Океанография (от древнегреческого ὠκεανός ( ōkeanós ) « океан » и γραφή ( graphḗ ) « письмо »), также известная как океанология , морская наука , наука об океане и морская наука , — это научное исследование океанов. Это наука о Земле , которая охватывает широкий круг тем, включая динамику экосистем ; океанские течения , волны и геофизическая гидродинамика ; тектоника плит и геология морского дна ; и потоки различных химических веществ и физических свойств внутри океана и через его границы. Эти разнообразные темы отражают множество дисциплин, которые океанографы используют для получения дополнительных знаний о мировом океане , включая астрономию , биологию , химию , географию , геологию , гидрологию , метеорологию и физику . Палеоокеанография изучает историю океанов в геологическом прошлом. Океанограф — это человек, который изучает многие вопросы, связанные с океанами, включая морскую геологию , физику , химию и биологию .
Впервые люди приобрели знания о волнах и течениях морей и океанов еще в доисторические времена. Наблюдения за приливами и отливами записывали Аристотель и Страбон в 384–322 гг. до н.э. [1] Ранние исследования океанов проводились в основном для картографии и в основном ограничивались их поверхностью и животными, которых рыбаки вылавливали в сетях, хотя проводились измерения глубины с помощью свинцового троса.
Португальская кампания по атлантическому плаванию является самым ранним примером систематического крупного научного проекта, продолжавшегося на протяжении многих десятилетий, по изучению течений и ветров Атлантики.
В контексте навигации вспоминают работу Педро Нуньеса (1502–1578) по определению локсодромной кривой: кратчайшего пути между двумя точками на поверхности сферы, представленной на двумерной карте. [2] [3] Когда он опубликовал свой «Трактат о сфере» (1537 г.), в основном комментированный перевод более ранних работ других, он включил трактат о геометрических и астрономических методах навигации. Там он ясно заявляет, что португальское мореплавание не было авантюрным предприятием:
"nam se fezeram indo acertar: mas partiam os nossos mareantes muy ensinados e prouidos de estromentos e regras de astrologia e geometria que sam as cousas que os космографы ham dadar apercebidas (...) e leuaua cartas muy privémente rumadas e na ja as de que os antigos vsauam» (были сделаны не случайно: но наши мореплаватели отправились хорошо обученными и снабженными инструментами и правилами астрологии (астрономии) и геометрии, которые должны были предоставить космографы (...) и они взяли карты с точными маршруты, а не те, которыми пользовались древние). [4]
Его авторитет основан на том, что он лично участвовал в обучении пилотов и старших моряков с 1527 года по королевскому назначению, а также на его признанной компетентности как математика и астронома. [2] Основная проблема при возвращении с юга Канарских островов (или юга Буждура ) только под парусом, связана с изменением режима ветров и течений: североатлантического круговорота и экваториального противотечения [5] ] будет толкать на юг вдоль северо-западной выпуклости Африки, в то время как неустойчивые ветры там, где северо-восточные пассаты встречаются с юго-восточными пассатами (упадок) [6] оставят парусник на произвол судьбы течениям. В совокупности преобладающее течение и ветер делают продвижение на север очень трудным или невозможным. Именно для решения этой проблемы и расчистки прохода в Индию вокруг Африки как жизнеспособного морского торгового пути португальцы разработали систематический план исследований. Обратный маршрут из регионов к югу от Канарских островов стал « вольта-ду-ларго» или «вольта-ду-мар ». «Повторное открытие» Азорских островов в 1427 году является всего лишь отражением возросшего стратегического значения островов, которые сейчас находятся на обратном пути с западного побережья Африки (последовательно называемых «Вольта де Гвине» и «Вольта да Мина»). ; а упоминание о Саргассовом море (также называемом в то время «Мар да Бага») к западу от Азорских островов в 1436 году раскрывает западную протяженность обратного пути. [7] Это необходимо под парусами, чтобы использовать юго-восточные и северо-восточные ветры от западного побережья Африки до северных широт, где западные ветры принесут мореплавателей к западным берегам Европы. [8]
