Текст книги "Свет в море"

Автор книги: Виталий Войтов

Соавторы: Олег Копелевич,Юлен Очаковский
сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 11 страниц)

Телерепортаж со дна океана

Все те проблемы, о которых говорилось выше, сохраняют свое значение и для подводного телевидения. Преломление световых лучей при прохождении через иллюминатор передающей камеры, сильное ослабление водой видимой яркости предметов, размытие их контраста световой дымкой, созданной рассеянным светом, низкие освещенности – все эти трудности неизбежно встают и перед специалистами подводного телевидения.

Возникнув три десятилетия назад, подводное телевидение в настоящее время широко применяется во многих странах для различных морских исследований. Тем не менее подводное телевидение, безусловно, уступает фото-и киносъемке под водой; во-первых, в передаче цвета, а во-вторых, в диапазоне глубин, доступных для наблюдений. Если цветные фотографии глубоководных морских обитателей стали уже обычным явлением, то цветное телевидение делает пока лишь первые шаги под водой, и только в последнее время появились сведения о применении телевидения для передачи видов подводного ландшафта. Значительно проигрывает телевидение и в максимальной глубине погружения: в то время как фотокамеры уже достигли в океане предельных глубин, телевизионная аппаратура лишь недавно перешагнула километровый глубинный рубеж. В чем же причина подобного отставания? Дело в том, что для непрерывной передачи изображения нужен канал связи, а единственным каналом связи в подводном телевидении в настоящее время является кабель. Использование радиоволн сантиметрового и метрового диапазона, на которых работает обычное телевидение, в воде невозможно из-за громадного затухания. Например, радиоволны частотой 50 мгц ослабляются примерно в 10 000 раз слоем воды толщиной 1 м. Радиопередатчик, работающий на этой частоте, не слышно на поверхности уже с глубины нескольких метров. Передача изображения осуществима на более длинных радиоволнах, так как показатель ослаблений уменьшается прямо пропорционально частоте. Например, радиоволны частотой 5 кгц (т. е. с частотой в 10 000 раз большей, чем в вышеприведенном примере) ослабятся в 10 000 раз лишь 10-километровым слоем воды, т. е. их можно принимать, даже с предельных океанских глубин[32]32
  Ослабление направленного радиоизлучения в воде происходит по тому же закону, что и светового потока: I_z = I₀ ∙ 10^-γz, где γ показатель ослабления.


[Закрыть]. Однако при такой низкой частоте сохранить нормальное число кадров, передаваемых в секунду, уже нельзя: от непрерывной передачи изображения придется перейти к передаче как бы отдельных, мгновенных фотографий наблюдаемого объекта. Само излучение таких радиоволн – весьма сложная задача: ведь размеры передающей антенны должны быть сравнимы с длиной волны, которая для волн столь низкой частоты даже в воде (где длина волны, примерно в 9 раз меньше, чем в воздухе) составляет несколько километров. Единственная надежда обойти возникшие трудности – применить в качестве волновода трос, на котором опускается в море передающая камера. Его можно было бы использовать и для другого вида бескабельной передачи – ультразвуковых колебаний.

Рис. 65. Подводный «телеробот» – камера ИОАН-5 с «механической рукой», смонтированной на ее кожухе

Высокая стоимость кабеля, сложность его транспортировки, необходимость оборудования судна специальными мощными лебедками для спуска и подъема резко ограничивает глубинные возможности телевидения. Только бескабельная связь позволит подводному телевидению стать таким же общепризнанным средством исследования океана, каким является подводное фотографирование и киносъемка. А ведь потенциальные возможности подводного телевидения гораздо выше, чем у подводной фото-или киносъемки. Это касается хотя бы дальности видения. Порог контрастной чувствительности у современных подводных телеустановок примерно такого же порядка, что и у человеческого глаза. Расчеты американского исследователя Г. Робертса указывают на возможность создания телевизионной системы, имеющей порог контрастной чувствительности примерно на три порядка ниже. Средства современной электроники позволяют во многих случаях избавляться от возникающих оптических искажений. Изменяя определенным образом форму токов (или напряжений) развертки, можно получить такие геометрические искажения растра, которые частично или полностью компенсируют оптические искажения изображений, даваемых широкоугольными объективами. Специальные электронные устройства – контрасторы – частично компенсируют затухание контраста, ослабевающего в воде. Наибольшая дальность видения под водой при помощи телевизионной аппаратуры, полученная американским ученым Стемпом, уже достигла 45 м.

