Читать бесплатно онлайн книгу  Этот неизвестный океан: как работают приливы, рождаются шторма и живут невидимые создания в морских глубинах

автор Александр Осадчиев

1. Физика моря

Почему вода в океане движется?

Для того чтобы разобраться в вопросе, как и почему движется вода в океане, вначале нужно обратиться к движению воздуха в атмосфере. Солнце неравномерно нагревает Землю: и атмосферу, и поверхность Мирового океана. Экваториальные широты нагреваются сильнее, чем полярные, из-за угла падения солнечных лучей. На экваторе солнечный свет падает почти перпендикулярно поверхности Земли, концентрируя больше энергии на меньшей площади и нагревая ее сильнее, в то время как в высоких широтах солнечные лучи падают под более острым углом, рассеиваясь на большей поверхности. Холодный воздух более тяжелый, чем теплый, и атмосфера стремится прийти к равновесию, когда на всей поверхности Земли снизу находится холодный воздух, а сверху – теплый. Холодный воздух из полярных широт стремится опуститься вниз и растечься вдоль поверхности Земли до экватора. Теплый экваториальный воздух формирует компенсационное течение, то есть поднимается наверх и двигается в обратную сторону, от экватора к полюсам, замещая холодный воздух, уходящий с полюсов к экватору. Эти движения теплого и холодного воздуха между полюсами и экватором охватывают не всю атмосферу, а лишь самую нижнюю ее часть, тропосферу. Верхняя граница тропосферы находится на расстоянии 6–18 километров от поверхности Земли, что составляет очень малую часть атмосферы, чья толщина достигает 2–3 тысяч километров. Но тропосфера – самая плотная часть атмосферы, так как она находится ближе всего к Земле, в ней содержится 80% массы всей атмосферы и 99% массы атмосферного водяного пара и аэрозолей.

Благодаря перераспределению теплых и холодных воздушных масс, в тропосфере формируются так называемые ячейки циркуляции тропосферы. Если бы Земля не вращалась вокруг своей оси, то, вероятно, в атмосфере их было бы всего две – в Северном и Южном полушариях. На экваторе воздух бы поднимался, часть его в верхних слоях тропосферы двигалась бы на север к Северному полюсу, другая часть – на юг к Южному полюсу. На обоих полюсах воздух бы опускался, и возникало бы движение воздуха от полюсов к экватору в нижних слоях тропосферы. В итоге вся крупномасштабная циркуляция воздуха (то есть система замкнутых воздушных течений) на Земле описывалась бы этими двумя круговоротами.

В реальности в земной тропосфере формируется не две ячейки циркуляции, а целых шесть. Причина этому – эффект Кориолиса. Он возникает из-за того, что планета вращается вокруг своей оси: атмосферные и океанические потоки в Северном полушарии постепенно смещаются вправо относительно своей траектории движения, а в Южном полушарии – влево. В частности, горизонтальные ветровые движения в атмосфере оказываются не параллельными меридианам Земли, а заворачивают вправо в Северном полушарии и влево в Южном полушарии. По этой причине воздух, поднявшийся вверх на экваторе, не добирается до полюса по кратчайшему пути, так как постепенно заворачивает вбок. В районе 30-х градусов широты в Северном и Южном полушариях направление ветра оказывается параллельным экватору. Воздух больше не продвигается на север, из-за чего охлаждается и опускается. По этой же причине в полярных районах опускающийся холодный воздух также доходит только до параллелей, расположенных в районе 60-х градусов северной или южной широты. Там его движение становится параллельным экватору, полярный воздух нагревается и начинает подниматься вверх. Так формируется вторая пара ячеек. Еще одна пара образуется посередине, между 30-ми и 60-ми градусами. Так крупномасштабный процесс горизонтального и вертикального движения воздуха в тропосфере разбивается на шесть ячеек, по три в каждом полушарии, которые как шестеренки крутятся в тропических, умеренных и полярных широтах.

Рис. 7.Ячейки циркуляции в тропосфере

Тропическая пара ячеек тропосферной циркуляции образует пассаты, сильные и стабильные ветры, которые дуют у поверхности Земли от тропиков к экватору: с северо-востока на юго-запад в Северном полушарии и с юго-востока на северо-запад в Южном полушарии. В противоположную сторону направлены западные ветры – аналогичные пассатам стабильные ветры у поверхности Земли, характерные для умеренных широт. Открытие пассатов и западных ветров позволило европейским мореплавателям разработать быстрые и стабильные торговые маршруты для парусных судов вначале через Атлантический, а потом и через Тихий океан. По-английски пассаты даже назвали trade winds, что дословно означает «торговые ветры». Зоны слабых ветров между пассатами и западными ветрами, находящиеся в обоих полушариях в районе 30–35° широты, и по-русски и по-английски назвали конскими широтами. Из-за продолжительных штилей в этих широтах капитаны судов часто избавлялись от лошадей, когда начинались проблемы с пресной водой.

Пять круговоротов в океане

Итак, циркуляция в тропосфере образуется из-за неравномерного нагрева Земли солнечными лучами и затем модифицируется из-за вращения Земли. Пассаты и западные ветры задают направления доминирующих ветров непосредственно над поверхностью океана и разгоняют крупномасштабную циркуляцию в Мировом океане. Если бы на Земле не было суши, то вода в океане между Северным и Южным тропиком двигалась бы на запад, разгоняемая пассатами, а в умеренных широтах – на восток под действием западных ветров. Но океаны ограничены материками, поэтому все западные и восточные течения рано или поздно встречаются с сушей и вынуждены менять свое направление. Есть только одна зона в тропических и умеренных широтах Мирового океана, где можно обогнуть планету, не встречая суши. Это место находится в Южном полушарии к северу от Антарктиды, и в нем формируется самое мощное течение в Мировом океане, называемое Антарктическим циркумполярным течением или течением Западных Ветров.

Рис. 8.Пассаты и западные ветры

Во всех остальных участках тропических и умеренных широт циркуляция Мирового океана разбивается на пять крупных круговоротов: по два в Атлантическом и Тихом океанах и еще один – в Индийском океане. В Тихом и Атлантическом океанах эти пары круговоротов, как сцепленные шестеренки, вращаются в противоположных направлениях: по часовой стрелке к северу от экватора и против часовой – к югу от экватора. Индийский океан практически полностью лежит в Южном полушарии, поэтому в нем формируется только один большой круговорот к югу от экватора.

Рис. 9.Пять основных круговоротов в Мировом океане

Стоит сразу оговориться, что приведенные схемы циркуляции атмосферы и океана – это определенное упрощение и осреднение общей картины. Это не значит, что и воздух, и вода двигаются всегда в указанных направлениях, что их движение непрерывное и постоянное. Эти схемы говорят скорее о том, что в среднем за длительный срок именно в указанном направлении переносятся воздушные или водные массы, то есть это доминирующее направление переноса. При этом в каждый конкретный момент времени и направление ветра, и направление морских течений может быть очень разным и сильно отличаться от этих схем.

Общая схема (пять круговоротов и Антарктическое циркумполярное течение) на базовом уровне описывает, как устроена система течений в Мировом океане. Эта крупномасштабная система течений захватывает верхние несколько километров толщи океана, с глубиной скорости этих течений постепенно уменьшаются. Однако при более подробном рассмотрении простая картина распадается на многочисленные течения более сложного вида. Они зависят от расположения морских берегов и островов, от глубин, от господствующих в тот или иной сезон года ветров, поэтому более подробная карта течений выглядит гораздо сложнее, чем просто пять круговоротов.

