Океанология

Источник статьи: Большая российская энциклопедия

ОКЕАНОЛО́ГИЯ (от океан и …логия) (океанография) – наука, включающая совокупность дисциплин, изучающих физические, химические, биологические и геологические процессы, протекающие в океане в целом, в его отдельных регионах, в окраинных и внутренних морях; исследует структуру его вод, свойства морской воды, крупномасштабное взаимодействие океана и атмосферы, химический обмен океана с материками, атмосферой и дном, биоту и её экологические взаимодействия, рельеф и геологическое строение дна, устанавливает также процессы обмена энергией и веществом между различными районами океана.

Океанология рассматривает океан (океаносферу) одновременно и как часть гидросферы, и как целостный планетарный природный объект, который взаимодействует с атмосферой, литосферой, материковым стоком. Целесообразность объединения разных научных направлений в единую науку определяется единством среды, в которой происходят разнородные процессы, многообразными взаимодействиями между ними, единством технических средств исследования. Основная задача кеанологии – выявление общих закономерностей природы океана как единого целого; помимо этого, в её цели входит обеспечение безопасности и повышение эффективности надводного и подводного мореплавания, рациональное использование биологических, минеральных и энергетических ресурсов вод и дна океана, совершенствование методов прогноза погоды. Океанология базируется на данных измерения глубин, температуры, солёности, скорости и направления течений, волн, цвета и прозрачности воды, содержания растворённых химических веществ и соединений, различных геофизических, биологических и других показателей. В своих исследованиях океанология опирается на теоретические положения физики, математики, информатики, химии, биологии, географии, геологии и других наук. В океанологии широко используются методы экспериментальных исследований, проводимых в лабораторных и природных условиях, математическое, физическое моделирование и др.

Большинство океанологических измерений выполняется на гидрологических станциях в морских и океанских рейсах научно-исследовательских судов. Проводится регулярное зондирование водной толщи с определением температуры, солёности, плотности, содержания кислорода, скорости распространения звука, цвета, прозрачности и других характеристик морской среды. Отбираются пробы воды для гидрохимических исследований, осуществляются биологические обловы, собираются образцы донных отложений. Первичные данные о направлении и скорости морских течений получают с помощью различного типа измерителей, опускаемых с борта или устанавливаемых на заякоренных буйковых станциях, а также дрейфующими автономными профилографами (АRGO). Одновременно измеряются характеристики волнения, приводного слоя атмосферы (температура воздуха, направление и скорость ветра, атмосферное давление, влажность и пр.). В высокоширотных районах проводятся исследования морских льдов. Большое распространение получили измерения температуры, цвета, прозрачности воды, волнения, морских льдов, осуществляемых с искусственных спутников Земли. Исключительно важны проводимые с начала 1990-х гг. спутниковые альтиметрические измерения топографии поверхности океанов. Некоторые океанологические наблюдения проводятся на береговых и островных станциях (уровень моря, приливы, волнение, температура воды и др.). Важное место принадлежит технической океанологии, разрабатывающей океанологические приборы, методику их применения в научных экспедициях, способы их ремонта. Перспективны исследования, проводимые при непосредственном проникновении человека в глубины океанов с помощью обитаемых подводных аппаратов (известные погружения в Марианской впадине, на Северном полюсе и др.).

Очерк развития науки

Сведения об океане накапливались вместе с расширением географических познаний о Земле. В 1664 А. Кирхер (Германия) составил первую карту морских течений, основанную на результатах наблюдений мореплавателей. В 1725 Л. Марсильи (Италия) дал первое описание грунтов дна как осадочных пород, выполнил измерения температуры воды на различных глубинах в Средиземном море. В 1770 Б. Франклин составил карту Гольфстрима, обосновал главную причину образования морских течений (ветер). В 1687 И. Ньютон разработал математическую теорию приливов, развитую затем в работах Д. Бернулли в 1740 и П. Лапласа в 1825. В это же время начала разрабатываться теория волн. В начале 19 века Э. Х. Ленц и Е. И. Паррот (Россия) изобрели батометр и глубомер, а также провели опыты, показывающие влияние давления на температуру воды. В 1854 Дж. М. Брук (США) изобрёл лот с отделяющимся грузом и драгу для сбора образцов грунта и донных живых организмов.

