слоеный пирог экологии по одуму
Слоеный пирог экологии по одуму
1.1. экология как наука
Как самостоятельная наука экология сформировалась приблизительно к 1900 г. Термин «экология» был предложен немецким биологом Эрнстом Геккелем в 1869 г. Следовательно, это сравнительно молодая наука. Но именно она переживает в настоящее время период быстрого роста. Экология (греч. oicos
тропогенного фактора не только на органический мир, но и на неживую природу.
Обычно охрану природы рассматривают как отрасль практики, имея в виду комплекс государственных, международных и общественных мероприятий, направленных на рациональное природопользование, восстановление, охрану и умножение природных ресурсов для блага человеческого общества. Нередко, однако, охрана природы трактуется как наука, изучающая социальный обмен веществ, или обмен веществ между природой и обществом. Интенсивность стихийного обмена веществом и энергией между обществом и природой к настоящему времени настолько возросла, что возникла серьезная опасность для дальнейшего существования человечества. Общество по степени своего воздействия на природу становится геологической силой. Достаточно сказать, что во всем мире в результате горнодобывающих и земляных работ на земную поверхность ежегодно выносится около 5 куб.км породы, а это всего в три раза меньше того, что уносят в океан все реки нашей планеты. За последние 500 лет на поверхность из недр извлечено не менее 50 млрд т углерода, 2 млрд т железа. Всего за последнее столетие промышленность выбросила в атмосферу около 360 млрд т углекислого газа, что увеличило его концентрацию почти на 13\%.
Распахивая землю, человечество перемещает массу почвы, в три раза превосходящую количество вулканических пород, поступающих на земную поверхность из недр за тот же срок. Деятельность человека уже приводит к изменению геохимии отдельных районов вследствие рассеивания некоторых элементов, сконцентрированных ранее в месторождениях. Это таит в себе большую опасность, ибо все организмы, включая и человека, приспособились в ходе эволюции к существующему в окружающей среде сочетанию химических элементов.
В свою очередь, каждая из них объединяет более частные науки, имеющие дело с собственной сравнительно узкой группой живых организмов. В соответствии с этим мы вправе разделить зоологию на протозоологию, энтомологию, ихтиологию, орнитологию и т. д. Экология относится к фундаментальным разделам биологии и представляет собой составную часть каждого таксономического подраз-
деления. Мы можем говорить об экологии растений, экологии животных. экологии микроорганизмов, а рассматривая более частные элементы этих разделов, и об экологии птиц, рыб, насекомых и т. д.
Рис, 1.1. «Слоеный пирог» биологии (по Одуму, 1975). Объяснение в тексте.
В свою очередь, экология подразделяется еще на четыре горизонта, соответствующих различным уровням биологической организации: от индивидуума через популяцию и сообщество к экосистеме. Для получения более наглядной картины, определяющей предмет и задачи экологии, можно вертикально разделить «экологический» слой не по принципу систематических таксонов, а по более общим принципам биологической организации, таким как форма, функция, развитие, регуляция и адаптация. Если мы рассмотрим все секции горизонта, соответствующего сообществу, то обнаружим секцию формы, определяющую численность и обилие видов; секцию функции, выясняющую взаимоотношения между популяциями хищника и жертвы и обоюдными влияниями конкурирующих видов; секцию развития, изучающую смену видов, например, при переходе от расчищенной земли к лесу; секцию регуляции, исследующую способность сообщества поддерживать присущую ему стабильность; и секцию адаптации, изучающую эволюцию приспособлений. Если же выбрать какую-нибудь одну «стопку секций», например ту, которая соответствует функции, то на уровне экосистемы будут рассматриваться потоки энергии и круговорот веществ, на
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ЭКОЛОГИЮ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
по дисциплине: «Экология и рациональное природопользование»
для всех технических и экономических специальностей
Челябинск
2008
директора по НМРиИТ
______________ В.М. Иус
Заведующий отделением ЭиИ
Автор: – преподаватель Д.В. Ульрих
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………….. 6
Блок 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ЗАКОНЫ ЭКОЛОГИИ………………………………………………………………………. 7
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ЭКОЛОГИЮ………………………………………… 7
1.1. История экологии………………………………………………………. 7
12. Современные экологические проблемы, роль экологии
1.4.Уровни организации жизни……………………………………………. 12
Глава 2. МЕЖДУНАРОДНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ В ОБЛАСТИ
2.1.Международная биологическая программа (МБП)……………………. 17
2.2.Программа «Человек и биосфера» (МАБ)……………………………. 19
2.3.Международные организации, работающие в рамках программы » Человек и биосфера»……………………………………………………… 20
Тесты для самоконтроля к блоку 1…………………………………….. 22
Блок 2. ОРГАНИЗМ И СРЕДА………………………………………………… 24
Глава 3. СРЕДА И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ……………………….. 24
3.3.»Закон» толерантности Шелфорда…………………………………….. 28
3.4. Компенсация факторов и экотипы……………………………………. 31
3.5. Обобщённая концепция лимитирующих факторов…………………. 33
Глава 4. ТЕМПЕРАТУРА КАК АБИОТИЧЕСКИЙ ФАКТОР…………….. 35
4.1. Диапазон активности организмов в зависимости от температурных условий………………………………………………………………………. 35
4.2.Периодичность температурного фактора……………………………… 38
4.3.Зональность распределения организмов……………………………… 38
Глава 5. СВЕТ КАК АБИОТИЧЕСКИЙ ФАКТОР………………………… 41
5.1. 
