6.7. Ледовый и термический режим

Тепловой баланс. Термический режим водоема определяется приходом и расходам тепла, тепловым балансам ли. Уравнение теплового баланса, когда не учитывать некоторые очень малые значимости изменения тепла, какие связанный из выпадением осадков, биохимическими процессами, переходам механической энэргіі в тепловую, вид:

R LE P + Qпр - Qсц Qл ? Qв ?Qл = 0,

где R - радиационный баланс, равный разности между поглощенной водой солнечной радиации (Qр) и эффективным выпрямлением (Qэв), Е - потери тепла на испарение или приход тепла при конденсации водяных порол на поверхность водоема, L - скрытая цеплата испарения, Р - потери тепла или приход тепла в итога турбулентного теплообмена поверхности воды из воздухом, Qпр и Qсц - тепло, которое приноситься вместе из притоком речных вод в водоем и утрачивается со стокам из водоема, Qл - тепло, которое теряться на таянне льде или выделяется при льдоўтварэнні, ? Qв и ?Qл - изменения количества тепла (цяплозапас) за расчетный период в водной массе и донных отложениях. Для расчета изменения тепла в водной массе водоема уравнение прыймае выглояд:

R LE P + Qпр - Qсц LE ? Qцд ?Qв = 0,

где Qцд - приток тепла от дна.

Тепловой баланс можно рассчитать в абсолютных значимостях (ккал, Дж), в ли относительных единицах (Дж/см2 акватории водоема). В приходной части теплового баланса водоемов главным статьям является поглощенная водой солнечная радиация (Qр). Она отражена в уравнения через радиационный баланс (R), значимости которого возрастают из полночи на юг согласна из географической занальнасцю. Да, например, из апреля по октябрь R возрастает от 112-117 кдж/см2 в районе Санкт-Петербурга к 230-250 кдж - в районах Одессы, Сухуми и Тбилиси. Основным статьям расходной части теплового балансо крупных глубоких и мелкаводных водоемов являются потери тепла на испарение (LE). Эти потери за май- октябрь на Анежскім озере (Нср = 30 м) 32 % от поглощенной радиации (Qр), на Кубенском озере (Нср = 2,5 м) 46,7 % Qр, а в откровенной части Байкала около 30 % Qр.

Значимость Р в тепловом годовом баланса большинства водоемов не превышает 10 % Qр. Теплообмен из дном (Qцд) значимость для неглубоких (меньше 20 м), озер из малым вадаабменам, Qл учитывается только в период ледовых образований.

Цеплазапас водоема можно представить в виде количества тепла, которая удерживается в единице объемо воды (q Дж/см3) в ли всей водной массе водоема или отдельного его участка (Q кдж). Для сравнения цеплазапасаў разных водоемов последнюю величину дородно отнести к единице площади водоема ( Q/f0 кдж/см2). Цеплазапас единицы объема воды связанный из ее температурой (t) , цеплаёмкасцю (С) и плотностью (?) зависимостью:

Q = t c ?, Д/cм3

Для пресной воды в границах дакладнсці расчетов можно принять С = 1 и ? = 1, тогда

? = V q = Vtср,

где V - объем воды водоема, слоя, которые определяются по объемной хромой.

Тепловой бюджет. Изменение количества тепла в озере можно определить путям расчета теплового бюджета. Обычно определяется годовой, сязонны или месячный тепловой бюджет озера. При нагревании водоема его значимость положительной, про ахалодлжванні - отрицательное. В соответствия с этим выделяются гидрологические сязоны: вясенняга нагревания, летнего нагревания, осеннего охлаждения и зимнего охлаждения.

Сязон вясенняга нагревания - пачынвз перехода теплового баланса к положительным значимостям и заканчиваются переходом температуры водоема через тэмпературунайбольшай плотности (для пресных вод 4о С).После этого периода начинается сязон леняга нагревания, который заканчивается годовым максимумом температуры и цеплазапасу. Асеннее охлаждение продолжается от годового термического максимумо к переходу температуры воды через температуру наибольшей плотности, который завершается сезоном зимнего охлаждения.

