Какое давление в океане

Давление под водой в морских глубинах: как измерить

Со школьных лет всем известно, что вода плотнее воздуха. Из-за этого изменение давления под водой с погружением происходит быстрее, чем смена его при увеличении высоты. Так, при спуске на 10 метров происходит рост давления на одну атмосферу. В глубоких океанических впадинах, достигающих 10 тысяч метров, этот показатель составляет 1 тысячу атмосфер. Как узнать, как изменяется давление под водой и как оно влияет на живых существ, будет описано ниже.

Физические расчеты

Плотность соленой морской воды на 1-2% выше показателя пресной жидкости. Поэтому с определенной точностью можно высчитать, какое давление под водой, потому что при погружении на каждые 10 метров происходит его рост на одну атмосферу. К примеру, подводная лодка на глубине 100 метров испытывает давление в 10 атмосфер, что можно сравнить с показателями внутри парового котла в паровозе. Из этого следует, что каждому слою в море соответствует свой гидростатический показатель. Все подводные лодки снабжены манометрами, которые измеряют давление воды за бортом, на основании чего можно определить степень погружения.

На большой глубине становится заметной сжимаемость воды, поскольку ее плотность в глубоких слоях выше, чем на поверхности. И давление растет быстрее, чем по линейному закону, из-за чего график слегка отклоняется от прямой линии. Дополнительное давление, вызванное сжатием жидкости, увеличивается пропорционально квадрату. При спуске на 11 км оно составляет около 3% от всего давления на этой глубине.

Как исследуют моря и океаны

При изучении используются батискафы и батисферы. Батисфера — это стальной шар с пустотой внутри, который выдерживает очень высокое давление морских глубин. В стенку батисферы ставится иллюминатор — герметичное отверстие, закрытое прочными стеклами. Батисферу с исследователем опускают с корабля на стальном тросе до того слоя воды, который не может осветить прожектор. Благодаря этому приспособлению удавалось спуститься до 1 км. Батискафы с батисферой (укрепленной внизу большой цистерной из стали), которая заполнена бензином, может достигнуть еще большего погружения.

Поскольку плотность бензина меньше воды, подобная конструкция может перемещаться в море, словно дирижабль в воздухе. Вместо легкого газа используется бензин. При этом батискаф снабжен запасом балласта и двигателем, благодаря которому он, в отличии от батисферы, может перемещаться самостоятельно, не требуя связи с кораблем на поверхности.

Исследования давления под водой на глубине

Поначалу батискаф плавает по воде, словно всплывшая подводная ложка. Для начала погружения в пустые балластные отсеки вливается забортная вода, из-за чего конструкция начинает опускаться под воду все глубже и глубже, пока не достигнет дна. Для всплытия на поверхность выполняется сброс балласта, и без лишнего груза батискаф легко поднимается на поверхность.

Самое глубокое погружение с использованием батискафа было выполнено 23 января 1960 года, когда он пробыл 20 минут в Марианской впадине на глубине 10919 метров под водой, где давление составляло более 1150 атмосфер (расчет проводился с учетом повышения плотности жидкости из-за сжатия и солености). По итогу эксперимента исследователи обнаружили живых существ, обитающих даже в таких труднодоступных местах.

Давление воды

Ныряя, аквалангист или пловец сталкивается с гидростатическим давлением по всей поверхности тела, при этом оно превышает нормальные показатели его организма. Хотя тело водолаза может не соприкасаться с водой напрямую за счет резинового костюма, он сталкивается с тем же давлением, что оказывает влияние на тело пловца, поскольку воздух в скафандре требуется сжать с учетом показателей окружающей среды. Из-за этого даже подаваемый через шланг воздух для дыхания должен закачиваться с учетом давления воды на предполагаемой глубине. Тот же показатель обязан быть у воздуха, доставляемого из баллонов в маску аквалангиста. Таким образом, ныряльщикам приходится дышать воздухом с непривычными показателями.

Не поможет от давления и водолазный колокол или кессон, поскольку в нем следует сжать воздух, чтобы он не попал под колокол, то есть увеличить до показателей окружающей среды. По этой причине при постепенном погружении происходит постоянная подкачка воздуха с расчетом на давление воды на достигнутой глубине.

