Термический и ледовый режим озер

Термический и ледовый режим озер

Курсовая работа

Термический и ледовый режим озер

ВВЕДЕНИЕ

термический ледовый озеро водоем

Озеро - компонент гидросферы, представляющий собой естественный или искусственно созданный водоём, заполненный в пределах озёрной чаши (озёрного ложа) водой и не имеющий непосредственного соединения с морем (океаном). Озёра являются предметом изучения науки лимнологии.

В озерах нашей планеты содержится в четыре раза больше воды, чем в реках, но их жизнь гораздо менее продолжительна. И если озера не пополняются поступающими водами, они могут обмелеть, высохнуть или превратиться в болота. Озера среди поверхностных вод занимают особое место. Они отличаются замедленным водообменом, своеобразным термическим режимом, химическим составом, значительными изменениями уровня [1].

Актуальность работы. В последние десятилетия в мире наблюдается значительное увеличение объема гидроледотермических и ледотехнических исследований водных объектов (рек, каналов, озер, водохранилищ, морей) и сооружений на них, что имеет свои причины.

Озера являются источником пресной воды, а также незаменимый помощник в орошении земель. Но по причине антропогенной нагрузки, многие озера мира претерпели глобальные изменения.

Состояние водных объектов описывается совокупностью различных характеристик. В их число входят: уровень, расход, мутность, минерализация, биомасса, температура воды и другие характеристики в данный момент времени. Закономерно повторяющиеся изменения этих характеристик определяют гидрологический режим водного объекта. Одной из важных характеристик состояния и режима водного объекта является температура воды, которая определяет тепловое состояние и термический режим водных объектов [3].

Термический режим озер - это закономерные повторяющиеся изменения теплового состояния водотоков. Изучение теплового состояния и термического режима имеет большое значение для решения ряда научных и практических задач. Процесс изменения температуры воды в озере связан с изменением интенсивности солнечной радиации и составляющих теплового баланса. Кроме того, на температуру поверхности воды и ее распределение по вертикали и акватории озера большое влияние оказывают глубина, площадь зеркала и наличие островов. Ледовый режим озер - это совокупность закономерно повторяющихся процессов возникновения, развития и разрушения ледяных образований на водных объектах. Изучение ледового состояния и ледового режима озер имеет также большое значение для решения ряда научных и практических задач [6].

Цель данной курсовой работы: изучить особенности термического и ледового режимов озер.

Исходя из поставленной цели, в курсовой работе поставлены следующие задачи:

·        изучить тепловой баланс водоемов;

·        определить основные составляющие теплового баланса;

·        рассмотреть основные особенности термического режима озер;

·        дать характеристику различным термическим классификациям озер;

·        выявить основные пути влияния озер на климат;

·        изучить ледовый режим озер.

Курсовая работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка использованных источников. Объем курсовой работы составляет 29 страниц.

В 1-ой главе рассматривается тепловой баланс водоемов как основа формирования их термического режима, основные составляющие теплового баланса, во 2-ой - особенности термического режима озер и термические классификации озер, в 3-ей - основные пути влияния озер на климат и в 4-ой - ледовый режим озер.

ГЛАВА 1. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ВОДОЕМОВ КАК ОСНОВА ФОРМИРОВАНИЯ ИХ ТЕРМИЧЕСКОГО РЕЖИМА

Озера, расположенные в различных частях земного шара, нагреваются и охлаждаются по-разному, различны и температура воды, ее режимные характеристики. Многие озера зимой покрываются ледяным покровом, время существования которого во многом определяется широтой местности и высотой водоема над уровнем моря. Термическое состояние водоемов является важнейшим лимитирующим фактором их экосистем, определяет многие процессы, происходящие в этих водных объектах, а также термический режим вытекающих из них рек. Процессы нагревания и охлаждения поверхности воды влияют на величину испарения, на некоторые виды циркуляционных процессов, перемещение масс воды в водоемах и т.п. Поэтому при изучении гидросферы вопрос термического состояния озер является одним из важнейших [4].

