Файл: Давыдов Л.К. Общая гидрология учебник.pdf

Передача тепла в глубь озера осуществляется по тем же физиче­ ским законам, что и в море (см. гл. 10). Основное различие в том, что при относительно малых объемах воды в озере в перемешива­ нии участвует вся или почти вся масса воды; водоем быстрее реаги­ рует на изменение погоды и в нем более отчетливо прослеживается смена сезонного нагревания или охлаждения воды.

Рис. 128. Годовой ход элементов теплового баланса рах Севан (а) и Ладожском (б) (по

/ _ поглощ енн ая р а д и а ц и я, 2 — эф ф екти вное и злучение, 3 — теп ла,

Интенсивность прогревания озер с разными морфологическими особенностями, в частности глубинами, в одних и тех же климати­ ческих условиях различна. В озерах с большими глубинами сред­ няя температура за летний период значительно ниже, чем в мелко­ водных (табл. 28).

В любом водоеме плотность воды с глубиной увеличивается. Во­ доем в этом случае находится в состоянии устойчивой стратифика­ ции (слоистости). В пресных озерах плотность зависит от темпера­ туры. Вследствие температурных изменений возможно увеличение плотности поверхностных и уменьшение плотности глубинных слоев. Такая плотностная стратификация неустойчивая. Обычно она на­ блюдается в озерах умеренной зоны в переходные периоды — вес­ ной при нагревании воды от 0 до 4° С (температура наибольшей

к к а л/itw2мес)

на границе вода—воздух и температуры воды в озе- Б. Д. Зайкову и Н. П. Смирновой).

теплообм ен с воздухом , 4 — испарение, 5 — изм енение зап асов € — тем пература.

плотности) и осенью при охлаждении воды в озере до 4° С. В этих условиях передача тепла в водоеме может осуществляться за счет конвективного перемешивания — вертикальной циркуляции. Более плотные слои воды при нагревании весной и охлаждении осенью опускаются в глубину, вытесняя менее плотные. При достижении

во всей толще воды в озере температуры 4° С и дальнейшем нагре­ вании (или охлаждении) его поверхностных слоев конвекция пре­ кращается.

Частичная циркуляция может возникнуть в сравнительно тонком слое воды в озере в любом случае, нарушающем устойчивое рас­ пределение плотностей, например летом вблизи поверхности при испарении, при ночном охлаждении, зимой в придонных слоях вследствие поступления теплых грунтовых вод.

Динамическое перемешивание, вызванное ветрами и течениями, способствует передаче тепла в глубь водоема и выравниванию тем­ пературы при любой стратификации. Под влиянием динамического

t°C

Рис. 129. Годовой ход температуры на различных глу­ бинах оз. Байкал (по В. И. Верболову).

Таблица 28

Изменение средней температуры воды

возерах северо-западной части СССР

взависимости от средних глубин озера (по П. Ф. Домрачеву)

перемешивания в замерзающих озерах (не очень глубоких) темпе­ ратура придонных слоев в озере летом выше температуры наиболь­ шей плотности и ниже ее перед замерзанием.

Известно, что обмен теплом в процессе перемешивания между отдельными слоями воды пропорционален коэффициенту турбулент-

илетнего нагревания и осеннего и зимнего охлаждения. Продол­ жительность периодов и моменты их наступления зависят не только от времени года и географического положения озера. В значитель­ ной степени они также обусловлены объемом массы воды в озере

иморфологическими особенностями его котловины.