Высокие показатели плохо влияют на самочувствие и здоровье человека, из-за чего есть определенный предел, до которого могут работать люди без вреда для здоровья. Обычно при нырянии в водолазном костюме он достигает 40 метров, что соответствует 4 атмосферам. Опуститься на большую глубину водолаз может только в жестком скафандре, который примет на себя давление воды. В нем можно спокойно погрузиться до 200 метров.

Влияние на здоровье человека

При долгом нахождении под водой при высоком давлении немалое количество воздуха растворится в крови и других биологических жидкостях тела. Если произойдет быстрый подъем водолаза на поверхность, то растворенный воздух начнет выделяться из крови в виде пузырьков. Резкое выделение пузырьков может привести к появлению сильной боли по всему телу и привести к кессонной болезни. Поэтому поднятие водолаза, долго проработавшего на большой глубине, может занять много времени (несколько часов), чтобы растворенный газ выделялся постепенно и без пузырьков.

Давление в море и морские животные

Хотя ранее были указаны огромные значения давления, имеющего место на дне моря, для морских животных это не столь существенные показатели. Местные обитатели могут в течении суток легко и спокойно переносить огромные колебания этого показателя. Однако некоторые такие животные очень плохо переносят резкую смену давления. К примеру, при извлечении на сушу морской окунь раздуется, особенно если его очень быстро извлечь из воды.

Атмосферное давление под водой достаточно просто рассчитывается. Достаточно запомнить, что на каждые 10 метров приходится 1 атмосфера. Однако на больших глубинах вступают в силу и другие показатели, такие как сжатие и плотность воды. В связи с чем придется проводить расчет с учетом этих значений.

Источник

Марианский жёлоб

Мариа́нский жёлоб (или Мариа́нская впа́дина) — океанический глубоководный жёлоб на западе Тихого океана, самый глубокий[2] из известных на Земле. Назван по находящимся рядом Марианским островам. Впадина имеет форму полумесяца и имеет длину около 2 540 км, среднюю ширину 69 км и глубину до 11 км[1]. На дне траншеи верхний столб воды оказывает давление 1086 бар, что более чем в 1071 раз превышает стандартное атмосферное давление на уровне моря. При таком давлении плотность воды увеличивается на 4,96 %. Температура внизу составляет от 1 до 4 °C[3].

Самая глубокая точка Марианской впадины — «Бездна Челленджера» (англ. Challenger Deep). Она находится в юго-западной части впадины, в 340 км на юго-запад от острова Гуам (координаты точки: 11°22,40′ с. ш. 142°35,50′ в. д.HGЯO). По замерам 2011 года, её глубина составляет 10 994 м ниже уровня моря[1]; по замерам 2020 года, её глубина составила 10 028 м[4].

В 2009 году Марианская впадина была признана национальным памятником США[5]. Исследователями Института океанографии Скриппса на глубине 10,6 км в Марианской впадине была обнаружена моноталамея[6]. Данные также предполагают, что во впадине обитают микробные формы жизни[7][8].

Исследования[править | править код]

Первые измерения (и открытие) Марианского жёлоба были проведены в 1875 году с британского трёхмачтового корвета «Челленджер» («Бросающий вызов»). Тогда, с помощью глубоководного лота, установили глубину 8367 метров (при повторном промере — 8184 м)[9]. В 1951 году английская экспедиция на научно-исследовательском судне «Челленджер» с помощью эхолота зафиксировала максимальную глубину 10 863 метра[2]. По результатам измерений, проведённых в 1957 году во время 25-го рейса советского научно-исследовательского судна «Витязь» группой учёных под руководством Алексея Добровольского, максимальная глубина жёлоба — 11 022 м (уточнённые данные, первоначально сообщалась глубина 11 034 м)[2][10]. Впоследствии именно значение 11 022 метра указывалось для максимальной глубины Марианского жёлоба в советской учебной[11] и энциклопедической литературе[12]. Трудность измерения состоит в том, что скорость звука в воде зависит от её свойств, которые различны на разных глубинах, поэтому эти свойства также должны быть определены на нескольких горизонтах специальными приборами (такими, как батометр и термометр), и в значение глубины, показанное эхолотом, внесена поправка[13]. Исследования 1995 года показали, что она составляет около 10 920 м[14], а исследования 2009 года — что 10 971 м. Исследования 2011 года дают значение — 10 994 метров с точностью ±40 метров[15][16]. Таким образом, полагаясь на значения 2020 г. (10 028 м, см. выше) глубочайшая точка впадины, именуемая «Бездной Челленджера» (англ. Challenger Deep), находится дальше от уровня моря, чем вершина горы Эверест — над ним.

