Термические особенности озёр. Зимний режим

Пространственное распределение температуры поверхности воды определяет стадии развития биологических существ. Биологическим летом принято называть период времени, когда температура поверхности воды устойчиво превышает 10°С.

Термический режим озер обусловлен приходом и расходом тепла во времени и распределением его в водной массе и котловине. Тепловой баланс может быть рассчитан в абсолютных значениях составляющих (дж) или в относительных единицах — Дж,/см2 акватории водоема, что позволяет сравнить тепловой режим различных водоемов.

Основным источником прихода тепла в озера является солнечная радиация. Наиболее интенсивно поглощает солнечную радиацию поверхностный слой воды. Опыт показывает, что в озерах с прозрачной водой в слое воды 25 см поглощается 43—59%, а в озерах с повышенной мутностью — 30—80% падающей радиации. Поэтому, если бы вода в озерах была неподвижной, то нагрев ее происходил бы лишь в самом верхнем слое, проникновение тепла в глубины из-за очень малой теплопроводности воды осуществлялось бы в ничтожных размерах. Но благодаря движению водных масс в озерах активно осуществляется обмен теплом между различными слоями воды по вертикали. В связи с этим суточные колебания температур в озерах прослеживаются на глубине нескольких метров, а годовые обычно захватывают всю водную толщу.

Перенос тепла в глубины озера, а, следовательно, и термический режим глубин, связаны с двумя видами перемешивания вод: конвективным — вертикальным обменом частиц воды, связанным с разностью плотностей этих частиц, и фрикционным, возникающим в результате движения водных масс, вызванного, главным образом, ветром.

В результате поступления и отдачи тепла через водную поверхность и перераспределения его в водной массе в озерах наблюдаются различные типы термического режима. Рассмотрим особенности внутригодового распределения температуры в пресных озерах умеренного климата.

Весной, после вскрытия озера, частицы воды в поверхностном слое нагреваются до температур, близких к 4.° С, плотность их возрастает, возникает свободная конвекция, выравнивающая температуры сначала в верхнем слое, а затем во всей водной массе (весенняя гомотермия).

При весенней гомотермии вода озера легко перемешивается ветром и становится однородной не только по температуре, но и по минерализации, мутности, насыщению газами и т. д. Продолжительность и интенсивность весеннего перемешивания чрезвычайно важна для жизни в озере, т. к. в этот период глубинные слои его насыщаются кислородом. Устанавливаясь обычно при температуре 4° С. гомотермия может продолжаться (при сильных ветрах) и при более высоких температурах. Так, в мелководных озерах ветровое перемешивание может поддерживать ее в течение всего безледного периода. К концу весны верхний слой воды прогревается, разность температуры, а, следовательно, и градиент плотности воды между верхними и глубинными слоями возрастают. В озере устанавливается прямая температурная стратификация, характеризующаяся понижением температуры с глубиной. Наступает летний период годового теплооборота озера. В период летнего нагревания энергии ветра оказывается недостаточно для полного перемешивания водоема и в нем образуются три вертикальные термические зоны.

По термическому режиму озера можно разделить на 3 типа:

Тропические (теплые) озера имеют температуру выше +4.°С в течение всего года.

Полярные (холодные) характеризуются обратной температурной стратификацией и температурой ниже 4.°С в течение всего года, Циркуляцией летом. К полярным относятся озера севера Канады и Сибири, а также озера высоких гор.

Умеренные (смешанные) озера летом характеризуются прямой температурной стратификацией и температурой выше 4° С, зимой— оратной температурной стратификацией и температурой ниже 4° С. К этой группе относятся многочисленные озера в умеренных широтах Европы, Азии, Северной Америки.

