Газы, растворенные в морской воде. Газы в морской воде оказывают существенное влияние на гидробиологические и химические процессы, на распространение звука в воде, а следовательно, на работу эхолотов и других гидроакустических приборов. От количества растворенных в воде газов (в первую очередь кислорода) зависит жизнь животных и растений. Поэтому их изучение и распределение имеют важное значение и для морского промысла.
Главным источником поступления газов в морскую воду является атмосфера. Поверхность Мирового океана соприкасается с атмосферой, и входящие в ее состав газы растворяются в воде. Растворимость газов в воде зависит от ее температуры, солености и давления газа. Она увеличивается с понижением температуры, уменьшением солености и повышением давления газа. В случае смеси растворимость газов зависит от давления каждого компонента.
Количество растворенных в воде отдельных газов может колебаться в больших пределах. Объясняется это тем, что содержание каждого газа в воде определяется не только его растворимостью, но и интенсивностью химических и биологических процессов в море и условиями вертикального перемешивания водных масс. Поэтому содержание некоторых газов, например кислорода, часто выражают не только в кубических сантиметрах на 1 л (абсолютное содержание), но и в процентах от его насыщающего количества, которое называется относительным содержанием данного растворенного газа в воде.
В летнее время в мелководных районах с богатой водной растительностью вода часто может быть перенасыщена кислородом до 180%. В Азовском море было отмечено даже 350% кислорода.
Иногда во время продолжительной штилевой погоды, когда волнение и перемешивание вод отсутствуют, содержание кислорода падает до нуля даже в верхних слоях. Это явление сопровождается так называемым «замором» рыбы. Оно нередко наблюдается в мелководных предустьевых районах, где на поверхности моря находится сильно распресненная вода.
Содержание растворенного в морской воде азота изменяется мало и не имеет таких резких колебаний, как содержание кислорода.
Сероводород образуется в морской воде в тех случаях, когда распространение кислорода на глубину с поверхностных слоев, где он накапливается, по каким-либо причинам затруднено. Тогда бактерии потребляют кислород, содержащийся в серных соединениях (сульфатах), и выделяют при этом ядовитый газ - сероводород.
В Черном море поверхностные воды с глубинными вертикально перемешиваются лишь до глубин 75 — 125 м. Ниже этого слоя количество кислорода быстро уменьшается и на глубине более 175 — 225 м совсем отсутствует. Начиная с глубины 100 — 150 м и до самого дна в воде присутствует сероводород, количество которого с глубиной увеличивается и достигает 6,5 см3/л.
Углекислый газ растворяется в воде в значительно больших количествах, чем кислород и азот. Он также вступает с ней в различные соединения.
Распределение растворенных газов в воде Мирового океана неодинаково как на поверхности, так и по глубинам. В полярных областях, где температура воды более низкая, их количество у поверхности значительно больше, чем в умеренных и особенно низких широтах. Например, количество кислорода в полярных поверхностных водах достигает 7 — 8 см3/л; по направлению к экватору уменьшается и в экваториальных широтах составляет всего около 6 см3 /л. По мере увеличения глубины содержание растворенного кислорода в океанах и морях в общем уменьшается.
Взвешенные вещества. В морской воде в большом количестве постоянно содержатся крупные частицы (видимые с помощью обыкновенного микроскопа), находящиеся во взвешенном состоянии — так называемые взвешенные вещества. Они бывают органического и неорганического происхождения.
Взвешенное в морской воде органическое вещество (детрит) — это продукты жизнедеятельности и разложения отмерших животных и растений. Взвешенные неорганические вещества образуются Б результате выноса береговым стоком в океаны и моря глинистых и других мелких минеральных частиц. Кроме того, на поверхность Мирового океана падает значительное количество мелкой пыли, заносимой с суши ветром, а также осаждается пыль из атмосферы. Кроме того, взвешенные частицы в морской воде образуются при размывании волнами и течениями берегов и дна в прибрежной зоне.
Взвешенные вещества в морской воде оказывают большое влияние на ряд физических явлений в океанах и морях, имеющих важное значение для мореплавания.
Образование на поверхности моря пены связано с присутствием в воде взвешенных веществ, так как опытами доказано, что чистые жидкости пены не образуют. Пена на поверхности моря образуется не только во время большого волнения, но также и на линии встречи вод различного происхождения, в особенности при соприкосновении речных вод с морскими.
Большое влияние взвешенные вещества оказывают на оптические свойства морской воды и льдов и на распространение звука в воде. От них зависит в большой мере цвет и прозрачность воды и льдов.
Акустические явления в море
Распространение звука в морской воде. Скорость звука зависит прежде всего от плотности морской воды, которая, в свою очередь, зависит от температуры (главным образом), солености воды и гидростатического давления (глубины), вследствие чего скорость звука в морской воде может колебаться от 1400 до 1550 м/сек.
