Современная океанология использует три средства исследования Мирового океана.
Научно-исследовательские суда являются основным средством изучения океана. Они делятся на универсальные и специализированные океанические суда неограниченного плавания. Для исследования внутренних морей и шельфовой части океана используются специализированные суда меньшего водоизмещения, выполняющие отдельные региональные исследования.
Универсальные океанические научно-исследовательские суда предназначены для длительных исследований океана по специализированным или комплексным программам. Они созданы в последние годы по специальным проектам, где учтены повышенные требования к мореходности, точности навигации, универсальности, маневренности, устойчивости малого хода, низкого уровня шума и вибраций. Современные океанические научно-исследовательские суда могут проводить исследования при волнении океана 5—6 баллов, что существенно повышает их эффективность. Они проводят исследования по различным программам без существенного переоборудования их между рейсами, поэтому на них существуют оснащенные аппаратурой лаборатории по всем дисциплинам современной океанологии. На ряде судов устанавливаются сменные контейнерные лаборатории, которые заранее оборудуются всем необходимым для проведения исследований по узкой специализированной программе. Современные универсальные научно-исследовательские суда оборудованы подруливающими устройствами и успокоителями качки. Подруливающие устройства позволяют длительно удерживать судно, например, носом на волну, а также компенсировать дрейф при наличии донных акустических маяков, могут длительное время удерживаться в заданной точке океана, противостоя дрейфу и течению.
Дальность плавания современных универсальных научно-исследовательдких судов обычно 20 000 миль, а автономность до 150 сут. Водоизмещение большинства таких судов достигает 7000 т, а скорость хода — до 15 уз.
На универсальных научно-исследовательских судах устанавливается обычно спутниковая система навигации, а также радионавигационные системы. Спутниковая система навигации обеспечивает определение местоположения судна с точностью до нескольких десятков метров (системы среднего радиуса действия) и нескольких сотен метров (системы дальнего действия).
Рис. 1. Научно-исследовательское судно «Академик Мстислав Келдыш».
В последнее время научно-исследовательские суда оборудуются интегральными системами навигации, где сведения о положении судна, поступающие от систем спутниковой и радионавигации в судовую ЭВМ, обрабатываются, в результате чего выдается суммарная навигационная информация. Такая система установлена, например, на новом научно-исследовательском судне АН СССР «Академик Мстислав Келдыш».
К наиболее крупным универсальным научно-исследовательским судам относятся суда типа «Академик Курчатов» водоизмещением 6800 т и мощностью главного двигателя 5900 кВт. На борту судна находятся 24 научные лаборатории и 80 человек научного состава.
Наряду с универсальными научно-исследовательскими судами создаются и используются специализированные океанские суда, предназначенные для исследований по узко специализированным программам. Они также отличаются большими размерами и водоизмещением, насыщенностью аппаратурой, большим числом лабораторий, современной системой навигации, наличием на борту судна мощного вычислительного центра, построенного на основе современных ЭВМ. Суда этого типа отличает прежде всего специальное оборудование, находящееся на их борту. Суда для космических исследований, такие как «Космонавт Владимир Комаров», «Космонавт Юрий Гагарин», имеют на борту комплексы аппаратуры для космических исследований, связи и управления космическими орбитальными станциями и спутниками. Водоизмещение второго из этих судов около 40 000 т.
Научно-исследовательские суда «Одиссей», «Ихтиандр» Министерства рыбного хозяйства СССР являются судами-носите-лями подводных обитаемых аппаратов, предназначенных для проведения подводных исследований с целью изучения рыбных запасов в океане.
В последнее время спроектированы, построены и ведут исследования научно-исследовательские суда нового типа, способные проводить океанологические исследования с использованием всего арсенала традиционных средств и техники подводных исследований. Научно-исследовательские суда типа «Витязь», помимо 22 океанологических лабораторий, оборудованы судовым водолазным гипербарическим комплексом, подводными обитаемыми и необитаемыми аппаратами. Такие суда могут проводить исследования как по комплексным океанологическим программам, так и по узкоспециализированным программам, где целесообразно применение технических средств подводных исследований. Их водоизмещение 6300 т.
Большое количество специализированных судов используется для изучения внутренних морей и исследования шельфа. Они, как правило, имеют небольшое водоизмещение — до 1600 т и оборудованы аппаратурой, позволяющей проводить исследования по какой-либо одной из дисциплин океанологии. Так, например, НИС «Профессор Штокман» имеет геофизическую ориентацию (водоизмещение 1600 т), НИС «Рифт» и «Гидронавт» водоизмещением 1300 т являются носителями подводных обитаемых аппаратов.
