Мировой океан в далеком прошлом явился средой, в которой возникла и развилась жизнь на нашей планете. Океан продолжает оставаться важнейшим фактором существования биосферы Земли.
Он является решающим звеном климатической системы планеты, важным продуцентом кислорода, половина которого поступает в атмосферу из океана, уникальным регулятором содержания углекислоты в атмосфере, способным поглощать «излишнюю» углекислоту из атмосферы и захоронять ее на своем дне в карбонатных осадках, и наконец, служит средой обитания для некоторых типов растений и животных, значение которых в пищевой биологической цепи нельзя переоценить.
Важное значение имеет Мировой океан и для развития мировой экономики. Наряду с биологическими ресурсами, мировая добыча которых в океанах достигла 60 млн. т, океан богат и минеральными. Пятая часть мировой добычи нефти извлекается со дна морей и океанов. К 2000 г. эта доля может достигнуть 50%. Будет расширяться и добыча газа из шельфовых зон. Начато освоение тихоокеанских железно-марганцевых конкреций, из которых до конца этого столетия экономически целесообразно будет извлекать никель, кобальт и медь, а в начале следующего века молибден, цинк, свинец, а возможно, и марганец. Используются россыпи ряда ценных минералов на дне прибрежных зон. Широкие возможности получения некоторых веществ открываются при промышленном использовании морской воды, переработка которой уже сейчас дает около 30% потребляемой в мире поваренной соли, пятую часть магния, а также бром, калийные удобрения и некоторые другие вещества. Осуществляются попытки концентрирования микроэлементов (и прежде всего урана) из морской воды с помощью селективных сорбентов — специальных ионообменных смол. Ставится на повестку дня вопрос о получении из Мирового океана пресной воды в виде айсбергов.
Мировой океан содержит большие запасы энергии. Это главным образом энергия перегрева поверхностных вод океана в сравнении с донными, потенциальная энергия приливов в поле тяжести и кинетическая энергия океанических течений и волн. Идеи широкого и эффективного использования этой энергии еще требуют научной доработки и практической апробации.
Рациональное использование богатств Тихого океана в интересах развития стран этого крупнейшего региона Земли может быть осуществлено на основе глубоких и всесторонних знаний об океане.
Прежде всего это касается изучения физических свойств толщи океана и процессов, протекающих в ней. Решением этих задач занимается физическая океанология.
Одной из главных проблем физической океанологии является изучение общих закономерностей циркуляции океанских вод. В первую очередь это крупномасштабные течения, которые перераспределяют энергию и вещества в океане и определяют структуру его водной толщи.
Изучение крупномасштабной циркуляции океанских вод показало, что в верхнем слое океана (примерно до глубины 1500 м) относительным постоянством обладают крупные планетарные круговороты: циклонические в полярных и субполярных широтах, антициклонические в субтропических и экваториальный — между ними.
Помимо крупномасштабной циркуляции, в океане были обнаружены вихреобразные возмущения течений, напоминающие атмосферные циклоны и антициклоны. Впервые вихри были открыты учеными Института океанологии им. П. П. Ширшова АН СССР в открытом океане в зоне квазистационарного Северного пассатного течения в 1970 г.
Эти возмущения получили название синоптических вихрей. Исследования показали, что вихри в поперечнике могут достигать 250—300 км и прослеживаются до глубины 1000—1500 м, а иногда и глубже; они существуют месяцами, обладают высокой энергией и перемещаются со средней скоростью 5—10 см/с при средней орбитальной скорости 20—25 см/с на глубинах 250—300 м. Исследования синоптических вихрей, проводимые в последние годы нашими и зарубежными учеными, показали, что вихревые движения в океане имеют чрезвычайно широкое распространение и очень различны как по происхождению, так и по масштабам.
В частности, оказалось, что давно известные и нанесенные на карты морские течения — это не реки постоянно и равномерно текущие в одном направлении, а система вихрей. Вихри перемещаются в пространстве и времени, а течения — это осредненные за много месяцев характеристики вихрей. Отсюда следует очень важный для практиков вывод: для судоходства, океанического промысла рыб и других морских организмов, а также для добычи полезных ископаемых со дна океана нельзя ориентироваться на средние течения из океанографических атласов, а необходимо знать фактические течения в данный момент и прогноз их изменения на будущее.
В настоящее время для этих расчетов предложен ряд физико-математических моделей, а применение океанологических приборов, установленных на искусственных спутниках Земли, позволит приблизиться к решению этой проблемы. Так, исследования Мирового океана, проведенные со спутников в инфракрасном спектре излучений, помогли рассмотреть динамику образования вихрей в зоне течения Куросио, так как зафиксировали тепловой контраст на границе вихря в поверхностном слое океана. Среди синоптических вихрей учеными выделены два типа: вихри открытого океана, о которых шла речь выше, и фронтальные океанские вихри, образующиеся из меандров за счет неустойчивости фронтальных океанских течений струйного характера. В Тихом океане такими течениями являются Ойясио, Северо-Тихоокеанское, Восточно-Австралийское и др. Эти течения меандрируют, и меандры время от времени отделяются от течения и трансформируются во фронтальные вихри или ринги. При этом меандры, отделяющиеся от течения вправо, преобразуются в циклонические вихри, а те, которые отклоняются влево, — в антициклонические вихри. Циклонические вихри характеризуются сгоном поверхностных вод и подъемом из глубин холодных вод.