Изменение условий нагревания и охлаждения водоемов в основном определяется теплообменом, постоянно совершающимся между водной массой и атмосферой. Однако вследствие различных строения котловин, их форм и размеров реакция водоемов на эти климатические сигналы разная. Например, при увеличении площади зеркала возрастает интенсивность ветровой деятельности, а вместе с ней и процессы динамического перемешивания. Возрастание глубин приводит к увеличению зоны низких температур воды. Заметное влияние на термический режим оказывают расчлененность береговой линии, наличие островов и др.

Процессы теплообмена наиболее интенсивно развиваются в самых поверхностных частях водоемов, на границе вода - воздух, а перенос тепла в более глубокие слои осуществляется как при непосредственном проникновении солнечной энергии в воду, так и в результате процессов перемешивания. При неподвижной воде в зависимости от ее мутности и цвета на глубину 1 м доходит до 30 % приходящей к поверхности лучистой энергии, на глубину 5 м - до 5 %, а уже на глубине 10 м энергия практически равна 0. Однако эта общая закономерность нарушается при перемешивании, и поверхностные воды могут проникать на глубину. Так как эти процессы в реках и озерах протекают по-разному, то и распределение тепла в этих водных объектах различно. При этом большую роль играют особенности связи температуры и плотности воды. Максимальную плотность пресная вода имеет при t = 4 °С (277 К), соленая при минерализации S = 10 ‰ - при t = 1,8 °С, а при S = 30 ‰ - при t = -2,7 °С.

Ледяной покров и снег на его поверхности кардинально меняют тепловой режим водоемов. Уже при толщине льда и снега 10 - 20 см практически прекращается теплообмен между атмосферой и водной массой водоема и лишь в конце зимы, когда снег сходит, возможно проникновение сквозь лед некоторого количества радиации, что приводит к незначительному нагреванию воды подо льдом [3].

Основные источники нагревания и охлаждения водоемов представлены в уравнении (1) теплового баланса, которое за время Т имеет вид:

= Ипр - Иэф ± Игл ± Идно ± Ир ± Иисп ± Ив, (1)

где Ипр - прямая и рассеянная солнечная радиация;

Иэф - эффективное излучение;

Иэф - турбулентный теплообмен с атмосферой;

Идно - теплообмен с дном;

Ир - поступление тепла и его потеря с водой втекающих и вытекающих рек;

Иисп - тепло, затраченное на испарение и выделяемое при конденсации;

Ив - теплосодержание водной массы.

В уравнении (1) представлены лишь основные составляющие баланса, важнейшей из которых является радиационный баланс Ир.б = Ипр - Иэф.

Помимо приведенных существует большое количество и других составляющих, значения которых при нагревании и охлаждении водоемов существенно меньше, но при определенных условиях они могут быть значимыми. К ним можно отнести тепло, приносимое грунтовыми водами, тепло, выделяемое или затрачиваемое при образовании и таянии льда, при биологических и биохимических процессах и др.

Доля тепла, получаемого от того или иного источника, зависит от метеорологических условий и меняется от сезона к сезону. При этом большую роль в соотношении элементов баланса играют строение котловин и особенно их размеры (табл. 1.1). Крупные водоемы, аккумулирующие большие запасы тепла, обладают высокой тепловой инерцией. В замерзающих водоемах в теплую часть года тепло поступает через открытую поверхность воды и основным источником тепла является Ипр, которая может достигать 90 - 98 % всей приходной части баланса. Основные потери тепла в хорошо прогреваемых водоемах засушливой зоны происходят при испарении и могут достигать 60 - 70 %; на водоемах, расположенных в более увлажненных районах, эти величины заметно ниже. Поступление тепла по рекам для крупных глубоких озер составляет не более 2 - 3 %, но для малых озер эта величина может достигать 50 - 60 %. Такие же значения характерны и для долинных водохранилищ [4].

Таким образом, знак теплового баланса, показывающий нагревание или охлаждение воды, зависит в первую очередь от широты, высоты местности и времени года. Очень важным лимитирующим фактором озерных экосистем является теплозапас всей водной массы водоема или его отдельных частей. Количество тепла определяет тепловую инерцию водоема и влияет на его биопродуктивность.

Таблица 1.1 Составляющие теплового баланса озер за периоды нагревания и охлаждения (ккал/см2). По Л.И. Тихомирову

Теплозапас определяется по формуле

Ив = tVpC, (2)

где t - температура воды (°С); V- объем воды (м3); р - плотность воды (г/м3); С - удельная теплоемкость воды (кал/(г • град)).

