Термические условия
Пространственное распределение температуры поверхности воды определяет стадии развития биологических существ. Биологическим летом принято называть период времени, когда температура поверхности воды устойчиво превышает 10°С.
Термический режим озер обусловлен приходом и расходом тепла во времени и распределением его в водной массе и котловине. Тепловой баланс может быть рассчитан в абсолютных значениях составляющих (дж) или в относительных единицах — Дж,/см2 акватории водоема, что позволяет сравнить тепловой режим различных водоемов.
Основным источником прихода тепла в озера является солнечная радиация. Наиболее интенсивно поглощает солнечную радиацию поверхностный слой воды. Опыт показывает, что в озерах с прозрачной водой в слое воды 25 см поглощается 43—59%, а в озерах с повышенной мутностью — 30—80% падающей радиации. Поэтому, если бы вода в озерах была неподвижной, то нагрев ее происходил бы лишь в самом верхнем слое, проникновение тепла в глубины из-за очень малой теплопроводности воды осуществлялось бы в ничтожных размерах. Но благодаря движению водных масс в озерах активно осуществляется обмен теплом между различными слоями воды по вертикали. В связи с этим суточные колебания температур в озерах прослеживаются на глубине нескольких метров, а годовые обычно захватывают всю водную толщу.
Перенос тепла в глубины озера, а, следовательно, и термический режим глубин, связаны с двумя видами перемешивания вод: конвективным — вертикальным обменом частиц воды, связанным с разностью плотностей этих частиц, и фрикционным, возникающим в результате движения водных масс, вызванного, главным образом, ветром.
В результате поступления и отдачи тепла через водную поверхность и перераспределения его в водной массе в озерах наблюдаются различные типы термического режима. Рассмотрим особенности внутригодового распределения температуры в пресных озерах умеренного климата.
Весной, после вскрытия озера, частицы воды в поверхностном слое нагреваются до температур, близких к 4.° С, плотность их возрастает, возникает свободная конвекция, выравнивающая температуры сначала в верхнем слое, а затем во всей водной массе (весенняя гомотермия).
При весенней гомотермии вода озера легко перемешивается ветром и становится однородной не только по температуре, но и по минерализации, мутности, насыщению газами и т. д. Продолжительность и интенсивность весеннего перемешивания чрезвычайно важна для жизни в озере, т. к. в этот период глубинные слои его насыщаются кислородом. Устанавливаясь обычно при температуре 4° С. гомотермия может продолжаться (при сильных ветрах) и при более высоких температурах. Так, в мелководных озерах ветровое перемешивание может поддерживать ее в течение всего безледного периода. К концу весны верхний слой воды прогревается, разность температуры, а, следовательно, и градиент плотности воды между верхними и глубинными слоями возрастают. В озере устанавливается прямая температурная стратификация, характеризующаяся понижением температуры с глубиной. Наступает летний период годового теплооборота
озера. В период летнего нагревания энергии ветра оказывается недостаточно для полного перемешивания водоема и в нем образуются три вертикальные термические зоны.
По термическому режиму озера можно разделить на 3 типа:
· Тропические (теплые) озера имеют температуру выше +4.°С в течение всего года.
· Полярные (холодные) характеризуются обратной температурной стратификацией и температурой ниже 4.°С в течение всего года, Циркуляцией летом. К полярным относятся озера севера Канады и Сибири, а также озера высоких гор.
· Умеренные (смешанные) озера летом характеризуются прямой температурной стратификацией и температурой выше 4° С, зимой— оратной температурной стратификацией и температурой ниже 4° С. К этой группе относятся многочисленные озера в умеренных широтах Европы, Азии, Северной Америки.[11]
Ледовые условия
Процесс льдообразования на озерах начинается так же, как и на реках, с возникновения заберегов и сала. На малых озерах, где тепловой запас и перемешивание невелики, а охлаждение по площади происходит почти равномерно, сплошной ледяной покров может образоваться почти одновременно на всей площади за счет смыкания заберегов, продвигающихся от берегов к центру озера. Если похолодание сохраняется, то возникновение первой ледяной корки является и установлением ледостава.
Нарастание льда идет наиболее интенсивно в первый период после замерзания, причем процесс этот происходит одновременно и снизу и сверху. Поэтому для озерного льда в большинстве случаев характерна слоистая структура: поверх прозрачного водного льда лежит мутный и беловатый водно-снеговой и снеговой лед. К весне толщина льда на озерах может достигать 200 см. Лед и особенно покрывающий его снег делают практически невозможным теплообмен между водной массой и атмосферой.
Вскрытие озер происходит под влиянием притока тепла, механического воздействия ветра и колебаний уровня воды. Стаивание льда за счет притока тепла может происходить как с верхней, так и с нижней поверхности. На малых озерах вскрытие и очищение ото льда происходит почти исключительно за счет притока тепла, лед тает на месте. На больших озерах усиливается роль ветра, наблюдается дрейф льда (ледоход), а на сточных озерах часть льда выносится реками. Вскрытие озер происходит на 8—15 дней позднее, чем происходит вскрытие рек.[9]
На незамерзающих озерах охлаждение, особенно интенсивное, при ветровом перемешивании и циркуляции продолжается в течение всей зимы. Температура воды в них достигает минимума перед началом весеннего нагрева; на тех из них, глубина которых не очень велика, к концу зимы устанавливается гомотермия. В очень глубоких озерах полного перемешивания не происходит. Например, в Байкале обратная стратификация устанавливается в слое 200 – 250 м., глубже всегда прямая стратификация, и на глубине 1600 м вода имеет температуру наибольшей плотности. С увеличением давления температура наибольшей плотности воды понижается, поэтому на большой глубине в Байкале она равна 3° С.