Солнечный свет и его составляющие……………………………………41
5.2.Экологические характеристики света…………………………………. 43
5.3.Экологическое значение разных участков солнечного спектра ………44
Глава б. ВОДА КАК АБИОТИЧЕСКИЙ ФАКТОР………………………… 46
6.1.Общая характеристика гидросферы……………………………………. 46
6.2.Потеря воды и пополнение её запасов организмами…………………. 46
6.3.Регуляция водного режима организмами………………………………. 47
6.4.Классификация организмов в зависимости от их потребности в
Глава 7. АТМОСФЕРА КАК АБИОТИЧЕСКИЙ ФАКТОР…………………. 51
7.1.Общая характеристика атмосферы……………………………………. 51
7.2.Состав воздуха и его значение в жизни организмов………………….. 52
7.3.Радиоактивность и ионизация в атмосфере…………………………… 55
7.4.Свойства воздушной среды…………………………………………….. 56
Глава 8. ПОЧВЕННЫЙ ПОКРОВ ЗЕМЛИ КАК АБИОТИЧЕСКИЙ
8.1.Почвенный покров Земли……………………………………………….. 59
8.2.Физические свойства почвы и их экологическое значение…………… 60
8.3.Химические свойства почвы и их экологическое значение………….. 61
8.5.Почва как среда для жизни животных организмов……………………. 63
Тесты для самоконтроля к блоку 2……………………………………………… 64
Блок 3. ВЗАИМООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ ОРГАНИЗМАМИ……………… 68
Глава 9. ФОРМЫ БИОТИЧЕСКИХ ОТНОШЕНИЙ…………………………. 68
9.1.Типы взаимодействия между двумя видами…………………………… 68
9.5.Другие виды взаимоотношений между организмами…………………. 72
Глава 10. ЭНЕРГИЯ В ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ………………… 74
10.1 Термодинамические законы в экосистеме……………………………. 74
10.2.Энергетические характеристики среды. 75
10.3.Пищевые цепи, пищевые сети и трофические уровни……………….. 76
10.4.Трофическая структура и экологические пирамиды…………………. 78
10.5.Продуктивность экосистемы………………………………………….. 80
10.6.Примеры продуктивности экосистем…………………………………. 82
Глава 11.. УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ…………………………………………….85
11.1.Научная деятельность В.И. Вернадского, приведшая к
возникновению теории о биосфере …………………………………………85
11.2.Характеристика биосферы по Вернадскому………………………….. 86
11.3.Геологический круговорот веществ. Единство малого и большого
Тесты для самоконтроля к блоку 3………………………………………. 94
Блок 4. ГЛОБАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ……………..96
Глава 12. ЭКОЛОГИЯ МЕГАПОЛИСА…………………………………. 96
12.1.Статистика городского населения………………………………………96
12.2.Стадии урбанизации………………. 97
12.3.Рост конурбаций или мегаполисов…………. 99
Глава 13. АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА БИОСФЕРУ…………103
13.1.Основные экологические проблемы современности…………………103
13.3.Основы экологического права…………………………………………107
13.4.Экозащитная техника и технологий…………………………………108
Ответы к тестам для самоконтроля……………………………………112
ВВЕДЕНИЕ
Курс «Экология» является одним из обязательных в теоретической подготовке квалифицированных инженеров по специальности «Городское строительство и хозяйство», «Основы дорожного движения», «Автомобили и автомобильное хозяйство», «Энергоснабжение промышленных предприятий». Знания, полученные в этом курсе, позволят сформировать целостное и правильное понимание функционирования биосферы.
Учебное пособие состоит из четырех блоков, в каждом из них изложены теоретические вопросы и приведены примеры, наглядно иллюстрирующие законы функционирования экосистем.
Изучение теоретической части пособия, и выполнение всех заданий позволит сформировать целостное представление об экологии, её основных принципах и законах, а также выработать правильное отношение к окружающей нас природе.
