Учебное пособие «Физика природной среды»



страница2/26
Дата10.05.2016
Размер1.48 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   26

1.2. Основные проблемы, связанные с изучением и использованием Мирового океана

В настоящее время в океане добывается 60 млн. тонн биологических продуктов, из них 50 млн. тонн рыбы, 600 тыс. тонн водорослей и т. д. Интенсивно развивается добыча полезных ископаемых со дна морей и океанов, особенно нефти. Океан является важнейшей транспортной артерией, по которой ежегодно перевозятся миллиарды тонн грузов. В то же время огромный ущерб прибрежным странам наносят зарождающиеся в океане тропические ураганы и тайфуны, океан ежегодно уносит сотни человеческих жизней.

Перечисленные обстоятельства требуют комплексного изучения Мирового океана. Перед наукой при этом встают следующие важнейшие проблемы:

1. Биологическая структура Мирового океана и возможности рационального использования его ресурсов. Пределы использования растительных и животных промысловых объектов, обитающих в морях и океанах, количественные показатели их продуктивности и допустимые нормы вылова могут быть обоснованно определены только в сопоставлении с показателями продуктивности всего живого населения в общей биогенетической системе Мирового океана, проведенном в рамках учения о его биологической структуре. Такой подход к определению разумного промыслового использования ресурсов морей позволит определить также пути их сохранения, преобразования и создания культурного морского хозяйства.

2. Формирование и эволюция химического состава вод Мирового океана. Эта проблема тесно связана с биологией океана и целым рядом вопросов физики океана. Исследования химического состава морской воды открывают пути использования минеральных ресурсов Мирового океана.

3. История происхождения Мирового океана и его геология. Знание истории происхождения Мирового океана необходимо для разрешения многих научных проблем. История океана — это в значительной мере история нашей планеты. Особенно важным для изучения истории океана является исследование всей толщи осадков — этой своеобразной летописи его жизни.

Геология ложа океана, отдельные области которого находятся сравнительно близко к верхней мантии Земли, геология осадочных пород, возраст Мирового океана, движение материковых плит, перемещение оси вращения Земли и полюсов — вот важнейшие вопросы этой проблемы.



4. Физика океана. Проблема теплового и динамического режимов океана в процессе его взаимодействия с атмосферой. В процессе взаимодействия с атмосферой формируется тепловой и динамический режим Мирового океана, климат и погода различных областей Земного шара. Изучение законов этого взаимодействия открывает пути для построения более совершенных методов прогноза погоды и климата. Это важно и для изучения практически всех явлений в океане, т. к. именно тепловые и динамические процессы определяют основной фон всей его жизни.

В последние пять десятилетий происходит бурное развитие приборостроения и разработки новых методов наблюдения в океане. При этом используются достижения физики, химии, биологии, математики, космические средства и методы наблюдений.



5. Загрязнение Мирового океана. Эта проблема стала особенно важной в последние десятилетия в связи с поступлением в океан огромного количества промышленных и бытовых стоков, интенсивным использованием океана как пути перевозок (особенно нефтяных продуктов), добычей нефти со дна морей, а также использованием океана для захоронения различных отходов. Масштабы загрязнения океана характеризуются хотя бы тем, что в год в него попадают миллионы тонн нефти и нефтепродуктов. Океан весьма подвижен и един. Поэтому загрязнение в одном месте может распространяться на большие области океана. В последние годы доказана весьма высокая подвижность придонных слоев океана, что ставит особые проблемы в связи с продолжающимся захоронением на дне океана токсичных отходов.

Загрязнение океана в той или иной степени влияет на его биологический, химический и физический режим. Это определяет необходимость изучения и учета загрязнения океана в соответствующих разделах океанологии.



6. Инженерные проблемы Мирового океана включают в себя следующие основные направления: использование энергии океана (тепловая энергия, энергия ветровых волн, энергия приливов); защита берегов, технических сооружений и судов от динамических океанических процессов и химического воздействия; инженерные вопросы акустики океана (связь и локация); инженерные вопросы оптики океана (подводные кино- и телесъемка).

7. Правовые проблемы Мирового океана. Мировой океан един во всех своих важнейших процессах. Поэтому рациональное использование его ресурсов, сохранение и воспроизводство их, охрана вод от загрязнения возможны только при наличии международных договоренностей. Кроме того, в связи с интенсивным практическим освоением шельфа встал вопрос уточнения границ территориальных вод морских государств.

В заключение данного параграфа отметим, что практически все перечисленные важнейшие проблемы изучения и использования Мирового океана — суть экологические проблемы, т. к. в большей или меньшей степени связаны с антропогенным воздействием на океан. Настоятельно необходимым является поэтому развитие экологического подхода к океанологическим проблемам.



