Подводная среда — это среда, состоящая из жидкой воды и погруженная в нее в естественном или искусственном объекте (называемым водоемом ) , таком как океан , море , озеро , пруд , водохранилище , река , канал или водоносный горизонт . Некоторые характеристики подводной среды универсальны, но многие зависят от локальной ситуации.
Жидкая вода присутствовала на Земле на протяжении большей части истории планеты . Подводная среда считается местом зарождения жизни на Земле, и она остается экологическим регионом, наиболее важным для поддержания жизни и естественной средой обитания большинства живых организмов. Несколько отраслей науки посвящены изучению этой среды или ее отдельных частей или аспектов.
Ряд видов человеческой деятельности осуществляется в более доступных частях подводной среды. К ним относятся исследования, подводное плавание для работы или отдыха, а также подводная война с подводными лодками. Она враждебна для человека во многих отношениях и часто недоступна, и поэтому сравнительно мало исследована.
Три четверти планеты Земля покрыты водой. Большая часть твердой поверхности планеты представляет собой абиссальную равнину , на глубине от 4000 до 5500 метров (от 13 100 до 18 000 футов) ниже поверхности 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 пресной воды и большим объемом подземных вод в водоносных горизонтах. Подводная среда враждебна для человека во многих отношениях и поэтому мало изучена. Ее можно картировать с помощью сонара или более непосредственно исследовать с помощью пилотируемых, дистанционно управляемых или автономных подводных аппаратов . Океанское дно было обследовано с помощью сонара по крайней мере с грубым разрешением; Особо стратегические районы были подробно нанесены на карту для облегчения навигации и обнаружения подводных лодок, хотя полученные карты могут быть засекречены. [ необходима цитата ]
Океан — это водоём , который составляет большую часть гидросферы планеты . [1] На Земле океан — это одно из основных условных подразделений Мирового океана . Это, в порядке убывания площади, Тихий , Атлантический , Индийский , Южный (Антарктический) и Северный Ледовитый океаны. [2] [3] Слово «океан» часто используется взаимозаменяемо со словом «море» в американском английском . Строго говоря, море — это водоём (обычно подразделение Мирового океана), частично или полностью окружённый сушей, [4] хотя « море » также относится к океанам.
Соленая вода покрывает приблизительно 361 000 000 км 2 (139 000 000 кв. миль) и обычно делится на несколько основных океанов и более мелких морей, при этом океан покрывает приблизительно 71% поверхности Земли и 90% биосферы Земли . [5] Океан содержит 97% воды Земли, и океанографы заявили, что исследовано менее 100% Мирового океана. [5] Общий объем составляет приблизительно 1,35 миллиарда кубических километров (320 миллионов кубических миль) при средней глубине около 3700 метров (12 100 футов). [6] [7] [8]
Озеро — это область, заполненная водой, расположенная в бассейне , окруженном сушей, за исключением любой реки или другого источника, который питает или осушает озеро. [9] Озера лежат на суше и не являются частью океана , и поэтому отличаются от лагун , а также больше и глубже прудов , хотя официальных или научных определений не существует. [10] Озера можно противопоставить рекам или ручьям , которые обычно текут. Большинство озер питаются и осушаются реками и ручьями. Естественные озера обычно встречаются в горных районах, рифтовых зонах и районах с продолжающимся оледенением . Другие озера находятся в бессточных бассейнах или вдоль русел зрелых рек. В некоторых частях мира существует множество озер из-за хаотичных дренажных схем, оставшихся со времен последнего ледникового периода . Все озера являются временными в геологических масштабах времени, так как они медленно заполняются осадками или выливаются из бассейна, содержащего их. Многие озера являются искусственными и созданы для промышленного или сельскохозяйственного использования, для выработки гидроэлектроэнергии или бытового водоснабжения, а также для эстетических, рекреационных целей или других видов деятельности.
Пруд — это область, заполненная водой, естественной или искусственной, которая меньше озера . [11] Он может возникнуть естественным образом в поймах как часть речной системы или быть несколько изолированной впадиной (например, котлом , весенним бассейном или прерийной выбоиной ). Он может содержать мелководье с болотными и водными растениями и животными. [12] Пруды часто создаются человеком или расширяются за пределы своей первоначальной глубины и границ. Среди их многочисленных применений пруды обеспечивают водой сельское хозяйство и животноводство, помогают в восстановлении среды обитания, служат рыбоводными заводями, являются компонентами ландшафтной архитектуры, могут хранить тепловую энергию как солнечные пруды и очищать сточные воды как очистные пруды . Пруды могут быть пресными, солеными или солоноватыми .
