Уровень воды в Ладожском озере и его колебания
Многолетний средний годовой уровень Ладоги, исчисленный для периода 1932-1958 гг., равен 457±9см (Кузнецов, 1966). Вследствие того что, в отличие от поверхности, дно озера лежит ниже уровня моря, котловину Ладожского озера надо считать криптодепрессией.
Колебания уровня в течение года зависят от притока рек и от стока Невы. Так как уровни притоков озера колеблются в разное время и так как площадь озера огромна, то колебания, обусловленные указанными причинами, отличаются плавным ходом. Уровень постепенно повышается с января по июнь, после чего постепенно понижается, т. е. в течение года вырисовываются всего две фазы. При повышении или понижении уровня на 1 см объем водной массы озера изменяется на 0,175 км3.
В 1932-1958 гг. наиболее высокий средний годовой уровень (1958г.) был 556 см и самый низкий (1940) 364 см (Кузнецов, 1966).
Помимо ежегодных колебаний уровня Ладожского озера, обнаружены и ритмические колебания с циклом по 29-30 лет (брикнеровы циклы), в которых многоводные фазы закономерно сменяются маловодными.
Многоводные, или трансгрессивные, фазы характеризуются подъемом уровня озер, увеличением стока рек, более прохладным климатом; условия зарастания водоемов ухудшаются. Фаза маловодная, или регрессивная, отличается более сухим и теплым климатом; понижение уровня озер благоприятствует их зарастанию.
Комплексная ладожская экспедиция захватила своими исследованиями окончание яркой трансгрессивной фазы и начало регрессивной.
Из многоводных фаз наиболее заметной была фаза 1899-1905 гг.; всего за 7 лет приток воды в озеро составил 4,78 м сверх нормы. Из маловодных фаз особенно резкая была в 1937-1952 гг.: за это время озеро недополучило против нормы слой воды почти 10 м (Шнитников, 1966). Вместе с тем надо подчеркнуть, что с конца XIX столетия смена многоводных и маловодных фаз происходит в Ладожском бассейне на фоне прогрессирующего снижения общей увлажненности бассейна.
Кроме регулярных колебаний уровня в течение года, вызванных соотношением прихода и расхода воды в котловине озера, возникают колебания и по другим причинам, в частности, под действием ветра. Сгонно-нагонным явлениям посвящено особое исследование Т. И. Малининой (1966).
Величина сгонно-нагонных колебаний уровня зависит и от силы ветра и от продолжительности его действия, а ветровой режим над озером весьма изменчив. Ветры, скорость которых не превышает 5 м/сек. (а таких в году около 40%), не вызывают ни нагона воды, когда они дуют на берег, ни сгона, когда они дуют с берега. Ветров скоростью 10-15 м/сек. в году не более 3%, а ветры сильнее 15 м/сек. бывают не каждый месяц, и их повторяемость в году всего примерно 1%.
Денивеляции уровня преобладают в осенне-зимнее время. В северной части озера, где они не крупнее 5-10 см, практическое значение их невелико. Максимальные по величине и наиболее частые колебания уровня свойственны южному мелководному району озера. Здесь наблюдаются сгоны и нагоны более 20-30 см, в отдельных случаях 40 см. Случаются нагоны воды и до 90 см, сопровождаемые затоплением берегов. И все же подавляющее большинство денивеляций (если отсчитывать их от уровня, предшествующего сгону или нагону) не превышает 10 см.
Денивеляций на озере держатся короткое время, и короче всего – наиболее сильные из них.
К особому виду колебаний уровня озера относятся сейши. Прекрасный общий обзор теории этого явления и методов его изучения и расчета сделал Л. К. Давыдов (в книге Арсеньева и др., 1963). Напомним, что сейши, или стоячие волны, – это быстрые колебания, близкие к периодическим, при которых уровень воды в одной части озера поднимается, а в другой, противоположной, опускается. При этом колеблется вся водная масса озера до самого дна, она как бы качается наподобие маятника, стремясь вернуть себе равновесие, из которого выведена внешним воздействием.
Водная поверхность колеблется при этом вокруг одной или нескольких линий, пересекающих эту поверхность и называемых узловыми линиями. Очевидно, что амплитуда сейши, т. е. наибольшее отклонение уровня водной поверхности от его положения в состоянии покоя, на узловых линиях равна нулю. Максимальные амплитуды получили название пучностей. Если вся масса в озере делится на две части и каждая из частей приходит в колебательное движение, образуется двухузловая сейша с одной полной пучностью и двумя полупучностями на концах: вода в средней части озера поднимается, а у берегов опускается. Сейши могут быть и многоузловыми.
Современная теория сейш рассматривает их как свободные колебания водной массы в результате приложения к ней какой-либо мгновенной силы.
Основная причина возникновения сейш – изменение атмосферного давления над озером. Сейшеобразные колебания зарождаются и при сгонно-нагонных явлениях, создающих различие уровней на противоположных концах озера.
До работ Комплексной ладожской экспедиции о сейшах на Ладожском озере почти ничего не было известно. Разность атмосферного давления между Сортавалой и Новой Ладогой иногда превышает 5-6 мб, что служит причиной довольно сильных ветров вдоль длинной оси озера. Кроме того, циклоны, пересекающие озеро поперек, создают и разность давления на восточном и западном его берегах иногда до 10 мб и более. Таким образом, условия для возникновения сейш налицо.
КЛЭ изучала сейши при помощи самописцев уровня, показания которых использованы также и для контроля теоретических расчетов по формулам.
