ИЗВИНИТЕ, РЕКЛАМА.

Глубоководные обитаемые и телеуправляемые аппараты

Людское воображение издавна населяло океан таинственными и сказочными существами. В старинных книгах и манускриптах можно встретить упоминания самых изумительных морских созданий, не менее странных, чем те, что якобы обитали на суше где-нибудь в дебрях Тартарии. Но если с земными чудами-юдами более-менее покончила эпоха великих географических открытий, то планомерные исследования океана начались лишь немногим более 200 лет назад, причем почти до конца XIX века считалось, что из-за чудовищного давления жизнь на глубинах свыше 500 метров невозможна. А то, что жизнь существует даже на дне глубочайших океанических желобов, вообще стало известно только в середине XX века. Первые ультраабиссальные (обитающие на глубине более 6 километров) животные были подняты со дна Курило-Камчатского желоба, с глубины 8100 метров, лишь в 1949 году, во время второго рейса легендарного советского экспедиционного судна «Витязь». Но из-за бушевавшей в стране шпиономании возможности опубликовать результаты этих работ в открытой печати сначала не было. А годом позже ультраабиссальную (хадальную, по западной терминологии) жизнь нашла датская «Галатея». Естественно, датчане немедленно все опубликовали, и до сих пор честь открытия жизни на запредельных глубинах нередко приписывается именно этой экспедиции.

Но и долгие годы после этих работ ученым приходилось довольствоваться тем, что приносят со дна приборы, опускаемые с судна на стальном тросе. А это все равно, что изучать природу Подмосковья, вися на воздушном шаре в густых облаках. Воочию увидеть, что происходит на дне, отчасти помогали спускаемые на тросах же фотокамеры, но и эти снимки получались в результате тыканий наудачу в потенциально любопытных местах. Надо сказать, что и эти методы и средства позволили узнать о жизни на дне поразительно много: были собраны большие зоологические коллекции, выявлены основные закономерности распределения жизни на дне и в толще вод Мирового океана, нащупаны основные зоогеографические границы и закономерности распределения продуктивности. «Большой лик океана» ученым открылся. Но вот детали, вот экосистемы, существующие лишь на небольших участках дна, сквозь такой гребень легко проскакивали незамеченными. А как потом выяснилось, многие из них играют важнейшие роли!

Совершить следующий прорыв в изучении биологии океана позволили лишь глубоководные обитаемые и телеуправляемые аппараты, оказавшиеся в распоряжении океанологов с середины XX века. Исследователи, наконец, получили возможность изучать донные экосистемы как ландшафт, то есть, применяя методологические подходы, традиционно используемые для изучения наземных природных комплексов. Кроме того, подводные аппараты абсолютно незаменимы для изучения небольших, фактически «точечных» объектов антропогенного и природного происхождения на дне океана. К таковым относятся затонувшие суда, подводные коммуникации, а также уникальные гидротермальные экосистемы и экосистемы холодных высачиваний.

Первые глубоководные наблюдения проводились еще в 1930‑е годы Уильямом Бибом через иллюминатор батисферы, спускавшейся под воду на тросе. В 1934 году У. Биб вместе с О. Бартоном достиг рекордной по тем временам глубины 923 метра. Свои наблюдения исследователи фиксировали в основном с помощью зарисовок того, что видели. Что, в свою очередь, неизбежно порождало вопросы: а насколько точны эти рисунки? И до сих пор иногда в голосах ихтиологов, вспоминающих «бибовых рыб», можно услыхать отчетливые нотки скепсиса. Но все же — все же это был первый живой взгляд на черные глубины Океана.

Следующим поколением глубоководных обитаемых средств стали батискафы, не имеющие никаких механических связей с поверхностью и свободно перемещающиеся в водной толще. Их плавучесть обеспечивал гигантский поплавок, наполненный несжимаемым легким бензином, а всплытие происходило за счет сброса балласта, обычно металлической дроби. Эру батискафов открыло погружение аппарата FRNS‑2, созданного Огюстом Пикаром, которое состоялось 26 октября 1948 года в восточной Атлантике, у островов Зеленого Мыса. Глубина этого спуска достигла 1515 метров. В течение 30 лет батискафы оставались единственными техническими средствами, способными погружаться на предельные глубины в океане, с их помощью последовательно устанавливали рекорды погружений, во время которых проводили научные наблюдения.

И вот 23 января 1960 года, через то ли 51 год, то ли 52 года (а то и всего через 12 лет) после достижения Северного полюса Земли [1] , через 49 лет после покорения Южного полюса и всего через 7 (или все-таки 36? [2]) лет после покорения Эвереста, люди сумели достичь четвертой и последней «крайней» точки планеты: батискаф «Триест» с командой из двух человек, Дона Уолша и Жака Пикара, достиг дна Марианской впадины (11°21′ северной широты 142°12′ восточной долготы) в ее максимально глубоком участке, именуемом котловиной Челленджера, на глубине 10919 метров. Им удалось увидеть ровное, табачного цвета дно, покрытое плотным илом, красную мизиду (внешне похожего на креветку, но принадлежащего к другому отряду рачка) и медленно уплывавшее плоское существо длиной около 30 сантиметров, которое они сочли рыбой, но которое, вероятно, было все-таки глубоководной голотурией. Океан впер­вые был просмотрен «насквозь».

