5.4 Сейши

5.5 Ледово-термический режим

5.5.1 Температурный режим

Общие закономерности температурного режима озер отражают особенности умеренно континентального климата Белоруссии. 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.

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. В открытых озерах этот слой непостоянен и имеет небольшую мощность.

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.

0. Ледовый режим озер

Осеннее охлаждение воды начинается в августе. Вначале водные массы теряют тепло незначительно, а в августе интенсивность охлаждения воды достигает 0,5^о С в сутки. Для мелководных водоемов потери запасов тепла к этому времени составляют около 70 %. Особенно интенсивно охлаждение происходит на акватории с глубинами до 0,5 м, где появляются первые ледовые образования в виде сала и заберегов. При температуре воздуха -5^о С и ниже на открытых участках образуются сало и шугоход. Продолжительность осенних ледовых явлений обычно небольшая – в среднем не превышает недели, однако в отдельные годы этот период может растягиваться до 50 суток.

Разные сроки замерзания и его продолжительность определяются погодными условиями и морфометрическими показателями озер. При одних и тех же погодных условиях мелководные водоемы замерзают одновременно по всей акватории (в 65 % случаев). На глубоководных и сложных по конфигурации (Лепельское) замерзание происходит несколько позже и ледоставу в 84 % случаев предшествуют забереги с продолжительностью существования до 8 суток.

Начало устойчивого ледостава совпадает с датой перехода температур воды через 0,2^о С, которая в среднем приходится на первую декаду декабря, а самая ранняя дата отмечена 11 ноября 1965 года (Лепельское). Здесь же зафиксированы и самый поздний срок установления ледостава (17 января).

Средняя продолжительность ледостава составляет 120-130 дней. Наибольшая продолжительность (155 дней) отмечена зимой 1968-69 года на Заславльском водохранилище, наименьшая (47 дней) – Лепельском озере.

В большинстве случаев в начале декабря все водоемы покрываются льдом и к концу месяца его мощность достигает 25 см с максимальными возможными значениями до 45 см. По данным наблюдений на гидрологических постах в среднем за сутки толщина ледового покрова в начальный период достигает 2-3 см в сутки. При благоприятных гидрометеорологических условиях интенсивность нарастания может достигать 5 см в сутки.

После образования устойчивого ледостава уже в первой половине января нарастание достигает 50 % от максимальной толщины льда за весь зимний сезон, в первой декаде февраля – 90 %, а в конце февраля – начале марта толщина льда достигает максимальных значений.

Если замерзание происходит достаточно быстро и в безветренную погоду, то ледяной покров всегда имеет ровную поверхность с однородным строением и одинаковой толщиной. При растянутом процессе замерзания с воздействием ветра происходит образование неровной поверхности и неровной толщи ледяного покрова. При наличии снежного покрова во время оттепели начинает происходить прирост льда сверху, причем нарастание снежного льда в отдельные годы может достигать до 30 % общей толщины льда. Время наступления максимальной толщины льда довольно сильно варьирует.

Если на поверхности льда снег отсутствует, в конце зимы значительно повышается температура (до 1,5) верхнего слоя воды за счет прогревания солнечными лучами, а в мелководных озерах при этом развиваются диатомовые и даже сине-зеленые водоросли.

С зимним температурным режимом тесно связаны ледовые явления. Образование ледяного покрова в разные годы и на различных озерах происходит не в одно время. Устойчивый покров на озерах Белоруссии по­является в конце ноября — начале декабря. В конце декабря толщина льда составляет 20—35 см, а к началу марта достигает 60—80 см.

Процесс установления ледяного покрова постепенный. В морозную тихую погоду на поверхности воды образуется ледяная пленка из мелких кристалликов. Штилевая погода благоприятствует возникновению небольших, прозрачных льдинок блинчатого льда, которые, смерзаясь и утолщаясь, образуют ледяные поля. У 'берега формируются забереги. Сильный ветер их взламывает, передвигает, и они наползают друг на друга, образуя неровную поверхность торосистого льда. В конце концов забережный лед соединяется с ледяными полями, создавая сплошной покров, который еще неоднократно может разламываться и вновь объединяться. Позднее при зимних оттепелях на поверхности льда вблизи берегов нередко появляются полосы талой снеговой воды. При последующем понижении температуры вода уходит сквозь трещины и поверхность льда снова становится ровной.

Структура льда имеет большое значение для проникновения в озеро солнечных лучей и зависит от условий замерзания. В результате относительно спокойного замерзания формируется водный прозрачный кристаллический лед. Если по трещинам кристаллического льда выходит вода, образуется мутный непрозрачный водно-снеговой лед. На него находит зернисто-шуговый лед, возникающий после сильного волнения воды и неравно­мерного ее замерзания. Наконец, частое оттаивание и замерзание снега, лежащего на поверхности льда, способствует образованию снегового льда, непрозрачного, нередко слоистого.

Образование трещин характерно для всего зимнего периода. Возникают они при резком похолодании и потеплении на всей поверхности льда, но особенно часто вдоль береговой линии. Ширина трещин обычно не более 2—3 см, их направление нередко повторяется из года в год.

Сроки наступления весенних ледовых явлений в каждом конкретном году зависят от суровости зим, что определяет толщину льда, и от времени устойчивого перехода среднесуточной температуры воздуха через 0^о С к положительным значениям. В апреле, с переходом температуры воды через 0,2^о С (первая декада апреля), толщина льда начинает интенсивно уменьшаться. С повышением температуры воды более 1^о С в последующие 10-12 дней водные акватории полностью очищаются ото льда.

Чаще всего исчезновение ледяного покрова происходит постепенно в течение 5—15 дней. Продолжительность процесса зависит от температуры воздуха, направления ветра, колебания уровня воды в связи с таянием снега на территории бассейна. Обычно в конце апреля — начале мая озера освобождаются от ледяного покрова, однако в отдельные годы на крупных водоемах лед сохраняется до середины мая. Общая продолжительность ледостава — приблизительно 150 дней. Озера Полесья вскрываются на 10—12 дней раньше.