Основной одноузловой сейшей Ладожского озера является сейша с периодом 5 часов 40 минут (Малинина, 1964, 1966), которая возникает вдоль самой длинной оси озера, протянувшейся с северо-запада на юго-восток на 219 км. Она хорошо видна при сравнении лимниграмм, полученных в Питкяранте и Кобоне, особенно для случаев, когда ветры дуют вдоль озера. Узел сейши располагается в 112 км от северного конца озера, а ее амплитуда не превышает 300 мм и довольно быстро уменьшается.
Двухузловая продольная сейша Ладоги имеет период 2 часа 11 минут.
На озере выражены и сейши с периодом 90 и 60 минут (это, вероятно, трехузловая и четырехузловая), в бухтах и заливах – с периодом 16-18 и 10-11 минут. Сейша с периодом 16-18 минут наблюдается и в открытом озере; можно предполагать, что сейши с короткими периодами – это многоузловые сейши. Вообще на озере наблюдались сейши с девятью различными периодами.
Амплитуды сейш относительно невелики – от 3-5 до 28 см. Но сейши, видимо, влияют в какой-то степени на перемешивание воды и, стало быть, на перераспределение температуры и содержание растворенного кислорода в летний период (Малинина, 1966). Течения, возникающие при сейшах, особенно заметны в прибрежных районах.
Течения Ладожского озера
В океанографической практике для изучения течений широко применяется динамический метод, опирающийся на анализ распределения температуры и солености воды по акватории. В 1957 г. он был использован и на озере Гурон. Его применили также и для изучения течений Ладожского озера (Охлопкова, 1966). Кроме того, течения на Ладоге измерялись и непосредственно с помощью морских вертушек. С этой целью в 1959-1962 гг. сделано 250 якорных станций в разных районах озера. Вертушечные наблюдения послужили и для проверки теоретических расчетов, причем совпадение расчетных и измеренных величин получилось хорошее.
Картина течений Ладожского озера довольно сложная: при впадении рек в озеро возникают стоковые течения, действие ветра на поверхность воды вызывает ветровые течения, наконец, неравномерное прогревание воды в разных районах, порождающее неравномерное распределение ее плотности, служит причиной плотностных течений. Соотношение и действие всех этих причин меняется и по сезонам.
В открытой части Ладожского озера основными течениями являются плотностные. В отдельные периоды и в отдельных районах они могут частично нарушаться ветрами значительной силы (более 7 м/сек.). Но так как ветровой режим над центральной частью озера не носит установившегося характера, то ветровые течения здесь неустойчивы и лишь накладываются на основной фон, создаваемый плотностными течениями.
Весной преобладает движение воды против часовой стрелки, т. е. циклональное. В северной половине озера у восточных и западных берегов скорость течений наибольшая, так как разность температур воды у берегов и в центре озера значительна. В прибрежной зоне скорость течений доходит до 14-20 см/сек., в остальной части озера составляет 3-5 см/сек. Особенно слабы течения (1-3 см/сек.) в южном районе озера, где изменение температуры в горизонтальном направлении более плавное.
Особенно неравномерно распределение температуры воды в озере летом (июль-август). Оттого плотностные течения выражены ярко. На севере и в центре господствует циклональная схема движения вод, на юге – антициклональная (по часовой стрелке). Наибольшей скорости (до 32 см/сек.) течения достигают у западных и восточных берегов; средняя по озеру скорость 2-5 см/сек, и крайне низкая – опять-таки в южной части. Схема поверхностных плотностных течений озера летом показана.
Осень – время охлаждения воды и выравнивания ее температуры в горизонтальном направлении. Схема течений та же, что весной и летом (циклональная); максимальная скорость – тоже вдоль берегов. Средняя скорость течений по озеру в сентябре и октябре 2-3 см/сек, вдоль берегов – 22-24 см/сек.
Таким образом, с мая по октябрь почти все озеро охвачено циклональной циркуляцией, прижатой к западным и восточным берегам, где наблюдаются максимальные скорости течения. Но в ноябре-декабре при ветрах более 7 м/сек. на всем озере берут верх ветровые течения.
С глубиной скорость течений, естественно, уменьшается. Летом на глубине 50 м в центральной части озера течение уже отсутствует, а в другие сезоны его скорость на этой изобате 0,5–2 см/сек.
Выше речь шла о течениях в открытой Ладоге. В шхерном районе основные течения – ветровые сгонно-нагонные. Они здесь двухслойные: при нагонах воды поверху идет течение в залив, а на известной глубине – из залива; при сгонах – наоборот: поверху идет течение из залива, на глубине – в залив (Охлопкова, 1961).
В южной части озера господствуют стоковые и ветровые течения.
Течения в Свирской губе изменяются в зависимости от силы, направления и продолжительности ветра. Они возникают почти сразу вслед за появлением ветра, и скорость их колеблется в широких пределах: от 5 до 30 см/сек. Поверхностные течения совпадают с направлением ветра, но с глубины 10м меняются на обратные (компенсационное течение).
Воды самой Свири при штиле движутся вдоль северо-восточного берега губы, подчиняясь силе Кориолиса; то же наблюдается и при южных и юго-восточных ветрах. Северные и северо-западные ветры гонят воды в Свирскую губу. В Волховской губе при штиле, а также при южных и юго-западных ветрах образуется течение, прижатое к восточному берегу залива.
По мнению А. И. Тихомирова, циклональная циркуляция вод в Ладожском озере создается не только плотностными течениями, но и стоковыми, возникающими под действием вод Волхова, Свири, Вуоксы и др. Аналогичная идея была в свое время (1877 г.) высказана и А. П. Андреевым.