Секретность, связанная с португальским мореплаванием, со смертной казнью за утечку карт и маршрутов, сконцентрировала все конфиденциальные записи в Королевских архивах, полностью уничтоженных лиссабонским землетрясением 1775 года . Однако систематический характер португальской кампании по картированию течений и ветров Атлантики демонстрируется пониманием сезонных изменений: экспедиции отправлялись в плавание в разное время года, выбирая разные маршруты, чтобы принять во внимание преобладающие сезонные ветры. Это происходит уже в конце 15-го и начале 16-го веков: Бартоломеу Диаш следовал вдоль африканского побережья на юге в августе 1487 года, а Васко да Гама отправился по открытому морскому пути с широты Сьерра-Леоне , проведя три месяца под открытым небом. море Южной Атлантики, чтобы извлечь выгоду из отклонения на юг юго-западного течения с бразильской стороны (и бразильского течения, идущего на юг - Гама отошла в июле 1497 г.); и Педро Альварес Кабрал (отправившийся в марте 1500 г.) выбрал еще большую арку на запад, от широты Кабо-Верде, избежав таким образом летнего муссона (который заблокировал бы маршрут, выбранный Гамой во время его отплытия). [9] Кроме того, проводились систематические экспедиции в западную часть Северной Атлантики (Тейве, 1454 г.; Вогадо, 1462 г.; Телес, 1474 г.; Ульмо, 1486 г.). [10] Документы, касающиеся снабжения кораблей и заказа таблиц склонения солнца для южной Атлантики уже за 1493–1496 гг., [11] предполагают хорошо спланированную и систематическую деятельность, происходящую в течение десятилетнего периода между Бартоломеу Диаш находит южную оконечность Африки и уходит Гама; кроме того, есть свидетельства дальнейших поездок Бартоломеу Диаша в этот район. [7] Самым значительным следствием этих систематических знаний было заключение Тордесильясского договора в 1494 году, согласно которому демаркационная линия была перенесена на 270 лиг к западу (со 100 до 370 лиг к западу от Азорских островов), в результате чего территория нынешней Бразилии стала частью Португальская зона господства. Знания, полученные в ходе исследований открытого моря, позволили проводить хорошо задокументированные длительные периоды плавания без вида на землю, не случайно, а по заранее определенному запланированному маршруту; например, 30 дней для Бартоломеу Диаша, достигших кульминации в заливе Моссел , три месяца, которые Гама провел в Южной Атлантике, чтобы использовать Бразильское течение (на юг), или 29 дней, которые Кабрал провел от Кабо-Верде до высадки в Монте-Паскоале , Бразилия.
Датскую экспедицию в Аравию 1761–1767 годов можно назвать первой в мире океанографической экспедицией, поскольку на борту корабля «Грёнланд» находилась группа учёных, в том числе натуралист Петер Форссколь , которому король Фредерик V дал четкую задачу : Изучите и опишите морскую жизнь в открытом море, в том числе выясните причину возникновения марилового или молочного моря. Для этой цели экспедиция была оснащена сетями и скребками, специально предназначенными для сбора проб из открытых вод и дна на большой глубине. [12]
Хотя Хуан Понсе де Леон в 1513 году впервые определил Гольфстрим , и течение было хорошо известно мореплавателям, Бенджамин Франклин провел первое научное исследование его и дал ему название. Франклин измерил температуру воды во время нескольких переходов через Атлантику и правильно объяснил причину Гольфстрима. Франклин и Тимоти Фолджер напечатали первую карту Гольфстрима в 1769–1770 годах. [13] [14]
Информация о течениях Тихого океана была собрана исследователями конца 18 века, в том числе Джеймсом Куком и Луи Антуаном де Бугенвилем . Джеймс Реннелл написал первые научные учебники по океанографии, подробно описывающие современные течения Атлантического и Индийского океанов . Во время плавания вокруг мыса Доброй Надежды в 1777 году он нанес на карту « берега и течения у Лагулласа » . Он также был первым, кто понял природу прерывистого течения возле островов Силли (теперь известного как течение Реннелла). [15] Приливы и течения в океане различны. Приливы — это подъем и падение уровня моря , создаваемые сочетанием гравитационных сил Луны и Солнца (Солнца в гораздо меньшей степени), а также вызванные вращением Земли и Луны вокруг друг друга. Океанское течение — это непрерывное направленное движение морской воды, создаваемое рядом сил, действующих на воду, включая ветер, эффект Кориолиса , прибойные волны , кабели , а также разницу температур и солености . [16]
Сэр Джеймс Кларк Росс провел первое современное зондирование в глубоком море в 1840 году, а Чарльз Дарвин опубликовал статью о рифах и образовании атоллов в результате второго путешествия HMS Beagle в 1831–1836 годах. Роберт Фицрой опубликовал четырехтомный отчет о трех путешествиях « Бигля » . В 1841–1842 годах Эдвард Форбс предпринял дноуглубительные работы в Эгейском море , положившие начало морской экологии.
