2 месяца назад
Нету коментариев

Широтное положение Байкала приблизительно соот­ветствует пространству между Киевом и Москвой. В этих широтах, и даже севернее, уже в мае температура на по­верхности озер обычно поднимается до 15° и выше. Тем­пература поверхности расположенного почти на 10° север­нее Байкала Онежского озера в июне превышает 13°. На Байкале же в течение всего июня температура редко поднимается выше 4°, а в самой северной части озеро ос­тается таким же холодным до середины июля. На севере до конца июня и даже в июле нередко можно встретить отдельные тающие льдины.

В течение ноября температура на поверхности озер средних широт обычно падает до 0,5° и ниже, а в Байкале обычно температура в этот месяц понижается только до 2—4°. На поверхности Байкала средняя температура ноября составляет 3,9°, но в северных его районах она значительно ниже. Озера средних широт обыкновенно замерзают в конце ноября — начале декабря. Байкал ста­новится под лед обычно в начале января, а иногда и позд­нее. В этом своего рода запаздывании нагревания летом и охлаждения поздней осенью заключается одна из своеоб­разных особенностей Байкала.

Другая особенность — во время наивысшего нагрева­ния поверхности озер средних широт (в начале августа) температура в Байкале обычно не превышает 12—14° и лишь у берегов, особенно в заливах и бухтах, может под­ниматься до 18—20°. В других озерах средних широт тем­пература в это время достигает 22—24° и даже в больших озерах Онежском и Ладожском 18—20°.

Третью и очень важную особенность температуры Бай­кала составляет то, что летом здесь прогревается лишь сравнительно очень тонкий, около 10—15 метров, поверх­ностный слой воды, а глубже температура быстро пони­жается до 4—5°. Таким образом, верхний слой теплой во­ды летом составляет ничтожно малую часть огромной мас­сы байкальских вод, сохраняющих неизменно низкую тем­пературу.

Чтобы понять происхождение этих особенностей Бай­кала, нужно помнить о некоторых свойствах воды.

Известно, что вода обладает громадной теплоемкостью, превосходя в этом отношении подавляющее большинство других веществ. Достигнуть той температуры, которая наблюдается обычно летом, озера и другие водоемы могут, лишь получив очень большое количество тепла. Столь же большое количество его должно быть отдано для охлаж­дения воды до зимней температуры.

Вода обладает и очень высокой способностью погло­щать тепло. Поэтому тепловые солнечные лучи — главный источник прогревания вод — оказываются полностью по­глощенными тонким, около 1 м, поверхностным слоем воды.

Вместе с тем вода отличается очень малой теплопро­водностью: при условии полной неподвижности тепло рас­пространяется в ней чрезвычайно медленно. Если, напри­мер, на поверхность водной массы, имеющей температуру 0°, постоянно действует источник тепла с температурой 30°, то потребовалось бы 1000 лет для того, чтобы на глу­бине 100 м температура поднялась до 7,3°, на глубине 200 м — до 0,6° и иа глубине 300 м — до 0,01°. В озе­рах, однако, тепло распространяется на глубину с го­раздо большей скоростью. Здесь большую роль играют различного рода перемешивания вод.

Еще одно замечательное свойство присуще воде. Дело в том, что все вещества при нагревании расширяются, при этом плотность их уменьшается, и, наоборот, при охлаж­дении — сжимаются и плотность их возрастает. Пресная вода при нагревании и охлаждении в температурном ин­тервале от 4 до 100° при давлении в 1 атм. ведет себя так же, как и другие вещества. Но в интервале от 4 до 0° происходит обратное: при охлаждении ее плотность умень­шается, а при нагревании — увеличивается. Аномалия из­менения плотности воды объясняется особенностями ее молекулярного строения. Таким образом, пресная вода име­ет наибольшую плотность при температуре около +4°, точнее 3,94°. Эта температура, однако, не остается посто­янной: с возрастанием давления она понижается. В усло­виях громадного давления на больших глубинах это пони­жение значительно. В этом явлении — ключ к пониманию своеобразия распределения температуры в Байкале.

