А. М. Шарков
Как изучают Мировой океан
Глава 4
Появление средств постоянного контроля глубины
В 1891 г. в докладе профессора Ламберта в английской Королевской морской академии в Гринвиче было указано, что 50 % всех судов гибнут, разбившись о подводные камни и в результате посадки на мель. Почему так происходит? Ведь в акватории был выполнен промер глубин с помощью шеста или лота.
Почти всегда это происходило в местах между измеренными глубинами. Ведь расстояние между точками, в которых опускали шест или ручной лот, достаточно большое и в нем могут находиться самые различные объекты – от скал до затонувших судов.
По итогам доклада был сделан вывод, что необходим лот, который должен стать «постоянным подводным контролем, не требующим за собой ровно никакого наблюдения», и предложена конструкция нового лота-предостерегателя – подводного часового. Разработал «подводного часового» англичанин Самуэль Джемс, выполнявший работы по измерению глубин. По имени изобретателя «подводный часовой» получил название лот Джемса.
Устройство лота Джемса достаточно простое. На конце металлического линя (троса) крепился деревянный щит и буксировался на глубине, обеспечивающей безопасный проход судна. При касании грунта щит отрывался от груза и всплывал, сигнализируя об уменьшении глубины до опасных значений. Использовался он на глубинах до 50 метров.
В 1892 г. лот Джемса был закуплен Россией и испытан вице-адмиралом С. О. Макаровым на броненосце «Петр Великий». По рекомендации С. О. Макарова, лоты Джемса были закуплены в Англии и установлены на российских судах, в том числе и на крейсере «Аврора» [17].
В книгах Морского министерства Российской империи сохранились описание и изображение лота-предостерегателя глубины Джемса (рис. 4.1 [18]).
Рис. 4.1. Лот-предостерегатель глубины Джемса.
В конце XIX – начале XX в. с широким внедрением в морскую практику различных механизмов, работающих как с использованием пара, так и с использованием электричества, разработка подобных устройств осуществлялась во многих странах. Все они имели разные конструкции, но принцип действия был всегда один – при касании грунта сигнальный предмет всплывал сам или передавал предупредительный сигнал на судно об уменьшении глубины. Информация о подобных изобретениях хранится в архивах прибрежных государств. Наибольшую известность получили «подводные часовые» или, как их потом стали называть, «предостерегатели глубины» шведского изобретателя Шестранда, американцев Е. Ганта и Бэтсилдрена.
Разрабатывались подобные устройства и в России. Так, свою конструкцию «предостерегателя глубины» в начале XX в. предложил техник Ершов. Однако комиссия, проведя ее испытания в Финском заливе, признала, что устройство по своей надежности уступает лоту Джемса.
Подобные приборы отлично справлялись с задачей предупреждения об уменьшении глубины, но для составления морских карт не использовались, так как не обеспечивали достаточной точности измерения. Использовали «предостерегали глубины» вплоть до 30—40-х гг. XX в., после чего им на смену пришли механические тралы и эхолоты.
В первой четверти XX в. практически одновременно в нескольких странах для постоянного контроля безопасной глубины были созданы простые, но очень надежные устройства, получившие наименование «гидрографический трал». Они представляли собой горизонтальную штангу, фиксируемую на заданной глубине. При буксировке гидрографического трала штанга цеплялась за препятствие, находившееся на глубине меньшей, чем была установлена, подавая тем самым сигнал о подводной опасности.
По степени жесткости тралящей части гидрографические тралы подразделялись на жесткие, полужесткие и гибкие. Жестким тралом называется устройство, в котором тралящая часть представляют собой жесткую металлическую конструкцию. У гибких тралов тралящая часть изготовлена из металлического троса. Чтобы трос не провисал, а удерживался на заданной глубине, его в нескольких точках фиксировали с помощью плавучих буев, идущих по поверхности воды. Полужесткие тралы сочетали в себе элементы обоих одновременно (рис. 4.2 [63]).
Рис 4.2. Виды гидрографических тралов.
Использовались тралы не только гидрографами и не только для определения безопасной глубины. Широко применялись они в процессе поиска и обезвреживания морских подводных мин. В этом случае на тралящую часть дополнительно устанавливали специальные режущие устройства, которые, как ножом, срезали трос, где держалась подводная мина. Мина всплывала, становилась видимой на поверхности воды, что позволяло в дальнейшем ее обезвредить. Но особенно широкое применение различных тралов нашло в процессе рыбной ловли, когда вместо троса прикрепляются сети различной формы.