Зимний период

При обратной температурной стратификации в результате охлаждения поверхностного слоя ниже температуры замерзания (на несколько десятых градуса) происходит замерзание озера. Чем больше минерализация воды, тем ниже температура замерзания. В озерах соленость воды выше 24,7 %. Обратная температурная стратификация невозможна, так как температура наибольшей плотности воды ниже температуры ее замерзания. Охлаждаясь на поверхности, вода, как более тяжелая, опускается вниз. При этом создаются благоприятные условия для образования донного льда.

Процесс льдообразования на озерах начинается так же, как и на реках, с возникновения заберегов и сала. На небольших озерах забереги и сало быстро смерзаются, и все озера покрываются льдом. На поверхностях больших и глубоких озер, подвергающихся воздействию ветра, образование сплошного ледяного покрова задерживается. Волны ломают края заберегов и лед, образующийся местами в открытой части озера, возникают плавучие льды и даже целые ледяные поля. Сплошной покров появляется в результате смерзания всех ледяных образований, включая всплывший донный лед. Процесс замерзания больших озер продолжается 30 – 45 дней. Ледостав на озерах в общем наступает на 8 – 10 дней раньше, чем на реках.

Нарастание льда идет снизу и сверху, причем интенсивность нарастания снизу наибольшая в первые дни ледостава (5 – 7 см в сутки). Обладая малой плавучестью, лед под тяжестью снега легко погружается в воду, которая, поднимаясь по трещинам, пропитывает снег и замерзает. Происходит нарастание льда сверху. В результате лед может состоять из нижнего «озерного» льда сверху. В результате лед может состоять из нижнего «озерного» льда, чистого и прозрачного, и верхнего «наслуза», мутного и беловатого, образующегося из снега. Толщина льда на озерах достигает 200 см. У берегов озер лед обычно толще, чем в средней части. Лед и особенно покрывающий его снег делают практически невозможным теплообмен между водной массой и атмосферой.

Вскрываются озера в результате постепенного таяния сначала снега, затем находящегося под ним льда. Лед становится пористым и дробится, по краям озера образуются забереги. В бессточных озерах лед тает на месте, в сточных – часть льда выносится реками. Вскрытие озер происходит на 8 – 15 дней позднее, чем вскрытие рек.

В незамерзающих озерах умеренных широт охлаждение продолжатся в течении всей зимы и минимальной температура воды бывает перед началом весеннего нагревания. Охлаждение обычно происходит в условиях сильного ветрового перемешивания, поэтому температура во всей толще воды опускается до 2 – и ниже.

В очень глубоких озерах полного перемешивания воды не происходит, например оз. Байкал обратная стратификация устанавливается в слое 200 – 250 м, глубже – всегда прямая стратификация, и на глубине 1600 м вода имеет температуру наибольшей плотности. С увеличением давления температура наибольшей плотности воды понижается, поэтому на большей глубине в Байкале она равна.

Большим своеобразием отличается термический режим соленых озер. При высокой солености конвективное перемешивание вызывается в большей степени солевыми различиями в плотности, чем температурным. Ветровое перемешивание затруднено повышенной плотностью воды. Летом вода прогревается до 50 –, зимой охлаждается до и ниже. Годовые амплитуды колебания температуры достигают 80 –. В зависимости от температуры наиболее минерализованной (наиболее плотной) воды, опускающейся на дно, в озере в любой сезон может возникнуть только прямая или только обратная стратификация. Глубокие соленые озера умеренной зоны имеют на дне воду с температурой, соответствующей зимним температурам на поверхности.

29. Химический состав озёрных вод. Минеральные озёра. Их образование

Воды озер, как и другие природные воды, характеризуются различным химическим составом и разной степенью минерализации.

По составу солей (по преобладающему аниону) воды озер подразделяют на три класса: гидрокарбонатные и карбонатные, сульфатные, хлоридные. В каждом классе по преобладающему катиону выделяют три группы: кальциевая, магниевая и натриевая. В распределении озер по химическому составу прослеживается географическая зональность, обусловленная условиями увлажнения.