Прогревание и повышение температуры водоемов про­исходят в основном за счет поглощения водой солнечного излучения. Значительно меньшую роль играет летнее поступление тепла в воду из более теплого воздуха. Наряду с приходом тепла в водоем происходит его отдача. Тепло теряется при испарении, оно излучается нагретой водой в пространстве и переходит в воздух, когда он холоднее во­ды. Некоторое значение в изменении количества тепла имеют притоки: их воды несут то больший, то меньший запас тепла и могут повышать или понижать температуру водоема.

Не принимая во внимание некоторые малозначащие виды прихода и расхода тепла, можно заключить: в основ­ном теплообмен водоема идет через его поверхность. Каза­лось бы, все изменения температуры должны ограничи­ваться тонким поверхностным слоем воды вследствие ее очень малой теплопроводности. Однако это не так. Зна­чительные изменения температуры нередко быстро на­ступают в течение немногих часов до глубины в 20—30 м, а правильные сезонные изменения охватывают водные слои до 200—300 м. Очевидно, здесь действует не молеку­лярная теплопроводность, а перенос тепла с различно на­гретыми водными массами в вертикальном направлении. Этот перенос, или перемешивание, тесно связан с послой­ным распределением плотности воды. В пресноводном во­доеме последнее целиком зависит от температуры. Пред­ставим себе, что плотность воды с глубиной уменьшается. Как говорят при этом, водная масса неустойчива. В этом случае более плотные верхние слои стремятся погрузить­ся, а более легкие, глубинные — подняться. Возникает конвекция, или конвективное перемешивание. Происходя­щее при этом перемещение тепла называют конвективной теплопроводностью.

Если же плотность с глубиной возрастает, то естествен­но конвекция отсутствует и перемешивания могут вызы­вать лишь динамические факторы (волны и течения), преодолевающие устойчивость водной массы. Такое пере­мешивание называется турбулентным, а происходящий при этом перенос тепла — турбулентной теплопроводно­стью.

В крупных озерах, особенно таких, как Байкал, харак­тер температурного режима осложняется разнообразием климатических и метеорологических условий в разных частях огромной акватории. Соответственно неодинаковы условия приходо-расхода тепла и перемешивания, различ­ны нагревание и охлаждение вод. Кроме того, в больших озерах наблюдается горизонтальный перенос тепла на да­лекие расстояния течениями. Создается сложная картина температурной неоднородности. Особенно сильно ото выражается в распределении температуры на поверхности озера.

На основании громадного числа измерений, проводи­мых на протяжении многих лет, удалось вычислить сред­немесячные температуры по всей акватории Байкала. По­лученные таким образом данные были нанесены на карту озера в виде изотерм — линий, соединяющих точки с оди­наковой среднемесячной температурой. По этим картам можно судить не только о большой неоднородности рас­пределения температуры, но и о ходе ее изменений на протяжении безледного периода в разных частях Байкала.

В июне, когда в северных районах озера местами еще сохраняется лед, среднемесячная температура на подав­ляющей части поверхности равняется 3—4° и только в об­ластях распространения теплых вод рек Селенги, Баргу­зина, Верхней Ангары и по мелководьям юго-восточных берегов она резко повышается — до 10—12°. Несмотря на большой в это время приток тепла, повышение температу­ры Байкала идет очень медленно: благодаря мощному, главным образом конвективному, перемешиванию посту­пающее солнечное тепло распределяется в большой толще вод до глубин 250—300 м. Только сильно прогретые реч­ные воды, расстилаясь по поверхности озера, резко повы­шают температуру.

Наибольшую неоднородность обнаруживают среднеме­сячные температуры июля. На довольно большом прост­ранстве в Северном Байкале и в центральной части Сред­него еще сохраняется температура ниже 4°, а во многих местах она уже поднялась до 12—14 и даже 16°. Прогрев в это время идет достаточно быстро: распространение тепла ограничивается сравнительно тонким поверхност­ным слоем; конвективное перемешивание при температу­ре выше 4° прекращается, а турбулентное распространяет­ся на небольшую глубину.

