Термический и ледовый режим озер

После установления гомотермии начинается период зимнего охлаждения, когда расходная часть теплового баланса (отдача тепла) преобладает над приходной. Продолжается выхолаживание поверхностных слоев воды и формируется обратная термическая стратификация. При установлении ледяного покрова потери тепла происходят через снежно-ледяную толщу. У нижней кромки ледяного покрова температура воды приближается к 0 °С, а у дна — к 4 °С. В умеренных широтах зимнее охлаждение и обратная термическая стратификация наблюдаются вплоть до апреля-мая. В направлении субтропиков эти явления постепенно смещаются к началу года. В субтропических и тропических зонах эта фаза отсутствует. Уменьшение отдачи тепла в атмосферу и поступление тепла от дна часто приводят к некоторому повышению температуры воды, т.е. возможно зимнее нагревание [9].

В период, когда тепловой поток направлен в воду, происходит процесс весеннего нагревания. Па замерзающих водоемах этот процесс начинается еще при наличии ледяного покрова, но уже при растаявшем снеге. В это время в связи с небольшим повышением температуры подо льдом формируется процесс конвекции. При разрушении ледяного покрова процесс нагревания интенсифицируется, и через некоторое время водные массы вновь становятся однородными по температуре. Формируется весенняя гомотермия. На малых водоемах умеренной зоны весеннее нагревание приходится на апрель-май и в конце мая процесс уже завершается, в то время как на крупных глубоких водоемах он растягивается до середины лета [11].

Период летнего нагревания начинается с момента установления весенней гомотермии и заканчивается к моменту начала теплоотдачи воды. В этот период перемешивание осуществляется главным образом за счет деятельности ветра и формируется прямая стратификация. При значительном повышении температуры поверхностных слоев сопротивление перемешиванию заметно возрастает. Тем не менее в поверхностном слое наблюдается выравнивание температуры за счет ветра и охлаждения воды в ночное время, что приводит к образованию вертикальной зоны с малыми температурными градиентами. В нижних слоях водоема сохраняется холодная вода с плавным понижением температуры. Между этими теплым и холодным слоями возникает сравнительно тонкий слой с резким изменением температуры, иногда достигающей 10 — 12 градусов на 1 м. Таким образом, в этот период вся водная толща разбивается на три вертикальные термические зоны:

• верхняя, которая характеризуется малыми градиентами температуры или их отсутствием, носит название эпилимнион;
• средняя, с высокими градиентами, — металимнион, или термоклин, или температурный скачок;
• нижняя, также с малыми градиентами, — гиполимиион. При этом эпилимнион является слоем перемешивания, а металимнион — эффективным барьером, затрудняющим смешение вод эпилимниона и гиполимниона (рис. 2.1.2).

Толщина этих вертикальных слоев зависит от размеров водоема и интенсивности ветровой деятельности. Для крупных глубоководных водоемов эпилимнион может достигать 20 — 30 м. Мелкие водоемы могут быть перемешаны до дна и для них типична летняя гомотермия. В условиях неустойчивой погоды (различные ветры, температуры) в водоеме могут возникнуть второй и третий металимнион. В течение лета температурный скачок постепенно опускается па большую глубину и к началу осеннего охлаждения исчезает [3].

 

       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Рис. 2.1.2 Термические зоны в водоеме в период летнего нагревания [8].

 

 В водоемах, для которых характерно наличие мелководных и глубоководных участков, процесс нагревания и охлаждения происходит с различной интенсивностью и в разные сроки. Поэтому весной в мелководной зоне формируется прямая стратификация, в то время как в глубоководной зоне все еще существует обратная. Это приводит к появлению между этими зонами вертикального слоя воды с температурой наибольшей плотности, который называется термическим баром. Осенью наблюдается обратный процесс. Продолжительность существования термического бара зависит от размеров водоема и мелководий. Например, в Ладожском озере термический бар наблюдается в течение полутора месяцев — с середины мая по первую декаду июля. 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 [2].

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, 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-химически- ми 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.

Таким образом, термический режим водоемов определяется циркуляционными процессами, происходящими в них в различные сезоны года, и разными климатическими условиями.

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 [10].

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 [4].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Термические классификации озер

Все предложенные классификации озер можно разделить на основании заложенных в них принципов на три главные группы:

1. Классификации, основанные на принципе физико-географической зональности - как широтной, так и высотной.
2. Классификации озер одной физико-географической зоны (большей частью - умеренной зоны), основанные на различных принципах детализации.
3. Классификации, основанные на принципе учета как физико-географической зональности, так и характера водообмена по вертикали.

Впервые термическая классификация озер была предложена Ф.А. Форелем в 1892 году. В соответствии с климатическими зонами, частотой и длительностью температуры воды в озере, выше или ниже 4°С, им были выделены три типа озер: полярные, умеренные и тропические [8].

Полярные (холодные) озера характеризуются обратной температурной стратификацией в течении длительного периода. Температура поверхности в них всегда ниже 4°С. Период летнего термического режима короткий. К полярным относятся озера севера Канады и Сибири, а также озера высоких гор (рис. 2.2.1,а).

Умеренным (смешанным) озерам свойственна прямая (летом) и обратная (зимой) стратификация. Температура поверхности выше 4°С летом и ниже 4° С зимой. Сезонные колебания значительны. Слой скачка выражен отчетливо. Регулярных периодов циркуляции два — весной и поздней осенью. К этой группе относятся многочисленные озера в умеренных широтах Европы, Азии, Северной Америки (рис. 2.2.1,в).