Для пресных водоемов р = 1, С= 1, тогда количество тепла в единице объема (V= 1) равно И ~ t.

Таким образом, очень большие теплозапасы характерны для крупных водоемов, расположенных в аридной зоне [8].

ГЛАВА 2. ТЕРМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ ОЗЕР

.1 Особенности термического режима озер

Особенности нагревания и охлаждения различных водоемов, расположенных в разных физико-географических зонах, в результате поступления и отдачи тепла через водную поверхность и перераспределения его в водной массе приводят к формированию разных типов термического режима. При этом термический режим, связанный в первую очередь с характером изменения температуры воды по глубине (термическая стратификация), имеет годовой термический цикл (рис. 2.1.1). За этот период в водоемах наблюдаются три основных вида термической стратификации:

·        обратная (увеличение температуры с глубиной),

Рис. 2.1.1 Изменение температуры воды t по глубине Н [4]

а) субполярное озеро Кроноцкое на Камчатке (по А. М. Догановскому): 1- январь, 2 - ноябрь, 3- июль, 4- сентябрь;

б) тропическое озеро Виктория в Африке (по Б. Хендерсону- Селлерсу): 1- сентябрь, 2 - декабрь, 3- июнь, 4- март.

·        прямая (уменьшение),

·        гомотермия (одинаковая температура по всей глубине).

В некоторых случаях наблюдается смешанная стратификация, когда, например, в верхних слоях водоема имеет место гомотермия, а в нижних - прямая или обратная стратификация. Такое сложное распределение температур, а следовательно, и плотности воды приводит к возникновению циркуляционных процессов - движению водных масс. Важную роль в этом играет ветер, воздействующий на открытую водную поверхность. В зависимости от вида стратификации эти движения приводят к перемешиванию воды (миктичность, от английского слова mix - перемешивать) во всем водоеме или в его части. Таким образом, интенсивность перемешивания зависит не только от скорости ветра, но и от сопротивления водной массы перемешиванию. Это сопротивление возрастает, когда более плотные (холодные) слои воды подстилают менее плотные. Количественно сопротивление можно оценить с помощью коэффициента устойчивости водных масс:

 (3)

где  - приращение плотности воды по глубине Н. Чем выше положительные значения D, тем больше сопротивление воды перемешиванию. В случае отрицательных D возникает свободная конвекция и более тяжелые вышележащие слои воды будут опускаться вниз.

Продолжительность периодов существования той или иной стратификации, момента ее наступления зависит от времени года, географической широты местности, а также от объема водной массы озер и водохранилищ и особенностей формы их котловин. За исключением экваториальных районов, увеличение высоты расположения водоема над уровнем моря влияет на термический режим в основном так же, как и увеличение широты [8].

Период осеннего охлаждения начинается с начала теплоотдачи (тепловой поток направлен из воды в атмосферу) и заканчивается установлением осенней гомотермии - температуры наибольшей плотности воды но всей глубине водоема. Характерной особенностью этого периода является интенсивная конвективно-ветровая циркуляция во всей толще воды. Однако в очень глубоких водоемах этот процесс может наблюдаться лишь до глубин 300 м. В мелководных озерах и водохранилищах эта фаза кратковременна и установление гомотермии происходит в течение нескольких суток; в глубоководных она может растянуться на несколько месяцев. В районах холодного и умеренного климата процесс осеннего охлаждения начинается уже в июле-августе, а на водоемах субтропической и тропической зон эта фаза не наблюдается вообще.

После установления гомотермии начинается период зимнего охлаждения, когда расходная часть теплового баланса (отдача тепла) преобладает над приходной. Продолжается выхолаживание поверхностных слоев воды и формируется обратная термическая стратификация. При установлении ледяного покрова потери тепла происходят через снежно-ледяную толщу. У нижней кромки ледяного покрова температура воды приближается к 0 °С, а у дна - к 4 °С. В умеренных широтах зимнее охлаждение и обратная термическая стратификация наблюдаются вплоть до апреля-мая. В направлении субтропиков эти явления постепенно смещаются к началу года. В субтропических и тропических зонах эта фаза отсутствует. Уменьшение отдачи тепла в атмосферу и поступление тепла от дна часто приводят к некоторому повышению температуры воды, т.е. возможно зимнее нагревание [9].

