Table of Contents

Путешествие, которое создало океанографию

В декабре 1872 года переоборудованный британский военный корабль выскользнул из Портсмутской гавани с миссией, которая коренным образом изменила бы наше восприятие планеты. HMS Challenger, 2 306-тонный корвет, отправлялся в четырехлетнее, 68 890-тонное путешествие с простой, но дерзкой целью: систематически исследовать мировые океаны. Результатом стало единственное самое преобразующее научное путешествие со времен путешествия Чарльза Дарвина на Бигле. Экспедиция Challenger не просто собирала данные; она изобрела дисциплину океанографии. Ее результаты переписали учебники, опровергли века предположений и обеспечили основу для всей современной морской науки. Более 150 лет спустя исследователи по-прежнему полагаются на данные, собранные этим экстраординарным усилием понять изменение климата, биоразнообразие и саму структуру нашей планеты.

Перед бездной: научная пустота середины 19-го века

Чтобы оценить масштабы достижения экспедиции Challenger, необходимо понять вакуум, который она заполнила. В середине 1800-х годов глубокий океан был теоретически пустым пространством на карте человеческих знаний. В то время как поверхностные течения и прибрежные воды были знакомы морякам, глубины ниже нескольких сотен метров были фактически неизвестны. Преобладающая научная ортодоксия, отстаиваемая уважаемым британским натуралистом Эдвардом Форбсом, считала, что океан ниже 550 метров был «азоической зоной» — безжизненной, легкой и застойной бездной, неспособной поддерживать жизнь. Forbes провел исследования дноуглубительных работ в Эгейском море и обнаружил, что жизнь неуклонно уменьшалась с глубиной. Экстраполируя из ограниченных данных, он пришел к выводу, что граница нулевой жизни лежит на уровне около 550 метров.

Эта гипотеза была широко принята, несмотря на возражения таких фигур, как Чарльз Дарвин и Джозеф Хукер, которые утверждали из первых принципов, что жизнь, вероятно, существовала на всех глубинах. Инструментов, доказывающих их неправоту, просто не существовало. Звуковые линии были грубыми и могли только измерять глубину, обычно не вызывая ничего, кроме воды или грязи. Не было никакого способа пробовать донные организмы или измерять температуру, соленость и давление на глубине. Химический состав морской воды, структура дна океана и механика глубоководных течений были предметом чистой спекуляции. Именно этот разрыв между глубоким научным любопытством и полным отсутствием эмпирических данных заставил Королевское общество Лондона обратиться к британскому правительству за специальным исследовательским судном. Правительство, стремящееся подтвердить британское лидерство в естественных науках, согласилось.

Организация научной одиссеи: корабль, экипаж и миссия

Превращение военного корабля в плавучую лабораторию

HMS Challenger был выбран за его размер и прочность. Как корвет, построенный для выносливости, он был достаточно большим, чтобы нести огромные запасы, необходимые для четырехлетнего плавания, и достаточно прочным, чтобы выдержать худшие штормы Южного океана. Обновление корабля для науки было массовым предприятием. Две из 17 пушек корабля были удалены, чтобы освободить место для лабораторий. Была установлена паровая лебедка для обработки тяжелых дноуглубительных линий и звуковых кабелей, способных вытаскивать образцы с глубин, превышающих 8000 метров. Специальные резервуары для хранения были построены для сохранения биологических образцов в алкоголе. Корабль нес библиотеку научных текстов, современные термометры, бутылки для отбора воды и мили веревки и провода для глубоководных работ. К тому времени, когда он плавал, Challenger был меньше военным кораблем и больше мобильным исследовательским институтом.

Команда натуралистов и офицеров флота

Научный персонал возглавлял Чарльз Уайвилл Томсон, профессор естественной истории Эдинбургского университета, который убедительно аргументировал экспедицию. Его заместителем был Джон Мюррей, блестящий и амбициозный молодой натуралист, который позже редактировал монументальные отчеты экспедиции. В команду также входил Генри Ноттидж Мозли, биолог из Оксфорда; и Джон Янг Бьюкенен, химик и физик экспедиции. Морским офицерам при капитане Джордже Наресе было поручено доставить корабль на 362 заранее заданные станции и эксплуатировать сложное оборудование для зондирования и дноуглубления. Тесное сотрудничество между военно-морским экипажем и гражданскими учеными было центральным для успеха экспедиции. Он установил модель для всех последующих крупномасштабных океанографических исследований: дисциплинированное выполнение систематического, многодисциплинарного плана наблюдения.

Маршрут экспедиции: глобальное исследование океанского дна

Челленджер следовал тщательно спланированным курсом, предназначенным для отбора проб каждого крупного океанского бассейна. Покидая Портсмут в декабре 1872 года, корабль пересек Атлантику до Канарских островов, затем наклонился на юго-запад до Карибского моря и Бермуд. Оттуда он проплыл на юг до мыса Доброй Надежды, прежде чем углубиться в Южный океан. Корабль достиг антарктического ледяного покрова в начале 1874 года, что само по себе является значительным достижением. Маршрут затем пересек Индийский океан до Австралии и Новой Зеландии, проследовал на север через Тихий океан до Гонконга и Японии, а затем проследовал через центральную часть Тихого океана до Гавайев и Таити. Обратный путь взял Челленджер вокруг мыса Горн и обратно через Атлантику до Англии, прибыв в мае 1876 года. На каждой из 362 официальных станций корабль останавливался не менее 24 часов для проведения полного набора измерений. Экипаж щупал дно, выкапывал организмы, собирал образцы воды на нескольких глубинах, измерял температуру и со

Невероятные открытия, переписавшие морскую науку

Окончательные отчеты, опубликованные за 19 лет в 50 огромных томах, содержали описания более 4000 новых видов, подробные карты дна океана и первые всеобъемлющие химические и физические профили Мирового океана.

Жизнь в бездне: опровергая теорию азоя

Наиболее драматичная ранняя находка произошла во время самого первого глубокого драгирования Канарских островов. На глубине более 1100 метров — значительно ниже предполагаемой азоической границы — драг поднял богатый поток животных, включая морских огурцов, червей, губок и ракообразных. По мере продолжения плавания, рисунок держался. В каждом океанском бассейне, на каждой глубине, дно было изобилует жизнью. Команда Челленджера обнаружила странные и ранее невидимые существа: хрупкие звезды с разветвленными рукавами, стеклянные губки с замысловатыми скелетами кремнезема, биолюминесцентные креветки и первые глубоководные рыбы с массивными глазами и эластичными ртами, предназначенными для захвата редкой добычи. Самым известным образцом был Батисаурус , грозная хищная рыба, найденная на огромных глубинах. Открытие этой глубоководной экосистемы было биологической революцией. Это доказало, что жизнь может адаптироваться к полной темноте, огромному давлению и почти замор

Написание невидимой топографии: траншеи, ридджеи и бассейны

Используя взвешенные веревки и специализированный аппарат, называемый звуковой машиной Baillie, экипаж провел более 100 глубоководных зондирований. Эти измерения выявили сложную, динамическую топографию морского дна, которую никто не представлял. Вместо плоской, мутной равнины дно океана характеризовалось обширными горными хребтами, глубокими траншеями и широкими абиссальными равнинами. Наиболее знаковое измерение произошло в западной части Тихого океана, где Challenger озвучил впадину Мариана на глубине 8 184 метра, запись, которая стояла в течение десятилетий и определила самую глубокую точку на планете. Не менее значимым было открытие Среднеатлантического хребта, массивного подводного горного хребта, проходящего по центру Атлантического океана. Эти батиметрические карты были первым эмпирическим доказательством того, что дно океана было геологически активным и структурно сложным. Они непосредственно бросили вызов существующим теориям статической Земли и позже предоставили критические доказательства теории континентального дрейфа и распространения

Физика и химия глобального океана

Физические и химические исследования экспедиции были одинаково новаторскими. Используя реверсивные термометры и изолированные бутылки для отбора проб воды, команда создала первые точные вертикальные профили температуры и солености океана. Они обнаружили, что глубокий океан удивительно однороден по температуре, колеблясь около 2-4 ° C по всему земному шару, независимо от широты. Это наблюдение помогло определить механизм термохалинной циркуляции — медленное, обусловленное плотностью движение водных масс вокруг планеты. Химический анализ, возглавляемый Бьюкененом, нанес на карту распределение растворенного кислорода, углекислого газа, азота и солей. Эти измерения показали, что глубокая химия океана систематически меняется с глубиной и географическим положением, влияя на все, от циклов питательных веществ до распределения морской жизни. Эта работа заложила основу для современных областей химической океанографии и физической океанографии.

Читать океанский пол: первая классификация морских осадков

Систематический анализ отложений морского дна Джоном Мюрреем остается одним из самых устойчивых вкладов экспедиции. Он собрал образцы с каждой станции и классифицировал их на два основных типа: терригенные отложения , полученные из эрозии земли, и пелагические отложения , образованные из останков морских организмов. Он идентифицировал красную глину в самых глубоких бассейнах, глобигеринский оазис (состоящий из карбонатные оболочки кальция микроскопических фораминифер) на среднем Атлантическом хребте и кремниевые оози (из диатомовых и радилоарных оболочек) в полярных и обитающих регионах. Эта система классификации остается стандартной структурой, используемой морскими геологами сегодня. Она также предоставила первые четкие доказательства связи между продуктивностью поверхности, химией океана и составом морского дна.