Но вернемся к гидрографическим тралам. Каждый из них имел свои преимущества и недостатки. Так, жесткие тралы были более надежны, так как не провисали, но могли проверить глубину только на полосе небольшой ширины. Гибкие тралы, в свою очередь, позволяли обследовать широкую полосу, но идущие по поверхности воды буи из-за волнения моря меняли свое положение и не обеспечивали постоянную глубину удержания троса.
С момента изобретения гидрографических тралов разработано огромное количество разнообразных моделей. Практически в каждой стране национальная гидрографическая служба имеет несколько различных вариантов собственного изготовления.
Для обозначения места, в котором была обнаружена опасная глубина, применяются самые разнообразные устройства от сигнальной лампочки, загорающейся на судне в момент касания подводного препятствия, до автоматически выставляемых сигнальных буев (рис. 4.3 [63]).
Рис 4.3. Гидрографический трал с автоматическим выставлением контрольных буйков.
1 — тралящая часть; 2 — сигнальный трос; 3 — автоматическое устройство для сброса контрольных буйков; 4–8 — технические элементы.
На рис. 4.3 показан гидрографический трал, разработанный Новосибирским филиалом ЦТКБ и Обского бассейна водных путей. При касании подводного препятствия тралящей частью (1) изменялось натяжение сигнального троса (2), автоматическое устройство для сброса контрольных буйков (3) приводилось в действие и помечало место нахождения опасной глубины.
Гидрографические тралы активно использовались до второй половины XX в., после чего их вытеснили эхолоты. Но простота конструкции, дешевизна в изготовлении и надежность в определении опасной глубины привели к тому, что они, хоть и очень редко, но все же применяются в настоящее время, когда необходимо подтвердить безопасный проход для судов. Последние, усовершенствованные модели гидрографических тралов разработаны всего несколько лет назад.
Глава 5
Появление эхолотов
Развитие науки и техники не могло не оказать серьезного влияния на процесс разработки принципиально новых средств измерения глубины, который связан с развитием гидроакустики – науки, изучающей закономерности распространения звука в воде.
Первыми, кто измерил скорость звука в воде, были швейцарский физик Даниэль Колладон и французский математик Шарль Штурм. В 1827 г. они установили, что звук в воде распространяется со скоростью 1412,1 м/с, что достаточно точно отражает фактическое значение. В настоящее время в расчетах средняя скорость звука в воде принимается равной 1500 м/с. Но даже это значение требует уточнения при использовании высокоточных средств измерения глубины, о чем будет рассказано в следующих главах.
На принципах гидроакустики основано действие такого прибора, как эхолот. Эхолот — прибор для определения глубины водоемов с помощью акустических эхо-сигналов. Его действие основано на измерении промежутка времени, прошедшего от момента посылки импульса до момента приема отраженного от дна эхо-сигнала.
Более подробно принцип действия эхолота вы будете изучать на уроках физики в старших классах (рис. 5.1 [19]).
Первый эхолот был запатентован в 1920 г. русским ученым К. В. Шиловским и французским ученым П. Ланжевеном. Испытания эхолота, проводившиеся в течение нескольких лет в проливе Ла-Манш и в Средиземном море, показали высокую точность и удобство в работе. С той поры и до настоящего времени эхолот остается основным техническим средством измерения глубины [20].
Рис. 5.1. Принцип работы эхолота.
h — глубина; v — скорость звука в воде; t — время прохождения сигнала.
Учитывая, что излучается только один сигнал, идущий вертикально вниз, правильнее называть это устройство однолучевым эхолотом (ОЛЭ).
В силу многообразия типов, простоты конструкции и высокой надежности ОЛЭ является самым распространенным техническим средством измерения глубин. Сейчас однолучевые эхолоты установлены практически на каждом судне.
В ходе работы однолучевого эхолота, по пути движения исследовательского судна, на специальную бумагу записывается профиль дна. Подобная запись носит название эхограмма (рис. 5.2 [19]).
Рис. 5.2. Эхограмма однолучевого эхолота.
