5.6.2. Температурный режим

Общие закономерности температурного режима озер отражают особенности умеренно континентального климата Беларуси. Условия нагревания и охлаждения, распределение тепла в водной толще тесно связаны с физическими свойствами пресной воды, которая отличается высокой теплоемкостью и очень малой теплопроводностью. Поэтому теплообмен осуществляется в основном за счет ветрового перемешивания и конвекции. Известно достаточно много термических классификаций озер мира, которые были основаны на принципе физико-географической зональности (Форель, 1892, 1912, др.), так и отражали особенности одной природной зоны (Анучин,1897; Захаренков, 1963; Тихомиров, 1982; Хомскис, 1969;, Якушко, 1961; Хатчинсон, 1957; и др.), или классификации, основанные на принципе учета и физико-географических условий и характера водообмена по вертикали (Хатчинсон, 1957; Lewis, 1983. И др..

Рис. 5.4. Термическая классификация озер ((Lewis,1983)

В зависимости от физико-географических условий природных зон, наличия циркуляций и стагнаций озера мира классифицировались с различной детализацией особенностей термического режима (табл. 5.7.).

Таблица 5.7.

Типизация озер мира в зависимости от физико-географических зон и числа полных периодов циркуляций озерных вод

Однако, в данных классификациях практически не учитывались малые и мелководные озера, в особенности умеренной зоны, которые доминируют в мире по количеству. Эти недостатки устраняет термическая классификация озер Lewis, 1983. Он предложил принимать во внимание только верхний слой, который в годовом цикле принимает наиболее активное перемешивание (рис. 5.4). Данная классификация сохраняет систему типов озер выделенных авторами Хатчинсон – Леффлер и дополнительно включает холодные олигомиктические и холодные полимиктические, к которым попадают и мелководные озера.

Для озер умеренной зоны приемлема термическая классификация А.И. Тихомирова, которая учитывает годовой ход температуры характер температурной стратификации озер летний период для глубоких озер. А.И. Тихомиров предложил различать озера эпитермические (мелководные), метатермические (среднеглубокие) и гипотермические (глубокие), которые в последствии нашли отражение в ктермической классификации О.Ф. Якушко.

Обобщение многолетних данных по температурному режиму озер и водохранилищ Беларуси позволило выявить в годовом термическом цикле 5 периодов и установить их среднюю продолжительность:

1. Период весеннего нагревания - 25 дней (третья декада марта – вторая декада апреля).

2. Период летнего нагревания – 120 дней (третья декада апреля – третья декада августа).

3. Период осеннего охлаждения – 85 дней (третья декада августа – вторая декада ноября).

4. Период предледоставного охлаждения – 10 дней (третья декада ноября).

5. Период зимнего режима – 125 дней (декабрь – март).

Весеннее прогревание озер начинается еще под ледяным покровом в результате интенсивного воздействия солнечных лучей. Уже в середине марта температура воды подо льдом достигает 0,8^оС, причем лед тает как снизу, так и сверху.

Характер температурного режима после разрушения ледяного покрова во многом зависит от особенностей погоды и морфологии котловины. В условиях прохладной ветреной весны перемешивание и прогревание воды в озере ощущаются меньше, но проникают на большую глубину под влиянием ветра, чем при дружной теплой весне, когда процесс нагревания может ограничиться лишь верхними слоями, а перемешивание связано только с конвекционным движением.

В результате более или менее интенсивной весенней циркуляции вся толща воды перемешивается и прогревается до одинаковой температуры. Весенняя гомотермия может возникнуть при различной температуре, однако момент ее наступления фиксируется при температуре наибольшей плотности воды (4°С). Естественно, что весенняя гомотермия раньше наступает в озерах средней глубины и в мелководных, чем в глубоких. Продолжительность гомотермии с температурой 4°С очень небольшая, и уловить ее трудно, так как при последующем нагревании поверхностного слоя начинается быстрый переход к летнему температурному режиму.

Весной озера служат источником холода по сравнению с быстро нагревающейся землей и воздухом. В апреле и мае средняя температура воды в озерах ниже температуры воздуха на 0,5—2°.

