Образование льда в пресной воде - Образование льда - Физико-географическая характеристика Мирового океана - Биогеография бентали Мирового океана

Нагретая солнцем вода поверхности водоёма имеет плотность ниже воды, расположенной глубже. Это различие плотности препятствует вертикальной циркуляции. Для того, чтобы она развилась, необходимо, чтобы плотность поверхностной воды снизилась до плотности воды, её подстилающей. В пресных водоёмах плотность воды нелинейно зависит от функция температуры (Рис. 5.19). Пресная (вернее — дистиллированная) вода имеет максимальную плотность при +4°С (точнее — +3,98°С). Почти дистиллированная вода в природе встречается только во влажном тропическом лесу, обычно же пресная вода содержит некоторое количество солей и температура её наибольшей плотности поэтому всегда немного меньше 4°С. При понижении температуры воды ниже 4°С плотность воды опять уменьшается. Следовательно, придонные слои не могут иметь температуру ниже 4°С (по крайней мере до тех пор, пока вышележащие не замерзнут).

Рис. 5.19. Зависимость плотности дистиллированной воды от температуры (по McCutcheon et al., 1993).

Поскольку основной источник тепла — Солнце, то 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. 5.20):

1. Осенью плотность воды возрастает из-за снижения поверхностной температуры и становится больше плотности нагревшихся за лето нижележащих слоёв. 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 воды) и гиполимнион (придонный, с более плотной водой). Различие в плотности воды препятствует перемешиванию воды.

Рис. 5.20. Вертикальная циркуляция в пресных водоёмах высоких и умеренных широт (объяснение в тексте).

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 освещённости подо льдом и низкой температуры) поступление кислорода от фотосинтеза не компенсирует его потребление. И при отсутствии иных источников кислорода при достаточно высоком потреблении кислорода (обычно за счёт бактериального окисления органики грунта) и малом объёме гиполимниона 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 большую 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 (неодинаковой в разных водоёмах) возможно потребление кислорода 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. 1.28). 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 — и населения поселков, попавших в зону сероводородного заражения.

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

В водоёмах с высокой турбулентностью изменение температуры воды по глубине может иметь иной вид, в частности может происходить её переохлаждение (понижение ее температуры замерзания по отношению к 0°С). В реках оно может достигать -1°С. Переохлаждение наблюдается также в озерах и морях, где оно впервые и было обнаружено еще в XVIII в. в виде так называемого якорного льда на опущенных на дно якорях.