Блок 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ
И ЗАКОНЫ ЭКОЛОГИИ
История экологии
Подобно всем другим областям знания, экология развивалась непрерывно, но неравномерно. Труды Гиппократа, Аристотеля и др. древнегреческих философов содержат сведения явно экологического характера. Однако греки не знали слова «экология». Термин этот недавнего происхождения. Он был предложен немецким биологом Эрнстом Геккелем в 1869 г.:
Вначале экология занималась в основном изучением естественной истории организмов, образом жизни животных и растений: где и когда их можно встретить, чем они питаются, кому они сами служат пищей, как реагируют на изменения в окружающей среде. Однако к концу XIX в. этот узкий взгляд на экологию уступил место более широким представлениям о взаимоотношениях между всеми растениями и животными. Если аутэкология изучала организм со всем тем, что его окружает, то синэкология, как было названо это новое более широкое направление, изучала совокупности растений и животных и характерные особенности структуры и функций таких совокупностей, формирующихся под влиянием среды.
Пример: разве луг не отличается от леса и разве нельзя связать различия между ними с различиями в температуре, количестве осадков и характере почвы?
Структура экологии
По своему зарождению и развитию экология отличается от других наук. Все науки делятся на две группы: аналитические — цель которых расчленить и выделить элементы структуры; синтетические стремящиеся к осмыслению системы во всей её целостности путём изучения взаимодействия между всеми сё элементами.
Рис. 1.1. «Слоеный пирог» биологии. Фундаментальные (горизонтальные) и «таксономические» (вертикальные) подразделения.
Экология относится к фундаментальным разделам биологии и как таковая является составной частью каждого из всех таксономических подразделений.
Уровни организации жизни
Вероятно, лучше всего можно определить содержание современной экологии, исходя из концепции уровней организации, которые составляют своего рода «биологический спектр»
Под системой в данном случае мы подразумеваем «упорядочение взаимодействующие и взаимозависимые компоненты, образующие единое целое» (словарь Уэбстера).
Системы, содержащие живые компоненты (биологические системы или биосистемы), можно выделять на любом из уровней (рис. 1.2) или на любом промежуточном уровне, удобном или полезном для исследования.
Например, мы можем рассматривать не только системы генов, органов и т.д., но такие системы паразит-хозяин, что соответствует промежуточному уровню между популяцией и сообществом.
Экология изучает преимущественно те системы, которые расположены в правой части приведённого спектра, т.е. системы выше уровня организмов. Термин популяция (от латинского populus — народ), первоначально принявшийся для обозначения группы людей, в экологии приобрёл более широкое значение и относится к группе особей любого вида организмов. Точно также сообщество в экологическом смысле (иногда говорят «биотическое сообщество») включает все популяции, занимающие данную площадь. Сообщество и неживая среда функционируют совместно как экологическая система, или экосистема. Сообществу и экосистеме приблизительно соответствуют часто употребляемые в европейской и русской литературе термины биоценоз и биогеоценоз. Самая крупная и наиболее близкая к идеалу «самообеспечения» биологическая система, известная нам, — это биосфера или экосфера, она включает все живые организмы Земли, находящиеся во взаимодействии с физической средой Земли, в результате чего эта система, через которую проходит поток энергии от мощного её источника, и которая переизлучает в космическое пространство, поддерживается в состоянии устойчивого равновесия.
Синэкология и присущее ей отношение к совокупностям животных и растений как к неким биологическим единицам, сообществам, достигает наивысшего выражения в развиваемых ею представлениях о сообществе как о супер организме. Параллели между сообществом и организмом очевидны: и сообщество и организм состоят из отдельных субъединиц; в организме имеются сердце, лёгкое, печень и т.д., в сообществе зелёные растения, хищники и организмы-разрушители. Лесное сообщество развивается на расчищенной земле, проходя в процессе сукцессии через стадии поля и кустарников, прежде чем оно достигает зрелости, подобно тому, как организм проходит через ряд стадий развития и лишь после этого становится взрослым.
Рис. 1.2. Структура биогеоценоза
Описание файла
Просмотр DJVU-файла онлайн
Многие великие деятели «биологического Возрождения» (ХЧ1П вЂ” Х1Х вв.) внесли свой вклад в эту область, хотя название «экология» долгое время не употреблялось. Например, Антон ван Левенгук, более известный как один из первых микроскопистов начала ХЧ1П в., был также пионером в изучении «пищевых цепей» и регулирования численности популяций (Эгертон, 1968) — двух важных разделов современной экологии. Как самостоятельная наука экология сформировалась приблизительно к 1900 г., но лишь в последнее десятилетие это слово приобрело особую популярность.
В наши дни каждый остро осознает важность наук о среде для поддержания и повышения уровня современной цивилизации. Экология быстро становится отраслью науки, теснейшим образом связанной с повседневной жизнью каждого человека, будь то мужчина, женщина или ребенок. Слово «экология» образовано от греческого ойкос, что означает «дом» или «жилище». В буквальном смысле экология †э наука об организмах «у ‘себя дома».
