Глубоководные исследования — это исследования физических, химических и биологических условий в водах океана и на дне моря за пределами континентального шельфа в научных или коммерческих целях. Глубоководные исследования являются одним из аспектов подводных исследований и считаются относительно новой деятельностью человека по сравнению с другими областями геофизических исследований, поскольку более глубокие глубины моря были исследованы только в сравнительно недавние годы. Океанские глубины по-прежнему остаются в значительной степени неисследованной частью Земли и образуют относительно неоткрытую область.
Можно сказать, что научные глубоководные исследования начались, когда французский ученый Пьер-Симон Лаплас исследовал среднюю глубину Атлантического океана , наблюдая за приливными движениями, зарегистрированными на бразильском и африканском побережьях около конца 18-го или начала 19-го века. Однако точная дата его исследования неизвестна. Он вычислил глубину в 3962 метра (12 999 футов), значение, которое позже было доказано довольно точным с помощью методов измерения эхолота . [1] Позже, из-за растущего спроса на установку подводных кабелей , потребовались точные измерения глубины морского дна, и были проведены первые исследования морского дна. Первые глубоководные формы жизни были обнаружены в 1864 году, когда норвежские исследователи Михаэль Сарс и Георг Оссиан Сарс получили образец стебельчатой криноидеи на глубине 3109 м (10 200 футов). [2]
С 1872 по 1876 год британские ученые на борту HMS Challenger , винтового корвета, который в 1872 году был переоборудован в исследовательское судно, провели знаменательное исследование океана . Экспедиция Challenger преодолела 127 653 километра (68 927 морских миль), а ученые на борту собрали сотни образцов и провели гидрографические измерения, открыв более 4700 новых видов морской жизни , включая глубоководные организмы. [1] [3] Им также приписывают предоставление первого реального вида основных особенностей морского дна, таких как глубоководные океанические впадины.
Первым инструментом, использовавшимся для глубоководных исследований, был зонд, использовавшийся британским исследователем сэром Джеймсом Кларком Россом . [4] С помощью этого инструмента он достиг глубины 3700 м (12 139 футов) в 1840 году. [5] Экспедиция «Челленджера» использовала похожие инструменты, называемые зондами Бейли, для извлечения образцов с морского дна. [ необходима ссылка ]
В 20 веке глубоководные исследования значительно продвинулись вперед благодаря ряду технологических изобретений, начиная от гидролокационной системы, которая может обнаруживать наличие объектов под водой с помощью звука, до пилотируемых глубоководных подводных аппаратов . В 1960 году Жак Пикар и лейтенант ВМС США Дональд Уолш спустились на батискафе «Триест» в самую глубокую часть мирового океана — Марианскую впадину . [6] 25 марта 2012 года кинорежиссер Джеймс Кэмерон спустился в Марианскую впадину на Deepsea Challenger и впервые снял и взял образцы дна. [7] [8] [9] [10] [11]
Несмотря на эти достижения в исследовании глубоководных районов, путешествие на дно океана по-прежнему остается сложным опытом. Ученые работают над поиском способов изучения этой экстремальной среды с борта корабля. С более сложным использованием волоконной оптики , спутников и роботов с дистанционным управлением ученые надеются, что однажды они смогут исследовать глубоководные районы с экрана компьютера на палубе, а не из иллюминатора. [3]
Экстремальные условия в глубоком море требуют сложных методов и технологий, чтобы выдержать, что было главной причиной, по которой его исследование имело сравнительно короткую историю. Некоторые важные вехи глубоководного исследования перечислены ниже:
Измерительный груз, один из первых инструментов, используемых для исследования морского дна, был разработан как трубка на основании, которая продавливала морское дно, когда оно достигало дна океана. Британский исследователь сэр Джеймс Кларк Росс в полной мере использовал этот инструмент, чтобы достичь глубины 3700 м (12 139 футов) в 1840 году. [4] [16]
Грузы для измерения глубин, используемые на HMS Challenger, были немного более продвинутой «машиной для измерения глубины Бейли». Британские исследователи использовали зондирование с помощью троса для исследования глубин моря и собрали сотни биологических образцов со всех океанов, кроме Северного Ледовитого . На HMS Challenger также использовались драги и черпаки, подвешенные на тросах, с помощью которых можно было получить образцы осадков и биологические образцы морского дна. [4]