Но главное преимущество подводного телевидения перед фото– и киносъемкой – это, конечно, возможность непрерывного наблюдения под водой. Современный этап развития подводного телевидения начался в 1947 г., когда американские специалисты установили передающую камеру на палубе подводной лодки, чтобы изучить под водой результаты взрыва при испытании атомной бомбы у атолла Бикини. В настоящее время подводное телевидение широко применяется и в рыбном хозяйстве, и для подводных археологических исследований, и при аварийно-спасательных и ремонтных работах под водой. Подводная телеустановка позволяет наблюдать за работающими водолазами и давать им необходимые указания. Приспособив на передающей камере специальный манипулятор с дистанционным управлением, во многих случаях можно обойтись и без участия водолазов. Сейчас уже существуют «механические руки», способные выполнять под водой простейшие операции: ловить мелких животных, находящихся в поле зрения передающей камеры, брать образцы донной растительности, поднимать со дна различные предметы (рис. 65).

Одна из таких первых отечественных установок – ИОАН-3, разработанная Н. В. Вершинским и В. И. Маракуевым, помогла исследовать затонувший корабль «Десна». Современный французский телеводолаз-нефтяник «Теленавт» уже «научился» завертывать гайки и помимо телепередатчика обладает еще и кинокамерой. Недалеко то время, когда подводные телероботы, повинуясь воле человека, будут выполнять самые различные его задания на любых океанских глубинах.

Свет и жизнь в море

Свет оказывает решающее влияние на развитие жизни в океане. Освещенность толщи океанской воды солнечным светом имеет огромное значение для различных биологических явлений. Так, в процессе фотосинтеза энергия солнечного света участвует в преобразовании неорганических веществ в органические.

Изменение интенсивности освещения в течение суток вызывает суточную вертикальную миграцию планктона. Изменение с глубиной количества и спектрального состава света сказывается на окраске водорослей и животных.

Особая, во многом еще загадочная роль в биологических ритмах принадлежит лунному свету.

Естественный свет, непосредственно влияя на зрение морских организмов, позволяет им ориентироваться в пространстве. Еще не ясно, до каких глубин морские животные и рыбы вообще могут воспринимать свет. Американский биофизик Кларк предполагает, что для многих рыб глубина 750 м предельная, а его коллега Уотерман подтвердил эту границу для ракообразных до 1500 м.

В темных глубинах океана, где роль теплого животворящего солнечного света ничтожна, господствует холодный свет моря – биолюминесценция, свечение морских организмов. Вместе с тем известно и об отрицательном воздействии света. У некоторых организмов при ярком освещении, например, резко расстраивается дыхание. Многие животные активную жизнь ведут в темноте, прячась в светлое время суток. Одним словом, роль света в жизни океана огромна.

СО₂ + Н₂О + свет = жизнь

Солнечный свет, пронизывающий толщу моря, приводит в действие, пожалуй, самый удивительный и совершенный механизм в природе – механизм преобразования неорганических веществ (углекислого газа и воды) в органическое соединение – углевод. Этот процесс, при котором растение, используя свет в качестве энергии для осуществления синтеза различных веществ в клетке, вступает в окислительно-восстановительную реакцию с CO₂ и Н₂O, был назван фотосинтезом.

Суммарный конечный результат его можно представить следующим уравнением:

В результате этой реакции возникают углеводы, обеспечивающие рост растений, а в окружающую среду выделяется свободный кислород.

В морях и океанах обитают многочисленные водоросли, способные к фотосинтезу. Некоторые, наиболее крупные из них, ведут оседлый образ жизни в прибрежной полосе океана. Но основную массу морских растений составляют не эти донные водоросли. Главный поставщик пищи в море – планктонные водоросли, мельчайшие одноклеточные (или колониальные) растения, проводящие всю свою жизнь в толще воды. Их морфологическое строение и удельный вес, близкий к удельному весу морской воды, позволяют им «парить» в море. Нуждаясь в свете, они обитают только в тонком поверхностном слое, до глубины 100, реже 200 м, где достаточно лучистой энергии для поддержания фотосинтеза. Образную картину процесса фотосинтеза, рисующую его исключительную важность для всего живого, дал великий русский ученый К. А. Тимирязев: «Когда-то, где-то на землю упал луч Солнца, но он упал не на бесплодную почву, он упал на зеленую былинку пшеничного ростка, или, лучше сказать, на хлорофилловое зерно. Ударяясь о него, он потух, перестал быть светом, но не исчез. Он только затратился на внутреннюю работу, он рассек, разорвал связь между частицами углерода и кислорода, соединенными в углекислоте. Освобожденный углерод, соединяясь с водой, образовал крахмал. Этот крахмал, превратясь в растворимый сахар, после долгих странствий по растению отложился, наконец, в зерне в виде крахмала, или в виде клейковины. В той или другой форме он вошел в состав хлеба, который послужил нам пищей. Он преобразился в наши мускулы, в наши нервы»[33]33
  К. А. Тимирязев. Солнце, жизнь и хлорофилл, т. 1. М., Сельхозгиз, 1948.


