1400 г. Плавания по негостеприимной северной Атлантике были в то время значительным морским достижением, так как все еще не было известно, как определять свое место в открытом море. В 1000 г. Лейф Эриксон первым дошел до Северной Америки и высадился, по всей вероятности, в районе Бостона. Несколько позднее другая группа норманнов достигла побережья Лабрадора и залива Гудзон.
Дальнейшие открытия посчастливилось сделать в XII столетии норманнским морякам и русским рыбакам. В 1194 г. норманны, по-видимому, высадились на Шпицбергене. Все больший интерес к северным водам., вероятно, был вызван изобилием там пушных зверей и китов.
Примерно в то же время, когда норманны плавали в северной Атлантике, оживленный обмен судами осуществлялся между островами Тихого океана, о котором долгое время ничего не было известно. При этом полинезийские мореплаватели превосходно использовали природные условия - ветер и течения. К 900 г. освоенная ими территория простиралась между Суматрой на западе и островом Пасхи на востоке и от Гавайских островов на севере до Новой Зеландии на юге. Предания гласят, что около 650 г. полинезийские мореплаватели на юге повстречались с кромкой льдов.
До 1400 г. люди были знакомы только с 7 % морской поверхности, т. е. знали немногим больше, чем к моменту наступления новой эры. Коренной перелом в познании Земли произошел в конце XV - начале XVI столетия - в век великих открытий.
Во второй половине XV столетия торговля на Ближнем и Среднем Востоке, ведущаяся но сухопутным путям, проложенным до Индии и Китая, переживала кризис. Из-за многочисленных перекупщиков товары, пользующиеся большим спросом, в первую очередь тонкие ткани, пряности, сахар, парфюмерия, значительно вздорожали. Сухопутные связи затрудняло и вмешательство турок. Кроме того, резко возросла потребность в открытии новых источников золота и серебра, так как ввозимые предметы роскоши оплачивались именно этими благородными металлами.
Европейский горный промысел не мог возмещать их утечку, что повлекло за собой дальнейшее повышение цен. Сильно выросшее производство товаров в Европе также требовало в качестве средств обмена большого количества благородных металлов. Поэтому неизбежной экономической необходимостью стало открытие новых месторождений золота и серебра в еще неизвестных странах. А чтобы завладеть сокровищами Ближнего и Среднего Востока, потребовалось установление морских связей.
Тем временем в Европе уже была известна компасная стрелка и ее "притягательная сила", что позволило мореплаванию расстаться с обязательной привязкой к берегам. В 1500 г. в навигации стали использоваться угломерные инструменты, сначала астролябия, а позднее так называемый якобинский жезл. Они давали возможность более или менее точно определять широту в море, но проблема определения долготы еще продолжительное время оставалась неразрешимой. В итальянских библиотеках были обнаружены первые морские карты и портулановские лоции, составленные примерно в 1300 г. Эти карты и лоции, помимо описания побережий, содержали также некоторые сведения о рекомендуемых морских путях. Крупные успехи были достигнуты и в кораблестроении, благодаря которым появилась возможность строить большие по размерам и более быстроходные суда.
В это время начали побеждать представления о шарообразной форме Земли. Это, в свою очередь, позволило делать предположения о возможности проложить морской путь в Индию, держа курс на запад. Разумеется, действительные расстояния при этом сильно недооценивались. Первое кругосветное плавание Магеллана с 1519 по 1522 г. показало фактическую величину окружности земного шара.
Стремление к овладению богатствами азиатского мира повлекло за собой многочисленные экспедиции и на севере. Их целью было открытие северо-западного и северо-восточного проходов в Тихий океан. Оказалось, что известные к тому времени материковые области простирались на север дальше, чем предполагалось ранее. Этими плаваниями невольно началось исследование Арктики.
Морские путешествия в век великих открытий и в последующие столетия позволили получить новые знания о размерах океанических пространств, а также составить более правильные представления о картине мира. К концу XVIII столетия значительная часть Мирового океана была известна, по крайней мере, ее горизонтальные масштабы. Но еще долгое время загадкой оставалось все, что скрывалось под морской поверхностью. Измерения глубин в открытом море почти не производились. Только Магеллан дважды пытался произвести лотом промеры глубины в Тихом океане, хотя и не достиг при этом дна.
Колумб во время своего путешествия в 1492 г. уже обратил внимание на направленное на запад течение в тропических водах, а в 1513 г. Понсе де Леон впервые обнаружил высокие скорости течения Гольфстрим. Некоторые руководства для плавания на парусных судах в это время уже содержали сведения о ветровых условиях в определенных морских районах.
От первых наблюдений до младенческих шагов научной океанография предстоял еще долгий путь. Только в 1650 г. немецкий географ Барнхардус Варениус в своей "Всеобщей географии" посвятил несколько глав вопросам океанографии и особо остановился на процессах перемещения водных масс. Также и Исаак Фоссиус, в вышедшем из печати в 1663 г. своем труде, уделил внимание морским течениям и различал уже два круговорота в Атлантическом океане. Наконец, Афанасиус Кирхерус в 1678 г. в Амстердаме опубликовал первые карты морских течений в Атлантике. Немного позднее - в 1688 г. - английский астроном Хэлли издал первую карту ветровых условий над Атлантическим океаном.
По имеющимся в настоящее время данным, исследования содержания соли в морской воде и местных различий в распределении солености были начаты Робертом Бойлем в 1673 г.
В конце XVII столетия Ньютон и другие ученые с различных точек зрения обсуждали проблему приливообразующих сил.
Во второй половине XVIII столетия исследование неизвестных морских районов получило новый импульс. Путешествия прежде всего были нацелены на исследования южных вод. Здесь было много неясного в вопросе о границах между сушей и морем. Все еще предполагали, что в Южном полушарии расположен большой континент. Джемс Кук во время трех продолжительных плаваний в Тихом океане в 1768 и 1769 гг. открыл много новых неизвестных ранее стран. Он был первым мореплавателем, который пересек параллель 60° ю. ш. и окончательно разрушил представление об обитаемой южной стране.
Аналогичная оживленная исследовательская деятельность отмечалась и в водах Крайнего Севера. Одной из крупнейших экспедиций, работавших там, была "Великая Северная Экспедиция", проходившая с 1733 по 1743 г. под руководством Витуса Беринга.
В русских исследованиях в арктических водах большую роль играл Михаил Ломоносов (1711-1765). Он обстоятельно занимался океанографическими работами в этих районах и видел перспективу своих исследований в создании Северного морского пути из Атлантического океана в Тихий. Однако покорить этот северо-восточный проход удалось только в 1878 и 1879 гг. шведскому полярному исследователю А. К. Норденшельду на "Веге". В настоящее время, благодаря современным ледоколам и точным знаниям метеорологических и океанологических условий, Северный морской путь систематически используется в летние месяцы.
Многочисленные экспедиции пытались найти морской путь из Атлантического океана в Тихий также и у северных берегов Америки. Значительные усилия для открытия северо-западного прохода были приложены прежде всего англичанами. После провозглашения независимости США особый интерес возник к поискам более короткой связи с Австралийским континентом. Однако только в 1903-1905 гг. Амундсену на "Гойе" удалось проплыть между канадскими островами к Тихому океану. Несмотря на трудные условия для мореплавания, северо-западный проход, возможно, приобретет значение для транспортировки нефти из вновь открытых нефтяных месторождений в Северной Аляске.
Экспедиции XVIII столетия, наконец, позволили точно определять местонахождение судов, так как к этому имелись необходимые технические и математические предпосылки. Если до того времени при определении широты на море ошибки в 4-5° были обычными, то с помощью изобретенного в 1731 г. англичанином Джоном Хэдли зеркального секстана стали точно измерять углы в море. В 1764 г. в результате разработки Джоном Хэррисоном соответствующего корабельного хронометра появилась возможность также и определять географическую долготу в море.
Однако к концу XVIII столетия накопленные научные знания по-прежнему ограничивались только поверхностью моря. Глубинные слои Мирового океана оставались неисследованными. Долгое время человек имел лишь смутное представление о толще моря. Многочисленные промеры глубины лотом производились только местами, в мелких прибрежных водах. В 1773 г. в северной Атлантике англичанину Фиппсу удался первый промер лотом на глубине свыше 1200 м. С середины XIX столетия, после того как были разработаны надлежащие лоты, можно говорить о глубинных промерах в прямом смысле этого слова. С помощью этих лотов с больших глубин могли также поднимать на поверхность пробы морского грунта. При ранее применявшихся лотах было очень трудно зафиксировать касание дна, так что иногда измерялась глубина в 15 тыс. м при фактической глубине лишь около 5 000 м. В 1840 г. в южной Атлантике Джемсу Кларку Россу удалось провести первые глубоководные промеры лотом, которые дали глубину в 4480 м. В 1968 г. была произведена проверка этих данных с помощью современной измерительной аппаратуры, и оказалось, что данные Росса были завышены на 450 м.
С изобретением термометра начались измерения температуры воды в море. В 1707 г. в Средиземном море граф Марсилли выполнил измерения температуры до глубины 195 м, а в 1749 г. эти измерения проводились уже до глубины 1630 м. Разумеется, только с разработкой глубоководного опрокидывающегося термометра в конце XIX столетия стали возможны достаточно точные измерения температуры на различных глубинах. Марсилли отбирал также пробы грунта и живых организмов, обитающих на морском дне. Для этого он сконструировал драгу, имеющую важное значение для морской биологии и геологии. Таким образом был создан первый прибор, специально предназначенный для океанографических исследований.
Глубинный лот Брука (1854 г.), сделавший возможным более точное определение глубины. При касании морского дна из держателя освобождалось просверленное пушечное ядро, благодаря чему поднимался облегченный лотлинь
Многочисленные экспедиции того времени позволили получить новые крупные результаты, что предопределило развитие более ясных представлений о явлениях в море, хотя о процессах, происходящих в глубоких слоях, по-прежнему было известно очень мало.
В 1786 г. появилась первая карта Гольфстрима, составленная Бенджамином Франклином, которая в поразительном соответствии с современными представлениями уподобляет течение реке в море и содержит даже ряд данных о его скорости. Эта карта основана на наблюдениях американских китобоев. Их опыт Франклин пытался также применить на курсирующих между Англией и Северной Америкой почтовых судах. С предложения Франклина определять течение Гольфстрим по систематическим измерениям температуры воды и начинаются первые шаги в установлении связи между океанографическими научными выводами и практикой мореплавания.
В XIX столетии различные страны направляли экспедиции в море. Вновь возобновились исследования полярных районов. Эти исследования часто сопровождались океанографическими наблюдениями. В это же время предпринимались многочисленные кругосветные плавания, которые наряду с научно-исследовательскими задачами преследовали также военные или торгово-политические цели.
О систематическом развитии океанографии можно, однако, говорить только с середины XIX столетия. Промышленная революция, которая сначала в Англии, а в последующие десятилетия XIX века и в прочих европейских государствах, а также в США, привела к крупномасштабному механизированному производству, способствовала резкой интенсификации торговли и в первую очередь мореплавания. Все более развивающееся мореплавание нуждалось в достоверных сведениях о системах ветров и течений в Мировом океане, о приливах и отливах, ледовых условиях, частоте повторяемости туманов и о многом и многом другом. С помощью метеорологических, гидрографических и океанологических исследований было необходимо заложить основы рациональной и безопасной навигации.
Хотя в некоторых странах в это время уже были созданы гидрографические службы (так, например, в 1720 г. во Франции, в 1784 г. в Дании, в 1795 г. в Англии, в 1827 г. в России и в 1861 г. в тогдашней Пруссии), однако в международных рамках различные наблюдения систематически не обобщались и не обрабатывались. Особенно высокой оценки в связи с этим заслуживает деятельность американского морского офицера М.Ф. Мори, который в 1847 г. на основе судовых журналов составил первые карты ветров и течении и впоследствии дополнил их данными из лоций. Эти работы позволили лучше использовать природные условия для целей мореплавания, которое в то время ежегодно приносило, например, британскому торговому флоту, доход в два миллиона фунтов стерлингов.
В 1853 г. на I Международной географической конференции в Брюсселе 10 государств договорились об унифицированной службе наблюдений в море. В 1857 г. в ней принимали участие уже свыше 200 кораблей. В настоящее время 5000 торговых судов производят метеорологические и частично океанографические наблюдения и измерения, которые необходимы для прогноза погоды и для решения других научных и практических задач.
Второй импульс мореведение получило в 1850 г., когда были созданы технические предпосылки для прокладки телеграфных кабелей через океанические районы. Эта проблема неминуемо требовала исследования "третьего измерения" океана! Необходимость знания глубин на кабельной трассе выдвинула задачу проведения обширных промерных работ. В 1855 г. Мори представил первую карту глубин северной части Атлантического океана, которая содержала 150 измерений лотом на глубинах свыше 1800 м. В течение многих лет после этого также производились многочисленные определения глубин. Тем не менее международная карта глубин океанов, составленная в 1904 г., основывалась только на 18 400 лотовых промеров.
Третьим импульсом для развития науки о море послужил оставшийся совершенно нерешенным вопрос о жизни в глубинах моря. Хотя уже в 1818 г. при лотовых промерах в арктических водах с глубин свыше 1800 и были подняты на поверхность черви и морские звезды, большинство биологов считало, что ниже обильно населенного слоя толщиной в несколько сотен метров в море не может быть пи растительной, ни животной жизни. Однако, когда вскоре после 1860 г. для ремонта был поднят кабель, проложенный на глубинах от 1500 до 3000 м. оказалось, что он густо заселен морскими животными. Старые взгляды были отвергнуты окончательно.
В последней трети XIX столетия все большее число экспедиций, работавших в различных районах, специально занимались океанографическими исследованиями.
Эра обширного "трехмерного" изучения биологических, химических, геологических и физических условий в море началась с кругосветного плавания британского военного корабля "Челленджер" с 1872 по 1876 г., в котором принимали участие шесть ученых. Корабль водоизмещением 2300 т под научным руководством Уивилла Томсона во время своего путешествия прошел 68 500 морских миль, причем было произведено 370 промеров глубин лотом, 255 намерения температуры и 240 сетевых обловов. Экспедиция собрала большой научный материал. Было обнаружено свыше 4700 до того времени неизвестных видов живых организмов.
Пример "Челленджера" послужил стимулом к организации целого ряда океанографических экспедиций в различных государствах. В 1874-1876 гг. немецкий корвет "Газель" также совершил кругосветное плавание. В 1889 г. в Атлантике работала организованная Прусской академией наук планктонная экспедиция на судне "Националь", целью которой было изучение ареала распространения и видового состава растительных и животных планктонных организмов. В немецкой экспедиции на реконструированном торговом пароходе "Вальдивиа" водоизмещением 2170 регистровых брутто-тонн, проходившей в 1898-1899 гг., решался вопрос о существовании жизни в огромной промежуточной лишенной света толще воды, заключенной между обитаемыми поверхностными слоями моря и морским грунтом с населяющей его донной фауной.
Из других научных экспедиций в эти десятилетия необходимо отметить русские океанографические исследования в Тихом океане под руководством адмирала С. О. Макарова на корвете "Витязь" с 1886 по 1889 г. и на первом, в мире ледоколе "Ермак" у Шпицбергена, а также дрейф Нансена на "Фраме" в Северном Ледовитом океане с 1893 по 1896 г. В 1882 г. в распоряжение рыболовного ведомства Соединенных Штатов было предоставлено первое океанографическое исследовательское судно - "Альбатрос".
Начавшиеся в конце прошлого столетия и в дальнейшем все более и более развивающиеся теоретические исследования позволили обобщить уже известные к тому времени факты и сформировать новые представления о динамике происходящих в море процессов. В океанографии наметился постепенный переход от преимущественно географически-описательной науки к науке, основанной на физико-математических методах. Одновременно были разработаны различные океанографические приборы - такие, например, как опрокидывающийся термометр, надежно работающий батометр, измеритель течений, усовершенствованные сети и драги. Эти приборы и до настоящего времени являются основой стандартного оборудования исследовательских судов.
В это время образовались также первые международные океанографические организации. С 1882 по 1883 г. проводился Международный Полярный год, причем исследования по согласованным программам велись на 49 станциях наблюдений. Эти исследования не ограничивались только полярными областями - их результаты служили также для объяснения общепланетарных связей. При этом неоднократно затрагивались океанографические вопросы. Подобные исследования были повторены во втором Международном Полярном году - с 1932 по 1934 г. Наконец, они достигли кульминации в Международном Геофизическом году - 1957-1958 гг.
Сильные колебания в доходах от сельдяного промысла у восточного выхода из пролива Скагеррак стали поводом для международных океанографических работ в Северном и Балтийском морях. В Копенгагене был создан Международный совет по исследованию морей (ICES) - первый международный океанографический орган. ICES и сейчас стимулирует различные океанологические и рыболовно-биологические исследования в северной Атлантике и координирует эти работы.
Время обширных съемок в океанах с исследовательских судов сменилось новым периодом развития океанографии, характеризующимся систематическими исследованиями океанологической структуры и гидрологических процессов в тех или иных океанических районах. Так, например, в 1913 г. в восточной части северной Атлантики начались работы норвежцев на судне "Армауер Хансен" водоизмещением всего 57 регистровых брутто-тонн. Их задачей было изучение сезонных изменений различных океанологических факторов.
Долгое время примером систематического исследования всего океана служила немецкая Атлантическая экспедиция 1925-1927 гг. на судне "Метеор" водоизмещением 1178 т. Цель ее - изучение процессов циркуляции в южной Атлантике и проведение обширных биологических, химических и метеорологических исследований. Тринадцать раз пересекал "Метеор" Атлантический океан между 18° с.ш. и 55° ю. ш. и выполнил наблюдения на 310 станциях (так в океанографии называются отдельные точки измерений). Результаты этих исследований не потеряли своего значения и до настоящего времени, являясь основой при планировании дальнейших работ.
Многочисленные океанографические экспедиции снаряжались также и другими странами, вплоть до второй мировой войны. В этот период были созданы новые исследовательские институты.
Быстрый подъем был характерен для развития океанографии в Советском Союзе. Уже в 1918 г. была снаряжена гидрографическая экспедиция для работ в европейской части Северного Ледовитого океана, за которой в 1920 г. последовал целый ряд научных экспедиций в другие моря. В 1921 г. учрежден Плавучий морской научный институт, заложивший основы советской океанологии[2]. В том же году были организованы первые экспедиции. В 1922-1923 гг. для этого института зверобойная шхуна водоизмещением 550 т была переоборудована в первое советское исследовательское судно "Персей". "Персей" принимал участие во втором Международном Полярном году и до 1941 г. провел в северных морях 90 экспедиций [3].