Более продвинутая версия зондирующего груза — гравитационный пробоотборник . Гравитационный пробоотборник позволяет исследователям отбирать и изучать слои осадочных пород на дне океанов. Пробоотборник состоит из открытой трубки со свинцовым грузом и спускового механизма, который освобождает пробоотборник от его подвесного троса, когда пробоотборник опускается на морское дно и небольшой груз касается земли. Пробоотборник падает на морское дно и проникает в него на глубину до 10 м (33 фута). Поднимая пробоотборник, извлекается длинный цилиндрический образец, в котором сохраняется структура слоев осадочных пород морского дна. Извлечение кернов осадочных пород позволяет ученым увидеть наличие или отсутствие определенных ископаемых в иле, которые могут указывать на климатические особенности в прошлом, например, во время ледниковых периодов. Образцы более глубоких слоев можно получить с помощью пробоотборника, установленного в буровой установке. Буровое судно JOIDES Resolution оборудовано для извлечения кернов с глубин до 1500 м (4921 фут) ниже дна океана. (См. программу бурения в океане ) [17] [18]
Эхолотные приборы также широко использовались для определения глубины морского дна со времен Второй мировой войны . Этот прибор используется в основном для определения глубины воды с помощью акустического эха. Импульс звука, посылаемый с корабля, отражается от морского дна обратно к кораблю, причем интервал времени между передачей и приемом пропорционален глубине воды. Регистрируя промежутки времени между исходящими и возвращающимися сигналами непрерывно на бумажной ленте, получается непрерывное картирование морского дна . [19] Большая часть дна океана была нанесена на карту таким образом. [ требуется цитата ]
Видеокамеры высокого разрешения, термометры , измерители давления и сейсмографы — другие инструменты, полезные для глубоководных исследований. Эти инструменты либо опускаются на дно моря с помощью кабелей, либо прикрепляются к погружаемым буям . [ необходимо разъяснение ] Глубоководные течения можно изучать с помощью поплавков, несущих ультразвуковое звуковое устройство, чтобы их движения можно было отслеживать с борта исследовательского судна. [ необходимо разъяснение ] Эти суда оснащены точными навигационными приборами, такими как спутниковая навигация и системы динамического позиционирования , которые удерживают судно в фиксированном положении относительно гидроакустического маяка на дне океана. [4] Магнитометры были впервые использованы на месте крушения Титаника во время экспедиции 15 июля 2024 года с целью обнаружения металла, а также извлечения артефактов на месте, что является средством, часто используемым исследователями при обследовании затонувших кораблей на таких глубинах, учитывая их материальную точность в распознавании ферромагнитных материалов , [20] и поэтому часто пользуются большим спросом у экспедиционных фирм. [21]
Из-за высокого давления глубина, на которую может погрузиться дайвер без специального оборудования, ограничена. Самый глубокий зарегистрированный спуск, совершенный фридайвером, составляет 253 м (830 футов) по состоянию на 2012 год. [22] Рекорд подводного плавания составляет 318 м (1043 фута) по состоянию на июнь 2005 года, [23] и 534 метра (1752 фута) на поверхности во время экспериментальных погружений Comex Hydra 8 в 1988 году. [24]
Атмосферные водолазные костюмы изолируют водолаза от давления окружающей среды и позволяют водолазам достигать глубины примерно до 600 м (1969 футов). [25] Некоторые атмосферные костюмы оснащены двигателями , которые могут продвигать водолаза сквозь воду. [26]
Чтобы исследовать большие глубины, исследователи глубоководья должны полагаться на специально сконструированные устойчивые к давлению камеры, чтобы защитить их, или исследовать удаленно. Американский исследователь Уильям Биб , также натуралист из Колумбийского университета в Нью-Йорке, работая с коллегой-инженером Отисом Бартоном из Гарвардского университета , спроектировал первую практическую батисферу для наблюдения за морскими видами на глубинах, которые не мог достичь водолаз. [ необходима цитата ] В 1930 году Биб и Бартон достигли глубины 435 м (1427 футов), а в 1934 году — 923 м (3028 футов). Потенциальная опасность заключалась в том, что если бы трос оборвался, пассажиры не смогли бы вернуться на поверхность. Во время погружения Биб выглядывал из иллюминатора и сообщал о своих наблюдениях по телефону Бартону, который был на поверхности. [16] [27]
