В настоящее время наибольшую эффективность в проведении океанологических исследований показали судовые водолазные комплексы, использующие судно как базу для расположения гипербарического водолазного комплекса и колокола, стыкуемого с комплексом для перехода акванавтов и используемого для доставки акванавтов к месту исследований на дне и возвращения их на судно в гипербарический комплекс.
По сравнению с подводными стационарными базами-лабораториями судовые комплексы отличаются большей подвижностью, безопасностью использования, а их применение экономически более выгодно.
Однако, несмотря на некоторое уменьшение интереса к подводным стационарным лабораториям, они продолжают оставаться весьма эффективным средством проведения длительных исследований на дне. Таким образом длительность наблюдений в конкретном районе дна является определяющим фактором в выборе типа гипербарического водолазного комплекса. Там, где исследования носят попутный характер и требуют ограниченного числа погружений в одном и том же месте, целесообразно использовать судовой гипербарпческий комплекс. Если же исследования имеют систематический характер с необходимостью длительных наблюдений в течение многих суток в локальном районе дна, более удобно использовать стационарную подводную лабораторию, устанавливаемую на дне.
Промежуточное положение занимают подводные обитаемые аппараты с водолазным отсеком, которые фактически являются автономным водолазным колоколом. Погружение такого подводного аппарата производится с обеспечивающего судна, на котором находится гипербарический водолазный комплекс. Водолазный отсек подводного аппарата стыкуется с водолазным гипербарическим комплексом, что обеспечивает переход акванавтов из комплекса в аппарат и обратно. Очевидно, что применение подводного аппарата с водолазным отсеком и применение водолазного колокола целесообразно при проведении кратковременных наблюдений и исследований на дне. В отличие от водолазного колокола, обеспечивающего удаление от него акванавтов на расстояние порядка 50 м, подводный аппарат с водолазным отсеком дает возможность проводить наблюдения и исследования на большей площади. При этом выход акванавтов из водолазного отсека может быть многократным при каждой покладке подводного аппарата на грунт.
Подводная стационарная лаборатория структурно состоит из прочного корпуса, системы погружения-всплытия, системы энергоснабжения, системы жизнеобеспечения, системы связи, газовой системы, системы аварийного покидания лаборатории. Прочный корпус подводной лаборатории предназначен для размещения экипажа и отдельных систем и проведения в нем компрессии и декомпрессии. Прочные корпуса лаборатории, как правило, имеют цилиндрическую, а реже сферическую форму. Прочный корпус разделяется на жилой, рабочий и водолазный отсеки.! В отдельных случаях между отсеками устанавливаются прочные переборки с переходными люками. В верхней части водолазного отсека устанавливается люк для выхода и входа экипажа в надводном положении подводной лаборатории. В нижней части устанавливается люк для сообщения газового пространства лаборатории с внешней средой и для выхода акванавтов, когда подводная лаборатория находится на грунте. Люк обычно вмонтирован в шахту цилиндрической или прямоугольной формы, предназначенной для регулирования уровня зеркала забортной воды, уравновешиваемой давлением газовой среды внутри лаборатории. Прочный корпус лаборатории рассчитывается на внутренний и внешний перепад давлений, соответствующий максимальной рабочей глубине погружения лаборатории.
Система погружения-всплытия подводной лаборатории обеспечивает создание положительной и отрицательной плавучести.. Подводные лаборатории имеют в верхней части цистерны главного балласта. При заполнении их водой лаборатория получает отрицательную плавучесть, достаточную для ее надежной фиксации на дне. При продувании цистерн главного балласта сжатым воздухом подводная лаборатория получает положительную плавучесть, обеспечивающую необходимое превышение палубы над уровнем моря.
Для продувания балласта лаборатория имеет запас сжатого воздуха в баллонах, монтируемых снаружи прочного корпуса, i
Система энергоснабжения предназначена для обеспечения подводной лаборатории энергией. Обычно подводные лаборатории имеют основную и аварийную системы энергоснабжения. Энергия для лаборатории подается по специальному кабелю с борта обеспечивающего судна, с берега или со специального энергобуя. Энергобуй имеет мощный дизельгенератор и связан с подводной лабораторией кабельной линией. Неоднократно рассматривался вариант использования для энергоснабжения лаборатории топ-швных элементов и радиоизотопных источников энергии.
В качестве аварийной системы энергоснабжения используются обычно аккумуляторные батареи, устанавливаемые снаружи прочного корпуса в специальных боксах.
Система жизнеобеспечения предназначена для поддержания в жилых отсеках в комфортных и безопасных пределах температуры и влажности, содержания кислорода и вредных примесей. Для обеспечения нужного режима в подводной лаборатории обычно имеются система подогрева, криогенная система регулирования влажности газовой дыхательной среды, система подачи,, регулирования и контроля содержания кислорода в дыхательной среде, система очистки дыхательной среды от углекислого газа на основе ХПИ, система дожигания окиси углерода в гапколитовом патроне, система поглощения остальных вредных примесей. В процессе функционирования системы жизнеобеспечения осуществляется непрерывный автоматический контроль всех регулируемых параметров соответствующими индикаторами.
