3.8 Изменение температуры воды в озерах в течение года

В соответствии с годовым ходом составляющих теплового баланса температура воды имеет ясно выраженный годовой ход:

В годовом цикле изменения температуры воды можно выделить периоды:

1) весеннего нагревания - начинается с момента, когда устанавливается направленный в воду тепловой поток. На замерзающих озерах весеннее нагревание воды начинается еще при наличии ледяного покрова за счет поглощения проникающей сквозь лед (после схода снега) солнечной радиации. Заканчивается период весеннего нагревания установлением темпе­ратуры максимальной плотности во всей толще озера.

2) летнего нагревания - начинается с момента перехода гомотермии в прямую стратификацию. Перемешивание в это время осуществляется главным образом деятельностью ветра, при этом по мере усиления прямой стратифи­кации сопротивление перемешиванию возрастает, и теплообмен с нижележащими слоями становится все более затруднительным. Особенно большое сопротивление перемешиванию оказывает обра­зующийся летом слой скачка, имеющий большие градиенты плот­ности и, следовательно, обладающий большой устойчивостью.

Конвекция проявляется при этом только во время ночного охлаждения. В соответствии с характером распределения температуры по вер­тикали водная толща достаточно глубоких озер распадается на три слоя: эпилимнион, металимнион и гиполимнион.

Металимнион, является зоной температурного скачка. Нижняя граница металимниона неопределенна и постепенно пе­реходит в гиполимнион.

3) осеннего охлаждения - начинается с момента появления отрицательного теплового потока и заканчивается установлением температуры наибольшей плотно­сти во всей толще озера.

4) зимнего охлаждения - начинается с момента образова­ния обратной стратификации тем­пературы и на замерзающих озе­рах заканчивается с наступлени­ем ледостава. С установлением ледяного покрова охлаждение осуществляется путем теплопровод­ности через толщу снега и льда. Т.к. этот процесс идет мед­ленно, поступление тепла от дна начинает превышать расход и в мелководных озерах часто наблюдается повышение температуры воды после ледостава.

3.9 Ледовые явления

С момента установления обратной стратификации при продолжающемся понижении температуры воздуха верхние слои воды охлаждаются до 0°С и начинается процесс замерзания озера.

Период времени, в течение которого на озере наблюдаются ледовые явления, может быть разделен на три характерные части: замерзание, ледостав и вскрытие.

Чтобы началось замерзание водоема, необходимо наличие переохлажденной воды и находящихся в ней ядер кристаллизации, а также непрерывный отток скрытой теплоты кристаллизации.

На небольших и неглубоких озерах при отсутствии ветра и сильном морозе уже незначительное переохлаждение в тончайшей поверхностной пленке воды создает условия, благоприятные для образования мелких игольчатых кристаллов льда, которые, скапливаясь, напоминают пятна застывшего на воде жира и называются салом.

При дальнейшем охлаждении сало смерзается и превращается в ледяную корку с зеркально гладкой поверхностью, которая может покрыть водоем в течение одной тихой морозной ночи. Дальнейшее утолщение этой корки идет снизу и постепенно образуется прозрачный кристаллический лед – стеклец, ясинец, голубой лед. При наличии даже слабого ветра благодаря теплообмену с нижерасположенными более теплыми слоями ледообразование замедляется.

В этих условиях кристаллы льда и сало возникают у берегов, где вода вследствие малой глубины охлаждается раньше, чем в открытой части озера. При дальнейшем охлаждении и смерзании сала образуются полосы из неподвижного льда – забереги. Постепенно забереги увеличиваются, продвигаясь к середине водоема, на поверхности которого появляется в изобилии сало. При безветрии сало быстро смерзается и поверхность озера покрывается коркой льда, выдерживающей влияние ветра до 5 м/с.

Большие мелководные озера при наличии умеренных ветров (до 5 м/с) замерзают аналогично малым.

На больших озерах в морозную и очень ветреную погоду происходит перемешивание большой толщи воды, которая переохлаждается. Наличие ядер кристаллизации способствует образованию мелких, пластинчатых кристаллов или смерзшихся в губчатую непрозрачную массу скоплений внутриводного льда, который может находиться в толще воды во взвешенном состоянии - глубинный лед, а также на дне – донный лед.

Смерзаясь, кристаллы внутриводного льда всплывают и образуют на поверхности водоема скопления – шугу. Часто в шуге содержится сало и мелкобитый лед. Если шуга перемещается под действием стокового течения, образуется шугоход.

При выпадении снега на поверхность озера, температура воды которого равна 0С, снег не тает, а образует так называемую снежуру, похожую на мокрую вату. Дальнейшее охлаждение озера способствует образованию в его открытой части сала, смерзающегося в отдельные диски диаметром от 0,5 до 2-3 м – блинчатый лед.

Этот лед беловатого цвета и имеет характерный небольшой валик, идущий по краю льдин. Возникает он от трения льдин между собой. В дальнейшем диски смерзаются, утолщаются и образуют большие ледяные поля или лавы, перегоняемые ветром в направлении берега, где они смерзаются с береговым льдом.

Таким образом, возникает сплошной лед обычно с неровной, торосистой поверхностью, разрастание которого идет от центра озера к периферии.

Помехой для окончательного установления ледостава является ветер, который может взламывать ледяной покров и, нагромождая льдины, создавать торосы.

Для окончательного установления ледостава необходима морозная штилевая погода в течение нескольких дней.

В период замерзания на некоторых озерах отмечаются такие явления как ледоход – движение льдин и ледяных полей, увлекаемых стоковыми течениями, и дрейф льда – перемещение его под действием ветра и волнения.

Встречаются также ледяные валы – образования в виде гряд, сложенных из шуги и битого льда высотой 3-4 м и шириной в основании до 5 м; они образуются у волноприбойных берегов во время волнения. В некоторых озерах формируются пятры - грибовидной формы ледяные острова.

После установления сплошного ледостава дальнейшее нарастание льда в озерах зависит от разности потоков тепла, уходящего вверх сквозь лед в атмосферу и приходящего снизу из водной толщи.

В течение зимы лед подвергается деформациям, проявляющимся в образовании трещин. Трещины – термические – возникают при резких суточных изменениях температуры поверхностных слоев льда, если на нем отсутствует снег, а также под действием снега – динамические.

Образование трещин вызывается и большим количеством выпадающего снега. При значительной его толщине лед погружается в воду и дает трещины, по которым вода, выступая на поверхность, пропитывает снег и замерзает.

В результате образуется мутный беловатый водно-снеговой лед с большим количеством пузырьков воздуха – наслуд. Если при оттепелях лежащий на поверхности льда снег подтаивает, а затем вновь замерзает, то образуется снеговой лед – лженаслуд.

Наслуд образуется и при возникновении во время оттепелей на поверхности озерного льда луж, в дальнейшем замерзающих.

Вскрытие и освобождение озер ото льда происходит под влиянием тепловых и механических факторов (ветер, подъем уровня). При вскрытии озер вначале происходит таяние снега и льда у берегов и там образуются закраины, т.е. полосы открытой воды вдоль берегов.

Весенний подъем уровня способствует отходу льда от берегов, возникает подвижка льда, которая сопровождается появлением разводьев - пространств открытой воды. Ветер и волнения способствуют разрушению ледяного покрова, который распадается на отдельные ледяные поля. Под действием ветра они образуют ледоход и разбиваются на льдины.