Хвилювання на озерах

Один із найпоширеніших видів коливального руху води є хвилювання, яке виникає під впливом вітру. За зовнішньою формою хвилі зазвичай бувають тримірні та двомірні. Неправильні, тримірні хвилі (добре виражений фронт хвилі відсутній) більш стрімкі, ніж на морі. Правильні або двомірніхвилі, які з’являються на воді під час слабкого вітру з незначним періодом і дуже малими розмірами. Це – капілярні хвилі, або брижі. В усіх наступних стадіях розвитку вітрові хвилі є гравітаційними. Хвилі, які поширюються на водній поверхні за інерцією (після закінчення вітру або ті, що виходять із зони його впливу), називаються хвилями зябі. Зяб на озерах спостерігається рідко, переважно на великих озерах (на Ладозькому, Іссик-Кульському).

Крутість хвилі – це відношення висоти хвилі до її довжини. Довжина хвилі – це відстань між двома вершинами або двома улоговинами. Висота хвилі – це різниця між двома вершинами або улоговинами. Навітряний схил хвилі крутіший, ніж підвітряний.

Висота хвилі на озерах менша, ніж на морях та океанах. Максимальна висота хвилі на великих озерах досягає 3–4 м, іноді – 5–6 м (оз. Мічиган – 6.9 м, Ладозьке – 5.8 м). Хвилі на озері круті.

Глибина поширення хвиль від вітру на озерах обмежується кількома метрами, а на великих озерах досягає 20 м. Так, наприклад, на оз. Байкал хвилі поширюються до глибини 8–10 м, а на Женевському озері – до 9 м.

Під дією вітру виникають згінно-нагінні коливання рівнів. На малих озерах вони невеликі і займають обмежені площі. На великих озерах (Байкал, Онезьке, Аральське, Каспійське) коливання рівнів при згонах і нагонах досягають декількох десятків сантиметрів, а інколи більше метра.

Сейші – це також коливальні рухи води. Сейші – це стоячі хвилі на водоймах. Вони виникають при згонах і нагонах, при різкій зміні атмосферного тиску в окремих частинах озера, при сейсмічних рухах. При сейшах відбуваються коливальні рухи усієї маси води, причому поверхня водойми набуває похилу то в один, то в інший бік. Нерухома вісь, відносно якої коливається водна поверхня, називається вузлом сейші. Залежно від кількості вузлів сейші бувають одновузлові та багато вузлові (рис. 18). На відміну від вузлів, на озері є кілька точок, де рівень досягає максимального значення. Це пучності. Амплітуда, період і довжина сейші неоднакова для різних озер і залежить від розмірів озера, його довжини та глибини. В невеликих за площею і довжиною, але глибоких озерах коливання відбуваються швидко, тому і період сейші короткий, а в таких самих озерах, але мілких, період сейші подовжується. Амплітуда сейші змінюється від кількох сантиметрів до метра і більше. Так, на Каспійському, Аральському морях відомі сейші заввишки до 1 м; на Байкалі – 5–7 см, іноді – 14 см, а період їх – близько 5 годин.

Рис. 18. Одновузлові (а) та двохвузлові (б) сейші

Течії в озерах

Основними причинами течій в озерах є: вітер; стік річок, що впадають в озеро; нерівномірний розподіл температури і мінералізації води, а також атмосферного тиску.

Стокові течії (гравітаційні) виникають під впливом притоку річкових вод в озеро чи відтоку озерних вод у річку, що витікає з озера. В обох випадках утворюється похил водної поверхні в озері, внаслідок чого і відбувається рух води.

Стокові течії на великих озерах простежуються на різних відстанях від гирла або витоку річок залежно від швидкості їхньої течії і витрат води. Так, за даними Г. Ю. Верещагіна, стокові течії у районі витоку Ангари відзначаються в Байкалі лише за 3 км, а води Селенги формують течії тільки влітку і на відстані 30 км від гирла.

Вітрові течії в озерах відзначаються значною несталістю. Це є наслідком мінливості вітрового режиму (напрямку і швидкості вітру) та впливу на течії індивідуальних особливостей самого озера (розмірів озерної улоговини, конфігурації берегів, рельєфу дна). Швидкість вітрових течій в озері вимірюється сантиметрами чи дециметрами за секунду.

Коло берегів вітрові течії викликають підйоми або зниження рівнів залежно від напрямку вітру по відношенню до берега. При цьому виникає похил рівня озера, що призводить до зміни градієнта гідростатичного тиску на різних його ділянках і до виникнення глибинної компенсаційні течії, яка сприяє збереженню рівноваги води в озері. Одночасно поверхнева вітрова течія сповільнюється: у великих озерах біля довгих прямолінійних берегів компенсаційна течія має напрямок уздовж берега, а в малих озерах, бухтах, звуженнях – зворотний напрямок по відношенню до вітрової течії. Під час тривалого вітру одного напрямку в невеликих озерах уся вода може брати участь у круговому русі – виникає вертикальна вітрова циркуляція. Крім вітрової циркуляції, для всіх озер властива об’ємна циркуляція, яка зумовлена різницею густини води в різних ділянках озера.

Вітер створює також хвильові течії, які збігаються з напрямком поширення хвиль.

Якщо напрямок стокових і вітрових течій збігається, то утворюються тимчасові або постійні течії, що проходять по всьому озеру (наприклад, в озерах Байкал і Балхаш).

Густинні течії можливі лише у великих озерах із чітко вираженою горизонтальною температурною неоднорідністю. В цих умовах виникають горизонтальні градієнти густини, які є причиною перемішування води, тобто сприяють появі густинної циркуляції. Так, у Ладозькому озері виявлена циклональна циркуляція, яка охоплює майже усе озеро, за винятком південної мілководної частини, де температура на акваторії змінюється мало. Максимальні поверхневі швидкості цієї течії близько 25–30 см/с (Ладозьке озеро), на Байкалі 0.50 см/с. З глибиною швидкість зменшується, і на глибині 50 м течія практично відсутня. Зміни рівня, що обумовлені змінами атмосферного тиску, викликають бароградієнтні течії.

Перемішування в озерах

Фізичними причинами вертикального перемішування води в озерах є різниця густини води, що викликає конвекційне перемішування.

Конвекційне перемішування (або вертикальна циркуляція води) спричинене різницею густини води на різних глибинах. Воно можливе лише при певному поєднанні температур у поверхневих і глибинних шарах. У прісних озерах нагрівання глибинних шарів внаслідок конвекції відбувається лише тоді, коли початкова температура у водоймі нижча 4 ºС (температура найбільшої густини). За цих умов поверхневі шари, нагріваючись до 4 ºС, як більш густі, спускаються у глибину, а на їх місце піднімаються більш холодні частки води. При досягненні температури води 4 ºС у всій товщі і подальшому прогріванні водойми з поверхні тепло зосереджується у верхніх шарах, і конвекція у глибинних шарах, які мають температуру 4 ºС, припиняється. Якби тепло в глибину водойми передавалося лише завдяки конвекції, то в глибинних шарах протягом року зберігалася б температура 4 ºС або близька до неї. Отже, конвекційна циркуляція сприяє переносу тепла в озері і вирівнюванню температури при сталій стратифікації.

Динамічне перемішування виникає під дією вітру (хвилювання, вітрові течії). Динамічне перемішування сприяє передачі тепла в глибину водойми і вирівнюванню температури при будь-якій стратифікації. Під впливом динамічного перемішування температура придонних шарів у озері може бути вища від 4 ºС (влітку) і нижча (взимку). У мілких озерах вітрове перемішування поширюється до дна, а у глибоких – перемішуванню глибинних шарів сприяють компенсаційні течії, які виникають при згонах і нагонах.