Некоторые общие особенности термического режима озер

Очевидно, что во всяком водоеме плотные слои воды всегда располагаются ниже, а более легкие – выше: плотность воды с глубиной увеличивается.

Плотность воды зависит от ее температуры и солености. Когда теплое и соленое Атлантическое течение входит в Северный Ледовитый океан, то его воды, как более теплые, должны были бы остаться на поверхности, а как более соленые – погрузиться под поверхность. В этом конкретном случае роль солености перевешивает, и атлантические воды опускаются на глубину.

Пресные воды минерализованы настолько мало, что их соленостью можно пренебречь. И плотность пресной воды определяется только ее температурой. Пресная вода приобретает наибольшую плотность при температуре, близкой к 4°.

Стало быть, если поверхностный слой воды, имеющий температуру около 0°, подвергается нагреванию, он становится плотнее и опускается вниз, вытесняя кверху более легкие слои. Вследствие такой конвекции возникает состояние, при котором температура воды растет с глубиной. Это состояние носит название обратной стратификации, или обратной тепловой слоистости воды.

Если нагревается поверхностный слой, имеющий температуру 4°, он будет делаться легче и останется наверху. Нагревание воды может распространяться вглубь только турбулентным путем, т.е., при перемешивании воды ветром. В этом случае устанавливается состояние, при котором температура с глубиной убывает, – это прямая термическая стратификация.

Обратная стратификация существует до тех пор, пока вся толща воды от поверхности до дна не нагреется до 4°. Прямая стратификация существует до тех пор, пока вся толща воды от поверхности до дна не охладится до 4°. Состояние, при котором температура по вертикали не меняется и равна температуре наибольшей плотности воды, называется гомотермией. В озерах гомотермия бывает весной и осенью. Прямая стратификация характерна для лета, обратная – для зимы.

Другая особенность термического режима озер – образование на известной глубине в условиях термической стратификации слоя скачка, или металимниона, т. е. слоя резкого перепада температуры, высоких ее градиентов – значительно более высоких, чем в слое воды над ним (в эпилимнионе) и под ним (в гиполимнионе). Возникновение металимниона обычно связано с нагреванием воды выше 4°.

В этом случае поверхностный слой, как это мы только что отметили, становится легче ниже лежащих слоев, т.е. погружаться не может, и эффективное согревание более глубоких горизонтов осуществляется при помощи перемешивания воды ветром. Перемешивание это с глубиной все более затрудняется, потому что в том же направлении возрастает плотность воды. Оттого между верхней нагреваемой и нижней холодной толщей образуется резкий температурный раздел, где на очень коротком расстоянии по вертикали температура изменяется подчас на несколько градусов (иногда до 10° на 1м).

Наконец, третья особенность термического режима заключается в появлении и исчезновении термического бара.

Явление термического бара было обнаружено Ф. Форелем на Женевском озере. Он обратил внимание, что в начале зимы в прибрежной зоне озера устанавливается обратная стратификация, температура воды на поверхности ниже 4° и местами около 0°, так что у самого берега образуется лед, тогда как на некотором удалении от берега в открытой части озера температура поверхности воды выше 4°, и там налицо прямая стратификация. Тот раздел между теплой и холодной водой, где они соприкасаются и где вода от поверхности до дна имеет температуру 4°, Форель назвал термическим баром.

Удивительно странной оказалась судьба этого замечательного открытия: оно было практически забыто. О термическом баре до сих пор не говорится ни в новейших учебных руководствах по озероведению (Зайков, 1955; Богословский и Муравейский, 1955; Богословский, 1960), ни даже в капитальной сводке Хатчинсона (Hutchinson, 1957).

Честь вторичного открытия термического бара и, что самое главное, широкая разработка этой проблемы и освещение ее огромного значения при объяснении многих процессов в жизни озер принадлежит А.И.Тихомирову (1959, 1962, 1963, 1964, 1968). Заинтересовавшись статьей Тихомирова, переведенной на английский язык, американский ученый Роджерс вскоре исследовал и описал термический бар на озере Онтарио (Rodgers, 1966). Таким образом, вклад, внесенный советским ученым в исследование общих гидрологических закономерностей озер, уже приносит свои плоды.

Причина возникновения термического бара состоит в том, что различно нагретые воды прибрежных участков и открытого озера (с температурами выше и ниже температуры наибольшей плотности) в зоне контакта смешиваются и образуют толщу с температурой наибольшей плотности от поверхности до дна. Термический бар создает в озере две различные области, которые Тихомиров удачно назвал теплоактивной и теплоинертной.

На Ладожском озере бар образуется ежегодно не только осенью, но и весной. При весеннем баре в теплоактивной области формируется прямая термическая стратификация, при осеннем – обратная. А в области теплоинертной (наименованной так потому, что в ней температура в период нагревания растет медленно, а в период охлаждения столь же медленно уменьшается) весной существует обратная стратификация, а осенью – прямая.

Поскольку в термическом баре плотность воды наибольшая, то поверхность воды должна находиться здесь чуть ниже, чем в теплоактивной и теплоинертной областях. Это значит, что в поверхностном слое этих областей вода будет двигаться в сторону бара, затем опускаться вниз вдоль стенки бара и оттекать в придонном слое от подножия стенки в сторону от бара, т. е. в теплоактивной области – к берегу, в теплоинертной – в открытое озеро.

Эти два ниспадающих по обе стороны от бара потока, которые Тихомиров (1962) сравнивает с непрерывно движущейся шторой, образованной вертикальной циркуляцией, существуют до тех пор, пока вся толща воды в озере не достигнет температуры наибольшей плотности.

Однажды возникнув, термический бар держится очень устойчиво, пока ему не придет время исчезнуть при гомотермии. Ветер, даже сильный, его не разрушает.

Термический бар можно не только обнаружить путем измерения температуры воды – его можно видеть! Благодаря хорошо развитой конвергенции в поверхностных слоях, сопровождающейся вертикальной циркуляцией, мелкие плавающие предметы, масло, пена образуют полосу на воде, указывая на положение фронта термического бара. Особенно четко эта полоса видна с самолета.

Фронт термического бара, окаймляющий чашу озера сперва вдоль берегов и неподалеку от них, со временем смещается в сторону открытой части озера. Так, весной вдоль южного побережья Ладоги бар возникает над глубинами 30-35 м, к концу июня он находится над глубинами 70 м, а в середине июля исчезает. Осенью вдоль южного берега бар появляется в начале ноября над глубинами 7-10 м; он отгораживает прибрежную часть от остального озера, у берегов появляется лед, тогда как почти во всей открытой части озера сохраняется температура 6-7°.

Теплоактивная область всегда находится над мелководьем, теплоинертная – всегда над большими глубинами. Пока существует термический бар, эти области изолированы друг от друга, и весной и осенью Ладожское озеро превращается в сущности в два разных озера, из которых одно внутреннее, теплоинертное, как бы вставлено в рамку другого – внешнего, теплоактивного.

В каждом из этих «озер» свое вертикальное распределение температуры (противоположная стратификация), своя циркуляция воды, между ними в горизонтальном направлении очень большие температурные контрасты. Изоляция сказывается также и в различиях цвета, прозрачности, химизма воды и, стало быть, отражается на условиях жизни и распределения организмов, в особенности планктона.

Легко видеть, что термический бар – это, как и металимнион, тоже «слой скачка», только расположенный не в горизонтальной, а в вертикальной плоскости.