"Персей". На этом судне начались первые советские морские исследования
Вслед за Морским плавучим институтом создавались и другие океанологические и рыбохозяйственные институты. Главной задачей советских океанологических исследований в то время было освоение Северного морского пути. Впервые в 1937-1938 гг. дрейфующая льдина послужила базой для океанографических и метеорологических исследований в Арктике. Вслед за руководимой Папаниным дрейфующей станцией "Северный полюс 1" после войны были организованы многочисленные новые станции. В настоящее время работает станция "Северный полюс 23".
После второй мировой войны при организации крупных глубоководных экспедиций возникли новые аспекты в постановке исследований. Особое значение при этом придавалось изучению морского дна и нижележащих слоев грунта. Так, шведская экспедиция на "Альбатросе" в 1947-1948 гг. главное внимание уделяла вопросам морской геологии. Здесь впервые удалось получить в глубоководных областях колонки грунта длиной свыше 20 м, которые позволили заглянуть в геологическое прошлое океанического дна более чем на 10 млн. лет назад. Во время датской экспедиции на "Галатее" в 1950-1952 гг. были сделаны выдающиеся открытия при исследовании животного мира морских глубин.
В последующие годы при биологических и геологических исследованиях в глубоководных желобах Тихого океана особенно отличилось реконструированное в Висмаре и введенное в строй в 1949 г. советское научно-исследовательское судно "Витязь".
Обширные исследования показали, что природные условия в Мировом океане очень сложны и во многих его областях отличаются большой пространственно-временной изменчивостью. Случайные выборочные измерения в каком-либо одном районе могут лишь очень приближенно характеризовать естественные условия. Все сильнее возникало требование к синхронным (синоптическим) исследованиям с нескольких судов по единой методике. Далее выяснилось, что при таком обширном и сложном объекте изучения, как Мировой океан, необходимо равноправное международное сотрудничество и весьма желателен обмен данными наблюдений.
Попытки одновременной совместной работы многих исследовательских судов предпринимались и раньше. Так, в 1928 г. проводились одновременные исследования восемью советскими судами по восьми профилям в Финском заливе. Позднее такие исследования были предприняты в Баренцевом море и в дальневосточных водах Советского Союза. В 1938 г. в районе Азорских островов при международном изучении Гольфстрима велись совместные работы немецким и норвежским исследовательскими судами, к которым время от времени подключался также французский корабль погоды.
Однако до работ в больших масштабах по согласованным программам на многих исследовательских кораблях дело дошло только после второй мировой войны. Здесь следует упомянуть, например, совместные работы в 1950 г. шести исследовательских судов США и Канады в районе Гольфстрима между мысом Хаттерас и Ньюфаундлендской банкой. Кульминационного пункта совместные международные исследования достигли во время Международного Геофизического года в 1957-1958 гг. и Международного Геофизического сотрудничества. Свыше 70 исследовательских судов (в том числе более 20 из Советского Союза) сотрудничали по заранее согласованным программам. Последующая обширная международная программа исследований, включающая около 40 судов, проводилась с 1958 по 1965 г. (основные работы велись в 1962-1964 гг.) в Индийском океане, который до того времени океанология достаточно несправедливо обходила своим вниманием.
По инициативе ГДР, в которой морские исследования начались только после 1945 г., с целью изучения временных изменений различных океанологических факторов, летом 1964 г. в Балтийском море на 12 судах были проведены работы по совместной программе шести балтийских государств.
В 1969-1970 гг. во время Международного года Балтийского моря проводились исследования на судах СССР, Финляндии, Польши, Швеции, ГДР и ФРГ.
Наряду с программами научных работ, направленных преимущественно на изучение региональных особенностей океанологических условий, в последние годы были начаты специальные исследования, целью которых является объяснение фундаментальных проблем океанологии. К ним принадлежат, например, совместные исследования метеорологов и океанологов проблемы обмена энергией между океаном и атмосферой. Как пример можно привести, в частности, советский полярный эксперимент (ПОЛЭКС), который проводится с 1970 г. [4].
Во время советского полигонного эксперимента в северной Атлантике в 1970 г. шесть месяцев работали 17 буйковых станций с измерителями течений и другими регистрирующими приборами, причем участвовало несколько исследовательских судов. Цель этого эксперимента прежде всего заключалась в исследовании процессов океанической циркуляции и проверке существующих теоретических представлений.
Для научного планирования и подготовки более обширных международных программ необходимо было создать соответствующие международные организации, которые должны были также заботиться о стандартизации способов измерений и разработке правил обмена полученными данными. В 1957 г. был образован Научный Комитет по океаническим исследованиям (SCOR), в работе которого принимают участие и океанологи ГДР. В 1966 г. в качестве международного органа на государственном уровне в рамках ЮНЕСКО была создана Межпарламентская Океанографическая Комиссия (IOS).
Принятая в 1971 г. Комплексная программа Совета Экономической Взаимопомощи предусматривает совместные работы по проблемам океанографии. Сюда относится изучение химических, физических, биологических и других процессов в важных районах Мирового океана и исследование морей и океанов с целью использования их минеральных ресурсов.
Чтобы устранить недостатки в получении обширной своевременной информации о состоянии Мирового океана, в первую очередь применительно к прогнозу океанологических факторов, в настоящее время осуществляется подготовка всеобъемлющей программы наблюдений за состоянием океана и процессами взаимодействия между океаном и атмосферой. На основе национальных вкладов участвующих государств с помощью Межпарламентской Океанографической Комиссии и Всемирной Метеорологической ассоциации будет создана глобальная система океанических станций (IGOSS), в какой-то мере восполняющая недостаточную сеть наблюдательных станций в океанах. Наряду с уже существующими постоянными станциями (корабли погоды и береговые станции) в первую очередь должны быть созданы станции нестационарные (кроме исследовательских судов в большей степени, чем до сих пор, должны использоваться рыболовные и торговые суда), на которых регулярно, несколько раз в день будут измеряться по единой методике и передаваться по радио девять различных метеорологических и океанологических характеристик.
Приборы - разведчики морских глубин
Если у физика имеются широкие возможности проводить свои эксперименты в лаборатории при однозначно определяемых и контролируемых начальных условиях, то океанологи оказываются лицом к лицу с окружающим Землю Мировым океаном. Им приходится учитывать все многообразие происходящих там сложных процессов. Хотя в океанологии для решения специальных задач, таких, например, как исследование проблемы перемещения вод в прибрежной зоне, приливо-отливных явлений или даже общей океанической циркуляции, проводились модельные эксперименты в лабораториях, однако полученные при этом научные выводы большей частью ограничивались специальными случаями или выявляли более или менее значительные отклонения от реальных условий. Это объясняется тем, что перенесение результатов, полученных на небольшой модели, на масштаб Мирового океана, без сомнения, невозможно.
В настоящее время разработка математических моделей для океанологических исследований приобретает все большее значение. Их целью при исследовании специальных проблем является описание важнейших процессов с помощью соответствующих математических выражений. В эти уравнения не только входят действующие силы и процессы, но и с помощью соответствующих формул включаются также граничные условия (например, размеры исследуемого района моря, рельеф дна и др.). Такие математические модели позволяют объяснять происходящие процессы и могут служить для прогнозирования океанологических факторов. Из-за больших расчетных трудностей лишь успехи в электронно-вычислительной технике при обработке данных сделали возможным создание таких моделей в больших масштабах. С помощью подобного рода модельных расчетов значительные успехи были достигнуты, например, при исследовании и предсказании приливов и отливов или изменений уровня, вызываемых ветровыми нагонами в окраинных морях. Подобные модели были созданы для расчета полей течений, а в последнее время делаются попытки математического описания и биохимических процессов в море.
Общим для всех этих моделей является то, что исходным материалом для них служат данные о фактических гидрологических условиях в море и что результаты модельных расчетов, в свою очередь, должны проверяться материалами непосредственных измерений. Таким образом, наблюдения и измерения в море создают основу для дальнейшего углубления знаний о нем, о действующих при этом силах и о происходящих в океане процессах. В океанологии, в отличие от метеорологии, до сих пор отсутствует сеть стационарных станций наблюдений. Немногие постоянные станции на побережье и на брандвахтах собирают данные только для прибрежной зоны. Корабли погоды, оборудованные для проведения метеонаблюдений и для обеспечения безопасности полетов (в настоящее время девять судов размещены в северной Атлантике и четыре в северной части Тихого океана), выполняют океанологические измерения только в самом ограниченном объеме. Наконец, определенную помощь в сборе и передаче материалов наблюдений будет оказывать создаваемая в настоящее время глобальная океаническая система станций, о которой уже говорилось раньше.
Однако одной глобальной океанической системы наблюдения недостаточно, так как даже при привлечении дополнительных судов, а в дальнейшем и измерительных буев, возможная плотность сети станций все же оставит желать много лучшего и значительная часть микро- и мезомасштабных процессов будет выпадать из поля зрения. Даже применение в будущем искусственных спутников Земли для океанографических исследований, о котором еще пойдет речь ниже, не исключает специальных исследований. Поэтому, несмотря на такую ценную информацию, которую дают торговые суда, автоматически работающие измерительные буи и искусственные спутники Земли, исследовательские суда будут занимать важное место в океанологии.
В настоящее время имеется свыше 1000 исследовательских судов, из которых, однако, лишь около 160 судов имеет водоизмещение более 1000 т. Только Советский Союз имеет в своем распоряжении более 100 исследовательских судов, которые ведут работы во всех морях.
Исследовательское судно должно обладать хорошими мореходными качествами, так как океанологические исследования проводятся не только при хорошей погоде. С помощью соответствующей конструкции корпуса, используя дополнительные технические устройства, выдвижные успокоители качки, надлежащим образом размещая лебедки и лабораторные помещения, стремятся уменьшить вредное влияние возникающих при волнении собственных движений судна. Необходимы также хорошая маневренность при опускании измерительных приборов и по возможности уменьшение шумовых и вибрационных помех. Расходы на эксплуатацию исследовательского судна должны находиться в разумных пределах, так как эти суда и без того принадлежат к самым дорогостоящим основным средствам океанологии.
Для погружения измерительных приборов исследовательское судно должно иметь специальные тросовые и кабельные лебедки, а также соответствующие устройства для спуска различных приспособлений. Для обработки измерений на борту должны быть лаборатории и другие помещения для регистрации информации, поступающей от непрерывно работающих датчиков. Чтобы полноценно эксплуатировать исследовательское судно, предусматривают частичную смену судовых лабораторий. Кроме того, современные исследовательские суда имеют на борту собственный вычислительный центр, к которому подключаются измерительные приборы и целые лаборатории.
Различные новые конструкции судов предназначены для комплексных океанологических исследований, однако некоторые суда оборудуются для специальных задач, например для научного рыболовства или для разведки обстановки на морском дне. Уже имеются специальные суда, с которых на глубинах более чем 6000 м в ложе океана были проложены 1100-метровые буровые скважины.
В последнее время во все возрастающих масштабах применяются суда, позволяющие проводить научные исследования в космосе и в высоких слоях атмосферы. Эти суда одновременно обеспечивают радиосвязь с космическими кораблями. Для выполнения подобных задач Академия наук СССР только в 1967 г. получила девять новых судов. В начале 1972 г., после разносторонних испытаний, вступил в строй новейший корабль "Космонавт Юрий Гагарин".
Эксплуатация исследовательских судов поднимает проблему об определении их места в море. К точности обсервации предъявляются очень высокие требования.
Проникновение человека в глубины океана (см. 1-й цветной разворот):
1 - рекордные погружения свободных водолазов на глубины около 80 м; 2 - погружения автономных водолазов с аппаратом на глубины свыше 250 м; 3 - подводная лаборатория (в настоящее время глубина ее погружения до 150 м.); 4 - глубина погружения современной подводной лодки около 500 м; 5 - рекордный спуск батисферы на 1372 м; 6 - глубина погружения современных подводных судов - свыше 2000 м; 7 - фотографирование морского дна на глубине примерно 9200 м; 8 - самый глубокий рыболовный трал "Галатеи" 10 189 м; 9 - отбор проб воды с глубин свыше 10 000 м; 10 - самый глубокий спуск "Триеста" на глубину 10 916 м.
Обеспечение водолаза дыхательным газом (см. 2-й цветной разворот);
1 - свободный водолаз без аппарата; 2 - водолаз с автономным прибором; 3 - плавающий водолаз со снабжением дыхательным газом по шлангу с водной поверхности; 4 - снабжение водолазов из погружаемой камеры; 5 - снабжение из погружаемой камеры, которая, со своей стороны, снабжается с поверхности; 6 - обеспечение водолазов дыхательным газом из подводного дома; 7 - погружение с помощью подводного судна.
Большинство имеющихся в настоящее время навигационных систем еще не удовлетворяют этим требованиям. Обычные методы астрономической навигации, с помощью которых при благоприятных условиях точность обсервации достигает примерно одной морской мили, в отдаленных морских районах даже сегодня - единственный способ определения места корабля в море. Ценным вспомогательным средством являются различные новейшие способы радионавигации. Вблизи берегов эти средства позволяют достичь точности примерно ± 20 м. Использование искусственных спутников Земли в навигационных целях может оказаться очень полезным для океанографии. Различные новейшие исследовательские суда уже оборудованы установками для спутниковой навигации.
Непосредственные наблюдения человека за процессами, происходящими в море, вряд ли возможны, хотя здесь также наметились некоторые перемены, к которым мы еще вернемся в дальнейшем.
В настоящее время измерения в толще моря проводятся преимущественно косвенными методами с помощью дистанционных измерительных приборов, погружаемых с судов.
В распоряжении океанографии имеется весьма разнообразный комплекс приборов. Несмотря на различные задачи, океанографические приборы должны удовлетворять определенным требованиям. При относительном однообразии в распределении многих океанологических характеристик небольшие различия в них играют значительную роль. Поэтому измерительные приборы, обеспечивая точность измерений, должны быть прочными и надежными. Прежде всего они должны выдерживать суровые эксплуатационные условия в море. Ввиду того что измерения проводятся и на больших глубинах, важное значение имеет высокий предел прочности при сжатии измерительных приборов. Наконец, они должны быть коррозиоустойчивыми, чтобы не подвергаться действию морской воды.
Плодотворное влияние на развитие океанографической измерительной техники оказывают успехи в исследовании космоса.
Целью новейших способов измерения является отказ от дискретных исследований распределения отдельных характеристик и поиски возможностей непрерывной регистрации их изменений по глубине или во времени. При этом измерения стремятся проводить непосредственно в море, в то время как до сих пор большая часть исследований выполнялась на пробах воды, которые доставлялись на борт исследовательского судна с помощью батометров или других приборов для отбора проб.
С появлением новейшей аппаратуры возросло и количество измеряемых параметров, для обработки которых необходима современная вычислительная техника.
Для полного и точного описания океана потребуется очень большое число измерений, которые должны быть, во-первых, достаточно точными, а во-вторых, взаимно сопоставимыми. Сопоставимость данных, стандартизация измерительных приборов и методов измерений играют чрезвычайно важную роль при стандартных наблюдениях, например для глобальной сети океанографических станций.
"Космонавт Юрий Гагарин" (длина 231 м, водоизмещение 45 тыс. т) вступил в строй в 1972 г.
В настоящее время проводится значительный обмен данными в международных масштабах, который в дальнейшем будет расширяться. Чтобы эффективно и быстро обрабатывать эти материалы, добиваются единых форм передачи данных и ввода их в машины.
Принцип действия батометра Нансена
После обзора некоторых общих проблем, связанных с исследованиями океана, обратимся к наиболее важным методам измерений. Из-за небольшого объема брошюры мы остановимся лишь на некоторых из них, чтобы показать многообразие стоящих на очереди проблем. В океанологии уже давно применяются батометры, с помощью которых те или иные объемы воды могут доставляться на поверхность даже с больших глубин без смешивания с окружающей средой. Имеется много конструкций таких батометров. В качестве стандартной модели был принят батометр, сконструированный норвежским ученым Фритьофом Нансеном. Прибор позволяет отбирать пробу воды объемом около 1 л. Батометр представляет собой металлическую трубку с двумя клапанами на ее верхнем и нижнем концах. Трубка прикрепляется зажимами к тонкому тросу и открытой опускается на заданную глубину. Затем по тросу спускается посыльный груз, который освобождает верхнее крепление батометра и он переворачивается. При этом оба клапана закрываются, и вода в батометре, уже изолированная от внешней среды, сохраняется для последующих исследований. В процессе опрокидывания высвобождается второй посыльный груз, который перевертывает следующий батометр. Таким образом, на один трос может быть подвешена целая серия батометров. Для отбора больших объемов воды применяются батометры из пластмассы с откидными крышками, которые тоже закрываются при помощи посыльных грузов. Батометры, изготовленные из неметаллических материалов, применяют и для проб воды, предназначенных для биохимических исследований, при которых не должно быть загрязнения воды следами металла.
Отобранные с помощью батометров пробы затем исследуются в судовой лаборатории и только в в исключительных случаях хранятся для более поздних анализов до конца экспедиции. В области химии моря, даже в трудных судовых условиях, также должно предусматриваться серийное применение аналитических методов с достаточно точными результатами. Пробы должны обрабатываться по возможности сразу после их отбора, так как концентрации содержащихся в морской воде веществ могут сильно изменяться во время хранения из-за происходящих в них биохимических процессов. Это особенно важно в тех случаях, когда исследуются вещества, содержащиеся в морской воде в очень небольших количествах (например, содержание фосфатов составляет меньше чем миллиграмм на 1 м3).
Важным исследованием, проводимым на полученных пробах воды, является определение солености - одной из основных величин при оценке океанографических условий. По температуре и солености морской воды может быть рассчитана ее плотность, а пространственное распределение плотности и ее изменения во времени служат ключом к объяснению движений водных масс и процессов перемешивания в море. Соленость - важная исходная величина также и для оценки многих других процессов. Новейшие методы измерения используют зависимость электропроводности воды от концентрации в ней соли.
