Распределение температуры воды на глубине (рейдовые вертикали)
Аномальное изменение плотности воды в интервале температур от 0°С до 4°С (таблица 2) обуславливает в озерах два типа слоистости водных масс: 1) с прямой и 2) обратной стратификацией температуры и с обязательным вертикальным перемешиванием воды в течение всего переходного периода от одной стратификации к другой.
Таблица 2 - Зависимость плотности воды от температуры [9]
Температура, t°C | 3,98 | |||||
Плотность, кг/м3 | 999,87 | 999,97 | 999,73 | 998,23 | 958,38 |
В интервале температур от 0°С до 4°С вода ведет себя аномально. В этом интервале с повышением температуры плотность воды увеличивается, а при температуре выше 4°С – уменьшается.
При охлаждении озер более плотные массы воды опускаются вниз, а на их место поднимаются теплые и менее плотные; происходит перемешивание слоев. Так продолжается до тех пор, пока навсей толще не установится температура максимальной плотности воды 3,98°С. Наступает осенняя гомотермия.
Дальнейшее охлаждение воды происходит только с поверхности. Ниже в соответствии с изменением плотности будут располагаться слои с последовательно увеличивающейся температурой, все более приближающейся к 3,98°С. Возникает обратная термическаястратификация. При продолжающемся понижении температуры воздуха верхние слои воды охлаждаются до 0°С и замерзают, но обратная термическая стратификация сохраняется подо льдом в течение всего холодного периода, так как она устойчива к охлаждению. Благодаря аномальному изменению плотности воды глубокие озера даже в суровые зимы не промерзают до дна, и подо льдом не прекращается жизнь.
|
|
С момента, когда приходная часть теплового баланса станет превышать расходную, начнут нагреваться поверхностные слои воды и как более плотные опускаться вниз, а на их место подниматься с глубины более холодные, но менее плотные. Конвективное перемешивание продолжается до тех пор, пока температура воды по всей толще озера не достигнет 4°С. Наступает весенняя гомотермия.
Дальнейшее нагревание поверхностных слоев приводит к повышению их температуры, но распространение тепла в глубину конвекцией уже не будет. Возникает прямая термическая стратификация, характеризующаяся убыванием температуры с глубиной и устойчивостью к нагреванию.
Факторы, обуславливающие распределение температуры воды на глубине и ее изменение во времени. обладают ясно выраженным годовым ходом. В связи с этим в годовом термическом цикле междуречных озер выделяются пять характерных периодов: 1) весенние нагревание; 2) летнее нагревание;3) осеннее охлаждение; 4) зимнее охлаждение и 5) зимнее нагревание на мелких и среднеглубоких озерах глубиной до 20 м (на более глубоких водоемах этот период может отсутствовать).
|
|
После разрушения ледяного покрова температура воды повышается, достигая летом максимума (27-29°С), а затем вновь понижается до момента образования ледостава. Скорость нагревания и охлаждения, а также абсолютное значение максимальной температуры будут различными в зависимости от гидрометеорологических условий и морфологических характеристик озерной котловины, но общий характер хода температуры воды в летний период для междуречных озер качественно одинаков.
Термический режим пойменных озер. Температурный режим пойменных озер, заливаемых вешними водами, характеризуется гомотермией в весенний период, что объясняется воздействием речных вод при температуре выше 4°С. Летом устанавливается прямая стратификация, причем масса воды в озерах хорошо прогревается. Некоторое понижение температуры в нижних слоях возникает при повышенном питании озер грунтовыми водами. Осенью вновь устанавливается гам отермия, которая зимой сменяется обратной стратификацией [9].
Рейдовая вертикаль. Вертикаль активна. Ее преодоление затруднительно. На пути вверх нас прочно удерживает земное тяготение. Вертикаль, уходящую в озерную или морскую глубину, невозможно представить – сознание заполнено видом водной поверхности. Движение по вертикали вниз опасно - на каждые 10 метров давление возрастает на одну атмосферу.Пустая стеклянная бутылка, заткнутая пробкой и опущенная (в носке) на 500-метровую глубину, возвращается на поверхность в виде кучки крупно-гравелистого песка (носок при этом остается цел). Экипажу атомохода «Курск» в августе 2000 года мы не смогли помочь на глубине 108 метров. И хотя глубины в Валдайском озере достигают только 57 метров, они, в сочетании со сравнительно небольшой площадью отдельных плесов, делают наше озеро похожим на маленькое глубокое море и являются причиной формирования устойчивого температурного расслоения воды или, как принято говорить устойчивой температурной стратификации [12].
|
|
Ледовый режим
Период зимнего режима озера наступает с момента, когда температура волы снижается до 0°С и на озере появляются первые ледовые образования. Появлению льда предшествует быстрое охлаждение воды при отрицательном тепловом балансе. Интенсивность потерь тепла с водной поверхности озер Воронежской области в предледоставное время в среднем равна 1200-2100 Дж/(см2сутки), но в отдельных случаях достигает даже 8370 Дж/(см2*сутки). Наибольшую часть этой суммы составляет теплоотдача в воздух (около 40%); на эффективное излучение расходуется примерно 25-30%, еще меньше затрачивается на испарение.
|
|
Замерзание озер. Формирование ледяного покрова и сроки начала ледостав зависят от теплозапаса озера, интенсивности теплоотдачи водной массы, связанной с ветром, с термическим состоянием атмосферы.
Ледовый режим озер несколько отличается от ледового режима рек. Охлаждение воды до 0°С раньше всего наступает на мелководных участках озера и у берегов. Здесь вдоль кромки берега появляются полосы тонкого (до 0,5 см) прозрачного примерзшего к берегам льда. Такие образования носят названия забереги. Нарастанию заберегов способствует более быстрое охлаждение грунта берега, нежели охлаждение в центре озера. Самое раннее появление заберегов на озерах рассматриваемого региона отмечено при резком похолодании в начале ноября 1980 года и предшествующему этому резкому похолоданию достаточно длительного холодного осеннего периода. Позже всего, в середине декабря, появились забереги в 1973 году.
Замерзание озер, особенно крупных, часто прерывается периодами, когда озеро совершенно освобождается от ледяного покрова. В отдельные годы (1972, 1973, 1984 и др.) во время резкого и глубокого похолодания на всей акватории подавляющего большинства озер области образовывался сплошной ледяной покров, но через 2-12 суток в результате повышения температуры воздуха и сильного ветра неокрепший ледяной покров разрушался.
От момента появления первых ледяных образований (заберегов) до ледостава часто проходит значительный промежуток времени (до 25-30 суток). В среднем за многолетний период ледостав на озерах рассматриваемого региона устанавливается в первой половине декабря. Наиболее ранние сроки образования ледостава отмечены в октябре, наиболее поздние – в январе.
На ряде малых и мелких озер с малым теплозапасом и малой тепловой инерцией бывают временные осенние ледоставы,сменяющиеся вскрытием и новым замерзанием [9].
По температурному режиму озера Валдайское и Ужин относятся к димиктическому типу – дважды в год происходит их полное перемешивание. Температурный ритм, определяемый климатообразующими факторами, задается с одной стороны продолжительностью ледостава, с другой – активностью формирования термоклина и глубиной его проникновения в летний период. Ледостав дополняют примыкающие к нему периоды осенних и весенних ледовых явлений, когда температура в озере изменяется в диапазоне О - 2°С, а распределение ее по вертикали имеет слабо выраженную обратную стратификацию (таблица 3).
Таблица 3 – Сроки наступления и продолжительность ледовых явлений по наблюдениям на Валдайском озере в период 1936-2001 гг.[11]
Явления | Дата начала осенних ледовых явлений | Дата наступления ледостава | Дата начала разрушения льда | Дата окончания ледостава | Дата очищения ото льда | Продолжительность периода | |||
осенних ледовых явлений | ледостава | весенних ледовых явлений | периода свободного ото льда | ||||||
Средняя | 17.11 | 6.12 | 16.04 | 28.04 | 2.05 | ||||
Ранняя (макс.) | 10.10. | 14.11. | 25.02. | 29.03. | 03.04. | ||||
Поздняя (мин.) | 01.01 | 02.01. | 06.05 | 24.05. | 25.05. | 4 года |
Толщина льда по наблюдениям на рейдовой вертикали первого плеса приведена в (таблице 4). Трещины в сплошном ледяном покрове явление часто встречающееся, но места их появлений неопределенны; сами трещины, как правило, опасности не представляют. Ненадежный ледовый покров в течение всего периода ледостава имеют пролив-копка у Монастырского острова и копка-пролив, соединяющая озера Валдайское и Ужин.
Вода на льду под снегом за период 1983 – 1997 гг. отмечалась в январе в 42% дней, в феврале – в 28%. За последние 5 лет указанного периода это явление отмечалось чаще: в январе – 62% дней, в феврале – 41%.
Подвижки льда начинаются на завершающей стадии весеннего половодья после всплытия льда. В отдельные годы имеют место навалы льда на берег, разрушение свайных причальных сооружений и экзарация береговой кромки.