Система связи предназначена для обеспечения постоянной телефонной и радиосвязи подводной лаборатории с береговой или плавучей базой обеспечения. Телефонная связь может быть кабельной и ультразвуковой. Обычно над лабораторией находится радиобуй, связанный с подводной лабораторией кабелем, с помощью которого осуществляется связь по радио с базой обеспечения. Система связи обязательно предполагает многократное резервирование.
Газовая система подводной лаборатории предназначена для снабжения ее сжатым воздухом для продувки цистерны главного балласта, кислородом, азотом, гелием для функционирования системы жизнеобеспечения. Запас газов хранится в баллонах высокого давления, которые располагаются вне прочного корпуса.
Система аварийного покидания подводной лаборатории предназначена для срочной эвакуации экипажа из жилого отсека в случае экстремальных ситуаций. Она обычно имеет вид стыкуемого с корпусом прочного отделяемого отсека, в котором может разместиться экипаж, и оборудована своей системой жизнеобеспечения. После перехода экипажа в отделяемый отсек он герметизируется крышкой переходного люка, после чего происходит отстыковка отсека от подводной лаборатории и его всплытие с экипажем на поверхность. Специальное судно берет отсек на борт и стыкует его с судовой барокамерой, в которую переходит экипаж для прохождения декомпрессии. Декомпрессия экипажа в аварийном варианте может происходить и на борту в том же отсеке, после того как он будет подсоединен к газовой системе и системе жизнеобеспечения судна. В последние годы большое распространение получили комплексы, устанавливаемых на судах и морских буровых платформах. Такой комплекс представляет собой подводную лабораторию, смонтированную на судне или стационарной платформе. В отличие от подводной лаборатории этот комплекс имеет водолазный колокол-лифт, который доставляет водолазов на дно.
Судовая часть комплекса оборудована, как и подводная лаборатория, системой жизнеобеспечения, системой энергоснабжения, системой связи, тазовой системой. В отличие от подводной лаборатории, прочный корпус судового водолазного комплекса имеет несколько изолированных друг от друга отсеков, соединяемых иногда шлюзовыми прочными камерами. Это позволяет одновременно и изолированно содержать в барокомплексе несколько экипажей, эвакуировать в отдельный отсек для последующей декомпрессии любого из водолазов, войти в отсек с экипажем врачу для оказания срочной медицинской помощи. С одним из отсеков судового комплекса состыкован водолазный колокол, герметично отделяемый крышкой люка. Водолазный колокол состоит из прочного корпуса и оборудования автономной системой жизнеобеспечения, обеспечивающей жизнедеятельность водолазов при спуске и подъеме и их работу в соответствующем шланговом снаряжении на дне. Запас сжатого кислорода, азота и гелия находится в баллонах высокого давления снаружи прочного корпуса. Подача электроэнергии обычно осуществляется по кабелю с судна. Кроме этого, на самом колоколе имеется аккумуляторная батарея, обеспечивающая аварийное энергоснабжение систем колокола. Система связи колокола с обеспечивающим судном, как правило, включает проводную телефонную связь и ультразвуковой телефон. Иногда водолазный колокол оборудуется переносной телевизионной передающей камерой, которую носит водолаз, передавая на судно изображение исследуемого района дна. В случае аварийной ситуации водолазный колокол имеет возможность специальным тросорубом перерубить кабель-трос, отдать аварийный балласт и всплыть с экипажем на поверхность. После этого он может быть поднят на борт судна с помощью спуско-подъемных устройств и состыкован со шлюзовой камерой судового комплекса.
Дальнейшим развитием водолазного колокола как средства доставки акванавтов на дно являются подводные аппараты с водолазным отсеком. На таких аппаратах имеются прочный корпус водолазного отсека, система жизнеобеспечения, газовая система, система энергоснабжения на основе аккумуляторных батарей аппарата, система связи водолазного отсека с отсеком пилотов подводного аппарата. Запас газов для приготовления дыхательной смеси находится снаружи прочного корпуса в баллонах высокого давления. Как и водолазный колокол, подводный аппарат с водолазным отсеком имеет ограниченную автономность по системе жизнеобеспечения, обычно не более нескольких часов.
Подводные лаборатории, устанавливаемые на дне для проведения океанологических исследований, исторически начали использоваться раньше остальных средств доставки акванавтов на дно. Именно ими накоплен к настоящему времени достаточный опыт проведения подводных исследований, который поддается систематизации и анализу. Ниже приводится материал, отражающий программы и методики исследований по основным дисциплинам океанологии на опыте применения подводных стационарных лабораторий.
Гидрофизические исследования выполнялись экипажами по двум направлениям:
— изучение микроструктуры придонных вод;
— изучение гидрооптических характеристик.
Кроме этих исследований, носивших самостоятельный характер, в подводных экспериментах выполнялись измерения, обеспечивающие гидрофизический фон при проведении наблюдений по биологии и гидрохимии.
Эксперименты по изучению микроструктуры придонных вод ставились экипажами подводных лабораторий неоднократно. Одно из первых исследований подобного рода было проведено в эксперименте «Преконтинент-3». Во время этих измерений использовалась установка, выпускавшая с определенным интервалом и на определенной высоте от дна шарики малой отрицательной плавучести. Медленно погружающиеся на дно шарики относились придонными течениями от центра пусковой установки и падали на дно в пределах уложенной заранее координатной сетки. Учет количества, порядковых номеров, отстояний точек их падения от центра установки и азимутального распределения дал возможность определить скорости и направления придонных течений в пределах долей миллиметра в секунду, т. е. в диапазоне, в котором обычные приборы являются нечувствительными.
