ТИСК СТОВПА РІДИНИ ТА ГЛИБОКОВОДНЕ ЖИТТЯ
Тиск води на глибині океану
Тиск води в глибинах є одним із багатьох явищ, на яке дослідники повинні зважати, досліджуючи глибоководні місця. Океан глибокий. Середня глибина океану становить приблизно 3800 метрів. Найбільша глибина океану становить 11 000 метрів! Як ця велика глибина води впливає на життя в океані? Відповідь залежить від того, де в океані він мешкає. Риба або рослина, що знаходиться біля поверхні, мало відчуває вплив великої глибини. Неважливо, 10 метрів чи кілометр під плаваючою рибою. Однак на тварину, яка живе на глибині 3000 метрів, сильно впливає глибина води над нею.
Ми часто говоримо про тиск в термінах атмосфер. Одна атмосфера дорівнює вазі земної атмосфери на рівні моря, приблизно 10^5 к паскалю. Якщо ви знаходитесь на рівні моря, на кожен квадратний дюйм вашої поверхні діє сила 6,6 фунтів.
Тиск зростає приблизно на одну атмосферу на кожні 10 метрів глибини води. На глибині 5000 метрів тиск становитиме приблизно 500 атмосфер або в 500 разів більше, ніж тиск на рівні моря. Це великий тиск.
Однак зануртеся в океан навіть на кілька метрів, і станеться помітна зміна. Ви можете відчути збільшення тиску на барабанні перетинки. Це пов’язано зі збільшенням гідростатичного тиску, сили на одиницю площі, з якою рідина діє на об’єкт. Чим глибше ви занурюєтеся під море, тим сильніший тиск води тисне на вас. На кожні 10,06 метра, на які ви спускаєтеся, тиск зростає на одну атмосферу.
Багато тварин, які живуть у морі, взагалі не відчувають проблем з високим тиском. Кити, наприклад, можуть витримувати різкі зміни тиску, оскільки їхнє тіло більш гнучке. Їхні ребра скріплені пухким хрящем, який можна згинати, що дозволяє грудній клітці згортатися під тиском, який легко ламає наші кістки.
Легені кита також можуть безпечно згорнутися під тиском, що утримує їх від розриву. Це дозволяє кашалотам полювати на гігантських кальмарів на глибині 2000 метрів і більше.
Більше про закон гідростатики можна дізнатися тут
Інтерактив глибинного морського тиску
Океанографам довелося розробити спеціальне обладнання, щоб вони могли досліджувати океанські глибини. Візьмемо, наприклад, підводних роботів. Вони виготовлені з надзвичайно міцних матеріалів, які витримують тиск. Деякі підводні апарати перевозять людей, інші керуються дистанційно. Обидва типи повинні бути здатними витримувати екстремальний тиск без розтріскування. Прилади, що використовуються для проведення вимірювань, також повинні працювати під таким тиском.
Інженери також працюють над тим, щоб підводні апарати мали нейтральну плавучість. Пам’ятайте, що плавучість — це сила, з якою вода штовхає об’єкт. Уявіть, що простір, який займає об’єкт, замість цього заповнений водою. Вода в цьому просторі важить так само, як і вода навколо нього. Отже, гідростатичний тиск з усіх боків однаковий. Якщо об’єкт у цьому просторі важить більше води, він потоне. Якщо він важить менше, він буде плавати. Постійне коригування положення витрачає енергію. Тож дослідники намагаються створити транспортні засоби, вага яких дорівнює вазі води. Це дозволяє їм залишатися підвішеними у воді без необхідності коригувати своє положення.
Гідростатичний тиск є однією з головних причин, чому так мало досліджено дно океану. Але нові досягнення змінюють це. Вони дозволяють дослідникам відкривати нові та несподівані особливості нашої планети. Вони перетворюють глибини океану на новий кордон.
З В У К У В О Д І
Хоча світло і звук поширюються хвилями, природа цих двох хвиль різна. Світлові хвилі є електромагнітними. Звук виробляється хвилями тиску, викликаними вібрацією. Коли середовище, що містить хвилю тиску вступає в контакт з іншим середовищем, виникає симпатична вібрація виникає. Це передає хвильову картину другому середовищу. Як приклад, виробляється звук, і збурення поширюється по повітрю у вигляді хвилі тиску, що вражає наші барабанні перетинки. Це викликає симпатичну вібрацію в барабанних перетинках. Внутрішнє вухо перетворює цю механічну вібрацію барабанної перетинки в нервовий імпульс. Імпульси надсилаються до наш мозок для інтерпретації.
Чим щільніше середовище, через яке поширюється звук, тим більша швидкість звуку. У щільних середовищах молекули щільно прилягають одна до одної, що полегшує передачу хвильового руху. Швидкість звуку в повітрі становить 343 м за секунду; швидкість звуку в морській воді становить 1,531 м за секунду; і швидкість звуку крізь сталь - 5 060 м за секунду. Швидкість передачі звуку у воді залежить від температури води (холодніша вода щільніша, що дозволяє їй передавати звук швидше) і солоності (морська вода дозволяє звуку поширюватися швидше, ніж прісна вода, знову ж таки через те, що вона більш щільна).
Оскільки швидкість звуку залежить від щільності середовища, через яке він проходить, цікаві акустичні ефекти виникають у воді, яка має кілька температурних шарів (відомих як термокліни). Густина води змінюється в залежності від від її температури. При переході звукових хвиль з води однієї температури/густини в іншу однієї температури/густини в іншу, як при зіткненні з термокліном, втрачається значна енергія. Це має тенденцію до ізоляції звуку у воді постійної температури. Цікаво, що дайвер, який не знаходиться в тому ж діапазоні термокліна, що і джерело звуку, часто не може почути цей звук, навіть якщо він надходить лише з відстані кількох метрів.
На слух під водою впливають важливі чинники. Це майже неможливо визначити, з якого напрямку походить звук. На суші звук досягає одного вуха раніше, ніж іншого; таким чином, можна визначити напрямок джерела. Під водою звук поширюється настільки швидко, що досягає обох вух без помітного інтервалу. Звук здається, що він походить з усіх боків. Звук поширюється швидше, здається ненаправленим, і його легше почути під водою. звукові хвилі переходять з води однієї температури/густини в іншу, як, наприклад, коли вони
Більше про поширення звуку у воді можна дізнатися тут
Як поширюється світло в воді
Зір дозволяє сприймати електромагнітну енергію (світло). Людина здатна сприймати лише дуже вузький діапазон довжин хвиль від 380 до 800 нанометрів. Очі функціонують, збираючи світло, яке випромінюється або відбивається об'єктом. Частина світла поглинається об'єктом об'єктом, завдяки чому об'єкт здається кольоровим. Енергія хвилі, які отримує око, перетворюються на електричні імпульси в нервах і надсилаються до мозку через зоровий нерв. Мозок інтерпретує сигнали і ми "бачимо".
Під водою очі продовжують функціонувати, збираючи світло, відбите від предметів, але саме світло змінюється.
Вода уповільнює швидкість, з якою рухається світло. Коли світло входить у воду або виходить з неї, ця зміна швидкості змушує світлові промені викривлятися, або заломлюватися. Ось чому олівець у склянці води виглядає зігнутим. При спостереженні через водолазну маску заломлення впливає на ближній зір, створюючи спотворення, які впливають на зорово-рухову координацію і здатність схоплювати предмети під водою.
Якщо помістити кишеню з повітрям (тобто маску) між водою і очима, світлові промені заломлюються двічі - один раз, коли вони потрапляють у повітря з води, і ще раз, коли вони потрапляють в очі; більш чітке зображення тепер фокусується на сітківці ока. Однак через недосконалу корекцію зображення на сітківці є більшим. Об'єкти тепер можуть здаватися приблизно на 25% більшими через більший, ніж у нормі, розмір зображення на сітківці.
Візуальні спотворення, викликані маскою, значно змінюються залежно від відстані спостереження. Наприклад, на відстані менше 1,2 м об'єкти здаються ближчими, ніж вони є насправді. Однак, переоцінка відбувається на відстанях більше 1,2 м, і цей ступінь помилки збільшується в каламутній або мутній воді. Очевидні й інші спотворення сприйняття. Нерухомі об'єкти здаються рухомими, коли голова повертається з боку в бік.
Каламутність - ще один фактор, що впливає на підводну видимість. Каламутність відноситься до прозорості води і залежить від кількості частинок у суспензії. Каламутна вода більш каламутна, ніж прозора. Каламутність може стати причиною переоцінки відстані до підводного об'єкта.
Важливо пам'ятати, що сприйняття відстані під водою з великою ймовірністю може бути неточним і що помилки як можуть виникати помилки як недооцінки, так і переоцінки. Як правило, чим ближче об'єкт, тим емпіричне правило: чим ближче об'єкт, тим з більшою ймовірністю він буде здаватися ближчим, ніж він є насправді. Крім того, чим каламутніша вода, тим більша ймовірність того, що вода, тим більша ймовірність того, що об'єкт буде здаватися далі, ніж він є насправді.
Кольори
Вода поглинає світло відповідно до його довжини хвилі. Чим глибше світло проникає у воду, тим більше довжин світлових хвиль поглинається. Поглинання починається з червоного кінця спектру. Наступним втрачається помаранчевий колір, за ним йде жовтий, а потім зелений. У дуже глибокій воді єдиними видимими кольорами є синій і фіолетовий.
Каламутність впливає на здатність бачити кольори, оскільки зважені частинки розсіюють світло. Каламутна вода дає найбільшу прозорість для довжин хвиль в зеленому діапазоні. Таким чином, дуже прозора вода має синій колір, в той час як каламутна вода зазвичай зелена. Один метр дистильованої води поглинають дванадцять відсотків червоних, але лише один відсоток синіх променів. Тому на глибині 19,8 м, навіть у дуже прозорій воді, червоний колір не видно, а інтенсивність жовтого зменшується приблизно на 95 відсотків. На тій же глибині, однак, синій колір з'являється з інтенсивністю від 40 до 50 відсотків від його початкової поверхневої інтенсивності. Деякі сонячні промені можуть проникати на глибину до 610 м.
Каламутність також впливає на здатність бачити кольори, оскільки зважені частинки розсіюють світло.
Загалом, зі збільшенням глибини здатність розрізняти кольори зменшується, поки видимі об'єкти не стануть розрізнятись лише за різницею в яскравості. На більших глибинах контраст стає найважливішим фактором видимості. Флуоресцентна фарба покращує видимість.
Експерименти
Давайте спробуємо кілька експериментів із тиском:
Усе в глибокому океані перебуває під великим тиском. На будь-якій глибині океану вага води нагорі тисне на будь-який об'єкт під ним. З кожним футом об'єкт занурюється в океан, дедалі більше води тисне на нього і на нього, і на цей об'єкт чиниться дедалі більший тиск. Фактично, на кожні 10 метрів занурення вглиб океану припадає 6,47 кг (14,27 фунта) додаткового тиску на кожен квадратний дюйм поверхні. Щоб зануритися на великі глибини океану, вчені та дослідники повинні використовувати спеціально розроблене обладнання, таке як дистанційно керовані апарати (ROV) і пілотовані підводні апарати, які можуть працювати в умовах екстремального тиску. Наскільки екстремально? ROV, що занурюється на глибину 2000 м, відчуває зусилля понад 1270 кг (2800 фунтів) на кожен квадратний дюйм його поверхні. Давайте спробуємо кілька експериментів:
Перешкоди водолазів
Бути дайвером не так легко! Вони мають дуже багато проблем!
Кесонна хвороба
Декомпресійна хвороба, інакше звана кесонною або хворобою водолазів, з 'являється у людей після того, як вони піднімаються на поверхню землі або води з глибини. Кесонна хвороба виникає при зміні атмосферного тиску.
У групі ризику знаходяться люди, які займаються будівництвом портів, мостів, підводних тунелів, тобто все водолази. Причому постраждати можуть не тільки професіонали, але і любителі попірнати на глибину. Людина, що знаходиться в спеціальній камері-кесоні або в гідрокостюмі відчуває на собі вплив підвищеного атмосферного тиску. Воно збільшується спеціально, щоб врівноважити тиск води на костюм або камеру.
Це пояснюються порушенням рівноваги між внутрішнім тиском повітря в організмі і зовнішнім тиском. З’являється відчуття закладання вух, обумовлене вдавлення барабанної перетинки зовнішнім повітрям. Вдавлення барабанної перетинки при непрохідності євстахієвих труб може бути настільки значним, що на ній утворюються надриви з крововиливами аж до перфорації.
З'ясовуємо, що відбувається з людським тілом на екстремальній глибині.
Занурення – одне з найсерйозніших випробувань для організму. На значних глибинах фрідайверів, які пірнають без обладнання, чекає безліч небезпек: відсутність кисню, високий тиск, темрява і холод. Досліджуємо, які зміни відбуваються з тілом дайвера.
