Термический режим озер в условиях умеренного климата

Термический режим озер третьей группы, по классификации Фореля, и димиктических, по классификации Хатчинсона, наиболее сложен. Рассмотрим достаточно глубокое слабопроточное пресноводное озеро в условиях умеренного климата. В режиме температуры воды в озере выделяют четыре сезона (периода): весеннего нагревания, летнего нагревания, осеннего охлаждения, зимнего охлаждения.

Зимой подо льдом в озере наблюдается обратная температурная стратификация (рис. 7.9, в, 1). В поверхностном слое температура близка к 0°С, в придонном слое — около 3—4 °С (в более мелких водоемах у дна температура немного ниже).

В период весеннего нагревания температура воды в поверхностном слое повышается. Этот процесс начинается, когда озеро еще покрыто льдом, и продолжается после схода ледяного покрова. Когда температура поверхностного слоя станет несколько выше температуры нижерасположенных слоев, нарушится вертикальная плотностная устойчивость вод: более теплая и более плотная вода начинает опускаться, а менее теплая и менее плотная — подниматься к поверхности. Возникшее интенсивное вертикальное конвективное перемешивание приведет к выравниванию температуры по вертикали (рис. 7.9, в, 2), наступает весенняя гомотермия (обычно при температуре от 2 до 4°С). В это время создаются благоприятные предпосылки и для вертикального динамического (ветрового) перемешивания. Вода в толще озера может обновиться.

Рис. 7.9. Схема температурной стратификации в озерах полярного (а), тропического (б)

и умеренного (в) 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 летнего нагревания в озере устанавливается прямая температурная стратификация (рис. 7.9, в, 3). Наиболее высокую температуру приобретает поверхностный слой воды — эпилимнион. Ниже этого слоя лежит так называемый 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 сохраняться 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). Пример вертикального распределения температуры в глубоком озере в летнее время приведен на рис. 7.10. На рисунке одновременно показано вертикальное распределение содержания кислорода и СО₂, о чем будет подробнее сказано ниже.

Рис. 7.10. Типичное распределение по глубине температуры воды (1), содержания кислорода (2)и диоксида углерода (3)в глубоком озере в летнее время

В период осеннего охлаждения температура в поверх­ностном слое понижается. После того как она станет несколько ниже температуры нижерасположенных слоев, более плотные воды начинают опускаться вниз, возникает активное конвективное пере­мешивание. В результате устанавливается осенняя гомотермия (см. рис. 7.9, в, 4). Как и во время весенней гомотермии, создаются благоприятные условия и для вертикального динамического перемешивания. Вода в придонных 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 температуры замерзания (0 °С для пресных вод), в толще воды устанавливается обратная температурная стратификация, а на поверхности озера образуется ледяной покров (см. рис. 7.9, в, 1). 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 предохраняет живые организмы от гибели.

Некоторые нарушения в описанные закономерности изменения вертикального распределения температуры в озерах может вносить сильное ветровое волнение, вызывающее динамическое перемешивание. В мелководных водоемах динамическое перемешивание может в ослабленном виде распространяться до самого дна. В таких случаях в гиполимнионе температура воды будет, конечно, выше упомянутых 5—6 °С. Иногда в результате динамического перемешивания гомотермия в мелководном водоеме может установиться на непродолжительное время даже летом. Кроме того, вызванное сильным ветром и волнением динамическое перемешивание часто приводит к «размыванию» эпилимниона и заглублению слоя скачка. Последующее нагревание поверхностного слоя воды создаст новый эпилимнион и новый слой скачка. В результате в водоеме может сформироваться довольно сложная вертикальная структура вод с 2—3 слоями скачка температуры.

Изменяет распределение температуры и антропогенное воздействие, проявляющееся либо в сбросе в озеро нагретых вод (например, отработанных вод ГРЭС), либо в искусственном перемешивании вод в небольших водоемах для обогащения придонных слоев кислородом в зимний подледный период.