Рис. 10.Схема течений в Мировом океане

У многих течений есть названия, и самое известное среди них – Гольфстрим. В бытовом смысле под именем Гольфстрим подразумевают целую систему переходящих друг в друга течений, который образуют северо-западную треть большого круговорота в Северной Атлантике. Все начинается в районе Карибского моря и Мексиканского залива, откуда течение Гольфстрим несет свои воды на север вдоль побережья Северной Америки. Эти теплые воды уже под именем Северо-Атлантического течения пересекают Атлантический океан и достигают берегов Северной Европы. Значительная доля этих вод распространяется дальше на северо-восток вдоль побережья Норвегии под именем Норвежского течения и достигает Мурманской области под именем Нордкапского течения.

Рис. 11. Система течений Гольфстрим

Течения бывают теплые и холодные: это определяется не их абсолютной температурой, а тем, теплее они или холоднее, чем окружающие воды. Если, например, течение направлено с юга на север, то в Северном полушарии в большинстве случаев оно будет переносить более теплые южные воды в северном направлении и будет называться теплым. Гольфстрим и его продолжения – Северо-Атлантическое, Норвежское и Нордкапское течения – это примеры теплых течений; они очень значимы, потому что влияют на климат в одной из наиболее густонаселенных частей мира – Западной и Северной Европе. Не только из-за своего влияния на трансатлантические перевозки, но и благодаря своей роли в формировании европейского климата вся система течений Гольфстрим так хорошо известна и входит в число наиболее изученных течений в Мировом океане. Благодаря Нордкапскому течению не замерзают порт Мурманск и подходы к нему с запада, хотя он расположен на 69° северной широты. От Мурманска до Северного полюса всего 2340 километров, средняя температура зимой в городе составляет –10 °C, но в отдельные дни и недели бывает и гораздо холоднее – до –40 °C. И все равно море никогда не замерзает из-за постоянного притока относительно теплых вод (от +1 до +4 °C) с Нордкапским течением.

Рис. 12. Антарктическое циркумполярное течение

Выше мы уже упоминали Антарктическое циркумполярное течение, единственное крупномасштабное течение, которое не встречает на своем пути никаких препятствий в виде материков. В начале XXI века в дополнение к четырем существующим океанам – Тихому, Атлантическому, Индийскому и Северному Ледовитому – стали выделять Южный океан, который с юга ограничен Антарктидой, а с севера – как раз Антарктическим циркумполярным течением. Это мощное течение фактически создает водный барьер, который изолирует Южный океан от всего остального Мирового океана. Условия в южных частях Тихого, Атлантического и Индийского океанов, к северу от барьера, очень сильно отличаются от условий к югу от него, что и стало причиной выделения Южного океана как отдельной сущности. Существование Антарктического циркумполярного течения и ограниченный водообмен между полярными широтами (Южный океан) и умеренными широтами (южные части Тихого, Атлантического и Индийского океанов) в Южном полушарии – одна из основных причин, почему в Антарктиде так холодно.

Вихри невраждебные: как устроены течения

В XX веке, благодаря появлению точных океанологических приборов, а потом и спутниковых измерений, систему течений Мирового океана удалось изучить тщательнее, и оказалось, что картина еще более сложная. Вообще из космоса можно измерять очень разные свойства поверхности моря – температуру, соленость, концентрацию различных веществ, высоту волн, уровень моря и многое другое. При этом все эти измерения не прямые, а косвенные. Температура поверхности моря не измеряется термометром, как происходит в случае судовых измерений, а рассчитывается более сложным образом. Любой объект испускает электромагнитные волны, называемые тепловым излучением, с интенсивностью, зависящей от температуры объекта. Тепловое излучение, исходящее с поверхности океана, улавливается специальными спутниками и пересчитывается в температуру над местом пролета спутника. Если скомпоновать данные с различных пролетов и с различных спутников, то строится карта распределения температуры для всего Мирового океана (кроме акваторий, находящихся подо льдом и недоступных для спутниковых измерений).

Соленость поверхностного слоя океана рассчитывается еще более замысловато. Ключ для расчетов – скорость испарения воды с поверхности океана. Очевидно: чем выше температура воды, тем она интенсивнее испаряется. Однако соленость тоже в значительной степени влияет на этот процесс: более соленая вода испаряется медленнее, чем более пресная. Таким образом, зная температуру и соленость поверхности океана, можно рассчитать интенсивность испарения. В чем хорошо проявляется скорость испарения? В концентрации водяного пара в воздухе непосредственно над морской поверхностью. Чем быстрее испаряется вода, тем больше водяного пара оказывается в воздухе. А теперь можно сделать и обратную операцию, на которой и основаны спутниковые измерения солености океана. Вначале спутниковые датчики по излучениям на разных длинах волн определяют, во-первых, температуру воды и, во-вторых, концентрацию водяного пара в воздухе непосредственно над поверхностью океана. По этим данным и вычисляется соленость поверхности океана.

Удивительно, но этот сложный способ измерения солености действительно работает и достаточно точен. Придумать и реализовать его было очень непросто. Если температуру поверхности океана из космоса научились измерять в самом начале космической эры, в конце 1960-х годов, и в наши годы измеряется она с пространственным разрешением в десятки метров, то первые спутники, измеряющие соленость поверхности океана, появились на 40 лет позже, в конце 2000-х, и пространственное разрешение у них в тысячу раз хуже – десятки километров. Вот такое капризное свойство моря – соленость: очень важное и очень сложно измеряется.

А что с течениями? Их тоже можно измерять со спутников, причем также очень косвенным методом. Для этого используется спутниковая альтиметрия: измеряется расстояние от спутника до поверхности океана, по которой строится рельеф поверхности океана. Оказывается, поверхность океана совершенно не плоская, как можно подумать, глядя на стакан воды. Вся она состоит из возвышений и впадин, но они не такие резкие и заметные, как холмы и горы на суше. Характерный масштаб у них следующий: на расстоянии в 100 километров уровень моря меняется на десятки сантиметров. Причина формирования рельефа океана – как бы парадоксально это ни звучало, – уже знакомый нам эффект Кориолиса, возникающий из-за вращения Земли вокруг своей оси. Вихри образуются по всей площади Мирового океана из-за неустойчивости течений. Когда в океане образуется круговорот, в зависимости от направления вращения он формирует либо выпуклость, либо впадину, так как сила Кориолиса либо сгоняет воду в центр круговорота, либо, наоборот, вытягивает ее из центра. Направление вращения, при котором формируется впадина (или дивергенция), называется циклоническим, а выпуклости (или конвергенции) формируются антициклоническим вращением.

Рис. 13. Циклонические и антициклонические вихри в океане

Итак, вода в океане не ровная, но сложный рельеф поверхности океана совершенно не виден глазом с суши или палубы корабля. Полноценное понимание того, как выглядит этот рельеф, сложилось только в 1980-е и 1990-е годы, когда начали достаточно точно измерять уровень моря из космоса, и это стало одним из главных открытий в физической океанологии второй половины XX века. Космические измерения показали, что абсолютно весь Мировой океан покрыт возвышениями и впадинами, то есть круговоротами или вихрями, которые находятся в постоянном движении. Оказалось, что в океане практически нет прямых течений: они все меандрируют, то есть извиваются, в результате чего образуются вихри. Так, например, система течений Гольфстрим – это не просто поток воды, который начинается у Флориды и пересекает Атлантический океан в направлении Европы. С обеих сторон от Гольфстрима отделяется множество вихрей, которые крутятся в разные стороны, но все равно постепенно дрейфуют в одном направлении, к Европе. То же самое происходит и со всеми другими крупномасштабными течениями в Мировом океане. Вращение Земли вокруг своей оси в определенном смысле «перебалтывает» морские течения и разбивает их на множество вихрей. Все это мы видим по данным спутниковой альтиметрии.

