Способы измерения морских глубин
В течение всего древнего периода мореплавания вопрос об измерении глубин сводился исключительно к промерам с целью обезопасить плавание у берегов. Древний мир не обладал никакими опытными данными о действительных глубинах морей и океанов вдали от берегов, и суждения этого рода, встречаемые у ученых древности, основаны были исключительно на догадках.
Первая попытка измерения океанской глубины, о которой до нас дошли сведения, была сделана Магелланом посреди Тихого океана и окончилась неудачей — дна не достали. После этого прошло еще около 300 лет (от начала XVI до начала XIX столетия), прежде чем возобновились эти опыты. Даже такие знаменитые исследователи океанов, как, например, Кук (1769—1778 гг.), Лаперуз (1785—1788 гг.), или даже в начале XIX столетия Крузенштерн и Лисянский (Надежда и Нева, 1803—1806 гг.), Фицрой на корабле Бигль, плававший с Ч. Дарвином пять лет (1831—1836 гг.), и они не занимались вовсе вопросом о глубинах той стихии, по поверхности которой они плавали. Дело измерения глубин продолжало оставаться ограниченным только прямой и ближайшей практической целью — безопасностью мореплавания вблизи берегов.
В течение первой четверти XIX столетия появляются попытки, правда почти всегда безуспешные, измерить глубины океана. Они были сделаны американскими морскими офицерами в Атлантическом океане. Так, например, лейтенант Паркер на фрегате Соединенных Штатов Congress против берегов Бразилии вытравил около 15 250 м лотлиня и, по его мнению, не достал дна (хотя в действительности глубины тут около 5500—6500 м).
Причины неудач глубоководных промеров заключались в следующем. При измерении небольших прибрежных глубин о моменте достижения лотом дна судят по двум признакам: по удару его о дно, передающемуся руке лотового, и по освобождению последней от груза лота следствием чего бывает замедление в высучивании лотлиня. Наконец,, когда лот снова выбран, то приставший к нижнему его концу образец грунта служит также доказательством достижения лотом дна.
Естественно, что вначале при измерении океанских глубин был применен тот же способ, и понадобилось много времени, пока поняли, что он не может дать никаких результатов, потому что в случае измерения океанской, т. е. очень большой глубины, отсутствуют оба обыкновенных признака достижения лотом дна. Удар лота о дно при глубине 3000— 4000 м совершенно не передается по тросовому, не натянутому, линю наверх, а вес большой длины вытравленного лотлиня так значителен,, что и по достижении лотом дна лотлинь продолжает сучить за борт, на взгляд с такой же скоростью, как и ранее. Недостаточная крепость лотлиней того времени не позволяла поднимать лот, лотлинь обыкновенно' при попытках выбирать его обрывался, и потому последний признак достижения лотом дна — образчик грунта — также отсутствовал.
Джемсу Кларку Россу, начальнику английской антарктической экспедиции (1839—1841 гг.), удалось во время этого плавания найти первый способ измерения океанских глубин, который позволял замечать момент достижения лотом дна.
Производя многочисленные опыты измерения больших глубин. Д. К- Росс подметил, что скорости высучивания лотлиня в начале и конце измерения неодинаковы, а именно: лотлинь от начала до некоторого момента измерения сбегает с вьюшки равномерно-замедленно, а затем наступает момент, когда сбегание лотлиня становится почти равномерным. Росс объяснил это следующим образом. По мере сбегания лотлиня длина его в воде увеличивается, а следовательно, и трение о воду становится больше, и хотя вес вытравленной части лотлиня тоже увеличивается, но тормозящее усилие воды настолько велико, что падение лота и лотлиня делается равномерно-замедленным. Когда же лот достигнет дна и лотлинь начинает ложиться на дно, то длина его до поверхности воды остается постоянной, вес и трение тоже перестают изменяться, и сбегание лотлиня становится почти равномерным, нарушаемым только качкой судна, инерцией вьюшки и лотлиня.