Амфипода Hirondellea gigas, обитающая на глубине 10 900 м

Исследования, проведённые американской океанографической экспедицией из университета Нью-Гэмпшира (США), обнаружили на поверхности дна Марианской впадины горы[16]. Они проходили с августа по октябрь 2010 года, когда при помощи многолучевого эхолота была детально изучена площадь дна, равная 400 000 квадратных километров. В результате и были обнаружены, по меньшей мере, четыре океанических горных хребта высотой в 2,5 километра, пересекающих поверхность Марианского жёлоба в месте соприкосновения Тихоокеанской и Филиппинской литосферных плит. Один из исследователей прокомментировал это так: «В этом месте геологическое строение океанической земной коры очень сложное… Эти хребты сформировались около 180 миллионов лет назад в процессе постоянного движения литосферных плит. Краевая часть Тихоокеанской плиты в течение миллионов лет постепенно «подползает» под Филиппинскую, как более старая и «тяжёлая»… В ходе этого процесса образуется складчатость»[16].

Погружения[править | править код]

«Триест» перед погружением.

23 января 1960 года

• Первое погружение человека на дно Марианского жёлоба было совершено 23 января 1960 года лейтенантом ВМС США Доном Уолшем и исследователем Жаком Пикаром в батискафе «Триест», спроектированном отцом Жака Огюстом Пикаром. Приборы зафиксировали рекордную глубину — 11 521 метр (скорректированная величина — 10 918 м). На дне исследователи неожиданно встретили плоских рыб размером до 30 см, похожих на камбалу[17].
• Японский зонд «Кайко» (яп. 海溝), который был спущен в район максимальной глубины впадины 24 марта 1995 года, зафиксировал глубину 10 911,4 метра[14][18]. Во взятых зондом пробах ила были найдены живые организмы — фораминиферы[19].
• 31 мая 2009 года на дно Марианской впадины погрузился автоматический подводный аппарат «Нерей» (лат. Nereus) (см. Нерей, древнегреческая мифология). Аппарат опустился на глубину 10 902 метра, где снимал видео, сделал несколько фотографий, а также собрал образцы отложений на дне[20].
• 26 марта 2012 года кинорежиссёр Джеймс Кэмерон стал третьим человеком в истории, достигшим самой глубокой точки Мирового океана, и первым, сделавшим это в одиночку. Кэмерон погружался на одноместном аппарате «Дипси челленджер», оборудованном всем необходимым для съёмки. Киносъёмка велась в формате 3D, для этого батискаф был оснащён специальным световым оборудованием[21]. Кэмерон добрался до «Бездны Челленджера» — участка впадины на глубине 10 898 метров[22] (точные вычисления показывают, что батискаф достиг глубины 10 908 метров, а не 10 898 — глубины, зафиксированной прибором во время погружения[23]). Он взял образцы пород, живых организмов и провёл киносъёмку, используя 3D-камеры. Отснятые режиссёром кадры легли в основу научно-документального фильма канала «National Geographic Channel» Джеймс Кэмерон: Путешествие к центру Земли (2012)[24].
• 28 апреля 2019 года Виктор Весково установил рекорд глубины погружения человека — 10928 м и стал первым человеком, покорившим высочайшую вершину мира-Эверест и глубочайшую впадину.[25]
• 8 мая 2020 года на дно Марианской впадины впервые погрузился российский автономный необитаемый подводный аппарат «Витязь-Д». Датчики зафиксировали глубину 10 028 метров. «Продолжительность миссии без учёта погружения и всплытия на поверхность составила более трех часов», — сообщили в Фонде перспективных исследований (ФПИ). На дно Марианской впадины доставили вымпел, посвященный 75-летию Победы в Великой Отечественной войне. Аппарат провел картографирование, фото- и видеосъемку морского дна, ученые изучили параметры морской среды. В состав комплекса «Витязь-Д» входят автономный необитаемый аппарат, глубоководная донная станция и аппаратура пункта управления. Корабельное оборудование комплекса обеспечивает информационный обмен судна-носителя с подводным аппаратом и донной станцией в режиме реального времени по гидроакустическому каналу. «В отличие от работавших ранее в этом районе аппаратов Kaiko (Япония) и Nereus (США), аппарат «Витязь» функционирует полностью автономно. Благодаря использованию в системе управления аппарата элементов искусственного интеллекта, он может самостоятельно обходить препятствия по курсу, находить выход из ограниченного пространства и решать другие интеллектуальные задачи», — сказали в ФПИ[26].
• 7 июня 2020 года на дно Марианской впадины погрузилась первая женщина, ею стала Кэтрин Салливан[27]. Пилотом был Виктор Весково[28].
• 12 июня 2020 года, на дне Марианской впадины побывала вторая женщина — Ванесса О Брайен, альпинистка, покорившая Эверест.[29]
• 20 июня 2020 года, Келли Уолш, сын знаменитого Дона Уолша, достиг дна Бездны Челленджера, доведя тем самым число людей, побывавших в Марианской впадине до двенадцати.[30] Пилотом был Виктор Весково[28].
• 25 июня 2020 года Ин-Цонг «YT» Лин, ученый из Лаборатории океанической акустики, стал тринадцатым человеком, посетившим Марианскую впадину. И первым человеком азиатского происхождения. Пилотом был Виктор Весково[28].
• 15 ноября 2020 года в Бездну Челленджера на глубину 10’909 метров опустился китайский глубоководный автономный аппарат «Фэньдоучже» («Борец») с 3 людьми на борту.[31]

