Гидрофизика. Гидрофизические исследования включают гидрологические измерения, исследования тонкой структуры, оптические и акустические исследования.
Одним из важнейших является исследование течений Мирового океана. Для этих целей применяются измерители течений. Они фиксируют направление течения и его модуль.
Длительное время использовались буквопечатающие вертушки типа БПВ. Прибор имел датчик скорости роторного типа и магнитный компас. В настоящее время используются измерители течения электронного типа с записью данных на магнитную ленту в цифровом коде. Известны измерители течений типа «Диск» (МГИ), «Поток» (ИОАН), АЦИТТ (ААНИИ).
Для изучения гидрологической структуры толщи вод используются гидрологические зонды, которые измеряют средние значения параметров, обычно температуры, электропроводимости, давления. Широко используются и гидрохимические зонды, которые, помимо указанных параметров, измеряют количество растворенного кислорода, рН и др.
Обычно зонд опускается на кабель-тросе, непрерывно ведя измерение и передачу измеряемых параметров на судно, но для работ на глубине свыше 2 км часто применяют зонды с автономной регистрацией измеряемых величин на магнитную ленту.
Для исследования тонкой структуры вод используются пульсационные зонды, которые измеряют малые отклонения параметров от их среднего значения. Эти приборы обычно создаются для решения конкретных задач.. Они измеряют пульсации температуры, электропроводимости, скорости звука в воде. Измеренные величины передаются по кабель-тросу на борт судна, где далее регистрируются и обрабатываются на ЭВМ.
Для исследования температурного поля поверхностных слоев воды используются термотралы — буксируемый комплекс распределенных температурных датчиков. Термотрал обычно представляет собой кабельную линию, в которой с постоянным шагом вмонтированы датчики температуры. На конце кабельной линии установлен заглубитель. В процессе буксировки датчиками захватывается определенный слой воды (обычно до 200 м), в котором происходит непрерывное измерение температуры.
Для гидрологических и гидрохимических исследований необходимы пробы воды с различных глубин. Такие пробы берутся батометрами. Существует много типов батометров, отличающихся по размерам и конструкциям. Для взятия проб воды вблизи грунта созданы специальные батометры. Иногда требуется, чтобы в батометре взятая проба осталась при первоначальном давлении. Это требование обеспечивается специальной конструкцией батометров.
Геология, геофизика. При проведении геологических исследований необходима аппаратура, которая обеспечивала бы измерение профиля дна. картирование дна средствами акустики, фото- и телевидения, отбор проб грунта, коренных пород, сбор обломков коренных пород. Профиль дна под судном измеряется эхолотом и вычерчивается регистратором. В геологических исследованиях используются узколучевые эхолоты, обладающие хорошим разрешением и точностью. Такие эхолоты незаменимы при проведении съемок полигонов и построении батиметрических карт. В последние годы в практику геологических исследований океана внедряется система многолучевого эхолота, которая существенно повысила производительность точного картирования дна. Многолучевая система картирования дна состоит из двух подсистем: гидроакустического лоцирования и навигационной. С помощью последней подсистемы точки съемки глубины привязываются к географическим координатам.
Донная поверхность по площади исследуется с помощью гидролокаторов бокового обзора.
В гидролокаторах используется антенна в форме вытянутого прямоугольника. В плоскости, перпендикулярной оси судна, диаграмма направленности антенны достигает 40—45°, а в диаметральной плоскости судна диаграмма направленности составляет 1,5—2°. Таким образом, акустическими колебаниями лоцируется узкая и длинная полоса дна, и все неровности его отчетливо отражаются при записи на сонограмме. Обычно гидролокаторы бокового обзора делают двусторонними, что позволяет увеличить ширину обследуемой полосы дна.
Большой информативностью характеризуется фотосъемка дна. Она обычно проводится с расстояний до 10 м, что определяется прозрачностью воды. Для фотографирования применяются фотокамеры с большим запасом пленки (обычно не менее 2500— 3000 кадров) и широкоугольными объективами, скорректированными для воды. Фотокамера работает синхронно с импульсными светильниками.
С целью увеличения фотографируемой площади дна в США создана специальная система ЛИБЕК, позволяющая одним кадром снимка покрывать площадь дна до 2000 м2, что достигается применением импульсных светильников большой энергии (50 кДж), располагаемых высоко над фотокамерой. Следует отметить, что при таких больших форматах фотоснимка разрешающая способность получается низкой.
Исключительной информативностью обладают подводные телевизионные системы. Видеоинформация обычно записывается на видеомагнитофон и может впоследствии многократно анализироваться специалистами. В настоящее время существуют подводные телевизионные системы высокой чувствительности, которые позволяют с хорошим качеством регистрировать на видеомагнитофоне наблюдаемые участки донной поверхности. Подводные телевизионные системы устанавливаются на буксируемых аппаратах и подводных обитаемых аппаратах и позволяют вести запись изображения донной поверхности в течение многих часов. Телевизионная система на буксируемом аппарате является также основным информационным средством для управления процессом буксировки аппарата у дна.
