Океанография

Океанография изучает морскую среду целиком. Классически она делится на физическую и биологическую океанографию. Но прогресс в технике и увеличение чувствительности приборов породили новую ветвь, которую можно было бы назвать морской геофизикой. Она занимается осадками на морском дне, а также исследованием его глубинного строения с помощью методов, пришедших из наземной геофизики и примененных к морю. Физическая океанография включает геометрическое описание морских бассейнов, изучение физических и химических свойств среды, характера ее движения, изучение обменов энергией между океаном и атмосферой, осуществляющих связь между этими средами, наконец, географическое распределение свойств и движений моря. Биологическая океанография включает изучение всех существ, живущих в море, и сами условия их жизни.

Эти две ветви неразрывно связаны между собой, граница их разделения неточна: трудно себе представить биолога, который бы не интересовался физикой среды, где проявляется жизнь, которую он изучает. Несколько легче представить физика, не интересующегося биологией, но и он очень быстро заметит, что распределение жизни в море меняет свойства среды, влияет на исследовательские физические приборы и выявляет аспекты движений в море. Таким образом, необходима теснейшая связь между этими двумя дисциплинами, тем более что практическое значение океанографии по мере совершенствования исследовательских инструментов постоянно возрастает.

Динамика моря является одной из основных областей физики моря и океанографии, поскольку именно динамические процессы в столь сложной системе, как Мировой океан, определяют многие явления и процессы на нашей планете. Климат, жизнь в океане, распределение богатых и бедных живыми и растительными организмами зон, накопление осадков и другие вопросы в значительной степени связаны с этими динамическими процессами.

Физическая океанография

Ограничиваясь физической океанографией, которую в основном и затрагивает эта статья, мы отметим, что она является главным образом наукой о среде. А наука о среде призывает на помощь все дисциплины, способные дать пригодные средства для изучения или объяснения явлений, которые в ней встречаются. Не может быть и речи о том, чтобы плодотворно заниматься изучением движений в море, не прибегая к гидродинамике. Причем кажется, что природа нарочно усложнила проблемы, возникающие перед океанографами: дно океана имеет причудливые формы, а известно, насколько движение жидкостей чувствительно к глубине; причины движений очень разнообразны по происхождению и часто очень сложны.

Некоторые движения являются строго периодическими, так, например, силы астрономического происхождения вызывают приливы, и ими определяется период последних. Другие силы апериодичны и имеют большую или меньшую длительность, как, например, силы, связанные с ветрами (сила поверхностного трения и сила давления); соответствующие переходные режимы трудны для изучения. Любое локальное изменение состояния движения отзывается из-за неразрывности морской среды с большим или меньшим запаздыванием на всей среде; оно влияет также на атмосферу и ветры, т.е. на климат; так переплетаются причины и следствия. Вращение Земли и вязкость воды изменяют движение, как только оно появляется. Поверхностные движения вод, волны и зыбь представляют собой крайне запутанную картину, которая наблюдается в открытом море в присутствии ветра. Эта картина является настоящей головоломкой для океанографа, который пытается найти характерные точки наблюдаемого неупорядоченного волнения, свести его к суперпозиции простых составляющих, доступных анализу. Задача весьма трудна, так как здесь в отличие от приливных движений период заранее не известен.

Распространение в море излучений тепловых (уже упомянутых), оптических, акустических — заставляет обращаться ко многим областям физики. Световое излучение управляет многочисленными аспектами морской жизни, и его использовали даже для определения малых глубин в море. Что касается упругих волн — звуковых и ультразвуковых, — то они хорошо распространяются в море, по крайней мере в вертикальном направлении. На их свойствах основаны приборы для измерения морских глубин. Благодаря прогрессу техники создаются все более и более чувствительные варианты этих приборов, постоянно обеспечивающие улучшение определения и детальное знание конфигурации дна океанов. Любое морское измерение должно сопровождаться как можно более точным определением точки, где оно осуществляется. В виду земли океанограф может определять свое положение классическими способами геодезии и гидрографии. В открытом море он прибегает к звездам и выполняет обязанности геодезиста, гидрографа, астронома. Поскольку сейчас он обладает приборами для радионавигации и GPS, то должен иметь хотя бы минимальные знания в области электроники. Связь между океаном и атмосферой обязывает его знать метеорологию и термодинамику; исследование дна требует знаний по геологии. Какая только научная дисциплина не находит своего применения в море!

Такой же широкой, как и диапазон наук, к которым следует прибегать, является протяженность масштабов изучаемых явлений как в пространстве, так и во времени. Например, мы встречаем большие океанические течения, такие, как Гольфстрим — западная усиленная ветвь Северо-Атлантической системы течений, — который за секунду переносит более 50 миллионов кубических метров воды на расстояниях в тысячи километров. В порядке уменьшения масштаба затем следуют приливные течения, которые неразрывно связаны с изменениями уровня морей под действием лунно-солнечных сил и которые также периодичны, как и эти силы. Они переносят молекулы воды на расстояния порядка километра, максимум — десятка километров, и в основном заметны в неглубоких частях морей. Волнение, связанное с зыбью и волнами, которое чувствуется лишь в относительно небольшом верхнем слое воды, является грубо периодичным и имеет длины волн порядка десятков метров. При некоторых обстоятельствах это волнение может стать основой апериодических течений, которые, в частности, у берегов накладываются на периодическое движение простой зыби и далеко переносят несвязанные материалы, такие, как песок или ил. Берег в тех частях, где он состоит из легкоподвижных материалов, наиболее уязвим: его очертании являются следствием более или менее устойчивого динамического равновесии, которое может быть нарушено либо изменениями средних метеорологических условий, взятых за достаточно длинный период, либо в результате вмешательства человека, который меняет форму берега, заставляя природу находить новое состояние равновесия.

