VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Тайны мирового океана: аппараты для исследования морских глубин
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение.
Планета, на которой мы живем, - Земля - похоже получила неправильное имя. Из космоса Земля кажется голубой, потому что более двух третей ее поверхности покрыто водой (океанами, морями, озерами, реками и др. водными объектами). Жизнь зародилась в воде, и хотя многие формы жизни обосновались на суше, большая часть все еще находится в своей колыбели - в море. На Земле насчитывают четыре океана: Тихий, Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый. Все океаны сообщаются между собой и образуют Мировой океан. Мировой океан был и остается одним из самых загадочных мест нашей планеты. Даже космос покорен человеком настолько, что там можно побывать в качестве туриста. Но мировой океан не спешит раскрывать своих тайн. Загадочные существа, сумевшие приспособиться к жизни глубине океана, поражают человеческое воображение (прил.1).
Цель работы – изучить тайны Мирового океана, а также историю возникновения и развития техники, помогающей изучать морские глубины.
Задачи:
Собрать сведения о тайнах и загадках Мирового океана.
Собрать сведения об аппаратах, изучающих подводный мир на разных глубинах.
Познакомиться с внешним видом этих аппаратов по картинкам и фотографиям.
Рассказать своим одноклассникам о технике, помогающей изучать подводный мир.
Гипотеза. Самое загадочное место на планете – это Мировой океан.
Актуальность. В течение многих столетий люди стремились исследовать подводный мир. Поэтому не случайно, что с каждым годом нам удается узнавать какие-то новые факты о Мировом океане. Существует специальная наука — океанология, специализирующаяся на исследованиях океана. И лишь с помощью новейшей техники можно постичь тайны морских глубин.
2. Интерес людей к изучению Мирового океана.
2.1. История.
Полтора века назад океанское дно представлялось исследователям как огромная равнина, на которой нет ничего. Некоторые даже полагали, что оно является неким порталом между нашим и другим миром, поэтому первые исследования океана пытались направить именно на его дно. Начались исследования подводного мира просто: любознательные пловцы набирали в легкие как можно больше воздуха и ныряли, стараясь опуститься по возможности глубже, но постоянно выныривали на поверхность, чтобы набрать воздуха. Так как воздушного запаса хватало лишь на полторы-две минуты, а предельная глубина погружения составляла не больше двух-трех метров.
Первое серьезное исследование было организовано в 1822-1826 годах британскими учеными. Судно под названием «Челленджер» с командой ученых отправилось в экспедицию с целью изучения океанских глубин (прил.2). Исследователи измеряли глубины с помощью свинцовых шаров весом около центнера. Но метод был далеко не совершенен: шар очень медленно отпускался и неточно определял глубину. В начале двадцатого века появились эхолоты. Это устройства, позволяющие измерять глубину с помощью звукового импульса, который отталкивается от морского дна. Такое измерение занимает всего несколько секунд. Эхолотами были снабжены практически все суда, измерения проводились в ходе движения судна. Современная система измерения глубины океанского дна носит название «Глория» и проводит измерение океанских глубин широкими полосами. Активные исследования океана начались после окончания Второй мировой войны. В 1950-1960 годах была выявлена природа океанского дна: это открытие перевернуло представление человека о Земле. Открытия доказали относительно молодой возраст океана и факт движения литосферных плит, благодаря которому облик планеты меняется и сейчас.
2.2. Современные исследования.
В настоящее время для исследования применяются современные аппараты, такие, как батискаф и батисфера. Батискаф — это самоуправляемый аппарат, оборудованный кабиной для экипажа и специальными прожекторами. Аппарат опускается на океанское дно. Корпус батискафов состоит из легкого металла, в нем расположен специальный балласт и жидкость, которая легче воды. Это позволяет батискафу свободно перемещаться по дну. Система жизнеобеспечения рассчитана на экипаж до трех человек. Батисфера представляет собой стальной шар, который опускают на стальном тросе с борта корабля. Батисфера также оборудована специальными отсеками для экипажа и исследовательской аппаратурой. Глубоководные аппараты очень прочные, ведь на большой глубине им приходится выдерживать огромное давление: от 800 до 1000 атм. Примерно такое давление на батискаф создадут два опущенных на него авианосца! В последние десятилетия на глубине 10-20 метров устанавливают специальные лаборатории, которые снабжены всем необходимым оборудованием. Для исследования океана специальной аппаратурой оснащаются и подводные лодки. Также в изучении океанских глубин принимают участие специальные суда, самолеты и спутники Земли. Для того, чтобы получить наиболее полные сведения, исследователи разных стран объединяются.
