Озерні природно-аквальні комплекси та їх вивчення у шкільній географії

дипломная работа

1.4 Термічний режим і динаміка озерної води

У тепловому режимі, тобто тепловому балансі, озер основним джерелом надходження тепла є сонячна радіація - 90-98%. Частину тепла водні маси одержують за рахунок теплообміну з атмосферою і з деяких інших джерел. Витрачається тепло озер головним чином на випаровування - від 45 до 75%, а також на випромінювання тепла з поверхні озер - до 25-35 %. Розподіл тепла у водній товщі озер відбувається за рахунок хвиль, течій, вертикальної циркуляції.

Тепловий баланс озер помірного поясу починаючи з весни і до кінця літа позитивний, тобто озеро одержує тепла більше, ніж втрачає. З осені до весни тепловий баланс відємний. Водні маси озер в теплу пору року запасають величезну кількість тепла. Завдяки цьому вода восени порівняно довго не остигає і озеро виявляється теплішим, ніж навколишнє середовище. Весною, навпаки, воно поволі нагрівається і виявляється холоднішим за сушу. Тому озера створюють свій мікроклімат.

Тепловий баланс формує термічний режим озер, який впливає на фізичні, хімічні і біологічні властивості озерних вод: вміст газів у воді (у холодній воді розчиняється більше газів, ніж в теплій, вона краще насичується киснем), її щільність, перемішування, осадження солей, біологічну продуктивність.

Залежно від сезону року озера нагріваються або охолоджуються. Від температури води залежить її щільність. Відомо, що прісна вода має найбільшу щільність при температурі 4°С.

Весною або восени, коли температура поверхнево товщі води досягає 4°С, вона як щільніша опускається на дно, а на її місце піднімається тепліша або холодна, але менш щільна вода. Відбувається вертикальна циркуляція, тобто перемішування водних мас озера. А це сприяє насиченню киснем всієї водної товщі озера. Образно кажучи, енергія Сонця примушує дихати озера.

Дивовижною властивістю озер є розділення їх водної товщі на шари з різною температурою. Це явище носить назву термічної стратифікації водної товщі. Якщо в річках температура води практично однакова від поверхні до дна, то в озерах вона ділиться на теплі і холодні шари. Причиною цього є сповільнений обмін або навіть застійний характер озерних вод. Особливо добре термічне розшарування вод виражене в озерах помірних широт влітку. В цей час в глибоких озерах температура води знижується з глибиною, тобто спостерігається пряма стратифікація водної товщі.

Як приклад прослідкуємо, як змінюється температура води з глибиною в озері Святому, яке є плесом знаменитого озера Селігер. Найбільша глибина озера Святого трохи більше 20 м. Поверхневий шар озера завтовшки близько 5 м влітку прогрівається до 18-20°С. На глибині 5-7 м відбувається різкий стрибок температури, перепад якої складає 8°С. Далі температура поволі знижується, і глибше 11 м встановлюється шар з однорідною температурою близько 5°С. Таким чином, в озері виділяються шари: верхній - теплий, перехідний і нижній - холодний.

Верхній теплий шар озера перемішується вітром, тому у всій його товщі встановлюється майже однакова температура. (У великих озерах теплий шар розповсюджується на глибину 10-20 м.)

Примітний перехідний шар, в якому відбувається різкий стрибок температури. Іноді впродовж одного метра вона змінюється на 8-10°С. Разом з температурою змінюється і щільність води. Вона і є причиною стрибка. Товщина стрибка на малих озерах коливається від 2 до 6-7 м, на великих від 15 до 40 м. Це зона розділу теплих і холодних шарів.

Нижній холодний шар займає велику частину водної маси озер. Розшарування товщі озерних вод влітку спостерігається в озерах завглибшки понад 15-20 м. У мілководих озерах вся товща перемішується вітром і температура її однорідна. Правда, коли встановлюється штиль, то і на таких озерах відбувається термічне розшарування водних мас. Але пряма стратифікація в таких випадках - явище короткочасне.

Взимку під льодом температура води близька до 0°С. З глибиною температура її підвищується і у дна може досягати до 4°С. Таким чином, нижні шари виявляються теплішими, а верхні - холодними. Це явище називається зворотною стратифікацією. Слід зазначити, що пряма і зворотна стратифікація водних мас добре виражена в помірних широтах біля прісних озер. Термічний режим солоних озер відрізняється від режиму прісних, про що ми розповімо дещо нижче. У перехідні сезони, весною і восени, коли відбувається перемішування водних мас, в якийсь момент у всій товщі на короткий час встановлюється однорідна температура. Подальше нагрівання або охолоджування водної товщі озер приводить знову до її розшарування.