Первый суперинтендант Военно-морской обсерватории США (1842–1861) Мэтью Фонтейн Мори посвятил свое время изучению морской метеорологии, навигации и составлению карт преобладающих ветров и течений. Его учебник « Физическая география моря» 1855 года был одним из первых комплексных исследований по океанографии. Многие страны отправляли Мори океанографические наблюдения в Военно-морскую обсерваторию, где он и его коллеги оценивали информацию и распространяли результаты по всему миру. [17]
Знания об океанах оставались ограниченными верхними саженями воды и небольшим объемом дна, главным образом на мелководье. О глубинах океана почти ничего не было известно. Усилия Британского королевского флота по нанесению на карту всех береговых линий мира в середине XIX века укрепили смутное представление о том, что большая часть океана очень глубока, хотя о нем было известно немногое. Исследования полярных регионов и Африки вызвали как общественный, так и научный интерес , а также загадки неизведанных океанов.
Основополагающим событием в основании современной науки океанографии стала экспедиция Челленджера 1872–1876 годов . Эта экспедиция, ставшая первым настоящим океанографическим круизом, заложила основу для целой академической и исследовательской дисциплины. [18] В ответ на рекомендацию Королевского общества британское правительство объявило в 1871 году об экспедиции по исследованию мирового океана и проведению соответствующих научных исследований. Чарльз Уивилл Томсон и сэр Джон Мюррей начали экспедицию «Челленджер» . «Челленджер» , арендованный у Королевского флота, был модифицирован для научной работы и оборудован отдельными лабораториями по естествознанию и химии . [19] Под научным руководством Томсона «Челленджер» преодолел почти 70 000 морских миль (130 000 км), исследуя и исследуя. Во время ее кругосветного путешествия [19] было проведено 492 глубоководных зондирования, 133 дноуглубительных работ, 151 трал в открытой воде и 263 серийных наблюдения за температурой воды. [20] Было обнаружено около 4700 новых видов морской жизни. Результатом стал отчет о научных результатах исследовательского рейса HMS Challenger в 1873–1876 годах . Мюррей, курировавший публикацию, назвал доклад «величайшим достижением в познании нашей планеты со времен знаменитых открытий пятнадцатого и шестнадцатого веков». Он основал академическую дисциплину океанографии в Эдинбургском университете , который оставался центром океанографических исследований вплоть до 20 века. [21] Мюррей был первым, кто изучил морские желоба и, в частности, Срединно-Атлантический хребет , и нанес на карту осадочные отложения в океанах. Он попытался составить карту мировых океанских течений на основе наблюдений за соленостью и температурой и первым правильно понял природу развития коралловых рифов .
В конце 19 века другие западные страны также отправляли научные экспедиции (а также частные лица и учреждения). Первое специально построенное океанографическое судно «Альбатрос » было построено в 1882 году. В 1893 году Фритьоф Нансен позволил своему кораблю « Фрам » замерзнуть в арктических льдах. Это позволило ему получать океанографические, метеорологические и астрономические данные на стационарной точке в течение длительного периода времени.
В 1881 году географ Джон Франкон Уильямс опубликовал плодотворную книгу « География океанов» . [22] [23] [24] Между 1907 и 1911 годами Отто Круммель опубликовал « Справочник по озеанографии» , который оказал влияние на пробуждение общественного интереса к океанографии. [25] Четырехмесячная экспедиция 1910 года в Северную Атлантику, возглавляемая Джоном Мюрреем и Йоханом Йортом, была самым амбициозным исследовательским океанографическим и морским зоологическим проектом, когда-либо проводившимся до того времени, и привела к созданию классической книги 1912 года « Глубины океана» .
Первое акустическое измерение глубины моря было произведено в 1914 году. В период с 1925 по 1927 год экспедиция «Метеор» с помощью эхолота выполнила 70 000 измерений глубины океана, обследуя Срединно-Атлантический хребет.