Река — это естественный водоток , обычно пресноводный , текущий под действием силы тяжести в океане , озере , другой реке или в земле. Малые реки можно называть такими именами, как ручей , ручей, речушка и ручеек . Официальных определений для 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 грунтовых вод , родники и высвобождение накопленной воды в естественном льду и снеге. Потамология — это научное изучение рек, в то время как лимнология — это изучение внутренних вод в целом.
Водоносный горизонт — это подземный слой водоносной проницаемой породы , трещины горных пород или рыхлые материалы ( гравий , песок или ил ). Изучение потока воды в водоносных горизонтах и характеристика водоносных горизонтов называется гидрогеологией . Если водоносный горизонт залегает над непроницаемым слоем, давление может привести к тому, что он станет ограниченным водоносным горизонтом.
Водоносные горизонты можно классифицировать как пористые или карстовые , где пористый водоносный горизонт содержит воду в пространствах между зернами рыхлого осадка или породы (обычно песка или песчаника ), в то время как карстовый водоносный горизонт содержит воду в основном в относительно больших пустотах в относительно непроницаемой породе, такой как известняк или доломит . [14]
Пещеры, заполненные водой, можно классифицировать как активные и реликтовые: в активных пещерах вода течет по ним; в реликтовых пещерах ее нет, хотя вода может в них задерживаться. Типы активных пещер включают пещеры с притоком («в которые впадает поток»), пещеры с оттоком («из которых выходит поток») и сквозные пещеры («через которые протекает поток»). [15]
Водохранилище — это, чаще всего, увеличенное естественное или искусственное озеро, пруд или водохранилище, созданное с помощью плотины или шлюза для хранения воды. Водохранилища могут быть созданы несколькими способами, включая управление водотоком, который осушает существующий водоем, прерывание водотока для формирования залива внутри него, путем выемки грунта или строительства подпорных стенок или дамб . Каналы — это искусственные водные пути, которые могут иметь плотины и шлюзы, которые создают водохранилища с низкой скоростью течения.
Вода — прозрачное , безвкусное , без запаха и почти бесцветное химическое вещество . Ее химическая формула — H2O , что означает, что каждая ее молекула содержит один атом кислорода и два атома водорода , соединенных ковалентными связями . Вода — это название жидкого состояния H2O при стандартной температуре и давлении окружающей среды . Вода на поверхности Земли непрерывно движется через водный цикл испарения , транспирации ( эвапотранспирации ), конденсации , осаждения и стока , обычно достигая моря. Вода редко существует в чистом виде, она почти всегда содержит растворенные вещества и, как правило, 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/кубический фут). 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 уменьшается; это необычно. [ 16] Обычный, гексагональный лед также менее плотный, 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 не позволяют молекулам приближаться друг к другу. [16] В то время как ниже 4 °C разрыв водородных связей из-за нагрева позволяет молекулам воды упаковываться ближе, несмотря на увеличение теплового движения (которое имеет тенденцию расширять жидкость), выше 4 °C вода расширяется по мере повышения температуры. [16] Вода вблизи точки кипения примерно на 4% менее плотная, чем вода при 4 °C (39 °F). [17] [a]
Необычная кривая плотности и более низкая плотность льда, чем у воды, жизненно важны для жизни — если бы вода была наиболее плотной в точке замерзания, то зимой очень холодная вода на поверхности озер и других водоемов опускалась бы на дно, озеро могло бы замерзнуть снизу вверх, и вся жизнь в них погибла бы. [17] Кроме того, учитывая, что вода является хорошим теплоизолятором (из-за своей теплоемкости), некоторые замерзшие озера могут не полностью таять летом. [17] Слой льда, который плавает на поверхности, изолирует воду под ней. [18] Вода при температуре около 4 °C (39 °F) также опускается на дно, таким образом поддерживая постоянную температуру воды внизу (см. диаграмму). [17]
Плотность морской воды зависит от содержания растворенной соли, а также от температуры. Лед все еще плавает в океанах, в противном случае они замерзали бы снизу вверх. Содержание соли понижает точку замерзания примерно на 1,9 °C и понижает температуру максимума плотности воды до точки замерзания пресной воды при 0 °C. [19] Вот почему в океанской воде нисходящая конвекция более холодной воды не блокируется расширением воды, когда она становится холоднее вблизи точки замерзания. Холодная вода океанов вблизи точки замерзания продолжает тонуть. Поэтому существа, которые живут 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 температуре −1,9 °C для солености 3,5%), образующийся лед по существу не содержит соли и имеет примерно такую же плотность, как и пресноводный лед. [19] Этот лед плавает на поверхности, а «вымороженная» соль увеличивает соленость и плотность морской воды прямо под ним в процессе, известном как отторжение рассола . Эта более плотная соленая вода опускается за счет конвекции. Это приводит к образованию по существу пресноводного льда при температуре −1,9 °C на поверхности. [19] В больших масштабах процесс отторжения рассола и опускания холодной соленой воды приводит к образованию океанических течений для транспортировки такой воды от полюсов, что приводит к глобальной системе течений, называемой термохалинной циркуляцией .