Обычно экологию определяют как науку об отношениях организмов или групп организмов к окружающей их среде, или как науку о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания. Поскольку экология занимается преимущественно биологией групп организмов и функциояальпыма процессами на суше, чдсть!. Основные экОлогические пРинципы и концепции Фунаамене)адские поррас()н(акая Мал екнаес Сиалаая ‘ (4 «‘Ъ ))левика Якааалая — « н л(й Йкссномиееские поррас()никия в море и в пресных водах, опреде ление этой области исследований как науки о структуре и функциях природы будет более соответ- Ь ствовать ее современному направлению, причем человечество рассматривается как часть природы.
Для последних десятилетий ХХ в. особенно подходит одно из определений, данных в полном словаре Уэбстера, а именно: «Предмет Юаклмриглла(е экологии — это совокупность или О л)слагая структура связей между ореанизЕллааиака мами и ик средой». Для «долгозанлмллллая срочного» употребления лучшим определением этого обширного по объему понятия будет, по-видимому, наиболее краткое и наименее специальное, а именно Фнг. 1. «Слоеный пирог» бнологнн. «биология окружающей среды» Фундаментальные (гериаентальиые) н таксе- (епч)гопшеп
а) ь)о)осгн) немиеескиеь (нертикальные) падр«»деленна, Но достаточно определений. Чтобы лучше понять предмет и задачи экологии, рассмотрим отношен!ие этой последней к другим областям биологии и прочим «логиям».
В современную эпоху специализации человеческой деятельности естественные связи между различными дисциплинами часто исчезают из нашего поля зрения вследствие обилия сведений в пределах каждой дисциплины (а иногда, как следует с сожалением признать, и вследствие шаблонного преподавания наук в учебных заведениях). Вместе с тем почти любую отрасль знаний можно определить слишком широко, так что предмет ее разрастется сверх всяких разумных пределов. Признанные «области» науки должны иметь признанные границы, пусть даже несколько условные и время от времени подверженные изменениям.
Такой сдвиг границ и самого предмета исследований был особенно заметен как раз в экологии в связи с ростом общественного интереса к этой науке. Сейчас слово «экология» для многих означает «совокупность человека и окружающей среды». Но давайте вначале рассмотрим более традиционное, академическое положеиие экологии в семье наук. Остановимся вкратце на том, как подразделяется «наука о жизни» вЂ” биология. Если представить себе структуру биологии в виде «слоеного пирога», то его можно разрезать на куски двумя разными способами, как показано на фиг. Е Можно делить его по горизонтали — тогда мы получим «фундаментальные» науки, изучающие основные, фундаментальные свойства жизни или по крайней мере не ограничивающиеся отдельными группами организмов.
Примеры таких наук— морфология, физиология, генетика, теория эволюции, молекулярная биология и биология развития. Мы можем также делить наш «пирог» по вертикали и получим так называемые )«таксономические» науки, изучающие морфологию, физиологию, экологию и т. д. определенных организмов. Крупные подразделения этого типа — зоология, ботаника и бактериология, а подразделения, имеющие дело с более узкими груп-‘ пами,— фикология, протозоология, микология, энтомология, орнитология и т. д. Экология относится к фундаментальным разделам биологии и как таковая является составной частью каждого и всех таксономических подразделений. Оба подхода полезны.
Часто весьма плодотворным оказывается ограничение исследований какой-то одной систематической Гл. ь предйет экологии группой, поскольку различные группы организмов требуют разных методов изучения (нельзя, скажем, изучать орлов теми же методами, что и бактерий) и поскольку некоторые группы организмов в экономическом или другом отношении намного важнее или интереснее для человека, чем другие. Однако, коль скоро мы рассматриваем нашу науку как «фундаментальную», мы обязаны сформулировать и обосновать ее общие принципы. В этом и состоит цель первой части настоящей книги.
Вероятно, лучше всего можно определить содержание современной экологии исходя из концепции уровней организации, которые составляют своего рода «биологический спектр», как это показано на фиг. 2. Сообщество, популяция, организм, орган, клетка н ген в главные уровни организации жизни; на фиг. 2 они расположены в иерархическом порядке в от крупных систем к малым. Взаимодействие с физической средой (энергией и веществом) на каждом уровне обусловливает существование определенных функциональных систем.
Под системой мы подразумеваем именно то, что словарь Уэбстера для студентов определяет как «упорядоченно взаимодействующие и взаимозависимые компоненты, образующие единое целое». Системы, содержащие живые компоненты (биологические системы, или биоснстемы), можно выделять па любом из уровней, представленных на фпг. 2, или на любом промежуточном уровне, удобном или полезном для исследования. Например, мы можем рассматривать не только системы генов, органов и т. д., ио также системы паразит — хозяин, что соответствует промежуточному уровню между популяцией и сообществом. Экология изучает преимущественно те системы, которые расположены в правой части приведенного спектра, т.