Для определения микроэлементов, присутствующих в морской воде в незначительных количествах, в химии моря укоренились колориметрические методы. При этом исследуемое вещество окрашивается с помощью соответствующих химических реактивов и затем в специальных фотометрах сравнивается с эталонными растворами. Для ускорения обработки проб, поступающих в большом количестве, на борту корабля с успехом используются и автоматические средства проведения анализов, разработанные ранее для медицинских целей.
Для измерения температуры воды - также весьма важной характеристики - служат опрокидывающиеся термометры. В современном виде они начали употребляться в океанографии в конце XIX столетия. Это тщательно выверенные ртутные термометры, предохраняемые от давления воды защитным футляром из стекла. Точность измерения составляет 0,01 - 0,02°С. Как же оценить истинную температуру на глубине, если при подъеме термометр попадает в слои воды с иной температурой? Дело в том, что при опрокидывании батометра ртутный столбик в прикрепленном к нему термометре обрывается в месте сужения капилляров, что и позволяет зафиксировать температуру на исследуемой глубине.
В последнее время разработан ряд измерительных приборов, которые, в отличие от опрокидывающихся термометров, пригодных лишь для дискретных измерений, дают возможность проводить непрерывную запись температуры, а в некоторых случаях применяются даже на ходу судна.
Раньше разные приборы применялись только для отдельных измерений на определенных горизонтах. Сегодня делаются попытки создания приборов, имеющих несколько датчиков, помещаемых в батизонды. Они одновременно измеряют несколько величин и по кабелю передают данные на борт корабля, где они принимаются в виде кривых или цифр. Еще лучше, если все величины выдаются в форме, пригодной для электронной обработки, например в виде перфолент или магнитофонной записи.
Принципиально новые способы измерений - свободно погружаемые зонды, которые сбрасываются с судна или даже вертолета. Например, были продемонстрированы приборы, одновременно измеряющие глубину, температуру воды и скорость распространения в ней звука. Приборы свободно опускаются на глубину до 5000 м со скоростью около 2 м/с. После освобождения от балласта зонды, внутри которых содержатся накопленные измеренные данные, всплывают и их поднимают на борт исследовательского судна.
Важной проблемой физической океанологии была и остается проблема изучения морских течений. Для их определения с давних пор использовались данные о дрейфе судов. По разнице между фактическим местом судна, найденным посредством астрономических или радионавигационных обсерваций, и его местом, вычисленным по истинному курсу и скорости[5], можно судить о его перемещении под действием течения на поверхности моря. Соответствующие данные из судовых журналов статистически обрабатываются в Центре сбора данных и затем представляются в виде карт. Разумеется, эти карты дают лишь упрощенную картину фактической скорости и направления течений. Наблюдения распределены очень неравномерно и главным образом сосредоточены на маршрутах основных судоходных путей.
Результаты, аналогичные получаемым по данным о дрейфах судов, можно извлечь также и с помощью бутылочной почты, которая является очень старым вспомогательным средством получения информации. Этот столь примитивный способ применяется и сегодня, только вместо бутылок используют запечатанные в пластмассовые пакеты почтовые открытки. Много открыток было выброшено, например, в 1954 г. к западу от Британских островов, а в 1963-1964 гг. - в Немецкой бухте. Таким методом попытались получить сведения о вероятных путях распространения нефтяных загрязнений в море.
Принцип, подобный бутылочной почте, был применен английским океанологом Сваллоу для исследования глубинных течений: поплавки, находящиеся во взвешенном состоянии на определенной глубине, посылают звуковые сигналы, которые улавливаются на борту судна. Если дрейф судна известен, можно определить течение на глубине. С помощью таких поплавков в глубинных слоях были обнаружены поразительно высокие скорости течений.
Однако измерять скорость и направление течений в тех или иных точках моря можно также соответствующими приборами.
Трудность состоит в получении в море некоторого неподвижного пункта, с которого могли бы проводиться наблюдения. Даже поставленное на якорь судно не находится в покое, а перемещается вокруг якоря, причем перемещения зависят от ветра и течения. Они сильно искажают получаемую информацию. Кроме того, постановка на якорь на больших глубинах - задача сложная и трудоемкая. Поэтому около 15 лет назад пришли к выводу, что на якорь следует ставить не само исследовательское судно, а выставлять с него буи, на якорном тросе которых подвешиваются измерительные приборы. Зачастую применяют также притопленные буи, на которые не влияет действие волнения. Местоположение такой станции отмечается маленьким сигнальным буйком с радиопередатчиком.
При измерении течений важно, чтобы одновременно фиксировались две величины - направление и скорость. Для определения скорости течения почти во всех измерительных приборах применяются пропеллеры или какие-либо иные роторы, число оборотов которых показывает скорость[6]. Так как прибор устанавливается по течению, его направление можно фиксировать с помощью компаса. Новейшие приборы конструируются как регистраторы течений, автоматически работающие несколько месяцев. Большое значение имеет форма записи, которая должна удовлетворять требованиям автоматической обработки данных.
Автоматический измерительный буй для регистрации метеорологических и океанологических параметров. Наблюдатели дают наглядное представление о величине буя.
Были испытаны и другие способы измерений, например, такие, как охлаждение течением накаленной проволоки или акустические или магнитные измерители течений. Наконец, следует еще сказать, что при определенных условиях представление о характере течений можно получить и косвенным путем. Так, по вертикальному ходу плотности рассчитывается распределение давления в море, которое, со своей стороны, позволяет проводить количественный расчет морских течений. Наши сегодняшние представления о движении вод в глубоких слоях для многих морских областей основаны именно на косвенных расчетах, выполненных динамическим методом. Обширен также набор приборов для доставки на борт исследовательского судна различных форм морской фауны и флоры. По сравнению с биологами на суше, морские биологи находятся в более неблагоприятном положении. Они не могут наблюдать объекты своих исследований в природных условиях и вынуждены довольствоваться случайными выборочными пробами, поднятыми с океанских глубин различными сетками.
Для ловли растительного и животного планктона[7] применяются конические сетки из тонкого газа. Планктонные организмы в невозмущенной водной среде находятся во взвешенном состоянии и имеют ограниченное собственное перемещение. В зависимости от размеров исследуемого планктона выбирается тип сетки. Имеются планктонособиратели, которые буксируются с идущего судна. При этом полоса газа внутри прибора, с помощью которой из моря отфильтровываются различные формы планктона, наматывается на шпульку. Такие приборы применялись и на торговых судах. Иные виды сеток служат для ловли глубоководных рыб. Пробы донной фауны и флоры поднимаются на борт дночерпателями или драгами. Драги подобны граблям, за которыми укреплена сетка из проволоки. Кожа или плотная ткань и цепи защищают сетку от повреждений, когда она, иногда часами, волочится по морскому дну, влекомая идущим судном.
Морские геологи также не имеют прямого доступа к объектам своих исследований. Представление о форме морского дна дают промеры глубин лотом. На смену промеров лотом, требующих большой затраты времени и позволяющих вести только дискретные определения глубин, пришли промеры эхолотные. Основу эхолота создал в 1912 г. немецкий физик Бем. В 1922 г. американское судно проложило первый эхолотный профиль через северную Атлантику, а в 1925-1927 гг., в процессе океанографических исследований, "Метеор" впервые выполнил обширные промерные работы с помощью эхолота.
Эхолот измеряет время, которое требуется посланному звуковому импульсу для того, чтобы пройти расстояние от судна до морского дна и обратно. Это время пропорционально глубине, так что, если известна скорость звука в воде, можно рассчитать расстояние "судно - морское дно". С помощью специальных эхограмм можно определять не только глубину: звуковые волны проникают также и в мягкие напластования дна, что позволяет судить о мощности осадочной толщи, т. е. отложении на морском дне. Некоторые виды эхограмм показывают распределение планктона или косяков рыб и являются важным вспомогательным средством при изучении биологических основ рыболовства.
Дночерпатели, работающие подобно грейферам землечерпалки, захватывают только самые верхние слои морского дна, в то время как геологические трубки проникают в него глубже. Они представляют собой опускаемые с борта судна длинные трубки, которые вонзаются в дно либо под действием собственного веса, либо с помощью разрывного заряда или вибрационного устройства. С помощью такого рода приборов, вес которых иногда превышает 2 т, на "Витязе" удалось поднять с морского дна колонку грунта длиной свыше 30 м.
Наконец, о строении морского дна позволяют судить геофизические методы. При сейсмических методах, например, в определенном районе возбуждаются сейсмические волны, которые после отражения различными поверхностями морского дна регистрируются в другом районе. О структуре строения морского дна дают представление также и измерения гравитационного и магнитного полей Земли или тепловых потоков, идущих из земных недр.
Подводная фотография и подводное телевидение дополняют океанографические методы исследований. Главной проблемой подводной фотографии является создание оптимальных искусственных источников освещения. Вследствие сильного поглощения и рассеяния солнечного излучения в воде естественного светового поля даже на небольших глубинах недостаточно для фотографирования. Еще в 1893 г. французский зоолог Бутан, который сделал первые снимки под водой с помощью плоской камеры на глубине 10 м в Средиземном море, применял осветительную вспышку, а позднее - угольные дуговые лампы.
Все возрастающее распространение в океанологии получает и подводное телевидение, в особенности для наблюдений за морским дном. Телевизионная техника была впервые применена под водой в 1951 г. при поисках подводной лодки, утонувшей в устье Темзы. В настоящее время существуют установки, которые позволяют вести передачи по кабелю длиной несколько километров.
Наряду с исследовательскими судами в последние годы появились автоматические измерительные буи, ведущие метеорологические и океанологические наблюдения и передающие данные в центры управления. С развитием и эксплуатацией этих буев связаны многочисленные технические, экономические, а также юридические проблемы, которые до сих пор еще далеко не все решены.
Как к самим измерительным датчикам, так и к устройствам для обработки и передачи данных предъявляются следующие основные требования: небольшие размеры, малое потребление энергии и высокая надежность.
Измерения, полученные на буе, должны передаваться наземным станциям. Это в общем возможно, исключая применение подводных кабелей в прибрежных районах, только с помощью радиосвязи. Система передачи должна быть пригодна для автоматической работы и действовать один-два года без технического обслуживания. Следует также учитывать возможность использования искусственных спутников в качестве радиорелейных станций при связи между буем и Землей.
Наряду с конструированием соответствующих измерительных и передаточных устройств проблемой является обеспечение их энергией. Не все источники энергии пригодны для использования в море. Кроме того, снабжение автономных буев энергией должно отличаться высокой надежностью и исключать техническое обслуживание. Источники энергии должны иметь небольшие размеры и ничтожный вес. Большое значение придается уже испытанным в космосе генераторам, превращающем химическую энергию, вырабатываемую содержащимися в воде веществами при взаимодействии их с оксигенами, в энергию электрическую. Важная роль принадлежит термоэлектрическим генераторам изотопов, которые в электрическую энергию преобразуют энергию тепловую, высвобождающуюся при радиоактивном распаде некоторых элементов, например стронция. Сейчас имеются экспериментальные установки, в качестве источников питания использующие кинетическую энергию морских волн.
В настоящее время существуют прототипы различных видов измерительных буев, которые устанавливают на якорь даже на больших глубинах. Перспективные модели буев смогут выполнять измерения, дрейфуя в заданных морских районах. Особое место среди заякоренных измерительных буев занимает разработанный в 1967 г. в США тяжелый "Монстрбуй" весом свыше 100 т, представляющий собой поплавок в виде диска диаметром более 13 м. "Монстрбуй" может измерять 14 метеорологических и океанологических характеристик и передавать их на расстояния до 4000 км. Расходы на подобный буй составляют около 500 тыс. долларов. Однако имеются измерительные буи весом только 90 кг, которые могут сбрасываться и с вертолетов. Эти буи измеряют пять характеристик на поверхности моря и передают данные на расстояние 100-150 км.
В проектируемой океанической сети станций в глобальных масштабах измерительные буи будут иметь большое значение в качестве стационарных станций. Разумеется, это потребует высоких затрат. Точки зрения на наиболее рациональное размещение буев значительно расходятся. В глобальной сети наиболее оптимальной считается сторона квадрата примерно в 400 км. Это значит, что на площади 160 000 км2 (что больше территории ГДР) разместилась бы одна буйковая станция. Для сравнения следует упомянуть, что в ГДР на 2500 км2 приходится одна метеорологическая станция.
Французский лабораторный буй, стоящий на якоре к югу от Марселя на глубине 2400 м
Между исследовательскими судами и автоматическими измерительными буями займут место заранее отведенные в предусмотренные районы плавучие средства с приборами и экипажами для их обслуживания. Некоторые из этих носителей приборов должны находиться в вертикальном положении, но могут, подобно лихтеру, буксироваться и горизонтально. Затем в выбранном месте назначения они наполняются водой и выпрямляются. Дрейфуя или стоя на якоре, они являются идеальными измерительными платформами для исследований в пограничном слое океан - атмосфера и в верхних слоях моря. Даже при сильном волнении на море они ведут себя спокойно. Так, в заливе Аляска такие носители американской конструкции при волнах высотой 11 м имели вертикальные перемещения менее 10 см. Особенно известнымистали американская инструментальная станция FLIP и созданный в 1964 г. по инициативе французского исследователя Кусто лабораторный буй. Буй имеет длину 66 м, из которых 56 м находятся под водой. При водоизмещении 250 т он позволяет жить и работать в нем четырем сотрудникам.
Общим для всех описанных выше способов измерений, шла ли речь о приборах на исследовательских судах, автоматических буях или других носителях аппаратуры, является то, что измерительные датчики находятся в непосредственном контакте с исследуемой средой, т. е. с морем. Однако в последнее время разработаны и неконтактные методы, которые дают возможность проводить наблюдения за различными океанографическими характеристиками с помощью дистанционных измерений, например с самолетов или с искусственных спутников Земли.
До применения дистанционных приборов для океанографических исследований с самолетов были получены косвенные научные заключения об океанологических процессах путем интерпретации данных аэрофотосъемок. Особенно ценные выводы об изменении условий волнения моря и о переносе различного материала в прибрежной зоне дали снимки, сделанные вблизи береговой полосы. Самолеты, используя аэрофотосъемку, вели наблюдения и за ледовой обстановкой.
С начала 50-х годов самолеты с дистанционными приборами применяются непосредственно в целях океанографии. Так, инфракрасными термометрами путем измерения длинноволнового излучения морской поверхности определялась ее температура. Правда, этот способ имеет ограниченное применение, так как определяется температура только самого поверхностного слоя воды толщиной 1 мм. Измерениям мешают водяные пары атмосферы. Поэтому использование этого метода сохранилось главным образом в районах с большими горизонтальными градиентами температуры, таких, например, как зона Гольфстрима. При изучении течений с помощью поплавков или при исследовании процессов горизонтальной турбулентности с успехом применяется аэрофотограмметрия.
В будущем большое значение приобретут наблюдения и измерения с помощью искусственных спутников Земли. Хотя "космическая океанография" делает еще только первые шаги, проводимые по ее развитию работы являются многообещающими. Высокая скорость обращения космических аппаратов позволяет одновременно наблюдать большие районы и быстро повторять измерения. Поэтому космические летательные аппараты особенно целесообразно использовать в тех случаях, когда необходимо получение синхронной информации на обширных океанических областях. Если эти аппараты оснащены достаточно чувствительными измерительными датчиками, можно исследовать микро- и мезомасштабные явления. Они могут служить также в качестве радиорелейных станций для получения информации от сети заякоренных или дрейфующих буев.
В настоящее время главная проблема состоит в создании датчиков, которые работали бы достаточно надежно и точно на высотах в сотни километров. Следующая важная проблема заключается в том, чтобы освободить измерения от вредного влияния облачности. Именно поэтому современные методы использования искусственных спутников для океанологических целей применяются в сравнительно безоблачных субтропических районах.
Успешные космические наблюдения за морем в последние годы позволили судить о границах и сезонных перемещениях ярко выраженных морских течений, а по фотографиям метеорологических спутников делались выводы о характерных формах облаков. По солнечным бликам на этих фотографиях могут оцениваться условия волнения на море. С 1961 г., по данным метеорологических спутников, составляются карты ледовой обстановки. В дальнейшем с помощью искусственных спутников можно будет определять местоположение косяков рыбы.
Исследования, проводимые пилотируемыми космическими аппаратами и орбитальными станциями, также могут вносить ценный вклад в океанографию. В этой связи следует напомнить о первом совместном применении исследовательских судов, космических кораблей и метеорологических спутников в Индийском океане в 1970 г. при полете советского космического корабля "Союз-9" или о программе наблюдений, выполненной в 1971 г. первой советской орбитальной станцией "Салют".
Полноты ради следует упомянуть, что наряду с уже отмеченными вспомогательными техническими средствами в океанографии могут использоваться также и автоматические устройства, которые, будучи управляемыми на расстоянии по заранее составленной программе, отбирают пробы на различных глубинах, фотографируют или даже выполняют непосредственные измерения. Некоторые такие устройства были с успехом испытаны на глубине 5000 м и более. В дальнейшем их можно будет использовать в качестве автоматических обсерваторий на морском дне. По истечении предусмотренного срока по заранее разработанной программе или но акустическому сигналу они поднимаются на поверхность, где отбираются накопленные данные.
Большое значение имеют "подводные роботы", например для контрольных и ремонтных работ на подводных нефтепроводах. Для строительных работ под водой в Японии, Советском Союзе и США были разработаны автоматические подводные бульдозеры. Например, японская конструкция, плавбазой для которой на поверхности моря служит катамаран, может работать на глубинах до 60 м. Большинство подводных роботов кабелем связано с надводным судном, с которого они управляются и которое подает им необходимую энергию. Приводимые в действие гидравлическими приводами, грейферы позволяют выполнять подводные работы и транспортировку грузов. Их ориентирование обеспечивается с помощью прожекторов и подводных телевизоров.
Человек в море
Вероятно, уже в эпоху первых крупных египетских морских путешествий у побережья Красного моря погружались ныряльщики.
Во многих финикийских, а позднее греческих городах водолазное дело было специальностью. Жемчуг, кораллы или губки и съедобные моллюски были в то время ценными обменными товарами. Существовал большой спрос также на пурпурных улиток, из которых изготовлялись красители. В античных источниках можно найти сведения о строительных работах под водой, о погружении при спасательных работах на затонувших судах, а также о первых попытках использования водолазов в военных целях.