Однако большие габариты и вес до 300 тонн обусловили низкую маневренность батискафов, к тому же их эксплуатация связана с наличием на борту судна нескольких сотен тонн бензина, необходимого для работы балластной системы, что требует соблюдения строгих мер безопасности и может привести к загрязнению окружающей среды. Для успешных работ под водой требовались новые технические решения — и они были найдены.

К середине 1960‑х годов настало время аппаратов нового типа — мобильных, легких, маневренных. Неуклюжие бензиновые поплавки заменили куда меньшие по размерам поплавки из необжимаемых газонаполненных пластиков — синтактиков, сбрасываемую дробь отчасти или полностью — помпы высокого давления, способные закачивать и откачивать из балластных цистерн забортную воду против давления столба воды в 600 с лишним атмосфер. Высокая маневренность позволила аппаратам обзавестись высокофункциональными «руками»-манипуляторами (которые пытались ставить еще на батискафы, но те были слишком неуклюжи) и пробоотборниками. Первыми ласточками нового поколения глубоководных обитаемых аппаратов (ГОА) стали построенные в 1964–1970 годах в США «Алюминаут» (с глубиной погружения до 4500 метров), «Алвин», «Си Клифф» и «Тетл» (максимальное погружение 2000 метров), а также серия аппаратов «Стар» (до 1300 метров) и канадские аппараты «Пайсис», достигающие глубины 2000 метров (два аппарата из этой серии позже приобретет и Советский Союз), которые внесли большой вклад в науку в 1970–1980‑х годах.

Роль глубоководных обитаемых аппаратов для развития океанологии трудно переоценить. Именно благодаря им стало возможным открытие и исследование гидротермальных полей на дне океана. В 1979 году на 21° северной широты Восточно-Тихоокеанского поднятия с борта ГОА «Алвин» люди впервые наблюдали черные и белые курильщики с температурой флюида на выходе до 355 °C, с очень высоким содержанием сероводорода, обилием новых видов гидротермальной фауны и невероятно высокой биомассой. Обилие жизни в гидротермальных экосистемах базируется на альтернативном способе создания нового органического вещества: не с помощью фотосинтеза (который может происходить только в верхнем, освещенном солнцем слое океана толщиной порядка сотни метров, откуда крохи еды сыплются вниз, на «черные глубины»), а с помощью бактериального хемосинтеза, энергия на который берется из химических превращений веществ, содержащихся в извергаемых гидротермальных растворах. Это открытие положило начало целой серии замечательных исследований в разных районах Мирового океана и самых выдающихся открытий в океанологии XX века и заставляет по-новому взглянуть в том числе и на такие фундаментальные вопросы, как общая продуктивность океана. И при этом крохотные (размером в первые сотни метров) гидротермальные поля, лежащие на глубине в несколько километров, практически невозможно исследовать классическими забортными орудиями с поверхности…

Насколько исследования с аппаратов дополняют классические забортные траления, показывает один небольшой пример. В 90‑х годах прошлого века несколько экспедиций Института океанологии РАН работали в Атлантике в районе гибели знаменитого «Титаника». В частности, обломки судна и дно вокруг были обследованы в биологических погружениях ГОА «Мир». И оказалось, что состав животных, отмеченных наблюдателями (преимущественно крупных представителей эпифауны, поселившихся на обломках), и тех, что были добыты тралениями, отличается очень сильно. Так, 15 видов, отмеченных из аппарата (почти половина их общего числа), отсутствовала в траловых пробах. Но, конечно, мелкие обитатели грунта были, наоборот, отмечены только в тралах. Так что полную картину влияния корпуса «Титаника» на состав и распределение донной фауны (на самом деле важные сведения, освещающие роль твердых субстратов, встречающихся иногда среди илов океанского дна) смогли дать только комплексные исследования.

…Итак, развитие ГОА продолжалось, и в конце последней четверти XX века в строй стали вступать аппараты, способные достичь глубины 6000 метров, верхней границы ультраабиссали: французский «Нотиль» (1985 год), российские «Миры» (1987 год), японский «Шинкай‑6500» (1989 год). Модернизировался и увеличивал глубину своих погружений ветеран «Алвин»… Но, кроме обитаемых глубоководных аппаратов, на поле появились и другие игроки.

