Физика моря

Проф. Н. ШУЛЕЙКИН

На скале жили чайки — родители и один птенец, еще не научившийся летать. До берега — тридцать метров, и они, видимо, не ожидали гостей, а потому долго и шумно негодовали, когда мы впервые подошли на шлюпке, поднялись наверх и начали устанавливать на скале приборы. И едва птенец подрос и научился летному искусству, все три птицы снялись со скалы и растворились в горячем июньском воздухе.

Меж тем по отвесным бокам каменной глыбы прошли трубы с кабелем к электрическим термометрам. Термометры должны были непрерывно отмечать все изменения температуры морской воды на разных глубинах и воздуха над морем и передавать свои отметки на расстоянии. На остром шпиле камня вырос флюгер особого вида, приметный издали и удобный для отсчетов направления ветра. На берегу, в одноэтажном здании, наполовину разрушенном землетрясением, в трех уцелевших комнатах разместились аппаратная для приборов-самописцев, лаборатория-мастерская и жилье наблюдателя.

Так возникла на берегу Черного моря первая в мире гидрофизическая станция.

Она предназначена для непрерывного и углубленного изучения тех явлений, происходящих в море, которые лишь на короткий срок всплывают перед участником морской экспедиции и вслед за тем исчезают. Исследования этой станции не только дали новые сведения по физике моря, новое «научное сырье», но и создали новые методы мореведческой работы — экспедиционной и обсерваторской.

Методы, разработанные на станции, и приборы, сконструированные на ней, расселились по другим морям Союза, проникли далеко, стали применяться на острове Уединения, и на острове Врангеля, и на Северной Земле...

Справедливо будет сказать, что на многих своих участках физика моря — это наша национальная, советская наука.

Один из таких советских участков — учение о тепловом действии моря на материк.

Много лет в нашей стране исследовались тепловые явления в море: производился количественный учет тепла, посылаемого морю солнцем, тепла, расходуемого на испарение морской воды и на подогревание слоев воздуха над морем, температура которых, как правило, ниже температуры воды. Был изучен и тот тепловой изолятор, что покрывает зимой поверхность моря в холодных поясах земного шара, — морской лед, значительно уменьшающий потерю тепла в самые суровые месяцы года.

В результате оказалось возможным определить, сколько тепла ежедневно поступает в море сквозь каждый квадратный сантиметр его поверхности в теплую часть года и, напротив, сколько тепла ежедневно теряет море в холодное время года. Стало возможно судить о колебаниях теплового запаса моря. Он достигает наибольшей величины к концу лета и падает до минимума к концу зимы. При этом колебания теплового запаса удалось определить без снаряжения каких-либо специальных экспедиций для непрерывных промеров температуры воды. Непосредственные наблюдения температуры подтвердили выводы теории. Как известно, в продолжение года температура воды заметно колеблется лишь в поверхностных слоях, — например, в Черном море до глубины не больше 50—75 м. Следовательно, колебания теплового запаса моря летом и зимой скажутся на температуре именно этих поверхностных слоев. В таком случае. очень нетрудно определить колебания средней температуры поверхностного, «деятельного», пласта морской воды. Для этого нужно лишь найти разность между теплосодержанием моря в данный день и в самый холодный день года, а затем эту разность разделить на количество воды, содержащейся в столбе с основанием в один квадратный сантиметр и высотой в 75 м (соответственно толщине деятельного слоя). Теплоемкость морской воды можно для простоты принять за единицу (она мало от единицы отличается), и полученное частное покажет, на сколько градусов средняя температура деятельного слоя воды в данный день превышает среднюю температуру того же слоя в самый холодный день года.

Систематическое наблюдение за температурой морской воды покажет в недалеком будущем, насколько близки результаты подобных предвычислений средней температуры слоя к действительным средним температурам в том или ином году, в тот или иной день.

Если даже и возникнут некоторые заметные отклонения от теории, то даже приближенное предвычисление средних температур сыграет большую роль в практике кораблевождения в холодных, морях, где сроки замерзания и вскрытия тесно связаны с теплосодержанием воды, в практике морского зверобойного и рыбного промысла, также связанного с температурными условиями, наконец, в практике курортного строительства на морских побережьях.