В период, когда тепловой поток направлен в воду, происходит процесс весеннего нагревания. Па замерзающих водоемах этот процесс начинается еще при наличии ледяного покрова, но уже при растаявшем снеге. В это время в связи с небольшим повышением температуры подо льдом формируется процесс конвекции. При разрушении ледяного покрова процесс нагревания интенсифицируется, и через некоторое время водные массы вновь становятся однородными по температуре. Формируется весенняя гомотермия. На малых водоемах умеренной зоны весеннее нагревание приходится на апрель-май и в конце мая процесс уже завершается, в то время как на крупных глубоких водоемах он растягивается до середины лета [11].

Период летнего нагревания начинается с момента установления весенней гомотермии и заканчивается к моменту начала теплоотдачи воды. В этот период перемешивание осуществляется главным образом за счет деятельности ветра и формируется прямая стратификация. При значительном повышении температуры поверхностных слоев сопротивление перемешиванию заметно возрастает. Тем не менее в поверхностном слое наблюдается выравнивание температуры за счет ветра и охлаждения воды в ночное время, что приводит к образованию вертикальной зоны с малыми температурными градиентами. В нижних слоях водоема сохраняется холодная вода с плавным понижением температуры. Между этими теплым и холодным слоями возникает сравнительно тонкий слой с резким изменением температуры, иногда достигающей 10 - 12 градусов на 1 м. Таким образом, в этот период вся водная толща разбивается на три вертикальные термические зоны:

·  верхняя, которая характеризуется малыми градиентами температуры или их отсутствием, носит название эпилимнион;

·        средняя, с высокими градиентами, - металимнион, или термоклин, или температурный скачок;

·        нижняя, также с малыми градиентами, - гиполимиион. При этом эпилимнион является слоем перемешивания, а металимнион - эффективным барьером, затрудняющим смешение вод эпилимниона и гиполимниона (рис. 2.1.2).

Толщина этих вертикальных слоев зависит от размеров водоема и интенсивности ветровой деятельности. Для крупных глубоководных водоемов эпилимнион может достигать 20 - 30 м. Мелкие водоемы могут быть перемешаны до дна и для них типична летняя гомотермия. В условиях неустойчивой погоды (различные ветры, температуры) в водоеме могут возникнуть второй и третий металимнион. В течение лета температурный скачок постепенно опускается па большую глубину и к началу осеннего охлаждения исчезает [3].

Рис. 2.1.2 Термические зоны в водоеме в период летнего нагревания [8].

В водоемах, для которых характерно наличие мелководных и глубоководных участков, процесс нагревания и охлаждения происходит с различной интенсивностью и в разные сроки. Поэтому весной в мелководной зоне формируется прямая стратификация, в то время как в глубоководной зоне все еще существует обратная. Это приводит к появлению между этими зонами вертикального слоя воды с температурой наибольшей плотности, который называется термическим баром. Осенью наблюдается обратный процесс. Продолжительность существования термического бара зависит от размеров водоема и мелководий. Например, в Ладожском озере термический бар наблюдается в течение полутора месяцев - с середины мая по первую декаду июля. Термический бар изолирует прибрежные быстро нагревающиеся воды (теплоактивную область - ТАО) от более холодной воды центральной части озера (теплоинертной области - ТИО). Водо- и теплообмен через термический бар затруднен. По мере общего нагревания водоема термический бар смещается к центру озера и в конце концов исчезает [2].

Осенью прибрежные воды охлаждаются до 4 °С быстрее, чем воды центральной части озера. При последующем охлаждении вод, так же как и весной, возникает термический бар, отделяющий более холодные прибрежные воды температурой ниже 4 °С от вод температурой выше 4 °С. Как и весной, термический бар постепенно смещается к центру озера. Будучи прежде всего своеобразным тепловым барьером в озерной толще, термический бар служит также и динамическим барьером между прибрежными водами и водами центральной части озера, которые благодаря этому могут обладать и существенно различными физико-химически- ми и гидробиологическими свойствами. Поэтому роль термического бара в водоемах чрезвычайно велика. Это явление впервые было обнаружено еще Ф.А. Форелем и детально исследовано отечественным озероведом А.И. Тихомировым.