Для определения картины распространения микротечений и микротурбулентности в придонных слоях проводилась киносъемка поведения струй красителя на фоне вертикальной масштабной сетки. Высокая чувствительность струи красителя к движениям воды позволила провести измерения в зоне нечувствительности обычных приборов.
В процессе исследований проводились измерения фоновых характеристик. Так, во время выполнения литодинамических экспериментов по программам «Черномор» наряду с собственно литодинамическими измерениями непрерывно определялись скорость и направление течений на одном горизонте на расстоянии около 0,5 м от дна с помощью самописца течений БПВ-2.
В области гидрооптики экипажи подводных лабораторий производили измерения подводной освещенности и яркости, степени 11 плоскости поляризации естественного подводного светового поля, дальности видимости под водой, флюктуаций естественного подводного светового поля при различных внешних условиях. Как правило, все эти измерения выполнялись по следующей методике.
Вблизи подводной лаборатории на дне или непосредственно на корпусе лаборатории устанавливалась жесткая опора в виде площадки или ориентированной вертикально мачты. На этой опоре акванавтами монтировались датчики измерительной аппаратуры соединенные кабелями с регулирующими и питающими блоками на борту подводной лаборатории или на берегу. Запись велась, как правило, автоматически, и в задачу экипажа лаборатории входили лишь пуск и остановка приборов, ориентация их в пространстве, профилактическое обслуживание.
Именно по этой методике были выполнены около 300 серий записей флюктуации светового поля под водой в программе «Черномор».
Серия гидрооптических наблюдений была выполнена экипажами ПБЛ «Гидролаб» для получения фона к биологическим исследованиям. Так, в 1974 г. экипажем ПБЛ «Гидролаб» были выполнены три серии записей уровня подводной освещенности с целью определения пороговой освещенности, обеспечивающей нормальное существование кораллов. Измерения на мелководных рифах, на вершинах отдельно стоящих массивов и в желобах показали раз-1 ницу в уровнях освещенности соответственно 1; 0,5 и 0,125.
Используя подводные лаборатории, в отдельных случаях удавалось выполнить нетривиальные измерения. Так, например, в течение нескольких лет ПБЛ «Гидролаб» и «ПРИНУЛ» проводили опыты по фиксации следов нейтрино под водой. При организации опытов предполагалось, что вода, являясь высоко эффективным гомогенным фильтром, задержит все фоновое низкоэнергетическое космическое излучение, и при последующем экспонировании фоторегистрационных кассет под водой удастся выделить из общего потока космического излучения высокоэнергетические частицы, в том числе нейтрино. Эксперимент проводился на глубинах 11 и 30 м.
Анализ методов и технических средств, применявшихся при проведении гидрофизических исследований акванавтами, показывает, что эти исследования базируются на тех же двух методических основах.
Подавляющее большинство результатов получено с помощью монтируемых на дне или в толще воды приборных измерительных комплексов. В этом случае регистрация наблюдений производится на борту ПБЛ или на поверхности, и участие экипажа ПБЛ требуется лишь для монтажа оборудования и периодических ре-монтно-профилактических работ на установленной в воде части исследовательских комплексов.
В ряде случаев для измерения и фиксации необходимого параметра отсутствовала необходимая измерительная аппаратура. Так, например, параметры поля микротечений часто находились вне зон чувствительности датчиков.
В целом по гидрофизическим исследованиям океана с помощью подводных лабораторий представляются целесообразными следующие направления работ:
— исследование волновых процессов в море от поверхности до границы затухания волн в толще воды, особенно в условиях штормового волнения. При этом точность записи амплитуды волн должна быть не хуже ±5% максимального значения во всем диапазоне глубин распространения волны с точностью установки датчиков орбитальных скоростей потока и давления ± 5% глубины места установки с отсчетом по нулевому уровню моря для данной акватории или от поверхности дна;
— исследование влияния дна на волновые процессы в толще воды путем синхронной записи поверхностного волнения с точностью ±5 % максимальной амплитуды волны и векторов скорости придонных орбитальных движений воды;
— исследование микроструктуры и миграции слоев температурного скачка и влияния на них поверхностного волнения. Эти исследования должны обеспечиваться наряду с записью воздействия волнения на толщу воды во всем диапазоне глубины синхронной записью микроструктуры поля температур в трех точках, образующих равносторонний треугольник со стороной 150 м. При этом должно быть предусмотрено перемещение термокосы вслед за мигрирующим слоем скачка, если заданный градиент выходит за длину измерительного участка термокосы;
— исследование теплообменных процессов придонная вода — дно. Эти измерения должны производиться прибором, фиксирующим температуру воды на горизонтах (1±0,1); (10±1); (25±1) (50±1) и (100± 1) см и температуру осадков на поверхности дна и на расстояниях (1 ±0,1); (5±0,1); (10±0,1); (25+0,1); (50± ±0,1) см от поверхности дна. Точность измерения температуры воды и осадков не хуже ±0,05 °С. При проведении исследований целесообразно обратить внимание на влияние резких изменений температуры воды (например, подход масс воды с иной температурой) на распределение температур осадков по их глубине;
— измерение статистических характеристик подводного светового поля, в том числе освещенности и яркости, степени и плоскости поляризации с помощью жестко фиксированных датчиков с синхронной регистрацией состояния поверхности моря, атмосферы, положения Солнца, прозрачности воды.