Если на лотлине положить марки через одинаковые расстояния, то,, замечая по часам промежутки их сбегания, нетрудно видеть, что 'первоначально эти промежутки будут все увеличиваться, а потом становятся почти равными друг другу, то немного увеличиваясь, то уменьшаясь. Очевидно, та длина лотлиня, около которой промежутки его сбегания начали делаться равными друг другу, и есть искомая глубина.
Признаком Росса для определения момента достижения лотом дна пользовались в течение 30 лет. За этот промежуток времени были введены разные усовершенствования, но основной принцип оставался тот же. Для того чтобы лучше, отчетливее заметить момент достижения дна, делали лотлинь возможно тоньше и крепче, старательно навивали его на вьюшку, заботились, чтобы последняя свободно вращалась на своей оси. С другой стороны, вес лота увеличивали, и таким путем достигали более заметной и резкой перемены в характере ряда промежутков времени сбегания соседних, одинаковых длин лотлиня до касания лотом дна и сейчас же после того. Из целого ряда измерений были составлены таблицы таких промежутков времени для определенной толщины лотлиня и веса лота. Во всяком случае, все-таки многое зависело от опыта и искусства наблюдателя.
Однако поднять лот и достать образчик грунта с океанской глубины не удавалось, и при каждом измерении приходилось терять лот и почти весь вытравленный лотлинь.
В 1854 г. мичман флота Соединенных Штатов Брук предложил новый лот с отделяющимся грузом в момент прикосновения лота ко дну. Таким образом, при выбирании лотлиня ему приходилось выдерживать только вес выпущенной за борт длины его и еще небольшой вес железной трубки, сохранявшей образец грунта дна.
Благодаря изобретению Брука и пользуясь приемом Росса, стало впервые возможным доставание образчиков грунта дна, т. е. несомненного доказательства, что лот не пронесло, не говоря уже о возможности впервые исследовать характер грунта дна океанов на больших глубинах. Идея отделяющегося груза применяется и во всех современных лотах.
Технически в первоначальном лоте идея Брука была выполнена таким образом. Легкая железная трубка снабжалась вверху двумя лапками, вращавшимися на общей оси. Верхние, более длинные концы лапок соединялись коротким штертом, за который с помощью особого кольца брался лотлинь. Нижние, более короткие концы лапок служили для надевания на них петель от особых штертов, противоположные концы которых прикреплялись к кольцу, надевавшемуся на трубку снизу. Грузом служило обыкновенное ядро, просверленное по диаметру, поддерживавшееся на весу с помощью кольца с двумя штертами, петли которых надевались на лапки. Таким образом, вся эта система висела на лотлине и шла с ним ко дну, пока трубка лота нижним концом не упиралась в дно. От удара конец трубки углублялся немного в грунт, образчик которого и оставался в пучке гусиных перьев, укрепленных в нижнем конце трубки. Между тем лотлинь еще продолжал сбегать с вьюшки, отчего у него образовывалась слабина, лапки вверху трубки, уступая тяжести ядра, отгибались вниз, обе петли штертов соскакивали с них, и ядро освобождалось. С этого момента на лине оставалась висеть только трубка с образчиком грунта, которую вместе с лотлинем и поднимали на борт.
Лот Брука дал возможность применять тяжелый груз при тонком лотлине, вследствие чего стало легче замечать момент достижения лотом дна по признаку Росса, затем получались образцы грунта, и, наконец, сохранялся лотлинь.
Скоро по изобретении лота Брука он был применен при промере линии от Ирландии к Ньюфаундленду с целью выяснить рельеф дна для прокладки первого подводного телеграфного кабеля (американец лейт. Берриман на пароходе Arctic в 1856 г.); затем в 1859 г. англичанин кап. 2 ранга Дэйман на судне Cyclops вторично промерил ту же линию и на судне Gorgon — линию от Ньюфаундленда до Азорских островов и оттуда до Ла-Манша. Это были первые обстоятельные и систематические измерения океанских глубин, которые дали возможность проложить первые телеграфные кабели и построить первую карту рельефа дна Северного Атлантического океана, составленную лейтенантом Мори.