Гидроакустические приборы, предназначенные для измерения глубин и расстояний до подводных объектов, основаны на принципе измерения времени, необходимого для прохождения звука от вибратора прибора до объекта и обратно. Скорость звука при этом принимается постоянной. Для отечественных эхолотов и гидролокаторов скорость звука в морской воде принимается постоянной, равной 1500 м/сек, и называется стандартной.
Отклонение стандартной скорости звука от фактической в районе плавания судна является основной причиной ошибок измерения глубин и расстояний гидроакустическими приборами. Очевидно, что при небольших глубинах и расстояниях этими ошибками можно пренебречь. Чтобы эти ошибки учесть и принимать в расчет фактическую скорость звука, необходимо стандартную скорость звука исправить поправками за температуру, соленость и глубину тех слоев воды, через которые проходит звук.
Например, для определения поправки глубин, измеренных эхолотом в данном пункте, необходимо на различных глубинах определить температуру и соленость морской воды. По этим данным вычислить фактическое значение скорости звука на горизонтах наблюдения температуры и солености, а затем получить среднее значение.
Рефракция звуковых лучей в море. Морская вода из-за неравномерного распределения температуры, солености и плотности является средой акустически неоднородной, поэтому в ней наблюдается искривление траектории звукового луча, называемое рефракцией. Лучи звуковых волн изгибаются в сторону более холодных слоев воды. Обычно температура верхних слоев воды изменяется в больших пределах до глубины 200 м. Следовательно, до этой глубины наблюдается и значительная рефракция звуковых лучей, оказывающая влияние на эффективность действия гидроакустических приборов.
В зависимости от наблюдаемого в море вертикального распределения скорости звука и характера изгиба звуковых лучей различают следующие типы рефракции. Положительная рефракция наблюдается, если скорость звука с глубиной возрастает, звуковые лучи при этом изгибаются вверх; отрицательная — если скорость звука с глубиной уменьшается, звуковые лучи изгибаются вниз. В тех случаях, когда скорость звука с глубиной не изменяется, траектория луча будет иметь прямую линию. В этом случае рефракция отсутствует.
Положительная рефракция обычно наблюдается зимой в морях средних и высоких широт, поверхностные слои воды сильно охлаждаются. Звуковые лучи при этом изгибаются к поверхности воды. Отражаясь от нее под разными углами, они вновь изгибаются в сторону холодных верхних слоев. Отсутствие рефракции и положительная рефракция благоприятствуют распространению звука в море.
Отрицательная рефракция обычно наблюдается летом, когда поверхностные слои нагреваются, а на глубине вода оказывается холоднее. Звуковые волны при этом изгибаются в глубину. Если в этом случае глубина моря не очень велика, они, достигая дна, сильно поглощаются грунтом. При большой глубине моря звук проходит в сторону дна и обратно значительные расстояния, затухая по пути. Поэтому дальность действия гидроакустических приборов при отрицательной рефракции значительно сокращается.
В неглубоких морях (до 30 — 40 м) под влиянием сильного ветра происходит интенсивное перемешивание верхних слоев с нижними, вследствие чего происходит выравнивание температуры воды до дна. Рефракции в таком случае может не быть.
Подводный звуковой канал. Подводным звуковым каналом (ПЗК) называется такой слой воды в океанах и морях, в пределах которого звуковые лучи, претерпевая многократное внутреннее отражение, распространяются на большие расстояния.
Как показали исследования, такое явление наблюдается в слое, где скорость звука минимальна. Этот слой всегда существует на той или иной глубине в зависимости от распределения температуры, солености и гидростатического давления. Звуковые лучи отклоняются в сторону минимальной скорости звука, поэтому, если поместить источник звука в слой, где скорость звука минимальна, траектория луча располагается выпуклостью в сторону слоев с большей скоростью звука и лучи концентрируются вблизи оси звукового канала.
На рис. 76 показан ход звуковых лучей в подводном звуковом канале. Здесь звуковые лучи 1, 2, 3, идущие от источника звука Л под небольшими углами к горизонту, при распространении изгибаются в сторону оси звукового канала, не выходя за его пределы; лучи 4, 5, 6, идущие под большими углами к горизонту, достигают дна и поверхности воды и, вследствие большого рассеяния, далеко не распространяются.
Исследования в Тихом и Атлантическом океанах показали, что взрывы бомб в ПЗК весом 225 г, 1,8 кг и 2,7 кг слышны на расстоянии 1500, 4250 и 5750 км.
Расположение оси ПЗК зависит от гидрологических условий и времени года. В Атлантическом и Тихом океанах ось ПЗК находится на глубинах 50 - 100 м в северной части и 500 - 1200 м - в южной. Иногда эта ось может выходить на поверхность - в прибрежных водах океана и северных районах.
Глубина расположения оси звукового канала определяется по специально составленным картам; если их нет, можно определить ее по данным гидрологических наблюдений.
Дата: 2019-12-10, просмотров: 652.