По степени минерализации озера подразделяются на пресные (S менее 1 ‰), солоноватые (1-24,7‰), соленые (24,7-47‰) и минеральные (более 47‰) (например, Байкал – 0,1‰, Каспийское – 12-13‰, Большое Соленое – 137-300‰, Мертвое море 260-270‰, в отдельные годы до 310‰). Степень минерализации озер может быть различной в разных частях: пониженной соленостью отличаются те части озера, в которые впадают реки. Так, в бессточном озере Балхаш, расположенном в аридной зоне, в западной части, куда впадает река Или, вода пресная, а в восточной части, которая соединяется с западной лишь узким (4 км) неглубоким проливом, вода солоноватая. При перенасыщении озер из рассола – рапы соли начинают выпадать в осадок, происходит их кристаллизация. Такие минеральные озера называют самосадочными, часто они представляют собой емкости, уже почти заполненные кристаллической солью (например, Эльтон, Баскунчак). Минеральные озера, в которых откладываются пластичные тонкодисперсные илы, известны как грязевые (например, лечебные водоемы близ Евпатории и др.).

Минеральное озеро — озеро, солёность (минерализация) которого превышает 1 промилле. Вода таких водоёмов отличается резким вкусом и непригодна для питья без дополнительной обработки.

Минеральные озёра подразделяются на солоноватые (от 1 до 25 промилле), солёные (от 25 до 50 промилле) и соляные (свыше 50 промилле).

По химическому составу минеральные озёра делятся на карбонатные (содовые), сульфатные (горько-солёные) и хлоридные (солёные).

В подавляющем большинстве солёные озёра — бессточные водоёмы, находящиеся в засушливом климате. В озёра могут впадать пресные реки, однако, при испарении воды наносимые минеральные вещества оседают.

Уровень озёр может значительно колебаться в зависимости от времени года и погодных условий. При понижении уровня солёность озера повышается, при повышении — понижается.

В минеральных озёрах добывается химическое сырьё: в карбонатных — сода, в сульфатных —мирабилит, в хлоридных — поваренная соль.

Особо выделяются озёра в кратерах вулканов.

Самое большое озеро Земли — Каспийское море — солёное.

Озеро Балхаш в своём роде уникально: часть его содержит пресную воду, часть — солёную.

Известные солёные озёра: Каспийское море, Аральское море, Мёртвое море, Большое Солёное Озеро (крупнейшее солёное в Западном полушарии), Эльтон — крупнейшее в Европе,Баскунчак, Подводное соляное озеро.

Образование М. о. связано с отсутствием стока из озёрной впадины, что ведёт к накоплению солей. Происхождение солей бывает либо морское — в результате обособления отдельных участков моря (лиманы, обособившиеся заливы и т. п.), либо континентальное — соли приносятся стоком материковых вод. Химич. состав воды М. о. зависит от геологии, условий образования озёрной впадины, характера окружающих горных пород, особенностей питания озёр и от гидрометеорологич. режима района их местонахождения. Концентрация воды не остаётся неизменной. Её колебания происходят как в результате изменения физико-географич. условий (т. е. в течение длительного времени), так и вследствие сезонных явлений — годового хода поступления воды в озёра, изменения температуры, испаряемости и т. д. При образовании льда происходит увеличение концентрации раствора, т. к. большая часть солей остаётся в растворе. При достижении предела растворимости происходит выпадение солей в определённой последовательности. По мере роста солесодержания вод осаждаются в первую очередь карбонаты (гл. обр. карбонаты кальция). При дальнейшем росте солесодержания в осадок выпадают сульфаты и в наиболее минерализованных озёрах в солевом составе преобладают хлораты. При уменьшении солесодержания процесс растворения осадков идёт в обратном порядке.

Заметную роль в химии, режиме М. о. играет солевой обмен между водной массой и грунтом.

М. о. служат источником получения поваренной соли, сульфата натрия, соды, бора, иода и др. Иловатые донные осадки нек-рых М. о. являются ценным лечебным средством, применяемым в медицине (лечебные грязи).