[Закрыть].

Естественно, что в процессе дальнейших исследований механизм фотосинтеза был уточнен. Так, было доказано, что солнечная энергия расходуется на разложение не углекислоты, а воды.

Что же происходит под воздействием света в водах Мирового океана?

Солнечная энергия, проникая в море, так же как и на суше, поглощается и используется растениями. За счет этой энергии происходит образование восстановленных органических соединений из окисленных неорганических. Энергия, накопленная в этих соединениях, покрывает все энергетические затраты организмов, населяющих море, во время их движения, размножения, биохимического обмена и т. п. Передача энергии, усвоенной растениями, происходит и когда одни организмы питаются другими.

Первоисточником пищи всех животных служат органические соединения, накопившиеся в теле водорослей в процессе фотосинтеза. Это накопление органических соединений, приводящее к росту водорослей, называют первичной продукцией океана.

В ходе процесса фотосинтеза в клетке происходит фотохимическое расщепление молекулы воды на ионы гидроксила и водорода. Водород присоединяется к углекислоте и образует углеводы. Затем клетка извлекает из воды азот, фосфор, калий, кальций, магний, серу и др. Образуются белки и другие биохимические соединения. Интересно отметить, что все процессы, кроме фотодиссоциации воды, темновые, т. е. не требуют дополнительного поглощения световой энергии. Продолжительность темновых реакций во много раз больше, чем световых. Суммарная скорость процесса первичной продукции в условиях достаточного снабжения биогенными элементами и хорошей освещенности в конечном счете определяется темновыми биохимическими реакциями.

Если света мало, фотохимические (световые) реакции оказываются определяющими, лимитирующими общую скорость фотосинтеза.

Поглощение солнечной энергии растениями осуществляется с помощью пигментов, т. е. каталитически активных окрашенных соединений, содержащихся в водорослях. Каждый из пигментов поглощает свет в определенных, характерных для него участках спектра.

Основным из них является хлорофилл a, который есть у всех без исключения фотосинтезирующих растений. Молекулы хлорофилла – отличные «ловушки» для солнечного света. Но главная их функция – фотодиссоциация молекулы воды. Наиболее ярко выраженные максимумы поглощения хлорофилла a находятся в участках спектра 420–430 и 670–680 нм. Однако эти области излучения значительно поглощаются морокой водой, и поэтому у водорослей имеется сложная пигментная система, восприимчивая к излучению и в других участках видимого спектра. Дополнительные пигменты поглощают энергию в участках спектра, недоступных хлорофиллу а, и передают ему эту энергию. От набора пигментов данной водоросли зависит ее окраска. Окраска водорослей – наследственный признак и способствует их расселению на определенных глубинах.

Важным свойством пигментной системы является ее способность к хроматической адаптации, т. е. способность быстро изменяться и приходить в соответствие с суточными и вертикальными изменениями спектрального состава проникающего в воду света.

В процессе фотосинтеза морского фитопланктона используется лишь очень незначительная доля световой энергии, падающей на поверхность Мирового океана, – в среднем 0,04 % от проникшей в воду. В наиболее продуктивных районах моря эффективность фотосинтеза достигает примерно 0,35 %, а в бедных жизнью она составляет всего 0,02 %. Остальная солнечная радиация поглощается водной толщей.

Как мы знаем, освещенность с глубиной убывает по показательному закону. Тот же характер носит ослабление с глубиной интенсивности фотосинтеза. Происходит это до тех горизонтов, где световые реакции фотосинтеза уже начинают лимитировать его скорость. В подповерхностных же слоях моря, наоборот, избыток света подавляет фотосинтетический процесс. Исключение составляют лишь приполярные районы, где на поверхность моря падает количество световой энергии, которого недостаточно для подавления фотосинтеза.

Оптимальное для фотосинтеза значение световой энергии для различных биогеографических областей неодинаково: для тропической зоны это 60–85 кал/см², для умеренных широт – 15–20 кал/см² в день. Минимальная интенсивность освещения, при которой вообще возможен фотосинтез, очень невысока. Многие виды глубоководных морских водорослей развиваются в условиях, где освещенность составляет 10^-5—10^-7 от количества солнечного света, падающего на морскую поверхность, что по интенсивности близко к освещенности, создаваемой лунным светом.