А що ж відбувається з водними масами озер полярних і тропічних широт? На відміну від озер помірних широт, вони залишаються протягом всього року теплими або холодними. Тому залежно від кліматичних поясів озера земної кулі по тепловому режиму діляться на озера полярних, помірних і тропічних широт. [18, c. 60]

Полярні озера - холодні, температура на поверхні їх завжди нижче 4°С, безлідний період дуже короткий, а деякі озера навіть зовсім не розкриваються. До полярних відносяться озера Арктики і Антарктиди.

Озера помірного поясу, як вже мовилося, влітку теплі - температура їх вище 4°С, взимку холодні - температура нижче 4°С. Для них характерна пряма стратифікація водних мас влітку і зворотна - взимку. Влітку в поверхневому шарі Ладозького озера температура води не перевищує 15-18°С, у глибинних шарах 4-5°С. Взимку глибинні води озера охолоджуються до 1-2°С. Мілководні озера влітку нагріваються більше, ніж глибокі.

Цікаве явище водних мас - термічний бар (термобар) спостерігається на крупних глибоких озерах помірних широт: Ладозькому, Онезькому, Женевському, Великих Північноамериканських і інших озерах. Весною і восени між прибережними і глибинними районами озер виникає вертикальна і слабо похила зона розділу водних мас, де температура рівна 4°С. Утворюється вона на межі двох водних мас, одна з яких має поверхневу температуру нижче 4°С, інша - вище 4°С. Зона води, що утворюється в результаті зміщення, з температурою 4°С і є термобар - свого роду поріг, який ускладнює обмін вод між центральними і прибережними районами озера. Термобар впливає не тільки на термічний режим, циркуляцію води, але і на прозорість, колір, хімізм і розподіл планктону.

Термобар ділить озера на дві області: теплоактивну (прибережну), де процеси нагрівання і охолоджування відбуваються інтенсивніше, і теплоінертну (центральну), в якій вони сильно сповільнені. От чому на Ладозькому озері величезна холодна „пляма” з температурою води нижче 4°С ще на початку червня займає більше половини його площі. (Додаток Г)

Тропічні озера - теплі, температура їх поверхні протягом року залишається високою: 25-30°С. Найглибше озеро Африки - Танганьїка - розташовано поблизу екватора. У верхньому шарі температура води протягом року коливається від 23 до 27°С. На глибині нижче 400 м і до самого дна озера тримається постійна температура 23°С. Перемішування водних мас в озері Танганьїка охоплює тільки верхні 200-300 м. Водні маси, розташовані глибше, у вертикальній циркуляції практично не беруть участь. Це застійний або, як його ще називають, мертвий шар. (Додаток Д).

У тропічних широтах теплими є і озера, розташовані високо в горах. У горах Південної Америки на висоті майже 4 тис. м знаходиться найбільше з високогірних озер - Тітікака. Воно трохи менше Онезького озера, але по глибині перевершує його на цілу сотню метрів. Температура озера Тітікака протягом року на поверхні коливається від 12 до 14°С. Озеро помякшує клімат побережжя.

У природі ми зустрічаємо самі незвичайні по температурному режиму озера. Узяти хоч би вулканічні озера, серед яких зустрічаються не просто теплі, а прямо-таки гарячі. Подібні озера є в кратерах і кальдерах вулканів Курильських островів. На острові Парамушир є вулкан Ебеко. Він складається із старого конуса, вершина якого зруйнована; у западині, що утворилася, виник молодий вулкан. Вийшов подвійний вулкан. Після виверження в 30-х роках ХХ століття в кратері вулкана виникло озеро з водою молочно-бірюзового кольору. Вода в озері була тепла, 30-35°С, а місцями навіть гаряча, де температура досягала 62°С.

Гарячі озера повязані не тільки з вулканами. Учені виділяють групу геліотермальних озер, які своєю гарячою водою зобовязані сонцю. Точніше кажучи, в таких озерах утворюються лінзи гарячої води. Вода в цих озерах нагрівається в результаті різниці щільності її шарів. Особливо це властиво солоним озерам, у яких нижні шари солоні, щільні, а верхні розпріснені, більш легкі.

Перейдемо до динаміки озерної води. Рухи водної маси, що виникають в озерах, можуть бути розділені на постійні і тимчасові. Постійні рухи води в озері у формі течій викликаються такою, що впадає в озеро або витікаючою з нього річкою (стічні течії). Інтенсивність таких течій визначається співвідношенням обєму озера і витрати впадаючої або витікаючої річки. Якщо обєм води в проточному озері невеликий в порівнянні з обємом води, впадаючої в озеро, то в озері встановлюється течія, аналогічна течії в річці, лише з відповідно меншими швидкостями. Таке проточне озеро може в деякому розумінні розглядатися як крайній випадок значного розширення русла річки.