Огромную роль в исследовании океанов сыграла первая российская кругосветная экспедиция И. Ф. Крузенштерна и Ю. Ф. Лисянского на шлюпах «Надежда» и «Нева» (1803–06), во время которой проводились измерения температуры воды на больших глубинах, наблюдения над плотностью, цветом воды, течениями, биологические исследования и измерения глубин. Неменьшее значение имели российские плавания на шлюпе «Предприятие» (1823–1826) с участием Э. Х. Ленца, положившего начало точным измерениям в океане, и на «Бигле» с участием Ч. Дарвина, которым были выполнены широкие биологические исследования. Экспедиция Ф. Ф. Беллинсгаузена и М. П. Лазарева в 1819–21 на шлюпах «Восток» и «Мирный» открыла берега Антарктиды и внесла большой вклад в изучение антарктических льдов (классификация и физико-химические свойства). К этому же периоду относится организация первых береговых пунктов наблюдений, а также изобретение в 1839 российским мореплавателем Ф. П. Литке приливомера для измерения уровня моря и установка его на береговых пунктах Северного Ледовитого и Тихого океанов. В 1819 Марсе (Франция) установил температуру наибольшей плотности воды, а в 1837 С. Депре (Бельгия) определил точку её замерзания и показал, что обе температуры зависят от солёности. В 1840–1850 М. Ф. Мори (США) составил несколько карт течений для издаваемых им лоций. В 1872 Дж. Приствич (Великобритания) дал первую характеристику температурной стратификации океанов. В 1868–70 У. Б. Карпентер и У. Томсон (Великобритания) провели опыты по химическому анализу вод океана и анализу содержащихся в них газов. В этот период началось научное исследование населяющих океаны живых организмов, было определено, что они обитают не только в поверхностном слое воды, но и в её толще. В 1851 Д. В. Балей (США) установил, что органическая часть грунта состоит из остатков отмерших организмов (диатомовых, радиолярий и др.).

В 1872–76 состоялась первая снаряжённая для океанографических целей экспедиция на корвете «Челленджер» (Великобритания), положившая начало специальным океанографическим экспедициям, созданию новых технических средств и методов наблюдений. В 1884 У. Диттмар (Великобритания) по данным экспедиции на «Челленджере» установил постоянство химического состава вод океана и преобладание в них хлоридов. В 1902 М. Кнудсен (Дания) разработал метод определения солёности воды по содержанию в ней хлора, а также составил таблицы солёности и плотности воды. В конце 19 – начале 20 вв. организуются первые международные и национальные океанографические учреждения и сеть морских береговых биологических станций. В России в 1874 при Главной геофизической обсерватории открылось Морское отделение, организовавшее на всех российских морях службу штормовых предупреждений, в конце 19 века созданы биологической станции в Севастополе, на Соловецких островах. Учреждённый в 1902 Международный совет по исследованию моря ввёл унификацию методик океанографических измерений, стандартные горизонты и разрезы для повторных наблюдений в океанах. После экспедиций «Челленджера» последовали другие научные плавания, в том числе С. О. Макарова на «Витязе» (Россия, 1886–89), А. Агассиса на «Альбатросе» (США, 1891–1905), на «Метеоре» (Германия, 1925–27), «Мансю» (Япония, 1925–28), «Дискавери II» (Великобритания, 1929–1939). Начались систематические работы в отдельных океанах и их районах (изучение течения Гольфстрим в Атлантическом океане, течения Куросио в Тихом океане, Южного океана, Северного Ледовитого океана и др.).

Продолжались теоретические исследования. В 1905 В. В. Экман разработал теорию дрейфовых течений. В 1903 норвежцы Й. В. Сандстрём и Б. Хелланд-Хансен (Хелланн-Хансен) создали динамический метод расчёта течений, впоследствии доработанный Н. Н. Зубовым. В 1912–16 Б. Хелланд-Хансен предложил метод анализа температурно-солёностных кривых в целях изучения структуры океана и процессов перемешивания вод; позднее этими вопросами занимался советский учёный В. Б. Штокман. В 1907 Дж. Дарвин (Великобритания) предложил упрощённый метод гармонического анализа приливов; в 1922 австрийский геодезист Р. Штернек составил первую карту котидальных линий для Мирового океана. В теорию приливов и в развитие методов их предвычисления большой вклад внесли зарубежные исследователи А. Дефант (Австрия, 1923), Д. Праудмен (Великобритания, 1924), А. Т. Дудсон (Великобритания, 1924, 1928), российские учёные Н. Е. Кочин (1938), Л. Н. Сретенский (1936), В. В. Шулейкин (1938), А. И. Дуванин (1960) и др.

