Океанография (от древнегреческого ὠκεανός ( ōkeanós ) « океан » и γραφή ( graphḗ ) « письмо »), также известная как океанология , морская наука , океанология и морская наука , — научное изучение океана , включая его физику , химию , биологию и геологию .
Это наука о Земле , которая охватывает широкий спектр тем, включая океанские течения , волны и геофизическую гидродинамику ; потоки различных химических веществ и физических свойств в океане и через его границы; динамику экосистем ; а также тектонику плит и геологию морского дна .
Океанографы опираются на широкий спектр дисциплин, чтобы углубить свое понимание Мирового океана, используя знания из астрономии , биологии , химии , географии , геологии , гидрологии , метеорологии и физики .
Люди впервые получили знания о волнах и течениях морей и океанов в доисторические времена. Наблюдения за приливами были записаны Аристотелем и Страбоном в 384–322 годах до нашей эры. [1] Ранние исследования океанов в основном проводились в целях картографии и в основном ограничивались его поверхностью и животными, которых рыбаки вылавливали в сетях, хотя глубина измерялась с помощью свинцового шнура.
Португальская кампания по навигации в Атлантике является самым ранним примером систематического крупного научного проекта, продолжавшегося на протяжении многих десятилетий, по изучению течений и ветров Атлантики.
Работа Педру Нунеса (1502–1578) запомнилась в контексте навигации определением локсодромической кривой: кратчайшего пути между двумя точками на поверхности сферы, представленной на двумерной карте. [2] [3] Когда он опубликовал свой «Трактат о сфере» (1537), в основном комментированный перевод более ранних работ других, он включил трактат о геометрических и астрономических методах навигации. Там он ясно заявляет, что португальские навигации не были 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 были предметами, которые должны были предоставить космографы (...) и они взяли карты с точными маршруты, а не те, которыми пользовались древние). [4]
Его авторитет основывается на личном участии в обучении лоцманов и старших моряков с 1527 года по королевскому назначению, а также на его признанной компетентности как математика и астронома. [2] Основная проблема при плавании обратно с юга Канарских островов (или к югу от Буждура ) только под парусом связана с изменением режима ветров и течений: североатлантический круговорот и экваториальное противотечение [5] будут толкать на юг вдоль северо-западного выступа Африки, в то время как неопределенные ветры, где северо-восточные пассаты встречаются с юго-восточными пассатами (затишье) [6], оставляют парусное судно на милость течений. Вместе преобладающие течение и ветер делают продвижение на север очень трудным или невозможным. Именно для того, чтобы преодолеть эту проблему и расчистить проход в Индию вокруг Африки как жизнеспособный морской торговый путь, португальцы разработали систематический план исследований. Обратный путь из регионов к югу от Канарских островов стал « volta do largo» или «volta do mar ». «Повторное открытие» Азорских островов в 1427 году является лишь отражением возросшей стратегической важности островов, теперь расположенных на обратном пути от западного побережья Африки (последовательно называемых «volta de Guiné» и «volta da Mina»); а ссылки на Саргассово море (также называемое в то время «Mar da Baga») к западу от Азорских островов в 1436 году раскрывают западную протяженность обратного пути. [7] Это необходимо, чтобы под парусом использовать юго-восточные и северо-восточные ветры от западного побережья Африки, вплоть до северных широт, где западные ветры принесут мореплавателей к западным побережьям Европы. [8]
Секретность, связанная с португальскими навигациями, со смертной казнью за утечку карт и маршрутов, сосредоточила все конфиденциальные записи в Королевских архивах, полностью уничтоженных Лиссабонским землетрясением 1775 года . Однако систематический характер португальской кампании, картографирование течений и ветров Атлантики, демонстрируется пониманием сезонных колебаний, когда экспедиции отправлялись в плавание в разное время года, выбирая разные маршруты, чтобы учитывать преобладающие сезонные ветры. Это происходит уже с конца 15-го и начала 16-го века: Бартоломеу Диаш следовал вдоль африканского побережья на своем пути на юг в августе 1487 года, в то время как Васко да Гама выбрал открытый морской путь от широты Сьерра-Леоне , проведя три месяца в открытом море Южной Атлантики, чтобы извлечь выгоду из отклонения на юг юго-западного течения на бразильской стороне (и бразильского течения, идущего на юг - Гама отправился в июле 1497 года); и Педро Альварес Кабрал (отправляясь в марте 1500 года) сделал еще большую дугу на запад, от широты Кабо-Верде, таким образом избежав летнего муссона (который мог бы заблокировать маршрут, выбранный Гамой, когда он отплыл). [9] Кроме того, были систематические экспедиции, продвигавшиеся в западную часть Северной Атлантики (Тейве, 1454; Вогадо, 1462; Телес, 1474; Ульмо, 1486). [10] Документы, касающиеся снабжения кораблей и заказа таблиц склонения солнца для южной Атлантики уже в 1493–1496 годах, [11] все указывают на хорошо спланированную и систематическую деятельность, происходившую в течение десятилетнего периода между обнаружением Бартоломеу Диашем южной оконечности Африки и отплытием Гамы; кроме того, есть указания на дальнейшие путешествия