Таким образом, интенсивность световой энергии на различных глубинах моря, ее суточные и сезонные изменения имеют большое значение для первичной продукции вод океанов и морей.

Важной величиной, характеризующей эффективность превращения световой энергии в химическую, является квантовый выход фотосинтеза φ, который можно оценить числом молекул синтезированного углерода при поглощении одного кванта света, т. е.

Квантовый выход фотосинтеза меньше единицы, поэтому удобнее пользоваться обратной величиной (1/φ = n), называемой квантовым расходом и показывающей, сколько квантов света затрачено на синтезирование одной молекулы углерода C₆H₁₂O₆– гексозы.

Из графика на рис. 66 видно, что квантовый выход фотосинтеза неодинаков на всем участке видимого спектра. В наиболее благоприятных условиях он не превышает 0,12, т. е. необходимо примерно 8 квантов света (n = 1/0,12) для синтезирования одной молекулы гексозы. Но величина эта непостоянна и колеблется в довольно широких пределах, определяемых целым комплексом условий, в которых протекает процесс фотосинтеза.

При менее благоприятных условиях, чем во время проведения опытов (недостаток элементов питания, света и т. п.), квантовый выход падает.

Рис. 66. Спектральная зависимость квантового выхода фотосинтеза

Вообще говоря, выяснить зависимость первичной продукции в океанах от условий подводной освещенности – задача исключительной трудности.

Есть еще очень много неясного в сложнейшем процессе воздействия лучистой энергии на морской фитопланктон. Какова реакция живой клетки водорослей на излучение различных длин волн, как происходит адаптация пигментной системы в зависимости от условий освещения и т. п. – все эти вопросы относятся главным образом к сфере деятельности ученых, изучающих физиологию растений. Гидрооптике как одной из отраслей физической океанологии в комплексе этих проблем отводится несколько особая роль.

В исследовании световой энергии, распространяющейся в море, и ее влияния на фотосинтез морских водорослей есть один весьма важный аспект.

Дело в том, что производство гидрооптических измерений, сопутствующее биологическим исследованиям, ведется практически на всей обширной акватории Мирового океана учеными разных стран.

В своих исследованиях они применяют измерители энергии самых разнообразных конструкций и используют различные методы для расчетов как суммарной энергии, так и ее спектрального состава. В результате полученные данные практически мало сопоставимы друг с другом, а это в свою очередь мешает ученым получить реальную картину зависимости процесса первичной продукции от условий освещенности в масштабах всего океана.

Необходимость унифицировать проведение световых измерений в море привела к созданию по инициативе ЮНЕСКО, Научного комитета по океанографическим исследованиям (СКОР) и Международной ассоциации физической океанографии (МАФО) Рабочей группы по фотосинтетической радиации в море. В ее состав вошли специалисты по первичной продукции Г. Джиттс (Австралия), Е. Стимен-Нильсен (Дания), Ю. Сайджо (Япония), Дж. Стил (Шотландия) и по оптике моря Н. Ерлов (Швеция), А. А. Иванов (Франция), Ю. Е. Очаковский (СССР) и Дж. Тайлер (США).

Эта группа должна решить два основных вопроса: во-первых, какие измерения световой энергии в море надо проводить, чтобы установить закономерности, существующие между процессом фотосинтеза и светом в море, и, во-вторых, какая аппаратура способна обеспечить нужную точность и сопоставимость измерений.

В октябре 1964 г. в Москве состоялось первое совещание. Естественно, рассматриваемые Вопросы вызвали довольно бурную дискуссию.

Председатель группы Дж. Тайлер высказал предположение, что в основу искомого прибора должен быть положен приемник излучения, обладающий спектральной чувствительностью, такой же как спектральная чувствительность живой клетки фитопланктона.

Его точка зрения была принята буквально в штыки биологами. Они заявили, что создание прибора на этом принципе невозможно по многим причинам. Первая и основная: видовое разнообразие планктонных организмов столь велико и их спектральная чувствительность к излучению настолько различна, что подобрать какую-либо одну, осредненную кривую, удовлетворительную для всех случаев, просто не реально. Кроме того, реакция планктона на свет не остается постоянной, так как он обладает способностью к световой и хроматической адаптации, причем надо еще учитывать инерционный характер этих приспособительных процессов.