В СССР океанографические исследования начались в 1921, после учреждения Плавучего морского института и введения в строй научно-исследовательского судна «Персей». Основное внимание уделялось внутренним и окраинным российским морям, которые к концу 1930-х годов стали наиболее изученными районами Мирового океана. Большую роль в формировании главных направлений океанографии сыграли капитальные труды В. В. Шулейкина (1932–37), Н. Н. Зубова (1938–47). Со 2-й половины 1940-х годов эти направления стали быстро развиваться. Во 2-й половине 20 века в СССР активно проводились исследования Мирового океана с помощью научно-исследовательских судов, сыгравшие важнейшую роль в развитии океанологии. Первым специально оборудованным судном был «Витязь», самым большим и совершенным по техническому оснащению экспедиций судном космической службы – «Космонавт Юрий Гагарин» (водоизмещение 45000 т); всего насчитывалось свыше 700 судов водоизмещением свыше 500 т. Успешными были исследования морских глубин с применением подводных аппаратов «Северянка», «Север-1», «Пайсис», «Мир», «Аргус». В 1950–60-е годы В. Б. Штокманом и его школой в Институте океанологии АН СССР заложены основы современной динамики океанических течений и перемешивания водных масс. Л. М. Бреховских, В. Г. Кортом и другими в тропической зоне Атлантического океана открыты океанические вихри синоптического масштаба. Использование вычислительной техники способствовало моделированию океанических течений (А. С. Саркисян и др.), переноса веществ, придонного турбулентного слоя и др. В этот же период разработаны оптичtеские методы дистанционного исследования океана, изучены механизмы формирования пространственного спектра поверхностных волн на переменных и неоднородных течениях, установлены закономерности распространения, рассеяния и затухания звука в зависимости от гидрофизических характеристик вод и рельефа дна (Бреховских и др.). В 1970-х годах получены новые представления об изменчивости физических полей в океане в широком спектре масштабов, об океанской турбулентности и внутренних волнах, о тонкой термохалинной структуре вод (А. С. Монин, К. Н. Фёдоров и др.), открыто тонкослойное движение вод открытого океана (Монин, Фёдоров и др., 1972). В области биологических исследований океанов созданы карты глобального распределения первичной продукции органического вещества, биомассы пелагической и донной фауны, обнаружена жизнь в ультраабиссали на глубинах более 6000 м, оценены потоки вещества и энергии пелагических сообществ разных районов океана (М. Е. Виноградов и др.). По программе «Разрезы» (1975–92) осуществлён мониторинг термодинамических характеристик океана в его энергоактивных зонах (Г. И. Марчук, С. С. Лаппо).

Большие открытия сделаны в области исследования рельефа дна. В Северном Ледовитом океане открыты (конец 1930-х – 1940-е гг.) подводные хребты Гаккеля и Ломоносова, для всей его западной части и Северной Атлантики установлены особенности рельефа (Я. Я. Гаккель и др.). В Тихом, Индийском и Атлантическом океанах выявлены и исследованы многочисленные крупные формы рельефа дна – подводные хребты, горы, желоба, зоны разломов и пр. (Г. Б. Удинцев и др.). Открыта самая глубокая точка Мирового океана на дне Марианской впадины, нанесены на карту новые обнаруженные элементы рельефа, например подводные хребты Ширшова, Академии Наук, Института Океанологии, вал Зенкевича, подводные горы Обь, Лена, Богорова, Безрукова, Богоявленского, Петелина и др.

