Способи вимірювання морських глибин
Протягом усього стародавнього періоду мореплавання питання про вимірювання глибин зводився виключно до промерам з метою убезпечити плавання біля берегів. Стародавній світ не володів ніякими досвідченими даними про дійсних глибинах морів і океанів далеко від берегів, і судження цього роду, що зустрічаються у вчених давнини, засновані були виключно на здогадках.
Перша спроба вимірювання океанської глибини, про яку до нас дійшли відомості, була зроблена Магелланом посеред Тихого океану і закінчилася невдачею - дна не дістали. Після цього пройшло ще близько 300 років (від початку XVI до початку XIX століття), перш ніж поновилися ці досліди. Навіть такі знамениті дослідники океанів, як, наприклад, Кук (1769-1778 рр.), Лаперуз (1785-1788 рр.), Або навіть на початку XIX століття Крузенштерн і Лисянський (Надія і Нева, 1803-1806 рр.), Фіцрой на кораблі Бігль, плавав з Ч. Дарвіном п'ять років (1831-1836 рр.), і вони не займалися зовсім питанням про глибини тієї стихії, по поверхні якої вони плавали. Справа вимірювання глибин продовжувало залишатися обмеженим тільки прямий і найближчій практичною метою - безпекою мореплавання поблизу берегів.
Протягом першої чверті XIX століття з'являються спроби, правда майже завжди безуспішні, виміряти глибини океану. Вони були зроблені американськими морськими офіцерами в Атлантичному океані. Так, наприклад, лейтенант Паркер на фрегаті Сполучених Штатів Congress проти берегів Бразилії витравив близько 15 250 м лотлінь і, по його думку, не дістав дна (хоча в дійсності глибини тут близько 5500-6500 м).
Причини невдач глибоководних промеров полягали в наступному. При вимірюванні невеликих прибережних глибин про момент досягнення лотом дна судять за двома ознаками: по удару його об дно, що передається руці лотів, і по звільненню останньої від вантажу лота наслідком чого буває уповільнення в висучіваніі лотлінь. Нарешті. коли лот знову обраний, то пристав до нижнього його кінця зразок грунту служить також доказом досягнення лотом дна.
Природно, що спочатку при вимірюванні океанських глибин був застосований той же спосіб, і знадобилося багато часу, поки зрозуміли, що він не може дати ніяких результатів, тому що в разі вимірювання океанської, т. Е. Дуже великої глибини, відсутні обидва звичайних ознаки досягнення лотом дна. Удар лота про дно при глибині 3000- 4000 м абсолютно не передається по тросової, що не натягнутому, линю наверх, а вага великої довжини витравленого лотлінь такий значний. що і після досягнення лотом дна лотлінь продовжує сукати за борт, на погляд з такою ж швидкістю, як і раніше. Недостатня фортеця лотлінь того часу не дозволяла піднімати лот, лотлінь звичайно 'при спробах вибирати його обривався, і тому остання ознака досягнення лотом дна - зразок грунту - також був відсутній.
Джемсу Кларку Россу, начальнику англійської антарктичної експедиції (1839-1841 рр.), Вдалося під час цього плавання знайти перший спосіб вимірювання океанських глибин, який дозволяв помічати момент досягнення лотом дна.
Виробляючи численні досліди вимірювання великих глибин. Д. К Росс помітив, що швидкості висучіванія лотлінь на початку і кінці вимірювання неоднакові, а саме: лотлінь від початку до певного моменту вимірювання збігає з в'юшки рівномірно-уповільнено, а потім настає момент, коли збігання лотлінь стає майже рівномірним. Росс пояснив це таким чином. У міру збігання лотлінь довжина його в воді збільшується, а отже, і тертя об воду стає більше, і хоча вага витравленої частини лотлінь теж збільшується, але гальмує зусилля води настільки велике, що падіння лота і лотлінь робиться рівномірно-уповільненим. Коли ж лот досягне дна і лотлінь починає лягати на дно, то довжина його до поверхні води залишається постійною, вага і тертя теж перестають змінюватися, і збігання лотлінь стає майже рівномірним, порушує тільки хитавицею судна, інерцією в'юшки і лотлінь.