1.3. Краткая история исследований Мирового океана

Изучение и освоение отдельных областей Мирового океана началось в глубокой древности. Так например, финикийцы, древние греки и затем римляне хорошо изучили систему Средиземноморья. Пифей (грек из Массили — ныне Марсель) достиг берегов Англии, собрал сведения о существовании острова Туле (Исландия). Аристотель и Страбон поддерживали идею о единстве Мирового океана.

Римский философ Сенека (1 в. н. э.) предложил космогоническую гипотезу, согласно которой из первичного хаоса выделились и разделились вода и суша.

Океан, по его мнению, — источник всех вод суши, т. к. испарения с его поверхности должны служить источником всех текучих вод. Эти воды должны не только механически разрушать поверхность материка, но и выщелачивать породы. Сенека указал на разрушение берегов прибоем, отложение разрушенных материалов на дне и перенос их течениями. Уровень океана он считал постоянным, т. к. испарение, по его мнению, равнялось осадкам и стоку вод в океан. Поэтому он считал постоянной и соленость вод в океане.

Знаменитый ученый древности Птолемей (II в. н. э.) считал океаны отдельными водоемами, окруженными сушей. Эта точка зрения, подкрепленная атласом Птолемея, сохранялась в науке до IX в.

Арабы стали плавать в IX в. с торговыми целями в Индию и Китай. Навигация стала более совершенной благодаря изобретенному в Китае и вывезенному оттуда арабами компасу. С его помощью и карты стали более совершенными. Их называли компасными картами или портуланами.

XI век был отмечен плаваниями норвежцев. Они открыли Гренландию, Лабрадор, Ньюфаундленд и берега северо-восточной Америки. Они ходили сюда в течение еще трех столетий.

В 1486 г. португальская экспедиция Бартоломеу Диаша, идя открытым океаном, обогнула Африку, не видя ее южной оконечности, и высадилась на ее берег уже в Индийском океане. Только на обратном пути экспедиция обнаружила южную оконечность Африки и назвала ее Мысом Бурь. Два тысячелетия понадобилось для того, чтобы предположение о возможности такого плавания, высказанное в IV в. до н. э., оправдалось.

Трудности на пути сухопутной торговли с Индией и Китаем подготовили эпоху, названную эпохой великих географических открытий, когда за промежуток времени всего в 35 лет (с 1487 по 1522 гг.) была открыта почти половина всей поверхности Земли.

3 августа 1492 г. началось первое плавание Христофора Колумба. Всего их было четыре: в 1492–1493, в 1494–1496, в 1498 и 1502–1504 гг. Главным событием этих плаваний стало открытие (повторное, после норвежцев) Америки. Во время первого плавания Колумб обнаружил пассаты, Северное экваториальное течение, пересек Саргассово море.

В 1497–1499 гг. португальская экспедиция Васко да Гама обогнула Африку, дошла до Индии и вернулась обратно. (В это время южная оконечность Африки была переименована в Мыс Доброй Надежды.)

20 сентября 1519 г. вышла в море новая испанская экспедиция под командованием португальца по происхождению Фернана Магеллана. Он надеялся обогнуть Америку с юга. В поисках обхода он наткнулся на длинный и извилистый пролив, который преодолел примерно за месяц. 27 ноября 1520 года корабли вышли в Тихий океан. Так назвал его Магеллан за спокойную погоду, сопутствовавшую ему во время всего 99-дневного перехода к берегам Азии. Экспедиция достигла Марианских островов, затем подошла к Филиппинским островам, где в бою с туземцами погиб начальник экспедиции (27 апреля 1521 г.). В конце 1521 г. испанцы подошли к Молуккским островам. Оттуда единственное оставшееся в строю судно экспедиции под командой Себастьяно де Элькано прошло через Зондский архипелаг, пересекло Индийский океан и обогнуло Африку. В порт Сунлукар-де-Баррамеда (порт города Севильи), из которого экспедиция вышла в плавание, она вернулась 6 сентября 1522 г.

Экспедиция Магеллана, завершившая эпоху Великих географических открытий, экспериментально доказала сферичность Земли, показала, что океан занимает большую часть поверхности планеты.

В 1577 г. англичанин Френсис Дрейк обогнул мыс Горн — Южную оконечность Южной Америки.

В 1648 г. сибирский казак Семен Дежнев открыл восточную оконечность Азии, отделенную, как он показал, проливом от Америки. Это открытие было забыто. Его повторил в 1728 г. датский моряк, служивший в России по приглашению Петра I — Витус Беринг.

Во время плаваний неизбежно развивались исследования природы океана, зарождалась наука о море, формировались основные идеи и направления.