Термическая структура водоема - распределение тепла по всему его объему отличается неоднородностью и в течение каждого гидрологического сязону характеризуется сочетанием вертикальной ізатэрміі (одинаковой температуры) из горизонтальной неоднородностью температуры или горизонтальной ізатэрміі из вертикальной неоднородностью. В начала каждого гдралагічнага сезоно характерна для его термическая структура формируется сначала в прибрежной мелкаводнай части водоема. В то же время структура предыдущего сезоно еще сохраняется в глыбокаводных участках. Для зимнего периода термического режима пресных озер умеренной климатической зоны из устойчивым ледяным покровом характерна обратная термическая стратификация, при которой в прыдонных слоях находятся более теплые воды из температурой, близкой к температуре наибольшей плотности (+4о С). К поверхности температура повышается к 0о. В течение зимы происходит постепенная отдача тепла из воды через лед в воздуха, а в связи с этим в крупных глубоких озерах происходит охлаждение водной массы и наіменшыя температуры наблюдаются перед весенним нагреванием.

В мелкаводных водоемах с значительным вадаабменам часть поступающего из дна тепла выноситься вытекающей рекой и цеплазапас донных откладывал и водной массы постепенно бяеднее. Падлёдны максимум температуры воды наблюдается сразу после ледаставу или в середине зимы, после чего температура понижается к началу весеннего падлёднага нагревания. Различия температуры по горизонтали на любой глубине находятся в границах точности инструментальных измерений и практично зимой в озерах наблюдаются горизонтальная ізатэрмія при вертикальной неоднородности водной массы ( обратная стратификация).

Весной, после таяння снегу на льде солнечная радиация начинает более інтенсіўна проникать через лед в воду, и вызывае падлёдный прогрев воды. Из момента, когда суточный тепловой баланс водоема становится устойчивым положительным, начинается период весеннего нагревания водоема. В глубоких озерах после ускрыцця нагревания продолжается при обратной стратификации. При награванніі частичек воды поверхностного слою к температурам, близких к 4о С, узніакае свободная конвекция, которая вместе из ветровым перемешиванием приводить озеро в состояние гоматэрміі - одинаковой температуры от поверхности к дну на каждой вертикали при разнице температур по горизонтали между вертикалями. Учас нагрева при обратной температурной стратификации часто наблюдается дыхатэрмія - минимум температуры на некоторой глубине, которая возникает во время штиля при повышении температуры верхнего слою и слабом ветровом перемешивании воды. Нагрев воды при перемешивании продолжается к моменту достижения всей водной массой температуры максимальной плотности (4о С). Подальше нагрев охватывает только верхний слой воды. Возникает разность температур между верхними и глубинными слоями, которая зависит от плотности воды. Водоем переходить в состояние прямой температурной стратификации (слоистости), которая характэрызуецца убываннем температуры воды от поверхности к дну.

Явление термического бара. При устойчивом ветровом перемешивании даже при высоких температурах, в особенности в небольших водоемах, возникает гоматэрмія. Даже в таком озере, как Ільмень, она часто возникает и летом. Нагревание воды мелкаводных участков водоемов весной происходит скорей, чем в откровенных глыбокаводных. В связи с этим возникают различия в значимостях температуры по акватории, которые в крупных озерах к концу периодо весеннего нагревания достигает 10-20о С. В крупных глубоких озерах (Ладожское, Анежскае и др.), в концы периодо воды прибрежных участков нагреваются к температуре повыше 4о С, в то время, как температура воды в откровенной остается еще пониже 4о С. Такая разница в температурах по акватории крупных пресных водоемов приводить к возникновению термического бара (тэрмабара). Эта явление впервые была апмсана Ф.Фарэлем. Однако более точно было изучена А.И.Тихомировым на Ладожском и Анежскім озерах в 1962-76 гг.

