Механико-динамические свойства грунтов

 

Для грунта, как экологического фактора, наиболее важны его механический состав, консистенция и степень стабильности.

В первую очередь свойства грунтов определяют условия существования бентосных организмов (возмож­ности их передвижения, закапывания, прикрепления и др.), но небезразличны и для обитателей пелагиали, особенно в мелких во­доемах при взмучивании илистых грунтов.

Из отдельных механико-­динамических свойств грунтов наибольшее экологическое значение имеют размеры частиц, плотность их прилегания друг к другу и стабильность взаиморасположения, степень смыва течениями и аккумуляции за счет оседания взвешенного материала. Механические свойства грунтов прежде всего характеризуются их механическим,или гранулометрическим, составом,под которым понимается размер зерен, образующих донные осадки.

Мелкозернистые грунты называют мягкими. К ним относятся глины, илы и песок, имеющие размер зерен соответственно менее 0,01 мм, 0,01-0,1 и 0,1-1,0 мм. Жесткие грунты представлены гравием (0,1-1,0 см), галькой (1-10 см), валунами (10-100 см) и глыбами (более 1 м).

Мелкозернистые грунты в зависимости от содержания в них тонких фракций (частиц мельче 0,01 мм)делятся на песок (при­месь тонких фракций менее 5%), илистый песок (примесь 5-10%), песчанистый ил (примесь 10-30%), ил (примесь 30-50%) и гли­нистый ил (примесь тонких фракций более 50%). В тех случаях, когда в грунте присутствует несколько разноразмерных фракций, он называется смешанным.

По отношению к грунтам различают организмы:

– эвриэдафические (edaphon – почва, грунт), обитающие на разных грунтах;

– стенэдафические, приуроченные к какому-либо одному типу грунта. Среди них выделяют литофилов (обитают на камнях), псаммофилов (живут на песке), аргиллофилов (селятся на глине) и пелофилов (живут в илистых грунтах).

Аттрактивность грунтов определяется не только их гранулометрическим составом. Мелкозернистые грунты, особенно илистые, имеют различную степень уплотнения и в верхних слоях лежат более рыхло, чем в нижних. По мере уплотнения грунтов внедрение в них становится затруднительным. Неблагоприятным экологическим фактором водной среды является недостаточная стабильность грунтов – оседание частиц, снос поверхностных слоев токами воды, нанос грунта, перемещение частиц относительно друг друга.

Донные отложения тесно взаимодействуют с водой. Из грунта в воду поступают соли, газы, твердые компоненты, в обратном направлении – минеральные и органические вещества.

Температура, свет, магнетизм, звук

 

Температура

 

Относится к числу наиболее универсальных экологических факторов, т.к. в отличие от многих элементов среды является неустранимым фактором. Температура влияет на многие процессы в гидросфере. В водной среде она играет роль условного сигнала, воздействует на структуру живого, влияет на уровень метаболизма, условия дыхания, изменяет активность ферментов, скорость роста, темп воспроизводства популяций и др.

По отношению к температуре организмы бывают:

– эвритермные, обитающие в широком температурном диапазоне;

– стенотермные, существующие в узком температурном диапазоне. Они могут быть теплолюбивыми, или термофuльнымu и холодолюбивыми, или крuофuльнымu.

В природных водах температура колеблется от –7,75 °С (неко­торые сильно минерализованные озера) до 96,3 °С (горячие клю­чи). В Мировом океане диапазон встречаемых температур не пре­вышает 38 °С: от –2 до 36 °С.

Термический режим отдельных во­доемов определяется их географическим положением, глубиной, особенностями циркуляции водных масс и многими другими фак­торами. Поступление тепла в водоем зависит главным образом от проникновения солнечной радиации и контакта с более нагретой атмосферой. Известную роль играет также тепло осадков, берегов и то, которое образуется во время перехода воды из жидкого состояния в твердое. Охлаждение воды происходит в результате ис­парения, лучеиспускания, контакта с менее нагретыми слоями ат­мосферы и берегами, за счет поступления холодных осадков и поглощения тепла во время таяния льда.

Как пра­вило, с продвижением из низких широт в высокие водоемы стано­вятся более холодными и менее термостабильными, в самых высоких широтах ко­лебания температуры воды снова уменьшаются. В пределах одного водоема заметные изменения температуры прослеживаются на поверхности, с по­гружением в глубину температурные колебания выражены не столь сильно.

Летом поверхностный слой воды более теп­лый, чем глубинный, зимой – наоборот. Переход от более к менее нагретым слоям часто происходит не постепенно, а скачкообразно, и между ними образуется слой так называемого температурного скачка, или термоклuн (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 – Термоклин

Обычно слой температурного скачка располагается в морях на глубинах 15-100 м.