При зануренні на 10 м тиск на тіло подвоюється. На 30-метровій глибині воно потроюється, а по досягненню позначки 100 метрів легені стискаються до розмірів бейсбольного м'яча. На глибині понад 6 м у людського тіла виникає нейтральна плавучість, що дозволяє залишатися на одному рівні, не занурюючись глибше
Пірнальний рефлекс
Пірнальний рефлекс ссавців виник мільйони років тому. Він провокує зміни в організмі, покликані полегшити занурення на глибину.
В першу чергу, на 10-30% сповільнюється серцебиття (у досвідчених дайверів ця цифра вища), знижуючи споживання організмом кисню. Цей ефект називають брадикардією. Також виникає ларингоспазм – рефлекс, що перешкоджає потраплянню води в легені. А ще зростає артеріальний тиск.
Потім відбувається так зване кров'яне зрушення: кров прибуває до життєво важливих органів, захищаючи їх від тиску. Підвищується рівень гемоглобіну, дозволяючи організму дайвера накопичувати більше кисню. До речі, цей рефлекс можна викликати навіть у себе вдома, просто опустивши обличчя в холодну воду.
Дихання і плавучість
При зануренні на 10 м тиск на тіло подвоюється. На 30-метровій глибині він потроюється, а по досягненню позначки в 100 м легені стискаються до розмірів бейсбольного м'яча. На глибині понад 6 м у людського тіла виникає нейтральна плавучість, що дозволяє йому залишатися на одному рівні, не занурюючись. Якщо протистояти цьому за допомогою спеціальних пристроїв на зразок поясу з додатковим вантажем, виникає негативна плавучість, що дозволяє дайверу продовжити своє занурення.
Фрідайверам слід навчитися відрізняти реальну необхідність зробити вдих від рефлекторного імпульсу. Також варто остерігатися перенасичення організму киснем, яке називають азотним наркозом. При ньому спершу виникає почуття ейфорії, яке перетікає в порушення координації. Починаються галюцинації, погіршується мислення. В результаті фрідайвер непритомніє, що неминуче призводить до смерті, якщо поруч немає допомоги.
Мозок
Травми під водою викликані насамперед підвищеним тиском. Можуть розірватися барабанні перетинки, обличчя травмується маскою, тиск під якою знижується, і вона буквально «впивається» в голову дайвера. Легені розтягуються і стискаються, стінки альвеол можуть розриватися, провокуючи кривавий кашель. Якщо у дайвера є проблеми з зубами, больові відчуття в них посилюються через розширення бульбашок повітря, які тиснуть на зуби і нерви.
Але головна небезпека під водою – кесонна хвороба. Гази в крові дайвера, який швидко випірнув з великої глибини, утворюють бульбашки та порушують кровообіг. Симптоми варіюються залежно від стадії хвороби. Це може бути як легке нездужання з болем в м'язах, так і емболія дихальної системи.
Нуууу дуууужеее цікаво знати:
Яку максимальну глибину здатна витримати людина? Успішність занурення залежить від рівня підготовки та тренованості фрідайвера. На даний момент світовий рекорд занурення належить 46-річному австрійцю Герберту Нічу, який у 2012 році досяг 253-метрової глибини. Крім того, він володіє рекордами в восьми інших дисциплінах фрідайвінга.
Інші цікавинки
Про спермацет в кашалотів та залежність структури водоростей від глибини
Водорості
Водорості теж пристосувалися до сильного тиску і браку сонячного світла
Водорості зеленого кольору використовують для фотосинтезу червону частину спектру. Червоному кольору найскладніше опускатися на морське дно, він затримується шарами води, і глибше проникають лише сині та зелені промені. Тому найбільш глибоководним водоростям - червоним, довелося дещо змінити будову своїх хлоропластів. На відміну від зелених рослин - володарів хлорофілів a і b, в хлоропластах червоних водоростей переважають хлорофіли a і d. Також в клітинах червоних водоростей присутні і додаткові барвники - каротиноїди, фікоетріни і фікоціан, що допомагають максимально використовувати що надходить до рослин сонячне світло. Також каротиноїди надають червоним водоростям їх характерну забарвлення.
Далеко не всі червоні водорості вважають за краще селитися на глибині. Багато видів живуть в прибережних водах, не опускаючись більш ніж на один-два метри. Однак деякі різновиди здатні продовжувати життєдіяльність на глибині понад 260 метрів. Водорості, що живуть в таких екстремальних умовах, можуть досягати величезних розмірів (до п'ятдесяти метрів).