Якщо на лотлінь покласти марки через однакові відстані, то. помічаючи по годинах проміжки їх збігу, неважко бачити, що 'спочатку ці проміжки будуть все збільшуватись, а потім стають майже рівними один одному, то трохи збільшуючись, то зменшуючись. Очевидно, та довжина лотлінь, біля якої проміжки його збігання почали робитися рівними один одному, і є шукана глибина.
Ознакою Росса для визначення моменту досягнення лотом дна користувалися протягом 30 років. За цей проміжок часу були введені різні удосконалення, але основний принцип залишався той же. Для того щоб краще, виразніше помітити момент досягнення дна, робили лотлінь можливо тонше і міцніше, старанно навивали його на в'юшку, дбали, щоб остання вільно оберталася на своїй осі. З іншого боку, вага лота збільшували, і таким шляхом досягали більш помітною і різкої зміни в характері ряду проміжків часу збігання сусідніх, однакових довжин лотлінь до торкання лотом дна і зараз же після того. З цілого ряду вимірювань були складені таблиці таких проміжків часу для певної товщини лотлінь і ваги лота. У всякому разі, все-таки багато чого залежало від досвіду і мистецтва спостерігача.
Однак підняти лот та дістати зразок грунту з океанської глибини не вдавалося, і при кожному вимірі доводилося втрачати лот і майже весь витравлений лотлінь.
У 1854 р мічман флоту Сполучених Штатів Брук запропонував новий лот з відокремлюється вантажем в момент дотику лота на дно. Таким чином, при виборі лотлінь йому доводилося витримувати тільки вага випущеної за борт довжини його і ще невелика вага залізної трубки, що зберігала зразок грунту дна.
Завдяки винаходу Брука і користуючись прийомом Росса, стало вперше можливим діставання зразків грунту дна, т. Е. Безсумнівного докази, що лот не пронесло, не кажучи вже про можливість вперше дослідити характер грунту дна океанів на великих глибинах. Ідея отделяющегося вантажу застосовується і у всіх сучасних лотах.
Технічно в первісному лоті ідея Брука була виконана таким чином. Легка залізна трубка забезпечувалася вгорі двома лапками, обертається на загальній осі. Верхні, більш довгі кінці лапок з'єднувалися коротким штерт, за який за допомогою особливого кільця брався лотлінь. Нижні, більш короткі кінці лапок служили для надягання на них петель від особливих штерт, протилежні кінці яких прикріплювалися до кільця, надягають на трубку знизу. Вантажем служило звичайне ядро, просвердлений по діаметру, підтримувати на вазі за допомогою кільця з двома штерт, петлі яких надягали на лапки. Таким чином, вся ця система висіла на лотлінь і йшла з ним на дно, поки трубка лота нижнім кінцем не впирається в дно. Від удару кінець трубки заглиблювався трохи в грунт, зразок якого і залишався в пучку гусячого пір'я, укріплених в нижньому кінці трубки. Тим часом лотлінь ще продовжував збігати з в'юшки, від чого у нього утворювалася слабина, лапки вгорі трубки, поступаючись тяжкості ядра, відгинають вниз, обидві петлі штерт стрибали з них, і ядро звільнялося. З цього моменту на лине залишалася висіти тільки трубка з зразком грунту, яку разом з лотлінь і піднімали на борт.
Лот Брука дав можливість застосовувати важкий вантаж при тонкому лотлінь, внаслідок чого стало легше помічати момент досягнення лотом дна за ознакою Росса, потім виходили зразки грунту, і, нарешті, зберігався лотлінь.
Скоро по винахід лота Брука він був застосований при промере лінії від Ірландії до Ньюфаундленду з метою з'ясувати рельєф дна для прокладки першого підводного телеграфного кабелю (американець лейт. Берріман на пароплаві Arctic в 1856 р); потім в 1859 р англієць кап. 2 рангу Дейман на судні Cyclops вдруге проміряв ту ж лінію і на судні Gorgon - лінію від Ньюфаундленду до Азорських островів і звідти до Ла-Маншу. Це були перші ґрунтовні та систематичні вимірювання океанських глибин, які дали можливість прокласти перші телеграфні кабелі і побудувати першу карту рельєфу дна Північного Атлантичного океану, складену лейтенантом Морі.
