Морское дно

Вот как в общих чертах работает эхолот. Электроды кристалла на мгновенье подключаются к источнику переменного тока. При этом в воде, окружающей кристалл, возникает кратковременный импульс звуковых волн — своего рода всплеск. Он достигает дна и, отразившись от него, возвращается обратно к кристаллу, возбуждая в нём ответный импульс тока. Специальные электрические приборы «засекают» время посылки и время возвращения звукового импульса, а отсюда определяют и глубину моря.

Но крупные кристаллы кварца редки и дороги. Поэтому кварцевый кристалл в эхолоте заменён так называемым триплетом — набором из нескольких тонких кварцевых пластинок в стальной оправе.

Вместо кварцевых триплетов часто применяют наборы металлических пластинок из сплава железа с никелем. Такие пластинки также обладают свойством колебаться с частотой переменного тока. Но здесь это связано с особыми магнитными свойствами материалов.

Звуковая волна в воде распространяется от источника звука во все стороны. Когда дно почти горизонтально, это обстоятельство значения не имеет, но представим себе, что судно приближается к крутой наклонной скале (рис. 9). Тогда обратно к судну первым возвратится эхо от ближайшей точки дна, а уже потом добежит эхо, отражённое от дна под корпусом корабля. В таком двойном эхе будет трудно разобраться. Результат измерения глубины над наклонным дном будет всегда несколько меньше, чем в действительности. Чтобы избежать подобных ошибок, стали применять колебания более частые, чем звуковые, — ультразвуки. В современных образцах эхолотов частота колебаний составляет более 50 000 в секунду. Ультразвуковые волны можно посылать узким пучком (подобно лучу света) в нужном направлении, например, вертикально вниз.

Рис. 9. Отражение эха от наклонного дна.

Были внесены и другие усовершенствования в конструкцию эхолота. Так, например, в настоящее время распространены эхолоты-самописцы (рис. 10). Здесь через прибор медленно движется разграфлённая бумажная лента. Над этой лентой расположено специальное перо. В момент, когда прибор получает ультразвуковой импульс, перо касается ленты и оставляет на ней след. При возвращении эха перо вторично касается ленты, и на ней появляется вторая точка или короткий штрих. Скорость движения ленты строго постоянна и заранее известна, поэтому по расстоянию между метками можно судить о глубине моря.

Рис. 10. Общий вид записывающего устройства эхолота-самописца.

Остановимся на некоторых особенностях измерения морских глубин.

Скорость звука в морской воде не всегда одинакова, она зависит от её солёности и температуры. Поэтому результат измерения нужно ещё исправить в зависимости от свойств воды. Так как в океанах и морях вода неоднородна, свойства её в различных слоях неодинаковы, то для каждого района, где ведутся измерения, необходимо знать послойное изменение свойств воды, соответствующее тому времени года, когда производятся работы.

Недостатком эхолота является то, что направленная волна ультразвука не идёт точно по одной линии, а образует в пространстве как бы конус. Поэтому чем глубже море, тем от большей площадки на дне отражается ультразвук (рис. 11). Неровности дна, находящиеся в пределах этой площадки, эхолот «не замечает». Поэтому рельеф дна изучается с помощью эхолота тем детальнее, чем меньше глубина моря.

Рис. 11. Отражение ультразвуковой волны от дна на разных глубинах. Чем больше глубина, тем расплывчатее форма рельефа.

Другой недостаток эхолота состоит в том, что пользоваться им можно только при отсутствии сильной качки. Если судно сильно качает, то ультразвуковая волна эхолота будет направлена то прямо на дно, то влево или вправо, и точно измерить глубину моря не удастся.

И всё-таки эхолот в настоящее время незаменим благодаря своим достоинствам — удобству пользования и возможности быстрого измерения больших глубин, где обычный лот почти непригоден.

У эхолота есть и ещё одно очень важное для учёных и моряков свойство. Он может не только показывать глубину моря, но и определять характер дна. Скалистое дно хорошо отражает ультразвуковую волну, поэтому эхо получается резким и достаточно сильным. Если же дно покрыто мягким илом, то значительная часть энергии ультразвука поглощается, и эхо оказывается слабым, размазанным. При песчаном дне эхо имеет также иной характер. А в тех случаях, когда каменистое дно покрыто тонким слоем ила, эхо получается двойным (рис. 12).

Рис. 12. Характер эхограммы (ленты с записью эхолота) на дне сложного строения. Под толщей ила залегают коренные породы. На выступах дно обнажено, а во впадинах слой ила резко утолщается. (В морских саженях показана глубина морского дна.)

Если в самой толще воды имеются какие-либо предметы, способные отражать ультразвук, то эхолот их сразу обнаружит. Этим свойством сейчас широко пользуются при разведке косяков рыбы. Ещё два-три десятилетия назад нельзя было и мечтать о таком надёжном способе промысловой разведки.

Грунтовая трубка

Мы уже говорили о том, какую важную роль играет изучение грунта, покрывающего морское дно. Учёные стремятся проникнуть в толщу дна как можно глубже.

В 1905 году шведский океанограф Экман усовершенствовал трубчатый лот — удлинил трубу и снабдил её специальным приспособлением, облегчающим извлечение пробы грунта. Для устойчивости к трубке прикреплялся стержень с крыльями, похожими на оперение авиационных бомб. В таком виде прибор дожил до наших дней и употребляется на небольших судах, когда нельзя использовать более совершенные приборы.

Схема устройства трубки Экмана дана на рис. 13; А — это неподвижные грузы, число которых можно менять в зависимости от глубины дна и плотности ила; Б — груз, скользящий по трубе. При достижении прибором дна освобождается цепь, удерживающая этот груз, и он падает, толкая «храпцы» В, которые закрывают снизу отверстие трубы, препятствуя выпадению столбика ила; Г — клапан для свободного прохода воды во время падения трубки.

Рис. 13. Схема устройства грунтовой трубки Экмана.

В 1925–1927 годах немецкая экспедиция на корабле «Метеор» получила такой трубкой большое количество проб грунта в Атлантическом океане. Подобная трубка улучшенной конструкции и большей длины применялась советскими учёными (1924–1930 гг.) в Баренцевом, Белом и Карском морях. Были получены столбики грунта рекордной для того времени высоты — почти в 1,5 метра. Ещё более высоких результатов добились сотрудники гидрографического судна «1-е Мая» во время работ на Чёрном море в 1928–1929 годах. Гидрографы ещё удлинили трубку и утяжелили её. Когда такая трубка со свинцовым грузом в 400 килограммов падала на дно, то на палубе корабля стоял грохот от бешено вращающейся лебёдки, весь корпус судна содрогался. С силой врезалась трубка в грунт на глубине в две тысячи метров, а то и больше; в этот момент трос резко ослабевал.

С помощью такой трубки гидрографу В. Снежинскому удалось получить столбики грунта почти 5 метров высотой.

Подобную же трубку применяли наши учёные на Баренцевом море в 1932–1935 годах, но там она дала худшие результаты, так как под тонким слоем современных мягких илов оказались очень плотные ледниковые глины. Попав в такие глины, трубка нередко гнулась, и длина столбиков лишь немного превысила 2 метра.