Если рассмотреть представленную на рисунке эхограмму, то видно, что глубина на пути судна меняется от 10 до 20 метров.
Наряду с эхолотами, предназначенными для измерения глубины, выпускаются специальные эхолоты для поиска рыбы, геологоразведочных работ и др. Такие эхолоты имеют цветные экраны, которые позволяют получить информацию не только о профиле дна, но и о составе поверхностного грунта, косяках рыбы и крупных морских животных.
Глава 6
Обследование акваторий. Принцип построения карт рельефа дна
Основное содержание любой морской карты – это отображение рельефа дна. Помимо рельефа на карту в виде условных обозначений наносятся пути движения судов, маяки, навигационные опасности, пирсы, причалы и другие объекты, необходимые для обеспечения безопасной морской деятельности.
Особенностью морских акваторий, в отличие от суши, является то, что невозможно сразу осмотреть и выделить одинаковые большие площади и отдельные объекты. Их можно рассмотреть даже на Луне и других планетах, а под водой нельзя. Поэтому изучение акваторий начинается практически «вслепую». Никто не знает, что ждет исследователя – ровное дно или, наоборот, изрезанный рельеф с большим количеством опасностей.
Только после выполнения работ можно определить, где расположены поднятия, где впадины, где рельеф дна однообразный, а где носит сложный характер.
Напоминаю, что самым распространенным средством измерения глубины до настоящего времени продолжает оставаться однолучевой эхолот (ОЛЭ). Исследовательское судно с ОЛЭ ходит с постоянной скоростью по системе заранее спланированных линий, называемых галсами. Рекомендуемое типовое расположение галсов указано на рис. 6.1 [2].
Рис. 6.1. Типовое расположение галсов промера глубин.
Это именно рекомендация. Для каждой определенной акватории галсы планируются с учетом условий в конкретном месте работ. Галсы могут располагаться чаще, реже, но в обязательном порядке присутствуют контрольные галсы, которые пересекают основные (рис. 6.2 [2]).
Рис. 6.2. Расположение галсов, запланированное с учетом особенностей конкретной акватории.
После прибытия в район работ исследовательское судно начинает движение по системе запланированных галсов. Как это выглядит на акватории, показано на рис. 6.3 [23].
В результате получают измеренные глубины по пути следования судна (рис. 6.4 [2]).
При использовании любых приборов, предназначенных для измерения глубин, в том числе и ОЛЭ, необходимо учитывать, что в ходе их работы постепенно накапливаются погрешности. Если эти погрешности не устранять, то в какой-то момент они достигнут таких величин, что полученные данные не только исказят сведения о рельефе дна, но и могут привести к посадке судна на мель. В практике судовождения это называется навигационным происшествием.
Чтобы подобного не произошло, а гидрограф всегда был уверен в точности работы эхолота, выполняют контрольные галсы, пересекающие галсы основного покрытия. Это хорошо видно на рис. 6.1 с типовым расположением галсов и на рис. 6.2 с расположением галсов, построенных с учетом особенностей конкретного района.
Рис. 6.3. Движение судна по системе запланированных галсов.
Рис. 6.4. Глубины, измеренные на основных и контрольных галсах.
В точках пересечения галсов основного покрытия и контрольных галсов сравнивают измеренные глубины (рис. 6.5 [2]). В ходе проверки для облегчения зрительного восприятия глуби́ны, измеренные на пересекающихся галсах, отмечают разными цветами.
Рис. 6.5. Сравнение измеренных глубин на галсах основного покрытия и контрольных галсах.
Если значения измерений в точках пересечения одинаковы или отличаются незначительно, то эхолот работает правильно и можно продолжать работы по промеру глубин. Если расхождение в показаниях на основном и контрольном галсах больше определенной величины, то надо искать ошибку в измерениях, а может быть, провести работу заново.
Когда работы завершены и вся акватория покрыта заранее запланированными галсами, исследовательское судно возвращается в базу.
Начинается процесс обработки материалов в береговых центрах, выполняемый с привлечением большого количества различных специалистов. Подобный процесс обработки материалов, полученных в море, носит название камеральная обработка. Как правило, именно во время камеральной обработки выявляются наиболее интересные моменты в общем объеме работ, а иногда даже может открыться одна из многих тайн Мирового океана.
