Подводная среда — это среда, состоящая из жидкой воды и погруженная в нее в естественном или искусственном объекте (называемом водоемом ), таком как океан , море , озеро , пруд , водохранилище , река , канал или водоносный горизонт . Некоторые характеристики подводной среды универсальны, но многие зависят от местной ситуации.
Жидкая вода присутствовала на Земле на протяжении большей части истории планеты . Подводная среда считается местом зарождения жизни на Земле и остается экологическим регионом, наиболее важным для поддержания жизни и естественной среды обитания большинства живых организмов. Несколько отраслей науки посвящены изучению этой среды или отдельных ее частей или аспектов.
Ряд человеческой деятельности осуществляется в наиболее доступных частях подводной среды. К ним относятся исследования, подводное плавание для работы или отдыха, а также подводная война с подводными лодками. Он во многом враждебен человеку и зачастую недоступен, а потому сравнительно мало изучен.
Три четверти планеты Земля покрыто водой. Большая часть твердой поверхности планеты представляет собой абиссальную равнину на глубине от 4000 до 5500 метров (от 13 100 до 18 000 футов) под поверхностью океанов. Твердая поверхность планеты, ближайшая к центру геоида, — это Бездна Челленджера , расположенная в Марианской впадине на глубине 10 924 метра (35 840 футов). Меньшая часть поверхности покрыта водоемами с пресной водой и большой объем подземных вод в водоносных горизонтах. Подводная среда во многом враждебна человеку и поэтому мало исследована. Его можно нанести на карту с помощью гидролокатора или исследовать напрямую с помощью пилотируемых, дистанционно управляемых или автономных подводных аппаратов . Дно океана было исследовано с помощью гидролокатора, по крайней мере, с грубым разрешением; Особо стратегические районы были подробно нанесены на карту, чтобы помочь в навигации и обнаружении подводных лодок, хотя полученные карты могут быть засекречены. [ нужна цитата ]
Океан – это водный массив , составляющий большую часть гидросферы планеты . [1] На Земле океан является одним из основных условных разделов Мирового океана . Это в порядке убывания площади: Тихий , Атлантический , Индийский , Южный (Антарктический) и Северный Ледовитый океаны. [2] [3] Слово «океан» часто используется как синоним слова «море» в американском английском . Строго говоря, море — это водный объект (как правило, часть мирового океана), частично или полностью окруженный сушей [4] , хотя « море » относится также и к океанам.
Соленая вода занимает площадь около 361 000 000 км 2 (139 000 000 квадратных миль) и обычно делится на несколько основных океанов и более мелких морей, при этом океан покрывает примерно 71% поверхности Земли и 90% земной биосферы . [5] Океан содержит 97% воды Земли, и океанографы заявили, что исследовано менее 5% Мирового океана. [5] Общий объем составляет примерно 1,35 миллиарда кубических километров (320 миллионов кубических миль) при средней глубине почти 3700 метров (12 100 футов). [6] [7] [8]
Озеро — это территория, заполненная водой, локализованная в котловине , окруженная сушей, за исключением какой-либо реки или другого водотока, служащего для питания или осушения озера. [9] Озера расположены на суше и не являются частью океана , поэтому отличаются от лагун , а также больше и глубже прудов , хотя официальных или научных определений нет. [10] Озера можно противопоставить рекам или ручьям , которые обычно текут. Большинство озер питаются и дренируются реками и ручьями. Природные озера обычно встречаются в горных районах, рифтовых зонах и районах с продолжающимся оледенением . Другие озера встречаются в бессточных котловинах или по течению зрелых рек. В некоторых частях мира существует множество озер из-за хаотичного режима дренажа, оставшегося со времен последнего ледникового периода . Все озера являются временными в геологических масштабах времени, поскольку они медленно заполняются отложениями или выливаются из содержащего их бассейна. Многие озера являются искусственными и построены для промышленного или сельскохозяйственного использования, для выработки гидроэлектроэнергии или бытового водоснабжения, а также для эстетических, рекреационных целей или других видов деятельности.