Бартоломеу Диаша в этом районе. [7] Самым значительным следствием этого систематического знания стало заключение Тордесильясского договора в 1494 году, переместившего линию разграничения на 270 лиг к западу (со 100 до 370 лиг к западу от Азорских островов), в результате чего территория современной Бразилии вошла в зону господства Португалии. Знания, полученные в ходе исследования открытого моря, позволили осуществить хорошо документированные длительные периоды плавания без видимости земли, не случайно, а по заранее определенному запланированному маршруту; например, 30 дней для Бартоломеу Диаша, достигших кульминации в заливе Моссел , три месяца, проведенные Гамой 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 1761–67 можно назвать первой в мире океанографической экспедицией, поскольку на борту судна Grønland находилась группа ученых, включая натуралиста Петера Форссколя , которому король Фредерик V поручил изучить и описать морскую жизнь в открытом море, в том числе найти причину возникновения mareel , или молочных морей. Для этой цели экспедиция была оснащена сетями и скребками, специально предназначенными для сбора образцов из открытых вод и со дна на большой глубине. [12]
Хотя Хуан Понсе де Леон в 1513 году первым идентифицировал Гольфстрим , и течение было хорошо известно морякам, Бенджамин Франклин провел первое научное исследование и дал ему название. Франклин измерил температуру воды во время нескольких пересечений Атлантики 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, включая Джеймса Кука и Луи Антуана де Бугенвиля . Джеймс Реннелл написал первые научные учебники по океанографии, подробно описав течения Атлантического и Индийского океанов . Во время плавания вокруг мыса Доброй Надежды в 1777 году он нанес на карту « берега и течения в Лагулласе » . Он также был первым, кто понял природу прерывистого течения около островов Силли (теперь известного как течение Реннелла). [15] Приливы и течения океана различны. Приливы — это подъем и падение уровня моря , создаваемые сочетанием гравитационных сил Луны и Солнца (Солнца только в гораздо меньшей степени), а также вызванные вращением Земли и Луны друг вокруг друга. Океаническое течение — это непрерывное направленное движение морской воды, создаваемое рядом сил, действующих на воду, включая ветер, эффект Кориолиса , прибойные волны , образование каверн , 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 плавания HMS Beagle в 1831–1836 годах. Роберт Фицрой опубликовал четырехтомный отчет о трех плаваниях Beagle. В 1841–1842 годах Эдвард Форбс провел дноуглубительные работы в Эгейском море , которые легли в основу морской экологии.
Первый суперинтендант Военно-морской обсерватории США (1842–1861) Мэтью Фонтейн Мори посвятил свое время изучению морской метеорологии, навигации и картированию преобладающих ветров и течений. Его учебник 1855 года « Физическая география моря» был одним из первых всесторонних исследований по океанографии. Многие страны отправляли океанографические наблюдения Мори в Военно-морскую обсерваторию, где он и его коллеги оценивали информацию и распространяли результаты по всему миру. [17]
Знания об океанах ограничивались несколькими верхними саженями воды и небольшим количеством дна, в основном в мелководных районах. Почти ничего не было известно о глубинах океана. Усилия британского Королевского флота по нанесению на карту всех береговых линий мира в середине 19 века укрепили смутное представление о том, что большая часть океана очень глубока, хотя было известно немного больше. Поскольку исследования разжигали как общественный, так и научный интерес к полярным регионам и Африке , то же самое происходило и с тайнами неизведанных океанов.
Основополагающим событием в основании современной науки океанографии стала экспедиция «Челленджера» 1872–1876 годов . Как первый настоящий океанографический круиз, эта экспедиция заложила основу для целой академической и исследовательской дисциплины. [18] В ответ на рекомендацию Королевского общества британское правительство объявило в 1871 году об экспедиции для исследования мировых океанов и проведения соответствующих научных исследований. Чарльз Уайвилл Томсон и сэр Джон Мюррей начали экспедицию «Челленджера» . «Челленджер» , арендованный у Королевского флота, был модифицирован для научной работы и оборудован отдельными лабораториями для естественной истории и химии . [19] Под научным руководством Томсона «Челленджер» прошел почти 70 000 морских миль (130 000 км), занимаясь съемкой и исследованием. Во время ее кругосветного путешествия [19] было проведено 492 глубоководных зондирования, 133 донных драгирования, 151 траление 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 путешествия HMS Challenger в 1873–1876 годах . Мюррей, который руководил публикацией, описал отчет как «величайший прогресс в познании нашей планеты со времен знаменитых открытий пятнадцатого и шестнадцатого веков». Он продолжил основать академическую дисциплину океанографии в Эдинбургском университете , который оставался центром океанографических исследований вплоть до XX века. [21] Мюррей был первым, кто изучал морские впадины и, в частности, Срединно-Атлантический хребет , и составил карту осадочных отложений в океанах. Он пытался составить карту течений мирового океана на основе наблюдений за соленостью и температурой и был первым, кто правильно понял природу развития коралловых рифов .
