Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние и использование природных ресурсов океана 17
1.1. Состояние и экологические последствия освоения природных ресурсов суши 17
1.2. Роль океана в функционировании биосферы и воспроизводстве природных ресурсов. Антропогенная деятельность в океане 33
1.3. Состояние и использование природных ресурсов океана, особенности их распределения по глубинам и перспективы освоения 40
1.3.1. Биологические ресурсы океана
1.3.2. Химические ресурсы океана 51
1.3.3. Тепловые и энергетические ресурсы океана 75
ГЛАВА 2. Материалы и методы исследования ." 94
ГЛАВА 3. Устройства для подъема глубинных вод . 101
3.1. Краткий обзор проектов и устройств для подъема глубинных вод 102
3.2. Устройства для подъема глубинных вод, использующие энергию волн 105
ГЛАВА 4. Гидрологическая структура вод океана, природные нарушения вертикальной структуры вод и экологические последствия 122
4.1. Водные массы и вертикальная структура вод океана 122
4.2. Природные нарушения вертикальной структуры вод 127
4.2.1. Типы и примеры нарушений вертикальной структуры вод 127
4.2.2. Распространение глубинной воды в поверхностном слое моря 135
4.3. Экологические последствия природных нарушений вертикальной структуры вод 143
4.3.1. Изменение условий среды поверхностного слоя вод 143
4.3.2. Изменение структуры и функционирования пелагической экосистемы 150
ГЛАВА 5. Антропогенные нарушения вертикальной структуры вод 169
5.1. Антропогенная деятельность, приводящая к нарушению вертикальной структуры вод 169
5.2. Сравнительный анализ природных и антропогенных нарушений вертикальной структуры вод 173
5.3. Распространение глубинной воды в поверхностном слое моря 179
ГЛАВА 6. Возможные экологические последствия антропогенных нарушений вертикальной структуры вод 190
6.1. Изменение условий среды поверхностного слоя вод.. 190
6.2. Изменение структуры и функционирования пелагической экосистемы 199
6.2.1. Изучение влияния искусственного подъема глубинных вод Черного моря на жизнедеятельность гидробионтов 199
6.2.1.1. Гидрологическая структура вод района исследований 200
6.2.1.2. Постановка задач и схема экспериментов 203
6.2.2. Оценка влияния глубинных вод Черного моря на представителей структурных групп организмов... 206
6.2.2Л. Продуценты 208
6.2.2.2. Консументы 221
6.2.2.3. Редуценты 229
6.2.2.4. Детритообразование 235
6.2.3. Функционирование пелагических экосистем при антропогенных нарушениях вертикальной структуры вод и возможные экологические последствия 238
ГЛАВА 7. Перспективы освоения запаса биогенных веществ глубинных вод океана для производства биологической продукции ... 259
7.1. Продуцирование органического вещества и возможности повышения биологической продуктивности вод при использовании запаса биогенных веществ глубинных вод путем их подъема в поверхностный слой моря 259
7.2. Оценка потенциальной продуктивности вод Черного моря и некоторых районов океана при искусственном подъеме глубинных вод 268
7.3. Использование запаса биогенных веществ для производства биологической продукции при культивировании гидробионтов и промысле рыбы 277
ГЛАВА 8. Пути предотвращения негативных экологических последствий искусственного подъема глубинных вод океана и рационального освоения их ресурсов 290
8.1. Рекомендации по проведению исследований. Подходы к проблемам искусственного подъема глубинных вод и оценке его последствий 291
8.2. Некоторые пути рационального освоения природных ресурсов глубинных вод океана, предотвращающие возникновение негативных экологических последствий 299
8.2.1. Комплексное освоение природных ресурсов глубинных вод океана и мероприятия по его осуществлению... 300
8.2.2. Управление распространением глубинной воды в поверхностном слое моря и мероприятия по его осуществлению 305
8.2.3. Функционирование пелагической экосистемы при проведении мероприятий по управлению распространением глубинной воды в поверхностном слое моря 323
8.3. Улучшение качества вод относительно мелководных
загрязненных водоемов и комплексное использование
природных ресурсов их глубинных вод 330
Выводы 352
Список использованной литературы 354
- Роль океана в функционировании биосферы и воспроизводстве природных ресурсов. Антропогенная деятельность в океане
- Устройства для подъема глубинных вод, использующие энергию волн
- Природные нарушения вертикальной структуры вод
- Сравнительный анализ природных и антропогенных нарушений вертикальной структуры вод
Введение к работе
Актуальность проблемы. Существование живых растительных и животных организмов, в том числе человека, удовлетворение их основных потребностей и поддержание жизненно важных функций невозможно без потребления ресурсов, находящихся и воспроизводящихся на нашей планете. Необходимым условием существования белковых тел является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой.
На заре развития человеческого общества, когда численность людей на Земле была невелика, человек, как и другие живые организмы, потреблял природные ресурсы, главным образом, для удовлетворения своих основных биологических потребностей. В этот период он осваивал наиболее легкодоступные природные ресурсы, находящиеся вблизи мест своего обитания, затрачивая на их освоение небольшое количество, в основном, мускульной энергии. В это время воздействие человека на природу было незначительным и практически не выходило за рамки воздействия других биологических видов, населяющих Землю, а потребление природных ресурсов и выделение продуктов жизнедеятельности не оказывало существенного влияния на биосферу. Энергетические возможности человека были в то время еще слишком малы, по сравнению с энергетикой основных природных процессов.
Однако уже тогда стихийная деятельность человека приводила к негативным последствиям, связанным с изменением среды, - вырубались леса, распахивалась почва, истощались источники воды и т.д. В истории человеческого общества известны примеры, когда его деятельность приводила к истощению природных ресурсов, в частности воды и пищи, в результате чего погибали целые цивилизации (Олдак, 1983; Никоноров, 1996).
Резкое увеличение численности населения Земли, составлявшего в 1820 г. 1 млрд. человек, в 1930 г. 2 млрд., в 1960 г. 3 млрд. человек и достигшего к 2000 г. 6 млрд. человек, привело к увеличению потребностей человека в природных ресурсах (Борисенков, 1982). В то же время, развитие цивилизации привело к тому, что у человека, наряду с основными биологическими потребностями,
необходимыми для его существования как биологического вида, появился ряд
новых, "надбиологических" потребностей, обеспечивающих улучшение
условий его жизни, удовлетворение материальных и культурных запросов и т.д.
Таким образом, в освоение включились не только природные ресурсы,
представляющие собой «совокупность природных условий и компонентов окружающей среды, необходимых для существования живых организмов, но и природные вещества и элементы, организмы и виды энергии, которые служат средствами существования человеческого общества и используются для промышленной переработки, выработки электроэнергии и других целей» (Залогин, 1983; 1984).
Существующий на Земле круговорот вещества и энергии, обеспечивающий, наряду с потреблением ресурсов, их постоянное воспроизводство, свидетельствует о том, что все природные ресурсы биосферы естественным образом возобновляются. Однако, скорость их естественного возобновления неодинакова. Воспроизводство некоторых ресурсов, например, тепла, воды, почв, некоторых газов, биомассы растений и животных может происходить в течение относительно короткого промежутка времени, и такие ресурсы принято называть возобновляемыми. В то же время на естественное воспроизводство других ресурсов, таких как каменный уголь, нефть, железо и ряда других требуются миллионы лет, и такие ресурсы называются невозобновляемыми.
Для удовлетворения возросших потребностей человек стал осваивать все большее количество как возобновляемых, так и невозобновляемых природных ресурсов. Для освоения такого количества ресурсов мускульной энергии становилось явно недостаточно и человек начал применять различные механизмы, используя для обеспечения их работы ископаемое топливо -сначала лес, а затем уголь, нефть и газ, затрачивая огромное количество энергии, заключенной в этих ресурсах, накапливаемых природой Земли многие миллионы лет. В результате этого, интенсивность освоения природных ресурсов превысила скорость их восстановления в природе, что нарушило энергетический баланс биосферы (Одум Г., Одум Э., 1978; Кондратьев, Донченко, 1999).
К середине XX столетия антропогенная деятельность по освоению природных ресурсов Земли стала оказывать настолько заметное влияние на биосферу и ее последствия стали настолько ощутимыми, что человек стал главной движущей силой природного процесса на нашей планете, а его деятельность приобрела масштабы, сравнимые с действием геологических процессов (Вернадский, 1960; 1965).
В результате такой деятельности природные ресурсы Земли стали исчерпываться все более быстрыми темпами, что привело к настоящему времени к ощутимому дефициту многих из них, так что нехватка ресурсов стала глобальной проблемой. В то же время огромное количество продуктов человеческой деятельности, поступающих в окружающую среду, главным образом, в результате сжигания ископаемого топлива при освоении ресурсов, настолько загрязнило биосферу, что создало угрозу наступления глобального экологического кризиса, который может привести к уничтожению человеческой цивилизации (Будыко, 1974; Коммонер, 1976; Будыко, 1977; 1980; 1984; Израэль, 1984; Будыко, Голицин, Израэль, 1986; Будыко, Израэль, 1987; Израэль, Цыбань, 1989; Израэль, 1991; Трухин, Показеев и др., 2000; Абакумов, Калабеков, 2002).
Растущая техническая и энергетическая вооруженность человека позволяет более интенсивно и во все больших масштабах осваивать как возобновляемые, так и невозобновляемые ресурсы нашей планеты, осуществлять все более масштабные проекты по извлечению минеральных, биологических и других природных ресурсов (Израэль, 1984). В то же время рост производительных сил и изменение технологий производства значительно увеличивают степень риска деятельности человека на окружающую среду, резко увеличивав вероятность воздействия последствий такой деятельности на биосферу. Благодаря этому, влияние каждого современного человека на окружающую среду оказывается в 100 раз большим, чем влияние человека каменного века (Никитин, Новиков, 1980).
Можно сказать, что к настоящему времени на Земле сложилась сложная противоречивая ситуация. Для удовлетворения растущих потребностей постоянно увеличивающегося населения Земли требуется осваивать все больше и больше природных ресурсов. Запасы природных ресурсов ограничены и к настоящему времени в значительной степени уже освоены и истощены. На освоение большего количества ресурсов необходимо затрачивать все большее количество энергии. Однако, традиционные ресурсы энергии, заключенной, главным образом, в ископаемом топливе, также ограничены, истощены и находятся на грани исчерпания. Ситуация усугубляется тем, что использование традиционных источников энергии при освоении природных ресурсов приводит ко все большему загрязнению биосферы - среды обитания человека, ускоряя возможность наступления экологического кризиса.
Современный человек осознал сложность положения с природными ресурсами и состоянием биосферы, сложившегося к настоящему времени на нашей планете, и ищет пути выхода из создавшейся ситуации. Поэтому вопросы обеспечения населения Земли природными ресурсами и недопущения загрязнения биосферы приобретают первостепенное значение и становятся крайне актуальными.
Одним из путей выхода из напряженной ситуации с природными ресурсами является освоение многочисленных и практически неисчерпаемых ресурсов океана, содержащихся в толще его вод и в водах больших глубин. Значительная часть этих ресурсов в настоящее время в недостаточной степени используется человеком или совсем не используется. В условиях исчерпания и нехватки ресурсов суши для многих стран освоение природных ресурсов Мирового океана становится одним из важнейших путей решения сырьевых и энергетических проблем и одним из наиболее перспективных направлений человеческой деятельности в будущем (Романовский, Франсис-Беф и др., 1960; Карпов, 2000).
Не вызывает сомнения, что освоение природных ресурсов океана должно осуществляться не только рациональным образом, предусматривающим
освоение как можно большего количества и комплекса ресурсов, не подрывающего их запасы. Оно должно осуществляться таким образом, чтобы не допускалось загрязнение биосферы и не усиливались глобальные экологические проблемы, к которым привело освоение природных ресурсов суши (Шмидхейн, 1994).
В настоящее время освоение природных ресурсов океана, содержащихся в толще его вод и на больших глубинах, возможно при подъеме больших объемов глубинной воды в поверхностный слой моря (на судно, на платформу). Глубинные воды океана, расположенные под слоем пикноклина или термоклина, как правило, значительно отличаются от водной массы поверхностного слоя по ряду абиотических и биотических признаков. Искусственный подъем больших объемов глубинных вод нарушит природную вертикальную структуру вод океана в районах подъема, изменит условия поверхностного слоя и вызовет изменения в водной экосистеме, что может привести к возникновению негативных экологических последствий не только для водной среды, но и для биосферы (Малиновский, 1993; Несов, 1995; Пшеничный, 2000; Пшеничный, Безносое, 2001; Пшеничный, 2003 а, б,).
Между тем, механизм образования экологических последствий при искусственном подъеме в поверхностный слой морей и океанов глубинных вод сложен, и экологические проблемы, возникающие при антропогенном подъеме глубинных вод, приводящие к негативным последствиям, изучены явно недостаточно. В связи с заметным исчерпанием ресурсов суши, освоение природных ресурсов океана будет приобретать все большие масштабы, нарушения структуры вод будут охватывать все большие акватории морей и океанов, так что вероятность возникновения негативных экологических последствий увеличится. Интенсивное освоение природных ресурсов океана, содержащихся в глубинных водах, потребует не только разработки путей их рационального освоения и научно обоснованных прогнозов возможных экологических последствий такой деятельности, но и разработки путей по предотвращению возникновения негативных последствий, связанных с
11 подъемом вод. Таким образом, исследование экологических проблем искусственного подъема глубинных вод приобретает особую актуальность.
Цель и задачи исследования. Основной целью работы является исследование экологических проблем, возникающих при искусственном подъеме глубинных вод в поверхностный слой океана, и разработка путей их рационального освоения, предотвращающих негативные экологические последствия.
Для решения этой цели поставлены следующие конкретные задачи:
проанализировать современное состояние и использование биологических, химических, тепловых и энергетических ресурсов океана, особенности их распределения по глубинам и перспективы освоения при подъеме глубинных вод в поверхностный слой;
- рассмотреть существующие проекты и устройства для подъема в
поверхностный слой океана глубинных вод и разработать устройства,
использующие для этой цели возобновляемые источники энергии океана;
проанализировать процессы, происходящие в поверхностном слое вод океана и в функционировании пелагических экосистем в районах природных подъемов глубинных вод, и выявить их связи с экологическими последствиями;
исследовать воздействие основных факторов среды при искусственном подъеме глубинных вод" на условия поверхностного слоя моря, жизнедеятельность организмов и функционирование пелагических экосистем;
- изучить причины возникновения экологических последствий в
различных случаях распространения глубинной воды при ее искусственном
подъеме в поверхностный слой моря;
- оценить перспективы использования биопродукционного потенциала
глубинных вод океана при их подъеме в поверхностный слой с целью
комплексного освоения ресурсов и предотвращения негативных экологических
последствий;
- обосновать целесообразность создания искусственного подъема
глубинных вод для промысла рыбы и культивирования гидробионтов и
использования для этих целей глубинных вод, поднимаемых в качестве побочного продукта при других видах антропогенной деятельности;
- разработать мероприятия по управлению распространением глубинной воды при ее подъеме в поверхностный слой, позволяющие предотвратить действие факторов среды, приводящих к негативным последствиям, и использовать действие факторов, приводящих к позитивным последствиям, для производства биологической продукции;
разработать мероприятия и устройства по искусственной дестратификации вод загрязненных природных водоемов, способствующие улучшению качества их вод и комплексному использованию ресурсов, содержащихся в глубинных слоях.
Основные защищаемые положения. Предметом защиты являются следующие положения:
1. Искусственный подъем глубинных вод является мощным фактором
воздействия на среду поверхностного слоя моря, жизнедеятельность водных
организмов, структуру и функционирование пелагической экосистемы и
биосферу.
2. К негативным экологическим последствиям при искусственном подъеме
глубинных вод приводит, главным образом, действие температурного фактора
среды, вызывающее изменение теплосодержания вод поверхностного слоя
моря, и функционирование высокопродуктивных пелагических экосистем,
образующихся в местах подъема вод, приводящее к нарушению современного
баланса биогеохимических процессов биосферы.
3. Одним из путей рационального освоения природных ресурсов
глубинных вод океана является их комплексное использование, включающее
использование биопродукционного потенциала глубинных вод.
Культивирование гидробионтов в местах искусственного подъема глубинных
вод может быть одним из основных мероприятий по мелиорации вод
поверхностного слоя, предотвращающих возникновение негативных
экологических последствий.
4. Организация промысла рыбы и культивирования гидробионтов в местах искусственного подъема глубинных вод может быть перспективным направлением антропогенной деятельности по производству биологической продукции. Для этой цели целесообразно как создание искусственного подъема вод в некоторых районах океана, так и использование глубинных вод, поднимаемых к поверхности в качестве побочного продукта при других видах антропогенной деятельности.
5. На основании дифференцированного подхода к оценке действия
факторов среды при искусственном подъеме глубинных вод разработана
система мероприятий, технологических схем и рекомендаций по управлению
распространением глубинной воды, направленных на предотвращение действия
факторов среды, приводящих к негативным последствиям и использование
действия факторов, приводящих к позитивным последствиям. Проведение
предложенных мероприятий предотвратит возникновение негативных
последствий и обеспечит создание высокопродуктивных экосистем для
производства биологической продукции.
6. Искусственная дестратификация вод загрязненных водоемов
волновыми устройствами, интенсифицирующими водообмен и аэрацию вод,
способствует улучшению качества водной среды и рациональному
использованию ресурсов глубинных слоев, увеличивая выход биологической
пищевой продукции.
Научная новизна и теоретическая значимость работы. Настоящая работа является первым целенаправленным исследованием экологических проблем, возникающих в океане при искусственном подъеме глубинных вод, позволившим разработать некоторые пути их рационального освоения, предотвращающие возникновение негативных экологических последствий.
На основании полученных материалов по воздействию факторов среды на воду поверхностного слоя и жизнедеятельность пелагических организмов предложена принципиальная схема структурной перестройки и
функционирования пелагической экосистемы при искусственном подъеме глубинных вод и возникновения экологических последствий.
Научно обоснованы перспективы комплексного освоения природных ресурсов глубинных вод океана, включающего использование биопродукционного потенциала этих вод для культивирования растительных и животных организмов. Показано, что культивирование гидробионтов в местах антропогенного подъема вод может быть одним из основных мероприятий по предотвращению возникновения негативных экологических последствий.
Научно обоснована целесообразность создания искусственного подъема глубинных вод в некоторых районах океана для промысла рыбы и культивирования гидробионтов, а также использования для этих целей глубинных вод, поднимаемых в качестве побочного продукта при других видах антропогенной деятельности.
Разработана методологическая основа системы мероприятий, технологических схем и рекомендаций по управлению распространением глубинной воды при ее подъеме в поверхностный слой, предотвращающих возникновение негативных экологических последствий и способствующих созданию высокопродуктивных, сбалансированных пелагических экосистем с целью увеличения производства биологической пищевой продукции. Предложена гипотетическая схема функционирования пелагических экосистем при проведении таких мероприятий.
Разработаны мероприятия по искусственной дестратификации вод загрязненных водоемов, для реализации которых разработаны и апробированы устройства, интенсифицирующие водообмен и аэрацию вод, использующие энергию волн.
Практическое значение. Результаты работы могут быть использованы в следующих областях практической деятельности:
- для оценки возможных экологических последствий воздействия различных видов антропогенной деятельности, связанной с подъемом глубинных вод, на окружающую среду (ОВОС);
- для оценки ущерба деятельности по подъему глубинных вод;
- при разработке и проведении в водоемах природоохранных
мероприятий по предотвращению негативных последствий антропогенного
подъема глубинных вод;
- для организации рационального, комплексного использования ресурсов
глубинных вод;
- при организации промысла рыб и хозяйств по культивированию
гидробионтов в местах искусственного подъема глубинных вод с целью
увеличения производства биологической продукции в водоемах;
при разработке технологий интенсивной аквакультуры;
при проведении природоохранных мероприятий по улучшению качества вод загрязненных природных водоемов различного назначения.
Апробация работы. Результаты работ были представлены на международном симпозиуме по биопродуктивности экосистем апвеллингов (Москва, 1979); научно-техническом совещании "Использование физических раздражителей в целлх развития морского рыбного промысла" (Клайпеда, 1982); П-м Всесоюзном съезде океанологов (Ялта, 1982); 1-м Всесоюзном симпозиуме "Теоретические основы аквакультуры" (Москва, 1983); заседании Ученого Совета ВНИРО (Москва, 1984); заседании лаборатории планктона института океанологии им. П.П. Ширшова РАН (Москва, 1984); Всесоюзной конференции «Природная среда и проблемы изучения, освоения и охраны биологических ресурсов морей СССР и Мирового океана» (Ленинград, 1984); Международном симпозиуме по районам апвеллингов Западной Африки (Барселона, 1985); Научно-консультативном совете по биологическим ресурсам Мирового океана Межведомственной Ихтиологической комиссии (Москва, 1985); Всесоюзной конференции «Искусственные рифы для рыбного хозяйства» (Москва, 1987); Ш-м съезде советских океанологов (Ленинград, 1987); Ш-й Всесоюзной конференции по морской биологии (Севастополь, 1988); Международном симпозиуме по современным проблемам марикультуры
16 в социалистических странах (Б.Утриш, 1989); Международном конгрессе "Вода: экология и технология" (Москва, 1994); Международном симпозиуме "Ресурсосберегающие технологии в аквакультуре" (Краснодар, 1996); 1 -м Конгрессе ихтиологов России (Астрахань, 1997); Международном Тихоокеанском конгрессе (PACON) «Человечество и океан» (Москва, 1999); Научной конференции «Водные экосистемы и организмы - 3» (Москва, 2000); ХП-й Международной конференции по промысловой океанологии (Светлогорск, 2002); Международном семинаре «Роль климата и промысла в изменении структуры зообентоса шельфа» (Мурманск, 2003); Ученом Совете Межведомственной Ихтиологической комиссии (Москва, 2004).
Результаты работы демонстрировались на международных выставках. На ВДНХ СССР в 1990 г. работа отмечена серебряной медалью, на выставке «Инрыбпром - 2000» в 2000 г. - дипломом.
Публикации. По теме работы опубликовано 58 работ, из которых 15 авторских свидетельств.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 416 страницах машинописного текста и состоит из введения, 8 глав, выводов и списка литературы. Диссертация включает 23 таблицы и 40 рисунков. Список литературы содержит 558 отечественных и 106 иностранных наименований работ.
Роль океана в функционировании биосферы и воспроизводстве природных ресурсов. Антропогенная деятельность в океане
Одним из путей выхода из сложившегося на Земле напряженного положения с природными ресурсами и загрязнением биосферы может быть освоение многочисленных и практически неисчерпаемых природных ресурсов океана. Их освоение должно осуществляться не только бережно и рационально, обеспечивая естественное воспроизводство, но должно учитывать негативные последствия освоения ресурсов суши, приведшие к настоящему времени к глобальным экологическим проблемам.
Водная оболочка Земли - гидросфера, представляющая собой, главным образом, воды океана и покрывающая более 70% площади нашей планеты, играет ключевую роль в функционировании биосферы и воспроизводстве природных ресурсов. На протяжении многих миллиардов лет океан способствовал созданию биосферы и живой материи. И в настоящее время океан принимает основное участие в создании условий и ресурсов для существования живых организмов, являясь их неисчерпаемым источником.
Морская вода ближе всего напоминает по химическому составу живой человеческий организм. Мировой океан является колыбелью жизни на нашей планете, так как именно в его водах зародилась жизнь на Земле.
Занимая огромную площадь поверхности планеты, океан поглощает основное количество солнечной энергии, поступающей на Землю, тем самым, обеспечивает процесс переноса лучистой энергии, происходящий между космическим пространством и Землей. Морская вода в силу своих абсорбционных свойств поглощает и выделяет газы, обмениваясь ими с атмосферой, обеспечивая постоянство газового состава биосферы, являясь регулятором температуры, состава атмосферного воздуха и хода климатических процессов, является кухней погоды и, таким образом, управляет практически всеми природными процессами на Земле (Косарев, Савенков, 1983; Каган, Рябченко и др., 1986; Бах, Крейн и др., 1987; Яншин, 1994; Батурин, 2001; Кузнецов, Виноградов, 2001).
Океан - основной поставщик кислорода, так как 70 % кислорода планеты вырабатывается зелеными растениями моря — организмами фитопланктона. Океан содержит и производит практически все ресурсы, необходимые для существования биосферы и живых организмов, в том числе человека/и для развития человеческого общества. Растения океана производйг громадное количество органического вещества, сопоставимое с количеством органического вещества, синтезируемого растениями суши, являясь поставщиком биологических ресурсов - рыбы и других водных объектов, используемых человеком (Богоров, 1970 а, б).
Мировой океан является неисчерпаемой кладовой органического углерода. Его запасы на дне океана в тысячи раз превышают запасы углеводородного топлива на суше. Дно океана, являющееся продолжением материков, содержит огромные запасы традиционных энергетических ресурсов углеводородного ископаемого топлива - угля, нефти, газа, которые успешно осваиваются человеком. В ряде районов уголь добывается как со дна океана открытым способом, так и из-подо дна океана, как и на суше - шахтным способом. Из подо дна океана добывается нефть и природный газ. Морская добыча нефти и газа постоянно растет. Месторождения нефти и газа обнаруживаются и осваиваются на все больших глубинах океана, распространяясь с континентального шельфа на свал глубин (Krueger, 1978). В 1985 г. доля нефти и газа, добытых в море, составляла 28,5% и 20,5%, соответственно. К 2000 г. мировая добыча морской нефти и газа составит до 50 %(Слевич, 1988).
На дне океанов обнаружены также подводные источники газов -газогидраты, освоение которых может быть перспективным (Зоненштейн, Мурдмал и др., 1987; Соколов, 1988; Гинсбурк, Соловьев, 1994).
Во многих районах со дна океана добывается природное сырье для получения строительных материалов. В ряде прибрежных районов открытым способом добывается песок и гравий. На дне океана найдены запасы ценных минеральных веществ - твердых полезных ископаемых. Интенсивно разрабатываются такие виды минеральных ресурсов как фосфориты, касситерит, ильменит, циркон, платина и алмазы, магний, калийные соли (Гаврилов, 1990).
Серьезные перспективы удовлетворения мировых потребностей в ряде металлов связываются с использованием полиметаллических конкреций -нового нетрадиционного минерального сырья, находящегося на глубоководных месторождениях дна океана, которые по составу и концентрации металлов не имеют аналогов на суше. Распространение месторождений полиметаллических конкреций, содержащих никель, медь и кобальт, найдено на огромных площадях мирового океана, приуроченных к крупным морфоструктурам морского дна - глубоководным котловинам, вулканическим поднятиям, флангам срединно-океанических хребтов (Пилипчук, 2001). На значительных площадях дна океана концентрации конкреций настолько высоки (несколько кг/м2), что их добыча может быть перспективной и экономически выгодной (Карпов, 2000).
Воды океана содержат все известные химические вещества, необходимые для существования биосферы и поддержания ее химического состава на определенном уровне, обеспечивающем существование живых организмов. Химические вещества, растворенные в водах океана в огромных количествах, являются неисчерпаемым ресурсом, который уже используется человеком в его повседневной жизни и еще шире будет использоваться в будущем для нужд различных отраслей промышленности (Венк, 1971).
Большой интерес представляют химические вещества, найденные на дне океана на больших глубинах (порядка 2000 - 4000 м) в местах выхода горячих вод из недр Земли, так называемых гидротермальных источниках. Изучен природный процесс осаждения различных металлов, поступающих из гидротермальных подводных источников и показано, что часть солей металлов, выходя из таких источников, соприкасаясь с морской водой, отлагается на дне океана, образуя полиметаллические залежи в виде конусовидных надстроек («черных курильщиков»). Такие отложения являются настоящими «богатыми», высококонцентрированными рудами, которые, в принципе, можно осваивать, в случае их подъема на поверхность.
Значительная часть химических веществ, выходящих из гидротермальных источников, представляет собой насыщенные «рассолы» металлов. Воды, содержащие полиметаллические «рассолы», распространяются в виде шлейфа, занимая значительные объемы придонного слоя глубинных вод в районах гидротермальных источников и могут быть использованы для извлечения химических веществ (Дрейк, Имбри и др., 1982; Лобье, 1990; Галкин, 2002; Гебрук, Галкин, 2002).
Следует упомянуть о самых перспективных энергетических ресурсах океана, содержащихся в его водах, о топливе будущего - водороде и уране, над эффективной возможностью извлечения которых из морской воды работают во
Устройства для подъема глубинных вод, использующие энергию волн
Наибольший интерес для подъема на поверхность водоемов вод с глубины, по нашему мнению, представляют устройства, использующие для своей работы возобновляемую энергию морских ветровых, поверхностных волн.
Одно из первых зарегистрированных устройств, предназначенных для подъема воды с глубины с использованием энергии волн, предложено Дж. Айзэксом для выработки электроэнергии (Isaacs, Castle et al., 1976; Isaacs,
Schmitt, 1980). Работа этого устройства испытана в море. Оно состоит из поплавка и трубопровода, оборудованного обратным клапаном. Благодаря движению трубопровода на волнах вверх-вниз и наличию клапана, вода с нижнего горизонта поднимается вверх и сжимает воздух, находящийся над клапаном. Сжатый воздух поступает в камеру и, выходя из нее, вращает турбину генератора для выработки электроэнергии, а глубинная вода выливается из трубопровода в поверхностный слой моря.
Имеется устройство, состоящее из поплавка-резервуара и двух труб разного диаметра. При волнении в резервуар поступает теплая вода из поверхностного слоя. Эта вода накапливается в резервуаре и, когда резервуар устройства поднимается на гребень волны, поступает по трубе небольшого диаметра вниз (на глубину). Теплая вода, поступившая с поверхности по трубе небольшого диаметра, выливается (снизу) в трубу большого диаметра. Предполагается, что менее плотная, теплая вода поверхностного слоя, поступающая снизу в трубу большого диаметра, будет подниматься вверх и "увлекать" за собой глубинную воду, обеспечивая, тем самым, подъем в поверхностный слой по трубе большого диаметра некоторых объемов холодной воды с глубины (Breit, 1977).
Предлагается ряд устройств, обеспечивающих подъем воды с глубины за счет энергии волн, двигающих вверх-вниз плавучий поршень, который находится внутри трубы, закрепленной на дне водоема (Коптяев, 1989) или поплавка, растягивающего на волне резиновую трубу, оборудованную обратным клапаном, так называемой петропомпы (Коробков, 1986; Lennart, Sjostrom, 1988).
Для подъема глубинных вод в поверхностный слой с использованием энергии волн предлагается также ряд устройств с трубопроводом, внутри которого движется вверх-вниз шнековая система (Жестков, Кононов и др., 1983; Рыжов, 1987; Рыжов, Глухов, 1987).
Следует отметить, что из множества устройств, предназначенных для подъема в поверхностный слой глубинных вод, использующих энергию волн, большинство имеет довольно сложную конструкцию и не испытано в натурных морских условиях.
Нами разработан ряд устройств для подъема на поверхность природных водоемов вод с глубины, также использующих энергию поверхностных ветровых волн. Конструкции устройств защищены 7 авторскими свидетельствами (Авт. свидет., Пшеничный, №№ 1248579, 1976; 1314989, 1987; 1384656, 1987; 1511455, 1989; 1563646, 1990; 2057230, 1996; 2074837, 1997). Эти волновые устройства (устройства искусственного апвеллинга) разработаны с целью создания в некоторых районах морей зон повышенной биологической продуктивности вод. Они могут быть использованы для создания в море подъема глубинных вод, аналогичного тому, который создаются природой в районах природных апвеллингов (Глава 4).
Волновые устройства представляют собой вертикально опущенные в воду трубы (трубопроводы), укрепленные на поплавках, "отслеживающих" волны. Трубопроводы оборудованы несложными приспособлениями, позволяющими при движении устройств на волнах вверх-вниз, преобразовывать кинетическую энергию волн в работу по перемещению объемов воды с нижнего горизонта вверх, на поверхность или над поверхностью водоема.
Разработанные нами волновые устройства для подъема в поверхностный слой вод с глубины можно условно разделить на несколько типов. Схема работы волновых устройств разных типов представлена на рисунках 3.1, 3.2 и 3.3.
Наиболее проста конструкция устройств первого типа. Она представляет собой поплавок и трубу без каких-либо дополнительных приспособлений, в том числе без клапана. Уровень воды внутри трубы, опущенной вертикально в глубинный слой водоема на расстояние, превышающее длину волны, по закону сообщающихся сосудов такой же, как уровень спокойной воды (без волнения) в водоеме. Этот уровень воды внутри трубы сохраняется постоянным как при движении трубы устройства вверх (на гребень волны), так и при движении вниз (в ложбину между волнами). При волнении, когда верхний срез трубы оказывается в ложбине между волнами (ниже уровня спокойной воды), из трубы на поверхность водоема изливается вода, которая поступает с глубины через нижний срез трубопровода (Рис. 3.1).
Второй тип волновых устройств обеспечивает подъем воды с глубины благодаря наличию в трубе обратного одностороннего клапана. При движении устройства вверх (на гребень волны), клапан закрывается и, удерживая воду внутри трубы, поднимает ее вверх, придавая массе воды внутри трубы ускорение (инерцию). Когда устройство, поднявшись на гребень волны, начинает опускаться вниз (в ложбину между волнами), вода внутри трубы, сохранившая энергию ускорения, отжимает клапан устройства и выливается из трубопровода в поверхностный слой водоема (Рис. 3.2).
Рабочим органом устройств третьего типа является коническое сопло (воронка), которым оборудуется верхний конец трубы. Действие сопла на объем воды внутри трубы при его движении вниз (с гребня волны в ложбину), вызывает резкое увеличение давления, аналогичное гидравлическому удару (Соловьев, 1998), в результате чего обеспечивается выброс воды над поверхностью водоема в виде мощной струи-фонтана (Рис. 3.3).
Как видно из приведенных выше описаний, конструкции волновых устройств для подъема глубинных вод просты. Волновые устройства недорогостоящи, не потребляют традиционного горючего, работают автономно без технического обслуживания и подводки коммуникаций, не загрязняют окружающую среду, то есть экологически чисты.
К настоящему времени нами изготовлено и испытано в работе более 20 опытных образцов волновых устройств искусственного апвеллинга разных типов. Для изготовления волновых устройств использовались, главным образом, стандартные полиэтиленовые трубы (ПНП и ПВП) различных диаметров - от 75 мм, 160 мм, 315 мм и до 630 мм, которые сваривались на
Природные нарушения вертикальной структуры вод
Несмотря на постоянство гидрологической структуры вод морей И1 океанов, гидрологическая структура вод в некоторых районах может нарушаться в зависимости от изменения ряда природных условий и глубинные воды могут подниматься в поверхностный слой.
Природные нарушения гидрологической структуры вод могут происходить как в многолетнем плане (от года к году), так в сезонном (от сезона года к сезону), а также при изменении гидрометеорологических условий, возникающих в том или ином районе в более короткие промежутки времени (в пределах сезона года).
Изменения природных условий могут вызвать изменения не только пространственного горизонтального положения водных масс, но могут также изменить и вертикальную структуру вод, нарушить природную стратификацию. В результате природной дестратификации воды одной водной массы могут поступать в воды другой водной массы.
В.Н. Безносов (Безносов, 2000 б) выделяет два основных типа нарушения гидрологической структуры вод, при которых происходит изменение пространственного вертикального положения водных масс. Первый тип -хорический (от греч. choros - место), при котором одна водная масса меняет свое вертикальное положение, и как бы "затапливает" ("вытесняет", "отодвигает") другую водную массу, не смешиваясь с ней. Второй тип -миктический (от греч. mixis - смешение), при котором одна водная масса меняет свое вертикальное положение и смешивается с водной массой другого слоя в различных соотношениях. Автор справедливо полагает, что характер нарушения стратификации вод влияет на условия, образующиеся в водоеме, что вызывает разные ответные реакции различных водных организмов и приводит к различным экологическим последствиям. Так, например, при хорическом типе нарушения стратификации вод для прикрепленных водных организмов условия среды могут резко измениться, в то время как для организмов, поднятых с этой водной массой, оставаться, по крайней мере, какое-то время, прежними. При миктическом типе нарушения стратификации вод изменение условий среды происходит практически мгновенно, как для организмов, обитающих в этом слое, так и принесенных с водной массой другого слоя и зависит, главным образом, от пропорций, в которых смешиваются воды разных водных масс.
Использование, предложенных В.Н. Безносовым, представлений о типах дестратификации вод позволяет понять и объяснить многие случаи "поступления" вод одной водной массы в воды другой водной массы. Однако, по нашему мнению, эти представления могут быть значительно расширены и использоваться не только для объяснения процесса дестратификации - процесса "проникновения" водной массы одного слоя в водную массу другого слоя. Они могут быть использованы также и для объяснения характера процесса, следующего за дестратификацией - процесса распространения глубинной водной массы в водной массе поверхностного слоя моря (Глава 4, раздел 4.2.2 ). Так как, именно, от характера распространения глубинной воды в поверхностном слое зависят условия, создающиеся в поверхностном слое и ответные реакции различных групп водных организмов на изменение этих условий.
В качестве примеров нарушения природной гидрологической структуры вод можно привести случаи изменения вертикальной структуры водных масс в периоды осеннее-зимнеЙ конвекции в районах высоких широт. С наступлением зимы в этих районах воды поверхностного слоя охлаждаются, их плотность изменяется (снижается) и они опускаются вниз, смешиваясь с водными массами подповерхностного или глубинного слоев (Аржанова, Буркальцева, 1986; Буркальцева, Бондаренко, 1986; Гершанович, Сапожников и др., 1986; Аржанова, Налетова и др., 2002). То есть происходит миктический тип распространения водной массы одного слоя в водной массе другого слоя. В это время меняется теплосодержание вод этих смешивающихся слоев воды, граница между ними размывается и уничтожается, что может привести к изотермии, образованию, как бы единого слоя воды с одинаковой температурой от поверхности до дна, С наступлением весны с прогревом вод поверхностного слоя снова происходит изменение плотности воды поверхностного слоя и разделение водной массы на отдельные слои, то есть снова образуется стратификация и условия в водоеме восстанавливаются. Водные организмы, обитающие в районах высоких широт, адаптировались к таким резким сезонным изменениям вертикальной гидрологической структуры вод, регулярно происходящим в этих районах в зимний сезон года. Такие изменения стали частью жизненного цикла водных организмов, обитающих в водах высоких широт и их существование без таких изменений невозможно.
Нарушения вертикальной структуры вод могут происходить также в течение сезона года, например, во время сильных штормов, когда в волновое движение вовлекается водная масса не только поверхностного, но и подповерхностного слоя. В этих случаях граница между водными массами разрушается и воды с глубины (из-под слоя термоклина) поступают в поверхностный слой и также смешиваются с водами поверхностного слоя. Миктический характер распространения глубинной воды приводит к изменению условий в поверхностном слое и вызывает изменения в поведении и жизнедеятельности гидробионтов.
Природная вертикальная структура вод может нарушаться также во время сгонно-нагонных ветров, когда водная масса поверхностного слоя в каком-то районе отгоняется ветром от берега, а на ее место поступает вода с глубины. На какое-то время глубинные воды могут занять весь объем поверхностного слоя этого района моря. Условия водной массы могут резко измениться. Хорический тип распространения глубинных вод в поверхностном слое при таких нарушениях вертикальной структуры вод часто имеет локальный характер и особенно ярко заметен вблизи берегов. Как правило, природные нарушения вертикальной структуры вод под действием сгонно-нагонных ветров продолжаются непродолжительный период времени и глубинная вода в виде отдельной водной массы существует в поверхностном слое в течение короткого промежутка времени. Однако такое, даже кратковременное природное нарушение вертикальной структуры вод, может вызвать серьезные экологические последствия. По окончании действия природных причин, вызвавших подъем глубинной воды в поверхностный слой, глубинная вода
Сравнительный анализ природных и антропогенных нарушений вертикальной структуры вод
Физический смысл нарушений вертикальной структуры вод, происходящих как при природных, так и при искусственных подъемах глубинных вод в поверхностный слой, заключается в поступлении вод одной плотности в воды другой плотности (Глава 4, раздел 4.2.1). В этом смысле антропогенные нарушения вертикальной структуры вод наиболее близки некоторым природным явлениям - пресноводному стоку в море рек и природному апвеллингу. В обоих случаях нарушается гидрологическая вертикальная структура вод, нарушается их природная вертикальная стратификация. В первом случае, в более плотную соленую морскую воду поступают менее плотные пресные воды речного стока. Второй случай, при котором в менее плотную воду поверхностного слоя моря поступают более плотные воды с глубины - природный апвеллинг, наиболее схож с искусственным подъемом глубинных вод.