Весенняя циркуляция имеет большое значение в жизни озер, так как под ее влиянием осуществляется не только нагревание массы воды, но и смена зимнего газового режима и проникновение в придонные слои кис­лорода. Важно отметить, что иногда в некоторых озерах состояние гомотермии не успевает охватить всю толщу воды, а на поверхности уже складываются летние температурные условия. Это явление описано на небольших, но достаточно глубоких озерах, с укрытыми от ветра воронокообразными котловинами: Малом Камайском, Губиза, Каймин. В таких условиях при дружной теплой весне процесс перемешивания воды замедляется: у дна еще сохраняется зимний режим (температура около 4 °С, резкий дефицит кислорода, а на поверхности устанавливается летний режим.

Началом установления летнего температурного режима считается переход поверхностной температуры через 10°, обычно наступающий в мае. В начале лета температура убывает от поверхности в глубину, т. е. возникает прямая температурная стратификация. Однако при устойчивой ветреной погоде в неглубоких озерах может возобновиться гомотермия при разных температурах.

Типичным признаком летнего температурного режима служит вертикальное расслоение толщи воды. Устойчивая стагнация возникает после нескольких дней теплой штилевой погоды. Чем интенсивнее нагреваются верхние слои воды, тем слабее они перемешиваются с нижними в силу возникновения температурного градиента и большей плотности нижних холодных слоев.

Мощность верхнего слоя воды - эпилимниона в первый период летней стагнации составляет всего несколько метров, со временем она увеличивается, но в глубоких озерах даже в конце лета не превышает 10 м.

Обычно чем резче обозначена нижняя граница эпилимниона, тем ярче проявляется слой металимнона, то еасть термоклина или температурного скачка. Мощность его варьирует от 2 до 5 м, а степень выраженности зависит от условий погоды. При ветреной погоде слой скачка чаще всего выражен слабо -и, подразделен на несколько промежуточных скачков, а градиент не превышает 1,5—2 град/м. При устойчивой штилевой погоде металимнион менее мощный, но градиент достигает 4—4.5 град/м.

В нижнем слое – гиполимнионе - ветровое перемешивание практически не проявляется. После весенней циркуляции в этом слое устанавливается относительное спокойствие воды при постепенном понижении температуры. Наибо­лее низкие температуры отмечаются в непосредственной близости от дна и в верхнем слое сапропелей. В глубоких, укрытых от ветра водоемах слой гиполимниона в июле обычно занимает более половины толщи воды в точке максимальной глубины (рис.5.5). В открытых озерах этот слой непостоянен и имеет небольшую мощность.

Рис. 5.5. Распределение температуры воды и кислорода по поперечному профилю озера Долгое (29.06.1965г.). Условные обозначения: 1 – эпилимнион, 2 – металимнион, 3 – гиполимнион.

Изучение законов летней температурной стратификации имеет большое значение, так как в каждом вертикальном слое водной массы меняются физические свойства воды, характер биохимических процессов и условия обитания живых организмов. В эпилимнионе создаются наиболее благоприятные условия жизни: много света, тепла, преобладают окислительные процессы, формируется первичная продукция и пр. В металимнионе при резком падении температуры и повышении плотности меняется газовый режим, условия проникновения света. Нередко отмечается мас­совая гибель микроорганизмов. В слое гиполимниона при отсутствии освещения погибают живые растительные организмы, сокращается количество кислорода или он вовсе исчезает, все большее значение приобретают восстановительные процессы, иногда образуется сероводород.

Летом в верхнем слое донных отложений температура на несколько десятых градуса ниже, чем в придонном слое воды. В отдельных глубоких озерах (Долгое, Кривое) понижение температуры зависит от характера отложений и может распространяться на некоторое расстояние в водном слое. В озере Кривом, например, в северном плесе, занятом черными ожелезненнымми илами, летом температура у дна выше, чем в южном плесе, выстланном светло-оливковым глинистым илом. В озере Долгом в северо-западном плесе с темными илами и повышенным содержанием железа температура выше, чем в юго-восточном плесе с глинистыми илами.

Зимой существует обратная зависимость: в верхнем слое отложений температура более высокая, чем в придонном слое воды. Очевидно, донные отложения даже глубоких озер летом поглощают определенное количество тепла, а зимой выделяют. Количество поглощенного и возвращенного тепла связано с типом осадков и в той или иной мере отражает интенсивность биохимических процессов в них.

Соответственно температурному режиму изменяется и степень насыщения придонных слоев воды кислородом. Распределение температуры на поверхности озер в летний период также имеет ряд особенностей, которые объясняются условиями погоды, характером и глубиной котловины, притоком речных вод, развитием растительной полосы и др.

В обычные теплые летние дни более высокая температура вблизи берегов, особенно в зарослях макрофитов. Здесь на 1,5—2° теплее, чем в открытой части озера. При резкой смене теплой погоды холодной и ветреной прибрежные участки охлаждаются очень быстро, а в центре удерживается более высокая температура.

Переход к осеннему режиму обычно начинается во второй половине сентября, после холодных ночей. Благодаря незначительным вертикальным градиентам уменьшается термическое сопротивление ветровому перемешиванию и слой скачка опускается или вовсе исчезает. В отдельные дни по утрам наблюдается мезотермия, т. е. повышение температуры на некоторой глубине, связанное с резким ночным охлаждением поверхности. Это обычно кратковременное явление днем сменяется прямой температурной стратификацией.

В октябре наряду с ветровым усиливается конвекционное перемешивание воды и вся толща приобретает одинаковую температуру. Осенняя гомотермия наступает при разной температуре, однако в мелководных озерах намного раньше, чем в глубоководных. В последних вер­тикальное расслоение может удерживаться даже при средней температуре воздуха около 0°. Например, 30 — 31 октября 1964 г. максимальная температура на поверхности озера Кривого достигала 8,1°, а на глубине 29 м -5,15°. Слой скачка с градиентом 1,7° наблюдался на глубине 15,5—16 м. Температура воды на поверхности неглубокого озера Отолово не поднималась выше 7,8°, а на глубине 14 м вблизи дна составляла 7,5°. Температурный скачок отсутствовал. Мелководное озеро Черствяты имело поверхностную температуру 3,5°, а на глубине 3,2 м — около 4°. Таким образом, в одно и то же время при одинаковой погоде глубокое озеро еще сохраняло летний режим, озеро средней глубины приближалось к гомотермии, а мелководное уже имело признаки зимнего режима температуры. По-видимому, эта особенность отражается на величине теплозапаса озер.

После охлаждения всей массы воды до 4 °С начинается переход к зимнему режиму. Он наступает с момента понижения поверхностной температуры до 0° и появления первых признаков льда. Но перед установлением постоянного ледяного покрова верхние слои воды еще дол­го перемешиваются под воздействием ветра. Этот процесс способствует охлаждению водной массы ниже 4°. Вот почему зимние температуры глубоких озер, обычно 2,5⁰ и даже ниже. Более высокие температуры в глубоких водоемах наблюдаются лишь в условиях безветренной погоды и быстрого образования устойчивого ледяного покрова.

В мелководных водоемах, заполненных сапропелями, процесс теплоотдачи донными отложениями весьма интенсивен, особенно в начале зимнего периода. Уже в середине декабря вблизи дна температура в таких озерах достигает 4°, а в верхнем слое отложений она на 0,5—1° выше. Процесс зимнего разогревания может пойти еще дальше. Так, в феврале 1968 г. в придонном слое мелководных озер Баторин, Ковальки, Сивцы, Черствяты температура достигла 5,1°. В это же время более глубокие озера Нарочь, Мядель, Рудакове имели температуры около 2,8— 3°. Одновременно во всех мелководных озерах придон­ные слои оказались лишенными кислорода, а в озерах Баторин, Черствяты наблюдались заморы, продолжительные из-за большой (около 70 см) толщины ледяного покрова. Объясняется это явление следующим образом. В результате усиленной теплоотдачи нижние слои воды нагрелись выше 4°. Лежащий над ними слой воды с более низкой температурой и более тяжелый препятствовал конвекционному перемешиванию. Содержащийся в придонном слое кислород постепенно был истрачен на процессы гниения, и начались заморные явления.