Так одним из объектов исследований российских глубоководных аппаратов «Мир-1» и «Мир-2» являются гидротермальные океанские поля. Это своего рода глубоководные «оазисы» со своим микроклиматом и фауной. У этих подводных оазисов есть и более звучное название - «черные курильщики», название которым дали клубы черного дыма, поднимающегося над вершинами «башен», высотой в десятки метров, сложенных из вулканических пород. Но на самом деле это не дым, а морская вода, проникающая в кипящие вулканические недра, смешавшаяся там с магмой и превратившаяся в пар (прил.3).
Но еще удивительнее другое. Температура этого дыма около 4000 С. Вдобавок он ядовит, поскольку в его состав входят метан, свинец и многие другие вещества, несмотря на это «башни» покрыты толстым слоем организмов. Главная загадка в том, почему в столь экстремальных условиях все они не только живут, но и проявляют необыкновенную активность. Пока на этот счет есть только гипотезы.
Съемка на глубине 8-10 тысяч метров — задача не из легких. Однако человечество решило и эту задачу. Современные батискафы и глубоководные субмарины оснащены множеством камер, что дает возможность снимать трехмерное видео, а также для съемок используется мощнейшее осветительное оборудование, ведь на океанском дне царит кромешная темнота.
В 2007 году «Миры» первыми в мире достигли дна Северного Ледовитого океана на Северном полюсе. А кроме морей и океанов они исследовали также озера: российское озеро Байкал и Женевское озеро в Швейцарии.
3. Загадки и другие тайны.
Океан всегда притягивал человека своей неизвестностью. Несмотря на то, что в последние десятилетия океанография очень продвинулась в своем развитии, некоторым загадкам, связанным с океанскими глубинами, человек так и не нашел объяснения. Вот несколько интересных фактов о морских глубинах, которые вызвали моё любопытство и показались мне наиболее интересными.
3.1. Загадки Мирового океана.
Марианская впадина.
Марианская впадина является самым глубоким местом на Земле относительно уровня моря. Ее глубина составляет более 11 тысяч метров, а давление на дне превышает атмосферное в 1100 раз! Казалось бы, в таких условиях жизнь невозможна, но некоторые факты говорят об обратном. Американские исследователи столкнулись с шокирующей ситуацией: глубоководный аппарат с металлическими стенами толщиной 15 сантиметров опускался на дно Марианской впадины. Как только он достиг крайней точки, исследователи услышали страшный скрежет. Аппарат начали тут же поднимать на поверхность. Увидев его, команда пришла в ужас: батискаф был сильно помят, в некоторых местах даже отстала краска, а трос, на котором его погружали (его толщина 20 сантиметров), был почти полностью перекушен. К сожалению, пострадавший борт не был оснащен камерами, и о причине столь серьезных повреждений можно только догадываться.
В 90-е годы прошлого столетия возникло множество легенд и невероятных историй о Марианской впадине: браконьеры рассказывали о том, что в этом месте часто видно свечение, мелькание огней, а иногда судно начинает буксовать, будто натыкаясь на что-то (прил.4).
Множество тайн и загадок таят в себе морские глубины. Ученые шутят, что подводный мир изучен хуже, чем обратная сторона Луны, и это действительно так: жизнь океана изучена человеком всего на пять процентов.
Бермудский треугольник.
Загадочное место, именуемое Бермудским треугольником, располагается рядом с одноименными островами и Флоридой. Первыми жертвами загадочного места стали члены экипажа военного самолета в 1945 году. Пилоты до последнего выходили на связь с диспетчером и говорили, что на них надвигается «белая вода». Далее самолет бесследно исчез вместе с людьми, которые были на борту. Борт, направленный им на помощь, постигла та же участь. В общей сложности в Бермудском треугольнике исчезло около 50 военных и морских судов. В 80-е годы прошлого века случаи исчезновения стали гораздо реже (прил.5).