Внутригодовое изменение температуры воды в рассматриваемом озере схематично представлено на рис. 7.11. Обращают на себя внимание такие основные особенности внутригодового хода температуры воды в озере.

Во-первых, изменения температуры на поверхности воды отстают от изменений температуры воздуха. Во-вторых, отрицательные значения температура воды в пресноводном озере принимать не может, поэтому средняя годовая температура воды в поверхностном слое озера выше, чем средняя годовая температура воздуха. В-третьих, размах колебаний температуры воды в поверхностном слое существенно больше, чем на глубине. Если у поверхности эта величина может достигать 15—20 и даже 20—25 °С, то у дна в глубоком озере — всего 2—4 °С. Изменения температуры на глубине всегда отстают во времени от ее изменений в вышележащих слоях.

На рис. 7.11 выделены характерные периоды термического режима глубокого озера. Период весеннего нагревания А начинается, когда озеро еще покрыто льдом, но уже повышается температура воды (точка а),а заканчивается, когда температура в поверхностном и придонном слоях выравнивается и становится равной приблизительно 4 °С (точка Б). Период летнего нагревания Б оканчивается при достижении температурой в поверхностном слое максимума (точка с). В придонном слое максимум температуры наступает позже (точка с'). Период осеннего охлаждения В заканчивается, когда температура в поверхностном и придонном слоях выравнивается (приблизительно при 4 °С, точка d). И наконец, период предзимнего и зимнего охлаждения Г оканчивается, когда в конце зимы температура придонного слоя достигнет минимума (точка а'), а в поверхностном слое температура начинает повышаться (точка а).

Суточные колебания температуры воды, как и сезонные, также затухают с глубиной.

Рис. 7.11. Схема внутригодовых изменений температуры воздуха (1) и температуры воды в поверхностном (2)и придонном (3)слоях глубокого пресноводного озера в умеренных широтах Северного полушария; 4 — ледостав; периоды: А — весеннего нагревания, Б — летнего нагревания, В — осеннего охлаждения, Г — предзимнего и зимнего охлаждения (другие обозначения см. в тексте)

В процессе нагревания и охлаждения озера может отмечаться большая горизонтальная неоднородность температуры воды, особенно в больших озерах. На прибрежных мелководьях вода быстрее прогревается и быстрее остывает. В центральных районах озера благодаря инерционности тепловых процессов в больших объемах воды температура изменяется более медленно.

Наиболее характерна для крупных и глубоких озер в условиях умеренного климата горизонтальная неоднородность температуры воды весной и осенью. В процессе весеннего нагревания температура воды в прибрежных районах быстрее достигает 4 °С, чем в центральной части озера. При последующем нагревании между прибрежными водами, нагретыми до температуры выше 4 °С, и водами центральной части озера с температурой ниже 4 °С формируется так называемый термический бар — вертикальный пояс с температурой воды 4 °С (рис. 7.12, а). В этом поясе вода, имеющая повышенную плотность, опускается. Термический бар изолирует прибрежные быстро нагревающиеся воды (теплоактивную область — ТАО) от более холодной воды центральной части озера (теплоинертной области — ТИО). Водо- и теплообмен через термический бар затруднен. По мере общего нагревания водоема термический бар смещается к центру озера и в конце концов исчезает.

Рис. 7.12. Схема термического бара (по А.И. Тихомирову) весной (а)и осенью (б):

1 — термический бар; 2—циркуляция вод; 3— изотермы

Осенью прибрежные воды охлаждаются до 4 °С быстрее, чем воды центральной части озера. При последующем охлаждении вод, так же как и весной, возникает термический бар (рис. 7.12, б), отделяющий более холодные прибрежные воды температурой ниже 4 °С от вод температурой выше 4 °С. Как и весной, термический бар постепенно смещается к центру озера. Будучи, прежде всего своеобразным тепловым барьером в озерной толще, термический бар служит также и динамическим барьером между прибрежными водами и водами центральной части озера, которые благодаря это­му могут обладать и существенно различными физико-химическими и гидробиологическими свойствами. Поэтому роль термического бара в водоемах чрезвычайно велика. Это явление впервые было обнаружено еще Ф.А. Форелем и детально исследовано отечественным озероведом А.И. Тихомировым.