Отдельные сообщения указывают на участие водолазов даже в научных исследованиях. Так, упоминается, что Александр Македонский, который поручил Аристотелю описание животного мира, предоставил в его распоряжение группу водолазов. Водолазы должны были поднимать со дна редких животных и растения. В других преданиях говорится, что сам Александр в 330 г. до н. э. спустился на морское дно в своеобразном водолазном колоколе.
В древние времена водолазы могли обнаружить интересующие их предметы только в прозрачных и спокойных водах. Их пребывание под водой было ограничено способностью задерживать дыхание. О достигнутых глубинах никаких подробных данных не имеется. Видимо, они опускались не более чем на 20 м. Не установлено, но и не исключено, что уже тогда были известны некоторые технические вспомогательные средства, такие, например, как прообразы наших современных водолазных очков или дыхательных трубок. Во всяком случае, позднее, начиная с XIV столетия, искатели жемчуга в Персидском заливе применяли примитивные водолазные очки из полированного черепахового панциря.
У берегов Греции, Турции и Северной Африки вплоть до XIX столетия неизменно практиковались свободные погружения. Ныряли здесь прежде всего за губками и кораллами, тогда как в Красном море, Персидском заливе и у берегов Индийского океана с морского дна добывали главным образом жемчуг. Оснащение водолаза состояло исключительно из водолазных очков и иногда из носового зажима для облегчения выравнивания давления. Часто, чтобы экономить время при погружении, ныряльщики затягивали себя в глубину камнем. И сейчас подобным способом погружаются за съедобными морскими кубышками [8], а также за жемчужными раковинами и губками большинство женщин в Японии и Южной Корее.
Давно известным техническим вспомогательным средством для пребывания человека под водой был водолазный колокол. По первым, правда недостоверным, преданиям еще в древние времена, а позднее, в XVI столетии, упоминается о подводных работах с помощью водолазных колоколов. Они представляли собой открытые снизу деревянные ящики со своеобразной платформой, на которой могли стоять рабочие. При погружении колокола вода проникала в него снизу и сжимала находящийся там воздух, пока не устанавливалось состояние равновесия. Один или даже несколько человек могли выполнять работы в таком колоколе на морском дне до тех пор, пока хватало запаса кислорода. В качестве примера успешного применения водолазного колокола в районе Балтийского моря следует упомянуть спасение в 1663 г. свыше 50 орудий с затонувшего в 1628 г. у Стокгольма шведского военного корабля "Ваза". Здесь были заняты два водолаза. Работа в холодном Балтийском море с тогдашними примитивными вспомогательными средствами считалась большим достижением.
В 1717 г. английский астроном Хэлли предложил дополнительное снабжение водолазного колокола воздухом из воздушных резервуаров. Из погруженных резервуаров воздух должен был попадать в колокол по кожаным шлангам. Говорят, что Хэлли сам спускался на глубину 17 м.
В дальнейшем водолазные колокола различных конструкций нашли широкое применение при спасательных работах и при строительстве подводных сооружений. Их используют еще и в настоящее время. Однако из-за их ограниченной несколькими метрами глубины погружения и неподвижности они вряд ли применялись когда-либо в океанографических целях. Правда, известно, что в 1820 г. швейцарский врач Колладон у побережья Ирландии с помощью водолазного колокола выполнил измерения температуры воды на глубине 10 м.
Однако водолазные колокола и исторически и технически положили начало всем видам водолазной аппаратуры, работающей на сжатом воздухе. От водолазного колокола развитие пошло по двум направлениям. Плотное закрытие водолазного колокола снизу и снабжение воздухом при нормальном атмосферном давлении привели к появлению батисферы, о которой будет идти речь в следующей главе. С другой стороны, путем увеличения подачи воздуха, чем достигалось выравнивание давления с окружающим давлением воды, удалось перейти к водолазным аппаратам, обладающим большей маневренностью под водой.
Представления о водолазном снаряжении сложились еще в средние века. Так, в старой немецкой рукописи 1415 г. имеется рисунок водолаза в водонепроницаемой одежде с идущим к поверхности воды длинным воздушным шлангом, который поддерживается там двумя поплавками. У Леонардо да Винчи также имеется подобный рисунок. Разумеется, в то время еще не понимали неосуществимости подобного проекта, обусловленной физиологическими причинами. Ведь через дыхательный шланг легкие водолаза соединялись с наружным воздухом, в то время как грудная клетка подвергалась давлению находящегося над его туловищем водяного столба. При избыточном давлении в 0,1 атм, т. е. на метровой глубине, грудная мускулатура не может растягивать грудную клетку против давления воды.
Конечно, от первых рисунков до реально действующего водолазного снаряжения был еще долгий путь. В 1797 г. на Одере, под Врацлавом, была испытана построенная Клингертом "водолазная машина", однако настоящий скачок удался только в 1819 г., когда эмигрировавший в Англию немецкий механик и оружейник Зибе изготовил первый водолазный костюм из водонепроницаемого материала, прочно соединенный с металлическим шлемом. С судна воздух подавался водолазу с помощью насоса. Отработанный, а также избыточный воздух выходил из нижнего края не плотно прижатой верхней части костюма. В других странах также проводились опыты с аналогичным водолазным снаряжением.
В 1837 г. Зибе окончательно отработал свой водолазный костюм, снабдив его привинчивающимся шлемом с выдыхательным клапаном, который приводился в действие самим водолазом. Теперь костюм был цельным, а свинцовые башмаки и балласт обеспечивали достаточную устойчивость на дне. Зибе назвал этот водолазный костюм скафандром, от греческих слов "лодка" и "мужчина". Таким образом, был создан прототип современного тяжелого водолазного снаряжения. В принципе такое герметичное шлемовидное водолазное снаряжение сохранилось почти неизменным до сегодняшнего дня. Была только усовершенствована связь с помощью вмонтированного телефона, созданы специальные аппараты для смешения газа, необходимые при работах на больших глубинах, и ряд других вспомогательных приборов. Много поколений водолазов провели с этим оборудованием сложные ремонтные и строительные работы под водой и операции по спасению и подъему судов.
Так представляли себе водолаза в XV в.
Во многих случаях шлемовидные водолазные аппараты были выгодны, так как обеспечивали пребывание под водой в течение длительного времени, обладали значительной надежностью в эксплуатации и запасом прочности. Эти аппараты имели и свои недостатки - большой вес снаряжения и малая подвижность водолазов под водой. Затрудняло работы также большое сопротивление, которое оказывали водолазу морские течения, особенно при их значительных скоростях. Кроме того, затраты как на самих водолазов, так и на материалы были сравнительно велики. Освоенная с помощью этого стандартного водолазного снаряжения область глубин простирается в среднем примерно до 50 м. Однако в отдельных случаях, еще до использования новых дыхательных газовых смесей, были достигнуты и большие глубины погружения.
С применением скафандров у водолазов, которые опускались на большие глубины, стали наблюдаться признаки загадочного заболевания. Они жаловались на кожный зуд, боль в суставах, нарушение дыхания и на нервную систему. Эта болезнь нередко продолжалась длительное время и иногда приводила к смертельным случаям. Подобные болезненные симптомы наблюдались также у рабочих, которые долгое время работали под давлением в водолазном колоколе или кессоне. Поэтому это заболевание назвали кессонной, или декомпрессионной, болезнью. На первых порах какого-либо эффективного лечения не существовало, так как не были ясны причины этого заболевания. Это затрудняло дальнейшее развитие техники, необходимой для достижения больших глубин, потому что объяснить физиолoгические процессы, которые приводили к этой болезни, не удавалось.
В 1670 г. английский естествоиспытатель Бойль в опытах над животными установил, что при внезапном понижении давления в крови и ткани образуются пузырьки газа. Позднее немецкими и голландскими учеными по этой проблеме был собран новый материал, а в 1878 г. французский физиолог Берт опубликовал обширную работу о влиянии давления на организм, заложив основу объяснения кессонной болезни.
Под водной поверхностью подаваемый водолазу воздух находится при повышенном давлении, что приводит к повышению парциального (частичного) давления его составных частей, т. е. кислорода и азота. Кислород и азот растворяются в крови и тканях тела в зависимости от их парциального давления. В то время как растворенный в крови кислород нужен для дыхания, инертный азот не вступает в организме ни в какую химическую реакцию. Он переносится кровью в ткань тела, которая - в зависимости от глубины погружения и времени пребывания под водой - усваивает различное количество азота. При подъеме водолаза окружающее давление снижается, снижается также и парциальное давление азота в воздухе, подаваемом для дыхания. Азот перемещается из тканей в кровь, а оттуда в легкие. Ткань тела перенасыщается азотом. Если снижение давления происходит достаточно медленно, то азот постепенно улетучивается. Однако при быстром подъеме он выходит из перенасыщенных тканей, образуя пузырьки воздуха, подобно тому, как углекислый газ выделяется при быстром открывании бутылки с сельтерской водой. Пузырьки азота в тканях закупоривают кровеносные сосуды, нарушается обеспечение кислородом.
Шлемовидное водолазное снаряжение нашло применение в океанографии. Первым ученым, который воспользовался скафандром, был французский зоолог Мильн-Эдвардс, участвовавший в экспедиции французской Академии наук в водах около Сицилии (1844).
Антон Дорн, основатель зоологической станции в Неаполе, в 1878 г. также хотел подчинить "новейшие успехи водолазного дела целям зоологической станции". Как он полагал, водолазы "наиболее способны исследовать те части морского дна, которые остаются недоступными для донных тралов и драг". В Кильской гавани в Балтийском море он предпринял первое погружение с научными целями.
В конце ХIХ столетия сообщалось о научных исследованиях с помощью водолазов и в других районах. Особенно благоприятным для подводных исследований был район Средиземного моря с высокими температурами воды и хорошими условиями видимости.
Погружения под воду все чаще использовались и в морской биологии, так как непосредственные наблюдения в естественных условиях имели особое значение. Существовавшие ранее методы исследования были очень несовершенны. Так, например, датский зоолог Блевгад, который погружался в скафандре у побережья Дании, писал: "Морской исследователь с помощью драги получает такой же подлинный образчик морского дна, какой получил бы воздухоплаватель, который захотел бы оценить живой мир Земли после лова неводом в тумане над городом - он мог бы поймать полицейского, камни и детскую коляску".
Участие водолазов незаменимо также при геологических исследованиях на морском дне. Впервые такие работы проводились в 1910 г. в американской экспедиции в морях Южного полушария. В 1923 г. для гидротехнического строительства водолазы исследовали занесение песком портового мола в датской гавани Ханстхольм, а в начале 30-х годов у побережья Нью-Джерси водолазы наблюдали перемещение песков на морском дне. Обширные исследования в области морской геологии были проведены между 1935 и 1939 гг. в Кильской бухте и смежных районах. Здесь следует отметить ценную новаторскую работу, посвященную методическим вопросам.
Для полноты следует упомянуть еще одну возможность применения водолазного дела для научных целей. Это подводная археология. В 1901 г. греческие водолазы - ловцы губок, оснащенные скафандрами, впервые участвовали в спасении античных скульптур и утвари с затонувших кораблей. Затем в районе Средиземного моря, а позднее и в других районах водолазы оказали неоценимую помощь при сохранении и спасении затонувших исторических кораблей. Исследование затонувших в море построек и целых городских сооружений было бы невозможно без участия водолазов.
Предложенное Хэлли дополнительное снабжение воздухом водолазных колоколов
Во время работ под водой в большинстве случаев исследуются обширные районы. При таких работах снижение расходов на персонал и технику в первую очередь зависит от хорошей маневренности водолазов. Недостатки обычной водолазной техники вскоре стали особенно заметны. Как написал в одной своей книге французский океанограф Кусто, который внес решающий вклад в развитие современной водолазной техники, "тяжело ступают тяжелые водолазы очень тяжелыми башмаками с трудом пару метров... обремененные пуповинами, с головой, закрытой металлическим кожухом". Поэтому уже давно разрабатывали автономные водолазные аппараты, которые должны были сделать водолаза независимым от водной поверхности при обеспечении его воздухом. Появились различные направления, что привело к созданию разных автономных аппаратов. Речь идет, во-первых, о водолазном снаряжении, в котором дыхательный газ очищается и снова вдыхается (замкнутая циркуляция), и, во-вторых, о снаряжении с открытой циркуляцией, при которой применяемый дыхательный газ, вообще говоря, воздух, вдыхается только один раз и затем выдыхается в воду. Большое значение в последнее время приобретает водолазное снаряжение с полузамкнутой циркуляцией.
Примерно одновременно с разработкой шлемовидного водолазного снаряжения, снабженного шлангом, появились также конструкции автономных водолазных аппаратов, в которых применялся чистый кислород и регенерировался дыхательный газ. Однако эти аппараты не нашли применения у водолазов и служили лишь спасательным снаряжением в горном деле. В 1879 г. англичанин Флюсс предложил циркуляционно-кислородный аппарат, который стал основой для всех последующих аппаратов с циркуляцией. Принцип его очень прост. Высвобождающийся при дыхании углекислый газ становится химически связанным, а необходимый кислород пополняется из запасного резервуара. Таким образом, дыхательный газ используется полностью.
В современном исполнении эти аппараты легки, имеют небольшие габариты и, несмотря на это, позволяют длительное время находиться под водой. Однако их эксплуатация требует основательной подготовки. Прежде всего это связано с техникой безопасности. Во-первых, при повреждении аппарата возможен недостаток кислорода и, во-вторых, чистый кислород при повышенном парциальном давлении действует, как яд. По этим причинам аппараты с циркуляцией кислорода применяются на глубинах не больше 12-13 м. Мы не будем детально останавливаться на этом вопросе. Отметим только, что применение подобных аппаратов в основном ограничивается военными целями. Их использование спортивными водолазами запрещено в ГДР и некоторых других странах по соображениям техники безопасности. Вряд ли они играют какую-либо роль и при решении научных задач.
Аппараты с замкнутой циркуляцией, которые работают не на чистом кислороде, а на газовых смесях, в будущем смогут занять свое место в технике глубоководных исследований и в гражданском секторе. При работах на больших глубинах значительную роль играют газовые смеси из кислорода и гелия. Но так как гелий очень дорог, стараются как можно полнее использовать газовую смесь, что говорит в пользу применения циркуляционных аппаратов.
Над созданием автономного водолазного снаряжения со сжатым воздухом также работали давно. Решающий скачок удалось сделать в 1942 г. французскому морскому офицеру Кусто. Вместе с инженером Ганьяном он создал "Акваланг" - автономный прибор, работающий на воздухе под высоким давлением. Принцип этого прибора сохранился во всех дальнейших разработках.
Конструкция этих аппаратов очень проста. Воздух для дыхании находится в сильно уплотненном состоянии (чаще всего под давлением в 200 атм) в прочных резервуарах. Регулятор - легочный автомат - снижает давление сжатого воздуха до давления окружающего водяного столба и подает его водолазу в необходимом количестве. При повышенных физических нагрузках водолаз должен сам регулировать сильно возрастающую в этом случае потребность в воздухе и уверенно действовать в сложных условиях. При этом вдыхаемый воздух до возможности должен иметь точно такое же давление, какое (в зависимости от глубины погружения) соответствует давлению в легких, так как даже небольшие различия в давлении вызывают значительные затруднения в дыхании, а это приводит к преждевременному переутомлению водолаза. При быстром изменении глубины регулятор должен быстро приспосабливаться к новому давлению. Через клапан выдыхаемый воздух выпускается в воду.
Первые спуски водолазов с этим аппаратом были предприняты в 1943 г. в Средиземном море. Преимуществами акваланга были - простая конструкция, незначительные затраты в людях и технике, необходимые для его эксплуатации, и большая маневренность под водой. После второй мировой войны акваланг пользовался большой популярностью сначала у водолазов-спортсменов, а затем и у ученых. В настоящее время многие океанографические институты создали свои водолазные группы. Профессиональные водолазные предприятия, которые раньше использовали только шлемовидные водолазные аппараты, стали применять акваланги для самых различных работ под водой. Одним из первых ученых, который использовал акваланг Кусто как производственное оборудование, был французский морской биолог Драх (1951).
Если раньше спуски водолазов для океанографических исследований составляли исключение, то акваланг сделал их ценным вспомогательным средством океанологии.
Как и раньше, при применении шлемовидного водолазного снаряжения, морская биология во все возрастающих масштабах использует погружения с научными целями. Особенно в районах скалистых побережий, коралловых рифов, а также в областях с твердым грунтом, где качественный и количественный состав запасов можно определить только с помощью прямых наблюдений. Поэтому биологи должны сами и отбирать пробы под водой и производить подсчеты или измерения.
Аквалангисты (легкие водолазы) неоднократно участвовали также в рыболовно-биологических исследованиях - они наблюдали поведение некоторых пород рыб и оценивали их реакцию на внешние раздражители, такие, как звук или свет. Кроме того, для многих аспектов "аквакультуры" - искусственного разведения полезных морских организмов - важное значение имеют контрольные наблюдения, осуществляемые водолазами.
В решении многочисленных задач морской геологии водолазы тоже играют заметную роль. Так, для картографических работ на морском дне необходимы прямые наблюдения. Водолазы устанавливают своеобразные подводные салазки, которые затем буксируются лодкой. Подобным способом можно обследовать обширные районы.
Легкие водолазы оказывают большую помощь и при исследовании переноса осадочных материалов в прибрежной зоне. Они могут наблюдать перемещение наносов, а также участвовать в работах с цветным песком, когда передвижение отложений прослеживается по окрашенным песчинкам.
Водолазы успешно использовались и в решении задач физической океанологии, хотя и не в таких масштабах, как в биологических или геологических работах. В этой области морских наук одних наблюдений недостаточно: они должны сопровождаться точными измерениями. Здесь водолазы играют важную роль прежде всего при установке и контроле измерительных устройств.
С тех пор как в 1954 г. водолазы из группы Кусто по поручению британской нефтяной фирмы впервые собрали пробы грунта и провели измерения поля силы тяжести, вряд ли можно представить себе разведку и разработку морского минерального сырья без их помощи. В особенности это относится к морской технике - весьма молодой ветви морских наук, создающей технические средства и устройства для разведки и эксплуатации морских ресурсов.
В связи с интенсивным использованием морских ресурсов к обычным техническим задачам водолазов добавились многочисленные новые, такие, например, как разведка местоположения и сооружение буровых установок и других добывающих агрегатов в море, прокладка трубопроводов или строительство нефтехранилищ на морском дне. Периодический контроль за работой подводных сооружений и их техническое обслуживание относятся к задачам водолазов, так же как и испытание новых строительных материалов и аппаратуры.