Рис. 14. Вихри Гольфстрима

Но можно шагнуть и дальше – научиться рассчитывать скорость течения на поверхности океана по данным спутниковой альтиметрии. Итак, весь океан разбит на вихри. Направление вращения вихрей определить несложно: если возвышение находится в Северном полушарии, то вращение происходит по часовой стрелке, а если для впадины – против часовой. В Южном полушарии ровно наоборот. С направлением течения в вихре разобрались; а что со скоростью? Скорость движения воды напрямую связана с высотой и горизонтальными размерами возвышения или впадины. Чем больше наклон морской поверхности, тем выше скорость вращения, которую можно рассчитать в каждом конкретном вихре по данным альтиметрии. А движение вихрей как отдельных структур можно определять, сравнивая ежедневные данные спутниковой альтиметрии. По ним четко видно, какие вихри в какую сторону двигаются, как они зарождаются, сливаются друг с другом и через некоторое время исчезают. Именно так и рассчитывают течения в Мировом океане в масштабе всей планеты.

Слоеный пирог океана

До настоящего момента мы в основном говорили о горизонтальной циркуляции в океане. Теперь настало время разобраться с вертикальными движениями воды. Если посмотреть на океан в разрезе, от поверхности до дна, то мы обнаружим, что он состоит из множества разных слоев. Толщина слоев варьируется от нескольких десятков метров до нескольких километров. Вода внутри каждого отдельного слоя имеет относительно однородную температуру и соленость, а вот между разными слоями температура и соленость сильно меняются. Значения температуры и солености воды в слое определяют плотность этого слоя, фактически – насколько он более тяжелый или легкий по сравнению с другими слоями. Самые легкие воды в океане находятся на поверхности, далее идут слои вод с более высокой плотностью, а у дна расположены самые плотные и тяжелые воды.

Итак, океан – это слоеный пирог из вод разной плотности, и каждый слой занимает в этом пироге свой уровень. Если в каком-то месте в этот слоеный пирог откуда-то со стороны притечет новая водная масса, то она будет опускаться вниз или подниматься вверх, вплоть до глубины, где ниже будет лежать вода с большей плотностью, а выше – с меньшей плотностью. Вот такая происходит сортировка слоев воды сверху вниз по возрастанию плотности.

Но если все слои в океане занимают свое стабильное место, то что должно произойти, чтобы морская вода в каком-то слое стала двигаться по вертикали вверх или вниз, то есть всплывать или тонуть? Для этого должна измениться ее температура или соленость. Нагревание воды уменьшает ее плотность, а охлаждение, наоборот, увеличивает. Так же и с соленостью: опреснение воды уменьшает ее плотность, а осолонение – увеличивает. Конвекция, то есть вертикальное движение воды, вызванное изменением ее плотности в результате изменения температуры или солености, происходит во многих местах в Мировом океане. В основном конвекция приводит к опусканию вод, так как почти всегда изменение температуры и солености океана происходит в поверхностном слое – в результате воздействия солнечных лучей, атмосферы, стока рек, морских льдов. На больших глубинах практически нет процессов, которые могли бы изменить температуру и соленость больших объемов морских вод. Процессы нагрева или опреснения поверхностных вод уменьшают их плотность, но эти воды и так были наверху, и им некуда больше подниматься. А вот охлаждение и осолонение вод может приводить к очень значительному опусканию морских вод. В полярных районах охлаждение поверхностных вод приводит к их опусканию на сотни метров и даже несколько километров вниз.

Кроме изменения температуры и солености морских вод, то есть изменения их физических свойств, вертикальные движения воды могут быть вызваны и динамическим внешним воздействием. Эти вертикальные движения воды называются апвеллингом (подъемом вод с глубины на поверхность) и даунвеллингом (опускание вод с поверхности на глубину). Наиболее простой и наглядный пример такого процесса – ветровой прибрежный апвеллинг. Когда ветер дует вдоль берега, что типично для многих прибрежных районов океана, он приводит в движение прибрежные морские воды. Из-за эффекта Кориолиса течение вод отклоняется от направления ветра; это может происходить как в направлении берега, так и в направлении открытого моря. Если поверхностный слой воды отгоняется от берега, то в более глубоком слое возникает компенсационное течение: непосредственно у берега глубинные воды начинают подниматься на поверхность, замещая ушедшие поверхностные воды. Этот процесс называется ветровым прибрежным апвеллингом. Если ветер дует в противоположную сторону и формируется нагон поверхностных вод на берег, то происходит обратный процесс, даунвеллинг. В этом случае, когда поверхностные воды достигают берега, они начинают заглубляться и опускаются на глубину. Воды в океане могут опускаться с поверхности на глубину и подниматься из глубин на поверхность и в результате других динамических процессов, не связанных с ветром, – например, в центрах вихрей, в результате действия приливов и при обтекании подводных хребтов глубинными течениями.

Рис. 15. Апвеллинг и даунвеллинг

Для биологических процессов в Мировом океане особенно важен процесс апвеллинга, подъема вод. Для того чтобы в поверхностном слое океана бурлила биологическая активность – развивался фитопланктон, затем его поедал зоопланктон, рыба и далее вверх по пищевой цепочке, – необходимо сочетание ряда факторов. Во-первых, для биологической активности важно поступление солнечного света, который является основной энергией для живых организмов. Из-за этого высокая биологическая продуктивность (за редким исключением) возможна только в верхнем слое моря, до глубин в 100–200 метров, куда поступает большое количество солнечного света. Второй очень важный фактор развития жизни в океане – наличие растворенных в воде биогенных веществ (углерода, азота, фосфора, кремния, железа и других), из которых фитопланктон и строит свои тела в процессе фотосинтеза, используя солнечную энергию. Если в поверхностный слой нет постоянного притока биогенных веществ, то они постепенно выводятся из этого слоя. Часть умерших организмов опускается в глубинные воды и разлагается там, то есть за пределами верхнего слоя океана. Таким образом, без постоянной подпитки концентрация биогенных веществ со временем снижается, что понижает и биологическую продуктивность. Из-за этого значительная часть поверхности океана имеет достаточно низкую продуктивность. Подпитка биогенными веществами поверхностного слоя происходит в местах, куда впадают реки (чьи воды насыщаются биогенными веществами из почвы) или где происходит апвеллинг. Глубинные воды океана, наоборот, почти везде богаты биогенными веществами, так как их там никто не потребляет: нет солнечной энергии и невозможен фотосинтез. Поэтому в результате апвеллинга в поверхностный слой поступают богатые биогенными веществами глубинные воды. В число наиболее продуктивных акваторий в Мировом океане входят районы частых прибрежных апвеллингов, например, побережья Перу, Намибии, Мавритании и Калифорнии. В этих водах живет огромное количество рыбы, и ведут промысел рыбаки многих стран мира.

Рис. 16.Глобальный океанический конвейер

В Мировом океане есть несколько акваторий в полярных широтах, где происходит активное опускание воды в результате конвекции и переход воды из поверхностного слоя в глубинный или придонный. Также есть несколько мест, где воды из глубинных слоев интенсивно поднимаются на поверхность в результате апвеллингов. Оказалось, что эти вертикальные движения связаны между собой горизонтальными течениями. Вода, которая опускается с поверхности на дно океана в Северной Атлантике, распространяется по дну на юг, огибает Африку, достигает Индийского и Тихого океанов, где возвращается на поверхность. В поверхностном слое эта вода распространяется назад – через Тихий и Индийский океан в Северную Атлантику, – и круг замыкается. Весь этот цикл, называемый глобальным океаническим конвейером, занимает около тысячи лет. Понимание единства системы течений поверхностных, глубинных и придонных вод в Мировом океане стало одним из важнейших открытий физической океанологии в конце XX века.

