Акустические методы, так же как и гидрооптические, служат одним из инструментов для исследования термогидродинамиче­ ской структуры вод Мирового океана. Это обусловлено тем, что та­ кие явления, как крупномасштабные течения, айсберги, синопти­ ческие вихри, внутренние волны, положение слоя скачка плотнос­ ти и др., вносят свой вклад в особенности распространения звука в океане.

ГЛАВА 5

МАГНИТНЫЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ОКЕАНЕ

Происхождение магнитного поля Земли, известного людям еще за 1000 лет до нашей эры, до сих пор не выяснено. Вместе с тем электрические и магнитные поля в гидросфере Земли представляют большой интерес, поскольку они воздействуют на жизнедеятельность живых организмов, помогая, например, ориентироваться рыбам при их далеких миграциях.

Геомагнитное поле вызывает так называемые теллурические токи в твердой части Земли. В океане электрические токи были обнаруже­ ны только в 1935 г.

Относительно возникновения магнитного поля Земли существу­ ет много предположений, но все они остаются только гипотезами. Одной из наиболее вероятных гипотез является связь магнитного поля Земли с вращением ее вокруг своей оси. В этом случае маг­ нитное поле Земли было бы симметричным относительно геогра­ фических координат и магнитные полюса совпадали бы с географи­ ческими. Однако этого не наблюдается. В.В. Шулейкин объясняет аномалии магнитного поля Земли наличием на ее поверхности ма­ териков и океанов. Наблюдения за вектором напряженности магнит­ ного поля Земли действительно указывают на связь аномалий гео­ магнитного поля с океанами. Изолинии восточной составляющей напряженности геомагнитного поля оконтуривают берега континен­ тов. Измерения показали также, что восточная составляющая напря­ женности магнитного поля Земли на материках мала, над океана­ ми же она достигает наибольших значений. Физически это означа­ ет, что над материками существует сравнительно мало искаженное поле равномерно намагниченного шара с осью, которая совпадает с земной осью вращения. Искажение этого поля проявляется над оке­

анами, и притом тем сильнее, чем ближе в этом месте сходятся кон­ тиненты.

С помощью карты восточных составляющих вектора напряженно­ сти магнитного поля Земли были вычислены значения электрическо­ го потенциала в океане, намного превосходившие, однако, данные непосредственных измерений.

Измерения, выполненные в морях и океанах, показали увеличе­ ние плотности тока с глубиной. Причины этого явления до сих пор не выяснены.

Увеличение с глубиной моря электрических токов должно умень­ шать склонение магнитного поля.

Пульсация вертикальной составляющей геомагнитного поля обус­ ловливает переменность тока в море. При этом возникают явления, напоминающие скин-эффект в проводнике: плотность тока у берегов больше, чем в центре моря. Это так называемый береговой эффект, который, возможно, и приводит к концентрации изолиний восточной составляющей напряженности магнитного поля Земли вдоль побе­ режий.

Сложное электрическое поле возникает в верхнем слое океана, охваченном волнением. Это связано с трехмерной структурой повер­ хностных волн и сильнее всего обнаруживается у берегов, где волне­ ние наиболее интенсивно и приводит к периодическим поступатель­ ным движениям воды. Воздействие волнения на электрическое поле проявляется в виде пульсаций магнитного поля с периодом, близким к периодам волн.

Следует еще раз отметить, что электрические и магнитные поля в океане, представляя большой теоретический и практический интерес, все еще мало исследованы.

ГЛАВА 6

РАДИОАКТИВНОСТЬ В ОКЕАНЕ

После второй мировой войны началось систематическое изу­ чение радиоактивности вод Мирового океана. Необходимость та­ ких работ определяет все продолжающееся радиоактивное загряз­ нение окружающей среды — атмосферы, океана, земной поверх­ ности. Прогресс в исследовании радиоактивности океана начался, когда были разработаны методы, позволившие надежно выявлять уровень радиации, соответствующий 1-2 распадам, происходящим

в течение минуты в 100 л воды. Исследование радиоактивности вод Мирового океана открыло новые возможности для его изу­ чения.

Изотопы, находящиеся в океане, разделяют на три группы: терригенные, космогенные и антропогенные, или искусственные. Проис­ хождение терригенных изотопов связано с размывом и сбросом река­ ми в океан материала, слагающего поверхность материков. Эти изо­ топы используются, как правило, при биохимических и геохимиче­ ских исследованиях. К космогенным относятся изотопы, которые находятся в атмосфере и вместе с осадками выпадают в океан. Такие изотопы используются для изучения физических процессов, протека­ ющих на границе раздела океан-атмосфера. Искусственные радиоак­ тивные изотопы попадают в океан при взрывах ядерных зарядов, когда радиоактивные осколки разлетаются в разные стороны. Радио­ активные осколки попадают в атмосферу и далее в стратосферу. При этом ядерная продукция перемешивается над земной поверхно­ стью в планетарном масштабе. Затем радиоактивные аэрозоли оседа­ ют на поверхность Земли или выпадают вместе с атмосферными осадками. В моря и океаны выбрасываются также отходы атомных производств.