Если для научных исследований сотрудники соответствующих учреждений зачастую сами овладевают техникой погружения, то обслуживание аппаратуры - дело водолазов-профессионалов. С проникновением на большие глубины повышаются требования к производственным возможностям водолазов, а также увеличиваются технические издержки. Кроме того, постоянно расширяющиеся области применения морской техники ведут к росту числа водолазов, участвующих в работах.
При применении акваланга в спортивных целях, а также в океанографии и морской технике выявился ряд проблем, возникающих в результате реакции человеческого организма на окружающую среду.
Наиболее важным фактором является повышенное давление. Водолаз находится в море, т. е. в среде, плотность которой примерно в 840 раз больше плотности воздуха. Однако человеческое тело практически несжимаемо, так как в его состав входит значительное количество жидкости. Легкие, дыхательные пути и носоглотка при использовании акваланга с легочным автоматом заполняются дыхательным газом под давлением, которое соответствует давлению воды. Когда образуется разница в давлении между заполненными воздухом полостями тела и окружающей средой, например при погружении, могут возникнуть болезненные ощущения в среднем ухе, в околоносовых полостях, а также в легких.
Возрастающее с глубиной погружения давление воды повышает давление и плотность дыхательных газов. Более плотный, а следовательно, и более тяжелый дыхательный газ даже на глубинах около 40 м сильно влияет на органы дыхания водолаза. Так как объем легких практически не изменяется, а давление на каждые 10 м водяного столба увеличивается на 1 атм, на глубине 10 м требуется уже вдвое больше воздуха, приведенного к нормальному давлению, на глубине 20 м - втрое больше и т. д.
Опытный водолаз потребляет в непосредственной близости от поверхности примерно от 25 до 30 л воздуха в минуту. При содержании кислорода, составляющем 21 %, в легкие каждую минуту попадает около 6 л кислорода. Однако потребляется и при выдыхании выделяется в виде углекислого газа только около 22,5 % этого количества, т. е. всего 4,7 % вдыхаемого воздуха. Так как выдыхаемый воздух в аппаратах с открытой циркуляцией выходит непосредственно в воду, дыхательные газы в них используются неудовлетворительно.
Плавучие автономные водолазные аппараты на сжатом воздухе могут работать ограниченное время. Поэтому недавно была начата разработка аппаратов с подачей воздуха с водной поверхности. В противоположность шлемовидному водолазному аппарату здесь сохранялась маневренность легкого водолаза, хотя наличие шланга ограничивало пространственный радиус действия.
Однако по-прежнему водолаз испытывал косвенные влияния давления. Это, во-первых, уже упомянутое выше насыщение тканей тела инертными газами, такими, как азот, в результате чего при быстром всплытии наступает кессонная болезнь, а во-вторых, токсичные воздействия повышенного парциального давления отдельных составных частей дыхательного газа.
Опасность выделения азота из тканей может быть предотвращена ступенчатой декомпрессией при всплытии. Медленное всплытие и остановки на определенных горизонтах постепенно освобождают тело от избытка азота. Для ступенчатой декомпрессии составлены таблицы подъема. В них имеются данные о времени пребывания на каждой ступени в зависимости от глубины погружения, времени нахождения под водой, а также от общей продолжительности всплытия.
Таким образом, наряду с сильно возрастающей потребностью в воздухе, связанной с повышенным давлением воды, время, необходимое для декомпрессии, ограничивает возможности автономных водолазов. При погружении менее чем на 10 м необходимость в декомпрессии отпадает. На глубинах от 10 и примерно до 45 м возможно всплытие без ступеней декомпрессии, если при погружении соблюдались определенные перерывы, так называемые "нулевые периоды". С увеличением глубины нулевые периоды становятся все короче. Так, общее время для погружения и пребывания на глубине 35 м составляет только около 10 мин.
При более длительном пребывании под водой соблюдение ступеней декомпрессии становится обязательным. Если погружение на глубину 45 м продолжается 35 мин, то для подъема требуется уже более часа. Еще менее благоприятно соотношение между временем погружения и эффективным рабочим временем для больших глубин. Пребывание в течение 1 мин на глубине 200 м требует на декомпрессию свыше 12 ч. Таким образом, практически на таких глубинах никакие работы не возможны.
Поэтому в 1957 г. был разработан и в 60-х годах успешно применен принцип "погружения насыщением" (Sattigungstauchens). Этот принцип основан на том, что необходимое для декомпрессии время прямо зависит от количества растворенного в организме азота или другого инертного газа. Как известно, это количество зависит от давления и от времени погружения. Однако растворенное количество газа возрастает не неограниченно, так как в конце концов достигается насыщение тканей тела. По новейшим научным данным для полного насыщения всех тканей азотом требуется около 64 ч. При использовании гелия, применение которого целесообразно при погружениях на глубины большие 50 м, для насыщения нужно примерно 24 ч. Если насыщение тканей достигнуто, время декомпрессии остается постоянным, независимо от того, как долго длилось пребывание под водой.
Практически этот принцип осуществляется так: водолазы перед спуском вдыхают в барокамере газовую смесь под давлением, зависящим от предстоящей глубины погружения. После насыщения они под этим давлением в погружаемой камере доставляются к месту работы. Спустя несколько часов водолазы возвращаются в камеру и все еще под давлением поднимаются на поверхность. На борт рабочего судна они чаще всего принимаются в барокамере большего размера и здесь ожидают следующего погружения. После окончания работ, часто продолжающихся несколько дней, в барокамере на палубе судна производится декомпрессия. Принцип погружения насыщением является весьма выгодным при длительных работах под водой, так как соотношение между полезным временем погружения и временем декомпрессии значительно сокращается.
Так же как и кислород, углекислый газ вызывает отравление при повышенном парциальном давлении. Поэтому водолазные аппараты с замкнутой или полузамкнутой циркуляцией должны снабжаться механизмами, контролирующими норму парциального давления кислорода и углекислого газа. При кратковременном пребывании под водой парциальное давление кислорода должно находиться в пределах от 0,2 до 1,8 атм, а при длительном - не должно превышать 0,5 атм. Для углекислого газа допустимое парциальное давление лежит между 0,005 и 0,01 атм.
Токсические действия углекислого газа и кислорода при повышенном парциальном давлении были известны давно. Позднее выяснилось, что даже такие трудно вступающие в реакцию газы, как азот, при превышении определенного давления также вредны. С середины 30-х годов этими вопросами специально занимались Бенке в США и Орбели и Лазарев в Советском Союзе. Во время опытов в барокамере, а также при глубоких погружениях водолазов в шлемах было обнаружено наркотическое действие азота. Наступало глубинное опьянение с понижением трудоспособности, потерей контроля за собственным поведением и в конце концов бессознательное состояние.
В октябре 1943 г. при одном из первых опытных погружений в жестком скафандре на глубину 64 м сотрудник Кусто сообщал о глубинном опьянении: "Я ощущал странное чувство счастья. Я был как пьяный и полностью беззаботный... Я был близок к засыпанию, однако я не мог спать с этим ощущением головокружения".
Глубинное опьянение и его последствия у неопытных водолазов заметны примерно на глубине 40 м. Хорошо тренированные и опытные водолазы могут достигать глубин свыше 60 м без появления опасных признаков. Однако на больших глубинах они также становились жертвами глубинного опьянения. Иногда это даже приводило к смерти.
Как до применения ступенчатой декомпрессии последствия выделения азота из тканей тела затрудняли длительное пребывание под водой, так теперь глубинное опьянение при дыхании сжатым воздухом оказалось преградой для более глубокого проникновения человека в море. На помощь пришли искусственные газовые смеси. Так как опасность глубинного опьянения возрастает с увеличением доли азота, сначала в порядке опыта часть азота была заменена кислородом. Однако для значительных глубин этот путь оказался неприемлемым, так как более высокая доля кислорода приводила к увеличению его парциального давления, что вызывало опасность отравления. На основании этих опытов пришли к выводу, что азот следует заменять трудно вступающим в реакцию благородным газом - гелием. В 1939 г. в США при погружении водолазов в обычных скафандрах со шлемами, снабженными шлангами, в качестве дыхательного газа впервые с успехом была применена кислородно-гелиевая смесь. Эти водолазы с помощью колокола спасли с глубины 73 м большую часть экипажа затонувшей подводной лодки.
По другому пути пошел шведский инженер Цеттерштрем, который заменил азот водородом. Чтобы предотвратить образование взрывчатого гремучего газа, дыхательный газ содержал только 4 % кислорода. У поверхности при погружении и всплытии Цеттерштрем применял сжатый воздух, а глубже - водородно-кислородную смесь. В августе 1945 г. в Балтийском море он достиг 150 м без признаков глубинного опьянения, но погиб из-за ошибок, допущенных на борту обеспечивающего судна.
Опыты с гелиокислородными смесями были с успехом продолжены после второй мировой войны. В США и Великобритании в этих опытах принимали участие главным образом морские службы. Вероятно, они предполагали в дальнейшем использование результатов этих испытаний в военных целях. В последующие годы приобрели значение также задачи, интересные с точки зрения морской техники. В 1962 г. швейцарцу Келлеру в барокамерной установке французского военно-морского флота удалось имитировать погружение на 10 с на глубину 250 м. Наконец, Келлер и английский водолаз Смолл в декабре 1962 г. в Тихом океане свободно передвигались с водолазным снаряжением на глубине 300 м в течение 3 мин. Из-за недостаточной подачи кислорода и вызванной паникой ошибочной реакции Смолл погиб при катастрофе.
Через несколько лет, при имитации глубинных погружений в барокамерах, выяснилось, что человек может выдерживать и большие давления. Последовали на первых порах сенсационные спуски на большие глубины. В сентябре 1970 г. три французских профессиональных водолаза предприняли у побережья Корсики 13 рабочих спусков продолжительностью до 3 ч на глубину 257 м. Используемый ими дыхательный газ состоял из 90 % гелия и 2 % кислорода. Перед началом опыта в барокамере на борту судна для бурения ткань их тела была насыщена газом при давлении в 21 атм. Затем водолазов ежедневно два раза в день спускали с помощью переносной погружаемой камеры на рабочую глубину. Обеспечение газом производилось из этой камеры. Декомпрессия была проведена только после завершения всех работ и длилась 97,5 ч. В мае 1972 г. у калифорнийского побережья два водолаза военно-морских сил США продержались 30 мин на глубине 288 м.
Сейчас проводятся новые опыты с имитацией погружений на глубины свыше 500 м, причем особенно интересные эксперименты проведены во Франции. Их целью являются дальнейшие исследования влияния высокого давления окружающей среды на человеческий организм и его работоспособность. К настоящему времени проведены имитации кратковременных погружений на глубину 610 м, а при долговременных опытах водолазы в течение нескольких дней подвергались давлению воды свыше 500 м без каких-либо вредных воздействий. Опыты над животными при еще более высоких давлениях служат подготовкой дальнейших экспериментов.
Подводные дома, суда и лаборатории (см. 3-й и 4-й цветные развороты); 1- японское подводное судно "Куросио II"; 2 - советское подводное судно "Север 2"; 3 - советская подводная лаборатория "Садко 3"; 4 - "Бентос 300" - комбинированный вариант подводного судна и подводной лаборатории, разработанный в Советском Союзе; 5 - советская подводная лаборатория "Черномор 2"; 6 - мезоскаф "Бен Франклин"; 7 - подводная лаборатория, снабженная энергией и дыхательным газом с судна-базы. Рядом - погружаемая камера, которая служит для связи с водной поверхностью; 8 - "Дом морской звезды" Кусто (1963 г.); 9 - надувной подводный дом "Спрут"
Кроме давления, на водолаза значительное влияние оказывает температура воды. Низкие температуры также являются ограничивающим фактором, который затрудняет подводные работы.
Температура воды на поверхности моря колеблется между -2°С в полярных районах и 36° С в Персидском заливе. В тропических районах температуры более 25° С сохраняются в относительно тонком поверхностном слое воды толщиной около 100 м, который отделен от лежащих под ним более холодных водных масс слоем значительных температурных градиентов, или, как его часто называют, слоем температурного скачка. В других районах, в зависимости от сезонного хода температуры и от вертикального перемешивания, также образуются термические скачки. Например, в Балтийском море такой слой лежит на глубинах между 20 и 35 м. Летом здесь градиенты температуры могут достигать 10-14°С.
Из-за более высокой по сравнению с воздухом теплопроводности воды следует принимать в расчет и более быструю потерю тепла телом. Тело человека только в очень незначительной степени может компенсировать под водой непрерывную теплоотдачу окружающей среде, и поэтому необходима соответствующая защита против охлаждения. Даже при температуре 25° С незащищенный водолаз начинает зябнуть через 1-2 ч, а при температуре ниже 15° водолазные костюмы абсолютно необходимы. Эти костюмы должны обеспечивать постоянную защиту от холода при низких температурах воды и больших глубинах погружения и при длительных пребываниях под водой. Охлаждение снижает не только работоспособность водолаза, но и его ориентацию.
Различные водолазные костюмы защищают от холода и одновременно от травм. При погружениях вблизи поверхности, ведущихся в научных или технических целях, водолазы-спортсмены применяют маски из губчатой резины. Содержащиеся в материале костюма многочисленные маленькие газовые пузырьки кислорода или углекислого газа, благодаря плохой теплопроводности, обеспечивают хорошую изоляцию. Вода проникает между телом и не полностью водонепроницаемым костюмом. Так как вода не может там циркулировать, она быстро нагревается до температуры тела и усиливает изолирующий защитный слой. Однако с увеличением глубины газовые пузырьки все более сжимаются. Так, при испытаниях в Северном море подводной станции "Хельголанд" водолазы сообщали: "Единственной помехой был холод. Ежедневные погружения от 3 до 4 часов при температуре воды 13,5°С в костюме из синтетического каучука, изоляционная способность которого на глубине 20 м снизилась примерно на одну треть, можно выдержать только в течение немногих дней".
При технических работах под водой в большинстве случаев применяются непромокаемые ("сухие") костюмы, в которых тело водолаза не имеет непосредственного соприкосновения с водой. Они обеспечивают достаточную механическую защиту и чаще всего делаются из ткани, покрытой слоем резины. Защита от холода обеспечивается только тогда, когда под костюмом надето соответствующее нижнее белье. С увеличением давления воды воздух, находящийся между телом и костюмом, сжимается и в значительной степени выдавливается из костюма. Вследствие этого его изоляционная способность уменьшается, а складки костюма мешают маневренности водолаза.
В конце концов был создан костюм постоянного объема, который может применяться и при работах на больших глубинах. В этом непромокаемом костюме поддерживается постоянный объем воздуха, причем между наружным давлением воды и давлением внутри костюма сохраняется состояние равновесия. Изолирующая воздушная подушка обеспечивает хорошую защиту от холода на любой глубине. Сохраняется и маневренность водолаза, так как никакие складки на костюме не образуются.
Проблема защиты от холода приобретает особое значение, когда для дыхания используется искусственная гелиокислородная смесь. Гелий, по сравнению с воздухом, обладает большей теплопроводностью, вследствие чего тело быстрее охлаждается. Поэтому при длительных погружениях надевают обогреваемые водолазные костюмы. При технических работах костюмы часто обогреваются подаваемой из погружаемой камеры по шлангам горячей водой. При этом водолаз надевает особое нижнее белье из дюритовых трубок.
Другие варианты предусматривают по аналогии с защитными костюмами космонавтов электрический обогрев. Источник тока находится на поясе водолаза. Сконструированы миниатюрные изотопные генераторы, нагревающие воду, которая циркулирует затем по трубкам в водолазном костюме. Еще один способ обогрева связан с использованием тепла, выделяющегося при химических реакциях. Костюм обогревается водой, подаваемой по шлангам. Следует отметить, что в двух последних системах обогрева речь идет в основном о проведении экспериментов. Эксплуатационная надежность этих систем оставляет еще желать много лучшего, что особенно важно при выполнении производственных работ в суровых условиях окружающей среды. При погружении водолазов на большие глубины, как, например, при французских спусках до 256 м, подогревается также и дыхательный газ.
Среди факторов окружающей среды, влияющих на ориентацию водолазов и на их работоспособность, большую роль играют световые условия. Велико значение светового поля и для подводной фотографии. Спектральный состав света в воде сильно меняется. Минимальное поглощение излучение претерпевает в коротковолновой синей области спектра, зато в длинноволновой красной области оно в 100 раз больше. Инфракрасное излучение почти целиком "проглатывается" верхним полуметровым слоем воды, глубже сильно поглощаются красная, а затем и желтая области спектра. Поэтому цвета на сделанных под водой фотоснимках с увеличением глубины все более и более смещаются к сине-зеленым. Глубже 30 м преобладают сине-серые сумерки. На глубине около 120 м в океанических условиях без искусственного освещения человеческий глаз распознает только тени, а глубже 250 м царит густая синеватая темнота.
В прозрачной океанской воде на глубине 100 м интенсивность света составляет всего около 1,5 % от излучения, проникающего через водную поверхность. В то же время, если в воде много планктона или мельчайших неорганических частиц, то распространяющийся в море свет ослабляется еще больше. Так, например, в Балтийском море уже на глубине 15 м поглощается примерно 95 % всего падающего на поверхность моря света. Значительное ухудшение условий видимости вызывает также рассеяние света на этих частицах. Так как состав и концентрация рассеивающих частиц колеблются в широких пределах, закономерности рассеяния изучению поддаются с трудом. У водолаза создается впечатление, будто бы в его поле зрения перед предметами лежит дымка, уменьшающая контрастность.
Условия видимости под водой сильно изменяются в зависимости от времени года (колебания интенсивности излучения, различное развитие планктона), а также от местных факторов. Видимость от 30 до 40 м встречается только в прозрачных тропических водах, тогда как, например, в Балтийском море дальность видимости от 6 до 12 м считается хорошей. Часто условия бывают еще хуже, и водолаз в некоторых случаях полагается только на свое осязание. В сильно замутненной воде даже искусственное освещение не улучшает условий видимости, так как здесь источник света уподобляется автомобильной фаре в густом тумане. Водолаз видит только непроницаемую молочную стену.
Поэтому предъявляются высокие требования к способности водолазов ориентироваться, в особенности на больших глубинах и там, где речь идет об обследовании определенного района. В этих случаях должно быть надежно обеспечено возвращение водолаза в начальный пункт и возможность легко определять местонахождение технических устройств и приборов на морском дне.