Приливы, движение на месте

Выше мы поговорили про горизонтальные и вертикальные течения в океане, которые приводят к перемещению воды на большие расстояния. В океане есть и другие движения, которые, по сути, гоняют воду на одном месте, туда-обратно. Имя этим движениям – приливы. Главная сила, которая вызывает приливные колебания, – это притяжение морской воды Луной и Солнцем. Это единственное значимое движение океана, которое вызывается не солнечной радиацией (прямо или косвенно, например, из-за ветра, который образуется в результате неравномерного нагрева атмосферы), а имеет другой источник энергии. Из-за вращения Луны вокруг Земли и Земли вокруг Солнца области наибольшего притяжения воды на Земле к этим космическим объектам все время смещаются, что и приводит к периодическим повышению и понижению уровня по всей площади Мирового океана. Движение по вертикали приводит к формированию и горизонтальных движений, приливных течений.

Рис. 17.Схема образования лунного прилива на Земле

Луна расположена ближе к Земле, чем Солнце, и ее приливообразующая сила примерно в два раза выше, чем у Солнца. Если бы Земля не вращалась и вся ее поверхность была покрыта океаном, то притяжение Луны образовало бы два возвышения поверхности океана: ровно напротив Луны и с противоположной стороны Земли. Из-за вращения Земли вокруг своей оси эти возвышения находятся в движении, поэтому в течение суток (а точнее, в течение лунных суток, которые чуть длиннее земных суток – 24 часа 50 минут) в каждую точку дважды приходит максимальное возвышение (прилив) и максимальное понижение (отлив).

Высокая вода прилива двигается в противоположную сторону относительно вращения Земли и поэтому замедляет его. Земные сутки по этой причине увеличиваются на 1,5 миллисекунды за столетие. Фактически энергия вращения Земли преобразуется в тепловую энергию при трении океанской воды о морское дно. То же самое происходит и с вращением Луны, несмотря на то, что на ней нет океана. Приливообразующая сила Земли влияет на твердую поверхность Луны, в результате чего вращение Луны вокруг своей оси синхронизировалось с ее вращением вокруг Земли. В результате этой синхронизации Луна обращена к Земле всегда одной и той же стороной. Замедление вращения Земли также приводит к постепенному отдалению орбиты Луны от Земли со скоростью около 4 сантиметров в год. Вот так движение вод Мирового океана оказывает значимое влияние на движение Земли и Луны.

Рис. 18.Сизигийный и квадратурный приливы

Влияние Солнца приводит к образованию то более сильных (сизигийных), то более слабых (квадратурных) приливно-отливных колебаний. При наиболее сильных сизигийных приливах Земля, Луна и Солнце выстраиваются в линию, и притяжение воды Солнцем усиливает притяжение Луной. В случае наибольшего квадратурного прилива Солнце притягивает участок океана, находящийся под прямым углом относительно линии между Землей и Луной, и влияние Луны ослабляется.

Из-за наличия суши, разных глубин в океане и влияния эффекта Кориолиса реальные приливные колебания в Мировом океане имеют гораздо более сложный вид. Удивительно, но в Мировом океане есть около 15 амфидромических точек, где приливные колебания отсутствуют. Приливные колебания обегают вокруг этих точек по часовой или против часовой стрелки. Приливы также очень малы в полуизолированных морях, до которых почти не доходят колебания из открытого океана. Так, например, в Черном и Балтийском морях амплитуда прилива не превышает нескольких сантиметров.

Рис. 19.Приливные колебания Мирового океан

В некоторых прибрежных зонах приливные колебания, наоборот, гораздо сильнее, чем в среднем в океане. Когда прилив загоняет воду из открытого моря в сужающийся залив, то из-за инерционности процесса уровень моря в вершине залива может резко увеличиваться. Если в открытом океане амплитуда прилива не превышает нескольких десятков сантиметров, то в некоторых заливах они могут быть больше 10 метров. Самые высокие приливы в России с амплитудой в 13 метров (как высота пятиэтажного дома) наблюдаются в Пенжинской губе, расположенной между полуостровом Камчатка и материком. Приливы в заливе Фанди, расположенном на атлантическом побережье Канады, еще выше – до 18 метров.

Приливные колебания уровня моря особенно хорошо заметны вблизи пологих берегов, когда каждые сутки большие прибрежные зоны осушаются и вновь заполняются морской водой. С одной стороны, это позволяет собирать морские организмы, живущие в приливно-отливной зоне, а с другой стороны – затрудняет судоходство. Именно поэтому прогнозирование приливных колебаний и приливных течений с античных времен было важнейшей прикладной задачей океанологии. Разобраться с этим удалось лишь к середине 18 века. Сейчас приливы и отливы – одно из самых хорошо изученных явлений в океане.

В некоторые порты в отлив даже нельзя войти, приходится ждать прилива, высокой воды. Но есть места, где приливы и отливы влияют на движение не только судов, но и наземного транспорта. Такие места называются отливными дорогами – это сухопутные дороги, которые проходимы только в отлив, а в прилив оказываются под водой. Самые знаменитые отливные дороги находятся в Англии и во Франции. Дорога Пассаж-дю-Гуа длиной 4 километра известна с XVII века. Проехать по ней можно дважды в день, в течение трех часов наиболее низкой воды, и только в хорошую погоду. В другое время или в шторм дорога затапливается водой. На дороге каждые 500 метров стоят вышки, на которых можно спастись в случае резкого ухудшения погоды. На этой дороге проводятся региональные соревнования по бегу и даже периодически проходит один из этапов велогонки «Тур де Франс». Брумвей, еще одна знаменитая отливная дорога в Великобритании, работает уже больше 600 лет. В отличие от Пассаж-дю-Гуа, который представляет собой путь с материка на остров, Брумвей – это дорога вдоль берега моря по мелководью, по которой удобно доехать на острова в дельте реки Крауч. Брумвей достаточно длинный, 8 километров, и открывается для проезда дважды в сутки на 6–7 часов.

Некоторые отливные дороги функционируют не каждый день, а только в периоды наиболее сильного отлива. В предельном случае приливная дорога открывается только несколько раз в год, что, например, происходит между двумя южнокорейскими островами – Чиндо и Модо. В честь такого события устраивается большой фестиваль. В России тоже есть знаменитая отливная дорога, которая, правда, представляет собой скорее отливную тропинку. Эта тропинка расположена во Владивостоке и соединяет маяк Токаревского с берегом. Во время отлива можно посуху дойти до маяка, но если пропустить время и не успеть вернуться, то придется идти либо босиком, либо в мокрой обуви.

Море волнуется

Волны – один из главных символов моря, ведь когда мы смотрим на море, то почти всегда их видим. Поверхность воды очень подвижная, и любое достаточно сильное воздействие приводит к появлению поверхностных волн, то есть волн на границе океана и атмосферы. Ветер – главная причина образования поверхностных волн. Как правило, ветровые волны делятся на два типа, длинные и короткие. Ветровые волны, которые образуются в море здесь и сейчас, – короткие. Длина волны, то есть расстояние между соседними пиками волн, в этом случае, как правило, составляет единицы и десятки метров. При сильном ветре длина ветровых волн может достигать сотен метров, а амплитуда, то есть размер волн по вертикали, может быть до 10–20 метров. Когда ветер успокаивается, короткие ветровые волны переходят в длинные волны, которые называются зыбью. Длина волны у зыби – уже сотни метров, и зыбь распространяется далеко от места образования. Бывает, что в безветренную погоду в океане все равно сильно качает – это мертвая зыбь, последствие недавнего сильного ветра где-то в отдалении.

Волны-убийцы – аномально высокие (20–30 метров) и крутые одиночные волны, которые образуются в океане. Эти волны с интригующим названием являются еще одним опасным, но достаточно экзотическим явлением в Мировом океане. Свидетельства об эпизодических наблюдениях волн-убийц имеются с начала XIX века. Видимо, лишь в это время появились достаточно крепкие суда, которые были способны выдержать воздействие этих волн и не затонуть. В открытом океане при спокойной погоде и небольшом волнении неожиданно возникает отдельная очень высокая волна, которая может затопить суда или повредить береговую инфраструктуру. Научное сообщество не доверяло этим свидетельствам, и лишь в конце XX века существование волн-убийц было подтверждено полноценными измерениями и спутниковыми наблюдениями.