Суть явления термического бара заключается в том, что между прибрежными водами, нагретыми к температуре повыше 4о С и водой откровенного водоема, которая из температурой пониже 4о С, находиться вертикальный или слабо наклоненный слой из температурой 4о С - термический бар. Благодаря наибольшей плотности воды этого слоя, в нем несколько пониженный уровень воды и адбваецца вертикальная циркуляция. Тэрмабар разделяет озеро на прибрежную цеплаактыўную часть (ЦАЧ), которая продолжает нагреваться, и цеплаінертную (ЦІЧ), которая еще длинно сохраняет низкие температуры. В цеплаактыўнай части аккумулируются вода упадаючых рэк и склонового стока, тут інтенсіўна развивается жизнь озера. Кроме термических различий, возникают и различия в физико-химических уласцівасцей воды (прозрачности, цветнасці, в удержания отдельных іонаў, биогенных элементов). Возникают таким образом значительные объемы воды, которые отличаются между собой физико-химическими свойствами, устойчивыми в каждой массе. По мере нагревания воды цеплаэнертнай части, тэрмабар постепенно отступает в откровенную часть озера и исчезает при прогревании ее к температуре повыше 4о С.

Тэрмабар возникает и осенью, когда в центральной части озера сохраняется еще значительный цеплазапас, а прибрежная часть інтенсіўна охлаждается. Возникают различия в температурах, похожие вясенняй ситуации, однако уже из более холодными водами в прибрежной части. Тэрмабар постепенно продвигается в откровенную часть по мере охлаждения воды. Тэрмабар характэрызуе горизонтальную неоднородность водных масс озера.

Для весеннего периода характерна горизонтальная неоднородность распределения температуры при гоматэрміі на вертикалях, а в крупных водоемах - тэрмабар при гоматэрміі в цеплаінертнай и прямой стратификации в цеплаактыўнай зоне. Нагревание верхнего слоя воды, который працягваеецца в летний период при прямой стратификации, приводить к пасілення устойчивости водной массы. Энергии ветру недостаточно к полному перемешиванию водной массы водоема и в нем формируются три вертикальные термические зоны.Верхняя зона - эпілімніон - отличается высокой температурой, которая благодаря ветровому перемешиванию слабо понижается из глубиной. Для средней зоны - металімніона (тэрмакліна) - слоя температурного ли скачка характерна резкое понижение (прыжок) температуры из глубиной. Мощность металімніона небольшая по сравнению из двумя вторыми зонами (от нескольких дециметров к нескольким метров). Разница температур на его верхней и нижней границах достигают 20о С и больше, а вертыкальный температурный градиент, который определяется изменением температуры с изменением глубіны на 1 м, достигает 8-10о и больше на 1м. Нижняя, относительно холодная зона - гіпалімніон, - отличается неторопливым и незначительным понижением температуры из гыбінёй.

В озерах из слабым перемешиванием эпілімніон, металімніон и гіпілімніон отличаются один от второго не только температурой, но и являются слоями воды в которых резка отличается химический, газовый, биологический режимы. Да, эпілімніон получает кислород из воздуха, тут складывается благоприятный светавы режим и хорошо развивается жизнь. Металімніон является преградой для проникновения кісларода, органических веществ, гідрабіонтаў в гіпалімніон. В связи с этим в гіпалімніоне при наличии могучих отложений донных откладывал богатых органическими веществами, происходит інтенсіўнае использование кісларода и часто наступает его дефицит. В шторм и достаточно сильном ветровом волнении происходит перемешивание значительной толщи воды, слой температурного скачка продвигается на глубину, а при небольших глубинах он может перейти в состояние гоматэрміі.

Летом в штиль часто наблюдается мезатэрмія - максимум температуры воды на некоторой глубине. Она образовывается путем конвекции при охлаждении озера в ночные времена. В этот период года температура воды по акватории выравнивается и отличается всего на 2-3о С, и только при угонах и нагонах может значительно отличаться в супрацілеглых берегов.