Пруд — это участок, заполненный водой, естественной или искусственной, размером меньше озера . [11] Он может возникнуть естественным путем в поймах рек как часть речной системы или представлять собой несколько изолированную впадину (например, котел , весенний пруд или выбоину в прерии ). Здесь может быть мелководье с болотными и водными растениями и животными. [12] Пруды часто создаются человеком или расширяются за пределы первоначальной глубины и границ. Среди множества применений пруды служат источником воды для сельского хозяйства и животноводства, помогают в восстановлении среды обитания, служат рыбопитомниками, являются компонентами ландшафтной архитектуры, могут хранить тепловую энергию в качестве солнечных прудов и очищать сточные воды в качестве очистных прудов . Пруды могут быть с пресной, соленой или солоноватой водой .
Река — естественный водоток , обычно пресноводный , текущий под действием силы тяжести в океан , озеро , другую реку или в землю. Маленькие реки можно называть, используя такие названия, как ручей , ручей, ручей, речушка и ручей . Официальных определений общего термина «река» применительно к географическим объектам не существует . [13] Реки являются частью гидрологического цикла ; вода обычно собирается в реке из осадков в водосборном бассейне из поверхностного стока и других источников, таких как пополнение подземных вод , родники и выпуск воды, накопленной в естественном льду и снеге. Потамология — это научное изучение рек, а лимнология — изучение внутренних вод в целом.
Водоносный горизонт — подземный слой водоносной проницаемой породы , трещин горных пород или рыхлых материалов ( гравия , песка или ила ). Изучение потока воды в водоносных горизонтах и характеристика водоносных горизонтов называется гидрогеологией . Если над водоносным горизонтом находится непроницаемый слой, давление может привести к тому, что он станет замкнутым водоносным горизонтом.
Водоносные горизонты можно классифицировать как пористые или карстовые , где пористый водоносный горизонт содержит воду в промежутках между зернами рыхлых отложений или породы (обычно песок или песчаник ), тогда как карстовый водоносный горизонт содержит воду в основном в относительно больших пустотах в относительно непроницаемой породе. , такие как известняк или доломит . [14]
Заполненные водой пещеры можно разделить на действующие и реликтовые: через активные пещеры течет вода; в реликтовых пещерах этого нет, хотя в них может сохраняться вода. Типы активных пещер включают пещеры притока («в которые опускается ручей»), пещеры оттока («из которых выходит ручей») и сквозные пещеры («через которые проходит ручей»). [15]
Водоем – это, как правило, увеличенное естественное или искусственное озеро, пруд или водохранилище, созданное с помощью плотины или шлюза для хранения воды. Резервуары можно создавать разными способами, включая контроль водотока, который истощает существующий водоем, прерывание водотока для образования залива внутри него, путем земляных работ или строительства подпорных стенок или дамб . Каналы — это искусственные водные пути, которые могут иметь плотины и шлюзы, образующие резервуары с низкоскоростным течением.
Вода — прозрачное химическое вещество без вкуса , запаха и почти бесцветное . Его химическая формула — H 2 O, что означает, что каждая его молекула содержит один атом кислорода и два атома водорода , соединенных ковалентными связями . Вода — это название жидкого состояния H 2 O при стандартной температуре и давлении окружающей среды . Вода на поверхности Земли постоянно движется через водный цикл испарения , транспирации ( эвапотранспирации ), конденсации , осадков и стока , обычно достигая моря. Вода редко существует в чистом виде, она почти всегда содержит растворенные вещества и обычно другие вещества во взвешенном состоянии.