В области геологии и геоморфологии дна экипажи подводных лабораторий работали по нескольким направлениям:
— детальная съемка геологической и геоморфологической карты прилегающего к подводной лаборатории района дна;
— изучение процессов, протекающих на поверхности дна;
— целевой отбор проб.
Картирование дна производили практически все экипажи подводных лабораторий сразу после установки их на дно. Основными задачами, решавшимися при этом, были или создание общей карты прилегающего к лаборатории дна, или картирование отдельных районов, представляющих особый интерес. Наиболее характерным примером карты первого рода является карта дна, составленная членами экипажа подводной лаборатории «Тек-тайт-1». Примером составления карты выбранного для изучения района дна является картирование части русла каньона Скрип-пса, составленная экипажем подводной лаборатории «Салаб-2».
Процесс съемки геологической карты подобен съемке биологической карты: экипаж укладывает на дне капроновый фал в виде транссект или координатной сетки и, используя их как базовые линии, составляет карту дна. При этом экипаж может выполнить за одно погружение подводной лаборатории работы на площади около 40 000 м2.
Во время работы на дне экипажи лабораторий уделяли внимание главным образом двум процессам, протекающим на дне и в толще дна. Это, во-первых, процессы литодинамического характера — накопление и перенос осадков и, во-вторых, процессы биогенного воздействия на осадки.
Литодинамические исследования в наибольшем объеме производились по программе «Черномор». В течение нескольких лет экипажи лаборатории собирали информацию о скоростях накопления осадков, переносе осадков, связывая полученные данные с гидрологической обстановкой — волнением на поверхности моря и силой течения. Ими был собран богатый материал по динамике рельефа и микрорельефа дна, по объемам накопления и размыва обломочного материала по профилю, проведено исследование механической дифференциации осадков по профилю и механического состава взвесей, проведено определение эпюры скоростей придонных течений и интенсивности движения рыхлого материала по поверхности дна. Эти исследования производились на стандартных полигонах, оборудовавшихся экипажами лабораторий.
Проблема биогенного воздействия на структуру и поверхность дна решалась в наибольшем объеме экипажами подводных лабораторий «Тектайт-1» и «Тектайт-2». Акванавты разбили в районе близлежащего кораллового рифа полигон с серией искусственных структур: донной ряби, стратифицированной толщи дна, конусов из меченного песка, произвели выкладку на поверхности дна квадратов из меченного песка, гальки и ракушек. Контроль за изменениями, происходящими на искусственных структурах геологического полигона, с параллельной фиксацией гидрометеорологической обстановки позволили выявить характер и степень биогенного воздействия на поверхность и толщу дна.
Координированный отбор проб проводился практически всеми экипажами, выполнявшими геологические исследования, причем в зависимости от целевого назначения проб изменялась методика их отбора. В случае картирования дна отбор проб носил массовый характер, причем точки отбора проб распределялись равномерно по исследуемой площади. В случае отбора для решения задач палеогеологии акванавты производили бурение дна или скальных пород, получая длинные колонки и керны (до 11 м длиной в песках и глинах и до 1,8 м в теле рифа).
Оценивая характер проводившихся экипажами подводных лабораторий гидрогеологических исследований, можно сказать, что они носили двоякий характер — обследование или направленный эксперимент.
Обследование, результатом которого является карта дна (геологическая или геоморфологическая), — задача, весьма похожая на задачу геологического обследования поверхности суши, вплоть до методик. Отличия подводного и наземного картирования вызваны лишь спецификой среды обитания и работы — меньший радиус действия экипажа, меньшая дальность прямой видимости, безопорная среда.
Организация направленного геологического эксперимента — задача, более характерная для подводной геологии, чем для наземной. Это объясняется, по-видимому, тем, что геологические и особенно литодинамические процессы под водой гораздо более активны, чем аналогичные процессы на суше, и изменения, вызванные воздействием внешней среды на искусственную структуру, могут стать значительными в короткие сроки.
Итак, геологические исследования, проводимые на базе подводных лабораторий, базируются главным образом на организации искусственных геологических структур и наблюдений за ними и на возможности координирования перемещения водолазов с отбором проб в контрольных точках.