Сезон осеннего охлаждения. Максимальным нагреванием озера заканчивается летний период и начинается сезон осеннего охлаждения. В первую фазу этого периодо охлаждение идет при прямой температурной стратификации. Тепловой баланс становится отрицательным, цеплазапас и температура эпілімніона понижается. Соответственно с этим уменьшается разница в плотности воды по вертикали и устойчивость. Часть тепла поступает при перемешивании в более глубокие слои, увеличивается их температура и цеплазапас. Осеннее охлаждение приводить в крупных озерах к горизонтальной температурной неоднородности воды. В прибрежных мелкаводных районах температура воды скоро понижается, устанаўліваецца гоматэрмія в то время, как в центральных глубоких районах сохраняется более высокая температура и прямая стратификация. Слой температурная скачка опускается на большую глубину, а затем вода перемешивается к дну и наступает осенняя гоматэрмія. При такой неоднородности температуры возникает термический бар. В различие от вясенняга периода, температура в цеплактыўнай зоне пониже, чем в цеплаінертнай. После наступлення гоматэрміі при 4о С наиболее інтенсіўна охлаждается верхний слой воды, что приводить водоем к устанаўлення обратной температурной стратификации.

Для осеннего периодо тыпічнымі являются горизонтальная термическая неоднородность, гоматэрмія и слабо выраженная прямая температурная стратификация. Для крупных озер характэрэн тэрмабар из гоматэрміей в цеплаактыўнай области и прямой стратификацией в цеплаінертнай. В озерах тропических широт весь год, кроме зимы, наблюдается прямая температурная стратификация. Зимой наблюдается активное перемешивание и наступает гоматэрмія. В полярных озерах наблюдается обратная стратификация весь год кроме лета, когда наблюдается гоматэрмія, перамешваніе, а подчас и прямая стратификация.

Інтенсівнасць термічных процессов, продолжительность и время наступлення гидрологических сезонов сильно покачивается в озерах рзных померил даже в одной и той же географической зоне. Крупные глубокие озера отличаются термічнай інэрцыей, нагревание и охлаждение их идет медленно, чем мелкаводных водоемов. Максимальные температуры и экстэрмальныя значимости цеплазапаса в их наблюдаются значительно позже. Для суточного и годового хода температуры воды на разных глубинах характерна понижение из глубиной амплитуды покачиваний и опоздание экстэрмальных значимостей температуры. Благодаря термической инерции водоемов, унутрыгадавы ход температуры поверхности озер опаздывает по сравнению из ходамтэмпературы воздух. Весной температура воды пониже температуры воздуха, летом и осенью - повыше. Амплитуда покачивания температуры воды пониже, меньше, чем воздух. Аналогичный и соотношения покачиваний температур воды и воздух в течение суток: в день вода холоднее воздух и теплее наутро и ночью.

Крупные глубокие водоемы отличаются тепловой инерцией, а т.е. нагревание и охлаждение их воды происходит медленнее, чем в рэках. Температура воды рек, которые вытекают в период вясенне- летнего нагревания пониже, чем в безазёрных рэк в том же рёне, а во время охлаждения - повыше. Да, например, средняя месячная температура воды в истока Невы из Ладожского озера в маи-августы пониже средней месячной температуры упадаючых а озера рек на 1,5-3о, а уверасні-ноябре на 0,6-1,7о повыше.

Тепловое загрязнение. Для охлаждения разных агрегатов промышленных предприятий и в особенности тепловых электростанций (ЦЭС) требуется большое количество воды. Подогретые воды скидываются в водоемы-охладители, в качества которых используются как специальные пруды, озера и водохранилища. Современные крупные ЦЭС и ГРЭС мощностью 2100-2400 Мвт требуют для охлаждения своих агрегатов 70-90 м3/с воды и скидывают в вадаемы-охладители тепловые потоки, сувымяральныя из средними годовыми расходами воды таких рек, как ВОРОНЕЖ, Сейм, Сена, Лукомка. Поступление подогретых вод в водоеме влияет на на условия жизни водных организмов и продуктивность водоемов. Повышение температуры воды к 30-33о С может привести к дефициту кісларода в днаі заморам рыбы.

В связи из воздействием подогретых вод происходит тепловое загрязнение водоемов. Под зоной теплового загрязнения падразумяваецца часть водоема, в какой превышение назіраемай температуры (н) над природной (п) более допустимой величины (нормы). Ограничение по температуре в подогревания водоемов приводиться к устанаўлення допустимой температуры: в Англии, Франции, Германии к 30о С, Польши - к 26о. В СССР позволялась нагревать воду водоемов летом на 3о повыше максимальной природной величины температуры, зимой - на 5о С.