Среднемесячные температуры августа наиболее высоки и распределяются равномернее (рис. 27). Преобладают температуры 10—14°. Лишь в центре Северного и Средне­го Байкала сохраняются небольшие участки с темпера­турой 8—9°, а в южной оконечности озера и еще кое-где поверхность воды близ берегов прогрета до 15—18°. В сен­тябре среднемесячная температура распределяется еще равномернее: при начавшемся общем охлаждении озера более прогретые районы теряют тепло скорее. На подавляющей части акватории она колеблется от 9 до 12°. Быст­ро идущее охлаждение снижает среднюю октябрьскую температуру почти по всему озеру до 7—8°. Теперь реч­ные воды охлаждают предустьевые районы до 5—6°. Быст­рее охлаждаются и прибрежные мелководья.

Распределение среднемесячной температуры воды по поверхности Байкала в августе

Распределение среднемесячной температуры воды по поверхности Байкала в августе

В ноябре температура поверхности озера колеблется в пределах 3—4° п только в северном его конце она падает уже до 2°. В декабре по всей акватории, за исключением самого южного конца, отмечается 0—1°; Северный Бай­кал замерзает, много льда появляется и в других частях озера. После того как весь Байкал сковало льдом, в под­ледном слое устанавливается температура 0—0,1°. Но не надолго — уже в феврале солнечные лучи, проникающие через прозрачный лед, начинают повышать температуру воды. Таковы температурные особенности поверхностного слоя вод Байкала. Главные из них: большая температур­ная неоднородность акватории озера, особенно во время летнего прогревания в июле и августе, и невысокий летний прогрев, связанный с тем, что поступающее солнечное тепло распределяется в громадной толще вод. Получаю­щие не больше солнечного тепла мелководные байкаль­ские соры нагреваются летом до 25—27°.

Какова же мощность толщ байкальских вод, участвую­щих в годовом теплообороте озера и в сезонных изменени­ях температуры?

Байкал относится к типу тех особо глубоких озер, ко­торые отличаются меромиксией, т. е. частичным переме­шиванием вод. В этих озерах в сезонных перемешиваниях участвует только верхний слой вод той или иной мощно­сти. В Байкале мощность этого слоя соответствует пределу распространения весенне-осенних конвекции, т. е. глубине около 250—300 м. Распределение температуры в этом слое в разное время года показано кривыми, полученными на основании послойных измерений. Кривые, построенные в системе прямоугольных координат, представляют собой плавные линии, соединяющие точки, отмечающие темпе­ратуру на разных глубинах (рис. 28). После освобождения ото льда озеро начинает поглощать большое количество солнечного тепла. Но вода теплеет очень медленно: про­ходит более месяца прежде, чем температура поднимется на 2—3° и достигнет 4°. Это объясняется огромной тепло­емкостью воды и тем, что в это время мощные конвекции распределяют поступающее тепло в большой толще воды до 200—300 м. На протяжении этого периода весеннего перемешивания устанавливается так называемая гомотер­мия, т. е. во всей водной толще отмечается одинаковая температура (кривые 22.V и 25.VI). Когда во второй по­ловине июня — начале июля она достигает 4° и вода у поверхности при дальнейшем нагревании будет становить­ся все менее плотной, конвекция прекращается.

Послойное распределение температуры в Южном Байкале

Послойное распределение температуры в Южном Байкале

Озеро вступает в фазу летнего прогрева. Наблюдается прямое температурное расслоение — температура пони­жается с глубиной. Теперь тепло уже не переносится на большую глубину, а сосредоточивается в поверхностном слое и распределяется только турбулентным перемешива­нием, т. е. действием волн и ветра. Устанавливается ха­рактерное для лета распределение температуры (кривые 10.VII и 12.VIII). Обособляется верхний, в 5—15 метров, юлой, эпилимнион. Волнение поддерживает в нем одинаковую температуру. Ниже она резко падает, образуя слой температурного скачка, или металимнион. При таком распределении температуры нередки случаи резкого (в те­чение нескольких часов) охлаждения воды у берегов с 16—17 до 4—5°. Это — результат действия ветра, сгоняю­щего от берега поверхностную теплую воду. На ее место поднимается холодная глубинная вода.

Во второй половине августа поверхность озера начина­ет охлаждаться. Особенно хорошо это заметно в сентябре. В это время к турбулентному перемешиванию вод озера присоединяется конвективное, усиливающееся во время ночного охлаждения. Все глубже и глубже распространя­ются равномерно охлаждающиеся воды, достигая 30—50 м, но они все еще теплее более глубоких.