Различие в температу­ре слоев воды называется температурной дихотомие, а расслоение воды на теплые и холодные – температурной стратuфuкацuей. Различают прямую стратuфuка­цuю,когда более легкие теплые слои остаются на поверхности, располагаясь над тяжелыми холодными (летом), и об­ратную,когда в придонном слое более теплая вода (зимой), так как непосредственно подо льдом температура поверхностных вод меньше 4°С, и они в силу физико-химических свойств воды становятся более легкими. В большинстве озер летом и зимой наблюдается резко выраженная температурная дихотомия, в результате которой образуется стратификация и нарушается вертикальная циркуляция воды. Такой период застоя называется стагнацией.

Весной холодная поверхностная вода нагревается до 4 °С, становится более плотной и погружается вглубь, снизу поднимается более теплая вода. При интенсивной вертикальной циркуляции водных масс происходит выравнивание температурных градиентов, на­зываемое гомотермией, когда температура во всей массе воды становится 4 °С (рисунок 4.2). Дальнейшее повышение температуры поверхностных

Рисунок 4.2 – Стратификация и перемешивание воды в озере

 

вод приводит к тому, что они становятся менее плотными, остаются на поверхности, прогреваются все больше, и наблюдается температурная дихотомия. Наступает летняя стагнация. Осенью поверхностные воды постепенно охлаждаются до 4 °С, становятся более плотными и начинают опускаться вглубь. Процесс перемешивания приводит к осенней гомотермии. Далее поверхностные воды охлаждаются ниже 4 °С, становятся менее плотными и остаются на поверхности. Осеняя циркуляция заканчивается, в водоеме вновь наблюдается температурная дихотомия и наступает зимняя стагнация.В периоды стагнаций четко выделяются три слоя: верхний (эпилимнион) с наиболее резкими сезонными колебаниями температуры воды, средний (металимнион или термоклин), в котором происходит резкий скачок температур, и придонный (гиполимнион), в котором температура в течение года изменяется слабо. В периоды стагнаций в толще воды образуется дефицит кислорода – летом в придонной части, а зимой и в верхней, вследствие чего в зимний период нередко происходят заморы рыбы.

По термическим особенностям различают озера:

1) Холодные мономикстные – с полной циркуляцией летом (полярные и субполярные озера).

2) Димикстные – с полной циркуляцией осенью и весной (озера умеренных широт).

3) Теплые мономикстные с полной циркуляцией зимой (субтропические озера).

4) Олигомикстные – с редкими полными циркуляциями, не закономерно следующих друг за другом через разные промежутки времени (часть тропических озер).

5) Теплые полимикстные – с частыми полными циркуляциями (часть тропических озер).

6) Холодные полимикстные – с почти постоянной полной циркуляцией (тропические высокогорные озера).

В реках, в связи с высокой перемешиваемостью, температура меняется довольно быстро, и ее распределение сходно как по вертикали, так и поперек русла.

 

Свет

 

Является обязательным условием существования автотрофных растений, для животных имеет преимущественно сигнальное значение. В отдельных случаях свет влияет на выработку витаминов, на окраску гидробионтов и др.

Основным источником света в воде является падающая на ее поверхность солнечная радиация. Некоторая часть световой энергии частично отражается поверхностью воды, остальная часть проникает в глубину, где поглощается и рассеивается молекулами воды, а также находящимися в ней частицами. При отвесном падении радиации она отра­жается на 2 %, с уменьшением угла падения до 30° – на 25 %, до 5° – на 40 %. Если гладкость водной поверхности наруша­ется (волнения), степень отражения падающей радиации заметно возрастает.

Параллельно поглощению света в толще воды происходит его рассеивание, т. е. отклонение лучей во все стороны от первоначаль­ного направления молекулами воды и другими частицами.

Скорость затухания света зависит от свойств воды и выражается коэффициентом поглощения (отношение энергии, задержанной слоем воды толщиной 1 м ко всей проникшей в него энергии). Коэффициент поглощения (К) тем выше, чем ниже прозрачность воды (П) и интенсивнее ее окраска:

 

К =1,7/ П

 

В озерах и водохранилищах с прозрачностью 1-2 м на глуби­ну 1 м проникает не более 5-10 % энергии всей поступившей ра­диации, глубже 2 м от нее остаются только десятые доли процента, что составляет 0,003-0,01 кал/см²·мин. В больших чис­тых озерах и морях с прозрачностью 10-20 м солнечная радиация проникает глубже и обычно равна в 10 м от поверхности 0,05-0,1 кал/см²·мин, в 20 м – 0,01-0,02 и в 30 м – 0,0005-0,001 кал/см²·мин.

Лучи разных частей спектра поглощаются в воде неодинаково, вначале поглощаются красные лучи. С глубиной становится все темнее, и цвет воды становится вначале зеленым, затем голубым, синим и в конце – сине-фиолетовым, переходя в полный мрак.

В связи с угасанием солнечного света с продвижением в глубь водоемов в них различают 3 зоны. Верхняя зона, где освещенность, достаточная для обеспечения фотосинтеза растений, носит название эвфотической, далее простирается сумеречная, или дисфотическая, зона и еще глубже – афотuческая,куда дневной свет не прони­кает.