В 1934 году Истер Эллен Капп , первая женщина, получившая докторскую степень (в Скриппсе) в США, завершила крупную работу по диатомовым водорослям [26] , которая оставалась стандартной таксономией в этой области вплоть до ее смерти в 1999 году. В 1940 году Капп была уволена со своей должности в Скриппсе. Свердруп особо похвалил Куппа как добросовестного и трудолюбивого работника и отметил, что его решение не отражает ее способностей как ученого. Свердруп использовал место инструктора, освобожденное Каппом, чтобы нанять Марстона Сарджента, биолога, изучающего морские водоросли, что не было новой исследовательской программой в Скриппсе. Финансовое давление не помешало Свердрупу воспользоваться услугами двух других молодых аспирантов, Уолтера Мунка и Роджера Ревелла . Партнерша Каппа, Дороти Розенбери, нашла ей должность преподавателя средней школы, где она оставалась до конца своей карьеры. (Рассел, 2000)
Свердруп, Джонсон и Флеминг опубликовали в 1942 году книгу «Океаны» [27] , которая стала важной вехой. Книга «Море» (в трех томах, охватывающая физическую океанографию, морскую воду и геологию) под редакцией М. Н. Хилла была опубликована в 1962 году, а «Энциклопедия океанографии » Родса Фэйрбриджа была опубликована в 1966 году.
Великий глобальный разлом, проходящий вдоль Срединно-Атлантического хребта, был открыт Морисом Юингом и Брюсом Хизеном в 1953 году и нанесен на карту Хизеном и Мари Тарп с использованием батиметрических данных; В 1954 году Арктическим институтом СССР был обнаружен горный массив под Северным Ледовитым океаном. Теория распространения морского дна была разработана в 1960 году Гарри Хаммондом Хессом . Программа океанского бурения началась в 1966 году. Глубоководные жерла были обнаружены в 1977 году Джеком Корлиссом и Робертом Баллардом на подводном корабле DSV Alvin .
В 1950-х годах Огюст Пиккар изобрел батискаф и использовал батискаф « Триест» для исследования глубин океана. Атомная подводная лодка США «Наутилус» совершила первое путешествие подо льдом к Северному полюсу в 1958 году. В 1962 году была впервые развернута FLIP (плавающая инструментальная платформа), лонжеронный буй длиной 355 футов (108 м).
В 1968 году Таня Этуотер возглавила первую океанографическую экспедицию, состоящую исключительно из женщин. До этого времени гендерная политика в значительной степени ограничивала участие женщин-океанографов в экспедициях.
С 1970-х годов большое внимание уделялось применению крупномасштабных компьютеров в океанографии, чтобы обеспечить численный прогноз состояния океана и как часть общего прогнозирования изменений окружающей среды. Ранние методы включали аналоговые компьютеры (такие как компьютер штормовых нагонов Исигуро ), которые сейчас обычно заменяются численными методами (например, SLOSH ). В Тихом океане была установлена группа океанографических буев, позволяющая прогнозировать явления Эль-Ниньо .
В 1990 году начался Эксперимент по циркуляции мирового океана (WOCE), который продолжался до 2002 года. Данные картографирования морского дна Geosat стали доступны в 1995 году.
Изучение океанов имеет решающее значение для понимания изменений в энергетическом балансе Земли , а также связанных с ними глобальных и региональных изменений климата , биосферы и биогеохимии . Атмосфера и океан связаны между собой испарением и осадками , а также тепловым потоком (и солнечной инсоляцией ). Недавние исследования позволили расширить знания о закислении океана , тепле в океане , океанских течениях , повышении уровня моря , океаническом углеродном цикле , круговороте воды , сокращении морского льда в Арктике , обесцвечивании кораллов , морских волнах тепла , экстремальных погодных условиях , береговой эрозии и многих других явлениях в океане . относительно продолжающегося изменения климата и климатических обратных связей .
В целом, понимание Мирового океана посредством дальнейших научных исследований позволяет лучше управлять и устойчиво использовать ресурсы Земли. [28] Межправительственная океанографическая комиссия сообщает, что 1,7% общих национальных расходов на исследования ее членов сосредоточено на науке об океане. [29]
Изучение океанографии разделено на пять разделов:
Биологическая океанография исследует экологию и биологию морских организмов в контексте физических, химических и геологических характеристик их океанической среды.
Химическая океанография – это изучение химии океана . В то время как химическая океанография в первую очередь занимается изучением и пониманием свойств морской воды и ее изменений, химия океана фокусируется в первую очередь на геохимических циклах . Ниже приводится центральная тема, изучаемая химической океанографией.