В 1960–70-е гг. достигнуты большие успехи в области геофизики и геологии океанов, это открытие срединно-океанических хребтов, линейных магнитных аномалий в океане. Установлены существенные отличия в строении континентальной и океанической коры, что привело к возрождению идей А. Вегенера об образовании молодых океанов (Атлантического, Индийского и др.) вследствие распада суперконтинента Пангея и дрейфа отдельных его частей (см. Дрейф континентов) и формулировке неомобилистской концепции тектоники плит. Были построены карты линейных магнитных аномалий и возраста океанического ложа для отдельных регионов и для всего Мирового океана, установлен относительно молодой возраст коры океанов (не древнее 170 млн. лет).

Проводились исследования льдов Арктики, а затем Антарктики в Северном Ледовитом и Южном океанах (Н. Н. Зубов, В. Ю. Визе, М. М. Сомов, В. Х. Буйницкий и др.). Большое значение имела организация наблюдений на дрейфующих станциях (в 1937–91 в Арктике работала 31 советская дрейфующая станция «Северный полюс»). Исследованы морские льды, взаимодействие атмосферы и океана в Северной и Южной полярных областях Земли (А. Ф. Трёшников и др.). Во 2-й половине 20 века развивались космические методы исследований и дистанционное зондирование океанов, применялись спутниковые способы сбора информации.

В 20 веке изданы атласы мирового значения: «Морской атлас» в 3 томах (1950–63), «Атлас Антарктики» в 2 томах (1966–69; Государственная премия СССР, 1971), «Атлас океанов» в 3 томах (1974–80), «Атлас Арктики» (1985). В 1990-е годы в России произошло резкое сокращение экспедиционных исследований в океанах, вызванное экономическими причинами. Большее внимание стало уделяться исследованиям прибрежной зоны морей, освоению их ресурсов. В начале 21 века возрос интерес к океанологическим исследованиям, были приняты Федеральная целевая программа «Мировой океан» и Морская доктрина России, предусматривающие повышение роли нашей страны в изучении океана и освоении его ресурсов. В 2011 российский флот насчитывал 75 научно-исследовательских судов разной специализации и водоизмещения, в том числе в морях работали 17 научно-исследовательских судов Росгидромета, 16 – Российской Академии Наук.

Отдельного упоминания заслуживают крупные международные экспедиции по изучению Мирового океана. Начиная с 1955 они проводились: в северной части Тихого океана (НОРПАК, 1955), по программе Международного геофизического года (1957–58), в экваториальной зоне Атлантики (ЭКВАЛАНТ, 1963–64), в районе Куросио (СИК, с 1965), в тропической зоне Атлантики (ТРОПЕКС, 1974) и др. В этих исследованиях был задействован большой Мировой экспедиционный флот судов, оснащённых новейшими техническими средствами. Новым этапом познания океана стали работы на особых полигонах, первым из них стал район исследования океанских вихрей в Саргассовом море на основе советско-американской программы ПОЛИМОДЕ на протяжении 1974–79. В 1980–90-х гг. была осуществлена программа ТОГА (тропический океан – глобальная атмосфера) по изучению Эль-Ниньо, в 1990–2000-е гг. – программа ГЭЦО (глобальный эксперимент по циркуляции океана). Была разработана объединённая глобальная система океанографических служб (ОГСОС). В 21 веке большое внимание международного сообщества уделяется океанскому компоненту изменений климата (программа КЛИВАР – климатические вариации), исследованию потоков химических элементов и соединений в океане, рациональному использованию биологических ресурсов, действуют международной программы по мониторингу загрязнения океана и борьбе с ним и др.

Основные научные разделы

Океанология как комплексная наука объединяет несколько самостоятельных направлений по отдельным аспектам природы океана. Физика океана (физическая океанология, физика моря) изучает океан в целом и его отдельные моря, физические свойства морской воды, включает гидротермодинамику, акустику океана, оптику океана, исследование его радиоактивности (ядерную гидрофизику) и электромагнитного поля в нём. Гидротермодинамика океана занимается исследованием теплового и водного баланса, а также вариаций уровня; формирования его температурной, солёностной и плотностной стратификации; вертикальной тонкослойной микроструктуры; ледовых условий околополярных морей; синоптических, суточных, сезонных и междугодичных колебаний физических характеристик океана; динамики ветровых, внутренних и гироскопических волн (волн Россби); инерционных и приливных колебаний и волн цунами; турбулентности и конвекции; молекулярных процессов на поверхности океана, а также изучает структуру вод в океане (водные массы). Акустика океана устанавливает закономерности распространения в нём звуковых волн (главных средств подводного наблюдения и связи) и природные шумы. Оптика океана занимается исследованием распространения, рассеяния и поглощения света в водах океана. Крупнейшая проблема физики океана – выяснение закономерностей взаимодействия океана и атмосферы (мелкомасштабного – формирования потоков количества движения, тепла и влаги на поверхности океана – и крупномасштабного – взаимосвязи между долгосрочной глобальной изменчивостью океана и атмосферы), образующих основу для долгосрочного прогноза погоды и океанской изменчивости и для теории климата.

