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.