Температурный режим и ледовые явления на озерах.

Уравнение теплового баланса озера:

Θ _с + Θ _лед + Θ _конд + Θ _пр ± Θ _атм ± Θ _гр = I + Θ _исп + Θ _пл + Θ _ст ±∆ Θ

где Θ _с - солнечная радиация (прямая и рассеянная), Θ _лед и Θ _конд - выделение тепла при ледообразовании и конденсации соответственно, Θ _пр - поступление тепла с притекаю­щими поверхностными и подземными водами, Θ _атм и Θ _гр - приход или расход тепла в результате теплообмена с атмосферой и донными грунтами, I - эффективное излучение с поверхности воды, Θ _исп и Θ _пл - расход тепла соответственно на испарение и плавление (таяние) льда, Θ _ст - расход тепла с речными и подземными водами, уходящими из озе­ра, ∆ Θ - изменение тепла в озере. А0 = с_р·ρ·V_оз·∆T, где с_р - удельная теплоемкость воды, ρ - плотность воды, V_оз - объем озера, ·∆T_оз - изменение средней температуры озера.

Составляющие теплового баланса выражаются в джоулях или калориях.

Для большинства озер основные составляющие теплового баланса — Θ _с, Θ _исп и Θ _атм. Они вызывают изменение температуры на поверхности озера. Передача тепла по вертикали происходит в результате перемешивания вод.

В температурном режиме озера в умеренном климате выделяются 4 периода.

Период весеннего нагревания наступает, когда температура подо льдом под влиянием солнечной радиации начинает повышаться. В начале периода наблюдается обратная температурная стратификация, которая характеризуется увеличением тем­пературы с глубиной. У поверхности ее значения близки к 0°С, в придонном слое 2-3°, а в наиболее глубоких озерах 4°, т.е. наблюдается устойчивое состояние, когда плотность увеличивается от верхних слоев к нижним. После освобождения озера от льда темпера­тура воды в поверхностном слое начинает расти. Когда она становится выше, чем в нижележащих слоях, происходит конвективное перемешивание. В результате по всей глубине температура становится одинаковой и равной ее придонным значениям в нача­ле периода. Наступает состояние весенней гомотермии, которое продолжается до зна­чения T =4°С.

С указанного момента начинается период летнего нагревания. При нагревании поверхностных слоев выше 4°С конвективное перемешивание происходит только во время их ночного охлаждения. Динамическое перемешивание у неглубоких озер в на­чале периода, когда разница температур, а следовательно и плотности воды в поверх­ностном и придонном слоях невелика, охватывает всю толщу воду. При увеличении разницы плотностей вследствие более быстрого нарастания температуры воды у по­верхности влияние динамического перемешивания ограничивается только верхним слоем. Наблюдается прямая термическая стратификация, т.е. уменьшение темпера­туры воды по глубине. При этом формируется три характерных слоя: 1) эпилимнион с наиболее высокой температурой, мало изменяющейся по глубине; 2) металимнион (или слой температурного скачка) с резким уменьшением температуры с глубиной; 3) гиполимнион — слой с относительно низкой температурой, слабо изменяющейся по глубине. В наиболее глубоких озерах температура в гиполимнионе близка к 4°С.

С момента, когда приход тепла к поверхности озера становится меньше его рас­хода, начинается период осеннего охлаждения. Температура поверхностного слоя становится меньше, чем в нижележащих слоях, а плотность больше. Возникает конвек-тивное перемешивание воды. Температура постепенно становится одинаковой по всей глубине и близкой по значению температуре в гиполипнионе летом. Возникает состоя­ние осенней гомотермии, которое продолжается до установления Т= 4°С.

После этого наступает период зимнего охлаждения. При уменьшении темпера­туры в поверхностном слое ниже 4°С конвективное перемешивание прекращается, но под влиянием динамического перемешивания температура нижних слоев обычно опус­кается несколько ниже 4°С. Ветровое перемешивание прекращается с началом ледоста­ва.

В других климатических поясах наблюдается иной температурный режим озер. В соответствии с температурным режимом выделяют три типа озер: 1) полярные (холод­ные) - температура не поднимается выше 4°С, прямой температурной стратификации не возникает; 2) тропические (теплые) - температура не опускается ниже 4°С, обрат­ной температурной стратификации не возникает; 3) умеренного климата - наблюда­ются периоды как с прямой, так и с обратной стратификацией.

Большинство ледовых явлений, свойственные рекам, наблюдаются и на озерах, но ледостав на них из-за волнения и большего запаса тепла наступает позже, вскрытие также позже из-за отсутствия динамического воздействия потока на лед. Движение льдин во время ледохода происходит в основном под влиянием ветра.

Гидрохимический режим озер.

Озерам свойственны все типы природных вод по солености - от пресных до рас­солов. В озерах зоны избыточного и достаточного увлажнения преобладают ионы НСО₃^- и Сa²⁺. В засушливых районах распространены сульфатные и хлоридные озера с повышенной соленостью, реже встречаются содовые озера.

Сульфатные озера - наиболее распространенный тип соляных озер. Преобладаю­щий анион – SO₄^2-, среди катионов - Na ⁺и Mg²⁺. Вода отличается горько-соленым вкусом.

В хлоридных озерах преобладают ионы Cl^-, Na⁺ и Mg²⁺. К этому типу относит­ся Мертвое море в Израиле, оз. Баскунчак на Прикаспийской низменности. Их соле­ность достигает 200-3 00‰.

Для содовых озер характерно наличие соды (NaHCO₃, Na₂CO₃), отсутствующей в остальных типах озер. Такие озера имеются на юге Западной и Восточной Сибири, в Казахстане.

В высокосоленых озерах содержание солей может превысить насыщающую кон­центрацию. Тогда происходит их осаждение. Такие озера называют самосадочные.

В озерной воде в меньших количествах содержатся разнообразные вещества, а также газы. Для существования живых организмов особенно важен режим содержания кислорода. Обогащение всей толщи воды кислородом происходит во время итенсивного вертикального конвективного и динамического перемешивания, обычно в периоды весенней и осенней гомотермии. Летом в результате фотосинтеза, в основном благода­ря фитопланктону верхние слои озера пересыщаются кислородом. В нижних слоях из-за отсутствия света фотосинтез не происходит, из верхних слоев кислород не поступает вследствие очень слабого перемешивания. В то же время здесь он расходуется на окисление органических отложений и дыхание животных организмов, которые в наиболь­шем количестве обитают в придонном слое. В результате в нижнем слое создается дефицит O₂. Еще больший его дефицит наблюдается при ледоставе, который препятствует поступлению O₂ из атмосферы. В верхнем слое 02 расходуется значительно меньше, чем в придонном, поэтому в большинстве озер его содержание достаточно для нормального существования рыб. При большом содержании органики в воде острый дефицит O₂ может охватить всю ее толщу. В некоторых случаях из-за недостатка O₂ в озерной воде появляется сероводород, что особенно неблагоприятно сказывается на ихтиофауне.