Термический режим озер
Классификация озер по термическому режиму предложена швейцарским озероведом в CIC в. Ф. А. Форелем. В основу классификации положены типы термической классификации в водоемах.
Увеличение температуры воды от дна к поверхности называется прямой температурной стратификацией; уменьшение температуры от дна к поверх-ности носит название обратной температурной стратификации; а равномер-ное распределение температуры по глубине называется гомотермией.
Форель подразделил все пресноводные водоемы мира на три груп-
пы: 1) полярные (или холодные) с температурой в течение всего года ниже 4°С
и с преобладанием обратной температурной ратификации; 2) тропические (или теплые) с температурой в течение всего года выше 4°С и с преобладанием пря-
мой температурной стратификации; 3) озера в условиях умеренного климата с температурой выше 4°С и прямой температурной стратификацией летом и тем-пературой ниже 4°С и обратной температурной стратификацией зимой (рис. 43).
Формирование как прямой, так и обратной температурной стратифика-ции, а тем более трансформация прямой стратификации в обратную и наоборот сопровождается вертикальной циркуляцией вод в озере, т. е. вертикальным пе-
ремешиванием.
В режиме температуры воды в озере выделяют четыре сезона (периода): весеннего нагревания, летнего нагревания, осеннего охлаждения, зимнего ох-лаждения.
Зимой подо льдом в озере наблюдается обратная температурная страти-фикация (рис. 43, в, 1). В поверхностном слое температура близка к 0°С, в при-донном слое – около 3-4 °С (в более мелких водоемах у дна температура не-много ниже).
Рис. 43. Схема температурной стратификации в озерах умеренного климатов:
1 − обратная температурная стратификация зимой; 2 − весенняя гомотермия; 3 − прямая температурная стратификация летом; 4 − осенняя гомотермия; А − весеннее нагревание;
Б − летнее нагревание; В − осеннее охлаждение; Г − предзимнее и зимнее охлаждение; I − эпилимнион, II − металимнион, III − гиполимнион, IV − ледяной покров
В период весеннего нагревания температура воды в поверхностном слое повышается. Этот процесс начинается, когда озеро еще покрыто льдом, и про-должается после схода ледяного покрова. Когда температура поверхностного слоя станет несколько выше температуры нижерасположенных слоев, нару-шится вертикальная плотностная устойчивость вод: Более теплая и более плот-ная вода начинает опускаться, а менее теплая и менее плотная — подниматься к поверхности. Возникшее интенсивное вертикальное конвективное перемеши-вание приводит к выравниванию температуры по вертикали (рис. 43, в, 2), на-ступает весенняя гомотермия (обычно при температуре от 2 до 4°С). В это вре-
сооздаются благоприятные предпосылки и для вертикального динамического (ветрового) перемешивания. Вода в толще озера может обновляться.
В период летнего нагревания в озере устанавливается прямая темпера-турная стратификация (рис. 43, в, 3). Наиболее высокую температуру приобре-тает поверхностный слой воды – эпилимнион. Ниже этого слоя лежит так назы-ваемый слой температурного скачка – металимнион. Основная же толща озерных вод сохраняет относительную невысокую температуру. Этот слой называется гиполимнион. В эпилимнионе температура воды может повышаться до 20-25°С, в гиполимнионе температура может сохранятся равной 5-6°С. Таким образом, в слое скачка температура может резко изменяться на величину до 20°С (при этом вертикальные градиенты температуры иногда достигают 8-10°С на 1 м).
В период осеннего охлаждения температура в поверхностном слое пони-жается. После того как она станет несколько ниже температуры нижерасполо-женных слоев, более плотные воды начинают опускаться вниз, возникает ак-тивное конвективное перемешивание. В результате устанавливается осенняя гомотермия. Как и во время весенней гомотермии,создаются благоприятныеусловия и для вертикального динамического перемешивания. Вода в придон-ных слоях обновляется. Гомотермия обычно устанавливается при температуре около 4°С, а иногда (при сильном ветровом воздействии на поверхность озера)
и при несколько большей температуре (5-6°С и выше).
Наконец, наступает период предзимнего и зимнего охлаждения. В это время температура в поверхностном слое постепенно понижается до темпера-туры замерзания (0°С для пресных вод), в толще воды устанавливается обрат-ная температурная стратификация, а на поверхности озера образуется ледяной покров. Температура в придонных слоях снижается до 4, а иногда и до 2−3°С, а в очень мелководных озерах — и до 0,5-1°С.
Но вода на глубинах озера не достигает 0°С и не замерзает, Что предо-храняет живые организмы от гибели.