После длительного обсуждения было принято решение, обязывающее гидрооптиков разработать конструкцию такого прибора, который позволял бы с точностью до 10 % измерять суммарную лучистую энергию, распространяющуюся от поверхности моря к его глубинам в диапазоне 350–700 нм. Такой измеритель должен быть прост в обращении и доступен в массовых исследованиях. Кроме датчика, погружаемого в море, прибор необходимо снабдить аналогичным приемником излучения для измерения радиации в палубных инкубаторах, где имитируются условия освещения на различных глубинах.

Кроме того, прибор, который предстояло создать, должен обладать способностью суммировать энергию за время экспозиции склянок с пробами. Задача не из легких. Но, пожалуй, самое трудное – это добиться, чтобы приемник излучения прибора был неселективным в пределах 350–700 нм и не реагировал на излучение вне этого диапазона, т. е., чтобы он измерял лучистую энергию, проникающую в море, именно в данном участке спектра.

Прежде чем окончательно решить вопрос о создании нового прибора, надо было проверить, нельзя ли использовать уже существующую аппаратуру для непосредственных измерений энергии, а также один из косвенных методов расчета ее значений – оптическую классификацию вод, предложенную Ерловым.

Действительно, если известна закономерность, с которой в данных водах происходит ослабление лучистой энергии в различных участках спектра, то достаточно измерить энергию, падающую на поверхность моря, и ее ослабление в воде в одном узком участке спектра, с тем чтобы, используя кривые Ерлова, рассчитать суммарную энергию на требуемой глубине.

Для этих целей надо установить на палубе пиранометр стандартного типа, а для измерения показателя вертикального ослабления воспользоваться примитивным фотометром с селеновым фотоэлементом, перекрытом узкополосным цветным светофильтром.

В лаборатории гидрооптики ИОАН были проведены методические исследования, которые показали, что в прозрачных водах открытого моря метод оптической классификации вполне применим, но его точность несколько снижается в более мутных прибрежных водах.

И вот прошло четыре года. В мае 1968 г. гидрооптики, члены Рабочей группы, встретились в Сан-Диего (США), чтобы сопоставить различные приборы для измерения фотосинтетически активной радиации (ФАР) в море. Одновременно австралийский гидробиолог Джиттс измерял первичную продукцию, использовав палубный инкубатор своей конструкции.

Испытания проводились в Калифорнийском заливе; штилевая погода, отсутствие облачности и большие высоты Солнца создавали хорошие условия для работы.

Измерения велись различными по конструкции и принципу действия приборами.

Американские ученые Тайлер и Смит измеряли и спектральное распределение энергии на различных глубинах с помощью погружаемого в море спектрорадиометра. Этот прибор позволял получать спектральные кривые большой точности, так как его разрешающая способность была всего 5 ям. Аналогичный прибор использовали и французские гидрооптики Иванов и Боэр. Кроме того, они испытали подводный пиранометр повышенной чувствительности и измеритель облученности в узком участке спектра. Советские специалисты Очаковский и Сусляев использовали подводный пиранометр, измеритель облученности в узком участке спектра и прибор ВАРИПО.

Особый интерес вызвал измеритель Ерлова, названный им квантометром. Приемником здесь служит селеновый фотоэлемент, различные участки поверхности которого перекрыты разными цветными светофильтрами. Такая конструкция, по мнению Ерлова, делает приемник излучения неселективным в диапазоне ФАР. К сожалению Ерлов не смог принять участие в испытаниях, и с этим прибором работали его коллеги К. Ньюгард и Г. Кулленберг.

Сейчас, когда полученные материалы еще находятся в стадии обработки, трудно судить о достигнутых результатах. Но очевидно, что это только один из первых шагов в поисках оптимального варианта прибора для световых измерений, которые так необходимы морским биологам.

Интересную аппаратуру для изучения фотосинтетически активной радиации сконструировал польский ученый Ежи Дера. Его установка, плавая в виде поплавка, суммирует количество энергии, падающей на поверхность моря в течение всего дня.

Надо помнить, что проблема «свет и фотосинтез» остается одной из важнейших проблем как оптики моря, так и морокой биологии. Океан – продовольственная кладовая будущего, и ее изобилие в первую очередь определяется первичной продукцией.

Недавно советские ученые О. И. Кобленц-Мишке, В. В. Волковинский и Ю. Г. Кабанова примерно оценили первичную продукцию Мирового океана. Оказалось, что в год морские водоросли переводят из неорганического состояния в органическое около 15–20 млрд. т углерода. Другими славами, водоросли за один год накапливают 600–800 млрд. т сырой биомассы.

При этом надо учесть, что биологические ресурсы моря пока не испытывают регулирующего влияния человека. В дальнейшем, когда люди научатся культивировать моря и океаны, их продуктивность, несомненно, еще больше возрастет.