*

Но тепловая жизнь моря не замыкается в его географических границах, — она невидимыми нитями связана с жизнью материков. Потепление или похолодание моря сказывается в районах материка, иногда очень удаленных от моря. Мощные тепловые потоки проносятся зимой с моря на холодный материк; напротив, летом солнце чрезвычайно сильно перегревало бы некоторые районы материка, если бы не струи прохладного морского воздуха, умеряющего летний зной.

Оказалось, что о подобных потоках воздуха с моря на материк можно судить по картам, давно применявшимся климатологами с описательными целями, по картам так называемых температурных изаномал.

Взгляните на одну из таких карт, построенную для февраля по данным тридцатилетних наблюдений в европейской и азиатской частях Союза ССР. Для каждой точки страны определено, на сколько градусов отличается здесь средняя температура воздуха в феврале от средней температуры во всех точках земного шара, лежащих на данной широте. Выяснилось, что, например, средняя температура в Москве на 2 градуса выше средней широтной, в Харькове — ниже на 1 градус, в Свердловске — ниже на 3 градуса и т. д. Точки, в которых подобные отклонения, или, как говорят, аномалии, оказались одинаковыми, были соединены между собой плавными кривыми, так называемыми изаномалами.

Эти линии — изаномалы — соединяют между собой пункты европейского и азиатского материков, в которых средняя температура февраля одинаково отклоняется от средней для данной широты. Чем ближе к берегам Атлантического океана, тем более превышает средняя температура местности среднеширотную температуру, наоборот, чем дальше в глубь материка, тем ниже температура по сравнению со средней для данной широты.

На карте видно, как на северо-западе тянутся изаномалы, — примерно параллельно берегам Атлантики. Это объясняется тем, что с Атлантического океана в феврале несутся мощные тепловые потоки, повышающие температуру воздуха тем больше, чем ближе к океану находится полоса материка. Небольшое количество тепла приносится и с Тихого океана, и с северных морей, омывающих Сибирь, и с Японского моря; но влияние этих потоков простирается лишь на ограниченные районы, непосредственно примыкающие к берегам. Теория, созданная на гидрофизической станции, показывает, что по частоте залегания изаномал на картах можно вычислить количество тепла, проносящегося в воздухе над каждым погонным сантиметром земной поверхности.

На основании этой теории была вычислена тепловая способность атлантического воздушного потока, проносящегося в направлении Архангельск—Якутия. В январе тепловой поток с Атлантики достигает наибольшей мощности: за этот месяц над каждым погонным сантиметром материка проносится 1 тыс. млрд. калорий тепла.

По мере проникновения в глубь материка поток, разумеется, постепенно расходует свое тепло, отдавая его на пути окружающим массам воздуха и отчасти излучая его в межпланетное пространство. Теория позволяет вычислить, сколько тепла достается каждому мысленно выделенному столбу воздуха на пути теплового потока. Такие теоретические вычисления, сделанные для северо-западной части нашей страны, показали, сколько калорий тепла получает от океана каждый столб воздуха, опирающийся на основание площадью в 1 кв. см и простирающийся в вышину примерно на 2 км. Сравнивая выводы этих вычислений с данными Слуцкого актинометрического института, показывающими, сколько калорий за тот или иной месяц дает солнце каждому квадратному сантиметру земной поверхности, увидим, что атлантический тепловой поток в январе оставляет в каждом столбе воздуха столько тепла, сколько за июль дает солнце квадратному сантиметру земной поверхности.

Становится понятно огромное значение океана в создании климата различных областей нашей страны. Особенно велико оно на северо-западе, севере и западе. Теперь впервые удалось измерить мощные тепловые потоки с океана. Именно благодаря им средняя температура января на Мурмане составляет около —10°С, тогда как в Верхоянске, расположенном даже южнее Мурманска, средняя температура января падает до —49°. Вот что значит продвинуться в глубь материка от теплых вод Атлантики!

Несравненно меньше сказывается на температуре продвижение вдоль меридиана, с юга на север. Так, средняя температура января в Ялте лишь на 14° превышает мурманскую несмотря на то, что Мурманск лежит на целых 25° севернее Ялты.