Якщо, навпаки, обєм озера вельми великий в порівнянні з обємом води, впадаючої і витікаючої з нього, то, хоча воно і в цьому випадку називається проточним, але процеси, що у багатьох відношеннях по характеру відбуваються в ньому, ближче підходить до безстічного озера. Перебіг такого типу спостерігається в Байкалі, обєм якого надзвичайно великий в порівнянні з обємом стоку впадаючих в нього річок Селенги, Верхньої Ангари та ін. і витікаючої з нього р. Ангари.

Тимчасові рухи водної маси озера можуть виявлятися у вигляді течій і хвиль. Серед тимчасових течій перш за все слід виділити такі, які виникають під дією вітру і унаслідок нерівномірного нагрівання і охолоджування води озера.

Вітрові (дрейфові) течії роблять особливо значний вплив на характер фізичних процесів в озерах з великою площею, плоскою формою озерного ложа і малими глибинами.

Нерівномірність охолоджування і нагрівання водних мас озера перш за все викликає вертикальні, так звані конвекційні потоки, що в деякій мірі роблять вплив і на горизонтальні переміщення водних мас.

Серед тимчасових рухів водних мас озера найбільше значення мають вітрові хвилі і сейші. Дослідження показали; що якщо два середовища різної щільності розташовані одне над одним, але тільки в стані спокою одного середовища щодо іншого розділяюча їх поверхня буде площиною. Якщо одна з них рухається по відношенню до іншої, то розділяюча їх поверхня приймає хвилеподібний характер, причому розміри хвиль залежать від швидкості руху, різниці щільності і глибин обох середовищ.

При русі повітря над водною поверхнею в результаті тертя створюється нестійка рівновага на поверхні їх розділу, яка, неминуче, порушуючись, закономірно переходить в стійку в цих умовах хвильову форму з підвищенням площини розділу проти початкової лінії рівня в одних місцях і з пониженням в інших.

Хвилі характеризуються наступними елементами (Додаток Е):

- вершина, або гребінь, хвилі - вища точка хвилі А;

- підошва, або улоговина - найнижча точка хвилі В;

- висота хвилі - різниця відміток гребеня і підошви;

- довжина хвилі - відстань між двома вершинами або двома підошвами;

- крутизна хвилі (б);

- період хвилі - проміжок часу, протягом якого хвиля пробігає відстань, рівну її довжині;

- швидкість розповсюдження хвилі - відстань, пройдена якою-небудь точкою хвилі (наприклад, гребенем) в одиницю часу.

По зовнішній формі розрізняють:

а) правильне, або двомірне, хвилювання, коли спостерігається одна система хвиль, що розповсюджуються в одному напрямі і мають одну форму і розміри;

б) неправильне, або тривимірне, хвилювання, що складається з безладно рухомих хвиль, гребені і улоговини яких розбиті на відособлені горби і западини.

Стосовно випадку правильних двомірних хвиль існує теорія хвилювання, відома під назвою теорії трохоїдальних хвиль. Ця теорія встановлює зовнішню форму хвилі і закони руху частинок води.

Форма хвилі, згідно даної теорії, є трохоїдою, тобто кривою, що описується якою-небудь точкою усередині кільця, що котиться (без ковзання) по прямій, тоді як точка на колі такого кільця описує криву, яка називається циклоїдою.(Додаток Є)

Іноді в озері виникає коливання всієї маси води, причому по поверхні її не розповсюджується ніякої хвилі. Такий коливальний рух називається сейшами. При сейшах поверхня озера набуває ухилу то в один, то в інший бік. Нерухома вісь, біля якої коливається дзеркало озера, називається вузлом. Як показують дослідження, сейші стійкіші в глибоководних водоймищах, ніж у мілководних.

Отже, нами було виявлено і охарактеризовано найпоширеніші на Земній кулі типи озер за походженням улоговин. Все їх різноманіття поділено на дві великі групи: ендогенні і екзогенні. Розглянувши їх ми помітили, що з ендогенними улоговинами повязані найбільші і найглибші озера. А озера екзогенного походження частіше зустрічаються і розташовані рясніше на поверхні планети, в окремих випадках розміщені групами. Ми зясували, що від походження озерних улоговин напряму залежить будова, форма, величина, глибина і навіть, деякі властивості води озер.

Делись добром ;)