При последующих измерениях постепенно видоизменяли первоначальное весьма простое устройство лота Брука и в большей части лотов заменили ядро несколькими плоскими чугунными гирями, позволявшими нагружать лот, смотря по глубине, и получать большие образчики грунта дна с обеспечением, что их при поднимании не вымоет из трубки лота. С последней целью внизу трубки делали или клапаны или краны, закрывавшиеся при прохождении чугунных гирь через нижний конец трубки.
Для того чтобы получить полное понятие об измерении больших глубин по способу Росса, ниже приведен пример, взятый из работ на английском корвете Porcupine в 1869 г. в Бискайском заливе. Лотлинь был тросовый, окружностью в 0,8 дюйма и выдерживал на разрыв 1330 фунтов (русских), каждые 100 морских сажен его весили около 14 фунтов. Лот загружался 372 фунтами.
Лот шел ко дну 33 мин- 35 сек., а поднимали его паровой лебедкой 2 часа 2 мин.
Современные способы и приборы для измерения глубин. Работы на Porcupine почти закончили собою первый период измерений глубин океанов при помощи тросового лотлиня и признака Росса по замечанию промежутков. На Challenger (1872—1876 гг.) в последний раз работали тросовым лотлинем; одновременно известным английским физиком Вильямом Томсоном (впоследствии лордом Кельвином) был предложен глубомер, основанный на совершенно новой идее, который значительно облегчил и сделал точнее промеры океанских глубин. Это изобретение, так же как и лот Брука, составило эпоху в деле исследования подводного рельефа, а следовательно, и вообще в океанографии.
Главная идея в глубомере Томсона заключалась в следующем. Прежде лотлинь свободно травился с вьюшки, чтобы не нарушать правильности изменения промежутков сбегания одинаковых длин лотлиня (что составляло сущность способа Росса), Томсон же стал тормозить вьюшку и притом во всякий момент измерения с таким усилием, которое равнялось весу в воде той части лотлиня, которая уже была вытравлена за борт; т. е. тормозящее усилие по мере увеличения длины лотлиня за бортом тоже все увеличивалось и увеличивалось. Следовательно, вращение вьюшки обуславливалось только весом лота, и когда последний достигал дна, то вьюшка сама собою останавливалась, тем самым указывая момент конца измерения глубины. Таким образом, необходимость замечания промежутков сбегания лотлиня отпадала.
Важное усовершенствование, введенное в дело измерения глубин Томсоном, состояло в замене тросового лотлиня проволочным. Томсон применил сперва фортепианные струны, а потом стали нарочно для лотлиня изготовлять цинкованную проволоку диаметром 0,7—0,9 мы, выдерживавшую на разрыв 105—300 кг. Проволочный лотлинь имеет много преимуществ; он занимает очень мало места, на небольшую вьюшку его можно навить 10 000 м, он не намокает и его не надо просушивать; он быстрее идет ко дну, малый вес его позволяет быстро вытаскивать обратно, тем более, что при этом не приходится поднимать воду, пропитавшую тросовый лотлинь. Его меньше выгибает при неизбежном дрейфе корабля во время измерения глубины; при более быстром сбегании лотлиня корабль меньше сносит с места дрейфом.
Так как нельзя быть уверенным, что вследствие инерции вьюшка все-таки не сделает нескольких лишних оборотов, то, во избежание образования колышек на проволоке, к ее концу привязывают кусок троса метров в 20, к которому уже и привешивают лот, а над ним два термометра и батометр для доставания образчика воды.
Дальнейшие усовершенствования в способах измерения глубин и е самих глубомерах состояли в улучшении технической части приборов. Так, в современных глубомерах такого рода (их три: Сигсби — американский, Леблана—французский и Люкаса — английский) аккумулятор принимающий на себя толчки от качки, введен в устройство самого глубомера, счетчик отнесен на ось той вьюшки, через которую бежит проволока лотлиня, и потому он дает не обороты вьюшки, а прямо глубинь в метрах или морских саженях. Главные вьюшки делаются прочные стальные, так как им приходится выдерживать громадное давление проволоки; все устроено обдуманнее и компактнее, почему и весь глубомер гораздо меньше размером, нежели были первые образцы.