Большое число научно-исследовательских судов малого водоизмещения, до 300—600 т, используются для изучения гидроакустических, геофизических .процессов в районе шельфа, для проведения биологических исследований в интересах океанологии и решения рыбохозяйственных задач. Все эти суда имеют ограниченное число палубных лебедок, грузоподъемных средств (стрелы, П-рамы) и несколько лабораторий со сменным аппаратурным оборудованием.
Стационарные исследовательские буи и океанографические платформы. Для выполнения длительных комплексных измерений и исследований в фиксированном локальном районе акватории использование научно-исследовательских судов часто оказывается нецелесообразным и нерациональным. Для этих задач применяются специальные стабилизированные буи, а в последнее время — стационарные океанологические платформы.
Рис. 2. Научно-исследовательское судно «Витязь».
Стабилизированные буи устанавливаются в заданном районе с помощью специальной системы донных якорей. К месту постановки их доставляют буксировкой на плаву. Известна конструкция самоходного стабилизированного буя «ФЛИП», имеющего обводы корпуса судна и автономную движительную установку. Все буи оборудованы водяной балластной системой, с помощью которой они могут быть приведены в вертикальное положение так, что большая часть буя оказывается под водой и он становится устойчивым в вертикальном положении даже при значительном волнении. Так, обычные угловые отклонения стабилизированного буя сохраняются в пределах 1—2°. За счет использования специальных демпфирующих средств буй находится также в стабильном положении в вертикальном направлении — его перемещения по вертикали даже на сильном волнении составляют не более метра. Такая угловая и линейная стабилизация буя дает возможность выполнения высокоточных измерений параметров океана.
В верхней надводной части буя обычно расположено помещение-лаборатория, приспособленное часто к длительной многосуточной работе и жизни исследователей. Примером может служить буй-лаборатория Ж. И. Кусто, которая длительное время эксплуатировалась в Средиземном море в районе Монако.
В подводной части буя смонтированы лифт и лабораторные помещения, находящиеся на разных уровнях под водой. Во внешней части буя устанавливаются различные измерительные системы, которые могут перемещаться вдоль буя на специальных каретках по направляющим вверх и вниз. Основная система сбора и обработки информации находится в верхней надводной лаборатории. Буй имеет автономную систему электроэнергии в виде дизель-генератора и аккумуляторных батарей и все необходимое для длительной жизнедеятельности научного персонала. Связь с берегом осуществляется по радио. На надводной части буя обычно имеется площадка, обеспечивающая“ швартовку судов малого водоизмещения.
Идея проведения стационарных измерений и исследований вызвала также появление в качестве исследовательского средства стационарных океанологических платформ, принципиально подобных нефтебуровым стационарным платформам, широко применяемым на морских нефтепромыслах. Первая такая исследовательская платформа появилась в Англии и была установлена в Северном море. У нас в стране известна океанологическая платформа Морского гидрофизического института АН УССР, которая установлена в Черном море. В настоящее время ведутся проектирование и строительство еще нескольких стационарных океанологических платформ.
В надводной части океанологическая платформа имеет несколько ярусов, на которых расположены жилые помещения и лаборатории, а также вспомогательные помещения с оборудованием, обеспечивающим длительную автономию работы научного персонала. На самом верхнем ярусе обычно имеется площадка для приема вертолета, осуществляющего связь платформы с берегом. Помимо лабораторий, платформа оборудована лебедками и спуско-подъемными устройствами, предназначенными для работы с погружаемой океанологической аппаратурой. Платформы обычно устанавливаются в районе шельфа, пока что на небольших глубинах моря на свайных основаниях, которые довольно существенно заглубляются в грунт. Таким образом, платформа стабильно привязана к выбранному заранее месту. Однако существуют также и более перспективные варианты полупогружных океанологических платформ, которые находятся на плаву и удерживаются стабильно в выбранной точке акватории на специальных якорных системах. Такая платформа может перемещаться в различные районы акватории и устанавливается в них стационарно на якорях на длительное время. Подобная система удержания океанологической платформы позволяет также увеличить глубину моря, на которой она может быть установлена. Обычные свайные платформы в настоящее время могут быть установлены на глубинах до 70 м, в то время как якорная система удержания платформы может обеспечить глубины постановки в несколько сот метров.
Необходимо отметить перспективность применения в современной океанологии стационарных исследовательских платформ — эффективного средства высокоточных измерений и прецизионных исследований, роль которых в ближайшем будущем должна значительно возрасти.