В конце 19 века другие западные страны также отправляли научные экспедиции (как и частные лица и учреждения). Первое специально построенное океанографическое судно, Albatros , было построено в 1882 году. В 1893 году Фритьоф Нансен позволил своему судну, Fram , заморозить в арктических льдах. Это позволило ему получать океанографические, метеорологические и астрономические данные в стационарном месте в течение длительного периода.
В 1881 году географ Джон Франкон Уильямс опубликовал основополагающую книгу « География океанов» . [22] [23] [24] Между 1907 и 1911 годами Отто Крюммель опубликовал Handbuch der Ozeanographie , которая оказала влияние на пробуждение общественного интереса к океанографии. [25] Четырехмесячная североатлантическая экспедиция 1910 года под руководством Джона Мюррея и Йохана Хьорта была самым амбициозным исследовательским океанографическим и морским зоологическим проектом, когда-либо проводившимся до того времени, и привела к появлению классической книги 1912 года « Глубины океана» .
Первое акустическое измерение глубины моря было проведено в 1914 году. В период с 1925 по 1927 год экспедиция «Метеор» собрала 70 000 измерений глубины океана с помощью эхолота, обследуя Срединно-Атлантический хребет.
В 1934 году Истер Эллен Капп , первая женщина, получившая докторскую степень (в Скриппсе) в Соединенных Штатах, 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 особенно похвалил Капп как добросовестного и трудолюбивого работника и прокомментировал, что его решение не отражается на ее способностях как ученого. Свердруп использовал место преподавателя, освобожденное Капп, чтобы нанять Марстона Сарджента, биолога, изучающего морские водоросли, что не было новой исследовательской программой в Скриппсе. Финансовые трудности не помешали Свердруп сохранить услуги двух других молодых постдокторантов, Уолтера Манка и Роджера Ревелла . Партнер Капп, Дороти Розенбери, нашла ей должность преподавателя в средней школе, где она оставалась до конца своей карьеры. (Рассел, 2000)
Свердруп, Джонсон и Флеминг опубликовали «Океаны» в 1942 году, [27] что стало важной вехой. «Море» (в трех томах, охватывающих физическую океанографию, морскую воду и геологию) под редакцией М. Н. Хилла было опубликовано в 1962 году, а «Энциклопедия океанографии » Родса Фэрбриджа была опубликована в 1966 году.
Великий глобальный разлом, пролегающий 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 Арктический институт АН СССР обнаружил горный хребет под Северным Ледовитым океаном. Теория спрединга морского дна была разработана в 1960 году Гарри Хаммондом Гессом . Программа океанического бурения началась в 1966 году. Глубоководные источники были обнаружены в 1977 году Джеком Корлиссом и Робертом Баллардом на подводном аппарате DSV Alvin .
В 1950-х годах Огюст Пиккар изобрел батискаф и использовал батискаф Trieste для исследования глубин океана. Американская атомная подводная лодка Nautilus совершила первое путешествие подо льдом к Северному полюсу в 1958 году. В 1962 году впервые была развернута FLIP (плавучая инструментальная платформа), 355-футовый (108 м) буй-шпора.
В 1968 году Таня Этуотер возглавила первую чисто женскую океанографическую экспедицию. 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 для численного прогнозирования условий океана и как части общего прогнозирования изменений окружающей среды. Ранние методы включали аналоговые компьютеры (такие как Ishiguro Storm Surge Computer ), которые теперь обычно заменяются численными методами (например, SLOSH ). В Тихом океане был установлен массив океанографических буев для прогнозирования событий Эль-Ниньо .
В 1990 году начался Эксперимент по изучению циркуляции мирового океана (WOCE), который продолжался до 2002 года. Данные картирования морского дна Geosat стали доступны в 1995 году.
Изучение океанов имеет решающее значение для понимания сдвигов в энергетическом балансе Земли вместе с соответствующими глобальными и региональными изменениями климата , биосферы и биогеохимии . Атмосфера и океан связаны из-за испарения и осадков , а также теплового потока (и солнечной инсоляции ). Недавние исследования продвинули знания о закислении океана , содержании тепла в океане , океанических течениях , повышении уровня моря , океаническом углеродном цикле , водном цикле , сокращении арктического морского льда , обесцвечивании кораллов , морских волнах тепла , экстремальных погодных условиях , прибрежной эрозии и многих других явлениях в отношении продолжающегося изменения климата и климатических обратных связей .
