2.5.5. Динаміка озер

Як і для інших водойм, основними різновидами динаміки озер є хвилі, течії та перемішування.

Основними факторами розвитку вітрових хвиль в озерах є швидкість вітру, тривалість його дії, розгін, глибини на шляху розгону та конфігурація берегової лінії. Для характерних розмірів озер швидкість та напрямок вітру можна рахувати постійними (повітряні маси, що рухаються набагато більші ніж озера за площею) у кожен момент часу. Тому їх можна визначати за даними спостережень берегових метеостанцій. На крупних озерах вітер розвиває хвилювання до сталого за декілька годин (8-10 годин). Після припинення його дії хвилювання швидко затухає. Хвилі зибу утворюються рідкою. Максимальні висоти вітрових хвиль досягають 5-6 м (оз. Ладозьке, оз. Мічиган). На малих озерах вона складає до 0,5 м. Параметри хвиль можна визначати за формулами В.Г. Андреянова:

(2.58)

та (2.59)

де — висота хвилі (м); — довжина (крок) хвилі (м); — швидкість вітру (м/с); — розгін (км). При добре вираженій стратифікації в озерах виникають також внутрішні хвилі.

Під впливом денівеляцій (перекосів) водної поверхні в озерах виникають сейші. Основні фактори денівеляцій — різкі зміни атмосферного тиску (проходження циклонів) та вітер (згони та нагони). В озерах можуть розвиватися як одновузлові, так і двох- та багатовузлові сейші. Їх можна орієнтовно розраховувати за такою формулою:

(2.60)

де — довжина озера; — кількість вузлів; — глибина озера. На рис. 2.73 показано графік сейш оз. Байкал. Періоди сейш на крупних озерах складають від десятків хвилин до десяти та більше годин, зокрема на Байкалі до 4-6 годин. Амплітуди в основному складають десятки сантиметрів, але у виключних випадках можуть досягати 1-2 метра. У стратифікованих озерах також можуть виникати внутрішні сейші. Сейші супроводжуються течіями. У відкритих акваторіях їх швидкості — декілька см/с. Але у вузьких затоках та протоках можуть досягати 0,5-1 м/с і, навіть 2-3 м/с. Наприклад у протоці озера Велике Ведмеже (Канада) такі течії деколи перешкоджають утворенню льодового покриву навіть у суворі зими. Весь комплекс сейшевих рухів впливає на коливання температур, вмісту газів, зважених часток в озерах. Він сприяє турбулентному перемішуванню, водообміну між відкритими та прибережними акваторіями. Таким чином сейші впливають на гідрологічний режим озер.

Течії в озерах відрізняються від океанічних своїми масштабами, ступенем постійності та системою діючих сил. Постійними можуть бути практично тільки стокові. Тим не менше різноманітність течій досить велика. За Т. Філатовою можна виділити такі їх види:

1) вітрові (дрейфові) — виникають у приповерхневих шарах і супроводжуються компенсаційними глибинними протитечіями;

2) хвильові (стоксові) течії — складова (особлива) частина дрейфових, пов’язана з поступальним рухом води одночасно з орбітальними рухами часток у хвилях;

3) сейшеві;

4) густинні — пов’язані з нерівномірним розподілом температури та мінералізації води;

5) стокові — викликані нахилом водної поверхні за рахунок притоку води в озеро, або стоку з нього;

6) бароградієнтні компенсаційні, спостерігаються при перекосах рівня внаслідок різниці атмосферного тиску на різні частини озера;

7) інерційні — існують після припинення дії сили, що викликала течію;

8) поздовжберегові вітрові та хвилеприбійні.

Швидкості дрейфових течій досягають 50 см/с. Їх можна орієнтовно визначати за формулою:

(2.61)

де — швидкість вітру; — коефіцієнт, що складає 0,01-0,02. Компенсаційні до дрейфових течії мають швидкості до 10-20 см/с. Вітрові течії впливають також на перемішування. Воно може мати характер впорядкованої конвекції (рис. 2.74). На поверхні озера при цьому видно довгі паралельні смуги. Відстань між ними може складати 1-12 м (деколи до 20 м). Причиною виникнення цього явища є охолодження води за рахунок дії вітру, який, зокрема, сприяє збільшенню випаровування і відтоку захованої теплоти. Охолоджені приповерхневі шари опускаються, що викликає конвенцію.

Густинні течії найкраще розвинуті у крупних глибоких озерах. В основному вони пов’язані з процесами нагрівання та охолодження теплоактивної та теплоінерційної областей. На основний напрямок густинної циркуляції (береги — центр) впливає сила Каріоліса. Тому вона стає замкненою у вигляді кола (по фігурі озера). Вона відбувається у північній півкулі навесні проти годинникової стрілки, а восени — за нею. Такою циркуляцією можуть бути охоплені шари до 50 і навіть 100-150 м. Швидкості у поверхневих шарах досягають 20-30-50 см/с.

Стокові течії характеризуються швидкостями до 10-20 см/с. Крім того на них значний вплив здійснює вітер. Тому вони проявляються на фоні дрейфових. Найбільше вони виражені у транзитних (проточних) водоймах.

Перемішування в прісних озерах значною мірою пов’язане з процесами нагрівання та охолодження. Воно охоплює всю їх глибину. В тропічних та полярних озерах такого явища не спостерігається. Тут, а також в помірних широтах влітку, переважає вимушене (вітрове) перемішування. Перемішування в соляних озерах виражено менше. У найбільш глибоких озерах конвективне перемішування охоплює лише верхні шари до горизонтів 150-300 м. Воно сприяє також, як ми бачили, створенню густинних течій і горизонтальному перемішуванню.