Это явление имеет большое биологическое значение, так как глубинные воды выносят на поверхность питательные соли, приводящие к бурному развитию жизни.
В зоне антициклонических вихрей происходит нагон поверхностных вод и их опускание на глубину. Фронтальные вихри на поверхности и в глубине океана определяются по контрастам температуры и солености вод внутренней части вихря и на их периферии. При этом перепады температуры иногда превышают 10°. Значительны и наклоны изотермических поверхностей в поле фронтальных вихрей. Скорости вращения воды в верхних слоях вихрей могут достигать несколько метров в секунду. Вихри обладают большой кинетической энергией.
Систематическое изучение гидрофизических характеристик во всей толще океанских вод позволили открыть глубинные противотечения, представляющие важнейшие звенья общей циркуляции вод океана. Эти течения — одна из проблем физической океанологии, требующая больших, широкомасштабных исследований, осуществление которых возможно только на основе международного сотрудничества.
Применение в гидрофизике малоинерционных зондирующих приборов привело к открытию микротурбулентности в океане и тонкой структуры неоднородностей полей гидрофизических характеристик. Оказалось, что океанская толща, как своеобразный слоеный пирог, состоит из однородных слоев различной толщины (от нескольких сантиметров до десятков метров), разделенных значительно более тонкими прослойками с резкими изменениями термодинамических характеристик. Такая слоистость распространяется на все глубины, но амплитуда колебаний температуры и солености с глубиной уменьшается.
Исследование тонкой структуры океана привело ученых к еще одному открытию — были открыты внутренние волны. Правильнее здесь сказать, что внутренние волны получили объяснение, так как открыты они были еще на рубеже XIX и XX вв. экспедицией Фритьёфа Нансена на «Фраме». Объяснение же закономерностей происхождения и развития внутренних волн стало возможно только после открытия тонкой стратификации океана. Внутренние волны возникают на границах раздела слоев с разной плотностью в ответ на возмущения поверхности океана под действием ветра или каких-либо Других сил. Амплитуда внутренних волн достигает нескольких десятков метров, а длина их колеблется от 10 м до 10 и более км. Скорость распространения этих волн гораздо меньше, чем поверхностных. Выход внутренних волн на поверхность океана не сопровождается изменением уровня, а проявляется только в виде неравномерных полос мелкой ряби.
Всем памятна внезапная гибель американской атомной подводной лодки «Трешер» в 1963 г. Предполагают, что это произошло из-за потери управления под действием внутренних волн. Из этого следует, что изучение внутренних волн имеет большое практическое значение, так как с каждым годом расширяется освоение океанских глубин и дна, добыча полезных ископаемых, использование энергии океана (приливные, волновые, тепловые электростанции), организация морских ферм для искусственного выращивания морепродуктов (марикультура).
Важную роль в динамике океана играют турбулентные процессы. Турбулентность в океане выражается нерегулярными (хаотическими) колебаниями температурных и гидродинамических характеристик водных масс. Усилия ученых были направлены в первую очередь на исследования условий возникновения турбулентности в стратифицированном океане.
Практическое значение турбулентности состоит в том, что путем турбулентной диффузии происходит разнос и перераспределение веществ, попадающих разными путями в океан. Исследования закономерностей турбулентности позволили, в частности, разработать рациональные способы сброса в прибрежные зоны океана сточных вод, а также показали, что ни один из районов Мирового океана не может служить местом захоронения радиоактивных и других вредных для жизни отходов.
Характер и закономерности вертикальных движений вод океана пока еще исследованы недостаточно, более того, только еще создается техника для прямых измерений этих движений.
Особое место среди вертикальных движений в океане принадлежит явлению апвеллинга — подъема к поверхности более холодных глубинных вод, происходящего в результате сгона поверхностных вод под действием ветра или других причин. Апвеллинг имеет огромное биологическое значение, так как глубинные воды обогащены питательными солями, и, попадая в зону фотосинтеза, способствуют бурному развитию жизни. Вследствие этого районы апвеллинга являются высокопродуктивными.
Широкие исследования осуществляются учеными по изучению закономерностей взаимодействия океана и атмосферы. Глобальные проявления этого взаимодействия выражаются в долгопериодных колебаниях погоды и в формировании климата.
Высокая теплоемкость океанских вод в сравнении с атмосферой способствует аккумулированию тепла и переноса его на большие расстояния. Тепло из океана в атмосферу передается главным образом при испарении, в котором участвует примерно метровый слой воды над всей акваторией океанов. Величина этой теплоотдачи оценивается в 50 ккал см2/г. Это составляет примерно 1/3 поглощаемого Землей солнечного тепла. Указанная величина в 15 раз больше количества тепла, трансформирующегося в кинетическую энергию атмосферы. Поток солнечной радиации, прогревающий океан при заданных астрономических условиях, регулируется главным образом облачностью, которая влияет на теплообмен между океаном и атмосферой. Поэтому облачности принадлежит ключевая роль в обратной связи взаимодействия атмосферы и океана.