Подкисление океана описывает снижение pH океана , вызванное антропогенными выбросами углекислого газа (CO 2 ) в атмосферу . [30] Морская вода слегка щелочная и в доиндустриальную эпоху имела pH около 8,2. В последнее время антропогенная деятельность привела к неуклонному увеличению содержания углекислого газа в атмосфере; около 30–40% добавленного CO 2 поглощается океанами, образуя угольную кислоту и снижая pH (теперь ниже 8,1 [31] ) за счет подкисления океана. [32] [33] [34] Ожидается, что к 2100 году уровень pH достигнет 7,7. [35]
Важным элементом для скелетов морских животных является кальций , но карбонат кальция становится более растворимым под давлением, поэтому карбонатные оболочки и скелеты растворяются ниже глубины компенсации карбоната . [36] Карбонат кальция становится более растворимым при более низком pH, поэтому подкисление океана, вероятно, повлияет на морские организмы с известковыми раковинами, такие как устрицы, моллюски, морские ежи и кораллы, [37] [38] и глубина компенсации карбоната будет увеличиваться ближе на поверхность моря. Пострадавшие планктонные организмы будут включать птеропод , кокколитофорид и фораминифер , которые играют важную роль в пищевой цепи . В тропических регионах кораллы , вероятно, серьезно пострадают, поскольку они теряют способность строить скелеты из карбоната кальция [39] , что, в свою очередь, оказывает неблагоприятное воздействие на других обитателей рифов . [35]
Нынешняя скорость изменения химического состава океана кажется беспрецедентной в геологической истории Земли, поэтому неясно, насколько хорошо морские экосистемы адаптируются к меняющимся условиям ближайшего будущего. [40] Особое беспокойство вызывает то, как сочетание подкисления с ожидаемыми дополнительными факторами стресса в виде более высоких температур океана и более низких уровней кислорода повлияет на моря. [41]
Геологическая океанография — это изучение геологии дна океана, включая тектонику плит и палеоокеанографию .
Физическая океанография изучает физические атрибуты океана, включая структуру температуры и солености, перемешивание, поверхностные волны , внутренние волны, поверхностные приливы , внутренние приливы и течения . Ниже приведены основные темы, изучаемые физической океанографией.
Со времени первых океанских экспедиций в океанографии основным интересом было изучение океанских течений и измерение температуры. Приливы , эффект Кориолиса , изменения направления и силы ветра , соленость и температура являются основными факторами, определяющими океанские течения . Термохалинная циркуляция (ТГК) ( термо- халинная , относящаяся к температуре, и -халинная, относящаяся к содержанию солей ) соединяет океанские бассейны и в первую очередь зависит от плотности морской воды . Эту систему все чаще называют «меридиональной опрокидывающей циркуляцией», поскольку она более точно учитывает другие движущие факторы, помимо температуры и солености.
Океаническое теплосодержание (OHC) относится к дополнительному теплу, накопленному в океане в результате изменений в энергетическом балансе Земли . Увеличение температуры океана играет важную роль в повышении уровня моря из-за теплового расширения . На потепление океана приходится 90% накопления энергии, связанного с глобальным потеплением с 1971 года. [42] [43]
Палеоокеанография - это изучение истории океанов в геологическом прошлом с точки зрения циркуляции, химии, биологии, геологии, а также моделей седиментации и биологической продуктивности. Палеоокеанографические исследования с использованием моделей окружающей среды и различных косвенных показателей позволяют научному сообществу оценить роль океанических процессов в глобальном климате путем реконструкции климата прошлого в различные промежутки времени. Палеокеанографические исследования также тесно связаны с палеоклиматологией.
Первые международные организации океанографии были основаны на рубеже 20-го века, начиная с Международного совета по исследованию моря, созданного в 1902 году, а затем в 1919 году — Средиземноморской научной комиссии . Морские научно-исследовательские институты уже существовали, начиная с Зоологической станции Антона Дорна в Неаполе, Италия (1872 г.), Биологической станции Роскофа, Франция (1876 г.), Лаборатории Араго в Баньюльс-сюр-Мер, Франция (1882 г.), Лаборатория Морской биологической ассоциации в Плимуте, Великобритания (1884 г.), Норвежский институт морских исследований в Бергене, Норвегия (1900 г.), Лаборатория международного Meeresforschung, Киль, Германия (1902 г.). По другую сторону Атлантики в 1903 году был основан Океанографический институт Скриппса , за ним последовали Океанографический институт Вудс-Хоул в 1930 году, Институт морских наук Вирджинии в 1938 году, Земная обсерватория Ламонта-Доэрти в Колумбийском университете в 1949 году и позже Школу океанографии Вашингтонского университета . В Австралии Австралийский институт морских наук (AIMS), основанный в 1972 году, вскоре стал ключевым игроком в морских тропических исследованиях.
В 1921 году было создано Международное гидрографическое бюро , называемое с 1970 года Международной гидрографической организацией , для разработки стандартов гидрографии и морских карт.