е. системы выше уровня организмов. Термин популяция (от лат. рори(из — народ), первоначаль. но применявшийся для обозначения групп людей, в экологии приобрел более широкое значение и относится к группе особей любого вида организмов. Точно так же сообщество в экологическом смысле (иногда говорят «биотическое сообщество») включает все популяции, занимающие данную плошадь. Сообщество и неживая среда функционируют совместно как экологическая система, или экосистема. Сообществу и экосистеме приблизительно соответствуют часто употребляемые в европейской и русской литературе термины биоценоз и биогеоценоз’. Самая крупная и наиболее близкая к идеалу «самообеспечения» биологическая система, известная нам,— это биосфера, или эносфера; она включает все живые организмы Земли, находящиеся во взаимодействии с физической средой Земли, в результате чего эта система, через которую проходит поток энергии от мощного ее источника, Солнца, и которая переизлучает в космическое пространство, поддерживается в состоянии устойчивого равновесия.
Отметим, что в приведенном выше «спектре»а нет четких границ нли разрывов даже между уровнями организма и популяции. Поскольку мы привыкли, имея дело с людьми и высшими животными, представлять себе особь как конечную единицу, идея непрерывного спектра уровней может на первый взгляд показаться страцной.
Однако если принять во внимание такие факторы, как взаимозависимость, взаимосвязи и выживание, то и в самом деле здесь нигде не должно быть резких разрывов. Отдельный организм, например, не более способен ‘ См. В. Н. Сукачев, «Основы теории биогеоценологии», 194Ч (в юбилейном сб. АН СССР к Зб.летию Великой Октябрьской социалистической ревьчюции) и сОсновы лесной биогеоценологии» (ред.
2. Спектр уровней организации. Эковогив изучает уровни, каходкщиеев в правов части спектра, т. е. уровни оргаиизации от оргвиизмов до зкоеигтем. к длительному существованию вне своей популяции, чем отдельный орган (в качестве самоподдерживающейся системы) вне своего организма. Подобно этому, сообщество не может существовать без круговорота веществ и потока энергии в экосистеме. Одна из причин, почему уровни организации изображены в виде горизонтального, а не вертикального ряда, состоит в том, что ни один из них в общем нельзя считать более или менее важным или более или менее заслуживающим изучения, чем какой-либо другой уровень. В этом ряду при движении слева направо некоторые признаки, несомненно, становятся более сложными и более изменчивыми, однако часто упускают из виду, что другие свойства при переходе от малых систем к большим становятся менее сложными и менее изменчивыми.
Слоеный пирог экологии по одуму
Слоеный пирог в океане
В 1965 г. американский ученый Генри Стоммел и советский ученый Константин Федоров совместно проводили испытания нового американского прибора для измерения температуры и солености вод океана. Работы проводились в Тихом океане между островами Минданао (Филиппины) и Тимор. Прибор опускали на тросе в глубину вод.
Однажды исследователи обнаружили на регистраторе прибора необычную запись измерений. На глубине 135 м, там, где окончился перемешанный слой океана, температура должна была согласно существовавших представлений начать равномерно уменьшаться с глубиной. А прибор зарегистрировал ее повышение на 0,5 °C. Слой воды с такой повышенной температурой имел толщину около 10 м. Затем температура начала уменьшаться.
Вот что написал об этом примечательном наблюдении ученых доктор технических наук Н. В. Вершинский, руководитель лаборатории морских измерительных приборов Института океанологии АН СССР: «Чтобы понять удивление исследователей, надо сказать, что в любом курсе океанографии тех лет о распределении температуры в океане по вертикали можно было прочесть примерно следующее. Первоначально от поверхности вглубь идет верхний перемешанный слой. В этом слое температура воды практически остается неизменной. Толщина перемешанного слоя обычно составляет 60 – 100 м. Ветер, волны, турбулентность, течение все время перемешивают воду в поверхностном слое, благодаря чему ее температура и становится примерно одинаковой. Но возможности перемешивающих сил ограниченны, на какой-то глубине их действие прекращается. При дальнейшем погружении температура воды резко уменьшается. Скачком!
Этот второй слой так и называется – слой скачка. Обычно он невелик и составляет всего 10–20 м. На протяжении этих немногих метров температура воды снижается на несколько градусов. Градиент температуры в слое скачка обычно составляет несколько десятых долей градуса на метр. Этот слой – удивительное явление, которому нет аналога в атмосфере. Он играет большую роль в физике и биологии моря, а также в человеческой деятельности, связанной с морем. Благодаря большому градиенту плотности в слое скачка собираются различные частицы взвеси, планктонные организмы и мальки рыб. Подводная лодка в нем может лежать, как на грунте. Поэтому иногда его называют слоем «жидкого грунта».