Аэрокосмические средства исследования океана начали применяться лишь в последние годы. Аэрокосмическая съемка разделяется на пассивную и активную. При пассивной съемке фиксируется собственное излучение объекта или отраженное солнечное излучение. При активном — изучаемая поверхность облучается с объекта, а отраженный сигнал принимается соответствующей аппаратурой. Аэрокосмические методы используются при геологических и гидрофизических исследованиях океана. Так, для геологических исследований океана широко используются материалы космо- и аэросъемок: фотографической, спектрометрической, многозональной, телевизионной, лазерной, инфракрасной, радиолокационной. Изучение аэрофотоснимков морского дна позволяет судить о характере и формах подводного рельефа, распространении осадков и коренных пород, выявить участки акваторий, перспективные для проведения изысканий на нефть и газ, залежей полезных ископаемых осадочного происхождения. Широкое распространение получает аэрокосмический метод исследования поверхности океана. Так, поверхностные волны хорошо отображаются на аэроснимках, что позволяет выявить все системы волн и определить их характеристики. По материалам аэрофотосъемки можно детально изучить рефракцию и дифракцию волн. Эти данные затем могут быть использованы для выявления особенностей рельефа дна. По тону изображения на аэрофотоснимках можно опознать морские течения. Дешифрированием аэрофотоснимков изучаются внутренние волны, определяются период волн, их фазовая скорость и направление распространения.
Разрывные течения нарушают систему прибрежных ветровых волн и зону прибоя, что также фиксируется аэрофотосъемкой. Развитие получили методы извлечения информации об объектах морского дна по ряду косвенных признаков. Фотоснимки морского дна можно получить обычно лишь с глубины не более 100 м. Однако по ряду косвенных признаков могут быть получены сведения об особенностях строения и глубокого дна. Так, вулканические извержения приводят к изменениям оптических свойств воды за счет выброса пепловых материалов, скопления плавающих обломков пемзы, а иногда и образования вулканических островов. Нефтеносность районов морского дна может проявиться в виде пятен нефти и извержений газа. Формы рельефа дна могут выявляться также по ряду косвенных признаков. Так, волны реагируют на положительные формы рельефа дна, находящиеся на глубинах, меньших половины их длины. Начиная с этой глубины волны начинают деформироваться. Эта деформация хорошо наблюдается на фотоснимках.
рефракция волн позволяет выявить углы подхода волн к берегу и далее выявить элементы рельефа подводного берегового склона.
Апвеллинги в открытых частях морей и океанов часто возникают над банками, подводными горами и хребтами. Поднятие глубинных вод обычно вызывает усиление развития планктона и изменение оптических свойств вод, что хорошо регистрируется фотоснимками. Помимо обычного фотографирования, используется инфракрасная аэросъемка. Инфракрасная аэросъемка позволяет регистрировать собственное тепловое излучение изучаемого объекта. Таким путем можно измерить температуру поверхности вод морей и океанов, регистрировать теплые и холодные течения, их структурные особенности, зоны конвергенции и дивергенции течений, холодные воды апвеллингов.
Инфракрасная съемка позволяет также определять места подводных извержений вулканов по локальному повышению температуры вод над ними.
Одним из распространенных методов активной съемки океана является радиолокационная аэросъемка. На снимках регистрируется только поверхность акваторий и те явления, которые на ней происходят. Так, радиолокационная съемка позволяет получать информацию о параметрах воли, а также о наличии на поверхности океана пленки разлитой нефти. Радиолокационная съемка позволяет также зарегистрировать разводья и трещины льда в полярных акваториях.
К активным методам съемки поверхности океана относятся находящиеся в стадии развития лазерная, люминесцентная и ультрафиолетовая съемка. Так, с помощью лазера в прозрачных водах можно измерять достаточно точно глубины моря в несколько десятков метров.
Наличие нефтяных пленок на поверхности акваторий, а также планктона может быть выявлено люминесцентной съемкой. Создается аппаратура для проведения ультрафиолетовой съемки. С ее помощью предполагается изучать фитопланктон в океане, оценивать концентрацию хлорофилла и регистрировать области загрязнения поверхности океанов и морей нефтепродуктами. Широкое распространение получают аэрогеофизическая съемка дна морских акваторий, включающая аэромагнитную и аэрогравитационную съемки.
Наконец, следует отметить, что прямое визуальное наблюдение поверхности акваторий океанов с борта космических орбитальных станций космонавтами также приносит ценную информацию о ряде глобальных явлений и процессов. Так, космонавты выделяют на поверхности океана крупные течения и мощные океанские вихри в районе этих течений. Ими были также замечены косвенные явления на поверхности океана, являющиеся отражением резких изменений рельефа дна в районе срединно-океанического хребта.