Выделение влаги из океана в атмосферу, перенос ее атмосферными потоками и конденсация в более холодных слоях атмосферы снижают амплитуды температурных вариаций на Земле, т. е. оказывают глобальное влияние на формирование климата планеты. Океанские течения осуществляют также меридиональный перенос тепла из низких широт в более высокие. От степени этого переноса зависят глобальные изменения климата планеты в различные эпохи. Кроме того, океан выравнивает колебания температуры в годовом ходе. По мере исследования малоизученных процессов, таких, как вихревая активность в океане, эволюция вихревых движений, взаимодействие течений различных масштабов, степень их влияния на атмосферные процессы, ученые приближаются к формулированию общей теории климата планеты.
Интенсивные исследования физических процессов в океане, выполняемые в последние годы, позволили выявить ряд важных закономерностей, определяющих распределение океанологических характеристик, горизонтальную и вертикальную циркуляцию вод, тепловой бюджет океана, турбулентный обмен между поверхностью океана и атмосферой, а также разнообразие пространственных и временных масштабов явлений и процессов в океане. Это позволило создать физико-математические модели, адекватно отражающие реально происходящие процессы, и сделать крупный шаг вперед в прогнозировании многих явлений, таких, как опасные для некоторых прибрежных районов Тихого океана волны цунами.
Проблема волн цунами наиболее актуальна для Тихоокеанского региона, так как в Тихом океане происходит более 80% всех зарегистрированных в мире цунами, в том числе подавляющее большинство наиболее мощных. Учеными установлено, что возникновение цунами как гравитационных волн большой длины на поверхности океана связано с кратковременными тектоническими подвижками дна (землетрясения, вулканические извержения, оползни, обвалы) или быстрыми изменениями атмосферного давления над океаном. Скорость распространения волн цунами измеряется сотнями километров в час. При подходе к берегу длина волны цунами уменьшается, а высота — увеличивается. Обрушиваясь на побережье с огромной силой, цунами вызывает катастрофические разрушения и наводнения. В последнее время широко исследовались закономерности возникновения и развития цунами, создан ряд математических моделей распространения цунами в океане и их воздействия на береговую зону. Разработаны также методы прогнозирования возникновения цунами и создана сеть оповещения населения о приближении этой грозной волны, что имеет особое значение для побережья Тихого океана.
Важную роль в динамике океанских вод играют приливы, которые в отдельных районах Тихого океана достигают значительных величин. Такими районами являются: Чилийский архипелаг, Калифорнийский залив, побережье Канады, Корейского п-ва и Китая. Самый большой прилив — 13 м в Пенжинской губе Охотского моря. Дальнейшее изучение и численное моделирование приливов важно для эффективного использования приливной энергии океана. Имеется несколько проектов строительства приливных электростанций, а в Атлантическом океане уже действуют две подобных электростанции.
Одной из очень важных проблем в Тихом океане является проблема изучения явления, получившего название Эль-Ниньо (что в переводе с испанского значит «святой младенец», так как оно возникает, как правило, в рождество). Сущность явления состоит в том, что в зону холодных вод Перуанского апвеллинга проникают теплые воды Межпассатного противотечения. Причинами возникновения Эль-Ниньо являются изменения направления ветров и морского режима в широких масштабах. Вместо постоянных в этом районе юго-восточных ветров начинают дуть западные ветры, и явление апвеллинга почти прекращается. Повышается температура воды, и прекращается поступление питательных солей. Это приводит к гибели анчоусов — основного промыслового объекта района. Гибель анчоусов вызывает гибель питающихся ими птиц, головоногих, черепах и ряда мелких морских млекопитающих. Кроме того, западные ветры приносят влагу с Тихого океана, и проливные дожди в этом пустынном районе, где никогда не бывает дождя, вызывают катастрофические наводнения. Явление Эль-Ниньо случается через разные промежутки времени. Предсказание его имеет очень большое значение для региона, но поскольку причины, вызывающие Эль-Ниньо, имеют глобальный характер, необходима организация широкомасштабных международных исследований. Американским ученым К. Виртке предложена модель развития Эль-Ниньо, основанная на обнаруженной им связи изменения уровня океана (понижение в восточной части и повышение в западной части Тихого океана), происходящего за несколько месяцев до появления Эль-Ниньо. Выявить причины, вызывающие изменения уровня и смену юго-восточного пассата на западный ветер, можно только с помощью обширных исследований на всей акватории Тихого океана, что требует широкой международной кооперации.
Результатом всех исследований океана явилось создание фундаментального научного труда — двухтомника «Физика океана» из многотомной серии «Океанология», созданного учеными Института океанологии им. П. П. Ширшова АН СССР и переданного на XIV Конгрессе в дар Тихоокеанской научной ассоциации.
Авторы: А. С. Монин, лауреат Государственной премии СССР, член-корреспондент АН СССР; Л. А. Цымбал, кандидат экономических наук