В этом помогают подводные компасы различных конструкций.
В районах подводных работ в качестве ориентиров служат, например, направляющие тросы. В не слишком замутненной воде условия видимости улучшают сильные подводные прожекторы. Кроме того, водолазы снабжаются портативными лампами. Чтобы руки водолазов были свободными, разработаны питаемые от батарей налобные лампы. Водолаз, подобно горняку, укрепляет их на маске или шлеме.
В последнее время применяют также портативные сонарные аппараты, которые посылают звуковые импульсы, а затем улавливают и усиливают звуковые волны, отражаемые каким-либо предметом. Сейчас с помощью таких аппаратов, размером примерно с футбольный мяч, можно определять местонахождение предметов под водой на расстоянии до 200 м. Другой тип аппаратов, причем меньшего размера, принимает сигналы от подводных источников звука, что делает возможным пассивное определение их местоположения. Звуковой источник может устанавливаться как на каких-либо аппаратах, так и на подводных станциях.
При плохих условиях видимости большое значение приобретают технические возможности связи водолазов друг с другом - с помощью командных пунктов на поверхности моря или с помощью подводной станции. В отличие от телефонов в скафандрах вес и габариты этих аппаратов у легких водолазов должны быть гораздо меньше. Водолазы носят маски, закрывающие все лицо, с вмонтированными в них микрофонами. Все большее значение имеют беспроволочные средства связи. На коротких дистанциях используются специальные подводные громкоговорители; для больших дистанций были разработаны подводные радиотелефонные установки с ультразвуком в качестве несущей частоты. Пока достигнуты расстояния примерно до 1000 м.
Гелий, содержащийся в искусственных газовых смесях, влияет не только на теплопроводность, но и на человеческую речь. Из-за высокой скорости звука в гелии при разговоре происходит сдвиг частоты, человеческий голос производит впечатление писка и становится непонятным. Поэтому для ведения нормальных переговоров нужны дополнительные приборы, преобразующие частоту.
Несколько лет назад применение самоуправляемых водолазных аппаратов для погружения на глубины порядка 50-60 м казалось утопией. Однако знание физиологических процессов и надлежащие технические вспомогательные средства сделали возможным достижение больших глубин, причем не только при отдельных рекордных погружениях, но и во время регулярных работ. Еще несколько лет назад 95 % всех работ производилось на глубинах менее 50 м. Сегодня погружение на глубину от 100 до 150 м стало почти обычным делом, и скоро станут обычными рабочие спуски на глубину до 200 м.
При этом на первом месте стоят задачи океанографии. Добыча сырья на континентальном шельфе теперь немыслима без участия водолазов. Добыча нефти в "открытых"[9] районах у американского побережья, работы по обслуживанию и ремонту технических устройств относятся к компетенции повседневной работы водолазов. В Каспийском море легкие водолазы, работая на подъемных установках, оказывают ценную техническую помощь. Наоборот, научные исследования с помощью водолазов на этих глубинах до сих пор проводятся в незначительном объеме и ограничиваются чаще всего расстановкой измерительных приборов. Расширению исследований научными сотрудниками океанографических институтов препятствовали большие технические затраты и необходимость их специальной подготовки.
Технической предпосылкой увеличения радиуса действия на глубине послужила разработка аквалангов, работающих на газовых смесях. Они позволяют довести период работы примерно до 30 мин даже на глубине 200 м. Разумеется, водолаз не может свободно погружаться на эти глубины с водной поверхности. В большинстве случаев он доставляется к своему рабочему месту с помощью погружаемой камеры. Погружаемую камеру часто используют для обеспечения водолаза дыхательным газом по шлангу, что увеличивает рабочее время до 2-3 ч. Для длительных работ применяют описанный выше способ погружения насыщением в барокамере на поверхности и доставку водолаза к месту работы в погружаемой камере или в подводном доме. Однако для работ продолжительностью менее 2 ч большая затрата времени на насыщение и последующую декомпрессию является неэкономичной. Простые погружаемые камеры позволяют опускать водолаза непосредственно с поверхности воды. После завершения работ их поднимают лебедками в закрытом состоянии. В этом случае декомпрессия осуществляется на поверхности. Новые водолазные аппараты с газовой смесью работают с полузамкнутой циркуляцией, т. е. дыхательный газ регенерируется при одновременном поглощении углекислого газа. Благодаря этому потребление газа даже на глубине 200 м составляет всего около 50 л/мин. При высокой стоимости гелия это имеет существенное значение. В зависимости от рабочей глубины (до 60 м) применяются готовые газовые смеси с различными долями гелия и кислорода. При этом парциальное давление кислорода поддерживается без применения дорогостоящего регулировочного механизма. Имеются приборы, которые автоматически, в зависимости от глубины, вырабатывают требуемые газовые смеси или работают с полностью замкнутой циркуляцией. Однако для повседневного применения они еще слишком сложны и дороги.
Успехи водолазной техники натолкнули на мысль о возможности акклиматизации людей в море в течение длительного времени. До сих пор водолазы, опускавшиеся в море или непосредственно с его поверхности или в погружаемых камерах, совершали туда лишь кратковременные визиты.
Прежде всего, продолжительное пребывание человека в море потребовало проведения ряда предварительных мер. Нужно было оборудовать подводные станции, в которых водолазы могли бы отдохнуть после своих экскурсий или обработать свои наблюдения. В таком подводном доме должно быть обеспечено снабжение дыхательным газом, питанием и всем необходимым. Кроме того, стояла проблема связи с водной поверхностью.
Большое значение имел вопрос о влиянии длительного пребывания под водой на человеческий организм. Следовало также решить проблему возможных психологических реакций при совместной жизни нескольких людей на ограниченном пространстве под водой. С технической стороны особых трудностей не предвиделось, так как повседневное применение аквалангов с искусственным дыхательным газом и соответствующие способы подводных контактов позволили считать эту сторону дела достаточно отработанной.
Полтора года спустя после первого космического полета Юрия Гагарина в Средиземном море, в рамках американской программы "Человек в море", было проведено первое длительное погружение. 6 сентября 1962 г. бельгийский водолаз в погружаемой камере цилиндрической формы был спущен на глубину 61 м и оставался там в течение четырех дней.
Несколькими днями позже у Марселя Кусто осуществил свой эксперимент "Преконтинент I". Два водолаза в течение недели находились на глубине 10 м под давлением 2,06 атм в бочкообразном подводном доме длиной 5,2 м. Во время ежедневных подводных выходов, общей продолжительностью 5 ч, они находились на глубинах между 5 и 25 м. Этим экспериментом Кусто хотел доказать, что при применении соответствующих технических средств пребывание на морском дне в течение нескольких дней возможно, даже если водолаз постоянно находится под двойным воздушным давлением. Целью программы "Преконтинент" в первую очередь было исследование физиологических проблем, которое при условных погружениях не могло быть проведено в полной мере. При операции "Преконтинент I" снабжение энергией и сжатым воздухом производилось с близлежащей наземной станции. Вода и продукты питания доставлялись к станции водолазами с судна-базы. Для обслуживания двух акванавтов (это понятие по аналогии с космонавтами распространилось на обитателей подводных домов) потребовалось более 60 человек, из которых только в качестве посыльных использовалось 15 водолазов.
В июне 1963 г. под руководством Кусто была проведена операция "Преконтинент II", во время которой была создана целая подводная колония и водолазы действовали совместно с подводными судами. Местом для этого эксперимента было выбрано Красное море с наиболее высокими температурами воды и наиболее удаленное от обычных морских путей. Успешный исход эксперимента в таких неблагоприятных условиях должен был доказать, что его можно повторить в любом другом морском районе.
Группа из пяти человек, из водолазов-профессионалов и морских биологов, жила в течение месяца на глубине 9,5 м в "Доме морской звезды". В то же время два других водолаза в течение шести дней выходили из маленького цилиндрического подводного дома, расположенного на глубине 26,5 м. Они погружались на глубины до 50 м, а иногда и глубже 100 м. Более глубокая подводная станция не имела в своем распоряжении установки для кондиционирования воздуха, водолазы жаловались на жару и особенно на высокую влажность воздуха. Признаки усталости появлялись быстрее, чем вблизи поверхности.
"Дом морской звезды" получил название в соответствии со своей формой. От центрального отсека с измерительными и контрольными устройствами, в том числе и с телевизионной камерой, отходили асимметрично четыре дополнительных отсека лучевидной формы. Вблизи от "Дома морской звезды" находился подводный гараж для "подводного блюдца", одного из первых подводных судов для исследовательских целей. Подводное мужское население экспериментировало с новыми газовыми смесями и выполняло всевозможные работы под водой. Так, была исследована экология кораллового рифа, на котором была сооружена станция. Кроме того, были проведены наблюдения за микроорганизмами, а также изучалась двусторонняя связь между колонией подводников и окружающей ее естественной средой.
Сооружение установки потребовало значительных материальных и технических расходов.
Во время второго американского эксперимента "Человек в море" в 1964 г. у Багамских островов с помощью уже описанной погружаемой камеры на глубину 132 м были опущены два водолаза. Когда давление в камере было выравнено с давлением воды, водолазы вышли и в течение 49 ч оставались в переносной подводной палатке. Резиновый кожух был натянут на стальные рамы и находился под внутренним давлением, соответствующим глубине погружения. Снабжение газом также производилось с водной поверхности.
В 1964 и 1965 гг. американские военно-морские силы провели самые по тому времени дорогостоящие длительные эксперименты с "Силэб I" и "Силэб II". По программе "Силэб I" четыре военно-морских водолаза, среди которых впервые был врач, в течение 10 дней находились на глубине 58 м в субтропических водах у Бермудских островов. В "Силэб II" три группы из 10 ученых и техников сменялись каждые 15 дней. Американский астронавт Карпентер, который принемал участие в эксперементе, оставался на глубине 60 м 29 дней.
При испытаниях производились широкие физиологические и психологические эксперименты. В качестве "плавучего почтальона" использовался дрессированный дельфин. В герметичных баллонах он доставлял на станцию мелкие инструменты и информацию с поверхности. Благодаря строению своего тела дельфин в состоянии без декомпрессии преодолевать за короткое время большие перепады глубин.
Подводная лаборатория "Силэб II" весом 200 т и длиной 17, 4 м была погружена со значительными трудностями у калифорнийского побережья в относительно холодную и мутную воду. Из-за неблагоприятных условий окружающей среды возникли дополнительные нагрузки на водолазов. Низкая температура воды требовала искусственного обогрева водолазных костюмов. Из-за малой дальности видимости, всего 7 м, пришлось принимать дополнительные меры предосторожности. Дыхательный газ (4 % кислорода, 9 % азота и 79 % гелия) вызывал значительные трудности во взаимопонимании. Из-за быстрой отдачи тепла в атмосфере гелия, чтобы водолазы не мерзли, станцию приходилось нагревать более чем на 26°С. Так как гелий диффундирует почти через все материалы, он проникал в чувствительные электронные приборы и через короткое время приводил их в негодность. Вредной оказалась высокая влажность воздуха, достигающая более 90 %. Поэтому в последующих подводных экспериментах, используя опыт космических полетов с человеком на борту, применялись усовершенствованные установки, понижающие влажность.
Примерно в одно время с экспериментом "Силэб II" в Средиземном море у мыса Феррато под руководством Кусто был проведен третий эксперимент "Преконтинент". Двухэтажный подводный дом сферической формы диаметром 7,5 м и общим весом 130 т в течение трех недель служил жилищем для шести водолазов на глубине 100 м. (В условиях, аналогичных этому эксперименту, при погружении насыщением для декомпрессии потребовалось бы 72 ч.) Водолазы ежедневно покидали свой сферический дом на 4 ч и погружались на глубины до 130 м.
В их задачу, наряду со многими океанологическими исследованиями, входили также установка и техническое обслуживание нефтяной буровой головки. Буровая головка весом 6 т была опущена краном с водной поверхности, причем работа была затруднена из-за сильной мертвой зыби.
В подводном доме в атмосфере гелия возникли те же самые трудности, что и при экспериментах "Силэб". Только лишь через несколько дней акванавты привыкли к своим новым голосам. Вследствие большой теплопроводности гелия, например, быстро охлаждалась пища. Большие трудности возникали при работе с паяльником. Газ точно так же проникал в приборы.
Из всех сооруженных до того времени подводных станций "Преконтинент III" обладал наибольшей независимостью от поверхности, так как был автономен в снабжении дыхательным газом. Лишь электроэнергия подводилась по кабелю с наземной станции. Правда, возникала опасность, что при сильном шторме жизненно необходимая связь будет прервана. Прямая связь с базой через автономного водолаза была невозможна из-за длительных периодов декомпрессии, так что необходимые предметы доставлялись на станцию с помощью своего рода подъемника, а также с помощью "подводного блюдца".
В 1966 г. в Черном море были проведены первые советские длительные эксперименты с "Ихтиандром 66" и "Садко 2". Эти эксперименты систематически проводятся и по сей день. В 1969 г. была испытана трехэтажная вертикальная конструкция "Садко 3". Общим для всех станций этого типа была их способность изменять свое положение по глубине. Например, во время сильного шторма, при котором на морской поверхности волны достигали высоты 5 м, работавшая первоначально на глубине 25,5 м станция "Садко 3" при помощи специального устройства, позволяющего принимать водяной балласт, была опущена на глубину 39 м.
Во время эксперимента были испытаны и усовершенствованы различные варианты смены экипажа. Если у "Садко 2" экипаж из двух человек был декомпримирован в герметично закрытой подводной лаборатории, которую к тому же должны были доставить на водную поверхность, то при последующих испытаниях с "Садко 3" смена экипажа из трех человек была проведена посредством передвижной барокамеры. При волнении на море с высотой волн 2 м работа с этими камерами невозможна. Экипажи "Садко 3" оставались под водой до 14 дней. Наряду с медико-физиологическими исследованиями проводились гидрофизические и биоакустические работы по изучению шумов, издаваемых рыбами.
Особого внимания заслуживают испытания с подводной станцией "Черномор", в ходе которых впервые была осуществлена исключительно океанологическая программа. Эта станция имеет форму горизонтального цилиндра, в которой находятся рабочее и жилое помещения. Ее водоизмещение в погруженном состоянии составляет около 73 т, длина 12,5 м и высота 6 м. Водяная балластная система позволяет производить автоматическое всплытие и погружение. Впоследствии станция была расширена и дополнительно оборудована гидравлическими опорами. В отличие от других подводных домов, снабжение которых энергией и воздухом всегда было наиболее узким местом в системе обеспечения, "Черномор" рассчитан на многодневную, независящую от поверхности эксплуатацию. Станция располагает установленными за пределами прочного корпуса аккумуляторами и запасом сжатого воздуха. Однако подача энергии производится с понтона, находящегося на поверхности. Внутреннее помещение высотой 2 м для экипажа из пяти человек разделено на водолазный (с входными люками), жилой, рабочий и санитарный отсеки. Для смены экипажа служит подводная камера.
Первое погружение на глубину 12,5 м было осуществлено летом 1968 г. в Голубой бухте у Кавказского побережья Черного моря.
В течение месяца 28 акванавтов, разбитые на пять рабочих групп, изучали различные возможности для океанографических работ и проводили методические исследования. Во время второго погружения в 1969 г. на глубины 12 и 24 м программа предусматривала комплексные океанологические исследования. Геологи изучали перемещение донных отложений и с помощью пневматического бура углубились в дно на 11, 2 м. При биологических работах прежде всего изучались вопросы экологии и исследовалось поведение рыб. Для физических исследований, которые касались главным образом подводного светового поля и мелкомасштабной турбулентности, вблизи "Черномора" был оборудован полигон с многочисленными измерительными приборами, которые были размещены на мачте высотой 28 м.
Вблизи от "Черномора" располагалась надувная лаборатория "Спрут", в которой находились два акванавта. "Спрут" представляет собой заякоренную на морском дне палатку каплеобразной формы высотой 1,8 м и кубатурой 6 м3. Закрытая снизу, она наполнена дыхательным газом, благодаря чему покрышка стабилизируется. Воздух может подаваться через шланг с водной поверхности, а также из баллонных батарей. Этот вид лаборатории сравнительно прост в изготовлении (прототип был разработан и построен тремя водолазами-любителями) и может быть установлен в течение 80 мин.
Дальнейшие работы с подводной станцией "Черномор" подтвердили правильность выбранной концепции. В 1971 г. на этой станции работали пять экипажей, в том числе 60 ученых. Станция может служить прототипом серии подводных лабораторий, которые смогут работать и на больших глубинах. За исключением корпуса все применяемые агрегаты и устройства - серийного производства, так что изготовление ее сравнительно недорого. По советским оценкам промышленное изготовление первой лаборатории стоило около 100 тыс. руб., а дальнейшее изготовление по готовому образцу будет дешевле примерно на одну треть.
За последние годы сильно возросло количество экспериментов с подводными домами. К настоящему времени построено примерно 50 станций.
Объем этой книги не позволяет обсудить все важные эксперименты последних лет, поэтому мы остановимся только на некоторых существенных результатах. Во время проведения американской программы "Тектит I" четыре акванавта находились на глубине 12,7 м 59 дней. Этим было доказано, что человек может долго находиться под водой без ущерба для своего организма. Эта операция, которая стоила около 2,5 млн. долларов, была организована фирмой Дженерал Электрик в сотрудничестве с военно-морскими силами и космическим ведомством. В то время как космическое ведомство использовало океаническую окружающую среду для имитации длительных космических полетов, интерес морских служб состоял в получении физиологических и психологических научных результатов для передачи их экипажам атомных лодок.
Впервые опробованная в 1969 г. в Северном море станция "Гельголанд" стоимостью 1 млн. марок послужила доказательством возможности применения подводных лабораторий для задач океанографии, даже при очень неблагоприятных условиях окружающей среды: при низкой температуре и незначительной дальности видимости, сильном течении и частых штормах. Проблема обеспечения станции была решена при помощи трехкратно заякоренного специального буя, в котором находились автоматически работающий дизельный генератор, компрессоры и баллоны сжатого воздуха.
Однако опыт первого погружения показал, что необходимы значительные изменения в конструкции. Для этого снова потребовалось около 1 млн. марок. В 1971 г. было проведено новое испытание в западной части Балтийского моря.