Ниже в этом ряду крупных течений, приливных течений, смещений воды, связанных с зыбью и волнами, наблюдаются пульсации в море, связанные с турбулентным характером всех морских движений. В заданной геометрической точке характеристики жидкости колеблются около среднего значения, определяемого за имеющийся промежуток времени, и отклонение от этого среднего значения является произвольной переменной. Значение этих турбулентных движений очень велико, так как благодари им одни слои воды увлекают соседние слои, как при простой вязкости, но с гораздо большей интенсивностью. Благодаря горизонтальным и вертикальным вихрям, связанным с турбулентностью, соприкасающиеся слои воды обмениваются не только своим движением, но и всеми другими свойствами: соленостью, температурой, содержащимися и них веществами. Причем исследование распределения одного из этих свойств уже способно дать сведения о движении воды.

Относительно недавно на западном краю Гольфстрима выявилось существование больших горизонтальных вихрей размерами до 200 км с постоянно флуктуирующими границами. Это удалось сделать благодаря введению приборов, позволяющих изучать за короткое время по отношению к устойчивости вихря поверхностное движение вод либо распределение того пли иного их физического свойства, и особенно их температуры. Вероятно, эти вихри являются причиной наибольшей потери энергии на трение, которое испытывают течении и которое мешает им усиливаться под действием силы увлечении ветрами, дующими более или менее постоянно. Ключ к проблемам крупномасштабной циркуляции океана, очевидно, скрыт в механизме явлений гораздо меньшего масштаба.

На широкую гамму движений вод, которые постоянно накладываются друг на друга в океанах, вращение Земли оказывает различное действие в зависимости от временного масштаба этих течений, т. е. также в зависимости от их протяженности. Эти воздействия тем существеннее, чем больше рассматриваемый временной масштаб. Сила Кориолиса, которая действует на любое движущееся тело на Земле из-за ее вращения, имеет преобладающее значение для больших океанических течений; она весьма заметно влияет на приливные течения и на приливы, оказывает пренебрежимо малое воздействие па движения, связанные с зыбью. Природа дошла до того, что сама провела тонкое разделение в масштабах движений жидкости в морях.

Биологическая океанография

Что касается биологической океанографии, то она занимается исследованием жизни морских существ в среде их обитания, особенно их размножением, развитием, ростом, условиями населения моря и дна, географическим распределением, миграциями, корреляциями между физиологическими циклами и циклами морской среди. Очевидно, что жизнь организмов, имеющихся в море, зависит от количества питательных веществ, которые и нем находятся. Кроме питательных солей и растворенного кислорода важное значение имеют карбонатное соединения, роль которых проявляется при оценке количества органической материи, растительного планктона (фитопланктона) в условиях, определяемых температурой, освещением и турбулентностью среды. Большим достижением современной биологической океанографии является точная оценка ею продуктивности моря, а также географического распределения продуктивности как функции физических элементов среды.

Изучение анатомии и систематика собранных в морс видов восходит к морской зоологии и биологии, а не к биологической океанографии. Последняя является «экологической» наукой и обязательно включает одновременное исследование основных физических свойств среды.

Конечно, биологическая океанография, которая занимается жизнью в морях, физическими условиями среды и химической эволюцией имеющихся питательных элементов, находится в тесной связи с «океанографией для нужд рыбной ловли», которой к примеру во Франции занимается отдельный Научно-технический институт рыболовства.

Короче говоря, речь идет о геофизическом знании океана, его границ, его содержания с физической и химической точек зрении, его движений, жизни, которая и нем протекает, и ее «окружения» и жизни, которая в нем заканчивается, механизма оседания слоев отложений на дне или около берегов, их эволюции, глубинного состава его морской подпочвы, геологической истории углубления земной коры, занятой океанами и морями. Все это изучается, с одной стороны, прямыми измерениями, а с другой стороны — теоретическими исследованиями и проведением опытов. Являясь наукой о среде, океанография нуждается в одновременном применении всех средств, которые даются математическими, физическими, химическими, геологическими и биологическими науками. Каждый специалист по этим дисциплинам видит среду под определенным углом зрения, и одно лишь сопоставление точек зрения различных специалистов способно привести к пониманию механизма морских явлений — условию предсказания этих явлений во всех точках, т.е. к высшей стадии знания среды. Океанография по преимуществу требует коллективной работы, как в море, так и в лаборатории. Являясь перекрестком научных дисциплин, она берет свои знания из единства и непрерывности среды, которую она изучает, а также накладывает особые требования на наблюдении в море.