Температурные классификации озер. Ведущими возеразнаўцамі вселенной (Ф.А.Форель, 1856, 1901; Іошымура, 1936; Хатчынсон и Лёффлер, 1956; В.Хомскіс, 1969; А.И.Тихомиров и др.) были предложенный термические классификации озер, которые учитывали распределение температуры в водной массе и особенности связанной из тэрмікай циркуляции воды.

Первая термическая классификация озер была разработана Ф.А.Фарэлем , которую можно назвать климатической. Все озера вселенной он разделил на три термические типы: полярные, умеренных широт и тропические. Полярные озера отличаются в течение всего года температурой пониже 4о С. В озерах этого тэпу зимой перавагае обратная тэмператрная стратификация, а летом - циркуляции. Озера умеренных широт характеризуются летними температурами повыше 4о С, а зимой пониже 4о С, прямой стратификацией летом, обратной - зимой, циркуляцией при гоматэрміі весной и осенью. Тропические озера имеют температуру воды повыше 4о С в течение всего года. В озерах перавагае прямая термическая стратификация и зимняя циркуляция.

Наиболее дыталёвая термическая классификация озер вселенной была разработана Хатчынчанам и Лёффлерам. В основу выделения типов азё были положенный особенности циркуляции, связанной из тэрмікай озер. По этому прызнаку все озера были разделенный на два основные типы: галаміктычныя и мераміктычныя. Галаміктычныя отличаются полной циркуляцией один или несколько раз в гаде. Мераміктычныя отличаются большой разницей плотности воды по вертикали, какая связана из разницей величины минерализации. Поэтому циркуляции охватывают только верхний слой. Галамектычныя озера в свою очередь разделяются на два подтипы: діміктычныя и монаміктычныя. Діміктычныя озера отличаются двумя периодами цыркуляцым (весной и осенью) и устойчивой стратификацией летом и зимой. Этот тип озер характерный для умеренной климатической зоны. Монаміктычныя озера характэрызуюцца одним периодам циркуляции воды в год. В районах из тропическим или умеренно-теплым климатом распространенный теплые монаміктычныя озера, которые соответствуют тропическим озерам по Фарэлю, а в полярных районах - холодные монаміктычныя озера соответствуют полярным озерам. Мераміктычныя озера азанальны и встречаются в разных районах вселенной.

В.Хомскіс предлагал тэрмагыбінную классификацию озер, которая была разработана для озер Литвы. В качества классификационного прызнака была принята разность температуры прыдоннага слоя воды летом (tл) и зимой (tл): ?t = tл - tз, которая зависит не только от абсолютной значимости глубины озера, но и от формы его котловины и звязанным с этим ветровым перемешиванием. По этому прызнаку озера делятся на четыре группы: термическо очень глубокие (?t 0), термическо глубокие (0,5о < ?t < 5о), сярэднеглыбокія (5о < ?t < 15о), мелкаводныя (?t 20o).

А.И.Тихомиров разработал термическую классификацию пресных озер умеренной климатической зоны. В основу классификации были положенный особенности годового цикла термического режима в первую очередь летнего периода. Согласна из классификацией озера разделяются на три классы: эпітэрмічныя, гіпатэрмічныя и метатэрмічныя. К эпітэрмічных озер относятся неглубокие (4-6 м) озера, вода которых в течение всего года бязледнага периода находятся в состоянии гомотэрміі или слабо выраженной прямой стратификации, а зимой происходит падлёднае нагревание воды от дна. Класс гіпатэрмных озер включает крупные глубокие озера. Весеннее нагревание и осеннее охлаждение в их длительной и сопровождается тэрмабарам. Летом хорошо выраженный эпі-, мета- и гіпалімніон. Гіпалімніон занимает большую часть объемо озера. Промежуточное положение занимает класс метатэрмічных озер. Озера этого класса имеют глубины 6-10м, в каких летом возникают все вертикальные термические зоны, но металімніон сначала осеннего охлаждения опускается в прыдонныя слои.