При наступних вимірах поступово видозмінювали початкове вельми простий пристрій лота Брука і в більшій частині лотів замінили ядро декількома плоскими чавунними гирями, що дозволяли навантажувати лот, дивлячись по глибині, і отримувати великі зразки грунту дна із забезпеченням, що їх при підніманні НЕ вимиє з трубки лота. З останньою метою внизу трубки робили або клапани або крани, закривають при проходженні чавунних гир через нижній кінець трубки.
Для того щоб отримати повне уявлення про вимірювання великих глибин за способом Росса, нижче наведений приклад, взятий з робіт англійською корветі Porcupine в 1869 р в Біскайській затоці. Лотлінь був тросовий, окружністю в 0,8 дюйма і витримував на розрив 1330 фунтів (українських), кожні 100 морських сажнів його важили близько 14 фунтів. Лот завантажувався 372 фунтами.
Лот йшов на дно 33 хв-35 сек. а піднімали його парової лебідкою 2 години 2 хв.
Сучасні способи та прилади для вимірювання глибин. Роботи на Porcupine майже закінчили собою перший період вимірювань глибин океанів за допомогою тросового лотлінь і ознаки Росса за зауваженням проміжків. На Challenger (1872-1876 рр.) В останній раз працювали тросовим лотлінь; одночасно відомим англійським фізиком Вільямом Томсоном (згодом лордом Кельвіном) був запропонований глибиномір, заснований на абсолютно нову ідею, який значно полегшив і зробив точніше проміри океанських глибин. Цей винахід, так само як і лот Брука, створила цілу епоху в справі дослідження підводного рельєфу, а отже, і взагалі в океанографії.
Головна ідея в глибиномір Томсона полягала в наступному. Перш лотлінь вільно травився з в'юшки, щоб не порушувати правильності зміни проміжків збігання однакових довжин лотлінь (що становило сутність способу Росса), Томсон же став гальмувати в'юшку і до того ж у будь-який момент вимірювання з таким зусиллям, яке дорівнювало вазі в воді тієї частини лотлінь, яка вже була витравлена за борт; т. е. гальмує зусилля в міру збільшення довжини лотлінь за бортом теж все збільшувалася і збільшувалася. Отже, обертання в'юшки обумовлювалося лише вагою лота, і коли останній сягав дна, то в'юшки сама собою зупинялася, тим самим вказуючи момент кінця вимірювання глибини. Таким чином, необхідність зауваження проміжків збігання лотлінь відпадала.
Важливе удосконалення, введене в справу вимірювання глибин Томсоном, складалося в заміні тросового лотлінь дротовим. Томсон застосував спершу фортепіанні струни, а потім стали навмисне для лотлінь виготовляти цинкованої дріт діаметром 0,7-0,9 ми, витримують на розрив 105-300 кг. Дротяний лотлінь має багато переваг; він займає дуже мало місця, на невелику в'юшку його можна навити 10 000 м, він не намокає і його не треба просушувати; він швидше йде на дно, мала вага його дозволяє швидко витягати назад, тим більше, що при цьому не доводиться піднімати воду, просочені тросовий лотлінь. Його менше вигинає при неминучому дрейфі корабля під час вимірювання глибини; при більш швидкому збігання лотлінь корабель менше зносить з місця дрейфом.
Так як не можна бути впевненим, що внаслідок інерції в'юшки все-таки не зробить кількох зайвих оборотів, то, щоб уникнути утворення кілочок на дроті, до її кінця прив'язують шматок троса метрів в 20, до якого вже і підвішують лот, а над ним два термометра і батометр для діставання зразка води.
Подальші удосконалення в способах вимірювання глибин і е самих глибиномір складалися в поліпшенні технічної частини приладів. Так, в сучасних глибиномір такого роду (їх три: Сігсбі - американський, Леблана-французький і Люкаса - англійська) акумулятор приймає на себе поштовхи від качки, введений в пристрій самого глибиноміра, лічильник віднесений на вісь тієї в'юшки, через яку біжить дріт лотлінь, і тому він дає не обороти в'юшки, а прямо глибині в метрах або морських сажнів. Головні в'юшки робляться міцні сталеві, так як їм доводиться витримувати величезний тиск дроту; все влаштовано більш обдумано і компактніше, чому і весь глибиномір набагато менше розміром, ніж були перші зразки.