Названия океанов со временем менялись. Варений в XVII в. закрепил названия: Атлантический, Тихий, Гиперборейский (ныне Северный Ледовитый) и Южный. Последнее название относилось к водам, окружающим предполагавшийся уже тогда Южный Материк — Антарктиду, причем сюда же включались водные пространства, ныне именуемые Индийским океаном.

Крупным событием для морской и географической наук стали три плавания Джеймса Кука, организованные Англией. В первом плавании (1768–1771 гг.) Кук, пытаясь найти Южный Материк, открыл восточный берег Австралии. Второе плавание Кука (1772–1775 гг.) имело основной задачей поиски Антарктиды. Кук доходил до 71° южной широты, часто плавал во льдах, обошел Южное полушарие в довольно высоких широтах, но материка обнаружить не удалось.

Последнее плавание Кука (1776–1779 гг.), во время которого он погиб, происходило в Тихом океане. Он обследовал берега Северной Америки от устья реки Колумбии до Берингова пролива, затем берега Азии от оконечности Камчатки.

За период времени от плаваний Кука до 1872 г., когда началось плавание английской экспедиции на судне «Челленджер», явившееся поворотным пунктом в развитии морской науки, было совершено 75 научных плаваний и из них — около 25 кругосветных. 8 кругосветных плаваний было совершено русскими. Первой была экспедиция (1803–1806 гг.) на кораблях «Надежда» и «Нева» под командованием И. Крузенштерна и Ю. Лисянского. В 1819 г. была организована первая русская экспедиция в Антарктику. Она вышла из Кронштадта 4 июля и работала до 1821 года. Экспедиция отправилась в плавание на парусных шлюпах «Восток» и «Мирный» под командованием Ф. Беллинсгаузена и М. Лазарева. 28 ноября 1820 г. корабли настолько близко подошли к материковым льдам, что сомнения в существовании материка отпали. Этот день и считается днем открытия Антарктиды.

Большое влияние на развитие морской науки в начале и середине XIX в. оказали два исследователя — Гумбольдт (1769–1859 гг.) и Мори (1807–1873 гг.). Гумбольдт внес большой вклад во все отрасли географии и в том числе в разработку новых способов исследований. Он, в частности, предложил способ описания тепловых режимов с помощью карт изотерм, метод изолиний, использованный в дальнейшем для описания и других полей океана и атмосферы. Этим методом широко пользуются и в настоящее время. Мори первым указал на огромную роль регулярных наблюдений в изучении явлений в океане и атмосфере для обеспечения безопасности плавания. Он разработал правила метеорологических наблюдений на судах, столь необходимых для развития морской метеорологии. Этому вопросу в 1853 г. посвятила работу Международная морская конференция, созванная по его инициативе. Конференция выработала правила судовых наблюдений, которые были приняты на флотах всего мира.

В 1872 г. Англия снарядила экспедицию на судне «Челленджер», специально оборудованном для морских научно-исследовательских работ. За три с половиной года плавания экипаж «Челленджера» выполнил 362 глубоководные станции, на которых определялись глубина, состав грунта, придонная температура, брались пробы придонной воды, во многих случаях драгой добывались донные животные и растения. Температура воды определялась и на других горизонтах станций, брались пробы воды и исследовались флора и фауна. На всех станциях определялось поверхностное течение, а на некоторых — и глубинное. Велись ежечасные метеорологические наблюдения. Многочисленные результаты наблюдений после обработки, продолжавшейся несколько лет, составили солидный труд объемом в 50 томов. Большое значение работ «Челленджера» для развития морской науки заключается и в том, что во время этой экспедиции было испытано и использовано много новых методов и приборов для исследований океана. Принято считать, что именно эта экспедиция положила начало специальному изучению Мирового океана.

После экспедиции «Челленджера» все морские страны включились в изучение Мирового океана. Число экспедиций, проведенных с тех пор, огромно, но проблема изучения океана еще отнюдь не решена.

В XIX в. в различных странах возникли специальные учреждения, занимающиеся организацией исследований в океане, были проведены первые международные конгрессы по этим исследованиям, началась организация международных учреждений, координирующих исследования Мирового океана.

Так например, в Англии морские исследования начали проводиться по инициативе Королевского общества, в Германии в 1869 г. была создана комиссия по изучению немецких морей. В России морскими исследованиями занималось Морское министерство и подведомственное ему Главное гидрографическое управление, а также Русское географическое общество.

В 1899 г. в Берлине был созван Международный географический конгресс, на котором докладывалось предложение специальной конференции, проводившейся в том же году в Стокгольме, по вопросу организации Международной комиссии по изучению моря. Это предложение было осуществлено в 1902 году. В комиссию вошли Бельгия, Великобритания, Германия, Дания, Нидерланды, Норвегия, Россия, Швеция и США. Для постоянного руководства исследованиями комиссия создала Международный совет по изучению морей.