В целом, понимание мирового океана посредством дальнейшего научного изучения позволяет лучше управлять и устойчиво использовать ресурсы Земли. [28] Межправительственная океанографическая комиссия сообщает, что 1,7% от общих национальных расходов на исследования ее членов сосредоточены на науке об океане. [29]
Изучение океанографии делится на пять разделов:
Биологическая океанография изучает 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 приведена центральная тема, исследуемая химической океанографией.
Подкисление океана описывает снижение pH океана , вызванное антропогенными выбросами углекислого газа (CO 2 ) в атмосферу . [30] Морская вода слегка щелочная и имела доиндустриальный pH около 8,2. В последнее время антропогенная деятельность постоянно увеличивала содержание углекислого газа в атмосфере; около 30–40% добавленного CO 2 поглощается океанами, образуя угольную кислоту и снижая pH (сейчас ниже 8,1 [31] ) за счет подкисления океана. [32] [33] [34] Ожидается, что pH достигнет 7,7 к 2100 году. [35]
Важным элементом для скелетов морских животных является кальций , но карбонат кальция становится более растворимым под давлением, поэтому карбонатные раковины и скелеты растворяются ниже глубины карбонатной компенсации . [36] Карбонат кальция становится более растворимым при более низком pH, поэтому закисление океана, вероятно, повлияет на морские организмы с известковыми раковинами, такими как устрицы, моллюски, морские ежи и кораллы, [37] [38] и глубина карбонатной компенсации поднимется ближе к поверхности моря. Пострадавшие планктонные организмы будут включать крылоногих моллюсков , кокколитофорид и фораминифер , все они важны в пищевой цепи . В тропических регионах кораллы , вероятно, сильно пострадают, поскольку они станут менее способны строить свои скелеты из карбоната кальция, [39] в свою очередь, отрицательно влияя на других обитателей рифа . [35]
Текущая скорость изменения химии океана, по-видимому, беспрецедентна в геологической истории Земли, что делает неясным, насколько хорошо морские экосистемы адаптируются к меняющимся условиям ближайшего будущего. [40] Особую обеспокоенность вызывает то, каким образом сочетание закисления с ожидаемыми дополнительными стрессорами в виде более высоких температур океана и более низких уровней кислорода повлияет на моря. [41]
Геологическая океанография — это наука о 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, исследуемые физической океанографией.
Начиная с ранних океанических экспедиций в океанографии, основным интересом было изучение океанских течений и измерений температуры. Приливы , эффект Кориолиса , изменения направления и силы ветра , соленость и температура являются основными факторами, определяющими океанские течения. Термохалинная циркуляция (ТХЦ) ( термо- относится к температуре и -халинно относится к содержанию соли ) соединяет океанические бассейны и в первую очередь зависит от плотности морской воды . Все чаще эту систему называют «меридиональной опрокидывающей циркуляцией», поскольку она более точно учитывает другие движущие факторы, помимо температуры и солености.
Содержание тепла в океане (OHC) относится к дополнительному теплу, сохраненному в океане из-за изменений в энергетическом балансе Земли . Увеличение тепла в океане играет важную роль в повышении уровня моря из-за теплового расширения . Потепление океана составляет 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 и закономерностей седиментации и биологической продуктивности. Палеоокеанографические исследования с использованием моделей окружающей среды и различных прокси позволяют научному сообществу оценить роль океанических процессов в глобальном климате путем реконструкции прошлого климата в различные интервалы времени. Палеоокеанографические 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, за которым в 1919 году последовала Средиземноморская научная комиссия . Институты морских исследований уже существовали, начиная с Stazione Zoologica Anton Dohrn в Неаполе, Италия (1872), Биологической станции Роскофф, Франция (1876), Лаборатории Араго в Баньюльс-сюр-Мер, Франция (1882), Лаборатории Морской биологической ассоциации в Плимуте, Великобритания (1884), Норвежского института морских исследований в Бергене, Норвегия (1900), Лаборатории международных исследований моря, Киль, Германия (1902). По другую сторону Атлантики в 1903 году был основан Институт океанографии Скриппса , за ним в 1930 году последовал Океанографический институт Вудс-Хоул , в 1938 году — Виргинский институт морских наук , в 1949 году — Обсерватория Земли Ламонта–Доэрти при Колумбийском университете , а позднее — Школа океанографии при Вашингтонском университете . 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 , с 1970 года именуемое Международной гидрографической организацией , для разработки стандартов гидрографических и морских карт.
