2.10. Озера. Химия озер

Количество озер на земной поверхности очень велико. Химический состав воды озер и рек генетически связан [1, с.284].

Эта связь проявляется особенно заметно на небольших озерах с малым водосбором, на которых прямые и косвенные факторы, формирующие химический состав, имеют много общего. По мере увеличения площади бассейна озера возрастает различие литологических, климатических и гидрогеологических условий в отдельных его частях, отражающееся на химическом составе притоков, поскольку состав озера осредняет индивидуальные гидрохимические особенности притоков.

Таким образом, химический состав озера, так же как и рек, всецело зависит от окружающей среды. Однако морфологические особенности создают специфические черты химического состава их вод и гидрохимического режима, не свойственные рекам. Из них особенно большое значение имеют размеры озера, площадь, глубины и конфигурация.

Глубины озера, а также замедленный водообмен создают неоднородность состава воды по вертикали. В этом заключается одна из характерных особенностей гидрохимического режима озера, отличающая его от режима рек и до некоторой степени сближающая с режимом морей.

От размера и глубины озера зависит и прогреваемость воды, а продолжительность высоких летних температур в свою очередь определяет интенсивность биологических процессов, происходящих в озере.

С увеличением размера озера, а также при увеличении минерализации воды роль биологического фактора уменьшается и возрастает значение физических и физико-химических процессов. Различие в минерализации отражается и на ионном составе воды озер. В нем наблюдаются те же закономерности, которые свойственны и составу речной воды. С увеличением минерализации озерной воды происходит относительный рост ионов в ее составе в такой последовательности:

HCO₃^-  SO₄^2-  Cl^-; Ca²⁺  Mg²⁺  Na⁺.

При минерализации до 500–1000 мг/л в озерной воде преобладают гидрокарбонатные ионы, свыше 1 г/кг – чаще всего сульфатные, а по достижении 3–5 г/кг – сульфатные или хлоридные воды. В составе катионов озерных вод преобладающая роль кальция сохраняется до 1–2 г/кг, уступая при дальнейшей минерализации ионам натрия. Ионы магния, так же как и во всех других водах, сохраняют при всех величинах минерализации промежуточное положение. Причина подобного распределения ионного состава заключается в различной растворимости солей.

Подавляющая часть пресных озер, так же как и рек, по составу гидрокарбонатно-кальциевые. К ним относятся такие крупнейшие озера, как Байкал, Ладожское, Онежское, Таймыр, Верхнее, Гурон, Мичиган, Виктория, Танганьика.

Ионный состав озерной воды можно выразить следующими элементами:

S_пр + S_{атм, ос} + S_гр = S_ст + S_эол + S_фил S_ос,

где S_пр – соли, вносимые притоками; S_{атм, ос} – соли, вносимые атмосферными осадками и пылью; S_гр – соли, вносимые грунтовыми водами; S_ст – соли, выносимые стоком; S_эол – соли, выносимые с водяными брызгами ветром; S_фил – соли, теряемые при фильтрации из озера; S_ос – соли, выпадающие в осадок. Для пресных озер основное значение в приходной части имеет поступление солей с притоками, в расходной же – вынос солей со стоком. Существенна роль грунтового питания. Она возрастает с уменьшением размера озера и с засушливостью климата, в условиях которого подземные воды часто обладают высокой минерализацией.

Существует еще ряд других элементов солевого баланса озера, которые входят в круговорот веществ, происходящий внутри озера. К ним относится выделение солей в воду при образовании ледяного покрова, что увеличивает минерализацию воды; таяние льда, когда, наоборот, уменьшается минерализация воды; обмен ионов с иловыми отложениями; поглощение ионов растениями в процессе фотосинтеза; выделение их в процессе распада организмов и др.

В озере, так же как и в других водоемах, непрерывно протекают сложные процессы создания и разрушения (деструкции) органического вещества. Насколько многообразен баланс органического вещества в озере, можно видеть из следующего схематического уравнения:

Ф + Х + А + П – (Д + С + О) =  .