3.2. Другие тайны Мирового океана.
Множество тайн и загадок таят в себе морские глубины. Ученые шутят, что подводный мир изучен хуже, чем обратная сторона Луны, и это действительно так: жизнь океана изучена человеком всего на пять процентов.
Саргассово море.
Еще одно загадочное место нашей планеты, которое часто путают с Бермудским треугольником. Феномен этого места заключается в том, что вода здесь двигается по часовой стрелке, образуя гигантскую воронку. Кроме того, здесь часто можно увидеть миражи: например, солнце одновременно на востоке и на западе. Ранее мореходцы рассказывали, что здесь можно встретить плотоядные водоросли. Разумеется, таких хищников там нет, однако мелкие водовороты, вызванные сейсмической активностью, вполне могут вызвать крушение небольших судов (прил.6).
Море дьявола.
В Тихом океане есть место под названием Море дьявола, оно не отмечено ни на одной карте, однако известно всем мореплавателям, и суда стараются обходить его стороной. Здесь происходило и происходит большое количество кораблекрушений, часто внезапно возникают сильные бури, которые меняются зыбью. Участок океанского дна здесь сейсмически активен, часто и быстро происходит формирование вулканических островов. Кроме того, здесь очень высокая циклоническая деятельность: часто бушуют тайфуны и тропические циклоны (прил.7).
Водоворот Мальстрема.
Это место располагается в Норвежском море. Феномен заключается в том, что ежедневно два раза в сутки здесь возникает водоворот, сила которого в сотни раз превышает силу обычных океанских течений. Интересно, что примерно раз в полгода водоворот внезапно меняет свое направление. Неопознанные подводные объекты В Персидском заливе есть место, где периодически возникают огромные светящиеся вращающиеся круги. Ранее ученые объясняли их появление свечением планктона, которое вызвано подводными землетрясениями. Однако эта теория не объясняет правильной формы светящихся объектов и исходящих от них ярких лучей (прил.8).
Глубины морей и океанов с незапамятных времен привлекали внимание ученых, особенно биологов. Они стремились узнать, существует ли жизнь в пучине океана, где царит вечная тьма, ледяной холод, а давление воды достигает многих сотен атмосфер.
4. Техника, помогающая изучать подводный мир.
Человек начал осваивать подводный мир еще в глубокой древности. Известны случаи, когда воины под водой выстраивали целые искусственные рифы для вражеского судна или же совершали другие мелкие шалости, например, обрезали якоря. Для дыхания они приспосабливали трубки и мешки с воздухом. Но такие устройства были неудобны - мешки постоянно всплывали на поверхность, да и воздуха в них вмещалось маловато. Потом, уже в наше время, частыми гостями морских глубин стали моряки-водолазы, затем к ним присоединились морские охотники, спортсмены, геологи, археологи, океанографы. С развитием науки и техники менялись, совершенствовались способы спуска человека под воду. История исследования морского дна — это в значительной степени история развития техники спуска на глубины.
Водолазный колокол — одно из самых древних приспособлений для спуска человека под воду. В прошлом это деревянный ящик без дна. При опускании такого ящика в воду в нем остается воздушный пузырь, в котором может находиться и дышать водолаз. Внутреннее воздушное пространство колокола позволяет водолазу некоторое время дышать и совершать активные действия – выходить или выплывать наружу для осмотра и ремонта подводной части судов, либо для поиска затонувших сокровищ. Выполнив работу, водолаз возвращается в колокол и устройство при помощи крана или лебедки поднимают на поверхность водоема (прил.9).