За нуль відліку глибини приймають поверхню океану. Якщо під час проміру існує порядна брижі, то поверхня моря в залежності від положення корабля на гребені або біля підніжжя хвилі може коливатися метра на три по вертикалі і тим вносити таку ж помилку в відлік глибини.
Тільки в рідкісні безвітряну погоду і за умови відсутності течії на поверхні корабель стоїть нерухомо і лотлінь має в воді точно вертикальне положення. Зазвичай же він відхиляється більш-менш, і його лінія набуває вигляду кривої, схожою на параболу. Від цієї причини виникає помилка, завжди збільшує виміряну глибину проти дійсності.
Чим більше глибина, тим все причини, що впливають на точність проміру, стають більше, тому що тоді промір вимагає більше часу і корабель не зберігає свого місця.
Взагалі в звичайних умовах помилка проміру буває близько 3% виміряної глибини, т. Е. Тридцятий частка витравленої довжини лотлінь.
З метою вимірювання глибин за допомогою звуку застосовують два роду приладів. Одні виробляють звук, що володіє в секунду коливаннями від 50 до 20 000-такі звуки людське вухо може чути. Якщо ж прилад виробляє звуки з коливаннями понад 20 000 в секунду, то людське вухо їх уже не може відзначати. Такі коливання називаються надзвуковими.
Швидкість звуку в воді залежить від температури шару, проникає звуком, від її солоності (т. Е. По суті від щільності водного шару) і від стиснення шарів води з глибиною, крізь яку проходить звук.
По суті, існуючі прилади для визначення глибини по швидкості звуку розрізняються головним чином залежно від того характеру звукової хвилі, який вони виробляють, т. Е. Відчуваються вони людським вухом чи ні.
Звукова хвиля першого роду (незалежно від того, як вона проводиться, ударами молотка по ковадлу або вибухом динамітного патрона) завжди поширюється в воді шарообразно, причому центр кулі знаходиться в місці виробництва звуку.
Так як звукові хвилі однаково поширюються на всі боки від центру, то в разі, якщо дно моря має ухил, то звукова хвиля відіб'ється найближчій поверхнею.
При користуванні приладами, що роблять надзвукову хвилю, остання може бути спрямована перпендикулярно поверхні води і тоді вона дає саме бажаної глибину моря.
Обидва способи вимірювання глибин океану - і за допомогою дротяного лина, і по швидкості звукової хвилі - за потребою повинні вживатися спільно. Кожен раз, коли корабель робить океанографічну станцію, вона починається з вимірювання глибини в місці зупинки.
Звичайно, що передували визначення глибини звуковим лотом вже дали приблизну глибину місця корабля, але вимір глибини дротовим лотлінь дозволяє відразу отримати не тільки глибину, але і стовпчик ґрунту дна, температуру самого придонного шару води і зразок цієї води, і разом з тим одночасне визначення глибини звуковим лотом дає порівняння цих двох способів, а також способу визначення глибини за допомогою порівняння відліків захищеного і незахищеного від тиску води термометрів в придонному шарі. Все це тому, що для виробництва спостережень на різних глибинах все одно необхідно довгий час, отже, використання дротяного лотлінь для вимірювання глибини на станції вже не представляє значного подовження часу стоянки і в той же час дає дуже цінні дані про грунт дна і властивості придонного шару води.
У всякому разі перевагою звукового лота залишається надзвичайну зручність: всю роботу можна робити на ходу корабля і навіть як би само собою. Наприклад, протягом останніх років американські військові транспорти на шляхах зі Сполучених Штатів до Філіппінам, використовуючи самозапісивающій звуковий лот, попутно покрили всю північну частину Тихого океану (між Гаваями і алеутів) масою промірів, в загальному до 30 000, і тим самим обстежили попутно рельєф його дна, до тих пір дуже погано відомий.
Але для того щоб точніше обчислювати глибини, треба було в цій галузі зробити звичайними прийомами океанографічні дослідження, без яких швидкість звуку в цих місцях не була досить добре відома.
Отже, можна сказати, що для цілей гідрографічних звуковий лот має великі переваги; а для робіт океанографічних не можна обійтися без глибиномір з дротовим линем, без опускання приладів на різні проміжні глибини для визначення температури і солоності і, отже, необхідної для виконання таких вимог зупинки корабля на кілька годин.