Геология[править | править код]

Схема образования Марианской впадины.

Жёлоб протянулся вдоль Марианских островов на 1500 км. Он имеет V-образный профиль: крутые (7-9°) склоны, плоское дно шириной 1-5 км, которое разделено порогами на несколько замкнутых депрессий. У дна давление воды достигает 108,6 МПа, что примерно в 1072 раза больше нормального атмосферного давления на уровне Мирового океана. Впадина находится на границе стыковки двух тектонических плит, в зоне движения по разломам, где Тихоокеанская плита уходит под Филиппинскую плиту.

Факты[править | править код]

• В июне 2016 года было опубликовано исследование, согласно которому тела глубоководных рачков из Марианской впадины содержат гораздо более высокий уровень токсичных веществ, чем в прибрежных водах океана, куда выбрасываются сточные воды и отходы[32].

Примечания[править | править код]

1. ↑ 1 2 3 Mariana Trench, Britannica.com, <https://www.britannica.com/place/Mariana-Trench>
2. ↑ 1 2 3 Кравчук П. А. Рекорды природы. — Любешов: Эрудит, 1993. — С. 23-24. — 216 с. — ISBN 5-7707-2044-1.
3. ↑ please.com — The Temperature in the Mariana Trench, read 13 May 2012
4. ↑ Эксперт усомнился в точном измерении глубины Марианской впадины при СССР. РБК. Дата обращения: 9 июня 2020.
5. ↑ the Monument — Mariana Trench. U.S. Fish and Wildlife Service.
6. ↑ Giant amoeba found in Mariana Trench — 6.6 miles beneath the sea (26 October 2011). Дата обращения 23 марта 2012.
7. ↑ Choi, Charles Q. Microbes Thrive in Deepest Spot on Earth. LiveScience (17 March 2013). Дата обращения: 17 марта 2013.
8. ↑ Glud, Ronnie; Wenzhöfer, Frank; Middleboe, Mathias; Oguri, Kazumasa; Turnewitsch, Robert; Canfield, Donald E.; Kitazato, Hiroshi (17 March 2013). «High rates of microbial carbon turnover in sediments in the deepest oceanic trench on Earth». Nature Geoscience. 6 (4): 284-288. Bibcode:2013NatGe…6..284G. DOI:10.1038/ngeo1773.
9. ↑ Report on the scientific results of the voyage of H.M.S. Challenger during the years of 1872-76 (pp. 877-878) (англ.). 19thcenturyscience.org. Дата обращения: 26 марта 2012. Архивировано 31 мая 2012 года.
10. ↑ Кравчук П. А. «Географический калейдоскоп[uk]». — Киев: Радянська школа, 1988. ISBN 5-330-00384-9
11. ↑ Максимов Н. А. Физическая география. Учебник для 5 класса / Под редакцией профессора Н. А. Гвоздецкого. — 18-е изд. — М.: Просвещение, 1986. — С. 67.
12. ↑ Марианский жёлоб // Большая Советская Энциклопедия / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская Энциклопедия, 1974. — Т. 15 : Ломбард — Мезитол. — С. 364. — 629 000 экз.
13. ↑ И. М. Белоусов. Совершенно неизвестные страны // За тайнами Нептуна : Книга. — М.: Мысль, 1976. — С. 179-185.