По мере дальнейшего охлаждения роль конвективного перемешивания все возрастает, вскоре оно уже достигает глубины более 250 м. Интересно, что в это время тепло рас­пространяется в глубины озера, остававшиеся все лето хо­лодными, и повышает их температуру (кривая 20.Х). В но­ябре при сильном охлаждении, когда перемешивание до­стигает уже глубины до 300 м, а часто и глубже (кривая 23.XI), во всей этой толще устанавливается осенняя гомо­термия — одинаковая температура, близкая к 4°. При дальнейшем понижении, ниже 4°, вода становится все ме­нее плотной и конвекция прекращается. Но с большой си­лой проявляется мощное перемешивание осенними ветра­ми, охлаждающее воду ниже 4° до глубин 100 м и более. При этом все же верхние слои охлаждаются скорее. Уста­навливается обратное температурное расслоение, сохра­няющееся всю зиму.

Период осеннего охлаждения до полного замерзания Байкала так же, как и период весеннего прогревания, очень продолжителен. Несмотря на рано наступающие мо­розы, температура озера опускается медленно — по мере отдачи громадных запасов тепла, накопленного за лето мощными толщами байкальских вод. На рис. 29 показан годовой ход температуры на разных глубинах Байкала. Видно, что с возрастанием глубины уменьшается годовая амплитуда колебаний температуры и запаздывает наступ­ление годового максимума температуры.

Годовой ход температуры на разных глубинах в Южном Байкале

Годовой ход температуры на разных глубинах в Южном Байкале

Таковы основные черты сезонных изменений темпера­туры в верхнем 250—300-метровом активном слое бай­кальских вод. В течение года в этом слое меняется харак­тер температурного расслоения: летом при температуре выше 4° господствует прямое расслоение с понижением температуры с глубиной, а зимой, когда температура ниже 4°,— обратное расслоение с повышением температуры с глубиной. Весной и осенью, когда совершается переход от одного типа расслоения к другому, озеро проходит фазы весенней и осенней гомотермии. Эти температурные изменения выражают годовой теплооборот озера (приход и расход тепла). В то же время они тесно взаимосвязаны с характером перемешивания вод (вертикальным перено­сом тепла).

Под активным верхним слоем лежит огромная масса холодных вод Байкала, не участвующих в годовом тепло­обороте озера и в переносе тепла. В глубинную область проникают лишь очень замедленные движения вод, но и они не оказывают заметного влияния на ее температурное постоянство. От верхней границы этой области на глуби­не 200—300 м, где сохраняется почти неизменная тем­пература 3,5—3,7°, температура постепенно понижается до 3,15°. На наибольшей глубине, т. е. на глубине в 1600 м, температура изменяется всего на 0,5°. Такое распределе­ние температуры находится в кажущемся противоречии со свойством пресной воды достигать наибольшей плотности при температуре +3,94° и становиться менее плотной при ее понижении. Казалось, глубинная область должна нахо­диться в состоянии неустойчивости, что в свою очередь вы­зовет конвекцию. Однако глубинные воды Байкала устой­чивы.

Эта загадка озера впервые привлекла внимание А. В. Вознесенского. В 1908 г. он дал ей объяснение. Позднее это явление было глубоко исследовано Г. Ю. Вереща­гиным. Разъяснения ученых сводились к следующему. Температура, при которой пресная вода имеет наиболь­шую плотность, понижается с увеличением подводного давления. При давлении в 10 атм. наибольшую плотность вода будет иметь не при 3,94°, а при 3,83°. Давление в 100 атм. понизит эту температуру уже до 1,87°. По мере погружения в водную толщу на каждые 10 м будет воз­растать на 1 атм. давление и соответственно понижаться температура наибольшей плотности воды. На наибольших глубинах Байкала она будет уже близкой к 0°. Вот поче­му, несмотря на падение температуры в глубинной облас­ти Байкала, плотность воды там возрастает и водная масса оказывается устойчивой.

Подобное распределение температуры и плотности воды свойственно всем глубоким пресноводным озерам с темпе­ратурой глубинной области ниже 4°. Однако особенно ярко эта особенность проявляется на Байкале.

comments powered by HyperComments