Термический режим озер с повышенной минерализацией воды сущест-венно отличается от термического режима пресноводных озер. Летом сильно минерализованные воды могут нагреваться до 50 -70°С. Зимой такая вода в по-верхностном слое, не замерзая, охлаждается до значительной отрицательной температуры. У дна же может сохраниться в течение всего года положительная, иногда заметно повышенная температура воды. Термический режим озер с со-лоноватой или соленой водой (водой морской солености) имеет много общего с термическим режимом морей.
Ледовые явления на озерах
По характеру ледового режима в зависимости от климатических условий озера подразделяются на четыре группы: не имеющие ледовых явлений, с неус-тойчивым ледоставом, с устойчивым ледоставом зимой, с ледоставом в течение всего года (например, подледные озера в Антарктиде).
У
У озер третьей группы, находящихся в основном в условиях умеренного климата, также, как и у рек, выделяют три характерных периода ледового реима: замерзания (осенних ледовых явлений), ледостава, вскрытия (весенних ледовых явлений).
Ледовые явления начинаются после того, как температура поверхностного слоя достигнет точки замерзания (0°С для пресноводных озер). Этот момент,
в свою очередь, наступает несколько позже перехода средней суточной температуры воздуха через 0°С. Ледостав устанавливается позже начала ледовых явлений.
В той же последовательности наступают характерные моменты ледового режима в весенний период: сначала средняя суточная температура воздуха пе-реходит через 0°С, затем начинает повышаться температура воды в полыньях и закраинах и, наконец, с некоторым запозданием озеро освобождается от льда.
Осенние ледовые явления начинаются в наиболее быстро охлаждающих-ся прибрежных районах озера. На отмелях у бepeгов возникают забереги. На крупных озерах эти ледяные образования (как и на морях) называют припаем.
Озерный лед обычно имеет слоистое строение. Непосредственно на по-верхности воды лежит прозрачный водный кристаллический лед, на котором в случае выхода воды по трещинам образуется малопрозрачный водно-снеговой лед (наслуз) из пропитанного водой снега. При подтаивании и последующем смерзании лежащего на льду снега формируется снеговой лед.
Толщина льда на озерах северо-запада Европейской части России дости-гает 50-60 см, на озерах севера Сибири – 2-3 м.
Таяние и разрушение льда на озерах происходит под воздействием сол-нечной радиации, теплообмена льда с атмосферой и с нагревающейся водой са-мого озера, теплоты, поступающей с талыми снеговыми, дождевыми и речными водами. В ряде случаев заметное влияние оказывают и механические факторы – течения, волнение, ветер. Чаще всего лед на озерах тает на месте, причем лед стаивает как с верхней, так и с нижней своей поверхности. Раньше всего лед та-ет вблизи берегов, уже освободившихся от снежного покрова и поэтому быст-рее нагревающихся. Участки чистой воды у берегов, так же как и на реках, на-зывают закраинами. Часть льда может быть вынесена из озера вытекающей из него рекой. Поскольку лед сходит на озерах позже, чем на реках, на вытекаю-щей из озера реке могут наблюдаться два ледохода: «речной» и «озерный» (р. Нева).
Гидрохимия озер
Классификация озер по минерализации. В соответствии с общей класси-фикацией природных вод по минерализации озера могут быть подразделены на пресные (или пресноводные)с соленостью менее1‰, солоноваты е с солено-стью от 1 до 25‰, соленые с соленостью 25 -50‰ (озера с морской соленостью). Озера последней группы иногда называют соляными. Воду в озерах с солено-стью более 50‰ называют рассолом. Озера с соленостью воды выше, чем в океане (35‰), иногда называют минеральными.
Наименьшую минерализацию имеют озера зоны избыточного и достаточ-ного увлажнения. Наибольшую минерализацию озера имеют в условиях засуш-ливого климата.
Солевой баланс озер. Применительно к озерам уравнение солевого балан-са можно записать следующим образом:
R+реч + R+подз + Rx = R−реч + R−подз + Rветр + Rос ± DR,
где R+реч и R−реч – приход и расход солей с поверхностным (речным) стоком;
R+подз и R−подз – то же, с подземным стоком;
Rx – поступление солей с атмосферными осадками;
Rветр – вынос солей с поверхности озера ветром;
Roc – количество солей, осаждающихся на дно;
± DR – изменение количества солей в воде озера за интервал времени Dt,
причем DR = Rкон − Rнач где Rкон и Rнач – конечное и начальное количество со-лей в озере за интервал времени Dt. Члены уравнения выражаются в единицах
массы (кг).