В 1948 году швейцарский физик Огюст Пиккар испытал гораздо более глубоководное судно, которое он изобрел, названное батискафом , судоходным глубоководным судном с заполненным бензином поплавком и подвесной камерой или гондолой из сферической стали. [ требуется цитата ] Во время экспериментального погружения на островах Зеленого Мыса его батискаф успешно выдержал давление на нем на глубине 1402 м (4600 футов), но его корпус был серьезно поврежден сильными волнами после погружения. В 1954 году с этим батискафом Пиккар достиг глубины 4000 м (13 123 фута). [ требуется цитата ] В 1953 году его сын Жак Пиккар присоединился к строительству нового и улучшенного батискафа Триест , который погрузился на глубину 3139 м (10 299 футов) в ходе полевых испытаний. [ необходима цитата ] ВМС США приобрели Триест в 1958 году и оборудовали его новой кабиной, чтобы он мог достигать глубоких океанских впадин. [6] В 1960 году Жак Пикар и лейтенант ВМС США Дональд Уолш спустились в Триесте к самой глубокой известной точке на Земле — Бездне Челленджера в Марианской впадине , успешно совершив самое глубокое погружение в истории: 10 915 м (35 810 футов). [6]
В настоящее время по всему миру используется все большее количество подводных аппаратов с экипажем. Например, построенный в Америке DSV Alvin , эксплуатируемый Океанографическим институтом Вудс-Хоул , представляет собой трехместную подводную лодку, которая может погружаться на глубину около 3600 м (11 811 футов) и оснащена механическим манипулятором для сбора донных образцов. Alvin предназначен для перевозки экипажа из трех человек на глубину до 4000 м (13 123 фута). Подводная лодка оснащена освещением, камерами, компьютерами и высокоманевренными роботизированными руками для сбора образцов в темноте океанских глубин. [28] [29] Alvin совершил свое первое тестовое погружение в 1964 году и выполнил более 3000 погружений на среднюю глубину 1829 м (6001 фут). Элвин также принимал участие в самых разных исследовательских проектах, например, в проекте, в котором гигантские трубчатые черви были обнаружены на дне Тихого океана недалеко от Галапагосских островов . [29]
Один из первых беспилотных глубоководных аппаратов был разработан Университетом Южной Калифорнии с грантом от Фонда Аллана Хэнкока в начале 1950-х годов для разработки более экономичного метода фотографирования на глубине нескольких миль под водой с помощью беспилотной стальной сферы высокого давления весом 3000 фунтов (1361 кг), называемой бентографом, которая содержала камеру и стробоскоп. Оригинальный бентограф, построенный USC, был очень успешным в съемке серии подводных фотографий, пока он не застрял между камнями и его нельзя было извлечь. [30]
Дистанционно управляемые аппараты (ROV) также все чаще используются в подводных исследованиях. Эти подводные аппараты управляются с помощью кабеля, который подключается к надводному кораблю, и могут достигать глубины до 6000 м (19 685 футов). Новые разработки в робототехнике также привели к созданию AUV или автономных подводных аппаратов . Роботизированные подводные аппараты программируются заранее и не получают никаких инструкций с поверхности. Гибридный ROV (HROV) сочетает в себе черты как ROV, так и AUV, работая независимо или с помощью кабеля. [31] [32] Argo использовался в 1985 году для обнаружения обломков RMS Titanic ; меньший Jason также использовался для исследования места кораблекрушения. [32]
Глубоководные исследовательские суда должны работать под высоким внешним гидростатическим давлением , и большая часть глубоководного моря остается при температурах, близких к температуре замерзания, что может вызвать хрупкость некоторых материалов. Структурная геометрия, выбор материалов и строительные процессы являются важными факторами проектирования. Если судно укомплектовано экипажем, отсеки, в которых размещаются пассажиры, почти всегда являются ограничивающим фактором. Другие части транспортного средства, такие как корпуса электроники, могут быть заполнены легкими, но устойчивыми к давлению синтаксическими пенами или заполнены несжимаемыми жидкостями. [33] Однако занятая часть должна оставаться полой и находиться под внутренним давлением, подходящим для людей. Поскольку давление, приемлемое для пребывания людей, настолько мало по сравнению с внешним давлением окружающей среды на глубине, внутреннее давление обычно поддерживается примерно на уровне атмосферного давления на поверхности, что значительно упрощает системы жизнеобеспечения и позволяет немедленно выйти на поверхность без декомпрессии. Беспилотные суда могут иметь чувствительное и деликатное электронное оборудование, которое должно быть сухим и изолированным от внешнего давления. Независимо от характера судна или используемых материалов, сосуды высокого давления почти всегда имеют сферическую, коническую или цилиндрическую форму, поскольку они наиболее эффективно распределяют нагрузку, сводя к минимуму напряжение и неустойчивость к изгибу. [33]