Химия океана (химическая океанология) включает гидрохимию его вод и геохимию донных осадков. Гидрохимия занимается количественным исследованием веществ, содержащихся в растворе или во взвеси в водах океана, их элементарного и изотопного состава, ионных и молекулярных форм, физико-химических и биохимических превращений. Особое внимание уделяется солёности воды, растворённым кислороду и углекислому газу, соединениям фосфора и азота, кремнекислоте, органическому углероду. Основные проблемы: химический баланс океана (его химический обмен с континентами через речной сток, с атмосферой и дном); идентификация различных водных масс; происхождение и геохимическая эволюция вод океана; извлечение ценных веществ из морской воды; химическое загрязнение океана (нефтью, ртутью, свинцом и др.). Геохимия донных осадков занимается изучением их химического состава, миграций, превращений и концентрирования веществ в них, химических процессов их диагенеза (превращения в горные породы) и формирования осадочных месторождений полезных ископаемых.

Геология океана (морская геология) изучает геологическое строение и минеральные ресурсы океанического дна, включает все разделы геологии, геофизики (морская геофизика) и геохимии применительно к земной коре в области океана. Проводятся исследования рельефа дна; состава и процессов образования современных осадков; стратиграфии, литологии, минералогии и геохимии осадочной толщи, петрографии магматических пород дна; строения океанической коры; теплового потока, гравитационных и магнитных аномалий и др. Ведётся разведка полезных ископаемых на поверхности и в недрах океанского дна (нефти, газа, минер. россыпей, железомарганцево-полиметаллических конкреций, металлоносных осадков, фосфоритов и др.). Изучаются закономерности формирования месторождений; геологическая история океанов и глобальная тектоника Земли (формирование срединно-океанических хребтов, океанских плит и глубоководных желобов; раздвижение дна океана, дрейф континентов).

Биология океана (морская биология) изучает микроорганизмы, растения и животных (биоту) океанов и их взаимодействия в составе планктона, нектона, бентоса; их систематику, особенности индивидуального развития, физиологию, биохимию, экологию, биогеографию, эволюционную историю, пищевые связи, структуру и функционирование биологических сообществ, динамику популяций промысловых организмов. Промысловая океанология исследует влияние среды обитания на воспроизводство морских промысловых организмов, изучает их продуктивность, численность и поведение; имеет целью разработку океанологических основ промысловых прогнозов для рациональной эксплуатации биологических ресурсов Мирового океана. Крупнейшие проблемы биологии океана – бонитировка его акваторий (оценка биомассы и годовой продукции важнейших видов организмов); управление биологической продуктивностью океана, то есть искусственное создание повышенной продукции ценных организмов (аквакультура).

Научные организации и периодические издания

Основные международные исследования по океанологии ведутся в рамках организаций: Межправительственной океанографической комиссии при ЮНЕСКО (МОК), с 1960, штаб-квартира – в Париже; Международного совета по исследованию моря (ИКЕС), с 1902, в Копенгагене; Международной гидрографической организации (МГО), с 1967 (ратифицирована в 1970), в Монако (в 1921–67 Международного гидрографического бюро, МГБ); Международной ассоциации физических наук об океане при Международном союзе геодезических и геофизических наук, с 1919; Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО), с 1945, в Риме, и др.