14. ↑ 1 2 Results of «Kaiko»’s Final Field Test (недоступная ссылка). Дата обращения: 16 апреля 2008. Архивировано 6 февраля 2009 года.
15. ↑ Марианскую впадину «углубили» (недоступная ссылка). compulenta.ru (8 декабря 2011). Дата обращения: 8 ноября 2011. Архивировано 13 января 2012 года.
16. ↑ 1 2 3 РИА Новости. «Учёные обнаружили горы на дне Марианской впадины» (14:34 08-02-2012). Дата обращения: 10 февраля 2012. Архивировано 31 мая 2012 года.
17. ↑ National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) webpage. Section «1960 — Man at the Deepest Depth» (англ.)
18. ↑ Japan Atlas: Japan Marine Science and Technology Center (англ.). Дата обращения: 3 февраля 2008. Архивировано 28 августа 2011 года.
19. ↑ Жители Марианской впадины строят раковины на импортном сырье. x.ru. Дата обращения: 1 апреля 2012. Архивировано 31 мая 2012 года.
20. ↑ Робот погрузился на дно Марианской впадины. Lenta.ru (3 июня 2009). Дата обращения: 3 сентября 2010.
21. ↑ Режиссёр Джеймс Кэмерон стал третьим человеком в истории, достигшим дна Марианской впадины (недоступная ссылка). Дата обращения: 26 марта 2012. Архивировано 28 марта 2012 года.
22. ↑ Джеймс Кэмерон завершил погружение на дно Марианской впадины. Lenta.ru (26 марта 2012).
23. ↑ Джеймс Кэмерон: погружение на дно Марианской впадины в батискафе Deepsea Challenger (недоступная ссылка). Nat-Geo.ru (июнь 2013). Дата обращения: 2 декабря 2019. Архивировано 27 февраля 2015 года.
24. ↑ Режиссёр Джеймс Кэмерон стал третьим человеком в истории, достигшим дна Марианской впадины (недоступная ссылка). ИТАР-ТАСС (26 марта 2012). Дата обращения: 26 марта 2012. Архивировано 29 марта 2012 года.
25. ↑ FEATURE: The incredible engineering behind the submarine that plumbed the deepest depths // imeche.org
26. ↑ Российский подводный беспилотник впервые испытали в Марианской впадине. РИА Новости (20200509T1020). Дата обращения: 9 мая 2020.
27. ↑ Astronaut Kathy Sullivan is first woman to dive to Challenger Deep // collectspace.com
28. ↑ 1 2 3 Reer dives to Challenger Deep // phys.org
29. ↑ Vanessa O’Brien: British-American explorer becomes first woman to reach Earth’s highest and lowest points // sky.com
30. ↑ Mariana Trench: Don Walsh’s son repeats historic ocean dive // bbc.com
31. ↑ Китайский аппарат Fendouzhe опустился на дно Марианской впадины, REGNUM (15.11.2020).
32. ↑ Man-made pollutants found in Earth’s deepest ocean trenches : Nature News &

Литература[править | править код]

• Беляев Г. М. Глубоководные океанические желоба и их фауна. — М., 1989.

Ссылки[править | править код]

• На Викискладе есть медиафайлы по теме Марианский жёлоб

Источник