Таблица 4 – Толщина льда на середине первого плеса Валдайского озера за период 1935-1977гг., см [13]
Характеристика | Январь | Февраль | ||||
1-я декада | 2-я декада | 3-я декада | 1-я декада | 2-я декада | 3-я декада | |
Число лет наблюдений | ||||||
Средняя толщина льда, см | ||||||
Наибольшая толщина льда, см/год | ||||||
Наименьшая толщина льда, см/год |
Весной, после схода льда, наступает короткий период весеннего конвективного перемешивания, длящийся несколько дней, когда температура водной массы одинакова по вертикали и быстро нарастает с 2° до 4°С. Осенью гомотермия длится несколько дольше – под действием конвективного перемешивания температура по всем горизонтам падает от 6 - 8°С (максимальный летний прогрев воды у дна на момент разрушения термоклина) до 4 - 2°С. Временные промежутки между моментами гомотермии определяют климатический температурный ритм водоема.
В летний период, по мере прогревания, формируется хорошо развитая температурная стратификация, которая в летнее время делит озеро на три слоя с разными условиями обитания. Верхний слой часто называют деятельным. В него свободно проникают кислород воздуха и солнечный cвeт. Beтровое волнение постоянно перемешивает его. В этом слое «изготавливается» первичная продукция озера. Ее производят водоросли, использующие солнечный свет, растворенные в воде соли азота, кремния, фосфора, микроэлементы и двуокись углерода. Деятельный слой невелик – около пяти метров. Ниже температура резко падает. Это зона слоя температурного скачка термоклина. Второй слой – пограничный. В его верхней части температурный градиент более 2°С/м, в отдельные периоды до 6°С/м. В нижней части - 0,5 - 2°С/м. Термоклин формируется в мае и разрушается в октябре. За это время его верхняя граница опускается с 2 - 3 метров до 13 метров на озере Ужин и до 20 - 24 метров - на первом и втором плесах озера Валдайского.
Ниже термоклина температуре меняется очень незначительно. В летнее время этот слой (по терминологии озероведов -гиполимнион) в значительной степени изолирован от деятельного слоя за счет скачка плотности в термоклине. Различие в глубине проникновения термоклина и в величинах придонной температуры на момент его разрушения, объясняется разной степенью открытости плесов для ветрового воздействия. Последнее подтверждает и расчет величин максимального теплозапаса. Для удобства он может быть представлен в виде средней температуры 30-ти метрового слоя. За сравнимый период 1987-2001 гг, средние температуры равнялась 13,5°, 14,3° и 11,8° для 1-го, 2-го и 3-го плесом соответственно.
За 50-ти летний период тренд максимальных теплозапасов по наблюдениям на рейдовой вертикали первого плеса, отрицательный. Это несходство с трендом среднегодовой температуры воздуха говорит о многофакторности условий, формирующих максимальный теплозапас в глубоком стратифицированном водоеме. Интересно отметить, что за этот же период тренд минимальных теплозапасов был положительный, что в какой-то мере отражает повышение температуры зимних месяцев.
Температура воды придонных горизонтов глубоких котловин в течение всей послеледниковой жизни озера меняется в узком интервале от 2° до 5-7°.
Температурные условия в прибрежной зоне характеризуются ежедневными наблюдениями по водпосту. Средние декадные и месячные величины температуры воды за весь период наблюдений (таблица 5 и 6). Максимальные температуры поверхности воды завесь период наблюдений отмечены 20 июля 2001 года – 28,6 ° и 26,6 °, для прибрежной и открытой частей озера соответственно. Обычное время максимумов последняя декада июля и первые дни августа [13].
Таблица 5 – Среднедекадные температуры воды оз. Валдайского по водпосту ВФ ГГИ за период 1936 – 2002гг., °С [13]
Декада | I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII |
0,01 | 0,2 | 5,4 | 13,3 | 17,8 | 18,4 | 14,6 | 8,5 | 3,4 | 0,5 | |||
0,01 | 0,6 | 8,1 | 15,4 | 18,7 | 17,7 | 12,5 | 6,5 | 2,4 | 0,1 | |||
0,01 | 3,0 | 11,1 | 16,9 | 18,9 | 16,3 | 10,6 | 5,5 | 1,1 | 0,03 |
Таблица 6 – Среднемесячные температуры воды оз. Валдайского по водпосту ВФ ГГИ за период 1936-2002 гг., °С [13]
I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII |
0,02 | 1,1 | 8,3 | 15,2 | 18,5 | 17,5 | 12,5 | 6,7 | 2,3 | 0,2 |
Дата добавления: 2015-12-19; просмотров: 63; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!