18 Билет 1 вопрос, 20 билет 2 вопрос
Основным источником поступления тепла в водоем является прямая солнечная радиация. Кроме этого, на нагревание воды влияют: теплота слоев воздуха, лежащих над зеркалом, теплоотдача берегов и котловины; теплота, освобождающаяся при образовании льда и конденсации водяных паров на поверхности воды; более высокая температура воды впадающих рек и подземного притока.
Потеря тепла происходит при излучении его в атмосферу. В значительно меньшей степени на охлаждение водоема влияют потери тепла при испарении воды и таянии льда, при впадении холодных притоков.
Соотношение приходной и расходной частей тепла называется тепловым балансом водоема. Для анализа термического режима водоема необходимо учитывать следующие термические свойства воды: чрезвычайно низкую теплопроводность, большую теплоемкость (поэтому водоемы представляют мощные аккумуляторы тепловой энергии, сохраняющие ее значительно дольше, чем почва); увеличение плотности при понижении температуры до 4ºС; дальнейшее понижение температуры до точки замерзания снижает плотность, а с переходом воды в лед плотность резко падает.
Перераспределение тепла по глубине водоема происходит главным образом благодаря конвекции, течениям и волнениям.
К о н в е к ц и е й называется вертикальное перемещение частиц из=за их различной плотности. Конвекция – основная причина неравномерного распределения температуры воды по глубине. В этом отношении выделяются два основных случая.
Если температура всей массы водоема от поверхности до дна выше 4ºС, у поверхности располагаются самое теплые слои воды, а ниже все более и более холодные, имеющие большую плотность, т.е. с глубиной температура воды постепенно понижается. Такое явление называется прямой термической классификацией
Если температура всей массы воды находится в пределах 0 – 4ºС, у поверхности располагаются слои с более низкой температурой, а ниже в соответствии с изменением плотности – слои с постепенно увеличивающейся температурой, все более приближающейся к 4ºС. Такое возрастание температуры воды с глубиной называется обратной термической классификацией
Конвективное перемещение прекращается, когда во всей массе воды устанавливается постоянная температура (в неглубоких озерах 4ºС). Такое состояние в водоеме называется гомотермией. Оно характерно для переходных периодов термического режима – весны и осени.
Прямая стратификация наблюдается в теплое время года и усиливается при нагревании воды. При этом энергии ветра оказывается недостаточно для полного перемешивания воды и в водоеме образуются три вертикальные термические зоны: верхняя – эпилимнион– отличается высокой температурой, изменяющейся по глубине весьма незначительно благодаря ветровому перемешиванию; средняя – м е т а л и м н и о н или слой температурного скачка (рис. 14.2, зона II) – характеризуется резким понижением температуры на небольшом изменении глубины (от нескольких дециметров до нескольких метров); нижняя – г и п о л и м н и о н ((рис. 14.2, зона III) – отличается плавным и незначительным понижением температуры с глубиной.
В вышеназванных термических зонах резко различны химический, газовый и биологический режимы. Металимнион из-за значительных градиентов плотности является преградой для перемешивания частиц и переноса кислорода в гиполимнион, в связи с чем в последнем, особенно при наличии мощных донных отложений, богатых органическим веществом, происходит интенсивное потребление имеющегося кислорода и образуется его дефицит. При штормовых ветрах и сильном волнении перемешивается значительная толща воды, слой скачка перемещается глубже, а при небольших глубинах может совсем ликвидироваться.
Термическая структура водоема (распределение тепла во всем его объеме) отличается неоднородностью и в течение каждого гидрологического сезона характеризуется сочетанием вертикальной изотермии (одинаковой температуры) с горизонтальной неоднородностью температуры или горизонтальной изотермии с вертикальной неоднородностью. В начале каждого гидрологического сезона характерная для него термическая структура формируется сначала в прибрежной мелководной части водоема, в то время как структура предыдущего сезона еще сохраняется в глубоководных районах. На границах последних возникают так называемые «термические бары» – вертикальные или наклонные слои с температурой, резко отличной от температуры прибрежных вод, и с вертикальной циркуляцией частиц воды. Термобар делит водоем на темплоактивную прибрежную область, где вода быстро нагревается весной или охлаждается осенью, и теплоинертную область открытой глубокой части водоема, где еще некоторое время сохраняется термоструктура предыдущего сезона.
При охлаждении поверхности водоема верхние слои становятся более тяжелыми и опускаются вниз, происходит перемешивание слоев, стратификация нарушается. При длительном охлаждении вся вода принимает однородную температуру наибольшей плотности (гипотермия). Дальнейшее охлаждение уже не вызывает опускания верхних слоев, и стратификация переходит в обратную. Такой переход совершается обычно осенью перед замерзанием водоема. Таким образом, прямая стратификация устойчива при нагревании воды, обратная – при охлаждении.
З а м е р з а н и е водоемов происходит следующим образом. При похолодании, когда температура на поверхности падает ниже 4ºС, в водоеме устанавливается обратная стратификация. Далее поверхностный слой охлаждается до 0ºС, переохлаждается и превращается в лед. При этом на малых водоемах с незначительным остаточным теплозапасом и слабым перемешиванием (в отсутствие ветра) замерзание обычно происходит одновременно по всей акватории и может завершиться в течение суток. На крупных глубоких озерах, благодаря значительному запасу тепла, сложному строению котловин и интенсивному перемешиванию, период от возникновения первых ледяных образований до сплошного ледостава может доходить до двух-трех месяцев, а в теплые зимы центральные районы многих из них не замерзают.
При сильном ветре образование льда на самой поверхности из-за волнения становится невозможным, но переохлаждение воды распространяется на некоторую глубину и способствует образованию внутриводного льда. В этом случае замерзание водоема происходит аналогично замерзанию реки.