Вполне естественно, что климат нашей страны, столь тесно связанный с тепловыми потоками атлантического происхождения, должен реагировать на все периодические и непериодические изменения режима Атлантики и, в частности, на изменения режима теплых атлантических течений. Так оно и есть на самом деле. Например, в 1932 г. из-за резкого потепления атлантических вод, отмеченного всеми морскими экспедициями, мощность возникших над Атлантикой тепловых потоков повысилась на 23% и на столько же увеличилось количество тепла, отдаваемого этими потоками каждому столбу воздуха.

Напрашивается естественный вывод: надо научиться внимательно следить за режимом теплых атлантических течений, уловить ритм их колебаний и причины, порождающие эти колебания, тогда возможно будет заранее предсказать готовящиеся над океаном изменения климата нашей обширной страны.

*

Автору этих строк довелось провести в этом направлении новые исследования на гидрофизической станции и в геофизическом отделе Института географии Академии наук СССР. Оказывается, что с достаточной для практических целей точностью можно построить теорию воздушных потоков, возникающих между морем и материком под действием разности давлений воздуха над ними: зимой —- холодного воздуха над материком и несравненно более теплого над морем; или летом — жаркого воздуха над материком и относительно прохладного над морем. Совершенно теми же причинами обусловлены мощные воздушные течения, давным-давно наблюдающиеся в жарких странах, так называемые муссоны. Где-нибудь у берегов Индийского океана наибольшее значение имеет летний муссон, вызываемый сильным перегревом материка по сравнению с морем. Для нашей страны, для ее необъятных северных границ наиболее важен зимний муссон, вызванный сильным переохлаждением материка по сравнению с морем.

Представим себе море круглой формы, обрамленное со всех сторон холодным материком. Как будут здесь двигаться воздушные потоки? Следует отметить, что частицы воздуха будут двигаться по очень сложным путям. Но мы не будем здесь вдаваться в подробности и проследим лишь за их движениями в радиальном направлении и в направлении вертикальном, т. е. в направлениях к центру моря, от центра моря, вверх и вниз.

Исследование показывает, что холодный воздух с материка должен двигаться к центру моря, проносясь в нижнем ярусе муссонного потока. Высота нижнего яруса равна примерно 300 м. Нагревшись над морем, воздух сперва поднимается вверх, а затем устремляется прочь от моря, перемещаясь в верхнем ярусе муссонного потока. Исследование также показывает, что верхняя граница муссона лежит примерно на двухкилометровой высоте. Замечательно, что к той же цифре приводят и некоторые данные непосредственных аэрологических измерений на наших полярных станциях, например на острове Диксон, и зарубежные исследования в тропиках, в частности на побережье Индийского океана. В отличие от нижнего яруса толщина верхнего яруса изменяется а соответствии признанной теории и по непосредственным измерениям она равна 1700 м.

Также совпадают с данными непосредственных наблюдений теоретические величины скорости муссонных ветров, температуры на различных высотах над уровнем моря, средние температуры воздуха в муссонном слое на различных расстояниях от центра моря и т. д.

Рассматривая движение воздуха, его нагревание над морем и охлаждение над материком, можно еще одним способом вычислить количество тепла, приносимого муссонными потоками с моря на материк. Оказывается, что над каждым погонным сантиметром морской границы муссон должен перенести за холодный зимний месяц количество тепла, равное 10⁻¹² калорий. С этой цифрой мы уже встречались: она была вычислена совершенно иным способом. Следовательно, оба способа вычисления правильны. Оба звена теории взаимодействия моря и материка поддерживают друг друга.

Но ведь основы этой теории построены в предположении, что море обладает круглой формой, а материк простирается вокруг него на неограниченное расстояние во все стороны. Правда, оказывается, что выводы остаются в силе и для круглого материка, обрамленного океаном, и для береговой полосы, примыкающей к таким морям, как полярные (и в последнем случае теория оказывается применимой с достаточной для практики точностью). Но как же изменится вся картина, если море, заключенное в рамку материка, или материк, лежащий среди океана, будут по своим очертаниям резко отличаться от круга?