Плотность воды вызывает давление окружающей среды, которое резко увеличивается 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 метров (32 фута) для морской воды). Таким образом, примерно на 10 м ниже поверхности вода оказывает в два раза большее давление (2 атмосферы или 200 кПа), чем воздух на уровне поверхности.
Любой объект, погруженный в воду, подвергается действию выталкивающей силы, которая противодействует силе тяжести , делая объект менее тяжелым. Если общая плотность объекта превышает плотность воды, объект тонет. Если общая плотность меньше плотности воды, объект поднимается, 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 кажутся голубоватыми под водой, а красные объекты кажутся 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 глубине 100 м (330 футов) свет, присутствующий от солнца, обычно составляет около 0,5% от света на поверхности. [ необходима цитата ]
Эвфотическая глубина — это глубина, на которой интенсивность света падает до 1% от значения на поверхности. Эта глубина зависит от прозрачности воды, составляя всего несколько метров под водой в мутном эстуарии, но может достигать 200 метров в открытом океане. На эвфотической глубине растения (например, фитопланктон ) не получают чистой энергии от фотосинтеза и, следовательно, не могут расти.
Существует три слоя температуры океана: поверхностный слой , термоклин и глубинный океан . Средняя температура поверхностного слоя составляет около 17 °C. Около 90% воды океана находится ниже термоклина в глубинном океане, где большая часть воды имеет температуру ниже 4 °C. [20]
В местах активной вулканической деятельности и гидротермальных источниках наблюдаются температурные аномалии , где температура глубоководных вод может значительно превышать 100 °C.
Вода проводит тепло примерно в 25 раз эффективнее воздуха. Гипотермия , потенциально смертельное состояние, возникает, когда внутренняя температура человеческого тела падает ниже 35 °C. Изоляция тепла тела от воды является основной целью водолазных костюмов и защитных костюмов при использовании в воде с температурой ниже 25 °C.
Звук передается примерно в 4,3 раза быстрее в воде (1484 м/с в пресной воде), чем в воздухе (343 м/с). Человеческий мозг может определить 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 трудно определить направление звука под водой. Некоторые животные приспособились к этой разнице, и многие используют звук для навигации под водой.
Водная экосистема — это экосистема в водоеме . Сообщества организмов , которые зависят друг от друга и от окружающей среды, живут в водных экосистемах. Два основных типа водных экосистем — это морские экосистемы и пресноводные экосистемы . [21]
Морские экосистемы являются крупнейшими из водных экосистем Земли и отличаются водами с высоким содержанием соли. Морские воды покрывают более 70% поверхности Земли и составляют более 97% запасов воды на Земле [22] [23] и 90% обитаемого пространства на Земле. [24] Морские экосистемы включают прибрежные системы, такие как солончаки , илистые отмели , луга морской травы , мангровые заросли , скалистые приливные системы и коралловые рифы . Они также простираются от побережья, включая морские системы, такие как поверхность океана , пелагические воды океана , глубокое море , океанические гидротермальные источники 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 его часть не исследована, число видов, существующих в океане, намного больше, возможно, более двух миллионов. [25]
Пресноводные экосистемы включают озера и пруды , реки , ручьи , источники , водоносные слои , болота и водно-болотные угодья . Они имеют более низкое содержание соли , чем морские экосистемы. Пресноводные местообитания можно классифицировать по различным факторам, включая температуру, проникновение света, питательные вещества и растительность. Пресноводные экосистемы можно разделить на лентические экосистемы (стоячая вода) и проточные экосистемы (текущая вода). [26]
Водные экосистемы характеризуются ограничением окружающего освещения из-за поглощения самой водой и растворенными и взвешенными веществами в толще воды, а также поддержкой, обеспечиваемой плавучестью. Питательные вещества, используемые растениями, растворены в воде, что делает их легкодоступными. 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 ее глубины воды. Это влияет на фотосинтез и экологию растений и фитопланктона . [27] За пределами эвфотической зоны фотосинтез не может происходить, и жизнь должна использовать другие источники энергии, кроме солнечного света.
Хотя под водой осуществляется ряд видов деятельности человека , таких как научные исследования, подводное плавание для работы или отдыха , а также подводная война с использованием подводных лодок , подводная среда во многих отношениях враждебна для человека и поэтому мало изучена.
