• Главная
• Новое
• Популярное
• Поиск
• Карта
• Связь

Вертикальная циркуляция и образование льда в пресной воде

Экология морского бентоса / Дно как биотоп / Вертикальная циркуляция и образование льда в пресной воде

Страница 1

В реках и других текучих водоёмах непрерывно происходит перемешивание воды, захватывающее всю её толщу. В медленно текучих и стоячих водоёмах, таких как озёра, водохранилища, пруды, старицы и т. п., основная роль в перемешивании воды переходит к ветровому волнению и вертикальной циркуляции.

Самый поверхностный слой воды перемешивает ветровое волнение. Несмотря на то, что этот слой тонок, ветер существенно увеличивает скорость газообмена между водой и атмосферой.

Перемешивание слоёв в достаточно глубоких водоёмах — вертикальная конвекция,

или циркуляция

— может возникнуть только в одном случае: когда плотность поверхностной воды станет больше или равной плотности воды в нижележащих слоях. Поскольку в пресных водоёмах плотность является линейной функцией температуры, можно сказать и иначе: вертикальная циркуляция возникает в том случае, когда температура вышележащей воды становится ниже или равной температуре её подстилающей. Однако имеется существенное ограничение: пресная вода имеет максимальную плотность при 4°С (точнее — 3,98°С). Поэтому при понижении температуры воды ниже 4°С плотность воды опять уменьшается. Следовательно, придонные слои не могут иметь температуру ниже 4°С (по крайней мере до тех пор, пока вышележащие не замерзнут).

Поскольку основной источник тепла — Солнце, то летом поверхностные слои имеют более высокую температуру, т. е. меньшую плотность, чем придонные.

В водоёмах высоких и умеренных широт и в горных водоёмах низких широт температура поверхности в течение года переходит рубеж в 4°С. Результатом этого являются следующие процессы (рис. 1.18):

1. Осенью плотность воды возрастает из-за снижения поверхностной температуры и становится больше плотности нагревшихся за лето нижележащих слоёв. Поэтому поверхностная вода опускается, а придонная — поднимается. В результате, из-за малых размеров пресных водоёмов плотность быстро выравнивается по всей толще воды от поверхности до дна. Одинаковая плотность воды позволяет распространяться любым возмущениям воды (например, ветровому волнению) на всю её толщу, что дополнительно увеличивает перемешивание воды в этот период года.

2. При дальнейшем снижении температуры воздуха (ниже 4°С) плотность поверхностных слоёв уменьшается и становится ниже плотности нижележащих слоёв, это препятствует вертикальной циркуляции. Поэтому температура глубинных слоёв остаётся более высокой, близкой к 4°, тогда как поверхностные слои продолжают охлаждаться вплоть до образования льда.

3. Весной лёд тает и температура воды на поверхности повышается, возрастает её плотность и становится одинаковой от поверхности до дна. Это позволяет распространяться любым возмущениям воды на всю толщу, из-за чего вертикальное перемешивание происходит и весной.

4. Дальнейшее повышение температуры поверхностного слоя воды приводит к уменьшению его плотности по сравнению с нижележащим, нагревающимся меньше. В

Рис. 1.18.

Вертикальная циркуляция в пресных водоёмах высоких и умеренных широт

(объяснение в тексте).

результате формируется термоклин, разделяющий эпилимнион

(поверхностный слой воды) и гиполимнион

(придонный, с более плотной водой). Различие в плотности воды препятствует вертикальной конвекции, в том числе и за счёт ветра.

Таким образом, в течение года водоём проходит 4 гидрологические стадии:

1. Осенняя гомотермия.

2. Зимняя стратификация.

3. Весенняя гомотермия.

4. Летняя стратификация.

Интенсивное перемешивание воды и обогащение придонных слоёв кислородом происходит в периоды гомотермии (осенней и весенней). В периоды же стратификации в придонных слоях источником кислорода является только фотосинтез. Из-за низкой прозрачности воды в пресных водоёмах (а зимой и из-за снижения освящённости подо льдом и низкой температуры) поступление кислорода от фотосинтеза не компенсирует его потребление. И при отсутствии иных источников кислорода при достаточно высоком потреблении кислорода (обычно за счёт бактериального окисления органики в грунте) и малом объёме гиполимниона могут наступать заморы.

С продвижением в более высокие широты и выше в горы лето становится короче, уменьшается и период летней стратификации. При очень коротком лете периоды осенней и весенней гомотермии сливаются в один. С дальнейшим падением температуры воздуха периоды гомотермии сокращаются, промерзание водоёмов происходит на большую глубину, и в пределе вместо водоёма возникает ледник.