Образование льда Вертикальная циркуляция и образование льда в пресной воде

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.

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 придонные слои не могут иметь температуру ниже 4°С (по крайней мере до тех пор, пока вышележащие не замерзнут).

Поскольку основной источник тепла — Солнце, 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 слоев. 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 результате формируется термоклин, разделяющий эпилимнион (поверхностный слой во-

Рис. 1.18. Вертикальная циркуляция в пресных водоёмах высоких и умеренных широт

(объяснение в тексте).

ды) 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 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 булыпую глубину и в пределе вместо водоёма возникает ледник.

С продвижением в более низкие широты зима становится короче, уменьшается и период зимней стратификации. При очень короткой зиме периоды осенней и зимней гомотермии сливаются в один. С дальнейшим ростом температуры воздуха и этот период гомотермии сокращается и в пределе исчезает. В результате перемешивание происходит только за счёт ветрового волнения и течений и не распространяется на большие глубины, где концентрация кислорода из-за поглощения биотой падает. Поэтому может возникнуть ситуация, когда потребление кислорода превосходит его приток в результате фотосинтеза и газообмена с атмосферой и поверхностным слоем. На достаточно большой глубине (разной в разных водоёмах), кислород может быть потреблён биотой полностью и в воде появляется сероводород. Такая ситуация имеет место, например, в крупных африканских озерах Ньяса и Танганьика. Это озера типа Байкала с глубинами 706 м и 1435 м, соответственно (рис. 4.21). В них, начиная с 100-300 м, вода постоянно насыщена сероводородом и лишена аэробной жизни. Более того, в результате спорадически возникающих подъёмов глубинной воды к поверхности в атмосферу попадает огромное количество сероводорода, приводящее к уничтожению жизни на большой площади суши, в том числе иногда — населения попавших в зону сероводородного заражения посёлков.

Итак, из-за того, что пресная вода имеет наибольшую плотность при температуре около 4°С (выше температуры замерзания) при понижении температуры воды ниже температуры максимальной плотности образуется повер- ностный менее плотный слой, при охлаждении которого до точки замерзания образуется лёд.

Рис. 1.19. Распреснённая линза.

1— глубина залегания изогалины 34%о в конце зимы (м); 2 — положение изогалины 34%о на поверхности летом; 3 — кромка льда в конце зимы. По В.Ф. Захарову (1978).