Механизм образования волн-убийц до сих пор не до конца понятен. Есть несколько теорий, каким образом энергия нескольких небольших волн складывается и образуется одиночная волна в несколько раз выше фоновых. Ученым даже удалось проверить один из механизмов и экспериментально воспроизвести небольшую волну-убийцу в гидрофизическом бассейне, где проводятся эксперименты с движением воды. Вне зависимости от механизма образования, волна-убийца появляется внезапно, и капитаны судов к ней обычно не готовы. Но такие волны, конечно, редкость. Спутниковые наблюдения позволили оценить, что в среднем во всем огромном Мировом океане они возникают один раз в сутки. Именно поэтому они и остаются малоизученными.

Волны могут образоваться не только на границе океана и атмосферы, но и в толще морских вод, на границе между слоями различной плотности. Такие волны называются внутренними волнами. Внутренние волны, как и поверхностные, образуются в результате возмущений на границе между слоями воды, и чем более четкая эта граница (то есть чем больше различаются два слоя по плотности), тем более выражены внутренние волны. Одной из основных причин образования внутренних волн служат приливы, которые не только влияют на поверхность моря, но и приводят в движение всю его толщу. Другая частая причина формирования внутренних волн – взаимодействие течений с неоднородностями морского дна, например, обтекание возвышенностей на морском дне.

Внутренние волны могут быть очень большими по амплитуде: десятки и даже сотни метров. В глубинных слоях океана, куда не доходит энергия ветра, внутренние волны – это один из основных механизмов вертикального перемешивания вод. Они могут никак не проявляться на поверхности, а могут приводить к образованию сликов, полос и пятен на поверхности моря. Если посмотреть в хорошую погоду на открытое море с возвышенности, то можно увидеть, что его поверхность не однородная, она покрыта множеством сликов самой причудливой формы. Многие из этих сликов и есть проявления внутренних волн, которыми полон океан.

В одной из арктических экспедиций в Карском море моим коллегам-океанологам удалось измерить довольно большую (но далеко не рекордную по меркам Мирового океана) внутреннюю волну, высотой около 50 метров. Об этом написали научную статью, по мотивам которой журналисты выпустили пресс-релиз в стиле «Ученые зафиксировали гигантскую внутреннюю волну в Карском море». Через несколько лет, я прочитал на одном из сайтов в интернете заголовок: «В Карском море гигантские волны, 50 метров высотой! Вот до чего довело глобальное потепление!». Вот до чего довел испорченный телефон!

В идеальных условиях волна – это колебания воды вверх-вниз, которое не приводит к ее движению по горизонтали. В реальном море ветровое волнение неоднородно, поэтому волны переносят воду на поверхности моря в направлении своего распространения. Из-за этого переноса, называемого дрейфом Стокса, на берегу моря сразу за зоной прибоя накапливаются разные плавучие объекты: водоросли, обломки деревьев, пластиковые бутылки и прочий мусор. Все это приносят к берегу и оставляют на нем накатывающие волны.

Когда ветер дует в сторону берега и в этом же направлении бегут волны, то из-за дрейфа Стокса в прибрежной зоне формируется сложная система течений. Одна из наиболее известных конфигураций течения, которая часто наблюдается в прибрежной зоне, – это разрывные, или отбойные, течения. Они очень опасны для людей, плавающих в прибережной зоне. Часто на пляжах есть специальные таблички с предупреждениями о том, что здесь могут формироваться разрывные течения. И все равно из-за них каждый год значительное число людей тонет в море.

Рис. 20.Разрывные течения

В результате волнового нагона при пологом рельефе дна и ровной линии берега перенос воды на большей части побережья направлен на берег. Из-за этого формируются мощные узкие компенсационные течения, которые выносят воду в обратную сторону – от берега в открытое море. Если купальщик попадает в подобное разрывное течение, которое начинает относить его от берега, чаще всего он просто пытается плыть назад, на берег. Так как разрывное течение очень сильное, то купальщик не приближается к берегу, у него иссякают силы, и кончиться это может трагически. Чтобы выйти из неприятной ситуации, не нужно бороться с этим течением и плыть ему навстречу. Нужно, наоборот, плыть поперек течения вдоль берега и пытаться попасть в спокойную зону, что обычно несложно сделать, так как течение узкое, не больше нескольких десятков метров. Другая тактика – успокоиться и просто неподвижно полежать на воде. Подождать пока течение вынесет в открытое море, и потом плыть к берегу – это звучит парадоксально, но разрывные течения сильны только вблизи от берега и обычно не выносят далеко в море. Есть и более общий совет: купаться лучше в зоне мысов, где нет никаких разрывных течений (иначе бы мыс размывало), а не на ровных участках берега. Эти знания очень важны для людей, которые плавают в районах, где есть разрывные течения, например, на курортах Балтийского моря. Конечно, кроме разрывных течений в море может быть множество других сильных прибрежных течений, при попадании в которые, тактики «плыть вдоль берега» или «подождать, пока течение ослабнет» не сработают. Поэтому лучше просто не купаться в море в сильный ветер, в сильную волну и в необорудованных местах.

Пуд соли для океана

Почему вода в море соленая? Основная причина в том, что, когда вода испаряется с поверхности моря, то есть переходит из жидкой фазы в газообразную, соль не испаряется, а остается в море. Реки, образующиеся из атмосферных осадков или в результате таяния ледников, имеют практически нулевую соленость. Тем не менее, пока реки текут по суше и взаимодействуют с ней, они вымывают горные породы. Поэтому в речной воде накапливаются в относительно небольших концентрациях (по сравнению с морской водой) разные растворенные вещества, в том числе и соль. Так миллиарды лет соль вымывается реками из суши и выносится в Мировой океан, где и остается. Именно поэтому соленость морской воды на несколько порядков выше солености рек. Существуют некоторые механизмы выведения соли из морской воды, в частности ее выпадение в виде осадка на дно, однако эти процессы достаточно медленные. Именно поэтому большая часть соли и вообще растворенных веществ, которые попадают в морскую воду, в морской воде и остаются.

В различных концентрациях в водах Мирового океана присутствуют почти все элементы таблицы Менделеева. Основной вклад в соленость океана вносят хлориды, а именно, натрий хлор (85%), а также сульфаты, гидрокарбонаты и другие соединения, представленные солями брома, фтора, калия, натрия, магния, кальция и стронция. Композиция растворенных солей (или солевой состав) в океане очень однородна: соленость в океане может быть немного больше или меньше в разных частях океана, а соотношение концентраций различных солей в открытом океане везде одно и то же. Это связано с тем, что открытый океан непрерывно перемешивается и по горизонтали, и по вертикали и солевой состав в нем выравнивается.

В составе морской воды, кроме солей, также находятся так называемые биогенные вещества – растворенные углерод, азот, фосфор, кремний, железо и другие. Они необходимы для постройки тел многих морских организмов, поэтому являются основой развития жизни в океане. Кроме того, в океане растворены многие газы: кислород, азот, углекислый газ, сероводород, метан и другие. Мировой океан играет важную роль в регулировании концентрации этих газов в атмосфере, что, в частности, влияет на климат Земли через парниковый эффект. Из-за деятельности человека парниковых газов выбрасывается больше, чем поглощается природным образом. От изменения свойств океана – в первую очередь температуры поверхностного слоя – зависит, насколько больше или меньше он будет поглощать парниковых газов, а это определяет усиление или ослабление глобального парникового эффекта.