Слой скачка представляет собой своеобразный экран: через него плохо проходят сигналы эхолотов и гидролокаторов. Кстати сказать, он не остается всегда на одном месте. Слой перемещается вверх или вниз и иногда с довольно большой скоростью. Ниже слоя скачка располагается слой главного термоклина. В этом третьем слое температура воды продолжает уменьшаться, но не так быстра, как в слое скачка, градиент температуры здесь составляет несколько сотых долей градуса на метр…
В течение двух дней исследователи несколько раз повторяли свои измерения. Результаты были схожи. Записи неопровержимо свидетельствовали о наличии в океане тонких прослоек воды протяженностью от 2 до 20 км, температура и соленость которых резко отличались от соседних. Толщина слоев от 2 до 40 м. Океан в этом районе напоминал слоеный пирог».
В 1969 г. английский ученый Вудс нашел элементы микроструктуры в Средиземном море около острова Мальта. Он сперва использовал для замеров двухметровую рейку, на которую укрепил десяток полупроводниковых датчиков температуры. Затем Вудс сконструировал автономный падающий зонд, который помог четко зафиксировать слоистую структуру полей температуры и солености воды.
А в 1971 г. слоистую структуру впервые обнаружили в Тиморском море и советские ученые на НИС «Дмитрий Менделеев». Затем во время плавания судна по Индийскому океану ученые находили элементы такой микроструктуры во многих районах.
Таким образом, как часто бывает в науке, применение новых приборов для измерения ранее многократно замеренных физических параметров привело к новым сенсационным открытиям.
Ранее температуру глубинных слоев океана замеряли ртутными термометрами в отдельных точках на разных глубинах. Из этих же точек при помощи батометров поднимали с глубины пробы воды для последующего определения в судовой лаборатории ее солености. Затем по результатам измерений в отдельных точках океанологи строили плавные кривые графиков изменения параметров воды с глубиной ниже слоя скачка.
Теперь новые приборы – малоинерционные зонды с полупроводниковыми датчиками – позволили измерить непрерывную зависимость температуры и солености воды от глубины погружения зонда. Их использование дало возможность уловить совсем небольшие изменения параметров водных масс при перемещении зонда по вертикали в пределах десятков сантиметров и фиксировать их изменения во времени за доли секунд.
Оказалось, что везде в океане вся водная масса от поверхности до больших глубин разделена на тонкие однородные слои. Разница в температуре между соседними горизонтальными слоями составляла несколько десятых градуса. Сами слои имеют толщину от десятков сантиметров до десятков метров. Самое поразительное было то, что при переходе из слоя в слой температура воды, ее соленость и плотность менялись резко, скачкообразно, а сами слои устойчиво существуют иногда несколько минут, а иногда несколько часов и даже суток. А в горизонтальном направлении такие слои с однородными параметрами простираются на расстояние до десятка километров.
Первые сообщения об открытии тонкой структуры океана не всеми учеными-океанологами были приняты спокойно и благожелательно. Многие ученые восприняли результаты измерений как случайность и недоразумение.
Действительно, было чему удивляться. Ведь вода во все века была символом подвижности, изменчивости, текучести. Тем более вода в океане, где структура ее чрезвычайно изменчива, волны, поверхностные и подводные течения все время перемешивают водные массы.
Почему же сохраняется такая устойчивая слоистость? Однозначного ответа на этот вопрос пока нет. Ясно одно: все эти замеры не игра случая, не химера – открыто нечто важное, играющее существенную роль в динамике океана. По мнению доктора географических наук А. А. Аксенова, не вполне ясны причины этого явления. Пока объясняют его так: по той или иной причине в толще воды возникают многочисленные довольно четкие границы, разделяющие слои с различной плотностью. На границе двух слоев различной плотности очень легко возникают внутренние волны, которые перемешивают воду. При разрушении внутренних волн возникают новые однородные слои и границы слоев образуются на иных глубинах. Этот процесс повторяется многократно, меняются глубина залегания и толщина слоев с резкими границами, но общий характер водной толщи остается неизменным.
Выявление тонкослойной структуры продолжалось. Советские ученые А. С. Монин, К. Н. Федоров, В. П. Швецов обнаружили, что и глубинные течения в открытом океане также имеют слоистую структуру. Течение остается постоянным в пределах слоя толщиной от 10 см до 10 м, затем его скорость скачкообразно меняется при переходе к соседнему слою и т. д. И тут ученые обнаружили «слоистый пирог».
Значительный вклад в изучение тонкой структуры океана сделали наши океанологи, используя научное оборудование новых среднетоннажных специализированных НИС водоизмещением 2600 т, построенных в Финляндии.
Это НИС «Академик Борис Петров», принадлежащее Институту геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского АН СССР, «Академик Николай Страхов», работающее по планам Геологического института АН СССР, и принадлежащие Дальневосточному отделению АН СССР «Академик М. А. Лаврентьев», «Академик Опарин».
