Газы хотя и находятся в воде в тех же пропорциях, что и в воздухе, однако в абсолютных цифрах их количество в равных объемах воды и атмосферного воздуха далеко не одинаково. Если в 1 литре воздуха при нормальном атмосферном давлении содержится 210 кубических сантиметров кислорода, то в 1 литре воды его может быть растворено не более 10. Одно из неприятных свойств воды состоит в том, что при повышении температуры растворимость кислорода в ней уменьшается. Максимальное количество этого газа, способное раствориться в воде при 0 градусов и нормальном атмосферном давлении, составляет всего 14,16 миллиграмма на литр. При 10 градусах оно уменьшается до 10,92, а при 30 падает до 7,35. Напомню, что в 1 литре воздуха содержится 300 миллиграммов кислорода. Падение растворимости кислорода по мере повышения температуры воды весьма неудобно для водных животных, так как в теплой воде у них резко возрастает уровень обмена веществ и, соответственно, серьезно увеличивается потребность в кислороде. Установлено, что у рыб при повышении температуры воды на 10 градусов потребление кислорода увеличивается вдвое!
Мы — земляне, можно сказать, живем под Солнцем. Однако огромное количество организмов от первых до последних дней своей жизни существуют в условиях полной темноты. В отличие от воздушной оболочки Земли, хорошо пропускающей подавляющую часть солнечных лучей, точнее испускаемых Солнцем электромагнитных волн, вода является для них труднопреодолимым препятствием.
Не только морская, но и самая чистая пресная вода непроницаема для солнечных лучей. Более 60 процентов энергии электромагнитных волн задерживает, поглощает самый верхний, метровый слой воды. До десятиметровой глубины в лучшем случае доходит 20 процентов энергии солнечных лучей. Под стометровой толщей воды человек, в полном соответствии с известной русской поговоркой, чувствует себя как у арапа в желудке, так как сюда проникает менее 1 процента солнечных лучей.
На «пропускание» электромагнитных волн (таков не слишком литературно звучащий термин) сильнейшим образом влияет муть — взвешенные в воде твердые частички, в том числе микроорганизмы, а также пузырьки воздуха в самом верхнем слое воды. Растворенные в воде соли не ухудшают ее прозрачности. Косые солнечные лучи частично отражаются от водной поверхности, а та их часть, которая все же внедряется в толщу воды, не достигает больших глубин. Когда солнце стоит прямо над головой, его лучи проникают значительно глубже 100 метров. В районах с особенно чистой водой человек с нормальным зрением способен увидеть слабый сине-зеленый свет даже на глубине 800 метров, а чувствительные фотоэлементы свидетельствуют, что какие-то крохи энергии электромагнитных волн доходят на глубины до 1 километра.
Солнечные лучи обладают различной способностью проникать в толщу воды. Столкнувшись с водной гладью, первыми пасуют самые короткие ультрафиолетовые, а также самые длинные — инфракрасные лучи и гиганты радиоволны. Лучше всех проходят в глубь волны светового диапазона, особенно сине-зеленой части солнечного спектра длиной 465 нанометров. Именно они придают пейзажу и подводным обитателям зеленовато-голубой оттенок. Эту особенность окраски подводного мира добросовестно фиксирует фотоаппарат. На фотоснимках, сделанных при естественном освещении, даже песчаное дно приобретает зеленоватый или голубоватый оттенок. Наши глаза, точнее, наш мозг не столь объективны. Зная истинную окраску подводных объектов, он вносит коррективы в наше восприятие картины подводного царства.
Глаза наземных животных не годятся для подводного царства. Необходимо сфокусировать коррективы изображения окружающих предметов на воспринимающих элементах. Человеческий глаз делает это за счет преломляющей силы роговицы и хрусталика, иными словами, благодаря тому, что эти образования глаза способны изменять направление световых лучей.
Обычно световые лучи меняют направление при переходе из одной среды в другую. Величина отклонения зависит от преломляющей силы материала, в который они внедряются, и от того, под каким углом они падают на его поверхность. Однако показатели преломления роговицы почти такие же, как у обыкновенной воды. Поэтому световые лучи, попадая на роговицу ныряльщика, дерзнувшего под водой открыть глаза, не преломляются, а хрусталик без ее помощи не в состоянии сфокусировать световой поток на светочувствительных элементах сетчатки. Вот почему под водой окружающий мир расплывается, теряя свои очертания. В воде человек становится настолько дальнозорким, что практически любой предмет, как бы далеко он ни находился, оказывается для нас достаточно близким, и мы способны увидеть лишь крупные предметы, да и те выглядят расплывчатыми.
Совсем иное дело водолазы и аквалангисты, пользующиеся маской с плоским стеклом. Они в подводном мире не испытывают особых неудобств, так как их глаза непосредственно не соприкасаются с водой. От нее их отделяет стекло и тонкий слой воздуха, находящийся в маске или в шлеме водолазного скафандра. Поэтому в фокусировке изображения принимают участие и роговица и хрусталик, а изображение получается вполне отчетливым. Однако, переходя из воды в воздух, находящийся перед глазами водолаза, световые лучи преломляются, слегка отклоняясь от первоначального направления. Вот почему водолазу, работающему на грунте, все предметы кажутся на треть крупнее, чем в действительности. По тем же причинам на фотографиях, сделанных под водою с помощью фотобокса с простыми плоскими стеклами, изображение будет увеличено примерно на 30 процентов по сравнению с тем, каким бы оно выглядело при фотографировании в воздушной среде.
Если вода для электромагнитных волн — непреодолимое препятствие или, во всяком случае, плохо проницаема, то звуковые волны способны распространяться в океане на огромные расстояния. Правда, пресная вода примерно в 100 раз прозрачнее морской, но и у соленой прозрачность достаточно высока, так что дальность распространения звуков в океане значительно выше, чем в атмосфере. Нарушает прозрачность морской воды главным образом ион сульфата магния, то есть магниевой соли серной кислоты — MgSO4·7H2O, больше известной как английская соль, используемая в медицине в качестве слабительного. В морской воде сульфата немного, около 3 граммов на литр, но его влияние на звукопроницаемость велико. Кроме того, звуки рассеивает любая муть, любые взвешенные в воде частички, в том числе пузырьки воздуха и живые организмы. Рассеивание звуков в конечном итоге приводит к их ослаблению.
Не все звуковые волны способны в подводном мире покрывать большие расстояния. Коротковолновые высокочастотные колебания затухают значительно быстрее, чем длинные волны, следующие друг за другом с небольшой частотой. Таким образом, дальность распространения звука зависит не только от его силы, но и от его частоты. При ее увеличении в четыре раза скорость затухания звука возрастет в два раза. Тысячекилометровые расстояния способны пробегать, пересекая океаны из края в край, лишь волны в диапазоне от 100 до 1000 герц. (Герц соответствует одному периоду колебаний в секунду.)
Скорость звуковых волн никоим образом не зависит от их частоты. В морской воде звуки распространяются быстрее, чем в пресной, и в 4–5 раз быстрее, чем в атмосфере; в среднем со скоростью 1500 метров в секунду. Но с повышением температуры, давления и солености скорость звука в воде растет.
В однородной среде, какой бы она ни была, звуковые волны распространяются строго прямолинейно. Однако температура, давление и соленость воды в океане подвержены колебаниям. Непостоянством физических свойств объясняется изменение скорости звука при прохождении им различных горизонтов воды, что автоматически приводит к отклонению направления звуковых волн от их первоначального прямолинейного пути. Акустики называют подобное явление рефракцией. Не входя в его сущность, хочу обратить внимание на то, что звуковые волны всегда отклоняются в ту сторону, где скорость их распространения ниже. Неоднородность акустических свойств воды, вызывая рефракцию звука, приводит к возникновению двух интересных явлений, которые имеют существенное значение для обитателей океана.
Определенный характер рефракции привел к возникновению в океане постоянно существующего акустического канала, который, не прерываясь, простирается на многие тысячи километров, связывая самые отдаленные его точки. Как мы знаем, температура воды в океане с глубиной постепенно падает. В соответствии со снижением температуры происходит постепенное уменьшение скорости распространения звука, что, в свою очередь, приводит к отклонению звука в более глубинные зоны океана. Однако на определенной глубине всевозрастающее давление, наконец, компенсирует уменьшение скорости звука, связанное с понижением температуры, и дальше в более глубоких слоях воды она будет постепенно расти. Таким образом, в любых районах океана, пожалуй, кроме полярных областей, где отсутствует существенная разница температур, на определенных глубинах океана всегда оказывается слой, в котором скорость распространения звука минимальна. Он может располагаться на разных глубинах до 2000, но чаще всего находится на расстоянии 700 метров от поверхности. Этот слой воды и является звуковым каналом. В нем звук не рассеивается так широко, как обычно, а поэтому не так быстро ослабевает, как это произошло бы в полностью однородной среде.