С помощью станции "Эгир", принадлежащей группе американских фирм, в июне 1970 г. у Гавайских островов подводная лаборатория была опущена на глубину 157 м. Пять дней шесть водолазов находились на этой рекордной глубине. Условия окружающей среды в районе испытаний были, разумеется, сравнительно благоприятны.
В заключении следует сказать, что техническая и методическая разработка подводных станций еще далеко не закончена. Область их применения в настоящее время ограничивается, в частности, тем, что они требуют хорошо подготовленных водолазов. Кроме того, с увеличением глубины чрезвычайно резко возрастают расходы. По этой причине, а также потому, что на небольших глубинах легче разрешить физиологические проблемы, можно пользоваться обычным дыхательным газом - примерно 80 % всех испытаний проводились на глубинах до 30 м.
Проводившиеся до сих пор эксперименты показали, что длительное пребывание человека под водой принципиально возможно, а для определенных работ даже необходимо. По английским расчетам подводные работы экономически выгодны, если подводный дом используется на глубине 30 м и требуемый объем работ составляет 60 ч на одного водолаза. По американской оценке эффективность акванавтов, которые постоянно находятся на глубине 60 м, примерно в 30 раз выше, чем эффективность свободно погружающихся плавающих водолазов.
Однако эксплуатация подводных станций ставит целый ряд проблем. Очень высоки технические требования, которые часто находятся в противоречии друг с другом. Прежде всего, важное значение имеют автономность станции в отношении ее обеспечения и снижение затрат на обслуживание. Выполнение всех пожеланий потребовало бы недопустимо высоких расходов на персонал и на технические нужды. Расходы на строительство станций большого размера и так уже составляют миллионы, причем нечего говорить о том, что с их помощью можно более или менее удовлетворительно разрешить все проблемы. Эксплуатационные расходы и расходы на дальнейшее техническое усовершенствование также весьма велики и совершенно несравнимы с расходами на небольшое исследовательское судно.
Наконец, наряду с техническими и экономическими проблемами не должны оставаться без внимания и психологические вопросы. Так же как и их "коллеги" в космосе, акванавты находятся в изолированной среде, для которой характерно обеднение внешними раздражителями. Без технических вспомогательных средств жизнь там была бы невозможной. К этому добавляется большая физическая нагрузка при работах под водой.
Использование подводных станций открыло океанографии новые возможности. Круг задач в принципе остается тем же, что и для автономных водолазов, но более длительное пребывание под водой позволяет проводить обстоятельные и трудоемкие исследования. При этом возможно оборудование периодически действующих подводных полигонов со стационарно установленной измерительной аппаратурой, как это показал, например, опыт советских океанологов с "Черномором". Акванавты могут непрерывно наблюдать жизненные формы в определенном районе, причем могут быть отведены большие площади под своеобразные заповедники. В дальнейшем возможно создание периодически действующих подводных обсерваторий с филиалами, измерительными полигонами и, быть может, даже с базами для подводных судов.
Намечается применение подводных лабораторий и в области морской техники. Они могли бы, например, оказывать ценную помощь при разработке и испытаниях измерительной и рабочей аппаратуры или при длительном исследовании коррозии. И все же в настоящее время, в противоположность общей позитивной оценке относительно применения подводных станций в океанографии, мнения об их пользе в решении технических задач еще расходятся. Многие технические работы по обслуживанию и ремонту подводных установок должны проводиться в сравнительно короткое время. Применение подводных станций для таких задач было бы слишком дорогостоящим, тем более что они привязаны к определенному месту, тогда как подъемные установки и другие устройства на морском дне могут быть распределены по большим площадям. Суда и барокамеры, в которых водолазы после выполненной работы снова поднимаются на поверхность, более экономичны. С другой стороны, для решения некоторых задач подводные суда с устройствами для всплытия водолазов считаются более дешевыми и эффективными. Но и здесь еще не сказано последнего слова.
Проникновение на максимальные глубины
Несмотря на успешное использование водолазов для решения технических и научных задач под водой, все же для непосредственного наблюдения таким способом доступна лишь небольшая область водной оболочки нашей планеты. Как мы видели, шельф, т. е. примыкающая к континенту часть морского дна с глубинами до 200 м, занимает только 27,4 млн. кв. км. Это составляет всего 7,6 % Мирового океана. 77 % Мирового океана имеет глубины большие, чем 3000 м, а свыше половины всего океана - даже большие 4000 м. Погружение водолазов на эти глубины в ближайшем будущем, вероятно, будет невозможно. Однако давно уже стремились к тому, чтобы с помощью технических средств доставлять людей на большие глубины. За последние 20 лет в этом направлении достигнуты значительные успехи.
В первых экспериментах наблюдатели в несжимаемых контейнерах опускались на стальных тросах. Они дышали из запасных баллонов воздухом при нормальном атмосферном давлении, и выдыхаемый воздух, с помощью соответствующих химических средств, избавлялся от углекислоты и от влажности, в то время как стальная броня погруженного резервуара защищала водолаза от давления водяного столба.
В 1914 г. итальянец Галацци начал модернизацию своей водолазной башни путем выведения из водолазного колокола закрытого со всех сторон цилиндрического тела. В 1930 г. он достиг в нем глубины 210 м. Эта легко эксплуатируемая башня после второй мировой войны была использована его сыном в совместной работе с итальянским институтом рыболовства для научных наблюдений в Средиземном море, причем в 1950 г. он достиг глубины 650 м.
Следует упомянуть также создание в 1924 г. немецким инженером Галлем "панцирного водолаза". Водолазный костюм состоял из отдельных стальных колец, соединенных друг с другом водонепроницаемыми шарнирами. Обеспечение воздухом производилось в режиме замкнутой циркуляции с генерацией кислорода. Аппарат весом 400 кг был снабжен щипцеобразным захватом. Он применялся только на глубинах около 200 м, преимущественно при спасательных работах. В случае опасности погруженный на тросе водолаз мог быстро подняться, опорожнив вмонтированный в его костюм бак для воды.
Но самыми известными были погружения в батисфере, "глубинном шаре", около Бермудских островов, которые, начиная с 1930 г., предпринимал американский зоолог Биби[10] совместно с инженером Бартоном. Шар имел внутренний диаметр 1,37 м и толщину обшивки от 32 до 35 мм. С помощью паровой лебедки он опускался в море с парома, с которым был связан прочным тросом, телефонным и электрическим кабелями. Установленный в батисфере прожектор позволял вести наблюдения из бортового иллюминатора на глубинах, куда не проникал свет. При первом спуске акванавты достигли глубины 240 м, а в июне 1934 г. им удался долгое время не превзойденный рекордный спуск на глубину 923 м.
В 1948 г. Бартон, с помощью усовершенствованной батисферы, осуществил у берегов Калифорнии погружение на глубину 1372 м. Но и при этих погружениях обнаружились недостатки в методике. Так, с одной стороны, судно-носитель поднималось и опускалось при волнении, а с другой - из-за эластичности стального троса колебания испытывала и батисфера, и все время грозила опасность, что эти колебания попадут в резонанс и трос оборвется.
Несмотря на эти недостатки, батисферы применяются и в настоящее время, так как они позволяют проводить наблюдения на глубинах в несколько сотен метров при сравнительно небольших затратах.
В 1944 г. в Советском Союзе был построен гидростат "GKS-6", который мог погружаться до 400 м. Первоначально он предназначался для спасательных целей. В 1953 г. гидростат был переоборудован для биологических исследований с рыбопромысловым уклоном. В 1960 г. был введен в эксплуатацию усовершенствованный гидростат "Север I" диаметром 1,10 м, высотой 3,8 м, весом 2,6 т. Человек здесь мог вести наблюдения через пять иллюминаторов; допустимые глубины погружения до 600 м. Даже в штормовую погоду на "Севере" удавались успешные погружения в Баренцевом море. Другой вариант батисферы, также введенный в эксплуатацию в Советском Союзе в 1963 г., представляет собой буксируемый подводный глиссер "Атлант", глубина применения которого ограничена 100 м. Прочный корпус длиной 4,5 м снабжен параллельным несущей поверхности горизонтальным рулем и дополнительным вертикальным рулем. При скорости до 6 узлов аппарат, который буксируется траулером тросом длиной 1 км, с помощью этих рулей может менять свое положение. С "Атланта" прежде всего исследовалось поведение косяков рыб относительно рыболовного трала. Преимуществами аппарата являются его несложная конструкция и удобное размещение экипажа в прочном корпусе.
Промежуточное положение между более или менее неподвижными батисферами и свободно перемещающимися исследовательскими подводными лодками занимает подводное судно "Куросио II", применяющееся с 1960 г. в Японии для рыболовных исследований. Речь идет о квазиавтономном подводном судне с глубиной погружений 200 м, которое может развивать скорость до двух узлов. Судно оборудовано различными приборами для измерения океанологических характеристик - температуры воды или течений. Кроме того, оно снабжено прожекторами и 16 иллюминаторами. По кабелю длиной свыше 600 м судно обеспечивается электроэнергией с корабля-матки.
Пришлось приложить много усилий, чтобы устранить малую подвижность подобных подводных судов. Так, было предложено использовать подводные лодки, ранее предназначенные исключительно для военных целей. Еще в 1856 г. Бауер, конструктор одной из первых подводных лодок, пытался через иллюминатор фотографировать морское дно. Удалось ему это или нет - в настоящее время является спорным. В 1902 г. Аншютц-Кемпфе, изобретатель гироскопического компаса, просил предоставить ему для полярных исследований подводную лодку, только что введенную в эксплуатацию военно-морским флотом. Наконец, в 1931 г. американец Вилькинс пытался достичь подо льдом Северный полюс на отслужившей свой срок в военно-морских силах подводной лодке. В этой экспедиции приняли участие также и океанологи. Лодка была оснащена ледовым буром и специальными приборами для отбора проб воды. Однако из-за повреждения горизонтального руля замысел потерпел неудачу.
В 1958 г. в Советском Союзе на "Северянке" была создана первая плавучая подводная лаборатория. "Северянка", как и все обычные подводные лодки, имеет два корпуса. Внешний корпус определяет форму лодки, тогда как внутренний, прочный корпус предохраняет от давления воды помещения, механизмы и другое оборудование. Между внутренним и наружным корпусами находятся запасы горючего и цистерны для водяного балласта. Судовой и научный экипаж составляет 60 человек.
"Северянка" имеет иллюминаторы с большим углом обзора, прожектора и аппаратуру для кинофотосъемки. Несколько горизонтальных и вертикальных эхолотов, телевизионная камера и приборы для измерения температуры и солености воды дополняют научное оборудование. Специальное устройство в днище судна позволяет проводить отбор проб грунта. Центральное место в океанографических работах занимают исследования экологии и поведения важнейших промысловых рыб, районов икрометания и вопросы рыбопромысловой техники. В многочисленных экспедициях, в ходе которых "Северянка" достигла Исландии, в северных морях были собраны ценные научные данные о жизненном цикле и поведении сельди и трески, а также и других промысловых рыб.
Однако при использовании "Северянки" и других обычных подводных лодок в научных целях обнаружились некоторые недостатки. Все возрастающие требования к подводным судам для решения задач морской техники не могут удовлетворительно выполняться обычными подводными лодками. Часто бывает необходимо быстрое маневрирование не только в водной толще, но и непосредственно у дна. Даже при небольших скоростях подводные суда должны быть очень маневренными. Кроме того, достигнутые к настоящему времени глубины погружения подводных лодок (примерно 500 м) вскоре будут недостаточными. Начиная с определенной глубины, которая колеблется в зависимости от применяемого материала и доли полезного груза, гидростатическая подъемная сила прочного корпуса не может уравновешивать его собственный вес (который очень быстро возрастает с увеличением глубины), вес оборудования, необходимого для работы подводного судна, и вес полезного груза.
Необходимо, чтобы подводное судно, предназначенное для научных и технических исследований, могло без двигателя висеть внутри водяного столба и вплотную над дном. Скорость подъема и спуска должна легко регулироваться, причем при погружении снижаться до очень малых значений. В аварийных случаях судно должно всплывать с больших глубин без вспомогательных технических средств. Наконец, подводное судно должно быть обеспечено источниками света, дистанционными устройствами для отбора проб и измерительными приборами.
Итак, до 1970 г. в различных странах для научных и технических задач было построено и введено в эксплуатацию около 75 различных типов подводных судов, имеются и дальнейшие перспективы развития. Из известных до сего времени подводных судов более двух третей рассчитано на глубину погружения до 3000 м и только восемь для больших глубин.
Из-за такого разнообразия конструкций существующих судов их трудно классифицировать. Однако если учитывать глубины погружения и долю полезного груза, можно назвать три главных направления в развитии подводных судов.
Основа первого направления состоит в том, что снаружи кабины прочной на сжатие и чаще всего шарообразной формы крепится поплавок, наполненный жидкостью, плотность которой меньше плотности воды (например, легким бензином). Таким образом, как и в свободном аэростате здесь возникает дополнительная подъемная сила. На этом основан принцип "батискафа", о котором еще пойдет речь. Снизу поплавок имеет отверстие, за счет чего на каждой глубине происходит выравнивание давления между наполняющей поплавок жидкостью и окружающей водой. Стенка поплавка поэтому может быть очень тонкой. Так как легкий бензин с увеличением глубины сжимается примерно в два раза быстрее, чем морская вода, уменьшается объем "подъемной" жидкости, а вследствие этого уменьшается и подъемная сила. Чтобы воспрепятствовать слишком быстрому спуску и установить желаемое состояние равновесия, при погружении следует скинуть балласт. В качестве балласта применяют небольшие стальные шары, которые электромагнитным способом удерживаются в шахтах поплавка и выпадают, когда ток выключается.
Наоборот, при подъеме должна выпускаться "подъемная" жидкость. Батареи и тяговые двигатели установлены снаружи сферы, на поплавке, в заполненных маслом резервуарах. В зависимости от параметров и веса необходимо от 120 до 200 м3 легкого бензина, в результате чего объем поплавка по отношению к прочному корпусу становится очень большим. Подобная форма весьма неблагоприятна для горизонтального движения, вследствие чего снижается дальность действия и скорость глубинного судна. Но зато суда, построенные по этому принципу, могут достигать любых глубин. Известными примерами являются батискафы "Триест" и "Архимед".
У второго вида подводных судов подъемная сила регулируется посредством прочного корпуса. Так как при этом его вес из-за необходимости утолщения обшивки с глубиной возрастает, для выравнивания веса приходится увеличивать объем корпуса. Погружение и подъем происходят или путем наполнения водой баков для балласта или соответственно их опорожнения выдуванием воды сжатым воздухом. Кроме того, сбрасывается твердый балласт, например железный лом. Если прочный корпус стальной, то теоретический предел погружения, в зависимости от веса полезного груза и сорта стали, лежит между 2000 и 7000 м. Примерами конструкций, основанных на этом принципе, являются введенное в эксплуатацию в 1964 г. американское подводное судно "Алюминавт", прочный корпус которого состоит из отдельных стянутых друг с другом болтами алюминиевых деталей, и советский "Север 2", на котором в 1969 г. в Черном море была достигнута глубина 2185 м. Испытания "Севера 2" были завершены летом 1971 г. Это подводное судно предназначено главным образом для рыболовных исследований.
Третья возможность увеличения полезной подъемной силы состоит в том, что полое пространство между прочным корпусом и легким корпусом из пластмассы частично заполняется пенопластом, в который вкраплены крошечные стеклянные полые шарики диаметром от 20 до 100 микрон. Этим материалом могут заполняться также труднодоступные пустоты, благодаря чему достигается оптимальное использование пространства. Батареи и тяговые двигатели размещены в заполненных маслом резервуарах, также находящихся в полом пространстве между прочным и легким корпусами. И набивка из пенопласта и масляные резервуары находятся под давлением окружающей воды. Изменение подъемной силы достигается перекачкой масла из прочных резервуаров из легкого металла в "мягкие" резервуары, представляющие собой способные сжиматься резиновые чехлы. К подводным судам такого типа принадлежит, например, введенный в эксплуатацию в 1965 г. в США "Альвин" - длина 6,7 м, вес 13,5 т, глубина погружения до 1800 м.
Первый батискаф был построен в 1948 г. швейцарским ученым Августом Пиккардом[11], который стал известен в 30-х годах благодаря успешному подъему на аэростате в стратосферу. Уже во время своего полета Пиккард задался мыслью применить принцип свободного воздушного шара также и в море. Однако это намерение смогло осуществиться только после второй мировой войны. Первая модель и беспилотные пробные эксперименты выявили много недочетов, и только в 1953 г. удалось провести экспериментальные погружения в усовершенствованном к тому времени батискафе. В этих экспериментах, между прочим, принимал участие Кусто. В феврале 1954 г. французские морские офицеры Хуо и Виллм достигли у Дакара глубины 4050 м. Параллельно с французскими экспериментами Пиккард получил возможность построить в Италии батискаф "Триест", в котором он в 1953 г. провел первые экспериментальные погружения. В 1958 г. батискаф был куплен американскими военно-морскими силами для исследовательских задач электронной лаборатории военно-морского флота.
В январе 1960 г. сын Пиккарда Жак и американский морской офицер Уолш в Марианском желобе на "Триесте" достигли глубины 10 916 м. Это вторжение в океанские глубины Пиккард описывает следующими словами: "Дно казалось светлой и чистой пустыней из светло-коричневого ила. Мы приземлились на красивом ровном дне из твердого диатомового ила. Безразличный к давлению почти 170 000 т, которая тяготела над его металлическим шаром, "Триест", держащейся на нескольких фунтовых тросах, которые покоились на дне, элегантней в своем равновесии, символически овладевал во имя науки и человечества глубочайшим из известных до сих пор мест всех наших океанов..."
В 1961 г. французскими военно-морскими силами был введен в строй батискаф "Архимед". В 1962 г. в Курильском желобе он погрузился на глубину 9500 м. Таким образом, было еще раз достигнуто одно из самых глубоких мест Мирового океана. "Триест" вновь заставил заговорить о себе, когда в поисках обломков затонувшей в 1963 г. американской атомной подводной лодки "Трешер" он был с успехом спущен на глубину 2600 м. После гибели атомной подводной лодки "Скорпион" ему пришлось также участвовать в поисках ее остатков.