С помощью водолазного колокола в районе Балтийского моря следует упомянуть спасение в 1663 г свыше 50 орудий с затонувшего у Стокгольма шведского военного корабля “Ваза”. В дальнейшем водолазные колокола различных конструкций нашли широкое применение при спасательных работах и строительстве подводных сооружений. Их используют и в настоящее время. Водолазные колокола положили начало всем видам водолазной аппаратуры, работающей на сжатом воздухе. От водолазного колокола развитие пошло по двум направлениям. Плотное закрытие водолазного колокола снизу и снабжение воздухом при нормальном атмосферном давлении привели к появлению батисферы. С другой стороны, путем увеличения подачи воздуха, чем достигается выравнивание давления с окружающим давлением воды, удалось перейти к водолазным аппаратам, обладающим большой маневренностью под водой. В 1717 г английский астроном Хэлли предложил дополнительное снабжение водолазного колокола воздухом из погружаемых на глубину воздушных резервуаров. Затем родилась идея - уменьшить водолазный колокол до небольшого шлема, к которому сверху подается воздух. Одним из первых такое устройство предложил в 1718 г русский изобретатель-самоучка Ефим Никонов. Его шлем представлял собой прочный деревянный, обтянутый кожей, бочонок со смотровым окном. Воздух в него подавался по кожаной трубе. Во второй половине 18 века для водолазного дела стали применять воздушный насос, это помогло усовершенствовать устройства для погружения в воду.
Жесткий скафандр. В 1797 г на Одере под Врацлавом была испытана построенная Клингертом “водолазная машина”, а в 1819 г англичанин А.Зибе построил водолазный аппарат, состоящий из металлического шлема и прикрепленной к нему кожаной куртки с рукавами. В 1837 г Зибе окончательно отработал водолазный костюм, снабдив его привинчивающимся шлемом с дыхательным клапаном, который приводился в действие самим водолазом. Теперь костюм был цельным, а свинцовые башмаки и балласт обеспечивали достаточную устойчивость на дне. Зибе назвал этот водолазный костюм скафандром, таким образом, был создан прототип современного тяжелого водолазного снаряжения. Однако при всех достоинствах современного водолазного костюма ему присущи и серьезные недостатки: большой вес снаряжения и малая подвижность водолазов под водой, ненадежность шлангов подачи воздуха, большое сопротивление, оказываемое морскими течениями (прил.10).
Акваланг (прил.11).В настоящее время на глубинах до 90м используется водолазный костюм, выполненный из прорезиненной ткани. Он даёт возможность водолазу быть под водой подвижным, способным к любой работе. Так же используется акваланг, который представляет собой баллон со сжатым воздухом. Современный акваланг был изобретён в 1943 году известным французским исследователем Жак-Ивом Кусто в сотрудничестве с талантливым инженером Эмилем Ганьян. Акваланг произвёл революцию в изучении и освоении Мирового океана — человек почувствовал себя в чужой стихии совершенно свободным. За первым изобретением сразу последовали другие.
Акваланг позволяет находиться под водой от нескольких минут (на глубине около 40 м) до часа и более (на небольших глубинах). Спуски с аквалангом на глубины более 40 м не рекомендуются, так как вдыхание воздуха, сжатого до большого давления, может привести к азотному наркозу. У человека нарушается координация движений, мутится сознание (прил.12).
Для исследования моря на больших глубинах используют батисферы и батискафы. Батисфера - плавательное средство с экипажем на борту для разведки морских глубин. Батисфера была изобретена в США Отисом Бартоном и Уильямом Биби; у нее стальные стенки и окна-иллюминаторы из толстого закаленного стекла, через которые можно наблюдать подводную обстановку. Под воду она опускается с судна на тросе. Внутри шара помещаются 1—2 человека, запасы воздуха, научная аппаратура и телефон для связи с поверхностью. Максимальная глубина погружения, достигнутая с помощью батисферы в 1948 г., составляет 1360 м.Батисферу применяли в основном в 30-е годы XX в. Ее спускали с подводного судна на стальном тросе до глубин свыше 900 м (прил.13).
Батискаф - Батискаф был изобретен Огюстом Пикаром из Швейцарии и впервые применен в 1948 г. Он представляет собой батисферу, подвешенную под резервуаром-поплавком. Все это устройство может погружаться или оставаться на плаву, его движением можно управлять. Для горизонтального перемещения служат винты-пропеллеры. Несмотря на то, что прочность кабины рассчитана на давление морской глубины в 20 км, первые пробы спуска батискафа производились без экипажа. Глубина его опускания была 1380 м. Второй, более усовершенствованный, батискаф «Триест» совершил погружение уже на глубину 3150 м. А в 1954 г. погружение составило 4050 м. В январе 1960 г. Пикар вместе с Доном Уошем из ВМФ США опустились на батискафе «Триест» до глубины 10916 м (что примерно равняется высоте полета реактивных пассажирских самолетов) в Тихом океане (Марианская впадина близ о. Гуам). Этот рекорд пока никем не превзойден (прил.14).