Эти суда получили имена видных советских ученых. Герой Социалистического Труда академик Борис Николаевич Петров (1913–1980) был крупнейшим ученым в области проблем управления, талантливым организатором космической науки и международного сотрудничества в этой области.
Советский математик и механик академик Михаил Алексеевич Лаврентьев (1900–1979) получил широкую известность как крупный организатор науки в Сибири и на востоке СССР. Именно он стоял у истоков создания прославленного Академгородка в Новосибирске. В последние десятилетия исследования в институтах Сибирского отделения АН СССР приобрели такие масштабы, что теперь невозможно представить себе общую картину почти в любой области науки без учета работы сибирских ученых.
Из четырех НИС этой серии три (кроме НИС «Академик Опарин») строились для гидрофизических исследований водных масс океанов и морей, исследования океанского дна и слоев атмосферы, прилегающих к поверхности океана. Исходя из этих задач и спроектирован установленный на судах научно-исследовательский комплекс.
Важной составной частью этого комплекса являются погружаемые зонды. В носовой части главной палубы судов этой серии размещены гидрологическая и гидрохимическая лаборатории, а также так называемая «мокрая лаборатория». Научная аппаратура, размещенная в них, включает регистрирующие блоки погружаемых зондов с датчиками электропроводности, температуры и плотности. Причем конструкция гидрозонда предусматривает наличие на нем комплекта батометров для взятия проб воды с различных горизонтов.
На этих судах установлены не только глубоководные узколучевые исследовательские эхолоты, но и многолучевые.
Как рассказал известный исследователь Мирового океана доктор географических наук Глеб Борисович Удинцев, появление этих приборов – многолучевых эхолотов – следует оценить как революцию в деле изучения океанского дна. Ведь на протяжении многих лет наши суда оснащались эхолотами, измерявшими глубины при помощи одного луча, направленного с судна вниз по вертикали. Это позволяло получать двухмерное изображение рельефа океанского дна, его профиль по маршруту движения судна. Используя большой массив данных, собранный при помощи однолучевых эхолотов, до сих пор составлялись карты рельефа дна морей и океанов.
Однако построение карт по профилям дна, между которыми нужно было пролагать линии равных глубин – изобаты, зависело от умения картографа-геоморфолога или гидрографа создавать пространственное трехмерное изображение, базируясь на синтезе всей доступной геолого-геофизической информации. Понятно, что при этом карты рельефа океанского дна, служившие затем основой для всех других геологических и геофизических карт, содержали много субъективного, что особо проявлялось при их использовании для разработки гипотез происхождения дна морей и океанов.
Положение существенно изменилось с появлением многолучевых эхолотов. Они позволяют принимать отраженные дном звуковые сигналы, посланные эхолотом, в виде веера лучей; охватывающих полосу поверхности дна шириной, равной двум глубинам океана в точке измерения (до нескольких километров). Это не только намного повышает производительность исследований, но, что особенно важно для морской геологии, можно с помощью электронно-вычислительной техники тут же представлять трехмерное изображение рельефа на дисплее, а также графически. Таким образом, многолучевые эхолоты позволяют получать детальные батиметрические карты при сплошном площадном покрытии дна приборной съемкой, сводя долю субъективных представлений до минимума.
Первые же рейсы советских НИС, оснащенных многолучевыми эхолотами, сразу же показали преимущества новых приборов. Стало ясно их значение не только для выполнения фундаментальных работ по картографированию дна океанов, но и как средства активного управления исследовательскими работами в качестве приборов своего рода акустической навигации. Это дало возможность активно и с минимальными затратами времени выбирать места для геологических и геофизических станций, контролировать движение буксируемых над дном или по дну приборов, производить поиск морфологических объектов дна, например минимальных глубин над вершинами подводных гор, и т. п.
Особенно эффективным по реализации возможностей многолучевого эхолота был рейс НИС «Академик Николай Страхов», проведенный в период с 1 апреля по 5 августа 1988 г. в экваториальной Атлантике.
Исследования велись по полному комплексу геолого-геофизических работ, но главным было многолучевое эхолотирование. Для исследований был выбран экваториальный участок Срединно-Атлантического хребта в районе о. Сан-Паулу. Этот малоизученный район выделялся своей необычностью по сравнению с другими участками хребта: обнаруженные здесь магматические и осадочные породы неожиданно оказались необычайно древними. Предстояло выяснить, отличается ли этот участок хребта от других и по остальным своим характеристикам, а прежде всего – по рельефу. Но для решения этого вопроса необходимо было иметь чрезвычайно детальную картину подводного рельефа.