Что может уменьшить соленость морских вод? Основные причины опреснения морских акваторий – реки, атмосферные осадки и таяние морского льда. Осадки и таяние льда, как правило, вносят небольшой и кратковременный вклад в уменьшение солености океана, не более нескольких промилле. А вот крупные реки действительно могут сильно опреснить то или иное полуизолированное море или морской залив. Увеличивать соленость морских вод могут два процесса, обратных процессам опреснения: испарение и выделение соли в процессе образования льда. Когда морская вода замерзает, часть соли не попадает в лед, а выпадает в море виде рассола.

Соленость в большей части Мирового океана достаточно однородна и составляет 32–35 промилле, то есть 3,2–3,5% от массы воды. Однако в океане есть области, где соленость сильно отличается от характерных значений. Это свойственно внутренним морям, то есть морям, водообмен которых с открытым океаном сильно ограничен и происходит через узкие проливы. Воды внутренних морей перемешиваются с водами открытого океана достаточно медленно, поэтому в них могут сформироваться аномально высокие или низкие значения солености.

Если в полуизолированное море или морской залив впадают крупные реки, и это происходит в зоне с относительно прохладным климатом, где испарение с поверхности воды невелико, то такая акватория сильно опресняется. Таких акваторий в океане достаточно много, наиболее крупные – Балтийское море, Карское море, море Лаптевых, Восточно-Сибирское море, Азовское море, Бенгальский залив, Гудзонов залив. Опреснение поверхностного слоя может влиять и на глубинные воды. Так, в Черном море поверхностная соленость в два раза ниже средней солености Мирового океана из-за большого количества речных вод, поступающих из Дуная, Днепра, Днестра и других рек. Кроме того, у Черного моря очень ограниченный водообмен со Средиземным морем через узкие и неглубокие проливы Босфор и Дарданеллы. При этом, начиная с глубин в 150–200 метров, соленость воды в Черном море повышается на 10–20%. Из-за значительного перепада солености между верхним слоем и глубинными водами между ними практически отсутствует перемешивание. Это приводит к тому, что кислород из атмосферы проникает только в поверхностный слой и не попадает ниже стометровой глубины. В результате органика, которая отмирает в верхнем слое и оседает на дно моря, разлагается в бескислородной среде, что приводит к образованию сероводорода и сероводородному заражению глубинных вод Черного моря.

А какие места в океане самые соленые? Это тоже изолированные моря, но находящиеся в жарком климате, где очень сильное испарение. Самое сильное осолонение в Красном море и Персидском заливе, соленость в них достигает 40–41‰, несколько меньше – в Средиземном море, до 38–39‰. Надо сказать, что если самые пресные области Мирового океана могут быть в два или более раз преснее, чем в среднем Мировой океан, то самые соленые акватории Мирового океана всего лишь на 15–20% более соленые.

Что же дальше происходит с более соленой и более пресной морской водой, когда она все-таки попадает из своих полуизолированных акваторий в Мировой океан? Более пресная морская вода остается на поверхности из-за того, что у нее пониженная плотность. В открытом океане на поверхность моря воздействует ветер, что вызывает интенсивное перемешивание. Поэтому соленость опресненных вод достаточно быстро повышается до средней океанической солености. Более соленые воды, наоборот, более тяжелые, поэтому, попадая в открытое море, они погружаются на большие глубины. Так как на больших глубинах перемешивание слабое, осолоненные воды могут формировать стабильные водные массы в промежуточных и придонных слоях, что и происходит в Атлантическом океане с водами из Средиземного моря и в Индийском океане с водами из Красного моря и Персидского залива.

Еще одно важное свойство морской воды – изменение ее плотности в зависимости от температуры и солености. Когда замерзает пресная вода в реке или озере, вода на поверхности остывает до температуры в 0 °C и, оставаясь на поверхности, замерзает, превращается в лед. В результате этого пресноводные водоемы замерзают достаточно быстро. Океан же замерзает медленно, потому что у морской воды при охлаждении плотность существенно увеличивается. Морская вода на поверхности моря охлаждается до температуры 4 °C, при которой достигается максимальная плотность. Вода становится более тяжелой и опускается вниз. На ее место поднимается вода еще не охлажденная и поэтому более легкая. Далее вода на поверхности опять охлаждается до 4 °C, опускается вниз, а на ее место опять поднимается еще не охлажденная вода, и все повторяется. Из-за этого океан замерзает гораздо дольше, чем пресноводные водоемы. Чтобы лед образовался на поверхности океана, необходимо охладить не верхние 10–20 сантиметров воды, как в случае пресноводных водоемов, а десятки и даже сотни метров. Из-за этого в некоторых полярных районах океана лед вообще не образуется, хотя температура воздуха там может быть достаточно низкой: за несколько месяцев холодного периода слой в сотни метров морской воды просто не успевает охладиться до температуры замерзания.

У морской воды есть очень характерные органолептические свойства – то, как наши органы чувств, то есть глаза, нос и рот, воспринимают цвет, запах и вкус морской воды. Сама по себе морская вода прозрачна, но в ней всегда плавает что-то еще: кусочки земли или ила, планктон, растворенное органическое вещество. Все это ухудшает прозрачность воды и придает ей какой-то оттенок. Морская вода может быть коричневой около устьев рек или зеленой в случае активного цветения фитопланктона. Прозрачность моря измеряется с помощью диска Секки, это просто металлический диск диаметром около 30 сантиметров, покрашенный белой или черной и белой краской. Его постепенно опускают в воду и фиксируют глубину, на которой он становится полностью не виден. Минимальные значения этой глубины могут быть 10–20 сантиметров, если вода очень мутная. Максимальные глубины, на которых можно различить диск Секки, – 50–70 метров, это возможно в самых чистых и прозрачных океанических акваториях. Рекорд в 80 метров был поставлен в море Уэдделла у берегов Антарктиды.

В большинстве случаев, когда сторонних примесей в морской воде немного, цвет у нее синий, ведь он медленнее всего поглощается в морской воде. Красный свет исчезает уже на глубине в несколько метров, желтый – на глубине 20–30 метров. Глаза глубоководных животных не различают красный цвет, поэтому можно проводить съемку подводной фауны, подсвечивая пространство перед камерой красным светом. Люди потом на видеозаписи увидят то, что было подсвечено красным, а среди снимаемых животных никто этот свет даже не заметит. Глубоководные рыбы часто и окрашены в этот незаметный красный цвет. По каким-то причинам рыбам гораздо проще вырабатывать красный пигмент для кожи, чем черный, и красный так же эффективно скрывает, как и черный.

У морской воды есть и свой ярко выраженный запах, тот самый аромат моря. Главный источник этого запаха – диметилсульфид, который вырабатывают бактерии при разложении мертвого фитопланктона. Свой вклад в морской запах вносят и водоросли и вырабатываемые ими соединения брома и йода. Сильный запах моря – верный признак повышенной биологической продуктивности!

Вкус у морской воды тоже очень характерный, горько-соленый. Соленость воде придает хлорид натрия, то есть обычная поваренная соль, которая составляет около 80% солевого состава морской воды. Горечь – это вклад хлорида магния, на который приходится еще 10%. Сульфаты магния и калия (еще 7%) придают менее явный металлический вкус. Из-за своего солевого состава морская вода вредна для человеческого организма, и пить ее нельзя. Употребление слишком соленой воды запускает процесс извлечения жидкости из клеток и межклеточного пространства, что приводит к постепенному обезвоживанию. Кроме того, сульфат магния обладает слабительным эффектом, и утоление жажды морской водой приводит к диарее и усиливает обезвоживание. Рыбы прекрасно пьют морскую воду, а человеку для утоления жажды не стоит пить ничего соленее минеральной воды. Это большая проблема для людей, оказавшихся без средств к существованию посреди океана, например, в результате кораблекрушения.