Подводная лодка. На океанической поверхности балластные цистерны подводной лодки полны воздуха. При погружении открываются клапаны цистерн, выпуская содержащийся там воздух, а потом вода заполняет их через отверстие в днище лодки. Для того чтобы оказаться на поверхности, в верхнюю часть цистерн впрыскивают сжатый воздух под огромным давлением вытесняя воду. Как правило, на подводных лодках используют дизельные двигатели у поверхности воды и батареи на аккумуляторах при погружении на большие глубины. Атомные подводные лодки могут обходиться без дозаправки топливом месяцами. Пресная вода и кислород для экипажа добываются из моря. Самая первая на земле атомная подводная лодка под названием «Наутилус» была сделана в США в 1954 году, которая совершила путешествие через весь Северный полюс под кромкой льда. Аппаратура для исследования морских глубин в виде атомных подводных лодок остается популярна и по сей день.
Современные подводные лодки способны выдержать давление воды на больших глубинах погружения. Внутри прочный корпус разделен на отсеки переборками, что повышает живучесть корабля в случае течи. Глубина погружения - одна из главных характеристик подводного корабля. До первой мировой войны считалась достаточной 50-метровая глубина, так как позволяла подводной лодке укрыться и не быть обнаруженной противником. Позже, с увеличением глубины возрастала свобода движения, лодка становилась мобильнее. На сегодняшний день возможная глубина погружения лодок может составлять в среднем 700 м (прил.15).
Исследовательские суда. Базой всех проектов по изучению морских глубин являются исследовательские суда. Одним из них является «FS Poseidon». На его борту ученые всего мира недавно начали проверку автономного подводного аппарата SEAL 5000. В отличие от дистанционных аппаратов он абсолютно независим, не соединен кабелем и может создавать очень точные карты морского дна (прил.16, 17).
Непосредственную помощь в исследовании морских глубин оказывают немногочисленные морские суда. Но это не просто корабли, а плавучие обсерватории. В мире имеется всего несколько сотен больших исследовательских судов и за их экспедициями можно наблюдать через Интернет. Самое современное исследовательское судно в мире «Maria S. Merian». Спущено на воду в 2007 году. На борту судна может работать 20 ученых (прил.18). В их распоряжении лаборатория, оборудованная для самых разных исследовательских миссий. Это судно может идти 48 часов, не загрязняя воды.
5. Анализ данных социологического опроса. Анкета и её результаты.
В рамках данной темы я запланировал проведение социологического опроса с целью выяснения осведомленности одноклассников относительно аппаратов, которые использовались ранее и в настоящее время для исследования морских глубин.
Мною была составлена анкета, включавшая в себя следующие вопросы:
1. Какова значимость исследований Мирового океана?
а) очень высока;
б) высока;
в) незначительна;
г) не знаю.
2. Необходимо ли, по вашему мнению, дальнейшее освоение Мирового океана? а) да, конечно;
б) да, наверно;
в) нет;
г) не знаю.
3. Как вы думаете, влияют ли знания, полученные в результате исследований Мирового океана и морского дна, на нашу жизнь? Каким образом?
Первые два вопроса этой анкеты позволяют оценить актуальность проблемы исследований Мирового океана, с точки зрения учащихся. После обработки ответов на эти вопросы я получил следующие данные: на вопрос №1:
- 35% опрошенных ответили - «очень высока»;
- 62% полагают, что высока;
- и всего 3% респондентов находят, что роль исследований Мирового океана в нашей жизни незначительна.
На вопрос №2:
- 82% ответили: «Да, конечно»;
- 15% – «Да, наверно»;
- 3% – «Нет».
На основании полученных данных можно сделать вывод: роль программ по изучению морских глубин оценивается одноклассниками высоко, большинство опрошенных не сомневаются в необходимости дальнейших морских исследований.