Преимущество батискафов заключается в возможности освоения больших глубин. Но ему сопутствует незначительная горизонтальная подвижность. Поэтому в дальнейшем начались разработки подводных судов меньшего размера, с меньшей глубиной погружения, но зато с лучшей маневренностью. С 1951 г. Кусто обдумывал создание небольшого, обладающего хорошей маневренностью подводного судна с ограниченной глубиной погружения, которое могло бы использоваться совместно с водолазами. Во французском центре подводных исследований были испытаны различные формы, пока была найдена плоская в виде эллипсоида вращения стойкая к давлению оболочка из стали. Вокруг прочного корпуса под кольцеобразной обшивкой из стеклянных волокон располагаются тяговые двигатели, батареи и другое оборудование. В 1958 г. был испытан первый прочный корпус.
В 1959 г. была изготовлена вторая погружаемая сфера, которая за свою форму была названа "подводным блюдцем". Подводное судно имело диаметр только 2,85 м и вес в незагруженном состоянии 3,5 т. Через два расположенных по бокам поворотных сопла, питаемых от батареи электродвигателя, насосом подается вода. Это позволяет судну развивать скорость примерно в два узла при очень хорошей маневренности. Погружение и всплытие осуществляется с помощью сбрасываемого металлического балласта. Перемещение ртутного балласта изменяет крен подводного судна, благодаря чему оно может опускаться на желаемые глубины спиралеобразно. Так как "блюдце" недостаточно мореходно, к месту спуска оно доставляется судном-базой и затем краном опускается в воду.
Во время многочисленных спусков "подводное блюдце" зарекомендовало себя наилучшим образом. Например, оно применялось при черчении карт морского дна и при геологических исследованиях.
По образцу "подводного блюдца" были построены новые подводные суда, например, "Зеефлёхен" - две одноместные подводные лодки, с чрезвычайно хорошей маневренностью и глубиной погружения до 500 м или "Сукуп Плонжант 3000" - исследовательское судно для трех человек. Глубина его погружения 3000 м. Французское исследовательское судно "Жан Шарко" - одно из первых исследовательских судов в улучшенном исполнении - постоянно имело на борту эту усовершенствованную конструкцию "подводного блюдца" и применяло ее прежде всего для фотографических съемок морского дна и для отбора проб.
Одним из самых замечательных подводных плаваний на исследовательских судах с экипажами можно считать дрейф мезоскафа "Бен Франклин" в Гольфстриме. У Жака Пиккарда, духовного отца этого предприятия, возникла идея разработать подводную лодку, которая могла бы заимствовать свою движительную энергию непосредственно от морских течений. Предпосылкой для этого, безусловно, является очень большая прочность корпуса лодки. Он должен поддаваться сжатию меньше, чем "морская вода". У обычной подводной лодки объем корпуса с увеличением глубины уменьшается сильнее, чем объем морской воды, находящейся под тем же давлением. Поэтому при погружении лодка будет становиться относительно тяжелее и погружаться все быстрее. Остановить или замедлить это опускание можно или путем опорожнения балластной цистерны или с помощью двигателя. У "Бен Франклина" цилиндрический корпус длиной 16 м и диаметром 3 м состоит из 35-миллиметровых трубок из твердой стали и укреплен кольцами, вследствие чего до предусмотренной глубины погружения 600 м он не поддается давлению воды. Тяжелая 25-тонная аккумуляторная батарея мощностью 750 кВт размещена снаружи прочного корпуса в сбрасываемом киле. Четыре электродвигателя переменного тока, каждый мощностью 25 л.с., винты которых выполнены поворотными вокруг поперечной оси, позволяют развивать наивысшую скорость в пять узлов. Во внутренней тяжелой (ее вес 130 т) части подводного судна, рядом с центральным командным постом, находятся лаборатория и помещение для экипажа в шесть человек.
Во время 31-дневного дрейфа летом 1969 г. было пройдено свыше 2700 км от Флориды до Новой Шотландии на глубинах между 200 и 600 м. Здесь были измерены поразительно высокие скорости течения от пяти до шести узлов. Было отмечено также значительное действие на дрейфующее без двигателя подводное судно внутренних волн, которые образуются на поверхности раздела водных масс с различной плотностью. Вспомогательное судно на поверхности непрерывно наблюдало за движением мезоскафа, причем связь поддерживалась по ультразвуковому телефону. Несколько неожиданными оказались низкие температуры во внутренней части судна - всего 17°С. Ради экономии энергии отказались от электрического обогрева, рассчитывая на выделение тепла электроприборами и на более высокую температуру окружающей среды. Как и на многих подводных станциях, здесь также мешала высокая влажность воздуха.
Подводное плавание было предпринято не только для решения океанологических задач, но и как временной психологический земной эксперимент. Так как "Бен Франклин" мог дрейфовать без двигателя, а значит бесшумно, он был идеальной платформой для различных акустических исследований. Кроме того, можно было без помех наблюдать морские живые существа в их естественной жизненной среде. Поэтому "Бен Франклин" был оснащен преимущественно акустическими измерительными приборами. Мезоскафы, в их различных вариантах, в будущем смогут применяться для геологических разведок, а также в качестве спасательных и рабочих транспортных средств.
Тем временем из специально оборудованных подводных судов последовали первые выходы водолазов на большие глубины. Построенное для американской фирмы подводное судно "Дип Дивер" обеспечивает, например, выход двух водолазов из шарообразного прочного корпуса. Во втором прочном отсеке находится экипаж также из двух человек. Судно рассчитано на глубину погружения в 380 м. Насколько известно, до сего времени опытные выходы водолазов предпринимались до глубин 125 м, причем водолазы удалялись от судна на расстояние до 900 м.
Особым видом подводных судов являются так называемые "мокрые" подводные лодки. Они не имеют прочного корпуса и поэтому применяются только в поверхностных горизонтах, которые доступны водолазам без больших физиологических и технических трудностей. Зато расходы на их изготовление и эксплуатацию значительно ниже, чем для подводных судов с прочными корпусами. Они могут перевозить водолазов с их снаряжением, а также обеспечивать их дыхательным газом и энергией. Они являются также отличным вспомогательным средством при наблюдениях и измерениях в верхних слоях моря. С этой целью, например, применялась советская подводная лодка "Май-3" совместно с подводной лабораторией "Черномор". Используются они и как учебные суда для тренировки экипажей подводных лодок.
Если рассматривать развитие подводных судов в США, то обращает на себя внимание, что они используются чаще всего прямо или косвенно для удовлетворения военных нужд. Многие суда, как, например, "Альвин" или вступившие в строй в конце 1968 г. его модификации "Си Клифф" и "Тартл", принадлежат военно-морскому флоту. То же самое относится и к введенной в эксплуатацию в конце 1969 г. первой исследовательской подводной лодке с атомным двигателем NR-1 водоизмещением 400 т, длиной 42,7 м. Экипаж ее состоит из пяти человек, и она может принимать на борт двух ученых. По заказу военно-морского флота было построено глубоководное спасательное судно DSRV, с помощью которого при каждом погружении могут быть спасены с глубины свыше 1000 м 24 человека из потерпевших аварию подводных лодок. Военно-морской флот является также главным заказчиком для большинства частных подводных судов.
К военной океанографии относится вопрос о важном для определения места подводной лодки исследовании гидроакустических условий. Могут проводиться также разведочные работы для строительства военных объектов на морском дне, опробование новых видов связи под водой или испытание новых материалов для последующего применения в военных целях. Подводные суда неоднократно участвовали в поисковых кампаниях.
Накопленный опыт работы с подводными судами самых различных конструкций, с одной стороны, доказал возможность их применения для решения различных научных и технических вопросов, а с другой стороны, показал, что еще много проблем нужно разрешить, прежде чем подводные суда станут универсальным вспомогательным средством океанографии.
Возможная область их применения охватывает не только работы по физической океанологии, например, исследование глубинных течений, измерение многочисленных океанологических параметров и отбор проб воды, но и задачи морской геологии, такие, как подробное обследование топографии морского дна, фотосъемка микрорельефа, картографо-геодезические работы или разведка полезных ископаемых на морском дне. Широкие возможности их применения открываются также и в биологической, в частности в рыбопромысловой сфере, начиная с исследования поведения рыб и других морских животных и кончая развитием методов лова и наблюдением за его орудиями. С помощью подводных судов может решаться обширный круг задач в области морской техники. Сюда относятся разведка местоположения подводных объектов, прокладка кабелей и трубопроводов и строительство фундаментов и сооружений на морском дне, контроль за подводными устройствами и их техническое обслуживание, испытание приборов и исследование проблем коррозии. Представляется возможным также применение подводных судов для непосредственной добычи сырья.
В дальнейшем подводные суда новых типов конструировались в каждом отдельном случае только для решения определенных специфических задач, так как накопленный ранее опыт показал, что создание универсальных лодок нецелесообразно. Оказалось также, что эффективному применению подводных судов должны предшествовать исследовательские работы с водной поверхности. Были высказаны соображения о том, что для технических работ на морском дне нужны специальные донные транспортные средства с экипажами. В противоположность описанным выше подводным судам они не могут свободно перемещаться во всем водном столбе, а будут только передвигаться по морскому дну с помощью специальных ходовых механизмов. Благодаря постоянному механическому контакту между таким судном и дном они смогут выполнять тяжелые строительные работы и другие операции на морском дне. Однако до сих пор суда такого рода еще не вышли из стадии проектирования.
К крупнейшим недостаткам, препятствующим широкому использованию подводных лодок для научно-технических целей, относятся высокие расходы на их постройку и эксплуатацию. До настоящего времени большая часть лодок изготавливалась единицами. Так, например, расходы на "Дип Квест", американское подводное судно второго поколения, рассчитанное на рабочую глубину до 2500 м, составили свыше 5 млн. долларов, а военно-морская исследовательская подводная лодка NR-1 с атомным двигателем, включая установленные океанографические приборы, стоила не менее 100 млн. долларов. В середине 60-х годов в США плата за аренду подводной лодки составляла от 300 долларов в день для маленьких одноместных лодок с небольшой глубиной погружения до 10 000 долларов в день для судов типа "Алюминавт". С тех пор арендная плата еще более возросла. Причину высоких расходов следует искать в том, что почти все подводные суда нуждаются в судах-матках, которые доставляют лодку к месту работы и затем снова принимают ее на борт. Здесь возникают новые трудности, так как морское волнение часто затрудняет постановку в док. Поэтому уже делались неоднократные попытки при разработке конструкции приспособить друг к другу судно-матку и подводную лодку в их поведении на волне. Технически интересное решение предусматривает транспортировку подводного судна на буксире, который в этом случае наполняется водой и погружается под взволнованную водную поверхность. На месте работ водолазы отдают крепления, и подводная лодка отделяется от платформы для выполнения своих задач. Первые испытания с небольшими подводными судами весом 4,5 т проходили в сентябре 1970 г. у Гавайских островов при волнении 5 баллов.
Чтобы увеличить долю полезного груза, у будущих подводных судов стараются увеличить их подъемную силу. В других случаях на первый план выносится вопрос об увеличении глубины погружения. Кроме конструктивных усовершенствований, приходится решать задачу применения новых материалов. Наряду с различными сортами стали и других металлов, таких, как алюминий или титан, исследуются пластмассы, усиленные стеклянным волокном, керамические материалы и органическое стекло. Уже испытываются подводные лодки со сферическим прочным корпусом из органического стекла, причем здесь подкупают отличные условия обзора. Испытания стекла, от которого ожидали многого, как от материала для прочного корпуса, еще не дали до сих пор каких-либо удовлетворительных результатов, так как полученных теоретическими расчетами высоких показателей прочности пока еще достичь не удалось. Здесь могли бы оказать помощь более глубокие знания в области химической структуры применяемых стекол и усовершенствованная технология изготовления стеклянных прочных корпусов. В усовершенствовании нуждаются также и манипуляторы. Они позволяют вести работы с подводных лодок с помощью управляемых на расстоянии механических рук. При конструировании подводных судов целесообразно с самого начала принимать во внимание создание соответствующих манипуляторов. Так как для выполнения многочисленных задач требуется большое количество различных инструментов, должна предусматриваться замена их под водой.
Дальность действия и скорость современных судов также оставляют желать много лучшего. В качестве источников энергии для электрических ходовых двигателей до сих пор почти всегда использовались свинцовые аккумуляторы, которые не могут давать энергию большой мощности при постоянном напряжении. Поэтому у некоторых строящихся судов требуемый для электродвигателей ток будет генерироваться с помощью горючих элементов. Источниками энергии могли бы служить и двигатели внутреннего сгорания, имеющие при себе контейнеры с горючим и кислородом (например, так называемый способ Вальтера, в котором источником кислорода является перекись водорода). Возможны также суда, где двигателем будет ядерный реактор, но, разумеется, они очень дороги. Наконец, к еще не разрешенным проблемам следует отнести точную подводную навигацию и бесперебойную передачу информации на большие расстояния.
Взгляд в будущее
Наши знания о море и о происходящих в нем процессах все еще очень недостаточны. Большая часть морского дна до сих пор не исследована с помощью дистанционных приборов, не говоря уже о непосредственных наблюдениях. Только в немногих районах используются морские сырьевые ресурсы и сырьевые ресурсы морского дна. Даже морские пищевые резервы по существу добывают малопродуктивным способом. В самое последнее время подводные исследования расширились. При этом следует заметить, что эти исследования, помимо интересов науки и народного хозяйства, в значительной степени стимулируются военными целями.
Это обстоятельство является решающим фактором для дальнейшей деятельности в море и на морском дне. Только в мирное время возможны всесторонние исследования и использование моря и морского дна, направленные на всеобщее благо человечества.
В центре океанологической деятельности будут стоять такие задачи, как, например, составление и улучшение прогнозов развития морской среды. Современные модели океана и атмосферы и более точные знания об их взаимодействии послужат основой для повышения точности прогнозов погоды. К важным для будущего целям изучения моря относятся также обширные научные наблюдения естественного состояния океана. Они послужат основой для оценки и прогноза влияния как естественных, так и вызываемых человеком изменений в морском жизненном пространстве. Усовершенствование знаний о взаимосвязях между различными формами жизни в море и их окружающей средой позволит лучше использовать морские пищевые ресурсы. Это окажет помощь в предотвращении вредных вмешательств человека. Наконец, разработка сырьевых ресурсов требует более основательных знаний о формах рельефа, структуре и свойствах морского дна и потенциале сырьевых запасов.
Предпосылками для решения этих задач являются развитие соответствующей системы наблюдения и более целенаправленный международный обмен данными о морской среде. И в дальнейшем большая часть параметров, характеризующих состояние морской среды, будет добываться косвенным путем. Наряду с исследовательскими судами во все возрастающей степени будут использоваться автоматические буи. Для наблюдения за крупномасштабными процессами послужат искусственные спутники Земли. Все эти способы станут звеньями постоянно действующей океанической сети наблюдений, причем их возможности должны взаимно дополняться. Даже на морском дне автоматические станции будут вести длительные измерения интересующих нас величин в соответствии с программным управлением или по сигналу будут всплывать для передачи накопленных данных.
Наблюдения, осуществляемые непосредственно человеком, будут прежде всего раскрывать связи в мелкомасштабных процессах. Морская техника, которая создала лишь предпосылки для пребывания человека в море, будет в еще большем объеме обслуживаться водолазами. Человек сможет все дальше проникать в морские глубины. Проведенные эксперименты с гелиокислородными смесями не позволяют пока установить предполагаемые границы содержания гелия по аналогии с азотным наркозом, который проявляется на глубинах от 300 до 350 м. Поэтому в ближайшем будущем обычные погружения водолазов не будут превышать 300 м. Решение еще неясных вопросов, таких, как надежная защита от холода и вспомогательные приборы для облегчения дыхания, разумеется, не заставит себя долго ждать. Это касается и приборов с замкнутой циркуляцией, которые надежно работают при длительной эксплуатации. В стадии разработки находятся приборы со сжиженными газовыми смесями.
Вместе с разработкой приборов для глубокого погружения будут совершенствоваться также имеющиеся в нашем распоряжении системы переносных и палубных декомпрессионных камер. Сейчас уже существуют изготовленные промышленным способом установки для погружения до 500 м. Для проникновения на большие глубины следует подумать о применении в качестве дыхательного газа водородно-кислородной смеси. И тогда, по мнению некоторых специалистов, должна стать доступной глубина в 1000 м. Еще более смелые прогнозы о возможности использования для дыхания жидкости; при этом легкие водолаза должны быть также наполнены жидкостью, которая в состоянии усваивать большие количества сжатого кислорода. Думали даже об искусственных жабрах, причем уже были произведены опыты на животных. Однако пока такие суждения являются в значительной мере умозрительными.
В проблеме "homo aquaticus", человека, который может одинаково хорошо бегать на альпийских лыжах и плавать в подводном каньоне, кроме физиологических вопросов не должны быть забыты и этические проблемы. Как сказал в одном интервью директор Института океанологии в Москве профессор Л. С. Монин, человек по природе своей смел и предприимчив. Он проникает все глубже в бездну морей. Однако он всегда будет снова возвращаться домой, на землю, в знакомую ему природу. Не только из-за технических трудностей и экономических проблем, но прежде всего по этим причинам проекты городов ниже уровня моря остались утопией. Также и в будущем лишь немногие люди, занятые специальными работами, будут находиться под водой.
Конечная цель применения подводных станций - организация стационарных подводных обсерваторий в особенно интересных районах. Однако в первую очередь из-за экономических соображений их число будет удерживаться в определенных границах. Другие многообещающие прогнозы предсказывают создание комбинации из подводной лаборатории и подводного судна с собственным двигателем. Примерами таких комплексов являются проекты "Аржиронета" во Франции и "Бентоса 300" в Советском Союзе. Станции полностью автономны в своем обеспечении и могут самостоятельно менять местоположение в том или ином районе. Они могут всплывать, погружаться и при необходимости удерживаться висящими в течение долгого времени на определенной глубине. Давление в дополнительных отсеках должно быть выравнено с окружающим давлением воды, так что акванавты смогут выходить в море. Проблема снабжения энергией может быть разрешена с помощью горючих элементов и изотопных генераторов. Требуемый кислород можно извлекать непосредственно из морской воды.
Подводные суда с экипажем для научных и технических целей в выбранных районах станут ценным дополнением к существовавшим до сих пор способам исследования, если удастся снизить требуемые расходы. На борту исследовательских судов как рабочее средство будут находиться подводные лодки. Новые материалы и источники энергии расширят радиус их действия.