По мере развития океанологической техники в глубоководных исследованиях все бóльшую роль стали играть необитаемые, дистанционно управляемые аппараты (в переводе с английского: remotely operated vehicle — сокращенно ROV). Если ранее закрепленные на стальном тросе фотокамеры приносили лишь отдельные изображения океанского дна, причем без точной привязки к координатам, то теперь гидроакустическая система навигации с ультракороткой базой позволяет вести оперативные определения местоположения аппарата с борта судна, сообщая оператору его координаты. Кроме того, появление компактных фото- и видеокамер высокого разрешения с регулируемым в широких пределах фокусным расстоянием, а также совершенствование орудий пробоотбора позволяет оператору, находящемуся на борту судна, проводить практически те же операции, которые ранее мог выполнить только квалифицированный пилот обитаемого аппарата.

К преимуществам дистанционно управляемых аппаратов (в сравнении с ГОА) относится их дешевизна и безопасность: пилот находится не под водой в маленькой сфере, а на борту судна, в относительно комфортных условиях. Кроме того, время работы аппарата на дне практически неограниченно: если автономный ГОА работает исключительно на собственных аккумуляторах, то в данном случае питание подается с судна по кабель-тросу. Все это привело к тому, что во многих странах налажено серийное производство таких аппаратов, в мире насчитывается несколько десятков ROV разных систем. Один из них (производства шотландской фирмы «Sub-Atlantic»), под названием «Команч» с серийным номером 18 («Comanche 18») и с рабочей глубиной до 6000 метров, уже несколько лет находится в распоряжении Национального научного центра морской биологии во Владивостоке. В последние годы с этим аппаратом в ходе уже трех экспедиций научно-исследовательского судна «Академик М. А. Лаврентьев» были проведены интереснейшие работы в Беринговом море, в частности, исследованы единственные известные гидротермальные сообщества из российских территориальных вод на подводном вулкане Пийпа и фауна районов газовых выходов на шельфовом склоне.

Но при всех своих преимуществах буксируемые аппараты имеют и существенные недостатки. Например, они гораздо менее маневренны, и их перемещение у дна зависит, в том числе, и от движений надводного судна, и от положения промежуточной станции-депрессора (именно она спускается с судна на стальном тросе, а вокруг нее на мягком 100‑метровом кабеле уже гуляет сам аппарат). Сколько раз случалось в том же Беринговом море, что оператору только-только удавалось вывести «Команча» на нужную позицию, и тут депрессор смещался, и аппарат безнадежно утаскивало в сторону… Да и телекамеры, при всем своем совершенстве, не способны все же полностью заменить человеческий глаз, и с позиционированием системы тоже бывают сложности.

Так что обитаемые аппараты своих позиций не сдают. И, более того, в последние годы в мире отмечается явный их ренессанс. Уже в июле 2020 года завершил свой очередной апгрейд «Алвин» (кажется, от изначального аппарата там за эти годы осталось только имя на борту), способный отныне погружаться до 6500 метров. Сделали свои исследовательские ГОА китайцы, и в ноябре прошлого года их «Фендуже» («奋斗者») повторил достижение «Триеста», сходив в Марианскую впадину на глубину 10909 метров. Это именно «классические» исследовательские ГОА, так-то были еще и «Deep­sea Challenger» Джеймса Кэмерона, и «Limiting Factor» Виктора Весково… Эпоха обитаемых аппаратов еще отнюдь не завершена. И, будем надеяться, они еще позволят нам узнать немало нового о жизни в Океане.

P. S. Тех, кто хочет подробнее узнать об истории создания и использования глубоководных обитае­мых аппаратов для океанологических исследований, мы адресуем к замечательным книгам Анатолия Михайловича Сагалевича «Глубина» и «Романтическая океанология», выпущенным в 2017 и 2018 годах.

Георгий Михайлович Виноградов, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник.

Сергей Владимирович Галкин, доктор биологических наук, главный научный сотрудник Лаборатории донной фауны океана Института океанологии имени П. П. Ширшова РАН.

Примечания:

[1] Претензии Фредерика Кука на то, что это он, а не Роберт Эдвин Пири, первым достиг Северного полюса в 1908 году, выглядят достаточно убедительными для того, чтобы не отвергать их с ходу. В то же время существует и точка зрения, что на самом деле ни Кук, ни Пири на Северный полюс так и не попали, и в первый раз люди оказались именно на нем, а не где-то в окрестностях, только во время советской Высокоширотной воздушной экспедиции «Север‑2» в 1948 году.

[2] Британские альпинисты Джордж Мэллори и Эндрю Ирвин погибли 8 июня 1924 года при попытке взойти на вершину горы, и до сих пор неизвестно, случилось ли это еще на подъеме — или уже при спуске.

Источник: Журнал Знание-Сила


ПОПУЛЯРНОЕ В КАЮТ-КОМПАНИИ

5 идей Аристотеля

Как домашние питомцы влияют на своих хозяев

Этический спор: кто и как распоряжается нашими данными в электронной коммерции

Какие химические процессы происходят в банке с солеными огурцами?

Мир в XXI веке: страхи, выгодоприобретатели и постчеловеческий миф