Не останавливаясь подробно на этом важном вопросе, приведем лишь одну диаграмму, построенную для наиболее типичного в данном отношении материка — для Южной Америки. Обратимся к чертежу, воспроизводящему эту диаграмму. Кривые, окружающие материк, — это линии, соединяющие точки, в которых сила, плотность воздушного потока, одинаково велика. Их можно сравнить с так называемыми «эквипотенциальными» линиями, линиями, соединяющими точки равновеликих потенциалов электрического тока. Кривые на нашем чертеже представляют собой эквипотенциальные линии того динамического поля, которое муссонные ветры образуют вокруг южноамериканского материка. Чем теснее прилегают к материку или одна к другой эти линии, тем более сильных муссонных ветров мы должны ожидать в соответствующем районе.

Воздушные потоки вокруг южноамериканского материка. Кривые соединяют точки, в которых сила воздушного потока одинаково велика.

Эквипотенциальные линии резко сгущаются около Огненной Земли, по соседству с мысом Горн. При всех прочих равных условиях мы должны были бы ожидать в этом районе ветров раз в двадцать более сильных, чем, например, в районе чилийских портов Арика и Антофогаста, лежащих в «углублении» западного берега.

И действительно, мыс Горн славится своими штормами, свирепствующими и зимой, и летом.

С грозными для мореплавателей ветрами мыса Горн может соперничать только район Филиппинских островов, известный своими тайфунами, чудовищными штормами, во время которых воздух вращается с громадной скоростью, и вся вращающаяся система перемещается из одного района в другой. Совершенно несомненно, что происхождение тайфунов также непосредственно связано с очертаниями границ между океаном и материком: и вытянувшийся меч Малаккского полуострова, оканчивающийся Сингапуром, и резко выраженные цепи островов, примыкающие к громадному материку Азии, — все они создают, несомненно, исключительное сгущение эквипотенциальных линий. Это и приводит к ярко выраженному скольжению воздушных масс, движущихся одна относительно другой. На границах между такими массами возникают могучие вихри, тайфуны, несущие в себе гибель и разрушение...

Как видим, советская физика моря не только позволила проанализировать происхождение климата нашей родины, но исследует страны, весьма отдаленные.

*

И не только изучению климата служат гидрофизические исследования. Известно, что далеко не всякое судно в море и далеко не всегда может вовремя получить по радио извещение о надвигающемся шторме. Наиболее заинтересованные в этом малые рыбачьи и пассажирские суденышки, если даже они и оборудованы радиостанцией, не могут все же организовать у себя на борту круглосуточную непрерывную вахту радистов. Кроме того, в большом море шторм может надвигаться из района, который не находится под наблюдением какой-либо станции, а может быть, и вообще безлюден.

Вот почему, помимо радио, было бы важно оборудовать, по крайней мере малые, суда другими приемниками, автоматически сигнализирующими о шторме, надвигающемся из какого-либо района.

Построить такие автоматические штормовые предостерегатели возможно.

На гидрофизической станции автор этих строк открыл своеобразное явление, которое он назвал «голосом моря». Оказалось, что штормовой ветер, налетая попеременно то на вершины, то на впадины морских волн, вызывает в атмосфере над морем целый хор неслышных инфразвуков, частота которых значительно ниже той, какую способно воспринимать человеческое ухо. Звуки эти по крайней мере на октаву ниже самой низкой ноты контрабаса. Теоретически удалось показать, что мощность голоса моря должна возрастать пропорционально четвертой степени скорости ветра. С другой стороны, скорость распространения инфразвуковых волн такова же, как и скорость звука (около 340 м/сек), а ослабление их на пути в атмосфере должно быть значительно меньшим, чем у слышимых звуковых волн. Шторм, возникший в каком-либо районе моря, задолго до своего прихода и на далекие расстояния известил бы о себе мореплавателей, если бы они располагали приборами, откликающимися на голос моря. В настоящее время один из сотрудников гидрофизической станции, С. В. Доброклонский, сконструировал такие приборы — резонаторы, позволяющие не только уловить штормовые сигналы, но и измерить их мощность. Остается лишь усовершенствовать эти приборы, чтобы сделать их удобными для практического применения на корабле (в нынешнем виде они еще громоздки и малочувствительны).