.svg/1280px-Density_of_ice_and_water_(en).svg.png)
Плотность воды составляет около 1 грамма на кубический сантиметр (62 фунта/куб футов). Плотность меняется в зависимости от температуры, но не линейно: по мере повышения температуры плотность возрастает до пика при 3,98 °C (39,16 °F), а затем снижается; это необычно. [16] Обычный шестиугольный лед также менее плотен, чем жидкая вода: при замерзании плотность воды уменьшается примерно на 9%. [17] Эти эффекты обусловлены уменьшением теплового движения при охлаждении, что позволяет молекулам воды образовывать больше водородных связей, которые предотвращают сближение молекул друг с другом. [16] В то время как при температуре ниже 4 °C разрыв водородных связей из-за нагревания позволяет молекулам воды уплотняться, несмотря на увеличение теплового движения (которое имеет тенденцию к расширению жидкости), при температуре выше 4 °C вода расширяется по мере повышения температуры. [16] Вода вблизи точки кипения примерно на 4% менее плотная, чем вода при температуре 4 °C (39 °F). [17] [а]
Необычная кривая плотности и более низкая плотность льда, чем плотность воды, жизненно важны для жизни: если бы вода была наиболее плотной при температуре замерзания, то зимой очень холодная вода на поверхности озер и других водоемов опустилась бы, и озеро могло бы замерзнуть. снизу вверх, и все живое в них погибло бы. [17] Кроме того, учитывая, что вода является хорошим теплоизолятором (благодаря своей теплоемкости), некоторые замерзшие озера летом могут не таять полностью. [17] Слой льда, плавающий сверху, изолирует воду внизу. [18] Вода температурой около 4 °C (39 °F) также опускается на дно, таким образом сохраняя температуру воды на дне постоянной (см. диаграмму). [17]
Плотность морской воды зависит от содержания растворенных солей, а также от температуры. В океанах до сих пор плавает лед, иначе они бы замерзли снизу вверх. Содержание соли снижает температуру замерзания примерно на 1,9 °C и снижает температуру максимума плотности воды до точки замерзания пресной воды при 0 °C. [19] Вот почему в океанской воде конвекция более холодной воды вниз не блокируется расширением воды, поскольку она становится холоднее вблизи точки замерзания. Холодная вода океанов, близкая к точке замерзания, продолжает тонуть. Таким образом, существа, обитающие на дне холодных океанов, таких как Северный Ледовитый океан, обычно живут в воде на 4 °C холоднее, чем на дне замерзших пресноводных озер и рек.
Когда поверхность морской воды начинает замерзать (при -1,9 ° C при солености 3,5%), образующийся лед практически не содержит солей и имеет примерно такую же плотность, что и пресноводный лед. [19] Этот лед плавает на поверхности, а «замерзшая» соль увеличивает соленость и плотность морской воды непосредственно под ним, в процессе, известном как отторжение рассола . Эта более плотная соленая вода опускается за счет конвекции. В результате образуется пресноводный лед с температурой -1,9 ° C на поверхности. [19] В больших масштабах процесс отвода рассола и опускания холодной соленой воды приводит к формированию океанских течений, транспортирующих такую воду от полюсов, что приводит к возникновению глобальной системы течений, называемой термохалинной циркуляцией .
Плотность воды вызывает давление окружающей среды, которое резко возрастает с глубиной . Атмосферное давление на поверхности составляет 14,7 фунтов на квадратный дюйм или около 100 кПа. Сопоставимое гидростатическое давление возникает на глубине всего 10 метров (33 фута) (9,8 метра (32 фута) для морской воды). Таким образом, примерно на глубине 10 м ниже поверхности вода оказывает вдвое большее давление (2 атмосферы или 200 кПа), чем воздух на уровне поверхности.
На любой объект, погруженный в воду, действует выталкивающая сила, которая противодействует силе гравитации , что делает объект менее тяжелым. Если общая плотность объекта превышает плотность воды, объект тонет. Если общая плотность меньше плотности воды, предмет поднимается до тех пор, пока не всплывет на поверхность.
С увеличением глубины под водой солнечный свет поглощается, и количество видимого света уменьшается. Поскольку поглощение больше для длинных волн (красный конец видимого спектра ), чем для коротких волн (синий конец видимого спектра), цветовой спектр быстро меняется с увеличением глубины. Белые объекты на поверхности под водой кажутся голубоватыми, а красные — темными, даже черными. Хотя проникновение света будет меньше, если вода мутная , в очень чистой воде открытого океана менее 25% поверхностного света достигает глубины 10 м (33 фута). На высоте 100 м (330 футов) солнечный свет обычно составляет около 0,5% от света на поверхности. [ нужна цитата ]
Эвфотическая глубина — это глубина, на которой интенсивность света падает до 1% от значения на поверхности. Эта глубина зависит от прозрачности воды: в мутном устье она составляет всего несколько метров под водой, но в открытом океане может достигать 200 метров. На эвфотической глубине растения (такие как фитопланктон ) не получают чистого прироста энергии от фотосинтеза и, следовательно, не могут расти.
Существует три слоя температуры океана: поверхностный слой , термоклин и глубокий океан . Средняя температура поверхностного слоя составляет около 17 °C. Около 90% воды океана находится ниже термоклина в глубоком океане, где температура большей части воды ниже 4 °C. [20]
Существуют аномалии температуры на активных вулканических объектах и гидротермальных жерлах , где температура глубокой воды может значительно превышать 100 °C.