Жизнь в озёрах
В озерах обитает множество разнообразных живых организмов – от вирусов и бактерий до пресноводных тюленей и акул. Эти организмы не только подвержены воздействию физических и химических свойств среды обитания, но и сами оказывают влияние на нее, особенно в стратифицированных озерах. В озерах существуют три типа местообитаний: зона контакта атмосферы и воды, зона контакта донных отложений и воды и собственно водная толща. В каждой зоне встречается набор организмов, приспособленных к специфическим условиям данного типа местообитания. Зона контакта атмосферы и воды.Организмы, обитающие в этой зоне, носят собирательное название «нейстон» (от греч. neustós – плавающий). Хотя эти организмы и интересны сами по себе, группа в целом довольно малочисленна. Наиболее известными ее представителями являются клопы-водомерки, жуки-плавунцы и личинки комаров, которые висят, прикрепившись к поверхностной пленке воды.
Зона контакта донных отложений и воды.Совокупность организмов, обитающих в этой зоне, называется бентосом (от греч. bénthos – глубина). Эта группа включает как растения, так и животных. Растения, обычно известные как водные, или макрофиты, обитают на мелководьях, где им доступен свет, и образуют определенную зональность. На дне вдоль кромки озера растут полупогруженные макрофиты, включающие осоки и рогоз. Далее от берега и несколько глубже укореняются такие макрофиты, как, например, кувшинки с длинными стеблями, увенчанными плавающими листьями, через которые поглощается углекислый газ из атмосферы. Еще дальше от берега, на большей глубине произрастают полностью погруженные в воду макрофиты (например, рдесты).Большинство этих растений (хотя и не все) укореняется в донном грунте, откуда они извлекают питательные вещества. Величина площади озера, занятой такими растениями, зависит от ряда факторов: от того, какая доля площади озера мелководна, свойств донных отложений и особенностей волновой деятельности. [7]
Огромная площадь поверхности растений мелководий служит средой обитания для группы прикрепляющихся к ним организмов, называемой перифитоном в которую входят бактерии, простейшие и водоросли.
Эти организмы делают подводные части растений скользкими на ощупь. Мелководные (литоральные) участки также дают приют разным животным организмам – брюхоногим и двустворчатым моллюскам, пиявкам, личинкам насекомых, которые обитают среди растений и камней, часто встречающихся в прибрежной зоне.
Глубже, за пределами литорали, макрофиты не растут. Здесь располагается сублиторальная зона, где дно постепенно опускается по направлению к глубокой части озера. В сублиторальной зоне обитают бактерии, простейшие и настоящие черви, а также похожие на них личинки разных видов насекомых. С глубиной условия обитания становятся менее благоприятными (особенно в стратифицированных озерах), и там встречаются лишь немногие приспособившиеся виды.
Водная толща.Обитающие здесь организмы делятся на две группы: нектон и планктон, т.е. мелкие организмы, которые парят в воде и в целом не способны к движению против водотока.. По особенностям питания озерные рыбы делятся на несколько групп. Рыбоядные или хищные рыбы, которые часто относятся к непромысловым видам, питаются в основном более мелкой рыбой и мальками прочих видов рыб. Планктоноядные рыбы питаются планктоном, взвешенным в водной толще, и сами часто поедаются хищными рыбами. Выделяются рыбы, питающиеся водорослями, и растительноядные рыбы, такие как карп, питающиеся растениями мелководий. Бентосоядные рыбы поедают животных, обитающих на дне водоемов, и органические частицы, падающие на дно озера. Термин «планктон», первоначально введенный для обозначения пассивно плавающих в верхней части толщи океанических вод организмов (растений и животных), применяется также для организмов, обитающих в озерах. Различают фитопланктон (растительные организмы) и зоопланктон (животные организмы). Все они микроскопические и имеют удельный вес, близкий удельному весу пресной воды, но если бы он был выше, планктон быстро опускался бы на дно. Водоросли играют важную роль в озерах, поскольку они вместе с более крупными растениями составляют первое звено пищевой цепи водоемов. Зоопланктоном обычно называются микроскопические животные или иные микроскопические организмы, не осуществляющие фотосинтез. Зоопланктон включает некоторые группы бактерий, а также простейших, коловраток и мельчайших ракообразных. [10]
Простейшие – это микроскопические одноклеточные животные, иногда называемые неклеточными, например амебы и парамеции (ресничные инфузории). Они часто в изобилии встречаются в водах озер. Некоторые из них прикрепляются к более крупным организмам, другие свободно плавают в воде, питаясь бактериями или мельчайшими органическими остатками – детритом.
Мельчайшие ракообразные представляют собой одну из наиболее заметных составляющих зоопланктона. Эти рачки очень малы – длиной 0,3–12 мм.
В большинстве озер они являются главным связующим звеном между первичными продуцентами (водорослями) и последующими звеньями пищевой цепи (рыбами). Они настолько малы, что питаются лишь микроскопическими водорослями, но достаточно велики для того, чтобы стать пищей для рыб. Таким образом, обилие этих ракообразных контролируется двумя факторами: доступностью пищи и хищниками. Прежде всего, поедаются более крупные, т.е. более заметные, рачки. Иначе говоря, хищничество носит избирательный характер.[7]