Совместная работа телевизионной системы и фотоустановки позволяет с большей эффективностью производить фотосъемки, выбирая объект съемки по видеомонитору. В геологических исследованиях важную роль играет отбор проб осадков и коренных пород. С этой целью используются специальные дночерпатели, опускаемые с борта судна на тросе, а также автономные пробоотборники, которые сбрасываются с борта судна, автономно опускаются на дно, берут пробу грунта и, сбросив балласт, всплывают с пробой на поверхность. Дночерпатели обычно способны взять лишь поверхностную пробу грунта, углубляясь в осадочный слой на 15—20 см. Для взятия проб осадков высотой в несколько метров используются грунтовые трубки — колонковые пробоотборники. Различают ударные и вибропоршневые грунтовые трубки. Ударная грунтовая трубка внедряется в грунт за счет энергии падения. После внедрения в грунт трубка лебедкой выдергивается и поднимается на борт судна. Ударные грунтовые трубки способны брать пробы осадка высотой до 8 м, а иногда и более. В последнее время получили использование автономные ударные грунтовые трубки, которые сбрасываются с судна, падают до грунта, внедряются в осадок и после отдачи балластного груза самостоятельно всплывают со взятой пробой на поверхность.
Вибропоршневые грунтовые трубки обычно используются при сравнительно небольших глубинах моря (200 м). Пробоотборник внедряется в грунт за счет вибратора, установленного в верхней части конструкции трубки. Такие грунтовые трубки способны взять колонки высотой до 30 м. В последнее время появились пробоотборники морских осадков отбуривающего принципа с автономным гидроприводом. Установку с судна спускают на кабель-тросе, по которому подают электроэнергию, а также сигналы управления. Такие пробоотборники применяются на глубинах до нескольких сот метров.
Для отбора проб коренных пород используются керноотбор-ники. Они опускаются на кабель-тросе с судна. Керноотборник устанавливается на дне в выбранном заранее районе и осуществляет бурение коренных пород и отбор кернов.
Основой традиционных геофизических исследований является сейсмоакустическое профилирование. Оно позволяет получить сведения о морфологии морского дна и строении осадочных толщ.
Различают два метода сейсмоакустических исследований.
Профилирование методом отраженных волн известно как метод непрерывного сейсмического профилирования (НСП). Сейсмоакустическая аппаратура состоит из излучателя, приемной антенны и регистрирующей аппаратуры. При сейсмическом профилировании используются низкочастотные импульсы упругих акустических волн в диапазоне 0,01—10 кГц.
В качестве излучателей используются магнитострикционные, индукционные, электроискровые, газовые и пневматические преобразователи. Наибольшее распространение получили пневматические преобразователи.
В качестве приемных устройств используются электроакустические преобразователи, чаще всего пьезоприемники. Пьезопри-емники соединяются с учетом их полярности в последовательно-параллельные группы. Приемники размещаются на определенном расстоянии друг от друга, что создает распределенную антенну. Приемная антенна конструктивно оформляется в виде буксируемой за судном косы, в которой смонтированы пьезоэлектрические преобразователи. Глубина профилирования методом НСП обычно составляет 3—5 км. Сейсмическое исследование методом преломленных волн известно как метод глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ). В качестве излучателей при этом методе исследований также чаще всего используются пневматические преобразователи, а в качестве приемника применяются донные сейсмографы или гидрофоны, установленные на судне. Глубина зондирования при ГСЗ составляет 10—15 км. На буксируемых аппаратах, движущихся на малых расстояниях от дна (50—100 м), используется аппаратура акустического профилирования, обладающего высокой разрешающей способностью — до 0,5 м. В качестве излучателя используются пьезоэлектрические генераторы акустических колебаний. Они работают на частотах порядка 5—10 кГц. Подобные акустические профилографы обеспечивают профилирование приповерхностных слоев осадка на глубину первых десятков метров.
Гравиметрическая съемка позволяет вскрыть нефтегазоносные районы, изучить строение соляных куполов и диапиров. Гравиметрические измерения можно выполнить судовыми гравиметрами на ходу судна, донными гравиметрами, установленными на автономных донных станциях, и буксируемыми гравиметрами, которые монтируются на буксируемых у дна аппаратах. Судовые гравиметры обычно имеют малую точность и используются, как правило, для проведения региональных исследований и мелкомасштабной съемки. Гравиметры донных станций и буксируемых аппаратов отличаются большей точностью и используются для создания опорных гравиметрических пунктов и крупномасштабной гравиметрической съемки.