Своеобразны изменения температуры воды во время сгонно-нагонных явлений. Летом у наветренного («нагонного») берега, куда ветер сгоняет воду верхнего нагретого слоя, температура воды может несколько повыситься. Зато у подветренного («сгонного») берега, где благодаря сгонно-нагонной циркуляции на поверхность поднимаются глубинные воды, температура воды может резко упасть. Так, по наблюдениям Б.Б. Богословского, на Онежском озере во время ветра в начале августа у наветренного берега температура воды была 15,5—16,5 °С, а у подветренного — всего 5,7—5,8 °С.

Термический режим озер с повышенной минерализацией воды существенно отличается от термического режима пресноводных озер. Летом сильно минерализованные воды могут нагреваться до 50—70 °С. Зимой такая вода в поверхностном 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 солоноватой или соленой водой (водой морской солености) имеет много общего с термическим режимом морей.

Интересное явление (так называемая термическая инверсия)наблюдается осенью в прибрежной зоне озер (и морей тоже) с солоноватой и соленой водой, если в этом месте в водоем впадает река. Осенью обычно отмечается заметный контраст в температуре речной воды (она уже охладилась) и морской воды (она еще сохраняет повышенную температуру). В результате в поверхностном слое озера вблизи устья реки вода оказывается холоднее, чем в нижележащих слоях. Вертикальная плотностная устойчивость вод при этом не нарушается: в поверхностном слое располагается хотя и более холодная, но опресненная и поэтому менее плотная вода, а ниже — хотя и более теплая, но более соленая и поэтому более плотная вода.

Ледовые явления на озерах

Озера по характеру ледового режима в зависимости от климатических условий подразделяются на четыре группы: не имеющие ледовых явлений, с неустойчивым ледоставом, с устойчивым ледоставом зимой, с ледоставом в течение всего года (например, подледные озера в Антарктиде).

У озер третьей группы, находящихся в основном в условиях умеренного климата, так же как и у рек, выделяют три характерных периода ледового режима: 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, точка h на рис. 7.11). Этот момент, в свою очередь, наступает несколько позже перехода средней суточной температуры воздуха через 0 °С (точка g). Ледостав устанавливается позже начала ледовых явлений (точка i).

В той же последовательности наступают характерные моменты ледового режима в весенний период: сначала средняя суточная температура воздуха переходит через 0 °С (точка е), затем начинает повышаться температура воды в полыньях и закраинах (точка а) и, наконец, с некоторым запозданием озеро освобождается от льда (точка f).

Осенние ледовые явления начинаются в наиболее быстро охлаждающихся прибрежных районах озера. На отмелях у берегов возникают забереги. На крупных озерах эти ледяные образования (как и на морях) называют припаем. Образованию заберегов и припая препятствует волнение.

Нарастание льда в период ледостава происходит тем быстрее, чем суровее зима и меньше слой снега на льду. По аналогии с реками для расчета нарастания толщины льда применяют формулы типа формул Быдина (6.58) — (6.59).

Озерный лед обычно имеет слоистое строение. Непосредственно на поверхности 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 достигает 50—60 см, на озерах севера Сибири — 2—3 м.

Таяние и разрушение льда на озерах происходит под воздействием солнечной радиации, теплообмена льда с атмосферой и с нагревающейся водой самого 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 тает вблизи берегов, уже освободившихся от снежного покрова и поэтому быстрее нагревающихся. Участки чистой воды у берегов, так же как и на реках, называют закраинами. Часть льда может быть вынесена из озера вытекающей из него рекой. Поскольку лед сходит на озерах позже, чем на реках, на вытекающей из озера реке могут наблюдаться два ледохода: «речной» и «озерный». Так, на Неве появление «ладожского льда» уже после очищения от «невского льда» — явление довольно обычное.