Таким образом, термический режим водоемов определяется циркуляционными процессами, происходящими в них в различные сезоны года, и разными климатическими условиями.

Термический режим озер с повышенной минерализацией воды существенно отличается от термического режима пресноводных озер. Летом сильно минерализованные воды могут нагреваться до 50- 70 °С. Зимой такая вода в поверхностном слое, не замерзая, охлаждается до значительной отрицательной температуры. У дна же может сохраниться в течение всего года положительная, иногда заметно повышенная температура воды. Термический режим озер с солоноватой или соленой водой (водой морской солености) имеет много общего с термическим режимом морей [10].

Интересное явление (так называемая термическая инверсия) наблюдается осенью в прибрежной зоне озер (и морей тоже) с солоноватой и соленой водой, если в этом месте в водоем впадает река. Осенью обычно отмечается заметный контраст в температуре речной воды (она уже охладилась) и морской воды (она еще сохраняет повышенную температуру). В результате в поверхностном слое озера вблизи устья реки вода оказывается холоднее, чем в нижележащих слоях. Вертикальная плотностная устойчивость вод при этом не нарушается: в поверхностном слое располагается хотя и более холодная, но опресненная и поэтому менее плотная вода, а ниже - хотя и более теплая, но более соленая и поэтому более плотная вода [4].

Все предложенные классификации озер можно разделить на основании заложенных в них принципов на три главные группы:

1.       Классификации, основанные на принципе физико-географической зональности - как широтной, так и высотной.

2.       Классификации озер одной физико-географической зоны (большей частью - умеренной зоны), основанные на различных принципах детализации.

.        Классификации, основанные на принципе учета как физико-географической зональности, так и характера водообмена по вертикали.

Впервые термическая классификация озер была предложена Ф.А. Форелем в 1892 году. В соответствии с климатическими зонами, частотой и длительностью температуры воды в озере, выше или ниже 4°С, им были выделены три типа озер: полярные, умеренные и тропические [8].

Полярные (холодные) озера характеризуются обратной температурной стратификацией в течении длительного периода. Температура поверхности в них всегда ниже 4°С. Период летнего термического режима короткий. К полярным относятся озера севера Канады и Сибири, а также озера высоких гор (рис. 2.2.1,а).

Умеренным (смешанным) озерам свойственна прямая (летом) и обратная (зимой) стратификация. Температура поверхности выше 4°С летом и ниже 4° С зимой. Сезонные колебания значительны. Слой скачка выражен отчетливо. Регулярных периодов циркуляции два - весной и поздней осенью. К этой группе относятся многочисленные озера в умеренных широтах Европы, Азии, Северной Америки (рис. 2.2.1,в).

Тропические (теплые) озера имеют высокую температуру и незначительные колебания ее в течение года. Температура поверхности воды высокая, от 20 до 30°С. Годовые колебания незначительны, температурный градиент мал, но при высокой температуре градиент плотности достаточный для сохранения устойчивости. В озерах влажных тропиков циркуляция происходит нерегулярно, обычно в холодное время года; в озерах сухих тропиков наблюдается более четкая сезонная периодичность циркуляции. Характерно постоянная прямая стратификация. Таких озер очень много в Африке, в Южной Америке. В Европе к ним относятся Женевское озеро, Иссык-Куль (рис. 2.2.1,б).

Рис. 2.2.1 Схема температурной стратификации в озерах полярных (а), тропических (б) и умеренного климатов (в) [8]:

- обратная температурная стратификация зимой, 2 - весенняя гомотермия, 3 - прямая температурная стратификация летом, 4 - осенняя гомотермия, А - весеннее нагревание, Б - летнее нагревание, В - осенне охлаждение, I - эпилимнион, I - металимнион, III - гиполимнион, IV - ледяной покров

Позже эта классификация уточнялась многими учеными (Ф. Руттнером, Ф.Л. Уипплом, С. Иошимура, Монгеймом и др.). Ф. Руттнер (1931) дополнил классификацию Ф. Фореля субтропическим типом озер, С. Иошимура (1936) - субполярным, Г Морандини (1940) - экваториальным. Ф. Монгейм (1956) среди тропических озер выделил подтипы: субтропические озера, озера влажных зон тропиков и озера периодически сухих внетропических зон. А. Р Зефар (1959) вводит в подразделение озер умеренного, тропического и субтропического типов и принцип вертикальной зональности (табл. 2.2.1). В результате дополнительно выделены озера экваториальные, субполярные, субтропические, тропические с двумя подтипами: влажных и сухих тропиков [7].