Здесь каждое слагаемое баланса обозначает или поступление органического вещества (за счет следующих процессов: Ф – фотосинтеза, Х – хемосинтеза и усвоения двуокиси углерода гетеротрофными организмами, А – аллохтонного¹ поступления органического вещества с притоками и грунтовыми водами, П – поступление из иловых толщ), или расход органического вещества (за счет Д – деструкции, С – стока из озера, О – осаждения на дно).

Концентрация биогенных веществ в озерах меняется по сезонам, достигая максимума в зимнее время, когда процесс фотосинтеза почти отсутствует, а минерализация органических остатков в иле продолжается.

Состав растворенных газов так же, как и в реках, представлен преимущественно атмосферными газами: кислородом, азотом и двуокисью углерода. Кроме того, в природных слоях озера иногда присутствуют сероводород и углеводороды, образующиеся в илах озера при разложении остатков организма. Содержание растворенного кислорода тесно связано с процессами создания и деструкции органического вещества, а режим отражает динамику водных масс и условия их водообмена в озере.

Летом в поверхностном слое интенсивно протекает фотосинтез, который помимо процесса растворения кислорода из атмосферного воздуха является еще одним источником растворенного кислорода. В некоторых случаях это приводит к нарушению равновесий из-за разности скоростей процессов поступления и выделения, и концентрация растворенного кислорода в некоторых зонах поверхностного слоя может быть больше равновесной.

В процессе фотосинтеза, как известно, происходит образование органических соединений и кислорода [17]. Помимо углерода для фотосинтеза требуется азот, фосфор и ряд рассеянных элементов. В пресных незагрязненных водах лимитирующим питательным веществом обычно являются фосфаты, в загрязненных водах фотосинтез лимитируется нитратами. Отображение картины фотосинтеза можно представить следующим брутто-уравнением:

h, микроэлементы

106 СО₂ + 16 NO₃^- + HPO₄^2- + 122 H₂O  C₁₀₆H₂₆₃O₁₁₀N₁₆P + 138 O₂.

органическое вещество

фитопланктона

Образовавшийся фитопланктон обычно живет не более нескольких суток. Отмирая, он образует мертвую массу органических соединений, которые имеют тот же состав, что и исходный. Эти органические соединения опускаются в глубь водоема.

Согласно закону действующих масс, при увеличении концентрации азота и фосфора скорость прямой реакции, т.е. скорость фотосинтеза возрастает, что приводит к эвтафированию. Считается, что максимальная скорость роста достигается в воде, в которой соотношение углерода, азота и фосфора (C:N:P) соответствует их атомно-массовому отношению в составе вещества водорослей. Для фитопланктона в среднем оно приближается к 106:16:1. Всякое отклонение от данного соотношения в окружающей среде говорит об изменении обеспеченности водорослей питательными веществами.

Озера обычно стратифицированы, т.е. горизонтально расположенные слои воды в них характеризуются различной температурой.

Осенью постепенное понижение температуры приводит к тому, что вода во всем водоеме будет одинаковой температуры и плотности. При этом в результате волновой деятельности вся вода будет перемешана.

В дальнейшем при понижении температуры в верхнем слое воды ее плотность снизится, и в водоеме вновь произойдет разделение на слои различной плотности, обмен между которыми будет затруднен. Это явление зимней стратификации.

Весеннее повышение температуры приведет к выравниванию температуры и плотности воды во всем водоеме. Начнется процесс весеннего водообмена.

Как называется самый холодный слой, где он располагается и какую имеет плотность…

[1] эпилимнион, образуется наверху, имеет самую низкую плотность;

[2] термоклин, средний слой, с низкой плотностью;

[3] гиполимнион, располагается у дна; обладает наибольшей плотностью.

[4] эстуарии охватывают все глубины, имеют одинаковую температуру и плотность.