В ходе камеральной обработки материалов проходит этап равномерного заполнения всех необследованных, междугалсовых участков глубинами. Эти глубины уже не фактически измеренные, а рассчитанные по определенным методикам. Равномерное покрытие акватории глубинами позволяет в дальнейшем описать рельеф дна и построить морскую карту. На рис. 6.6 [2] показано полное равномерное покрытие акватории глубинами.
Рис. 6.6. Полное покрытие акватории глубинами.
Из рисунка видно, что понять, какой рельеф дна в данном районе, только по цифрам практически невозможно. Необходимо сделать изображение понятным или, как говорят специалисты-гидрографы, «читаемым». Для этого используется известный вам из уроков физики метод изолиний. Суть метода состоит в соединении точек, имеющих одинаковое значение, линиями. Это и есть изолинии. Изолиния, соединяющая точки с равными значениями глубины, носит наименование изобата, т. е. линия равных глубин.
Проводят изобаты через равные промежутки, обеспечивающие легкое и понятное зрительное восприятие рельефа. На рис. 6.7 [2] показан рельеф дна, обозначаемый с помощью изобат.
Рис. 6.7. Отображение рельефа дна с помощью изобат.
Но только одних изобат недостаточно, чтобы иметь правильное представление о подводном рельефе. Сложно понять, что изображено на рисунке – впадина или, наоборот, поднятие? Для того чтобы подобных вопросов не возникало, используют дополнительные условные знаки, обозначающие направление увеличения или уменьшения глубин.
С появлением цветной печати для обозначения глубин стали использовать различные цвета, что сделало восприятие простым и наглядным. Чем темнее цвет, тем больше глубина. Например, если посмотреть на рис. 6.8 [10], то по примененным цветам можно сразу определить, что это впадина. А изобаты показывают фактическое значение глубин.
Но что делать, если рельеф сложный, сильно меняющийся? В этом случае используют больше цветов, что наглядно показывает изменение рельефа (рис. 6.9 [2]).
Рис. 6.8. Отображение рельефа дна с помощью цвета.
Рис. 6.9. Отображение сложного рельефа дна.
После построения рельефа дна гидрографы передают полученные материалы картографам, которые в дальнейшем создают морские карты. Для этого они по строго определенным правилам совмещают изображение рельефа с координатами. Различные объекты, попадающие на лист будущей карты, обозначаются условными знаками, которые понятны каждому моряку.
Отмечается все, что необходимо для обеспечения судовождения: пути движения судов, фарватеры, якорные стоянки, пирсы, причалы и т. д. Обязательно указываются объекты, помогающие не потеряться в бескрайних водных просторах или, как говорят моряки, «определить свое место». Все эти объекты в совокупности называются навигационным оборудованием. К нему относится как то, что видно невооруженным глазом – маяки, створы, буи, вехи, береговые ориентиры, хорошо различимые строения, так и то, что без специальных устройств заметить невозможно. К такому оборудованию принадлежат радионавигационные, космические, гидроакустические навигационные системы, но о них я подробно расскажу в следующей книге.
В итоге картографы создают морскую карту, которая может использоваться не только для обеспечения мореплавания, но и для выполнения других работ на море, например для выбора трасс прокладки подводных кабелей, трубопроводов или строительства причалов.
На рис. 6.10 [7] показана морская навигационная карта, описывающая акваторию от города Кронштадта, расположенного на острове Котлин, до города Ломоносова. Видно, насколько разнообразен рельеф дна, как много подводных и надводных препятствий, как сложен и опасен проход для судов по обозначенному на карте фарватеру.
В конце XX – начале XXI в. широкое распространение получила цифровая картография. Карта не печатается на листе бумаги, а выводится на экран монитора. Изображение рельефа дна можно получить как в традиционном виде с помощью изобат, так и в трехмерной модели (рис. 6.11 [2]).
Рис. 6.10. Морская навигационная карта.
Рис. 6.11. Изображение рельефа дна на электронной карте.
Возможности электронной картографии позволяют использовать тот вид представления данных, который наиболее выгоден для решения каждой конкретной задачи. На следующем рисунке показан тот же участок дна, что и на рис. 6.11, но в виде, удобном для выполнения задачи по поиску подводного объекта (рис. 6.12 [2]).
Рис. 6.12. Возможности электронной карты по представлению материала в виде, необходимом для решения конкретной задачи.