Период весеннего нагревания начинается с момента устойчивого преобладания притока тепла в озеро в течение суток над его поте­ рями. Это происходит обычно перед вскрытием озера при усилении солнечной радиации, проникающей через лед. В эту раннюю фазу весеннего нагревания наблюдается, как и зимой, обратная страти­ фикация (температура от поверхности ко дну повышается). При подледном нагревании верхних слоев воды на десятые доли градуса выше 0° С начинается частичная циркуляция, постепенно переходя­ щая в полную после вскрытия озера и таяния льда. Наступает со­ стояние гомотермии. Весь слой воды принимает температуру, рав­ ную температуре придонных слоев. В дальнейшем прогревание про­ исходит при гомотермии. Заканчивается период весеннего нагревания к моменту достижения температуры наибольшей плот­ ности (4° С) во всем озере. В этот период большая роль в передаче тепла с поверхности в глубину принадлежит динамическому пере­ мешиванию. Длительность периода весеннего нагревания в неболь­ ших озерах невелика — несколько дней после вскрытия. В глубоких озерах, например Телецком, 270-метровая толща прогревается до июля; в среднем к 15 июля заканчивается период весеннего на­ гревания в Ладожском озере.

Период летнего нагревания начинается с момента возникновения прямой стратификации (температура уменьшается с глубиной) во всем озере. По мере нагревания озера в условиях прямой (устой­ чивой) стратификации разность температур и плотностей воды между поверхностными и глубинными слоями, особенно в безвет­ ренную погоду, резко возрастает. Конвекция, возникающая при ночном охлаждении, выравнивает температуру лишь в сравни­ тельно тонком поверхностном слое. В результате в верхнем, прогре­ том слое воды устанавливается более или менее одинаковая темпе­ ратура. В нижних глубинных слоях сохраняются холодные «весен­ ние» воды с плавным изменением температуры. Между теплым и холодным слоями возникает промежуточный, сравнительно тон­

на три хорошо выраженные термические зоны (эпилимнион, металимнион и гиполимнион) в период летнего нагревания характерно для многих озер (рис. 131).

Слой температурного скачка в различных озерах располагается на разных глубинах. В озерах, не защищенных от действия ветра, слой температурного скачка расположен глубже. В неглубоких, хо­ рошо прогреваемых озерах он либо вовсе отсутствует, либо слабо

выражен. Слой температурного скачка исчезает при сильных вет­ рах, вызывающих смешение вод верхнего слоя с водами гиполимниона, а в штилевую погоду может появиться вновь. Иногда при не­ устойчивой погоде (резкой смене тепла и холода, чередовании'штилевой и ветреной погоды) может возникнуть второй и третий слой температурного скачка. К концу лета слой скачка погружается и осенью исчезает, уступая место плавному падению температуры с глубиной.

Период осеннего охлаждения начинается со времени устойчи­ вого преобладания в течение суток теплоотдачи водной поверхно­ стью озера над поступлением тепла к ней. Обычно в озерах умерен­ ных широт это время приходится на август. Первоначально охлаж­ дение происходит в условиях прямой стратификации. Разность температур и плотностей между зонами эпилимниона и гиполимниона постепенно уменьшается. Этому способствует не только охлаждение поверхностных слоев, но и усиливающееся конвектив-

20/ѵи Ш г

ное и ветровое перемешивание, выравнивающее температуру по вер­ тикали. Устанавливается осенняя гомотермия. Она может возникнуть при разных температурах в зависимости от температуры воды в зоне гиполимниона, морфометрических особенностей котловины озера и силы ветра. В мелководных, открытых действию ветра во­ доемах гомотермия устанавливается раньше и при более высоких температурах, чем в глубоких. Дальнейшее охлаждение происходит при гомотермии. Окончанием периода осеннего охлаждения счи­ тают время установления температуры наибольшей плотности во всей толще озера. Происходит это в разные сроки в зависимости от глубины озера, количества накопленного за лето тепла, напри­ мер в озерах Ладожском и Севан к концу декабря.

Период зимнего охлаждения начинается с момента установле­ ния обратной термической стратификации. В начале этого периода, до замерзания, в больших по площади, но мелководных озерах охлаждение всей водной массы происходит очень интенсивно, чему способствует ветровое перемешивание. Запасы тепла в таких озе­ рах быстро истощаются и водоемы замерзают при очень низкой температуре всей воды в озере (например, оз. Ильмень).