Морские экспедиции в XX в. открыли экваториальное противотечение; уточнили границы и режимы уже известных течений; изучили течение Западных ветров и Восточное течение в антарктических водах; открыли глубинные течения Кромвелла в Тихом океане и Ломоносова — в Атлантическом, течение Гумбольдта под Перуанским течением и другие. Однако динамический режим слоев на глубинах 1500–2000 м пока еще мало исследован.

Многочисленные эхолотные промеры позволили получить общую достаточно подробную картину рельефа дна Мирового океана. Были обнаружены новые хребты (например, хребет Ломоносова, пересекающий центральные области Северного Ледовитого океана), поднятия, впадины, подводные вулканы, определено новое значение максимальной глубины Мирового океана, обнаруженное в Марианской впадине и равное 11022 м. Началось проникновение человека в глубины океана. Жак Пикар и Дон Уолли осуществили погружение в Марианскую впадину в батискафе «Триест» 23 января 1960 г.

В настоящее время основными источниками данных гидрометеорологических измерений в морях и океанах являются:

1. Корабли погоды и платформы в открытом море. Ценность получаемой ими информации заключается в ее высоком качестве, непрерывности и комплексности измерений. К сожалению, в настоящее время из-за высокой стоимости эксплуатации функционирует лишь 1–2 корабля погоды в северной части Тихого океана и несколько в Северной Атлантике. Основная часть платформ сосредоточена в Северном море и в некоторых прибрежных районах.

2. Специальные морские научно-исследовательские экспедиции получают высококачественную информацию, в основном о тех параметрах, которые определены программой данной экспедиции.

3. Коммерческие суда являются основным источником массовой гидрометеорологической информации, полученной в морях и океанах и используемой при прогнозировании погоды. Существенные недостатки этой информации обусловлены: а) ее невысокой точностью из-за влияния корпуса судна и низкой квалификации персонала; б) неравномерностью распределения судоходных маршрутов по поверхности океана; в) малым числом измеряемых параметров.

4. Специальные спутники позволяют регулярно получать информацию практически со всей поверхности Мирового океана. Следует, однако, учесть, что спутниковые методы и методики исследования океана еще только развиваются, что обуславливает небольшое число измеряемых параметров и невысокую точность их восстановления. Полученные данные относятся в основном к поверхностному слою океана.

Наиболее перспективными источниками гидрометеорологической информации об океанах и морях являются специальные спутники и получающие все большее распространение заякоренные или дрейфующие буи, работающие в автономном режиме и передающие данные на береговые станции или, через спутник, — в центры обработки и хранения информации.

Все данные гидрометеорологических измерений поступают в Мировые центры данных (МЦД), один из которых — МЦД-2, — находится в г. Обнинске, Калужской области.

Перечислим основные международные организации, координирующие изучение Мирового океана:

— ВМО — Всемирная метеорологическая организация;

— МОК — Межправительственная океанографическая комиссия.

Успехи в развитии геофизического моделирования, спутниковой метеорологии и вычислительной техники ускорили начало большого международного предприятия — Программы исследования глобальных атмосферных процессов (ПИГАП). В 1968 г. Объединенный организационный комитет ПИГАП (ООК) определил ее задачи так: ПИГАП — программа, предназначенная для изучения физических процессов в тропосфере и стратосфере, необходимых для понимания:

а) особенностей переходных режимов атмосферы, которые проявляются в крупномасштабных флуктуациях, управляющих изменениями погоды; эти знания привели бы к увеличению точности прогноза погоды на срок от суток до нескольких недель;

б) факторов, определяющих статистические свойства общей циркуляции атмосферы; исследования в этой области будут способствовать лучшему пониманию физической основы климата.

Программа делится на две взаимосвязанные части:

1) разработка уточненных моделей атмосферы;

2) экспериментальные исследования с целью получения данных, необходимых для конструирования теоретических моделей и для их проверки.

Очень скоро, однако, пришло понимание того, что продуктивным является построение модели взаимодействия атмосферы и океана. В связи с этим рабочая группа ВМО на совещании в 1969 г. указала, что «атмосфера и океан образуют единую тепловую машину, в значительной степени формирующую погоду и климат. Поэтому главной целью является построение прогностических глобальных моделей взаимодействия океана с атмосферой».

В России ведущей научной организацией, осуществляющей комплексные исследования океана, является Институт океанологии РАН, расположенный в Москве. Исследованиями океана занимаются также московские Государственный океанографический институт и Институт космических исследований, петербургский Научно-исследовательский институт Арктики и Антарктики и др. Основные работы, посвященные исследованию океана, реферируются в реферативных журналах «Океанология. Гидрология суши. Гляциология» и «Метеорология и климатология», которые издаются Всероссийским институтом научной и технической информации (ВИНИТИ).



1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   26


База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница