5.4 Сейши и явление термического бара
Сейшами называют стоячие свободные волны, возникающие под влиянием резких нарушений равновесия вод. Основными причинами возникновения сейши в озерах могут быть сгонно-нагонные явления, обильное выпадение осадков в одном из заливов или частей озера, которые создают наклон уровенной поверхности и стремление восстановить нарушенное равновесие. При сейшах отсутствует поступательное движение в виде волны, а возникают лишь вертикальные колебания, при которых в одном месте происходит подъем, а в другм – опускание уровня. При этом между этими частями возникает линия, вдоль которой не происходят колебания уровня, но существуют горизонтальные перемещения воды в виде течений. Линия называется узловой.
Первые сведения о сейшах были известны еще в 1730 г, когда инженер Дюиме указал на резкое понижение Женевского озера на 1,5 м в 1610 году. Во время сейши суда в гаванях сели на дно.
Первые сейши на озерах Беларуси были зафиксированы А.Г. Булавко, В.В. Дроздом на озере Нарочь и озере Сенно (1965). На озере Нарочь в период с 1 мая по 31 октября 1963 года было зарегистрировано 83 серии сейш. Продолжительность их колебания продолжалась от 1,5 часа до 3-5 суток, а высота достигала 25 см (рис.5.2).
Рис. 5.2. Колебания уровня воды во время сейши на озере Нарочь
Обычно высота сейши составляет несколько сантиметров, реже достигает десятки сантиметров, но в некоторых озерах они могут достигать высоты 2,0-2,5 м, наблюдаемые на озерах Эри, Женевское, Байкале.
Исследования колебательных движений уровня воды на озере Нарочь за период с 1995 по 2006 год практически доказали появление сейшевых колебаний на озере. Для озера Нарочь в «Описание действующих гидрологических постов на реках, ручьях, каналах, озерах, водохранилищах Беларуси по состоянию на 01.01.2004 год» указано на наличие сейшевых колебаний воды со средним периодом колебаний в 30 минут и амплитудой 25 мм.
Рис. 5.3. Совмещенные ленты самописцев на станции Нарочь и на посту р. Скема (с. Никольцы).
Анализ лент самописцев на постах Нарочи свидетельствует о преобладании на нем сейшевых колебаний уровня воды с максимальной амплитудой до 50 мм, вызванных колебаниями давления при незначительных скоростях ветра (2 м/с). Самописцы уровня воды на постах протоки Скема (с. Никольцы) и ОС Нарочь в июле 2004 г. зафиксировали синхронные сейши (рис. 5.3).
5.5. Течения
Течения в озерах можно разделить на ветровые, или дрейфовые, и гравитационные (градиентные). Течения могут быть поверхностными, глубинными и придонными, временными, периодическими и непериодическими.
Ветровые течения временные и непериодические могут возникать по всему озеро. Их скорость достигает 50 см/с. Как праило совпадают с направлением действия ветра. При подходе к берегу под воздействием силы Кориолиса могут перемещаться вдоль берега.
Ветровые градиентные (компенсационные) течения, временные непериодические. Возникают в глубинном или придонном слое и движутся в направлении, противоположном направлению ветра. Их скорости колеблются в пределах 10-20 см/с.
Волновые течения сопутствую дрейфовым, носят временный характер и действуют в области распространения ветровых волн, совпадают с ними по направлению (10-15 см/с).
Стоковые, или сточные течения действуют постоянно на участках впадения или истока рек, действуют преимущественно в приповерхностном слое и могут по скорости приближаться к скорости течения рек.
Плотностные течения носят временный непериодический характер и связаны с различиями в температуре и плотности водных масс. Менее плотные и теплые воды в поверхностном слое движутся в сторону более плотных и холодных, в глубинных слоях – наоборот. В период нагревания водоема течения направлены от периферии водоема к центру, в период охлаждения - наоборот. Форма перемещения прямолинейная, циркуляционная. В больших водоемах под действием силы Кориолиса могут образоваться круговые движения.
Сейшевые течения могут возникать и действовать от нескольких минут до нескольких десятков часов. В озерах они могут существовать непрерывно более месяца.
Основные течения (ветровые, волноприбойные) в прибрежной зоне действуют временно и имеют вдольбереговое направление и имеют скорость от 20-30 до 100-150 см/с. Действуя вдоль берега эти течения повторяют линию берега и отрываются иногда в сторону открытого водоема (отрывные вдольбереговые течения).
В малых озерах с продолжительностью водообмена до одного года развивается система стоковых течений. Примером стоковых течений может служить система циркуляции вод в высокопроточном оз. Ильменок. В зависимости от сезона ручьевые воды поступают в озеро со скоростью 0,12 до 0,60м/с. В водной массе озера ручьевые массы движутся к горизонту своей плотности. Так, в летний период речная вода с температурой 10-200 С распространяется в слое температурного скачка в стратифицированных водоемах и у дна слабо стратифицированных. При средних годовых расходах воды 0.15 м3/с на скорость движения озерной воды влияет поступление поверхностных вод. В летний период этот фактор сказывается в месте впадения притоков до 10 м от устьев ручьев, а в периоды весеннего половодья и осенних паводков на расстоянии до 150 м. от устьев ручьев. В зимний период проточные воды движутся в верхних слоях подо льдом со скоростью 0.01-0,02 м/с.
В проточных и слабопроточных водоемах развивается система циркуляционных плотностных течений с малыми скоростями. При этом, в малых озерах преобладает циклональный перенос водных масс. Система циркуляции вод озер Медведно и Потех может являться примером интегральных плотностных течений в малых водоемах реки Зап. Двины. Скорость развития ветровых течений определяется рядом факторов – скоростью и продолжительностью действия ветра, длиной разгона волн, ориентацией котловины по отношению к преобладающему направлению действия ветров. По нашим наблюдениям в водоемах с длиной разгона ветра не менее одного километра системы ветровых течений формируется при скоростях ветра 4 м/с и более. Однако, для рассматриваемой территории среднемесячная скорость ветра в летний период составляет менее 4 м/с, следовательно ветровые течения не являются основными в горизонтальном переносе водных масс малых озер в этот период.
В малых озерах движения воды в безледный период в первую очередь представлена вертикальным перемешиванием в связи с динамическим воздействием ветра. Глубина и интенсивность ветрового воздействия на водную массу обусловлено морфологическими особенностями котловины, наибольшая интенсивность вертикального перемешивания отличается в мелководных водоемах с максимальными глубинами до 5 метров. В более глубоководных водоемах формирующаяся стратификация водной толщи ограничивает динамическое воздействие ветра верхними слоями воды. Сдерживающим фактором интенсивности вертикального перемешивания водных масс водоема является также обильное грунтовое питание, значительная минерализация воды придонных слоев (более 250 мг/л), создающая плотностной химический барьер и ограничивающая вертикальное перемешивание вод, что отмечалось на пример малых эфтрофных озер. Поверхностный приток с водосбора увеличивает интенсивность горизонтальных и вертикальных перемещений водной массы водоема. Например, в высокопроточном оз. Ильменок интенсивность вертикального перемешивания в области распространения ручьевых вод в три раза выше по сравнению с остальной акваторией озера.
Одной из характеристик вертикального перемешивания является скорость поступления тепла, которая определяется с помощью коэффициента турбулентной теплопроводности (Кz,). Скорость поступления тепла в водной толщи в летний период пропорционально связано с интенсивностью внутреннего водообмена. В стратифицированных озерах в летний период внутренним водообменом охвачена верхняя толща водной массы – вертикальный водообмен между поверхностными придонными слоями ограничен. Соответсвенно, скорость поступления тепла является наибольшей в верхних слоях воды. Например. В озерах Волосо Южный и Северный (системы р. Друйка) в эпилимнионе з начение Кz, достигает 16 см2/с, резко уменьшается в слое температурного скачка и близко к нулю в гиполинионе. Напротив, в водоемах с геометрической формой котловины, близкой к параболоиду и элипсоиду, в которых внутренний водообмен происходит по всей водной толще, как например, в оз. Нарочь, Дривяты, распределение тепла в водной массе происходит в целом равномерно со скоростью до 6 см2/с. абсолютные значения коэффициента теплопроводности в стратифицированных озерах выше, чем в слабо стратифицированных. Т.к. в хорошо перемешиваемых водоемах значительное количество поступающего тепла расходуется на теплообмен с атмосферой, донными отложениями.
Важное экологическое значение для малых озер имеет длительность вертикального перемешивания их водных масс. Под длительностью вертикального перемешивания мы понимаем период, в течении которого происходит полное перемешивание массы воды и выравнивание температуры по глубине без поступления и потерь тепла, вызванных динамическим воздействием ветра, эпизодической конвекцией. В малых озерах после установления ледового покрова (декабрь) формирующаяся зимняя стратификация ограничивает вертикальное перемешивание водных масс, их стабильность постепенно увеличивается к концу ледостава составляет 2-3 г*см/см2. короткий период весенней гомотермии (апрель) с лобильными водными массами (нулевая стабильность) сменяется периодом общего уменьшения интенсивности вертикального перемешивания и нарастания значений стабильности с максимумом в июле в среднем до 22,2 г*см/см2. В слабо стратифицированных водоемах достигает 267 г*см/см2. В водоемах с ярко выраженным металимнионным слоем с августа при постепенном выхолаживании вод эпилимниона вертикальное перемешивание постепенно увеличивается. С октября по середину ноября стабильность водных масс близка к нулю. Из анализа сезонного хода вертикального перемешивания вытекает, что для слабо стратифицированых летом малых озер период полного вертикального перемешивания практически совпадает с безледным периодом (около 200 суток в году). В стратифицированных водоемах с ярко выраженным металимниальнным слоем – ограничен весенний и осенней конвекциями, что в сумме составляет около ста суток.