Вода проводит тепло примерно в 25 раз эффективнее, чем воздух. Гипотермия , потенциально смертельное состояние, возникает, когда внутренняя температура человеческого тела падает ниже 35 °C. Изоляция тепла тела от воды является основной целью гидрокостюмов и защитных костюмов при температуре воды ниже 25 °C.
Звук в воде передается примерно в 4,3 раза быстрее (1484 м/с в пресной воде), чем в воздухе (343 м/с). Человеческий мозг может определять направление звука в воздухе, обнаруживая небольшие различия во времени, которое требуется звуковым волнам в воздухе, чтобы достичь каждого из двух ушей. По этим причинам дайверам сложно определить направление звука под водой. Некоторые животные приспособились к этой разнице, и многие используют звук для навигации под водой.
Водная экосистема – это экосистема водоема . В водных экосистемах обитают сообщества организмов , зависящих друг от друга и от окружающей среды. Двумя основными типами водных экосистем являются морские экосистемы и пресноводные экосистемы . [21]
Морские экосистемы являются крупнейшими из водных экосистем Земли и отличаются водами с высоким содержанием солей. Морские воды покрывают более 70% поверхности Земли и составляют более 97% запасов воды Земли [22] [23] и 90% обитаемого пространства на Земле. [24] Морские экосистемы включают прибрежные системы, такие как солончаки , илистые отмели , луга с морской травой , мангровые заросли , скалистые приливные системы и коралловые рифы . Они также простираются от побережья и включают морские системы, такие как поверхностный океан , пелагические океанские воды, глубокое море , океанические гидротермальные жерла и морское дно . Морские экосистемы характеризуются биологическим сообществом организмов , с которыми они связаны, и их физической средой . Поскольку мировой океан является основным компонентом гидросферы Земли, он является неотъемлемой частью жизни , является частью углеродного цикла и влияет на климат и погодные условия. Мировой океан является средой обитания 230 000 известных видов , но поскольку большая часть его не исследована, число видов, существующих в океане, намного больше, возможно, более двух миллионов. [25]
Пресноводные экосистемы включают озера и пруды , реки , ручьи , источники , водоносные горизонты , болота и водно-болотные угодья . В них меньше соли , чем в морских экосистемах. Пресноводные среды обитания можно классифицировать по различным факторам, включая температуру, проникновение света, питательные вещества и растительность. Пресноводные экосистемы можно разделить на сточные экосистемы (стоячая вода) и лотические экосистемы (проточная вода). [26]
Водные экосистемы характеризуются ограничением окружающего освещения из-за поглощения самой водой, а также растворенными и взвешенными веществами в толще воды, а также поддержкой, обеспечиваемой плавучестью. Питательные вещества, используемые растениями, растворены в воде, что делает их легко доступными. Однако взаимодействие поглощения света водой, веществом и самими живыми организмами приводит к совершенно разным условиям света и светового спектра в зависимости от соответствующей экосистемы и глубины ее воды. Это влияет на фотосинтез и экологию растений и фитопланктона . [27] За пределами эвфотической зоны фотосинтез невозможен, и жизнь должна использовать другие источники энергии, кроме солнечного света.
Хотя ряд видов человеческой деятельности осуществляется под водой, например исследования, подводное плавание для работы или отдыха , а также подводные войны с подводными лодками , подводная среда во многих отношениях враждебна для людей и поэтому мало исследована.
Непосредственным препятствием для деятельности человека под водой является то, что легкие человека не могут естественным образом функционировать в этой среде. В отличие от жабр рыб , легкие человека приспособлены к обмену газов при атмосферном давлении . Любое проникновение в подводную среду на срок более нескольких минут требует искусственных средств поддержания жизни.
Для твердых и жидких тканей, таких как кости, мышцы и кровь, высокое давление окружающей среды не является большой проблемой; но это проблема для любых газонаполненных пространств, таких как рот , уши , околоносовые пазухи и легкие. Это связано с тем, что газ в этих пространствах гораздо более сжимаем, чем твердые тела и жидкости, и под давлением уменьшается в объеме гораздо сильнее и поэтому не обеспечивает этим пространствам поддержки против более высокого внешнего давления. Даже на глубине 8 футов (2,4 м) под водой неспособность уравнять давление воздуха в среднем ухе с давлением внешней воды может вызвать боль, а барабанная перепонка (барабанная перепонка) может разорваться на глубине менее 10 футов (3 м). Опасность повреждения давлением наибольшая на мелководье, поскольку коэффициент изменения давления наибольший вблизи поверхности воды. Повышенное давление также со временем влияет на растворение дыхательных газов в тканях и может привести к ряду побочных эффектов, таких как наркоз инертных газов и кислородное отравление . Декомпрессию необходимо контролировать, чтобы избежать образования пузырьков в тканях и последующих симптомов декомпрессионной болезни .