Обработка выбранного материала для строительства подводных исследовательских аппаратов определяет большую часть остального процесса строительства. Например, Японское агентство по морским и земным наукам и технологиям (JAMSTEC) использует несколько автономных подводных аппаратов (AUV) с различной конструкцией. Наиболее часто используемые металлы для строительства сосудов высокого давления этих аппаратов — это кованые сплавы алюминия, стали и титана. [33] Алюминий выбирают для операций на средней глубине, где не требуется чрезвычайно высокая прочность. Сталь — чрезвычайно хорошо изученный материал, который можно настроить на невероятный предел текучести и предел текучести . Это превосходный материал для сопротивления экстремальному давлению моря, но имеет очень высокую плотность, что ограничивает размер стальных сосудов высокого давления из-за проблем с весом. [33] Титан почти такой же прочный, как сталь, и в три раза легче. Кажется, что это очевидный выбор для использования, но у него есть несколько собственных проблем. Во-первых, работать с титаном намного дороже и сложнее, а неправильная обработка может привести к существенным дефектам. Чтобы добавить такие функции, как смотровые окна, в сосуд высокого давления, необходимо использовать деликатные операции по обработке , которые несут риск для титана. [34] Например, Deepsea Challenger использовал стальную сферу для размещения своего пилота. По оценкам, эта сфера способна выдерживать 23 100 фунтов на квадратный дюйм гидростатического давления, что примерно эквивалентно глубине океана в 52 000 футов, что намного глубже, чем Challenger Deep. Меньшие титановые сферы использовались для размещения многих электронных устройств судна, поскольку меньший размер снижал риск катастрофического отказа. [35]
Кованые металлы физически обрабатываются для создания желаемых форм, и этот процесс укрепляет металл несколькими способами. При обработке при более низких температурах, также известной как холодная обработка , металл подвергается деформационному упрочнению . При обработке при высоких температурах, или горячей обработке , другие эффекты могут упрочнять металл. Повышенные температуры облегчают обработку сплава, а последующее быстрое снижение температуры путем закалки фиксирует на месте легирующие элементы. Затем эти элементы образуют осадки, которые еще больше увеличивают жесткость.
В 1974 году Alvin (управляемый Океанографическим институтом Вудс-Хоул и Исследовательским центром Deep Sea Place), французский батискаф Archimède и французская подводная тарелка CYANA , при содействии судов поддержки и Glomar Challenger , исследовали большую рифтовую долину Срединно -Атлантического хребта , к юго-западу от Азорских островов . Было сделано около 5200 фотографий региона, и образцы относительно молодой затвердевшей магмы были обнаружены по обе стороны от центральной трещины рифтовой долины, что дало дополнительное доказательство того, что морское дно расширяется в этом месте со скоростью около 2,5 сантиметров (1,0 дюйм) в год (см. тектоника плит ). [36]
В серии погружений, проведенных в 1979–1980 годах в Галапагосском разломе у побережья Эквадора , французские, итальянские, мексиканские и американские ученые обнаружили отверстия высотой около 9 м (30 футов) и шириной около 3,7 м (12 футов), из которых в темных дымообразных шлейфах выбрасывается смесь горячей воды (до 300 °C, 572 °F) и растворенных металлов (см. гидротермальное отверстие ). Эти горячие источники играют важную роль в формировании месторождений, обогащенных медью , никелем , кадмием , хромом и ураном . [36] [37]
В ходе глубоководных исследований были собраны многочисленные биологические образцы, многие из которых предоставили новые для науки выводы и гипотезы. [38] Например, микробиологические образцы из глубин Тирренского моря, собранные в ходе океанографических кампаний Средиземноморской научной комиссии, подтвердили значительный вклад морских бактерий и вирусов в продуктивность батипелагических вод и, в частности, роль, которую в этом отношении играют автотрофные и окисляющие аммиак археи. [39]
Глубоководные исследования получили новый импульс из-за растущего интереса к богатым минеральным ресурсам , которые находятся на глубинах дна океана , впервые обнаруженным в ходе исследовательского плавания Challenger в 1873 году. Растущий интерес государств-членов Международного органа по морскому дну привел к заключению 18 контрактов на разведку в зоне разлома Кларион Клиппертон в Тихом океане . [40] Результатом разведки и связанных с ней исследований стало открытие новых морских видов , а также микроскопических микробов , которые могут иметь значение для современной медицины . [41] Частные компании также выразили интерес к этим ресурсам. Различные подрядчики в сотрудничестве с академическими учреждениями приобрели 115 591 км2 батиметрических данных высокого разрешения , 10 450 сохраненных биологических образцов для изучения и 3 153 линейных км изображений морского дна, помогающих глубже понять дно океана и его экосистему . [42]