Современная ядерная гидрофизика занимается следующими воп­ росами: выявлением источников изотопов в океане, исследованием поля радиоактивности на поверхности океана, изучением глубинного распределения изотопов, методов прогноза радиационной обстановки

вокеане, разработкой методов исследования и способов измерения радиоактивности фона.

Еще в 1954-1955 гг. японские ученые в районе атолла Бики­ ни проследили путь водных масс, загрязненных радиоактивностью

врезультате испытания атомной бомбы в атмосфере. Продукты ра­

диоактивных взрывов вместе с загрязненными ими водами океана за 4 месяца проделали путь в 2000 км, а за 8 месяцев — в 7000 км. Распределение радиоактивности по поверхности Атлантического и Индийского океанов более однородно, так как эти океаны не подвер­ гались загрязнению в результате ядерных взрывов.

Ядерная гидрофизика исследует закономерности формирования в океане полей ядерного загрязнения. Наиболее исследованы процессы формирования и распространения искусственной радиоактивности в океане. Поле концентрации s'изотопов изучается с помощью уравне­

ния турбулентной диффузии:

+ иVs = div Q - A s + y>j(S) + <p2(s) + y>3(s),

где v — скорость, Q — турбулентный диффузионный поток, чле­ ны/, у?,, (р2 описывают процессы радиоактивного распада, биоло­

гического и седиментационного расхода исследуемого изотопа, а <р3

характеризует фракционирование изотопов.

Изучение радиоактивности в гидросфере представляет интерес не только само по себе, но и с точки зрения решения ряда са­ мостоятельных задач гидрофизики. Так, тритий, который являет­

ся составной частью молекулы воды,		служит прекрасным трассе­
ром	при исследовании кругооборота	вод между океаном и су­
шей,	влагообмена в системе атмосфера-гидросфера, интенсивнос­

ти обмена водных масс в океане и т.д. Применение сравнительно

короткоживущего	изотопа 7Ве позволяет изучать	процессы, ха­
рактеризующиеся	различными пространственными и	временными
масштабами. При	исследовании адвекции в океане, интенсивнос­
ти обмена в нем	применяются изотопы водорода и кислорода 3Н
и 180 .

Многообразие форм, в которых искусственные и естественные радиоактивные изотопы присутствуют в океане, до сих пор мало изучено. Необходимо отметить также, что до настоящего времени данные по естественным радиоактивным изотопам весьма разрознен­ ны и нуждаются в дополнительном исследовании.

Данные о глубинных распределениях радиоизотопов анализиру­ ются с помощью так называемых “ящичных” моделей. При этом принимается, что определенная концентрация изотопа является мет­ кой одного из “ящиков”. Эти модели помогают определить про­ исхождение водных масс и возраст глубинных вод, а также ско­ рость обмена между соседними “ящиками”. Такие модели при­ годны только для квазистационарных условий, т.е. для изотопов с очень большими периодами полураспада, значительно превосхо­ дящими характерные временные масштабы гидрофизических про­ цессов.

Распределение осколочной радиоактивности по вертикали океана существенно зависит от колебаний и разрушения слоя скачка. По­ следнее вызывает так называемый эффект “шлюза”, интенсифици­ рующий процесс проникновения осколочной радиоактивности в глу­ бинные слои океана.

Успехи, достигнутые в изучении радиоактивности Мирового оке­ ана, позволяют прогнозировать радиационную обстановку в его конк­ ретных районах. Стало возможным определять радиационную опас­ ность в местах захоронения отходов атомной промышленности и рассчитывать предельные количества таких отходов. Так, напри­

мер, в 50-х гг. идеальным местом захоронения радиоактивных отходов считалось Черное море. Это утверждение базировалось на предположении об очень большом возрасте глубинных вод мо­ ря (порядка тысячи лет). Однако уже в 1948 г. В.А. Водяницкий показал, что возраст глубинных вод Черного моря измеряется всего 130 годами. Согласно данным дальнейших исследований верти­ кальный перенос радиоактивности в глубинах Черного моря зна­ чителен и определяется турбулентной диффузией и вертикаль­ ной скоростью течения (рис. 6.1). Таким образом было доказано, что Черное море не может быть могильником для ядерных от­ ходов.

ZOO Kz ,zn \с 0 0^5 /х0 пНи)л

Г

Рис. 6.1. Распределение по глубине Черного моря: а — вертикальной скорости течения w(z), б — коэффициента турбулентной диффузии kz (z), в — концентрации стронция-90 (Океанология. Физика моря, 1978)

Наиболее опасную радиационную обстановку создают гамма-из­ лучатели, поскольку гамма-кванты в морской воде обладают значи­ тельным пробегом. При рассеянии спектр гамма-излучения меняется, при этом возрастает его мягкая часть, которая легко поглощается морской водой.

Мера радиационной безопасности конкретного района определяет­ ся соотношением доз радиации, обусловленных искусственными изо­ топами, по сравнению с дозами естественного гамма-излучателя. Нередко искусственные радиоизотопы накапливаются морскими ор­ ганизмами. Это может быть опасным для человека, если такие орга­ низмы попадают в пищевые цепи.