Таблица 2.2.1 Классификация озер мира (по: Zafar, 1959)

Термические классификации не учитывают влияния глубины озер на распределение температуры воды в вертикальном и горизонтальном направлениях. Морфометрические характеристики озер учитываются термическими классификациями для одного зонального типа [5].

В основу этой группы классификаций заложено 13 принципов:

) температура придонного слоя воды в летний период (Гейстбек, Анучин, Уиппл, Хатчинсон);

) средняя температура столба воды в районе максимальной глубины (Домрачев) или средняя температура воды всего озера в период летней стагнации (Китаев);

) суммы температур воды (градусодни) за период с температурой выше 10 °С (Китаев);

) характеристика термики теплоактивного слоя и влияние его на прилегающие территории (Молочанов);

) характер нагревания водных масс в весенне-летний период (Филатова, Глазычева, Голдина, Якушко, Фрейндлинг);

) разность температур придонных слоев воды в летний и зимний периоды (Домрачев, Андреева, Хомскис);

) отношение глубины эпилимниона к максимальной глубине озера (Зинова, Нагель) или максимальной глубины озера к глубине эпилимниона (Захаренков);

) годовые колебания температуры воды и характер температурной стратификации летом (Семенович, AbergandRodhe, Тихомиров, Абросов);

) характер летнего перемешивания водных масс в зависимости от площади, глубины озера, разгона ветра и учета разных климатических зон (Паталас, Латроп и Лили, Арай, Горхам и Бойс, Ефремова, Пальшин);

) перепад температуры воды по глубине летом, теплоотдача ложа дна зимой, численные значения критериев Фурье и Био (Пехович, Жидких);

) соотношение тепла, идущего на нагревание водоема и испарение (Несина, Огнева);

) соотношение зон бентали и пелагиали в период летней стагнации (Долгов, Китаев);

) элементы теплового баланса, теплобюджет (Форш, Смирнова, Несина и Огнева, Kirillovaи Smirnova).

В 1885 году А. Гейстбек предложил делить озера на «теплые» и «холодные» в зависимости от глубины и термического режима. В «теплых» озерах температура придонных слоев воды в летний период не ниже 6,5 °С; в «холодных» - всегда ниже 6,5 °С, а чаще составляет всего 4,2 - 4,5 °С.

В дальнейшем Д.Н. Анучин (1897) разделил озера не на две, а на три группы:

·    «теплые» - температура придонных слоев воды летом не ниже 10 °С;

·              «умеренно-холодные» - температура придонных слоев не выше 10°С, но и не ниже 6,5 °С;

·              «холодные» - температура воды придонных слоев не поднимается выше 5,9 °С.

Аналогичную термическую классификацию озер годом позже предложил Ф.Л. Уиппл (1898). В «холодных» озерах температура воды около 4 °С, «умеренно-холодных» - несколько выше 4 °С и в «теплых» - значительно выше 4 °С. Эту классификацию, с незначительной поправкой, приводит Д. Хатчинсон в трактате по лимнологии 1957 г.

Одной из основ классификации озер Северо-Западного края СССР П.Ф. Домрачева (1922) были температурные условия и, в частности, летняя средняя температура столба воды, а также разность температур на поверхности и у дна. В глубоких озерах средняя температура составляет около 11 °С, разность между поверхностной и придонной температурами - 13 - 20 °С; в среднеглубоких - соответственно 16 и 6 °С; в мелководных озерах - 20 и 2 °С.

Развивая классификацию П.Ф. Домрачева, можно за основу взять среднюю интегральную температуру всего озера в летний период (Китаев, 1975, 1978, 1984) и в зависимости от ее величины разделить водоемы на следующие классы:

·              очень теплые - средняя температура воды более 20 °С;

·              теплые - средняя температура воды 15 - 20 °С;

·              умеренно-холодные - средняя температура воды 10 - 15 °С;

·              холодные - средняя температура воды 5 - 10 °С;

·              очень холодные - средняя температура воды менее 5 °С.