В середине 20 века француз Ален Бомбар задался целью опровергнуть биологические законы. Он отправился в плаванье через Атлантический океан в одиночку на маленькой резиновой лодке. Питаться он собирался планктоном (который он ловил носком) и сырой рыбой, а пить – сок, выжатый из рыб (каждые 4 из 5 дней), и морскую воду (в оставшийся пятый день цикла). Бомбару действительно удалось пересечь Атлантику от Канарских островов до Барбадоса за 65 дней и не умереть, хотя к концу путешествия он был уже очень близок к этому состоянию. По итогам своего путешествия он написал книгу «За бортом по своей воле», которая стала гимном безграничным человеческим возможностям и получила в те годы огромную популярность. Многие моряки, правда, подвергали большим и обоснованным сомнениям описанное в книге, в том числе то, что Бомбар действительно полностью обошелся без запасов еды и воды.

2. Морская геология

Подвижное дно океана

Что представляет собой Мировой океан? Это непрерывная водная оболочка земного шара, которая занимает впадины на нашей планете. Воды Мирового океана – это тонкая прослойка между твердой литосферой и газовой атмосферой. А откуда вообще взялась эта водная оболочка, откуда взялась вода на нашей планете? И как на ней появились впадины, которые занимает Мировой океан? Ответы на эти базовые вопросы не так и просты, и человечество нашло их лишь сравнительно недавно.

Вопрос о времени образования океанов до сих пор вызывает много споров среди ученых. Вода на Земле появилась в далекое даже по геологическим меркам время. Этот процесс происходил 3–4,5 миллиарда лет назад, когда планета только формировалась. Наиболее ранние представители живых форм (бактерии, археи и сине-зеленые водоросли), известные в настоящее время, жили 3,8 миллиарда лет назад. С этого времени считается доказанным существование скоплений водных растворов на Земле. Про сам процесс происхождения воды на Земле мы знаем достаточно мало, но по ряду косвенных признаков удалось создать две основные теории. Первая связывает происхождение воды с кометами и метеоритами: они падали на Землю и приносили с собой – в своем составе – воду. Вторая теория не предполагает вмешательства извне: когда-то Земля представляла собой жидкий расплавленный шар, и со временем более тяжелые вещества погрузились в центр шара и образовали железное ядро Земли, а более легкие, наоборот, были вытеснены наверх, создав мантию и земную кору. В процессе дегазации мантии и земной коры, а также вулканической активности на Земле появилась вода. Независимо от того, какой процесс был решающим для появления воды на Земле, на поверхности нашей планеты воды очень много. И большая часть этой воды содержится в Мировом океане, то есть в понижениях земной поверхности.

Рис. 21.Материковое и океаническое полушария

Воды океанов и морей на Земле распространены неравномерно. Условно поверхность Земли можно разделить на два одинаковых по площади полушария. В одном полушарии сосредоточена большая часть суши (материковое полушарие) – Евразия, Северная Америка и большая часть Африки. В другом – больше воды (океаническое полушарие); здесь находится небольшая часть Южной Америки, а также Австралия, Антарктида и часть австралийских и азиатских островов.

Если изучить и измерить рельеф всей планеты Земля, то можно составить гипсографическую кривую Земли, то есть на распределение высот и глубин на земном шаре, и увидеть, что оно очень неравномерное. На всем диапазоне значений – от –11 022 метров (глубина Марианской впадины) до +8848 метров (высота Эвереста) – есть два сегмента, которым соответствует большая часть поверхности нашего земного шара. Примерно четверть площади поверхности Земли приходится на первый сегмент – от –200 до +900 метров, – что соответствует невысокой суше и неглубокому морю. Второй сегмент – морские глубины от 3 до 6 километров – занимает около половины площади поверхности Земли.

Геологические исследования показали, что эти два максимума соответствуют двум типам земной коры – континентальной и океанической. Каким же образом они связаны? Для этого надо обратиться к строению Земли. Большая часть Земли состоит из ядра и мантии. Земная кора и верхняя часть мантии (до глубин 100 километров под океанами и 350 километров под континентами) образуют твердую литосферу, которая разбита на блоки двух типов – континентальные и океанические. Они и составляют твердую поверхность суши и дна Мирового океана.

Рис. 22.Гипсографическая кривая Земли

Строение земной коры под океанами отличается от строения земной коры у континентов. Океаническая кора довольно тонкая – около 10 километров, поэтому она невысоко поднимается над мантией. Половина поверхности Земли, занятая глубинами от 3 до 6 километров, – это и есть проявление наиболее типичной мощности (то есть толщины) океанической коры. Континентальная кора имеет мощность в разы больше, от 15–20 до 70–75 км, поэтому она возвышается над мантией гораздо сильнее. При этом ее минимальные значения присущи шельфовым морям, а максимальные – молодым горным сооружениям (Анды, Памир, Гималаи).

Кроме того, континентальная и океаническая кора имеют очень разный возраст. Вся океаническая кора под современными океанами сформировалась не раньше 200 миллионов лет назад (то есть вся она моложе 200 миллионов лет), а большая часть континентальной – не менее, чем 2,5 миллиарда лет назад (то есть почти вся она старше 2,5 миллиарда лет). Таким образом, океаническая кора гораздо моложе, чем континентальная.

Рис. 23.Континентальная и океаническая кора

Принципиальные различия в строении и возрасте континентальной и океанической коры стали ключевым элементом теории движения литосферных плит. Еще в XVII веке люди заметили, что контур восточного побережья Южной Америки очень похож на западное побережье Африки. Такое сходство породило разные теории о том, что когда-то эти материки были вместе. Со временем стало известно, что твердая поверхность Земли состоит из восьми крупных, десятков средних и большого количества маленьких литосферных плит. Они представляют собой внутренне жесткие блоки, которые находятся в медленном (несколько сантиметров в год), но непрерывном движении, расходятся и сталкиваются между собой, периодически погружаются друг под друга. Под литосферой лежит слой мантии с пониженной вязкостью, называемый астеносферой, по которой и скользят литосферные блоки.

На протяженных участках морского дна расположены срединно-океанические хребты. В осевой части этих хребтов есть глубокие долины, там океанская кора имеет самую маленькую мощность. Через протяженные разломы в этих долинах изливается магма и превращается в новую океаническую кору. Срединно-океанические хребты образуются в местах, где земная кора расходится. Они образуют самую протяженную горную цепь на планете, их обнаружение стало одним из наиболее громких и значимых открытий в морской геологии.

Рис. 24.Расположение литосферных плит на Земле

При столкновении тонкой океанической и толстой континентальной плит более легкая океаническая плита погружается под континентальную и исчезает, расплавляясь в мантии. Бывает и так, что одна океаническая плита погружается под другую океаническую плиту. В любом случае при погружении океанической плиты формируются высокие горы, островные дуги и глубоководные желоба. Таким образом, океаническая кора непрерывно формируется в одних районах и непрерывно исчезает в других. Именно поэтому нет океанической коры старше 200 миллионов лет. Континентальная кора, напротив, представляет собой стабильные блоки, которые медленно формируются и медленно исчезают.

Одним из важнейших свидетельств формирования и расползания в стороны новой океанической коры в океанических разломах стало исследование магнитных свойств океанической коры. У Земли есть Северный и Южный полюса, через которые проходит ось вращения. Также у Земли есть магнитные полюса, северный и южный, через которые проходит ось магнитного поля Земли. Оказывается, магнитные полюса Земли не стоят на месте, а постоянно смещаются и даже периодически меняются местами. Эта смена полярности, инверсия магнитного поля Земли, происходит достаточно редко – с частотой от сотен тысяч до десятков миллионов лет. Последний раз инверсия магнитного поля произошла около 773 тысяч лет назад.