Такая задача и была поставлена перед экспедицией. В течение четырех месяцев велись исследования с интервалами между галсами не более 5 миль. Они охватили обширную область океана шириной с востока на запад до 700 миль и с севера на юг до 200 миль. В результате выполненных исследований стало очевидным, что экваториальный сегмент Срединно-Атлантического хребта, заключенный между разломами 4° на севере и о. Сан-Паулу на юге, действительно имеет аномальное строение. Обычные для остальных частей хребта (к северу и к югу от изучавшейся области) структура рельефа, отсутствие мощного осадочного покрова и характеристики магнитного поля пород оказались здесь характерными только для узкой осевой части сегмента шириной не более 60–80 миль, получившей название Петропавловского хребта.
А то, что считалось ранее склонами хребта, оказалось обширными плато с совершенно иным характером рельефа и магнитного поля, с мощным осадочным покровом. Так что, видимо, происхождение рельефа и геологическое строение плато являются совершенно иным, чем у Петропавловского хребта.
Значение полученных результатов может оказаться очень важным для разработки общих представлений о геологии дна Атлантического океана. Однако предстоит многое осмыслить и проверить. А для этого необходимы новые экспедиции, новые исследования.
Следует особо отметить оборудование для исследования водных масс, установленное на НИС «Арнольд Веймер» водоизмещением 2140 т. Это специализированное НИС построено финскими корабелами для АН ЭССР в 1984 г. и названо в честь видного государственного деятеля и ученого ЭССР президента АН ЭССР в 1959–1973 гг. Арнольда Веймера.
В числе судовых лабораторий – три физики моря (гидрохимическая, гидробиологическая, морской оптики), вычислительный центр и ряд других. Для проведения гидрофизических исследований на судне имеется комплект регистрирующих измерителей течения. Сигналы от них принимаются установленным на судне гидрофонным приемником и передаются в систему регистрации и обработки данных, а также записываются на магнитную ленту.
Для этой же цели служат свободно плавающие извещатели течения фирмы «Бентос» для регистрации значений параметров течения, сигналы от которых также принимаются судовым приемным устройством.
На судне установлена автоматизированная система отбора проб с различных горизонтов и замера гидрофизических и гидрохимических параметров с помощью исследовательских зондов с акустическими измерителями течения, датчиками содержания растворенного кислорода, концентрации водородных ионов (pH) и электропроводности.
Гидрохимическая лаборатория оснащена высокоточной аппаратурой, позволяющей проводить анализы проб морской воды и донных отложений на содержание микроэлементов. Для этой цели предназначены сложные и точные приборы: спектрофотометры различных систем (в том числе атомно-абсорбционный), флуоресцентный жидкостный хроматограф, полярографический анализатор, два автоматических химических анализатора и др.
У гидрохимической лаборатории расположена сквозная шахта в корпусе размером 600X600 мм. Из нее можно забирать морскую воду из-под судна и производить спуск приборов в воду при неблагоприятных метеоусловиях, не позволяющих использовать в этих Целях палубные устройства.
В оптической лаборатории имеются два флуорометра, двухлучевой спектрофотометр, оптический многоканальный анализатор и программируемый многоканальный анализатор. Такое оборудование позволяет ученым проводить широкий спектр исследований, связанных с изучением оптических свойств морской воды.
В гидробиологической лаборатории, помимо стандартных микроскопов, есть планктонный микроскоп «Олимпус», специальное оборудование для проведения исследований с помощью радиоактивных изотопов: сцинтиляционный счетчик и анализатор частиц.
Особый интерес представляет судовая автоматизированная система регистрации и обработки собранных научных данных. В ВЦ размещена мини-ЭВМ венгерского производства. Эта ЭВМ двухпроцессорной системы, то есть решение задач и обработка экспериментальных данных производится в ЭВМ параллельно по двум программам.
Для автоматизированной регистрации собранных экспериментальных данных, поступающих от многочисленных приборов и устройств, на судне смонтированы две кабельные системы. Первая – радиальная кабельная сеть для передачи данных из лабораторий и мест проведения измерений на главный коммутационный пульт.
На пульте можно подсоединить линии измерения к любому контакту и вывести поступающие сигналы на любую судовую ЭВМ. Распределительные коробки этой линии установлены во всех лабораториях и на рабочих площадках у лебедок. Вторая кабельная сеть – резервная для подключения новых приборов и устройств, которые будут установлены на судне в будущем.
Прекрасная система, а ведь эта сравнительно мощная и разветвленная система сбора и обработки данных с помощью ЭВМ так удачно размещена на небольшом среднетоннажном НИС.
НИС «Арнольд Веймер» по составу научного оборудования и возможностям проведения многоплановых исследований является образцовым для среднетоннажного НИС. При его постройке и оснащении состав научного оборудования был тщательно продуман учеными АН ЭССР, что значительно повысило эффективность проведения исследовательских работ после ввода судна в эксплуатацию.