На базе этих двух методических основ могут быть рекомендованы для выполнения подводных лабораторий следующие геологические задачи и методики их выполнения:
— картирование рельефа дна в характерных районах, главным образом в районах с сильно пересеченным рельефом (каньоны, рифы и пр.). Точность плоскостной привязки ±1%, точность привязки по вертикали ±10 см;
— геологическое картирование дна в характерных участках (выходы скальных пород и др.) с отбором проб. Точность привязки пробы плоскостная ±1% расстояния до подводной лаборатории или базовой точки отсчета, точность привязки по вертикали ±10 см;
— бурение осадочных и коренных пород с привязкой точки бурения с точностью ±1 % по плоскости и ±10 см по вертикали от базовой точки отсчета в вариантах ручного и станкового бурения. В варианте ручного бурения производится отбор кернов диаметром 20 мм суммарной длиной до 1м, в варианте станкового бурения — диаметром керна 75 мм суммарной длиной до 30 м и более;
— исследования процессов осадконакопления путем установки на дне стационарных взвесеуловнтелей диаметром 0,2 м и высотой 0,4 м на расстоянии 1 м от поверхности дна;
— исследование процессов образования и накопления россыпей тяжелых минералов и металлических руд;
— исследование процессов переноса осадков путем организации полигонов размером 25×25 м с установкой реперов в виде маркированных с шагом 1 м металлических штырей длиной 1,5 м, организации на грунте выкладок люминофорного песка и окрашенной гальки с периодическим отбором проб в доштормовой, штормовой и послештормовой периоды;
— изучение биогенной переработки осадков путем организации искусственных структур в виде поверхностных мезомасштабных форм рельефа с контролем изменений рельефа и в виде подповерхностных структур, представляющих собой горизонтальные перемежающиеся пласты меченного и местного осадочного материала толщиной по 50 мм с отбором проб колонковым керноотборником диаметром 20 мм и длиной 0,5 м.
Гидрохимией океана экипажи подводных лабораторий занимались в меньшей степени, чем исследованиями по описанным выше научным дисциплинам. Гидрохимические исследования, как правило, не имели самостоятельной цели и были подчинены интересам других программ. Тем не менее ряд интересных наблюдений экипажам подводных лабораторий удалось провести.
Одной из важных задач была оценка репрезентативности химического анализа проб воды, взятых на глубине и обрабатываемых на борту судна. В частности, эта оценка касалась такого важного параметра, как количество растворенного в воде кислорода. Сомнения в достоверности общепринятой методики измерений этой характеристики воды высказывались по двум соображениям.
Во-первых, допускалась возможность дегазации пробы в процессе ее подъема из-за изменения давления воды и изменения температуры в пробе.
Во-вторых, допускалась возможность расходования кислорода организмами, захваченными в пробе.
Экипажи подводных лабораторий «Тектайт-1» и «Гидролаб» в течение нескольких лет выполняли исследования по этой проблеме. При этом применялась следующая методика.
В точке забора проб одновременно отбирались четыре пробы. Одна из них фиксировалась немедленно и обрабатывалась в подводной лаборатории. Вторая проба и фиксировалась, и обрабатывалась в подводной лаборатории. Третья проба фиксировалась в подводной лаборатории и обрабатывалась на берегу. Четвертая проба и фиксировалась, и обрабатывалась на берегу.
Результат осреднения 24 серий проб однозначно показал, что при подъеме четвертой пробы содержание в ней кислорода падает и приближается к предельному для условий поверхности содержанию кислорода — 4,3 % (по объему). Анализ первых трех проб,
Фиксированных по давлениям точки их взятия, показал незначительное расхождение в результатах — 5,26 — 5,35 %0.
Во-вторых, была определена закономерность биогенного воздействия на содержание в воде растворенного кислорода. Было обнаружено, что при взятии пробы в непрозрачный батометр первые три часа содержание кислорода в пробе не изменяется, а затем начинает резко падать.
Опыты экипажа «Гидролаб» показали, что при подъеме пробы происходит оптически видимая дегазация ее и при переходе пробы с 14 м глубины до 3,3 м за 3 мин содержание кислорода падает в пробе на 12 %.
Этими экспериментами был, таким образом, доказан факт значительной дегазации нефиксированной пробы при ее подъеме.
При проведении гидрохимических исследований измерялись и другие основные характеристики воды, а именно рН и содержание компонентов карбонатных систем. Измерения эти проводились в одном районе на глубинах от 19 до 13,2 м сериями по 4 измерения в сутки в течение 5—6 сут подряд, причем серии измерений для данного участка выполнялись в августе, октябре и декабре 1972 г. и в марте и мае 1973 г. Таким образом, была получена годовая вариация измеряемых параметров.
Было обнаружено, что по химизму водная масса разделяется на два типа вод, граница раздела между которыми лежит примерно на 15-метровой изобате. Нижний участок залегает от 15 м до дна, верхний — от 15 м до поверхности. Различия в этих водных массах определяются как значениями химических параметров, так и их градиентами. При волнении на поверхности до 1,5—1,8 м граница между водными массами начинает смазываться, а при волнении более 2,4 м она исчезает совсем, хотя сохраняются повышенные градиенты в придонных водах и пониженные в приповерхностных.
Возможность выполнения гидрохимических измерений в одном районе по одной методике в течение года позволила выявить интересные сезонные вариации гидрохимических параметров. Так, было обнаружено, что сезонные вариации содержания в воде растворенного кислорода весьма значительны: зимой содержание кислорода в воде составляет 95—110 % уровня насыщения, летом оно повышается до 140 % и более. Таким образом, как показали исследования, в данном районе кислород поступает из морской воды в атмосферу.
В силу того, что гидрохимические исследования носили узконаправленный характер, какие-либо обобщающие заключения по этим программам сделать достаточно сложно. Однако можно выделить три момента. Во-первых, возможность работы с пробами в условиях, максимально приближенных к их естественному состоянию, позволяет свести к минимуму влияние внешних факторов. Во-вторых, возможность организации длительных наблюдений в одном районе по одной и той же методике позволила выявить сезонные вариации ряда параметров для данного района. В-третьих, благодаря тому, что экипажи лабораторий базировались в своей работе на подводную базу, удалось исследовать истинную структуру вод от поверхности до дна.