Рис. 25.Возраст океанической коры в Атлантическом океане

Когда магма изливается из океанических разломов и застывает в виде океанической коры, у нее формируются некие магнитные свойства, остаточная намагниченность, которая указывает, как в момент застывания были ориентированы Северный и Южный магнитные полюса Земли. Неоднократные инверсии магнитного поля планеты за десятки и сотни миллионов лет приводят к формированию полос прямой и обратной намагниченности параллельно и симметрично линии океанических разломов.

Рис. 26.Остаточное намагничивание океанической коры в районе срединно-океанического хребта

В местах, где литосферные плиты соприкасаются, формируются очаги землетрясения и места активного вулканизма. Если нанести на карту активные вулканы и очаги землетрясений, то проявятся контуры литосферных плит. А почему вообще плиты двигаются? Нижняя часть мантии нагревается от земного ядра и поднимается вверх. Горячая мантия, которая находится у нижней поверхности земной коры, остывает и поэтому опускается вниз. Так формируются огромные ячейки циркуляции вещества в мантии, включающие в себя вертикальные и горизонтальные движения, приводящие к сдвигам континентальных и океанических плит.

Подводные горы и каньоны

Переходная зона между континентом и глубоким океаном называется континентальной окраиной, которая может быть активной (если океаническая кора погружается под континентальную) или пассивной (если нет активного взаимодействия литосферных плит).

Пассивная континентальная окраина разделяется на континентальный шельф, континентальный склон и континентальное подножие. Самая мелководная зона, шельф, – это окраины континентов, затопленные океаном, поэтому его глубины обычно не превышают 100–200 метров. Континентальный склон – это окраина континентальной коры, которая непосредственно граничит с океанической. Из-за их разной толщины на континентальном склоне происходит резкое увеличение глубин до 2–2,5 километров ниже уровня моря. Далее наклонная поверхность континентального склона становится более пологой, и с этих глубин начинается континентальное подножие – плавное продолжение континентального склона вплоть до глубин около 4 километров. Активные континентальные окраины включают в себя узкий шельф, континентальный склон и глубоководный желоб, глубокую и длинную впадину на дне океана в зоне погружения океанической плиты под континентальную. Ложе океана – самая обширная область океанического дна с глубинами от 4 до 6 километров. Ложе океана находится на коре океанического типа и имеет сложную и разновозрастную структуру. В ложе океана есть свои горы и впадины: уже упомянутые срединно-океанические хребты, глубоководные желоба и океанские котловины.

Рельеф дна океана был очень плохо изучен вплоть до второй половины XX века. До этого времени определение глубины океана производилось непосредственным опусканием лота, то есть груза на тросе, с судна. Когда лот касался морского дна, фиксировалась глубина океана в определенной точке. Очевидно, что измерения глубин таким способом очень долгие, а для больших глубин еще и не очень точные, так как трос с лотом не опускается вертикально, а сносится морскими течениями. В начале XX века были изобретены эхолоты, которые испускают акустический сигнал в направлении морского дна и по времени его возврата рассчитывают расстояние до дна, то есть глубину моря. Эхолот позволяет определять глубину океана значительно быстрее и точнее, чем лот. При этом измерения все равно привязаны к судну: современные многолучевые эхолоты и гидролокаторы бокового обзора могут считывать рельеф дна только вдоль небольшой полосы непосредственно под судном, шириной от сотен метров до 20 километров.

Рельеф поверхности суши или поверхности Луны известен достаточно точно, с шагом в сотни и десятки метров, потому что его можно определять со спутников широкой полосой. Спутниковые измерения внесли некоторый вклад и в измерения рельефа морского дна, правда, весьма косвенным образом. Спутниковые гравиметрия, то есть измерение гравитационного поля Земли, позволяет выявлять аномалии, связанные с подводными горами и подводными хребтами, так как они влияют на локальные значения гравитации. Спутниковая альтиметрия позволяет выявлять области со стабильно повышенной или пониженной высотой поверхности моря, которые коррелируют с наличием крупных подводных объектов. Тем не менее рельеф морского дна со спутников с высокой точностью и подробностью до сих пор определять не получается. Его приходится закрывать измерениями непосредственно под судами, оборудованными гидролокаторами, которые ведут съемку рельефа дна. В настоящее время среднее разрешение цифровых моделей рельефа для открытого океана составляет единицы километров.

Рельеф дна очень сильно зависит от распределения осадочного вещества. Базальтовые лавы океанической коры сверху впоследствии засыпаются осадочным веществом. Процесс океанского осадконакопления формируется поступающими в воду частицами минеральной и органической природы. Осадочное вещество состоит, во-первых, из минеральных частиц, которые выносятся с суши в океан с реками или ветром в результате выветривания (то есть разрушения) горных пород суши или мелководного дна. Деятельность вулканов, выбрасывающих огромные объемы пепла, тоже является важным источником осадочного вещества. В полярных и субполярных районах осадочный материал также активно разносится айсбергами и морским льдом. Во-вторых, осадочное вещество формируется органической взвесью: живыми и мертвыми организмами (особенно имеющими твердый и медленно разлагающийся скелет) и продуктами их жизнедеятельности. За десятки и сотни миллионов лет оседания взвеси и ее переноса морскими течениями и лавинообразными потоками на крутых участках морского дна может накапливаться очень значительный слой осадочного вещества. Под собственной тяжестью рыхлые осадки преобразуются в твердые осадочные породы. Мощность этого слоя, осадочного чехла, в большинстве случаев не превышает нескольких километров, но в отдельных районах достигает 20–25 километров.

В некоторых прибрежных районах океана осадки накапливаются на морском дне очень быстро. В частности, это происходит около устьев крупных и мутных рек, которые выносят в море огромные потоки взвешенного вещества. Нередко такие приустьевые области находятся на узком шельфе, то есть на небольшом расстоянии от берега моря и речного устья шельф переходит в континентальный склон. Что же случится в таком месте, где взвесь в огромном количестве оседает и накапливается на дне, которое имеет крутой уклон от шельфа к континентальному склону? Случится что-то похожее на оползень или снежную лавину, когда осадков станет слишком много, они не удержатся и покатятся вниз по морскому дну. Эти турбидные (или мутьевые) потоки, так же, как и их аналоги на суше, обладают чудовищной разрушительной силой. Они сметают и ломают все на своем пути длиной в сотни и тысячи километров: не только обитателей морского дна, но и подводные телекоммуникационные кабели. Кстати, именно по зафиксированному времени последовательных обрывов телекоммуникационных кабелей удается измерить скорости некоторых турбидных потоков, рекордные значения составляют более 50 километров в час.

На геологических масштабах времени турбидные потоки прорывают огромные подводные каньоны на континентальном склоне. По своей сути эти каньоны похожие на гигантские речные русла на суше, глубиной в несколько тысяч метров. Через русла рек огромные объемы твердого вещества переносятся с суши на морской шельф, а потом часть этого вещества через подводные каньоны поступает на глубоководные абиссальные равнины. Река Конго, вторая по полноводности в мире после Амазонки, в океане продолжается подводным каньоном длиной 800 километров.

Рис. 27.Абразионный и аккумулятивный берега моря

Пройдя континентальный склон, турбидные потоки замедляются и останавливаются, и все двигавшееся твердое вещество оседает на абиссальной равнине. Так образуются подводные конусы выноса с характерной формой. Из крупных рек через подводные каньоны в подводные конусы выноса поступает большое количество органического вещества, которое со временем может превратиться в нефть и природный газ. Самый большой конус выноса сформировался в Бенгальском заливе благодаря стоку рек Ганг и Брахмапутра (в сумме примерно равному стоку Конго), поступающему в океан через общую дельту. Площадь его составляет более 4 миллионов квадратных километров, а максимальная мощность – 16,5 километра!