За редким исключением, подводная среда имеет свойство охлаждать незащищенное человеческое тело. Эта потеря тепла обычно в конечном итоге приводит к переохлаждению.
Существует несколько классов опасностей для человека, присущих подводной среде.
При погружениях под давлением дайвер непосредственно подвергается воздействию давления окружающей воды. Дайвер под атмосферным давлением может погружаться с задержкой дыхания или использовать дыхательный аппарат для подводного плавания с аквалангом или погружения с поверхности , а техника погружения с насыщением снижает риск декомпрессионной болезни (DCS) после длительных глубоких погружений. Погружение в воду, воздействие холодной воды и высокого давления оказывают на дайвера физиологическое воздействие, которое ограничивает глубину и продолжительность погружений под давлением окружающей среды. Выносливость к задержке дыхания является серьезным ограничением, а дыхание при высоком атмосферном давлении добавляет дополнительные осложнения, как прямо, так и косвенно. Были разработаны технологические решения, которые могут значительно увеличить глубину и продолжительность погружений человека под давлением окружающей среды и позволить выполнять полезную работу под водой. [28]
Дайвер может быть изолирован от окружающего давления с помощью атмосферного водолазного костюма (ADS), который представляет собой небольшой шарнирно-сочлененный антропоморфный подводный аппарат для одного человека , напоминающий доспехи , со сложными соединениями, устойчивыми к давлению, обеспечивающими шарнирное соединение при поддержании внутреннего давления одна атмосфера. ADS можно использовать для относительно глубоких погружений на глубину до 2300 футов (700 м) в течение многих часов и устраняет большинство серьезных физиологических опасностей, связанных с глубокими погружениями; пассажиру не требуется декомпрессия, нет необходимости в специальных газовых смесях, нет опасности декомпрессионной болезни или азотного наркоза , а дайвер эффективно изолирован от большинства водных организмов. [29] Дайверам даже не нужно быть опытными пловцами, но подвижность и ловкость значительно ухудшаются.
Подводный аппарат – это небольшое судно, предназначенное для работы под водой. Термин «погружаемый» часто используется для отличия от других подводных судов, известных как подводные лодки , поскольку подводная лодка представляет собой полностью автономное судно, способное возобновлять свою собственную энергию и дышать воздухом, тогда как подводный аппарат обычно поддерживается надводным судном, платформой, берегом. команда, а иногда и более крупная подводная лодка. Существует множество типов подводных аппаратов, включая как пилотируемые, так и беспилотные аппараты, также известные как аппараты с дистанционным управлением или ROV. [30]
Дистанционно управляемые подводные аппараты и автономные подводные аппараты являются частью более крупной группы подводных систем, известных как необитаемые подводные аппараты . ROV являются незанятыми, обычно очень маневренными и управляются экипажем либо на борту судна/плавучей платформы, либо на близлежащей суше. Они связаны с кораблем-хозяином с помощью троса с нейтральной плавучестью или используется несущий груз шлангокабель вместе с системой управления тросом (TMS). Пупочный кабель содержит группу электрических проводников и оптоволоконных кабелей, по которым передается электроэнергия, видео и сигналы данных между оператором и TMS. При использовании TMS затем передает сигналы и питание для ROV по привязному кабелю. Попав в ТНУ, электроэнергия распределяется между компонентами ТНУ. В приложениях с высокой мощностью большая часть электроэнергии приводит в движение мощный электродвигатель, который приводит в действие гидравлический насос для привода и питания оборудования. Большинство ROV оснащены как минимум видеокамерой и освещением. Дополнительное оборудование обычно добавляется для расширения возможностей автомобиля. Автономные подводные аппараты (АНПА) — это роботы , которые перемещаются под водой без участия оператора. Подводные планеры являются подклассом АНПА. [31]
{{cite web}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )