水中環境

海洋は、惑星の水圏の大部分を構成する水域です。^{[ 1 ]}地球上では、海洋は世界海洋の主要な慣習的区分の 1 つです。面積の大きい順に、太平洋、大西洋、インド洋、南極海、北極海です。^{[ 2 ] [ 3 ]}アメリカ英語では、「ocean」という単語は「sea」と互換的に使われることがよくあります。厳密に言えば、海は陸地に部分的または完全に囲まれた水域 (一般的には世界海洋の区分) ですが、 ^{[ 4 ]} 「 the sea」は海洋も指します。

塩水は地球表面の約 71% と地球の生物圏の 90% を覆っており、通常、いくつかの主要な海洋と小さな海に分けられています。 [ 5 ]海洋^には地球の^水の97 % が含まれており、海洋学者は世界の海洋の 100% 未満しか探査されていないと述べています。^{[ 5 ]}総体積は約 13.5 億立方キロメートル (3億2000 万立方マイル) で、平均水深は約3,700 メートル (12,100フィート)です。^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}    

湖とは、湖に水を供給したり排水したりする河川やその他の出口を除けば、陸地に囲まれた盆地内に局地的に存在する水で満たされた区域のことです。 ^{[ 9 ]}湖は陸地にあり、海洋の一部ではないため、ラグーンとは異なり、池よりも大きく深いですが、公式または科学的な定義はありません。^{[ 10 ]}湖は通常流れている河川や小川とは対照的です。ほとんどの湖は河川や小川によって供給され、排水されます。自然の湖は一般的に山岳地帯、リフトゾーン、および氷河作用が継続している地域に見られます。その他の湖は、内陸盆地または成熟した河川の流路沿いに見られます。世界のいくつかの地域では、最後の氷河期から残された混沌とした排水パターンにより、多くの湖が存在します。すべての湖は地質学的時間スケールでは一時的なものであり、堆積物で徐々に埋まったり、湖を含む盆地から溢れ出たりします。多くの湖は人工的に作られたもので、工業用や農業用、水力発電や生活用水の供給、あるいは景観、レクリエーション、その他の目的のために建設されている。

池は、湖よりも小さい、自然または人工の水で満たされた区域です。^{[ 11 ]}氾濫原に河川系の一部として自然に発生する場合もあれば、やや孤立した窪地（ケトル、春季の池、プレーリーの窪地など）である場合もあります。池には、湿地や水生植物、水生動物がいる浅い水が含まれている場合があります。^{[ 12 ]}池は、しばしば人工的に作られたり、元の深さや範囲を超えて拡張されたりします。池の多くの用途の中には、農業や家畜に水を提供する、生息地の復元に役立つ、魚の孵化場として機能する、景観設計の構成要素となる、 太陽熱池として熱エネルギーを貯蔵する、処理池として廃水を処理するなどがあります。池は、淡水、海水、汽水のいずれかです。

川とは、重力の影響を受けて海、湖、別の川、または地面に流れ込む、通常は淡水の自然な流れの水路です。小さな川は、小川、クリーク、小川、せせらぎ、細流などの名前で呼ばれることがあります。地理的特徴に適用される一般的な用語「川」には公式な定義はありません。[ ^{13 ]川}は水循環の一部です。水は一般的に、流域の降水、地表流出、地下水涵養、湧水、自然の氷や雪に蓄えられた水の放出などの他の源から川に集まります。河川学は川の科学的研究であり、陸水学は一般的に内陸水域の研究です。

帯水層とは、地下にある水を含む透水性の岩石、岩盤の亀裂、または未固結物質（砂利、砂、シルト）の層のことです。帯水層における水の流れの研究と帯水層の特性評価は、水文地質学と呼ばれます。帯水層の上に不透水性の層があると、圧力によって帯水層が被圧帯水層になる可能性があります。^{[ 14 ]}

帯水層は多孔質帯水層またはカルスト帯水層に分類され、多孔質帯水層は緩い堆積物または岩石（通常は砂または砂岩）の粒子間の空間に水を含み、カルスト帯水層は主に石灰岩やドロマイトなどの比較的不透水性の岩石の比較的大きな空隙に水を含みます。^{[ 15 ]}

水で満たされた洞窟は、活動洞窟と遺存洞窟に分類できます。活動洞窟には水が流れていますが、遺存洞窟には水は流れていませんが、水が溜まっている場合があります。活動洞窟の種類には、流入洞窟（「流れが流れ込む」洞窟）、流出洞窟（「流れが流れ出る」洞窟）、および貫通洞窟（「流れが貫通している」洞窟）があります。^{[ 16 ]}

貯水池とは、一般的には、ダムや閘門を用いて水を貯留するために作られた、拡大された自然または人工の湖、池、または貯水池のことです。貯水池は、既存の水域から流れ出る水路を制御したり、水路を遮断して湾を形成したり、掘削したり、擁壁や堤防を建設したりするなど、さまざまな方法で作ることができます。運河は、ダムや閘門によって低速の流れの貯水池が作られる人工の水路です。

水の密度は約 1 グラム/立方センチメートル (62 lb/cu ft) です。密度は温度によって変化しますが、直線的ではありません。温度が上昇すると、密度は 3.98 °C (39.16 °F)でピークに達し、その後減少します。これは珍しいことです。^{[ 17 ]}通常の六角形の氷も液体の水より密度が低く、凍結すると水の密度は約 9% 減少します。^{[ 18 ]}これらの効果は、冷却による熱運動の減少によるもので、これにより水分子はより多くの水素結合を形成し、分子同士が近づくのを防ぎます。^{[ 17 ]} 4 °C 未満では、加熱による水素結合の切断により、熱運動の増加 (液体を膨張させる傾向がある) にもかかわらず水分子がより密に詰まることができますが、4 ° C を超えると、水は温度の上昇とともに膨張します。^{[ 17 ]}沸点付近の水は、4 °C (39 °F)の水よりも密度が約 4% 低い。^{[ 18 ] [ a ]}        

氷の特異な密度曲線と水よりも低い密度は生命にとって不可欠である。もし水が凝固点で最も密度が高くなると、冬には湖やその他の水域の表面にある非常に冷たい水が沈み、湖は底から凍り、そこに生息するすべての生物が死滅してしまうだろう。^{[ 18 ]}さらに、水は（熱容量のため ）優れた断熱材であるため、凍結した湖の中には夏でも完全に解けないものもあるかもしれない。^{[ 18 ]}上に浮かぶ氷の層が下の水を断熱する。^{[ 19 ]}約4  ℃（39  °F）の水も底に沈むため、底の水の温度は一定に保たれる（図を参照）。^{[ 18 ]}

海水の密度は、溶解した塩分濃度と温度に依存します。氷は海に浮かびますが、そうでなければ海は底から凍ってしまうでしょう。塩分濃度は凝固点を約 1.9  °C 下げ、水の密度が最大となる温度を淡水の凝固点である 0  °C まで下げます。^{[ 20 ]}このため、海水では、より冷たい水の下降対流は、凝固点付近で水が冷えるにつれて膨張することによって妨げられません。凝固点付近の海の冷たい水は沈み続けます。したがって、北極海のような冷たい海の底に生息する生物は、一般的に、凍結した淡水の 湖や川の底よりも4 °C 低い水に生息しています。

海水の表面が凍り始めると（ 塩分濃度3.5%で-1.9℃）、形成される氷は実質的に塩分を含まず、淡水の氷とほぼ同じ密度になります。^{[ 20 ]}この氷は表面に浮かび、凍結して取り除かれた塩分は、そのすぐ下の海水の塩分濃度と密度を高めます。これは塩水排出と呼ばれるプロセスです。この密度の高い塩水は対流によって沈降します。これにより、 表面には実質的に-1.9℃の淡水の氷が形成されます。^{[ 20 ]}大規模な場合、塩水排出と冷たい塩水の沈降のプロセスにより、極からそのような水を運び出す海流が形成され、熱塩循環と呼ばれる地球規模の海流システムにつながります。

水深が深くなるにつれて太陽光が吸収され、可視光の量は減少します。吸収は波長の長い光（可視スペクトルの赤色側）の方が波長の短い光（可視スペクトルの青色側）よりも大きいため、水深が深くなるにつれて色のスペクトルは急速に変化します。水面上の白い物体は水中では青みがかって見え、赤い物体は暗く、場合によっては黒く見えます。水が濁っていると光の透過率は低下しますが、外洋の非常に澄んだ水では、水面からの光の25%未満しか水深10 メートル（33 フィート）まで届きません。水深100 メートル（330 フィート）では、太陽光は通常、水面からの光の約0.5%になります。

有光層深度とは、光強度が水面における値の1%まで低下する深さのことです。この深さは水の透明度によって異なり、濁った河口ではわずか数メートルですが、外洋では最大200メートルに達することもあります。有光層深度では、植物（植物プランクトンなど）は光合成による正味のエネルギー獲得がないため、成長できません。

海水温には、表層、躍層、深層の3つの層があります。表層の平均水温は約17  ℃です。海水の約90%は深層の躍層より下にあり、その水のほとんどは4  ℃以下です。^{[ 21 ]}