Ледовые явления. Для озер характерный тыяж закономерности образования разных форм льда, процессов замерзания и ускрыцця, что и для рек. Однако, для озер они имеют некоторые особенности, какие связанный из большим цеплазапасам озер, взаимодействием ветру, волн и цячэнняў. Да, унутрыводны лед образовывается только в слоях, которые інтенсіўна перемешиваются. На участках, где перемешивается вода к дну возникает донны лед. Тонкая ледяная пленка - сало - бывает на паверхнасці озер в тихую морозную погоду. Заберагі возникают на закрытых от ветру местах. Из поломанного ветром и волнами сала и заберагаў образовывается блінчаты лед - акруглыя льдины. При сильном ветровом волнении на берегах крупных озер бывают наплескі - зледзяненне прибрежных скал во время прибою. На адмелых берегах награмаджаюцца валы из выброшенных на берег льдин, которые достигают 1,5-2 м в высоту. При дальнейшем выхалоджванні озеро заберагі нарастают в сторону откровенной части. К им примерзает сало и плаваючыя льдины. Озеро постепенно покрывается сплошным льдом.

Период охлаждения озера ( ) от некоторой температуры (Ті) к температуре замерзания зависит от его цеплазапасу пропорционально размерам озера (средней глубины Нср) и обратно пропорционально інтенсіўнасці теплоотдачи ( ):

(Нср Ті)/ .

В числителе формулы приведенный цеплазапас стаўба воды сечением 1 см2. В зависимости от цеплазапасу озер, інтенсіўнасці охлаждения воды и метеорологических условий период льдоўтварэння покачивается як по разному озерам, да и на одном озере в разные годы. Малышки мелкаводныя озера могут замёрзнуць в течение одних суток. На средних и крупных мелкаводных озерах между появлением на их поверхности первых ледовых образований и ледаставам проходить от 3-5 к 15-20 дней. Центральные части крупных озер длинное время после замерзания прибрежной зоны и заливал (к 1-1,5 месяцы) астаются откровенными, а в мягкие зимы или при сильных ветрах не замерзают совсем. На озерах правильной формы замерзание идет последовательно, концентрическими зонами от берегов к центру.

Озерный лед имеет слаістую строение. На поверхности воды лежит водный кристаллический наиболее прозрачный лед. На его поверхности. При выхождении воды по трещинам, из прапітанага водой снегу образовывается водно-снегавы лед (наслуз), мутно-белый из малой прозрачностью. При падтайванні и следующем смерзании снегу на льда возникает снегавы лед. Нарастание озерного льда, так как и на рэках, зависит от разности между тепловым течением, которая поступает из воды к нижней поверхности льда и тепловым течением через лед в воздуха.

Ледастаў озер подвергается термическим деформациям, связанным с изменением плотности льда при покачиваниях температуры и покачиваниями уровня воды, вызваннымі деятельностью ветру. При резкой смене температуры воздуха происходят разрывы ледастава - трещины, какие часто возникают в одних и тех же участках озера. Из понижением уровня воды связана оседание льда на дно мелкаводдзяў и разрыв его на их границах. Толщина льда в умеренных широтах покачивается от нескольких см в районах из неустойчивой и мягкой зимой к 1,5-2 м и больше в условиях сурового континентального климата.

Ускрыццё водоемов происходит под воздействием термических факторов - солнечной радиации, в том числе и пранікаючай через лед, адвектыўнага тепла воздушных масс, тепла, который поступает из талымі и дождевыми водами, и механических факторов - воздействием текучих вод и ветру.По мере таяння снегу, через лед проникает все более солнечной радиации, какая частично нагревает воду, частично теряться на таянне льда, которое происходит як сверху, да и снизу ільда. На нижней границе льда той около 1/3 общей толщины льда. На малых озерах лед той на места. На крупных озерах после образования закраин ледастаў под воздействием ветру разламваецца. Наблюдается дрейф льда и часто награмаджэнне его на берега. Часть льда выноситься вытекающими из озера рэками.