Интересна и другая работа гидрофизической станции.

С давних пор в морской практике применялось любопытное средство для гашения крутой морской волны, угрожающей палубным надстройкам корабля или шлюпкам, спускаемым на воду в свежую погоду. Маслянистой жидкостью либо смачивали пеньку, свисающую с борта, либо прямо выливали такую жидкость на поверхность моря. Но самое маслянистое вещество выбирали обычно наугад. Известно было только, что животные жиры действуют лучше растительных и что минеральные масла, родственные нефти, либо совсем не действуют, либо действуют очень слабо. Совершенно очевидно, — для того, чтобы правильно выбрать гасящее вещество, необходимо прежде всего узнать, почему именно маслянистая пленка способна гасить крутые мелкие волны.

На гидрофизической станции Н. Н. Иванов, проделав ряд остроумных опытов, выяснил причину такого действия маслянистой пленки. Оказалось, что энергия волны поглощается молекулами самой пленки во время их перегруппировок, вызванных движением волны.

Когда под некоторым участком пленки проходит вершина волны, к ней устремляются молекулы поверхностного пленочного слоя. Молекулам делается «тесно» в этом слое, и они временно опускаются вниз, в следующие молекулярные слои. Напротив, в то время, как проходит подошва волны, в поверхностном слое происходит разрежение молекул, стремящихся уйти прочь в обе стороны от подошвы, поэтому в поверхностный слой начинают поступать «подкрепления» снизу.

Так блуждают частицы маслянистой пленки, когда под ними проходит волна. Однако блуждают они далеко не свободно: вследствие громоздкости и неповоротливости, свойственных молекулам жировых веществ (молекулам так называемых жирных кислот), все движения их сильно затруднены внутренней вязкостью пленки. На преодолевание этих внутренних сил, непрерывно тормозящих движение частиц, уходит очень большая энергия, отнимаемая у волны.

Вычисления, проделанные автором этой статьи на основании опытов т. Иванова, показали, что отнимаемая энергия значительно превосходит ту, которую волна получает от ветра. Итак, выходит, что борьба между ветром и пленкой неравная, потому-то пленка и гасит волну, вздымаемую ветром. Теория объяснила также, почему удается гасить лишь мелкие волны, волны с малым периодом. Гасящее действие оказалось обратно пропорциональным квадрату периода волны.

Измерив гасящее действие различных веществ, т. Иванов обнаружил, что гасящее действие возрастает вместе с увеличением размеров (а стало быть, с увеличением громоздкости, сложности) молекул жирных кислот — лишь до некоторого предела. Наилучшие результаты дали соединения пальмитиновой кислоты.

Следовательно, остается найти наиболее рациональный способ нанесения слоя, содержащего эти соединения. К сожалению, сама пальмитиновая кислота при обычных температурах воды находится в твердом состоянии, а ее калийная и натронная соли, представляющие собою мыло, быстро свертываются под действием морской воды. Над этим стоит потрудиться, так как гасящее действие пальмитатов несравненно сильнее, чем действие всех веществ, применяемых до сих пор в морской практике.

*

В этой статье невозможно было остановиться на всех областях физики моря, где советские исследователи проложили новые пути. Так, в стороне осталась, например, большая и многообещающая область — биологическая физика моря. На той же гидрофизической станции удалось разработать законченную теорию движения рыб, наметить основы теории движения дельфинов и некоторых других водных млекопитающих. Изучены некоторые особенности цветного зрения рыб, позволяющие им искусно маскироваться применительно к окружающему фону. Найдены любопытные особенности окраски глубоководных животных и растений.

Первая в мире советская гидрофизическая станция создала новые, молодые кадры исследователей и продолжает растить еще более молодых. Широкий путь открывает перед ними физика моря: им предстоит работать, чтобы сделать безопасным наш морской транспорт, чтобы добиться возможности на долгий срок предсказывать изменения климата нашей страны, чтобы рационализировать морское рыболовство, чтобы укрепить нашу морскую оборону.