При проведении исследований акванавты использовали в основном два методических приема.
Первый — отбор проб воды и дальнейшая их обработка на борту подводной лаборатории с помощью стационарной измерительной аппаратуры. Второй — размещение комплекса датчиков химических параметров воды непосредственно в точке измерений.
Очевидно, перспективными направлениями исследований по этой дисциплине могут быть:
— оценка репрезентативности существующих традиционных методов сбора информации о гидрохимических параметрах воды;
— выполнение общего анализа состава воды с целью выявления временных их вариаций, как суточных, так и более масштабных, вплоть до сезонных;
— прецизионные гидрохимические исследования в районе раздела морская вода—дно;
— исследование пространственных градиентов химических параметров морской воды, в том числе солености.
По проблеме геохимии осадков и придонной воды можно рекомендовать следующие методики исследований:
— целенаправленный отбор ненарушенных проб придонной воды в объеме от 0,5 до 10 л с плоскостной привязкой ±10 м на расстоянии 10 и 100 см от поверхности дна; отбор производится точечным водозаборником, выводимым на горизонт отбора пробы, с перекачкой взятой пробы в накопительную емкость;
— координированный отбор ненарушенных кернов осадков с плоскостной привязкой ±10 см с шагом 50 м; длина керна от 0,2 до 5 м; отклонение от вертикали не более 10°;
— сбор проб иловых вод в объеме 20 мл с привязкой на плоскости ±10 м и по вертикали ±2,5 см;
— установка датчиков в измеряемой среде (придонной воде и осадках) на расстоянии от 1 м над поверхностью дна до 5 м под поверхностью дна; точность плоскостной привязки ±10 м; точность по вертикали ± 1 см.
Дальнейшая обработка проб и информации может вестись на борту подводной лаборатории в изобарических условиях или на поверхности на борту судна.
По проблеме изучения распределения и трансформации органического вещества в придонных слоях воды представляются наиболее перспективными следующие методики исследований:
— отбор ненарушенного поверхностного слоя осадков толщиной от 1 до 5 мм в объеме 5 л. Периодичность забора проб 2 раза в сутки; длительность серии 10 сут и более; расстояние между точками забора проб 50—5 м. Обработка пробы производится на поверхности, фиксация пробы не требуется;
— изучение обменных процессов органического вещества и растворенных газов в зоне придонная вода—осадки. Работа производится путем изоляции объема придонной воды и участка дна площадью 0,5 м2 и высотой до 1 м с помощью прозрачного колокола с регистрацией на расстояниях от дна 0,05, 0,25, 0,50 и 1 м следующих параметров: рН, 02, t, S и С02. Для сравнения одновременно берутся пробы в изолированном объеме и вне его. Длительность записи 5—10 мин с интервалом 2 ч до окончания обменных процессов в изолированном объеме (до исчезновения кислорода и появления в воде сероводорода). Целесообразен синхронный отбор сдвоенных проб из-под колокола и аналогичных проб вне его на горизонтах установки датчиков для дальнейшего анализа на содержание 02 и H2S. Объем проб по 250 мл, фиксация проб на 02 и H2S производится раздельно;
— изучение стратификации придонных вод путем установки на жестком фиксированном основании комплектов датчиков рН, 02, 5. Горизонты установки датчиков 0,05 м ±10%; 0,25 м ±10%; 0,50 м ±5% и 1 м ±3% от поверхности дна. Параллельно необходимо вести измерение параметров поверхностного волнения и состояния атмосферы.
В области гидробиологии выполнялись серии исследований и наблюдений по микробиологии, изучению планктона, первичной продуктивности и метаболизма, экологии, биоакустике.
Микробиологические исследования проводились в Балтийском море экипажами подводной лаборатории «Гельголанд». Исследования проводились путем координированного отбора водолазами проб в стерилизованную посуду с последующим посевом и обсчетом на поверхности. Параллельно с отбором водолазами проб вручную был проведен контрольный отбор проб традиционным методом с поверхности дна дночерпателями. Сравнение результатов обработки проб, взятых водолазами и дночерпателями, показало, что водолазные пробы более представительны.
Исследования планктона выполнялись многими экипажами подводных лабораторий. Продолжительность выполнявшихся серий забора проб в одном районе достигала недель и даже месяцев при заборе в сутки от четырех до шести проб. Облов планктона производился как вертикально ориентированными пробоотборниками с горизонтов 15, 13, 11, 9, 7, 5, 3 м, так и буксировкой планктонной сетки водолазом с помощью специального носителя на пяти мерных участках в 100 м каждый на расстояниях от дна 1 и 3 м.
Отдельная серия опытов по привлечению планктона светом была поставлена экипажем подводной лаборатории «Тектайт-2». Было выяснено, что наиболее привлекателен для планктона голубой свет. Это наблюдение весьма ценно, так как привлечение планктона светом может повысить эффективность привлечения светом и рыбы.
Весьма эффективным способом изучения образа жизни планктона в его естественной среде является использование подводных микроскопов, а также прямое наблюдение за планктоном через иллюминатор лаборатории.