Рождение дисциплины: от экспедиции к институту

Доклады о проблемах : памятник систематической науке

Публикация результатов экспедиции была огромным предприятием, которое охватывало почти два десятилетия. После смерти Томсона в 1882 году Джон Мюррей взял на себя редакционную ответственность. Полученные Отчеты о проблемах составили 50 томов, на общую сумму более 29 500 страниц. Они включали подробные таксономические описания тысяч новых видов, сложные карты и всеобъемлющие физические, химические и геологические данные. Отчеты были распространены в научных учреждениях и библиотеках по всему миру, устанавливая глобальный стандарт для океанографических исследований. Попытки составить и опубликовать отчеты требовали своего собственного преданного персонала и финансирования, и это эффективно установило океанографию как профессиональную научную дисциплину, достойную устойчивой институциональной поддержки.

Стандартизация методологии океанических исследований

Истинное наследие экспедиции Challenger - это не только собранные данные, но и способ их сбора. Экспедиция впервые разработала концепцию систематической океанографической станции : фиксированной точки, где стандартизированный набор измерений производится на регулярных глубинах. Эта методология, с ее акцентом на повторяемость и многодисциплинарное наблюдение, стала золотым стандартом для всех последующих научных круизов. Экспедиция также доказала осуществимость и ценность крупномасштабных, долгосрочных научных путешествий. Организационная модель, которую она установила - государственное финансирование, военная логистика и гражданское научное руководство - непосредственно вдохновила более поздние океанографические программы, от Галатеи экспедиций к современной Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) программы научно-исследовательского судна.

Непреходящее наследие: экспедиция Challenger в современной науке

Базовый показатель для измерения изменения климата

Более века спустя данные, собранные экспедицией Challenger, приобрели новое и актуальное значение. В эпоху быстрого изменения климата и подкисления океана ученые возвращаются к измерениям температуры и солености Challenger, чтобы установить историческую основу. Исследования, опубликованные в ведущих журналах, сравнили современные условия океана с данными Challenger для расчета скорости потепления океана и подкисления за последние 150 лет. Например, температурные профили, записанные Challenger в глубокой Атлантике и Тихом океане, теперь используются для проверки современных климатических моделей. Химические данные экспедиции о составе морской воды обеспечивают ориентир для измерения того, как антропогенный углекислый газ изменяет химию океана. Без систематических записей Challenger наше понимание долгосрочных изменений океана было бы гораздо менее определенным.

Информирование эволюционной биологии и экологии

Биологические коллекции, сделанные Челленджером, продолжают информировать современную науку. Образцы размещены в Музее естественной истории в Лондоне и являются жизненно важным ресурсом для таксономистов и эволюционных биологов. Анализ ДНК глубоководных организмов, собранных во время путешествия, помог решить давние вопросы об эволюционных отношениях абиссальных видов. Открытие живых целикантов и других глубоководных реликтов в 20-м веке можно проследить непосредственно до демонстрации Челленджера, что глубоководные воды являются убежищем для древних линий. Экологические наблюдения экспедиции - распределение видов по глубине, широте и субстрату - остаются основным набором данных для понимания глубоководной биогеографии.

План исследования

Дух экспедиции Challenger жив во всех современных океанографических круизах. Проект Challenger 150, запущенный в честь 150-летия путешествия, явно направлен на то, чтобы повторить глобальный междисциплинарный подход экспедиции с использованием современных технологий. Принципы, установленные Томсоном и Мюрреем — систематическое наблюдение, строгая документация, открытый обмен данными и международное сотрудничество — теперь являются стандартом для таких программ, как плавучая сеть Argo и Глобальная система наблюдения за океаном . Экспедиция Challenger доказала, что океан является единой, взаимосвязанной системой, которую можно понять с помощью постоянных, основанных на фактических данных исследований.

Корабль, который изменил то, как мы видим планету

Экспедиция Challenger была гораздо больше, чем путешествие открытия в викторианскую эпоху. Это было событие, которое породило океанографию как строгую, количественную науку. Открытия экспедиции - от изобилия жизни бездны до сложной топографии морского дна - фундаментально перестроили понимание человечеством своей собственной планеты. Данные, методологии и институциональные рамки, которые она установила, продолжают направлять исследователей, стремящихся раскрыть секреты глубокого океана. Поскольку мы сталкиваемся с современными проблемами изменения климата, потери биоразнообразия и устойчивого управления ресурсами, пример, поданный командой Challenger, остается чрезвычайно актуальным. Он напоминает нам, что систематическое, междисциплинарное наблюдение за глобальным океаном не только осуществимо, но и необходимо. Путешествие Challenger является постоянным свидетельством силы любопытства, ценности строгой методологии и непреходящей важности изучения неизвестного.