Для сточных озер основной вклад в уравнение дает поступление и вынос солей с речным стоком. Для сильно минерализованных бессточных озер засуш-ливой зоны в приходной части уравнения возрастает роль притока солей с под-земным стоком, в расходной части существенная роль начинает принадлежать осаждению солей и выносу их ветром.
Химический состав озерных вод. От менее засушливых районов к болеезасушливым увеличивается минерализация воды озер; в этом же направлении происходит трансформация основного химического состава вод (содержания анионов и катионов): воды из гидрокарбонатного класса переходят в сульфат-ный и хлоридный и из кальциевой группы в магниевую и натриевую.
В воде озер тундры преобладают ионы НСО−3, в озерах лесной зоны – НСО−3 и Са2+, в озерах степной зоны — SO42−, HCO−3, Na+ и К+, в озерах пусты-ни – Сl− и Na+ (вода таких озер приближается по своему составу к океанической).
В некоторых соляных озерах вода представляет собой рассол или рапу, содержащую соли в состоянии, близком к насыщению. Если такое насыщение достигнуто, то начинается осаждение солей, и озеро превращается в самоса-дочное. Самосадочные озера подразделяются на карбонатные,сульфатные,хлоридные. В первых из них осаждаются карбонаты, например сода Na2CO3 • 10H2O. Во вторых осаждаются сульфаты, например мирабилит Na2SO4 • 10H2O
и эпсомит MgS04 • 7H20. В третьих осаждаются хлориды, например галит (по-варенная соль) NaCl.
Помимо растворенных солей вода озер содержит биогенные вещества (соединения азота N, фосфора Р, кремния Si, железа Fе и др.); растворенные га-зы (кислород O2, азот N2, диоксид углерода С02, сероводород H2S и др.); орга-нические вещества.
Биогенные вещества в озерной воде необходимы для жизнедеятельности водных организмов, однако их избыток приводит к ухудшению качества воды в озерах.
Кислород поступает в озера в основном из атмосферы, а также продуци-руется в процессе фотосинтеза. При избытке кислород уходит из воды в атмо-сферу. Он также расходуется при дыхании водных организмов, при разложении
и окислении органического вещества, находящегося в озере. Содержание ки-слорода в водной толще озера – непременное условие жизни и развития боль-шинства водных организмов.
Как и другие водные объекты, озера населены водными организмами (гидробионтами). По условиям питания водных организмов (трофическим ус-ловиям) озера подразделяются на олиготрофные (глубокие озера, Байкал и др., с малым количеством питательных веществ и малой продукцией органического вещества); евтрофные (озера с большим поступлением питательных веществ, большим содержанием органического вещества, образование которого ведет к перенасыщению кислородом в поверхностном слое воды, а разложение – к не-достатку кислорода в гиполимнионе); дистрофные (озера, содержащие в воде настолько избыточное количество органического вещества, что продукты его неполного окисления становятся вредными для жизнедеятельности организмов, как, например, в некоторых заболоченных районах); мезотрофные (озера со средними трофическими условиями).
Наиболее богаты жизнью прибрежные районы озера (за исключением бе-регов, подверженных сильному воздействию волнения). Видовой состав бенто-са – высших водных растений (макрофитов), моллюсков и др. – изменяется с увеличением глубины вдоль подводного склона. Для озер в условиях умерен-ного климата довольно типично следующее «тяготение» некоторых видов вод-ной растительности к глубинам: осока растет на берегу и на глубинах, не пре-вышающих 10-20 см, тростник растет до глубины около 1 м, камыш – 2, кув-шинки – 2,5, рдест – около 3 м. (рис. 44). По мере накопления донных отложе-ний и повышения дна озера в этом же направлении вдоль склона идет и зарас-тание озера. Количество планктона к центральной части озера обычно умень-шается
Рис. 1 Схема размещения растительности в прибрежной части озера и зарастания озера:
1 – осока; 2 – тростник; 3 – камыш; 4 – кувшинки; 5 – рдест; 6 – торф; 7 – сапропель
Для озер в условиях умеренного климата характерны такие внутригодо-вые изменения гидробиологических процессов. Повышение температуры воз
духа и воды в весенний период приводит к началу вегетации макрофитов, а в водной толще – к развитию фитопланктона (первому «цветению» воды). Во второй половине лета при максимальной температуре воды наступает новый период бурного развития фитопланктона и второе «цветение» воды. Вслед за развитием фитопланктона происходит и увеличение количества зоопланктона.
В летнее время активно развивается и бентос. С понижением температуры воз-духа и воды осенью начинают отмирать макрофиты, сокращается биомасса озера. Испытывают сезонный цикл жизнедеятельности и рыбы, у которых не-рест, происходит обычно весной и летом; зимой многие рыбы впадают в так на-зываемое холодное оцепенение.