Весьма интересными и продуктивными оказались эксперименты по инструментальному определению in situ уровня первичной продукции, а также исследованию метаболизма донных организмов. Акванавтв1 подводных лабораторий «Тектайт» и «Гидролаб» провели многочисленные серии опытов с изотопом углерода 14С в специально созданной для исследования метаболизма установке «донный респирометр». Следует отметить, что если изучение первичной продукции носило характер наблюдения, то работа с «донным респирометром» позволяла не только наблюдать организмы в их естественной среде и условиях, но и менять эти условия в необходимую сторону (регулировать содержание растворенных в воде газов, температуру, соленость), другими словами— организовать направленный эксперимент на дне, в реальной среде обитания.
Основной объем в биологических программах экипажей подводных лабораторий был отведен исследованиям экологического характера — начиная от режима питания рыбы и вплоть до сим-биотических связей и взаимоотношений «хищник—жертва». Эксперименты этого направления заключались, как правило, в пассивном наблюдении за объектом, хотя некоторыми исследователями проводились и активно направленные эксперименты.
Так, например, экипаж «Тектайта», изучая особенности питания травоядных рыб, выкладывал на рифе «кормушку» из пучков водорослей, подобранных и разделенных по видам. Благодаря такому делению были четко определены «вкусы» рыб—обитателей рифов.
В серии опытов по реакции рыб на хищников исследователи использовали смонтированный на дне стенд, с помощью которого в толще воды буксировались объекты различных форм и цветов. Эта серия позволила выделить доминирующий признак, вызывающий реакцию бегства, из таких признаков, как цвет, размер, форма движущегося объекта или вибрация воды, вызванная движением объекта.
Обширная серия наблюдений за образом жизни лангустов была проведена экипажами подводных лабораторий «Гельголанд» и «Тектайт». В этих опытах использовались пути миграции лангустов с помощью их мечения краской и ультразвуковыми маяками, а также изучались особенности суточных циклов их жизнедеятельности, возможность аклиматизации в море особей, выращенных в аквариумах.
Экипажи подводных лабораторий «Силаб», «Садко», «Тектайт», «Гидролаб» выполняли ряд исследований по биоакустике. В частности, например, биологи «Силаб» производили подмани-вание рыб, в том числе акул, звуковыми сигналами. Акванавты «Садко» идентифицировали звуки, издаваемые рыбами, экипажи «Гидролаб» связывали акустическую активность рифовых рыб с их поведением и суточным циклом жизнедеятельности.
В целом биоакустические исследования основывались на парал-псльной синфонированной регистрации звуков, издаваемых рыбами, и их действий. __
Экипажами подводных лаборатории был выполнен и ряд экспериментов прикладного характера. Так, например, акванавты ааборатории «Гидролаб» провели серию опытов по выявлению реакции морских организмов на осаждающий нефть реактив и на образующееся в результате реакции вещество. Серия опытов была посвящена оценке уловистости донных ловушек и выявлению факторов, определяющих их уловистость.
Ряд экспериментов был поставлен и по определению влияния промышленных загрязнений на жизнедеятельность экосистем кораллового рифа.
Акванавты подводной лаборатории «Флайр» сумели выявить динамику заселения искусственного рифа. Эта проблема весьма важна с точки зрения расширения воспроизводства промысловых видов морских организмов.
В целом по гидробиологическим исследованиям, выполненным экипажами подводных лабораторий, может быть сделан ряд замечаний.
Основу подавляющего большинства исследований составляет визуальное наблюдение за поведением объекта исследований в его естественной среде.
В некоторых исследованиях отмечается тенденция к организации направленного эксперимента. В этих экспериментах моделировалась та или иная ситуация, воздействующая на объект, и изучалась естественная“ реакция объекта, находящегося в естественной среде обитания, на эту ситуацию (будь то макет движущегося хищника или изменение температуры окружающей объект воды).
В ряде случаев в задачу экипажей подводных лабораторий входило не только качественное решение поставленной проблемы, но и ее количественное исследование, т. е. обработка объекта до числа, определяющего существо явления.
Другими словами, в программах гидробиологических исследований, выполнявшихся экипажами подводных лабораторий, четко прослеживается тенденция перехода от прямого визуального наблюдения с качественным результатом к организованному направленному эксперименту, выполненному in situ, с количественным результатом.
При проведении исследований по гидробиологии экипажи подводных лабораторий использовали следующие основные методические приемы:
— обследование дна с составлением биологических карт дна. Для этой цели на поверхности дна прокладывается скоординированная система направляющих концов—транссект. Акванавты, двигаясь вдоль транссекты, выявляют биологические объекты, находящиеся в пределах определенной полосы, в центре которой находится транссекта. Фиксация результатов выполняемых наблюдений может производиться или с помощью записи вручную на планшете, записью голоса наблюдающего на магнитофон, или фото-, киносъемкой. Длина транссекты обычно составляет 100 м от точки постановки лаборатории, таким образом, экипаж может обработать площадь дна около 40 000 м2;
— наблюдение за поведением объекта в естественных условиях. При этом с помощью киносъемки фиксируется поведение объекта, синхронная магнитная запись позволяет получить акустический фон, а измерение in situ скорости и направления течения, содержания растворенного в воде кислорода, уровня освещенности воды позволяет получить условия обитания объекта;
— наблюдение за поведением и жизнедеятельностью биологических объектов в искусственно моделированных условиях (кислородная недостаточность, затемненность, тепловые удары и др.);
— целевой отбор и отлов биологических образцов, причем в зависимости от задач это может быть как отлов массовых форм, так и поиск с отловом редких организмов;
— координированный отлов планктона в разное время суток и на разных горизонтах, а также сбор проб воды и грунта для микробиологических исследований. При этом положение пробы на поверхности дна может координироваться с точностью до сантиметров, а горизонт взятия пробы (при использовании границы раздела дно—вода как базы отсчета)—до долей сантиметра;
— исследование реакции морских организмов на искусственные объекты на дне, например, ловушки и анализ побудительных мотивов захода промысловых видов рыбы и донных организмов в ловушки.