活火山地帯や熱水噴出孔では温度異常が発生し、深層水温が100  ℃を大幅に超えることがある。

水は空気よりも約25倍効率的に熱を伝導します。低体温症は、人体の体温が35℃を下回ると発生する、命に関わる可能性のある状態です。水温が25 ℃以下の環境で使用されるダイビングスーツや防寒着 の主な目的は、水から体の熱を遮断することです。 

音は水中（ 淡水では1,484m/s）では空気中（343m/s）よりも約4.3倍速く伝わります 。人間の脳は、空気中の音波が両耳に到達するまでの時間のわずかな差を感知することで、空気中の音の方向を判断できます。そのため、ダイバーは水中での音の方向を判断するのが難しいと感じます。一部の動物はこの違いに適応しており、多くの動物が音を使って水中を移動しています。

水中環境には、人間にとって固有の様々な種類の危険が存在する。

• 呼吸可能なガスがない状態は、窒息、特に溺死を引き起こす可能性がある。
• 気圧外傷を引き起こす可能性のある周囲の圧力、または分圧が上昇した状態でガス成分を吸入することによる毒性作用。
• 周囲温度が高いと、熱交換率が高くなり、低体温症、あるいはまれなケースでは高体温症を引き起こす可能性がある。
• 不活性呼吸ガス成分の溶解は、減圧が急激すぎると減圧症を引き起こす可能性がある。
• 潮流や波による水の流れにダイバーが巻き込まれると、硬い物体に衝突したり、不適切な深度に流されたりして、怪我をする可能性がある。
• 様々な種類の危険な水生生物。

周囲圧力潜水では、ダイバーは周囲の水圧に直接さらされます。周囲圧力潜水者は、息を止めて潜水することも、スキューバダイビングや水面供給潜水用の呼吸装置を使用することもできます。飽和潜水技術は、長時間の深潜水後の減圧症（DCS）のリスクを軽減します。水への浸漬と冷水および高圧への曝露は、ダイバーに生理的な影響を与え、周囲圧力潜水で可能な深度と時間を制限します。息止めの持久力は大きな制限であり、高い周囲圧力での呼吸は、直接的にも間接的にもさらなる複雑さを加えます。人間の周囲圧力潜水の深度と時間を大幅に延長し、水中での有用な作業を可能にする技術的解決策が開発されています。^{[ 29 ]}

ダイバーは、大気圧潜水服（ADS）を使用することで周囲の圧力から隔離される。ADSは、鎧に似た小型の1人用関節式人型潜水服で、内部圧力を1気圧に保ちながら関節運動を可能にする精巧な耐圧関節を備えている。ADSは、最大2,300フィート（700メートル）までの比較的深い潜水に何時間も使用でき、深海潜水に伴う重大な生理学的危険の大部分を排除する。搭乗者は減圧する必要がなく、特別なガス混合物も必要なく、減圧症や窒素酔いの危険もなく、ダイバーはほとんどの水生生物から効果的に隔離される。^{[ 30 ]}ダイバーは泳ぎが上手である必要もないが、機動性と器用さは著しく低下する。 

潜水艇は、水中での運用を目的とした小型船舶です。潜水艇という用語は、潜水艦と呼ばれる他の水中船舶と区別するためによく使われます。潜水艦は、自ら動力を補充し、呼吸用の空気を吸い込むことができる完全自律型の船舶であるのに対し、潜水艇は通常、水上船舶、プラットフォーム、陸上チーム、または場合によってはより大型の潜水艦によって支援されます。潜水艇には、有人型と無人型（遠隔操作型無人機、ROVとも呼ばれる）など、多くの種類があります。^{[ 31 ]}

遠隔操作型水中ビークル（ROV）と自律型水中ビークル（AUV）は、無人水中ビークル（UUV ）と呼ばれるより大きな水中システム群の一部です。ROVは無人で、通常は高い機動性を持ち、船舶や浮体プラットフォーム上、または近隣の陸上で乗組員によって操作されます。ROVは、中性浮力のテザーで母船に接続されるか、テザー管理システム（TMS）とともに荷重を運ぶアンビリカルケーブルが使用されます。アンビリカルケーブルには、オペレーターとTMSの間で電力、映像、データ信号を伝送する電気導体と光ファイバーのグループが含まれています。TMSが使用される場合、テザーケーブルを介してROVに信号と電力を中継します。ROVに到達すると、電力はROVの各コンポーネントに分配されます。高出力アプリケーションでは、電力の大部分は高出力電気モーターを駆動し、そのモーターが油圧ポンプを駆動して推進力と機器への電力供給を行います。ほとんどのROVには、少なくともビデオカメラとライトが装備されています。車両の機能を拡張するために、追加の機器が一般的に追加されます。自律型水中ビークル（AUV）は、オペレーターからの入力を必要とせずに水中を移動するロボットです。水中グライダーはAUVのサブクラスです。^{[ 32 ]}