Магнитометрический метод исследования дна широко используется современной геофизикой. Он позволяет вскрыть магнитную структуру коренных пород, перекрытых донными осадками.
Магнитометры обычно размещают либо на самолетах, либо на буксируемых аппаратах, движущихся вблизи поверхности океана или вблизи дна.
Существуют четыре способа измерения магнитного поля Земли:
— магнитометрический, при котором для измерения используется чувствительный элемент в виде постоянного магнита,
— феррозондовый, при котором используется датчик из ферромагнитного материала;
— протонный, при котором используется явление свободной прецессии протонов;
— квантовый, при котором используется прецессия атомов.
Для аэромагнитной съемки наибольшее распространение получили феррозондовые магнитометры.
В геофизических исследованиях океана наибольшее распространение получили протонные магнитометры. Гидромагнитная съемка обладает преимуществами по сравнению с аэромагнитной при проведении крупномасштабных исследований, а также в районах с широким распространением изверженных пород.
Важные геофизические данные могут быть получены методом электроразведки. Она помогает картированию дна и изучению распределения коренных пород. Используются системы на постоянном и переменном токе.
Наибольшее распространение имеет непрерывное электрическое профилирование и непрерывное дипольно-осевое зондирование.
Глубинность профилирования при электроразведке иногда достигает нескольких километров.
Наиболее глубинным методом электроразведки является метод магнитотеллурического зондирования. В основе метода лежат измерения составляющих переменного электромагнитного поля, создаваемого естественными магнитосферными источниками.
Биология. При проведении биологических исследований используется широко известное океанологическое оборудование: дночерпатели, биологические донные и пелагические тралы, сети для отлова планктона, батометры для взятия проб воды.
С помощью донных тралов и дночерпателей проводится отбор проб донных животных. При буксировке трала по дну соскребается верхний осадочный слой вместе с животными, находящимися на поверхности дна. Для определения количества планктона в изучаемом районе используются планктонные сети, которые позволяют оценить удельное содержание планктона в зондируемых слоях водь:.
Однако все эти методы исследования биологических сообществ не ооеспечивают достаточной точности и истинного представления об изучаемых районах. Исследователь проводит отбор проб не прицельно, при этом часто нельзя знать, где взята проба бентоса, в каком состоянии была донная поверхность и т. п. С появлением новых технических средств подводных исследований возникла возможность визуально наблюдать дно, прицельно отбирать пробы .манипулятором или специальными ловушками.
Особенно информативны маршрутная фотосъемка и видеозапись дна, выполняемые с буксируемых подводных аппаратов.
Видеозапись дна обязательно ведется и при погружениях подводных обитаемых аппаратов, совместно с непосредственным наблюдением дна специалистами через иллюминатор. Следует заметить, что видеозапись является прекрасным информативным средством документирования происходящих событий. После завершения погружения подводного аппарата существует возможность коллективного просмотра видеозаписи и обмена мнениями между специалистами.
Техника подводных исследований. В последние годы в океанологии получил распространение метод исследования, который предусматривает непосредственное общение исследователя с изучаемым объектом или явлением. Метод подводных исследований основывается на трех видах технических средств: водолазные гипербарические комплексы, подводные обитаемые аппараты и подводные необитаемые аппараты — роботы.
Подводные лаборатории строились и использовались учеными различных стран мира: США, Франции, Англии. Применение подводных лабораторий для проведения океанологических исследований в СССР началось в середине 60-х годов. Институт океанологии им. П. П. Ширшова АН СССР в течение семи сезонов использовал Подводную лабораторию «Черномор» для выполнения исследований по различным дисциплинам океанологии на глубинах до 30 м.
В 1973 и 1974 гг. подводная лаборатория «Черномор» работала на шельфе Народной Республики Болгарии на глубинах до 17 м. Этим циклом работ было показано, что прямое участие ученых в исследованиях под водой имеет большую перспективу.
Одновременно с созданием подводных лабораторий шла разработка судовых водолазных комплексов, в которых сама барокамера-лаборатория находится на борту судна, а водолазы-исследователи спускаются на дно в погружаемом водолазном колоколе, куда они переходят из барокамеры при заданном давлении. Судно при этом стоит на якорях или удерживается в точке системой динамического позиционирования. Использование судовых водолазных комплексов позволяет упростить процедуру обеспечения работы человека на глубинах и делает применение этого средства мобильным.
Рабочая глубина судовых водолазных комплексов достигает 350 м.
В СССР судовые водолазные комплексы имеются на судах Мингазпрома СССР. Они предназначены для обеспечения под-водно-технических работ, связанных с добычей нефти и газа.