Основываясь на проведенном анализе, можно считать целесообразным и эффективным выполнение научных океанологических программ обитаемых подводных лабораторий, содержащих следующий ряд научных задач по гидробиологии;
— изучение пространственного распределения микрофлоры на поверхности, в толще дна и в придонных слоях воды. Работы производятся путем координированного в плане и по вертикали отбора материала (осадков, воды) в стерилизованные пробоотборники в количестве до 50 мл;
— изучение участия микрофлоры в основных процессах переработки органического вещества в толще воды и у дна. Работа выполняется с использованием установки типа «бентоскопа» с предварительной фильтрацией воды, прокачиваемой через объем бентоскопа с целью исключить влияние на процессы под колпаком микрофауны и флоры. Точность установки бентоскопа ±10 м по горизонтали;
— изучение микрофлорного метаболизма в нормальных и угнетенных биоценозах;
— изучение видового состава планктона с помощью массового облова прилегающей акватории с последующей фиксацией материала и обработкой под микроскопом;
— изучение пространственного распределения планктона с помощью облова прилегающей акватории по различным трассам. В этих работах может использоваться буксировка водолаза, несущего планктонную сеть. Точность удержания буксировщика на курсе не менее ±2 м; точность удержания глубины ±1 м;
— изучение суточной вертикальной миграции планктона, проводящееся с помощью системы водоразборников, размещенных с шагом 5 м от поверхности дна до поверхности моря. При определении времени прокачки каждого водоразборника и системы шлангов и фильтров необходимо учитывать инертные объемы системы. Заборы могут производиться до 6 раз в сутки с интервалом до 4 ч. Время прокачки определяется производительностью насосов системы прокачки;
— изучение метаболизма отдельных особей и сообществ и выявление основных факторов, влияющих на метаболические процессы (температура, освещенность, состав воды). Эта работа может производиться с помощью установки на дне «бентоскопа» и определения фоновых характеристик (рН, 02, t, С02, освещенности). Фиксация указанных параметров должна производиться как на уровне поверхности дна, так и на расстояниях 5, 20, 50 см и 1 м от дна;
— исследование дыхания и продуктивности донных биоценозов может производиться по указанной выше методике и с помощью того же оборудования;
— исследование популяций;
— выявление организмов, играющих доминирующую роль в биоценозах;
— исследование трофических связей и их динамики;
— исследование динамики популяций и жизненных условий видов и сообществ;
— исследование внутри- и межвидовых связей;
— исследование воздействий травоядных рыб на флору скальных, рифовых, песчаных и илистых участков дна;
— изучение факторов среды обитания, регулирующих численность и распределение популяций;
— изучение влияния штормов на бентосные и эпибентосные организмы, в том числе изучение способов фиксации видов на жестких грунтах в активной зоне. Все указанные работы могут выполняться прямым визуальным наблюдением, а также с помощью телевизионных систем. Точность пространственной привязки наблюдаемого объекта должна быть не хуже ±1,0 м в плоскости, ±0,5 м — по глубине;
— идентификация шумов путем синхронной работы аппаратуры звукозаписи и видеозаписи;
— определение численности и ареала популяций путем переноса результатов исследований по предыдущей проблеме над локальными объектами на пространственные объекты.
Эти исследования базируются на гидроакустической аппаратуре с полосой пропускания 0 — 20 кГц, позволяющей вести запись на расстояниях до 75 м от подводной лаборатории.
Рассмотренные программы и методики исследований ориентированы на их проведение со стационарной базы, находящейся под водой длительное время. Следует при этом учесть, что для выполнения этих программ и методик могут быть с успехом использованы судовые гипербарические комплексы с водолазным колоколом и подводные обитаемые аппараты с водолазным отсеком.
Последнее определяется экономической целесообразностью применения того или иного средства длительного пребывания акванавта на выбранном полигоне. Очевидно, что большинство уже проводившихся и планируемых выше программ могут быть эффективнее выполнены из водолазного колокола или подводного аппарата с водолазным отсеком, которые в настоящее время только лишь начинают использоваться в интересах океанологии. Опыт применения для океанологических исследований водолазных комплексов еще крайне мал. Известны лишь две экспедиции НИС «Витязь» (1-й и 7-й рейсы), в которых использовался водолазный метод проведения геологических исследований в Средиземном море и Атлантическом океане. Работы проводились на подводных горах и шельфе о. Кипр. Отличительной их особенностью является использование водолазного комплекса совместно с подводными аппаратами и традиционными методами геологических исследований.