За нуль отсчета глубины принимают поверхность океана. Если во время промера существует порядочная зыбь, то поверхность моря в зависимости от положения корабля на гребне или у подошвы волны может колебаться метра на три по вертикали и тем вносить такую же ошибку в отсчет глубины.
Только в редкие штилевые погоды и при условии отсутствия течения на поверхности корабль стоит неподвижно и лотлинь имеет в воде точно вертикальное положение. Обычно же он отклоняется более или менее, и его линия принимает вид кривой, похожей на параболу. От этой причины проистекает ошибка, всегда увеличивающая измеренную глубину против действительности.
Чем больше глубина, тем все причины, влияющие на точность промера, становятся больше, потому что тогда промер требует больше времени и корабль не сохраняет своего места.
Вообще в обычных условиях ошибка промера бывает около 3% измеренной глубины, т. е. тридцатая доля вытравленной длины лотлиня.
С целью измерения глубин при помощи звука применяют два рода приборов. Одни производят звук, обладающий в секунду колебаниями от 50 до 20 000—такие звуки человеческое ухо может слышать. Если же прибор производит звуки с колебаниями свыше 20 000 в секунду, то человеческое ухо их уже не может отмечать. Такие колебания называются сверхзвуковыми.
Скорость звука в воде зависит от температуры слоя, проникаемого звуком, от ее солености (т. е. в сущности от плотности водного слоя) и от сжатия слоев воды с глубиной, сквозь которую проходит звук.
В сущности, существующие приборы для определения глубины по скорости звука различаются главным образом сообразно тому характеру звуковой волны, какой они производят, т. е. ощущаются они человеческим ухом или нет.
Звуковая волна первого рода (независимо от того, как она производится, ударами молотка по наковальне или взрывом динамитного патрона) всегда распространяется в воде шарообразно, причем центр шара находится в месте производства звука.
Так как звуковые волны одинаково распространяются во все стороны от центра, то в случае, если дно моря имеет уклон, то звуковая волна отразится ближайшей поверхностью.
При пользовании приборами, производящими сверхзвуковую волну, последняя может быть направлена перпендикулярно поверхности воды и тогда она дает именно искомую глубину моря.
Оба способа измерения глубин океана — и при помощи проволочного линя, и по скорости звуковой волны — по необходимости должны употребляться совместно. Каждый раз, когда корабль делает океанографическую станцию, она начинается с измерения глубины в месте остановки.
Конечно, предшествовавшие определения глубины звуковым лотом уже дали приблизительную глубину места корабля, но измерение глубины проволочным лотлинем позволяет сразу получить не только глубину, но и столбик грунта дна, температуру самого придонного слоя воды и образец этой воды, и вместе с тем одновременное определение глубины звуковым лотом дает сравнение этих двух способов, а также способа определения глубины с помощью сравнения отсчетов защищенного и незащищенного от давления воды термометров в придонном слое. Все это потому, что для производства наблюдений на разных глубинах все равно необходимо долгое время, следовательно, использование проволочного лотлиня для измерения глубины на станции уже не представляет значительного удлинения времени стоянки и в то же время дает весьма ценные данные о грунте дна и свойствах придонного слоя воды.
Во всяком случае преимуществом звукового лота остается чрезвычайное удобство: всю работу можно делать на ходу корабля и даже как бы само собой. Например, в течение последних лет американские военные транспорты на путях из Соединенных Штатов к Филиппинам, используя самозаписывающий звуковой лот, попутно покрыли всю северную часть Тихого океана (между Гаваями и Алеутами) массой промеров, в общем до 30 000, и тем самым обследовали попутно рельеф его дна, до тех пор очень плохо известный.
Но для того чтобы точнее вычислять глубины, надо было в этой области произвести обыкновенными приемами океанографические исследования, без которых скорость звука в этих местах не была достаточно хорошо известна.
Итак, можно сказать, что для целей гидрографических звуковой лот имеет большие преимущества; а для работ океанографических нельзя обойтись без глубомеров с проволочным линем, без опускания приборов на разные промежуточные глубины для определения температуры и солености и, следовательно, необходимой для выполнения таких требований остановки корабля на несколько часов.
|
|
Читайте в рубрике «Дно океана»: |