Вопрос, в анкете под номером 3, в отличие от двух первых требовал самостоятельного ответа опрашиваемого и был направлен на выяснение степени осведомленности одноклассников о применении знаний, полученных в результате исследований морских глубин.
К сожалению, данный вопрос вызвал затруднения. Около 18% опрошенных дали ответ «Ничего не знаю». Ответы, данные на этот вопрос оставшимися 72%, были достаточно однообразны: возможность делать снимки морского дна его рельефов и разнообразной флоры и фауны, находящейся на больших глубинах, поиск затонувших кораблей и сокровищ, изучение степени загрязнения Мирового океана, вылов рыбы в промышленных масштабах и поиск новых форм жизни на больших глубинах.
Заключение.
Жюль Верн в своем увлекательном романе «20 000 миль под водой» на много десятилетий опередил своих современников. Миллионам людей всего мира гениальный фантаст открыл океан с его неисчислимыми богатствами. Глубины океана и в самом деле прячут бесценные сокровища, и Жюль Верн не сомневался, что придёт день, когда человек сумеет овладеть ими.
Сейчас морское дно таит в себе еще множество загадок и тайн, которые нам с вами только предстоит разгадать.
Без техники мы слепы в глубинах. Каждый новый вопрос требует новое оборудование. Исследования часто терпят неудачу из-за прерывания связи. Однако изобретательность не знает границ. Ученые, инженеры, механики и моряки входят в международные команды пытающиеся извлечь тайны из морских глубин. Бесчисленное множество специальных устройств и аппаратов опускается на морское дно в поисках ответов (прил.19).
Изучение Мирового океана имеет большое значение для поиска полезных ископаемых, рыболовства и судоходства.
Занимаясь этой работой, я узнал много интересной информации о морских тайнах и об аппаратах, которые использовались для изучения морских глубин ранее и в современности. Один из последних новых сконструированных подводных аппаратов для научных исследований был построен в 2012г. в Австралии и называет он «Джипси Челленджер», предназначенный для погружения на любые глубины Мирового океана. Продолжают вести свои исследования и все другие подводные аппараты, которыми располагают современные океанографы, в том числе и наши российские «Миры». Ведь океан хранит еще великое множество разных тайн которых хватит на целые поколения ученых. Может быть, океанографами станут кто-то из моих одноклассников?
7. Приложение.
П риложение 1. Тайны морского дна.
П риложение 2. Глубоководный аппарат «Челенджер».
П риложение 3. Глубоководный аппарат Мир-1.
Приложение 4. Марианская впадина.
П риложение 5. Бермудский треугольник.
П риложение 6. Саргассово море.
П риложение 7. Море дьявола.
П риложение 8. Водоворот Мальстрема.
Приложение 9. Водолазный колокол.
Приложение 10. Скафандр.
Приложение 11. Акваланг.
Приложение 12. Аквалангист.
Приложение 13. Батисфера.
Приложение 14. Батискаф.
Приложение 15. Подводная лодка.
Приложение 16. Исследовательское судно «FS Poseidon»
Приложение 17. Автономного подводного аппарата SEAL 5000
Приложение 18. Исследовательское судно «Maria S. Merian»
Приложение 19. Аппараты для исследования морских глубин.
8. Литература
1. Викторова И. перевод с английского «Юный исследователь. Подводный мир» - Москва, «РОСМЭН», 1994г.
2. Дерюгин К.К. «Человек покоряет глубины океана» - Москва: Наука, 1965г.
3. Журнал детская энциклопедия «Учёные под водой» — Москва, №3/2019
4. Энциклопедия для умников и умниц. Моря и океаны. - Москва, - издание на русском языке ООО «Издательская Группа «Азбука-Аттикус», 2012, Machaon
5.https://obrazovanie.guru/nauka/geografiya/materiki-i-okeany/mirovoy-okean.html
6.https://yandex.ru/turbo?text=http%3A%2F%2Fmir-znaniy.com%2Fpodvodnyie-apparatyi-dlya-osvoeniya-morskih-glubin%2F&d=1
7. http://korabley.net/news/issledovanie_morskikh_glubin/2013-08-25-1524