Температурный режим и ледовые явления на озерах.

Уравнение теплового баланса озера:

,

где Θ_c – солнечная радиация (прямая и рассеянная), Θ_лед и Θ_конд – выделение тепла при ледообразовании и конденсации соответственно, Θ_пр – поступление тепла с притекающими поверхностными и подземными водами, Θ_атм и Θ_гр – приход или расход тепла в результате теплообмена с атмосферой и донными грунтами, I – эффективное излучение с поверхности воды, Θ_исп и Θ_пл – расход тепла соответственно на испарение и плавление (таяние) льда, Θ_ст – расход тепла с речными и подземными водами, уходящими из озера, – изменение тепла в озере. ρ , где c_р – удельная теплоемкость воды, ρ – плотность воды, V_оз – объем озера, – изменение средней температуры озера.

Составляющие теплового баланса выражаются в джоулях или калориях.

Для большинства озер основные составляющие теплового баланса – Θ_c, Θ_исп и Θ_атм. Они вызывают изменение температуры на поверхности озера. Передача тепла по вертикали происходит в результате перемешивания вод.

В температурном режиме озера в умеренном климате выделяются 4 периода.

Период весеннего нагревания наступает, когда температура подо льдом под влиянием солнечной радиации начинает повышаться. В начале периода наблюдается обратная температурная стратификация, которая характеризуется увеличением температуры с глубиной. У поверхности ее значения близки к 0˚С, в придонном слое 2-3˚, а в наиболее глубоких озерах 4˚, т.е. наблюдается устойчивое состояние, когда плотность увеличивается от верхних слоев к нижним. После освобождения озера от льда температура воды в поверхностном слое начинает расти. Когда она становится выше, чем в нижележащих слоях, происходит конвективное перемешивание. В результате по всей глубине температура становится одинаковой и равной ее придонным значениям в начале периода. Наступает состояние весенней гомотермии, которое продолжается до значения Т = 4˚С.

С указанного момента начинается период летнего нагревания. При нагревании поверхностных слоев выше 4˚С конвективное перемешивание происходит только во время их ночного охлаждения. Динамическое перемешивание у неглубоких озер в начале периода, когда разница температур, а, следовательно, и плотности воды в поверхностном и придонном слоях невелика, охватывает всю толщу воды. При увеличении разницы плотностей вследствие более быстрого нарастания температуры воды у поверхности влияние динамического перемешивания ограничивается только верхним слоем. Наблюдается прямая термическая стратификация, т.е. уменьшение температуры воды по глубине. При этом формируется три характерных слоя: 1) эпилимнион с наиболее высокой температурой, мало изменяющейся по глубине; 2) металимнион (или слой температурного скачка) с резким уменьшением температуры с глубиной; 3) гиполимнион – слой с относительно низкой температурой, слабо изменяющейся по глубине. В наиболее глубоких озерах температура в гиполимнионе близка к 4˚С.

С момента, когда приход тепла к поверхности озера становится меньше его расхода, начинается период осеннего охлаждения. Температура поверхностного слоя становится меньше, чем в нижележащих слоях, а плотность больше. Возникает конвективное перемешивание воды. Температура постепенно становится одинаковой по всей глубине и близкой по значению температуре в гиполимнионе летом. Возникает состояние осенней гомотермии, которое продолжается до установления Т = 4˚С.

После этого наступает период зимнего охлаждения. При уменьшении температуры в поверхностном слое ниже 4˚С конвективное перемешивание прекращается, но под влиянием динамического перемешивания температура нижних слоев обычно опускается несколько ниже 4˚С. Ветровое перемешивание прекращается с началом ледостава.

В других климатических поясах наблюдается иной температурный режим озер. В соответствии с температурным режимом выделяют три типа озер: 1) полярные (холодные) – температура не поднимается выше 4˚С, прямой температурной стратификации не возникает; 2) тропические (теплые) - температура не опускается ниже 4˚С, обратной температурной стратификации не возникает; 3) умеренного климата - наблюдаются периоды как с прямой, так и с обратной стратификацией.

Большинство ледовых явлений, свойственные рекам, наблюдаются и на озерах, но ледостав на них из-за волнения и большего запаса тепла наступает позже, вскрытие также позже из-за отсутствия динамического воздействия потока на лед. Движение льдин во время ледохода происходит в основном под влиянием ветра.