В России работы в области океанологии ведут: Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН и его отделения в С.-Петербурге, Калининграде, Геленджике, Государственный океанографический институт им. Н. Н. Зубова Роскомгидромета, Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт Роскомгидромета, Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии Минрыбпрома в Москве, кафедры в МГУ, в университетах Санкт-Петербурга, Калининграда, Дальневосточном и др.; в США – Вудсхолский (штат Массачусетс) и Скриппсовский (штат Калифорния) океанографический институты; в Канаде – институты океанографии в Ванкувере и Галифаксе; в Великобритании – Национальный океанографический центр в Саутгемптоне; во Франции – Океанографический центр в Бресте; в Германии – Институт океанографии в Киле; в Монако – Океанографический музей; в Японии – Институт исследований атмосферы и океана в Касиве.

Выходят периодические издания, освещающие проблемы океанологии: в России – «Океанология» (М., с 1961), «Известия РАН. Физика атмосферы и океана» (М., с 1965, до 1992 – «Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана»), «Труды Государственного океанографического института» (М.; Обнинск, с 1947), «Метеорология и гидрология» (Л.; М., с 1950); в США – «Journal of Marine Research» (New Haven, с 1937), «Journal of Physical Oceanography» (Boston, с 1971), «Journal of Geophysical Research» (Richmond, с 1949), в Великобритании – «Deep-sea Research» (L., с 1953), в Монако – «International Hydrographic Bulletin» (Monaco, с 1929), «Bulletin hydrographique. Conseil permanent international pour l’exploration de la mer» (Cph., с 1908), в Австралии – «Australian Journal of Marine and Freshwater Research» (Melbourne, 1950–94), в Германии – «Ocean dynamics» (B., с 1948), «Kieler Meeresforschungen» (Kiel, 1936–1975), в Японии – «Journal of Oceanography» (Tokyo, с 1942).

Литература статьи Большой российской энциклопедии

• Айбулатов Н. А. Деятельность России в прибрежной зоне моря и проблемы экологии. М., 2005.
• Алекин О. А. Химия океана. Л., 1966.
• Архипкин В. С., Добролюбов С. А. Океанология: Физические свойства морской воды. М., 2005.
• Биология океана. М., 1977. Т. 1–2.
• Боуден К. Физическая океанография прибрежных вод. М., 1988.
• Бурков В. А. Общая циркуляция Мирового океана. Л., 1980.
• Воробьев В. Н., Смирнов Н. П. Общая океанология. СПб., 1999. Ч. 2: Динамические процессы.
• Геология океана. М., 1980.
• Геоэкология шельфа и берегов морей России. М., 2001.
• Гершанович Д. Е., Елизаров А. А., Сапожников В. В. Биопродуктивность океана. М., 1990.
• Зубов Н. Н. Динамическая океанология. М.; Л., 1947.
• Израэль Ю. А., Цыбань А. В. Антропогенная экология океана. Л., 1989.
• Каменкович В. М., Кошляков М. Н., Монин А. С. Синоптические вихри в океане. 2-е изд. Л., 1987.
• Коровин В. П. История океанологических исследований. СПб., 1999.
• Леонтьев И. О. Прибрежная динамика: волны, течения, потоки наносов. М., 2001.
• Леонтьев О. К. Морская геология. М., 1982.
• Малинин В. Н. Общая океанология. СПб., 1998. Ч. 1: Физические процессы.
• Мамаев О. И. Физическая океанография. М., 2000.
• Океанология: Инструментальные методы измерения основных параметров морской воды. М., 2009.
• Саркисян А. С. Моделирование динамики океана. СПб., 1991.
• Сафьянов Г. А. Геоморфология морских берегов. М., 1996.
• Степанов В. Н. Океаносфера. М., 1983.
• Федоров К. Н. Избранные труды по физической океанологии. Л., 1991.
• Физика океана. М., 1978. Т. 1–2.
• Химия океана. М., 1979. Т. 1–2.
• Шулейкин В. В. Физика моря. 4-е изд. М., 1968.
• Ястребов B. C. Методы и технические средства океанологии. Л., 1986.
• Ocean circulation and climate: observing and modelling the global ocean / Ed. by G. Siedler, J. Church, J. Gould. San Diego, 2001.
• Sverdrup Н. U., Johnson M. W., Fleming R. Н. The Oceans, their physics, chemistry and general biology. Englewood Cliffs, 1957.

Ссылки

• Степанов В.Н. Океаносфера. М.: "Мысль", 1983.