Непосредственным препятствием для деятельности человека под водой является то, что человеческие легкие не могут естественным образом функционировать в этой среде. В отличие от жабр рыб , человеческие легкие приспособлены к газообмену при атмосферном давлении . Любое проникновение в подводную среду более чем на несколько минут требует искусственных средств для 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 уменьшается в объеме гораздо больше под давлением и, таким образом, не обеспечивает этим пространствам поддержку против более высокого внешнего давления. Даже на глубине 8 футов (2,4 м) под водой неспособность уравнять давление воздуха в среднем ухе с внешним давлением воды может вызвать боль, а барабанная перепонка (барабанная перепонка) может разорваться на глубине менее 10 футов (3 м). Опасность повреждения давлением наиболее высока на мелководье, поскольку соотношение изменения давления наибольшее вблизи поверхности воды. Повышенное давление также со временем влияет на растворение дыхательных газов в тканях и может привести к ряду неблагоприятных эффектов, таких как наркоз инертным газом и отравление кислородом . Декомпрессию необходимо контролировать, чтобы избежать образования пузырьков в тканях и, как следствие, появления симптомов декомпрессионной болезни .
За редкими исключениями, подводная среда имеет тенденцию охлаждать незащищенное тело человека. Эта потеря тепла обычно в конечном итоге приводит к гипотермии.
Подводная среда таит в себе несколько классов опасностей для человека.
При погружении под давлением окружающей среды дайвер напрямую подвергается давлению окружающей воды. Дайвер под давлением окружающей среды может погружаться на задержке дыхания или использовать дыхательный аппарат для подводного плавания или погружения с подачей воздуха с поверхности , а техника погружения с насыщением снижает риск декомпрессионной болезни (ДКБ) после длительных глубоких погружений. Погружение в воду и воздействие холодной воды и высокого давления оказывают физиологическое воздействие на дайвера, которое ограничивает глубину и продолжительность возможных погружений под давлением окружающей среды. Выносливость при задержке дыхания является серьезным ограничением, а дыхание при высоком давлении окружающей среды добавляет дополнительные осложнения, как напрямую, так и косвенно. Были разработаны технологические решения, которые могут значительно увеличить глубину и продолжительность погружений человека под давлением окружающей среды и позволяют выполнять полезную работу под водой. [28]
Водолаз может быть изолирован от давления окружающей среды с помощью атмосферного водолазного костюма (ADS), который представляет собой небольшой одноместный сочлененный антропоморфный подводный аппарат , напоминающий доспехи , со сложными сочленениями, устойчивыми к давлению, чтобы обеспечить сочленение при поддержании внутреннего давления в одну атмосферу. ADS может использоваться для относительно глубоких погружений до 2300 футов (700 м) в течение многих часов и устраняет большинство существенных физиологических опасностей, связанных с глубоким погружением; находящемуся в нем не нужно декомпрессировать, нет необходимости в специальных газовых смесях, нет опасности декомпрессионной болезни или азотного наркоза , и водолаз эффективно изолирован от большинства водных организмов. [29] Водолазам даже не нужно быть опытными пловцами, но подвижность и ловкость значительно ухудшаются.
Подводный аппарат — это небольшое водное судно , предназначенное для работы под водой. Термин «подводный аппарат» часто используется для отличия от других подводных судов, известных как подводные лодки , поскольку подводная лодка — это полностью автономное судно, способное возобновлять свою собственную энергию и дышать воздухом, тогда как подводный аппарат обычно поддерживается надводным судном, платформой, береговой командой или иногда более крупной подводной лодкой. Существует много типов подводных аппаратов, включая как пилотируемые, так и беспилотные суда, также известные как дистанционно управляемые аппараты или ROV. [30]
Дистанционно управляемые подводные аппараты и автономные подводные аппараты являются частью более крупной группы подводных систем, известных как беспилотные подводные аппараты . ROV не имеют персонала, обычно обладают высокой маневренностью и управляются экипажем либо на борту судна/плавучей платформы, либо на близлежащей суше. Они связаны с судном-хозяином с помощью нейтрально плавучего троса , или используется несущий нагрузку кабель-пуповина вместе с системой управления тросом (TMS). Кабель-пуповина содержит группу электрических проводников и оптоволоконных кабелей, которые передают электроэнергию, видео и сигналы данных между оператором и TMS. При использовании TMS затем передает сигналы и питание для ROV по тросовому кабелю. Попав в ROV, электроэнергия распределяется между компонентами ROV. В приложениях с высокой мощностью большая часть электроэнергии приводит в действие мощный электродвигатель, который приводит в действие гидравлический насос для движения и питания оборудования. Большинство ROV оснащены как минимум видеокамерой и огнями. Дополнительное оборудование обычно добавляется для расширения возможностей транспортного средства. Автономные подводные аппараты (AUV) — это роботы , которые перемещаются под водой без участия оператора. Подводные планеры являются подклассом AUV. [31]
{{cite web}}: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )