Способи занурення в океан. Дослідження морських глибин

На землі є набагато більше місць, про які ми знаємо менше, ніж про неосяжні космічні простори. Йдеться насамперед про непокірні водні глибини. На думку вчених, наука ще фактично не приступила до вивчення таємничого життя на дні океанів, всі дослідження знаходяться на початку шляху.

З року в рік знаходяться нові сміливці, які готові виконати нове рекордне глибоководне занурення. У представленому матеріалі хотілося б поговорити про запливи без спорядження, з аквалангом та за допомогою батискафів, що увійшли до історії.

Найглибоководне занурення людини

Довгий час рекордсменом у галузі фрідайвінгу виступав французький спортсмен Лоїк Леферм. 2002 року йому вдалося здійснити глибоководне занурення на 162 метри. Багато пірнальників намагалися поліпшити цей показник, проте гинули в морській безодні. 2004 року жертвою власної марнославства став сам Леферм. Під час тренувального запливу в океанічній западині Вільфранш-сюр-Мер він занурився на 171 метр. Однак піднятися на поверхню спортсмену так і не вдалось.

Останнє рекордне глибоководне занурення здійснив австрійський фрідайвер Герберт Ніцш. Йому вдалося опуститись на 214 метрів без кисневого балона. Таким чином, досягнення Лоїка Леферма залишилося у минулому.

Рекордне глибоководне занурення серед жінок

Декілька рекордів серед жінок встановила французька спортсменка Одрі Местре. 29 травня 1997 року вона здійснила занурення на цілих 80 метрів на одній затримці дихання без балона з повітрям. Вже за рік Одрі побила власний рекорд, опустившись у морську безодню на 115 метрів. 2001-го спортсменка поринула на цілих 130 метрів. Зазначений рекорд, який має статус світового серед жінок, закріплений за Одрі досі.

12 жовтня 2002 року Местре зробила свою останню спробу в житті, занурившись без спорядження на 171 метр біля берегів Домініканської Республіки. Спортсменка використовувала лише спеціальний вантаж, не маючи при собі кисневих балонів. Підйом мав здійснюватися за допомогою повітряного бані. Однак останній виявився не заправленим. Через 8 хвилин після того, як почалося глибоководне занурення, тіло Одрі було доставлене на поверхню аквалангістами. Як офіційна причина смерті спортсменки було відзначено виникнення проблем з обладнанням для підйому на поверхню.

Рекордне занурення з аквалангом

Тепер поговоримо про глибоководні занурення з аквалангом. Найбільше з них здійснив французький дайвер Паскаль Бернабе. Влітку 2005 року йому вдалося опуститися в морську безодню на 330 метрів. Хоча спочатку планувалося підкорити глибину 320 метрів. Такий значний рекорд відбувся в результаті невеликого казусу. У ході спуску у Паскаля розтягнулася мотузка, що дозволило запливти на 10 зайвих метрів у глибину.

Дайвер вдалося успішно піднятися на поверхню. Випливання тривало довгих 9 годин. Причиною такого повільного підйому став високий ризик розвитку, що могло призвести до зупинки дихання та ушкодження кровоносних судин. Варто зауважити, що для встановлення рекорду Паскалю Бернабе довелося провести цілих 3 роки у постійних тренуваннях.

Рекордне занурення у батискафі

23 січня 1960 року вчені Дональд Волш і Жак Піккард встановили рекорд із занурення на дно океану в пілотованому апараті. Перебуваючи на борту невеликого підводного човна Trieste, дослідники досягли дна, опинившись на глибині 10 898 метрів.

Найглибоководне занурення в пілотованому людиною батискафі було здійснено завдяки будівництву апарату Deepsea Challenger, на що конструктори пішли довгих 8 років. Цей міні-підводний човен представляє обтічну капсулу вагою більше 10 тонн і з товщиною стін 6,4 см. Примітно, що до введення в експлуатацію батискаф кілька разів тестували тиском у 1160 атмосфер, що вище за показник, який мав впливати на стінки апарату на дні океану. .

У 2012 році відомий американський кінорежисер Джеймс Кемерон, пілотуючи міні-підводний човен Deepsea Challenger, підкорив попередній рекорд, встановлений на апараті Trieste, і навіть покращив його, занурившись у Маріїнську западину на 11 км.

Ми живемо на планеті води, але земні океани знаємо гірше, ніж деякі космічні тіла. Більше половини поверхні Марса артографовано з роздільною здатністю близько 20 м - і тільки 10-15% океанського дна вивчено при дозволі хоча б 100 м. На Місяці побувало 12 людей, на дні Маріанської западини - троє, і всі вони не сміли і носа висунути з надміцних батискафів.

Занурюємося

Головна складність у освоєнні Світового океану – це тиск: на кожні 10 м глибини воно збільшується ще одну атмосферу. Коли рахунок доходить до тисяч метрів та сотень атмосфер, змінюється все. Рідини течуть інакше, незвичайно поводяться гази... Апарати, здатні витримати ці умови, залишаються штучним продуктом, і навіть найсучасніші субмарини на такий тиск не розраховані. Гранична глибина занурення нових АПЛ проекту 955 «Борей» становить лише 480 м.

Водолазів, що спускаються на сотні метрів, шанобливо звуть акванавтами, порівнюючи їх із підкорювачами космосу. Але безодня морів по-своєму небезпечніша за космічний вакуум. Якби працюючий на МКС екіпаж зможе перейти в пристикований корабель і через кілька годин опиниться на поверхні Землі. Водолазам цей шлях закритий: щоб евакуюватися з глибини, можуть знадобитися тижні. І термін цей не скоротити за жодних обставин.

Втім, на глибину існує альтернативний шлях. Замість того, щоб створювати все більш міцні корпуси, можна відправити туди живих водолазів. Рекорд тиску, перенесеного випробувачами в лабораторії, майже вдвічі перевищує здатність підводних човнів. Тут немає нічого неймовірного: клітини всіх живих організмів заповнені тією ж водою, яка вільно передає тиск у всіх напрямках.

Клітини не протистоять водному стовпу, як тверді корпуси субмарин, вони компенсують зовнішній тиск внутрішнім. Недарма мешканці «чорних курців», включаючи круглих хробаків і креветок, чудово почуваються на багатокілометровій глибині океанського дна. Деякі види бактерій непогано переносять навіть тисячі атмосфер. Людина тут не виняток — з тією лише різницею, що їй потрібне повітря.

Під поверхнею

КисеньДихальні трубки з очерету були відомі ще могіканам Фенімор Купер. Сьогодні на зміну порожнім стеблам рослин прийшли трубки із пластику, «анатомічної форми» та зі зручними загубниками. Однак ефективності їм це не додало: заважають закони фізики та біології.

Вже на метровій глибині тиск на грудну клітку піднімається до 1,1 атм — до повітря додається 0,1 атм водного стовпа. Подих тут вимагає помітного зусилля міжреберних м'язів, і впоратися з цим можуть тільки треновані атлети. При цьому навіть їх сил вистачить ненадовго і максимум на 4-5 м глибини, а новачкам важко дається подих і півметра. До того ж чим довша трубка, тим більше повітря міститься в ній самій. «Робочий» дихальний обсяг легень становить середньому 500 мл, і після кожного видиху частина відпрацьованого повітря залишається у трубці. Кожен вдих приносить дедалі менше кисню і дедалі більше вуглекислого газу.

Щоб доставляти свіже повітря, потрібна примусова вентиляція. Нагнітаючи газ під підвищеним тиском, можна полегшити роботу м'язів грудної клітки. Такий підхід застосовується не одне століття. Ручні насоси відомі водолазам з XVII століття, а в середині XIX століття англійські будівельники, які зводили підводні фундаменти для опор мостів, вже тривалий час працювали в атмосфері повітря. Для робіт використовувалися товстостінні, відкриті знизу підводні камери, у яких підтримували високий тиск. Тобто кесони.

Глибше 10 м

АзотПід час роботи у самих кесонах жодних проблем не виникало. Але при поверненні на поверхню у будівельників часто розвивалися симптоми, які французькі фізіологи Поль і Ваттель описали в 1854 як On ne paie qu'en sortant — «розплата на виході». Це могло бути сильне свербіння шкіри або запаморочення, болі в суглобах і м'язах. У найважчих випадках розвивалися паралічі, наставала втрата свідомості, та був і смерть.

Щоб відправитися на глибину без будь-яких складнощів, пов'язаних з екстремальним тиском, можна використовувати надміцні скафандри. Це надзвичайно складні системи, що витримують занурення на сотні метрів і зберігають всередині комфортний тиск 1 атм. Щоправда, вони досить дорогі: наприклад, ціна нещодавно представленого скафандра канадської фірми Nuytco Research Ltd. EXOSUIT складає близько мільйона доларів.

Проблема в тому, що кількість розчиненого в рідині газу залежить від тиску над нею. Це стосується й повітря, яке містить близько 21% кисню та 78% азоту (іншими газами — вуглекислим, неоном, гелієм, метаном, воднем тощо) можна знехтувати: їх вміст не перевищує 1%. Якщо кисень швидко засвоюється, азот просто насичує кров та інші тканини: при підвищенні тиску на 1 атм в організмі розчиняється додатково близько 1 л азоту.

При швидкому зниженні тиску надлишок газу починає виділятися бурхливо, іноді спінюючи, як розкрита пляшка шампанського. Бульбашки, що з'являються, можуть фізично деформувати тканини, закупорювати судини і позбавляти їх постачання кров'ю, приводячи до найрізноманітніших і часто важких симптомів. На щастя, фізіологи розібралися з цим механізмом досить швидко, і вже у 1890-х роках декомпресійну хворобу вдавалося запобігти, застосовуючи поступове та обережне зниження тиску до норми – так, щоб азот виходив з організму поступово, а кров та інші рідини не «закипали» .

На початку ХХ століття англійський дослідник Джон Холдейн склав детальні таблиці з рекомендаціями щодо оптимальних режимів спуску та підйому, компресії та декомпресії. Експериментуючи з тваринами, а потім і з людьми — у тому числі із самим собою та своїми близькими, — Холдейн з'ясував, що максимальна безпечна глибина, яка не потребує декомпресії, становить близько 10 м, а за тривалого занурення — і того менше. Повернення з глибини повинне проводитися поетапно і не поспішаючи, щоб дати азоту час вивільнитися, зате спускатися краще досить швидко, скорочуючи час надходження надлишкового газу в тканини організму. Людям відкрилися нові межі глибини.

Глибше 40 м

ГелійБоротьба із глибиною нагадує гонку озброєнь. Знайшовши спосіб подолати чергову перешкоду, люди робили ще кілька кроків і зустрічали нову перешкоду. Так, за кесонною хворобою відкрилася напасть, яку дайвери майже любовно звуть «азотною білочкою». Справа в тому, що в гіпербаричних умовах цей інертний газ починає діяти не гірше за міцний алкоголь. У 1940-х п'янкий ефект азоту вивчав інший Джон Холдейн, син того самого. Небезпечні експерименти батька його анітрохи не бентежили, і він продовжив суворі досліди на собі та колегах. «У одного з наших піддослідних стався розрив легені, — фіксував учений у журналі, — але зараз він видужує».

Незважаючи на всі дослідження, механізм азотного сп'яніння детально не встановлений — втім, те саме можна сказати і про дію звичайного алкоголю. І той і інший порушують нормальну передачу сигналів у синапсах нервових клітин, а можливо навіть змінюють проникність клітинних мембран, перетворюючи іонообмінні процеси на поверхнях нейронів на повний хаос. Зовні те й інше проявляється теж подібним чином. Водолаз, що «словив азотну білочку», втрачає контроль над собою. Він може впасти в паніку і перерізати шланги або, навпаки, захопитися переказом анекдотів зграї веселих акул.

Наркотична дія має й інші інертні гази, причому чим важче їх молекули, тим менший тиск потрібний для того, щоб цей ефект проявився. Наприклад, ксенон анестезує і за звичайних умов, а легший аргон — лише за кількох атмосферах. Втім, ці прояви глибоко індивідуальні, і деякі люди, поринаючи, відчувають азотне сп'яніння набагато раніше за інших.

Позбутися анестезуючої дії азоту можна, знизивши його надходження в організм. Так працюють дихальні суміші нітрокси, що містять збільшену (іноді до 36%) частку кисню і, відповідно, знижену кількість азоту. Ще привабливіше було б перейти на чистий кисень. Адже це дозволило б вчетверо зменшити обсяги дихальних балонів або вчетверо збільшити час роботи з ними. Однак кисень - елемент активний, і при тривалому вдиханні токсичний, особливо під тиском.

Чистий кисень викликає сп'яніння та ейфорію, веде до пошкодження мембран у клітинах дихальних шляхів. При цьому нестача вільного (відновленого) гемоглобіну ускладнює виведення вуглекислого газу, призводить до гіперкапнії та метаболічного ацидозу, запускаючи фізіологічні реакції гіпоксії. Людина задихається, незважаючи на те, що кисню її організму цілком достатньо. Як встановив той же Холдейн-молодший, вже при тиску в 7 атм дихати чистим киснем можна не довше кількох хвилин, після чого починаються порушення дихання, конвульсії - все те, що на дайверському сленгу називається коротким словом "Блекаут".

Рідке дихання

Поки що напівфантастичний підхід до підкорення глибини полягає у використанні речовин, здатних взяти на себе доставку газів замість повітря — наприклад, замінника плазми перфторану. Теоретично, легені можна заповнити цією блакитною рідиною і, насичуючи киснем, прокачувати її насосами, забезпечуючи дихання взагалі без газової суміші. Втім, цей метод залишається глибоко експериментальним, багато фахівців вважають його зовсім тупиковим, а, наприклад, у США застосування перфторану офіційно заборонено.

Тому парціальний тиск кисню при диханні на глибині підтримується навіть нижче звичайного, а азот замінюють на безпечний газ, що не викликає ейфорії. Краще за інших підійшов би легкий водень, якби не його вибухонебезпечність у суміші з киснем. У результаті водень використовується рідко, а звичайним замінником азоту у суміші став другий за легкістю газ, гелій. На його основі виробляють киснево-гелієві або киснево-гелієво-азотні дихальні суміші — геліокси та трімікси.

Глибше 80 м

Складні сумішіТут варто сказати, що компресія та декомпресія при тисках у десятки та сотні атмосфер затягується надовго. Настільки, що робить роботу промислових водолазів — наприклад, під час обслуговування морських нафтовидобувних платформ — є малоефективною. Час, проведений на глибині, стає куди коротшим, ніж довгі спуски та підйоми. Вже півгодини на 60 м виливаються у більш ніж годинну декомпресію. Після півгодини на 160 м для повернення знадобиться більше 25 годин, адже водолазам доводиться спускатися і нижче.

Тому вже кілька десятиліть для цього використовують глибоководні барокамери. Люди живуть у них часом цілими тижнями, працюючи позмінно та здійснюючи екскурсії назовні через шлюзовий відсік: тиск дихальної суміші в «житло» підтримується рівним тиску водного середовища навколо. І хоча декомпресія при підйомі зі 100 м займає близько чотирьох діб, а з 300 м більше тижня, пристойний термін роботи на глибині робить ці втрати часу цілком виправданими.

Методи тривалого перебування у середовищі з підвищеним тиском опрацьовувалися із середини ХХ століття. Великі гіпербаричні комплекси дозволили створювати потрібний тиск у лабораторних умовах, і відважні випробувачі на той час встановлювали один рекорд за іншим, поступово переходячи й у море. 1962 року Роберт Стенюї провів 26 годин на глибині 61 м, ставши першим акванавтом, а трьома роками пізніше шестеро французів, дихаючи триміксом, прожили на глибині 100 м майже три тижні.

Тут почалися нові проблеми, пов'язані з тривалим перебуванням людей в ізоляції та в некомфортній обстановці. Через високу теплопровідність гелію водолази втрачають тепло з кожним видихом газової суміші, і в їхньому будинку доводиться підтримувати стабільно жарку атмосферу — близько 30 °C, а вода створює високу вологість. Крім того, низька щільність гелію змінює тембр голосу, серйозно ускладнюючи спілкування. Але навіть усі ці труднощі разом узяті не поставили б межу наших пригод у гіпербаричному світі. Є обмеження і важливіше.

Глибше 600 м

МежаУ лабораторних експериментах окремі нейрони, що ростуть «у пробірці», погано переносять екстремально високий тиск, демонструючи безладну гіперзбудливість. Схоже, що при цьому помітно змінюються властивості ліпідів клітинних мембран, тому протистояти цим ефектам неможливо. Результат можна спостерігати й у нервовій системі людини під величезним тиском. Він починає раз у раз «відключатися», впадаючи в короткочасні періоди сну чи ступору. Сприйняття не може, тіло охоплює тремор, починається паніка: розвивається нервовий синдром високого тиску (НСВД), зумовлений самою фізіологією нейронів.

Крім легень, в організмі є й інші порожнини, що містять повітря. Але вони повідомляються з довкіллям дуже тонкими каналами, і тиск у них вирівнюється далеко не миттєво. Наприклад, порожнини середнього вуха з'єднуються з носоглоткою лише вузькою євстахієвою трубою, яка до того ж часто забивається слизом. Пов'язані з цим незручності знайомі багатьом пасажирам літаків, яким доводиться, щільно закривши ніс і рот, різко видихнути, зрівнюючи тиск вуха та довкілля. Водолази теж застосовують таке "продування", а при нежиті намагаються зовсім не занурюватися.

Додавання до киснево-гелієвої суміші невеликих (до 9%) кількостей азоту дозволяє дещо послабити ці ефекти. Тому рекордні занурення на геліоксі досягають планки 200-250 м, а на азотовмісному триміксі - близько 450 м у відкритому морі і 600 м у компресійній камері. Законодавцями у цій галузі стали — і досі залишаються французькі акванавти. Чергування повітря, складних дихальних сумішей, хитрих режимів занурення та декомпресії ще в 1970-х дозволило водолазам подолати планку 700 м глибини, а створену учнями Жака Кусто компанію COMEX зробило світовим лідером у водолазному обслуговуванні морських нафтовидобувних платформ. Деталі цих операцій залишаються військовою та комерційною таємницею, тому дослідники інших країн намагаються наздогнати французів, рухаючись своїми шляхами.

Намагаючись опуститися глибше, радянські фізіологи вивчали можливість заміни гелію важчими газами, наприклад, неоном. Експерименти з імітації занурення на 400 м у киснево-неоновій атмосфері проводились у гіпербаричному комплексі московського Інституту медико-біологічних проблем (ІМШП) РАН та у секретному «підводному» НДІ-40 Міністерства оборони, а також у НДІ Океанології ім. Ширшова. Проте тяжкість неону продемонструвала свій зворотний бік.

Можна підрахувати, що при тиску 35 атм щільність киснево-неонової суміші дорівнює щільності киснево-гелієвої приблизно при 150 атм. А далі — більше: наші повітроносні шляхи просто не пристосовані для прокачування такого густого середовища. Випробувачі ІМШП повідомляли, що коли легені та бронхи працюють з такою щільною сумішшю, виникає дивне і важке відчуття, «ніби ти не дихаєш, а п'єш повітря». У пильному стані досвідчені водолази ще здатні з цим впоратися, але в періоди сну — а на таку глибину не дістатись, не витративши довгі дні на спуск і підйом — вони раз у раз прокидаються від панічного відчуття ядухи. І хоча військовим акванавтам із НДІ-40 вдалося досягти 450-метрової планки та здобути заслужені медалі Героїв Радянського Союзу, принципово це питання не вирішило.

Нові рекорди занурення ще можуть бути поставлені, але ми, певне, підібралися до останнього кордону. Нестерпна щільність дихальної суміші, з одного боку, і нервовий синдром високих тисків - з іншого, мабуть, ставлять остаточну межу подорожей людини під екстремальним тиском.

Дослідження океану.

21. З історії завоювання морських глибин.

© Володимир Каланов,
"Знання-сила".

Вивчати Світовий океан без занурення у його глибини неможливо. Вивчення поверхні океанів, їх розмірів та конфігурації, поверхневих течій, островів та проток відбувалося протягом багатьох століть і завжди було справою винятково важким та небезпечним. Не менші труднощі є вивчення океанських глибин, а деякі труднощі залишаються досі непереборними.

Людина, вперше занурившись під воду в далекі часи, звичайно, не мала на меті вивчення морських глибин. Напевно, його завдання були тоді суто практичними, або, як тепер кажуть, прагматичними, наприклад: дістати з дна моря губку або молюска для вживання в їжу.

А коли в раковинах траплялися гарні кульки перлів, пірнальник приносив їх у свою хатину і віддавав дружині як прикрасу, чи брав собі для цієї ж мети. Занурюватися у воду, ставати пірнальниками могли лише люди, що жили на берегах теплих морів. Вони не ризикували застудитися або одержати спазми м'язів під водою.

Стародавній пірнальник, взявши в руки ніж і сіточку для збирання видобутку, затискав між ногами камінь і кидався в безодню. Таке припущення дуже легко скласти, тому що ловці перлів у Червоному та Аравійському морях, або професійні пірначі з індійського племені парава досі роблять саме так. Вони не знають ані аквалангу, ані маски. Все їхнє екіпірування залишилося точно таким, яким було і сотню, і тисячу років тому.

Але пірнальник – це не водолаз. Пирельник користується під водою тільки тим, що йому дала природа, а водолаз використовує спеціальні пристрої та обладнання для того, щоб глибше поринути у воду і довше там пробути. Пірнальник, навіть добре тренований, не може залишатися під водою більше півтори хвилини. Максимальна глибина, на яку він може пірнути, не перевищує 25-30 метрів. Тільки окремі рекордсмени здатні затримати дихання на 3-4 хвилини та пірнути трохи глибше.

Якщо використовувати такий простий пристрій, як дихальна трубка, то можна перебувати під водою досить довго. Але який у цьому сенс, якщо глибина занурення при цьому не може бути більшою за один метр? Справа в тому, що на більшій глибині вдих через трубку зробити важко: потрібна велика сила м'язів грудної клітки, щоб подолати тиск оди, що діє на тіло людини, тоді як легені знаходяться під нормальним атмосферним тиском.

Вже в давнину робилися спроби використовувати примітивні пристрої для дихання на невеликій глибині. Наприклад, за допомогою вантажів на дно опускали перегорнуту вгору дном якусь посудину типу дзвона, і пірнальник міг користуватися запасом повітря в цій посудині. Але дихати в такому дзвоні можна було лише лічені хвилини, тому що повітря швидко насичувалося вуглекислим газом, що видихається, і ставав непридатним для дихання.

У міру освоєння людиною океану постали проблеми з винаходом та виготовленням необхідних водолазних пристроїв не тільки для дихання, але й для зору у воді. Людина з нормальним зором, розплющивши очі у воді, навколишні предмети бачить дуже слабо, як у тумані. Пояснюється це тим, що коефіцієнт заломлення води майже дорівнює коефіцієнту заломлення самого ока. Тому кришталик не може сфокусувати зображення на сітківку, і фокус зображення виявляється далеко за сітківкою. Виходить, що людина у воді стає надзвичайно далекозорою - до плюс 20 діоптрій і більше. Крім того, безпосередній контакт з морською, та й з прісною водою викликає подразнення очей та хворобливі відчуття.

Ще до винаходу підводних окулярів і маски зі склом нирці минулих століть зміцнювали перед очима пластинки, герметизуючи їх шматком матерії, просоченим смолою. Платівки виготовлялися з найтонших полірованих зрізів рогу і мали певну прозорість. Без подібних пристроїв не можна було виконувати багато робіт при будівництві портів, поглибленні гаваней, при знайденні та підйомі затонулих суден, вантажів тощо.

В Росії в епоху Петра I, коли країна вийшла до морського узбережжя, водолазна справа набула практичного значення.

Русь завжди славилася умільцями з народу, узагальнений портрет яких створив письменник Єршов в образі Лівші, який підкував англійську блоху. Один з таких умільців увійшов в історію техніки за Петра I. Це був Юхим Ніконов, селянин з підмосковного села Покровське, який у 1719 році змайстрував дерев'яний підводний човен («потайне судно»), а також запропонував конструкцію шкіряного водолазного костюма з барило для повітря, який одягався на голову і мав віконця для очей. Але довести конструкцію водолазного костюма до потрібного робочого стану він не зміг, тому що його «потаємне судно» не витримало випробування та потонуло в озері, внаслідок чого Є.Ніконову було відмовлено у засобах. Винахідник, звичайно, не міг знати, що в його водолазному костюмі з барило повітря на голові людина в жодному разі не змогла б протриматися більше 2-3 хвилин.

Проблема дихання під водою з подачею водолазу свіжого повітря не піддавалася рішенню протягом кількох століть. У середні віки і навіть пізніше винахідники не мали жодного поняття про фізіологію дихання та газообмін у легень. Ось один із прикладів, що межує з курйозом. У 1774 році французький винахідник Фремінс запропонував для роботи під водою конструкцію, що складалася з шолома, з'єднаного мідними трубками з невеликим резервуаром для повітря. Винахідник вважав, що різниця між повітрям, що вдихається і видихається, полягає тільки в неоднаковій температурі. Він сподівався, що повітря, що видихається, пройшовши під водою через трубки, охолоне і знову стане придатним для дихання. А коли при випробуваннях цього пристрою водолаз почав задихатися за дві хвилини, винахідник страшенно здивувався.

Коли стало зрозуміло, що для роботи людини під водою треба безперервно подавати свіже повітря, почали думати про способи її подачі. Спочатку спробували використати для цього хутра на кшталт ковальських. Але в цей спосіб подати повітря на глибину більше одного метра не вдавалося – міхи не створювали необхідного тиску.

Тільки на початку 19-го століття було винайдено нагнітальний повітряний насос, що забезпечував подачу водолазу повітря на значну глибину.

Протягом цілого століття повітряний насос вводився в дію вручну, потім з'явилися механічні помпи.

Перші водолазні костюми мали відкриті знизу шоломи, які по шлангу накачували повітря. Повітря, що видихається, виходило через відкритий край шолома. Водолаз у такому костюмі міг працювати тільки у вертикальному положенні, бо навіть легкий нахил підводника приводив до заповнення шолома водою. Винахідниками цих перших водолазних костюмів були незалежно один від одного англієць А.Зібе (1819) і кронштадський механік Гаузен (1829). Незабаром стали виготовляти вдосконалені водолазні костюми, в яких шолом герметично з'єднувався з курткою, а повітря, що видихається, стравлювалося зі шолома спеціальним клапаном.

Але й удосконалений варіант водолазного костюма не забезпечував водолазу повну свободу руху. Тяжкий повітряний шланг заважав у роботі та обмежував дальність переміщення. Хоча цей шланг був життєво необхідний підводнику, все ж таки нерідко він був і причиною його загибелі. Траплялося це тоді, коли шланг перетискався якимсь важким предметом або пошкоджувався з витіканням повітря.

З усією ясністю і необхідністю постало завдання розробки та виготовлення такого водолазного спорядження, в якому підводник не був би залежним від подачі повітря із зовнішнього джерела і був би повністю вільний у своїх рухах.

Багато винахідників бралися за проектування такого автономного спорядження. Пройшло більше ста років від часу виготовлення перших водолазних костюмів і лише в середині 20-го століття з'явився апарат, який здобув популярність під назвою акваланг. Головною частиною аквалангу є дихальний апарат, який винайшов знаменитий французький дослідник океанських глибин, надалі всесвітньо відомий вчений Жак-Ів Кусто та його колега Еміль Ганьян. У самий розпал Другої світової війни, в 1943 році, Жак-Ів Кусто та його друзі Філіп Тайє та Фредерік Дюма вперше випробували новий пристрій для занурення у воду. Акваланг (від латинського aqua – вода та англійського lung – легке) є ранцевим апаратом, що складається з балонів зі стисненим повітрям та дихального апарату. Випробування показали, що апарат працює чітко, водолаз легко, без зусиль вдихає чисте, свіже повітря із сталевого балона. Занурення та спливання аквалангіста відбувається вільно, без відчуття будь-яких незручностей.

У процесі експлуатації акваланг було конструктивно доопрацьовано, але в цілому його пристрій залишився без змін. Однак ніякі конструктивні зміни не дадуть аквалангу глибокого занурення. Без ризику для життя водолаз з аквалангом, як і водолаз у м'якому водолазному костюмі, що одержує повітря по шлангу, не можуть переступити стометровий бар'єр глибини. Головною перешкодою залишається проблема дихання.

Повітря, яким дихають усі люди на поверхні Землі, при зануренні водолазу на 40–60 метрів викликає у нього отруєння, схоже на алкогольне сп'яніння. Досягнувши зазначеної глибини, підводник раптово втрачає контроль над своїми вчинками, що нерідко закінчується трагічно. Встановлено, що головна причина такого «глибинного сп'яніння» полягає у впливі на нервову систему азоту, що під великим тиском. Азот у балонах аквалангу замінили інертним гелієм, і «глибинне сп'яніння» перестало наступати, але виникла інша проблема. Організм людини дуже чутливий до відсоткового вмісту кисню у суміші, що вдихається. При нормальному атмосферному тиску повітря, яким дихає людина, має бути близько 21 відсотка кисню. За такого вмісту кисню повітря людина пройшла весь тривалий шлях своєї еволюції. Якщо за нормального тиску вміст кисню скоротиться до 16 відсотків, то настає кисневе голодування, що викликає раптову втрату свідомості. Для людини, яка перебуває під водою, така ситуація є особливо небезпечною. Підвищення вмісту кисню у суміші, що вдихається, може викликати отруєння, що призводить до набряку легень і їх запалення. Зі зростанням тиску небезпека кисневого отруєння зростає. Згідно з розрахунками, на глибині 100 метрів суміш повинна містити всього 2-6 відсотків кисню, а на глибині 200 м - не більше 1-3 відсотка. Таким чином, дихальні автомати повинні забезпечувати зміну складу суміші, що вдихається, у міру занурення підводника в глибину. Медичне забезпечення глибоководного занурення людини у м'якому скафандрі має першорядне значення.

З одного боку, кисневе отруєння, а з іншого – ядуха від нестачі того ж кисню постійно загрожують людині, що опускається в глибину. Але цього замало. Усі тепер знають про так звану кесонної хвороби. Нагадаємо, що це таке. При високому тиску у крові водолаза розчиняються гази, що входять до складу дихальної суміші. Основну частину повітря, яким дихає водолаз, становить азот. Його значення для дихання полягає в тому, що він розбавляє кисень. При швидкому падінні тиску, коли водолаза піднімають на поверхню, надлишок азоту не встигає піти через легені, а в крові утворюються бульбашки азоту, кров як би закипає. Бульбашки азоту закупорюють дрібні кровоносні судини, через що настає слабкість, запаморочення, іноді зі втратою свідомості. Це є прояви кесонної хвороби (емболії). Коли ж бульбашки азоту (або іншого газу, що становить дихальну суміш) потрапляють у великі судини серця чи мозку, то потік крові в цих органах припиняється, тобто настає смерть.

Для запобігання кесонній хворобі підйом водолаза повинен проводитися повільно, із зупинками, щоб відбувалася так звана декомпресія організму, тобто щоб надлишок розчиненого газу встигав поступово залишити кров через легені. Залежно від глибини занурення розраховується час підйому та кількість зупинок. Якщо на великій глибині водолаз знаходиться кілька хвилин, то час на його спуск і підйом обчислюється кількома годинами.

Сказане вкотре підтверджує ту просту істину, що людина не може жити у водній стихії, яка колись породила його далеких предків, і він ніколи не залишить земну твердь.

Але пізнання світу, зокрема вивчення океану, люди завзято прагнуть опанувати океанської глибиною. Занурення на глибину люди виконували ще в м'яких водолазних костюмах, не маючи навіть пристроїв типу аквалангу.

Першим на рекордну глибину 135 метрів опустився в 1937 р. американець Мак Нол, а через два роки радянські водолази Л.Кобзар і П.Вигулярний, що дихали гелієвою сумішшю, досягли глибини 157 метрів. Десять років знадобилося після цього, щоб досягти позначки 200 метрів. На таку глибину в 1949 році опустилися два інші радянські водолази – Б. Іванов та І. Вискребенцев.

1958 року водолазною справою зацікавився вчений, спеціальність якого була далека від підводних занурень. Це був молодий, тоді 26-річний математик, який уже мав звання професора Цюріхського університету, Ганс Келлер. Діючи потай від інших фахівців, він сконструював апаратуру, розрахував склад газових сумішей і терміни декомпресії і приступив до тренувань. Вже за рік із пристосуванням у вигляді водолазного дзвону він опустився на дно Цюріхського озера на глибину 120 метрів. Г.Келлер досяг рекордно коротких термінів декомпресії. Як він цього досяг, було його секретом. Він мріяв про світовий рекорд глибини занурення.

Роботами Г.Келлера зацікавилися військово-морські сили США, і чергове занурення намічено на 4 грудня 1962 року в Каліфорнійській затоці. Передбачалося з борту американського судна «Еврика» за спеціально виготовленим підводним ліфтом спустити на глибину 300 метрів Г.Келлера та англійського журналіста Пітера Смолла, де вони поставлять швейцарський та американський державні прапори. З борту Еврики за зануренням стежили за допомогою телевізійних камер. Незабаром після спуску ліфта на екрані з'явилася лише одна людина. Стало ясно, що трапилося щось непередбачене. Згодом було встановлено, що в підводному ліфті стався витік дихальної суміші і обидва акванавти знепритомніли. Коли підняли ліфт на борт судна, Г.Келлер незабаром прийшов до тями, а П.Смолл вже до підняття ліфта був мертвий. Крім нього загинув ще аквалангіст із групи забезпечення – студент К.Уіттекер. Пошуки його тіла були безрезультатними. Такими є сумні результати порушень правил водолазної безпеки.

До речі, Г.Келлер тоді дарма гнався за рекордом: вже 1956 року на трисотметровій глибині побували три радянські водолази – Д.Лімбенс, В.Шалаєв та В.Курочкін.

У наступні роки найглибші занурення – до 600 метрів! виконували водолази французької фірми Комекс, що займається технічними роботами нафтовидобувної промисловості на океанському шельфі.

На такій глибині водолаз у м'якому скафандрі та з найдосконалішим аквалангом може перебувати лічені хвилини. Ми не знаємо, які невідкладні справи, які причини змушували керівників згаданої французької фірми ризикувати життям водолазів, відправляючи їх на глибину. Підозрюємо однак, що причина тут найтривіальніша – все та ж безкорислива любов до грошей, до наживи.

Ймовірно, глибина 600 метрів вже перевищує фізіологічний кордон занурення людини в м'якому водолазному костюмі. Навряд чи потрібно далі відчувати можливості людського організму, вони не безмежні. До того ж людина побувала вже на глибині, що значно перевищує 600-метровий рубіж, щоправда, не у водолазному костюмі, а в ізольованих від зовнішнього середовища пристроях. Дослідникам давно стало ясно, що на великі глибини людини без ризику для її життя можна опустити лише у міцних металевих камерах, де тиск повітря відповідає нормальному атмосферному тиску. Отже, потрібно забезпечити в першу чергу міцність та герметичність таких камер та створити запас повітря з можливістю видалення відпрацьованого повітря або його регенерації. Зрештою, такі пристрої були винайдені, і дослідники опускалися в них на великі глибини, аж до граничних глибин Світового океану. Ці пристрої називаються батисферами та батискафами. Перш ніж познайомитися з цими пристроями, ми просимо читачів виявити терпіння та прочитати нашу коротку розповідь про історію цього питання на наступній сторінці сайту Знання-сила.

© Володимир Каланов,
"Знання-сила"

>>Тиск на дні морів та океанів. Дослідження морських глибин

Надіслано читачами з інтернет-сайтів

Календарно-тематичне планування фізики, скачати тести, завдання школяру 7 класу, курси вчителю фізики 7 класу

Зміст уроку конспект урокуопорний каркас презентація уроку акселеративні методи інтерактивні технології Практика завдання та вправи самоперевірка практикуми, тренінги, кейси, квести домашні завдання риторичні питання від учнів Ілюстрації аудіо-, відеокліпи та мультимедіафотографії, картинки графіки, таблиці, схеми гумор, анекдоти, приколи, комікси притчі, приказки, кросворди, цитати Доповнення рефератистатті фішки для допитливих шпаргалки підручники основні та додаткові словник термінів інші Удосконалення підручників та уроківвиправлення помилок у підручникуоновлення фрагмента у підручнику елементи новаторства на уроці заміна застарілих знань новими Тільки для вчителів ідеальні урокикалендарний план на рік методичні рекомендації програми обговорення Інтегровані уроки

Привіт любі читачі!У цьому пості головною темою буде дослідження світового океану. Океан дуже гарний і привабливий, в ньому мешкає безліч різних видів риб і не тільки, також океан допомагає нашій Землі у виробленні кисню і відіграє важливу роль у її кліматі. Але люди, нещодавно, детально зайнялися його вивченням, і були здивовані результатами... Про це читайте далі...

- Це наука, яка пов'язана з вивченням. Також вона нам допомагає значно поглибити знання і про природні сили, у тому числі гороутворення, землетруси, виверження вулканів.

Перші дослідники вважали, що океан є перешкодою на шляху до віддалених земель. Їх мало цікавило, що перебувають у глибинах океану, попри те що, що світовий океан займає понад 70% поверхні Землі.

Саме з цієї причини ще 150 років тому панувало уявлення про те, що океанське дно – це позбавлена ​​будь-яких елементів рельєфу, величезна рівнина.

У XX столітті розпочалося наукове дослідження океану. У 1872 – 1876 pp. відбулося перше серйозне плавання з науковою метою на борту британського судна «Челленджер», на якому було спеціальне спорядження, а його команда складалася з вчених та моряків.

Багато в чому результати цієї океанографічної експедиції збагатили людські знання про океани та їх флору та фауну.

У глибині океану.

На "Челленджері" для проміру океанських глибин були особливі лотліні, які складалися з свинцевих куль, що важили 91 кг, ці кулі були закріплені на прядив'яному канаті.

Кілька годин могло тривати опускання на дно глибоководного жолоба такого лотлина, а на додачу, цей метод досить часто не забезпечував потрібної точності вимірювання великих глибин.

У 1920-ті роки з'явилися ехолоти. Це дозволило визначати океанську глибина всього за кілька секунд за часом, що минув між посилом звукового імпульсу та прийомом відбитого дном сигналу.

Судна, які були оснащені ехолотами, вимірювали глибину під час прямування та отримували профіль океанського ложа. Нова система глибоководних промірів "Глорія" з'явилася на судах, починаючи з 1987 року. Ця система дозволяла сканувати дно океану смугами завширшки 60 м.

Використані раніше для вимірювання океанських глибин, обтяжені лотліні, часто були оснащені невеликими ґрунтовими трубками для взяття з океанського дна проб ґрунту. У сучасних пробовідбірників велика вага та розмір, а занурюватися вони можуть на глибину до 50 м у м'які донні відкладення.

Найбільші відкриття.

Інтенсивне дослідження океану розпочалося після Другої світової війни. Відкриття 1950 – 1960 рр., пов'язані з породами океанічної кори, зробили революцію у науках Землю.

Ці відкриття довели той факт, що в океанів відносно молодий вік, а також підтвердили, що рух літосферних плит, що їх породив, і сьогодні триває, повільно змінюючи земний вигляд.

Рух літосферних плит викликає виверження вулканів та землетрусу, а також призводить до утворення гір. Вивчення океанічної кори продовжується.

Судно «Гломар Челленджер» у період 1968 – 1983 рр. знаходилося у навколосвітньому плаванні. Воно постачало геологів цінною інформацією, буря свердловини в океанському дні.

Судно «Резолюшн» Об'єднаного океанографічного товариства глибокого буріння виконувало це завдання у 1980-ті роки. Це судно було здатне виробляти підводні буріння на глибинах до 8300 м-коду.

Сейсмічні дослідження також забезпечують даними про донні океанські породи: ударні хвилі, послані з поверхні води, відображаються від різних шарів породи по-різному.

В результаті цього вчені отримують дуже цінну інформацію про можливі родовища нафти та структуру порід.

Д ля вимірювання швидкості течії та температури на різних глибинах, а також для взяття проб води використовуються інші автоматичні прилади.

Штучні супутники також відіграють важливу роль: вони здійснюють моніторинг океанічних течій та температур, які впливають на .

Саме завдяки цьому ми отримуємо дуже важливу інформацію про зміну клімату та глобальне потепління.

Аквалангісти в прибережних водах можуть легко пірнати на глибину до 100 м. Але на глибини, які більше, вони занурюються, поступово підвищуючи та скидаючи тиск.

Такий метод занурення успішно використовують для виявлення затонулих суден та на морських нафтопромислах.

Цей метод дає набагато більше можливостей при зануренні, ніж водолазний дзвін чи важкі водолазні костюми.

Підводні апарати

Ідеальний засіб для дослідження океанів – це підводні човни. Але більша їхня частина належить військовим. З цієї причини вчені створили апарати.

Перші такі апарати з'явилися торік у 1930 – 1940 гг.Американський лейтенант Дональд Уолш і швейцарський учений Жак Піккар, в 1960 р. встановили світовий рекорд занурення в найглибоководнішому районі світу – у Маріанському жолобі Тихого океану (упадина Челленджера).

На батискафі «Трієст» вони опустилися на глибину 10917 м, а в глибинах океану виявили незвичайних риб.

Але, ймовірно, найбільш вражаючими у нещодавньому минулому були події, пов'язані з крихітним батискафом «Елвін», за допомогою якого у 1985 – 1986 роках. вивчалися уламки «Титаніка» на глибині близько 4000 м-коду.

Робимо висновок: величезний світовий океан вивчений зовсім небагато і ми маємо його вивчати все більш поглиблено. І хто знає, які на нас чекають відкриття в майбутньому... Це велика загадка, яка потроху відкривається перед людством завдяки дослідженню світового океану.