Тропические (теплые) озера имеют высокую температуру и незначительные колебания ее в течение года. Температура поверхности воды высокая, от 20 до 30°С. Годовые колебания незначительны, температурный градиент мал, но при высокой температуре градиент плотности достаточный для сохранения устойчивости. В озерах влажных тропиков циркуляция происходит нерегулярно, обычно в холодное время года; в озерах сухих тропиков наблюдается более четкая сезонная периодичность циркуляции. Характерно постоянная прямая стратификация. Таких озер очень много в Африке, в Южной Америке. В Европе к ним относятся Женевское озеро, Иссык-Куль (рис. 2.2.1,б).

 

Рис. 2.2.1 Схема температурной стратификации в озерах полярных (а), тропических (б) и умеренного климатов (в) [8]:

1 – обратная температурная стратификация  зимой, 2 – весенняя гомотермия, 3 – прямая температурная стратификация летом, 4 – осенняя гомотермия, А – весеннее нагревание, Б – летнее нагревание, В – осенне охлаждение, I – эпилимнион, I – металимнион, III – гиполимнион, IV – ледяной покров

 

Позже эта классификация уточнялась многими учеными (Ф. Руттнером, Ф.Л. Уипплом, С. Иошимура, Монгеймом и др.). Ф. Руттнер (1931) дополнил классификацию Ф. Фореля субтропическим типом озер, С. Иошимура (1936) - субполярным, Г Морандини (1940) - экваториальным. Ф. Монгейм (1956) среди тропических озер выделил подтипы: субтропические озера, озера влажных зон тропиков и озера периодически сухих внетропических зон. А. Р Зефар (1959) вводит в подразделение озер умеренного, тропического и субтропического типов и принцип вертикальной зональности (табл. 2.2.1). В результате дополнительно выделены озера экваториальные, субполярные, субтропические, тропические с двумя подтипами: влажных и сухих тропиков [7].

 

 

 

 

 

Таблица 2.2.1 Классификация озер мира (по: Zafar, 1959)

 

I. Полярные 1а. Субполярные

II. Умеренные h*<1 км 1а. Умеренно-субарктические, 1<h<2 км 2б. Умеренно-арктические, h > 2 км

III. Тропические, h <1 км 1. Тропические-субтропические, h = 1-2 км 2. Тропические-умеренные, h = 2-4 км 3. Тропические-субтропические, h=4-6 км 4. Тропические-арктические h = 6 км IIIa. Субтропические h > 1 км 1. Субтропические умеренные, h = 1-2 км 2. Субтропические субарктические, h = 2—4 км 3. Субтропические арктические, h> 4 км

 

Термические классификации не учитывают влияния глубины озер на распределение температуры воды в вертикальном и горизонтальном направлениях. Морфометрические характеристики озер учитываются термическими классификациями для одного зонального типа [5].

В основу этой группы классификаций заложено 13 принципов:

1) температура придонного  слоя воды в летний период (Гейстбек, Анучин, Уиппл, Хатчинсон);

2) средняя температура  столба воды в районе максимальной  глубины (Домрачев) или средняя температура  воды всего озера в период  летней стагнации (Китаев);

3) суммы температур воды (градусодни) за период с температурой  выше 10 °С (Китаев);

4) характеристика термики теплоактивного слоя и влияние его на прилегающие территории (Молочанов);

5) характер нагревания  водных масс в весенне-летний  период (Филатова, Глазычева, Голдина, Якушко, Фрейндлинг);

6) разность температур  придонных слоев воды в летний и зимний периоды (Домрачев, Андреева, Хомскис);

7) отношение глубины эпилимниона к максимальной глубине озера (Зинова, Нагель) или максимальной глубины озера к глубине эпилимниона (Захаренков);

8) годовые колебания температуры  воды и характер температурной стратификации летом (Семенович, AbergandRodhe, Тихомиров, Абросов);

9) характер летнего перемешивания  водных масс в зависимости  от площади, глубины озера, разгона  ветра и учета разных климатических  зон (Паталас, Латроп и Лили, Арай, Горхам и Бойс, Ефремова, Пальшин);

10) перепад температуры  воды по глубине летом, теплоотдача  ложа дна зимой, численные значения  критериев Фурье и Био (Пехович, Жидких);

11) соотношение тепла, идущего  на нагревание водоема и испарение (Несина, Огнева);

12) соотношение зон бентали и пелагиали в период летней стагнации (Долгов, Китаев);

13) элементы теплового  баланса, теплобюджет (Форш, Смирнова, Несина и Огнева, Kirillovaи Smirnova).

В 1885 году А. Гейстбек предложил делить озера на «теплые» и «холодные» в зависимости от глубины и термического режима. В «теплых» озерах температура придонных слоев воды в летний период не ниже 6,5 °С; в «холодных» - всегда ниже 6,5 °С, а чаще составляет всего 4,2 - 4,5 °С. 

В дальнейшем Д.Н. Анучин (1897) разделил озера не на две, а на три группы:

• «теплые» - температура придонных слоев воды летом не ниже 10 °С;
• «умеренно-холодные» - температура придонных слоев не выше 10°С, но и не ниже 6,5 °С;
• «холодные» - температура воды придонных слоев не поднимается выше 5,9 °С.

Аналогичную термическую классификацию озер годом позже предложил Ф.Л. Уиппл (1898). В «холодных» озерах температура воды около 4 °С, «умеренно-холодных» - несколько выше 4 °С и в «теплых» - значительно выше 4 °С. Эту классификацию, с незначительной поправкой, приводит Д. Хатчинсон в трактате по лимнологии 1957 г.