Действие искусственного подъема глубинных вод на водную массу поверхностного сдоя моря и жизнедеятельность гидробионтов, а также возможные экологические последствия искусственного нарушения вертикальной стратификации вод можно сравнить с действием природного процесса, существующего в морях и океанах - с природным подъемом глубинных вод, с природным апвеллингом. Между двумя этими процессами существует ряд сходных черт, однако, наблюдаются и некоторые принципиальные различия.
Также как в районах природных апвеллингов, при искусственном подъеме глубинной воды в воды поверхностного слоя, характеризующиеся определенным комплексом физических, химических и биологических признаков, поступает глубинная вода, характеризующаяся набором других признаков. Ресурсы, содержащиеся в глубинной воде, перемещаются в воду поверхностного слоя, происходит обмен теплом, химическими веществами, в том числе газами и биологическим материалом, происходит "залповый" или относительно постоянный выброс в поверхностный слой ресурсов, содержащихся в водах глубинных слоев.
Так же как и естественное поступление в поверхностный слой моря вод с глубины, искусственный подъем вод может оказать воздействие на водную массу поверхностного слоя и изменить в ней физические и химические условия, тем самым, оказать влияние на жизнедеятельность гидробионтов и функционирование экосистемы поверхностного слоя моря, а также вызвать изменения в биосфере.
Места (районы) природных нарушений гидрологической структуры вод в морях и океанах разнообразны. В некоторых районах гидрологическая структура вод периодически нарушается и воды с глубины смешиваются с водами поверхностного слоя каждый раз в определенный сезон года. В ряде районов под действием природных факторов нарушения стратификации вод происходят в кратковременный период времени, а после прекращения действия этих факторов стратификация вод восстанавливается. В некоторых районах природные условия сложились таким образом, что глубинные воды постоянно поступают в поверхностный слой моря (Глава 4).Искусственный подъем глубинных вод в поверхностный слой моря может быть создан человеком, практически, в любом районе моря, в том числе в районах, в которых подъема глубинных вод никогда не происходило. Искусственный подъем вод может производиться с любой глубины и в любой сезон года. В некоторых случаях действие антропогенного нарушения вертикальной структуры вод может превышать время действия кратковременных природных подъемов вод, однако, как правило, время действия искусственного подъема глубинных вод ограничено и не может быть сравнимо со временем действия постоянных природных нарушений вертикальной структуры вод, существующих в океане на протяжении геологических периодов времени.
Искусственный подъем глубинных вод может быть осуществлен человеком разными способами. В Главе 3 мы рассмотрели проекты и устройства, которые могут быть использованы для этой цели, подчеркнув, что, чаще всего искусственный подъем вод осуществляется или может быть осуществлен, какими-либо механизмами или устройствами, в конструкцию которых входит трубопровод. В районах природных апвеллингов глубинная вода поднимается с больших площадей дна и распространяется на значительной площади моря. Глубинная вода, поднимаемая человеком в поверхностный слой моря по трубопроводу, выливается из него в определенном месте, в результате чего происходит "точечный" вылив глубинной воды в поверхностный слой моря.
Следует отметить, что при искусственном подъеме глубинных вод в поверхностный слой значение имеет не столько сам подъем вод, механизм которого известен (насосы, устройства), сколько вылив глубинной воды в поверхностный слой. Так что, строго говоря, исследуя проблемы антропогенного нарушения вертикальной структуры вод (проблемы искусственного апвеллинга), следовало бы говорить не об искусственном подъеме, а об искусственном выливе глубинной воды в воду поверхностного слоя моря. Понимая взаимную связь этих процессов и употребляя в работе общепринятый термин «искусственный подъем вод - artifical upwelling», мы имеем в виду не только подъем, но и вылив глубинной воды в поверхностный слой моря.
Значительные отличия между антропогенными подъемами глубинных вод и природными нарушениями вертикальной структуры вод в районах постоянных природных апвеллингов наблюдаются в скорости подъема воды, а также в составе поднимаемой с глубины воды. Если в районах постоянных природных апвеллингов вода с глубины поднимается в поверхностный слой очень медленно (Глава 4, раздел 4.2.1), то скорость искусственного подъема, а, следовательно, и скорость вылива глубинной воды в поверхностный слой значительно больше. Она зависит от производительности механизмов, применяемых для подъема воды, расходы которых могут составлять несколькосотен м в минуту (Турк, Минаев и др., 1976; Цыбин, Шанеев, 1976). Таким образом, скорость искусственного подъема глубинных вод может в тысячи раз превышать скорость естественного подъема, в результате чего глубинные воды могут практически мгновенно выливаться в поверхностный слой моря, вызывать мгновенное изменение условий водной среды этого слоя и ответные реакции организмов.
Схема подъема глубинной воды при антропогенных нарушениях вертикальной структуры вод представлена на рисунке (Рис. 5.1). Важным обстоятельством при искусственном подъеме вод с глубины является то, что вертикальное расположение глубинных водных масс не нарушается, границы водных масс остаются четко выраженными и воды промежуточных слоев как бы «протыкаются» трубопроводом, по которому поднимают воду. В результате этого к поверхности моря поднимается вода именно с того горизонта или слоя, в который опущен нижний конец всасывающего трубопровода устройства для подъема вод. Смешивания вод глубинного слоя с водами промежуточных слоев не происходит, так что в поверхностный слой поступает "чистая", "неразбавленная" глубинная вода, которая может более резко отличаться по плотности (а, следовательно, по многим другим характеристикам) от воды поверхностного слоя, чем в районах природных апвеллингов. Можно предположить, что одинаковый объем воды, поднятой с определенной глубины