С 1982 г. Академией наук СССР начато использование судового водолазного гипербарического комплекса в интересах океанологии. Комплекс установлен на новом НИС «Витязь». Его рабочая глубина 250 м. С использованием комплекса был выполнен цикл подводных исследований на шельфе о. Кипр и в восточной части Атлантического океана по геолого-геоморфологической программе.
Для проведения опережающих медико-физиологических исследований используются береговые гипербарические комплексы. В них проводятся имитационные погружения человека и животных на большие глубины. При этом решаются вопросы физиологии, медицины, проводится тренировка водолазов и проверка аппаратуры и снаряжения.
С целью расширения района работ водолазов-исследователей под водой используются различные транспортные средства. На небольших глубинах нашли применение автономные буксировщики водолазов, пользуясь которыми водолаз может двигаться над дном, меняя по своему желанию направление движения и отстояние от дна. На больших глубинах применение получили подводные обитаемые аппараты с водолазным отсеком. На таком аппарате существует отсек с нормальным давлением, где находится экипаж, который управляет движением аппарата, и водолазный отсек, в котором сохраняется давление, соответствующее глубине, где предстоит выход водолазов из аппарата в воду.
На судне такой подводный аппарат пристыкован к судовой барокамере. После выхода судна в район работ водолазы переходят в водолазный отсек аппарата, где давление соответствует давлению в барокамере и глубине района работ. Водолазный отсек аппарата затем герметизируется, а аппарат опускается с судна в воду и далее управляемый экипажем начинает погружение в район работ. По достижении дна аппарат ложится на грунт или зависает на якорях над дном, а водолазы, выровнив давление в отсеке с внешним, открывают люк и выходят в воду для проведения работ. По завершении работ они возвращаются в отсек, и аппарат может перейти на новый участок исследований. Когда работы под водой закончены, аппарат всплывает, его берут на борт судна, стыкуют с барокамерой, после чего водолазы переходят в нее. Такой цикл может повторяться много дней подряд. Подводный аппарат, таким образом, представляет собой автономный самоходный водолазный колокол.
В последние годы получили качественно новое развитие жесткие водолазные скафандры, которые дают возможность человеку погружаться на глубины в несколько сот метров, оставаясь в условиях нормального давления и имея возможность передвигаться, а также выполнять различные операции специальными захватами.
Подводные обитаемые аппараты, в отличие от водолазных гипербарических комплексов, полностью изолируют человека от внешней среды. Находясь в подводном аппарате, исследователь может наблюдать за внешним миром через иллюминатор и выполнять операции, пользуясь манипулятором. Сам же он находится внутри прочного корпуса, где сохраняются нормальное атмосферное давление и нормальная земная дыхательная среда.
Подводные, необитаемые аппараты дают возможность исследователю, находясь на судне, видеть дно и с помощью манипуляторов выполнять несложные операции. Эти аппараты — дистанционное средство исследования, которое тем не менее создает у исследователя определенный «эффект присутствия» у изучаемого объекта.
Большую популярность имеют буксируемые аппараты, оборудованные средствами телевидения, фото- и акустической локации дна. Они позволяют вести длительную съемку и обследование дна, обеспечивая его детальное картографирование. Рабочие аппараты с манипуляторами применяются для обследования локальных рельефов дна, когда требуется провести отбор проб грунта или выполнить какие-либо простые операции. Они также оборудованы средствами телевидения, фото- и акустической локации дна.
В связи с необходимостью периодических осмотров нефтяных морских платформ под водой получили развитие инспекционные телеуправляемые аппараты. Они имеют движители и оборудуются средствами телевидения и фото. Эти аппараты предназначены для осмотра и фотографирования подводной части свайных буровых платформ. Они, как правило, имеют малые размеры и массу и легко опускаются на воду без применения специальных спуско-подъемных средств.
Автономные телеуправляемые аппараты обычно используются для фотосъемки дна и измерения гидрофизических параметров в толще воды или придонном слое. Они оборудуются средствами фото-, акустической локации дна, а также датчиками гидрофизических параметров. Вся информация, получаемая аппаратом, фиксируется на борту аппарата и после его всплытия на поверхность и подъема на борт судна извлекается для дальнейшей обработки.
Автономные аппараты действуют по программе, заранее заложенной на борту судна. Они по классификации роботов относятся к роботам первого поколения.
Необходимо отметить, что все технические средства подводных исследований являются основой нового метода изучения океана и наибольший эффект наблюдается при их комплексном использовании для решения конкретной научной задачи.
Это положение было наглядно подтверждено рядом экспедиций как зарубежных, так и проведенных нашей страной (ФА-МОУС, 30-й рейс НИС «Академик Курчатов» в Красное море, 1-й и 7-й рейсы НИС «Витязь» в Средиземное море и восточную Атлантику).