Димиктическое озеро
| Озерные зоны |
|---|
| Стратификация озера |
| Типы озер |
| См. также |
Димиктическое озеро — это пресноводный водоем, разница температур между поверхностным и придонным слоями которого два раза в год становится незначительной, позволяя всем слоям воды озера циркулировать вертикально. Все димиктические озера также считаются голомиктическими , в эту категорию входят все озера, которые смешиваются один или несколько раз в год. Зимой димиктические озера покрываются слоем льда, создавая холодный слой на поверхности, немного более теплый слой подо льдом и еще более теплый незамерзший нижний слой, в то время как летом такие же различия в плотности, обусловленные температурой, разделяются. теплые поверхностные воды ( эпилимнион ), более холодные придонные воды ( гиполимнион ). Весной и осенью эти перепады температур ненадолго исчезают, а водоем переворачивается и циркулирует сверху вниз. Такие озера распространены в регионах средних широт с умеренным климатом. [ 1 ]
Примеры димиктических озер
[ редактировать ]Сезонные циклы перемешивания и стратификации
[ редактировать ]
Перемешивание (переворачивание) обычно происходит весной и осенью, когда озеро «изотермично» (т.е. имеет одинаковую температуру сверху вниз). В это время вода во всем озере имеет температуру около 4 °С (температура максимальной плотности), и при отсутствии каких-либо перепадов температуры и плотности озеро легко перемешивается сверху вниз. Зимой любое дополнительное охлаждение ниже 4 ° C приводит к расслоению водной толщи, поэтому димиктические озера обычно имеют обратную термическую стратификацию: вода имеет температуру 0 ° C подо льдом, а затем температура повышается почти до 4 ° C у основания озера. [ 3 ]
Пружинный переворот
[ редактировать ]После таяния льда столб воды может перемешиваться ветром. В больших озерах температура верхнего слоя воды часто бывает ниже 4 °C, когда лед тает, поэтому весна характеризуется продолжающимся перемешиванием за счет конвекции, вызванной солнечной энергией. [ 4 ] [ 5 ] пока столбик воды не достигнет 4°C. В небольших озерах период весеннего переворота может быть очень кратким. [ 6 ] так что весенний переворот часто намного короче осеннего. Когда верхний слой воды прогревается выше 4 °C, термическая стратификация начинает развиваться .
Летняя стратификация
[ редактировать ]Летом потоки тепла из атмосферы в озеро нагревают поверхностные слои. В результате димиктические озера имеют сильную термическую стратификацию: теплый эпилимнион отделен от холодного гиполимниона металимнионом. Внутри металимниона существует термоклин , обычно определяемый как область, где градиенты температуры превышают 1 °C/м. [ 7 ] Из-за стабильного градиента плотности перемешивание внутри термоклина затруднено. [ 8 ] что уменьшает вертикальный транспорт растворенного кислорода . Если озеро эвтрофное и имеет высокую потребность в кислороде отложений, гиполимнион в димиктических озерах может стать гипоксическим во время летней стратификации, что часто наблюдается в озере Эри .
Во время летней стратификации в большинстве озер наблюдаются внутренние волны из-за поступления энергии от ветра. Если озеро небольшое (длиной менее 5 км), то период внутренней сейши хорошо прогнозируется мерианскими формулами. [ 9 ] На долгопериодные внутренние волны в более крупных озерах могут влиять силы Кориолиса (из-за вращения Земли). Ожидается, что это произойдет, когда период внутренней сейши станет сравнимым с местным инерционным периодом , который составляет 16,971 часа на широте 45° с.ш. (ссылка на утилиту Кориолиса). В крупных озерах (таких как озеро Симко , Женевское озеро , озеро Мичиган или озеро Онтарио ) в наблюдаемых частотах внутренних сейш преобладают волны Пуанкаре. [ 10 ] [ 11 ] и волны Кельвина . [ 12 ] [ 13 ]
Падение переворота
[ редактировать ]В конце лета температура воздуха падает, и поверхность озер охлаждается, в результате чего перемешиваемый слой становится более глубоким, пока в какой-то момент столб воды не становится изотермическим и, как правило, с высоким содержанием растворенного кислорода. Осенью сочетание ветра и охлаждающей температуры воздуха продолжает поддерживать перемешивание толщи воды. Вода продолжает остывать, пока температура не достигнет 4 °C. Часто осенний переворот может длиться 3–4 месяца.
Зимняя обратная стратификация
[ редактировать ]После того, как столб воды достигает температуры максимальной плотности 4°C, любое последующее охлаждение приводит к образованию менее плотной воды из-за нелинейности уравнения состояния воды . Таким образом, ранняя зима — это период рестратификации. [ 14 ] Если ветер относительно слабый или озеро глубокое, над более плотными водами с температурой 4°C образуется только тонкий слой плавучей холодной воды, и озеро будет «криостратифицировано», как только образуется лед. [ 15 ] Если в озере дует сильный ветер или оно мелкое, то вся толща воды может охладиться почти до 0 ° C, прежде чем образуется лед. Эти более холодные озера называются «криомиктическими». [ 15 ] Как только на озере образуется лед, потоки тепла из атмосферы в значительной степени прекращаются, и первоначальные циростратифицированные или криомиктические условия в значительной степени сохраняются. Развитие тепловой стратификации зимой определяется двумя периодами: зимой I и зимой II. [ 16 ] В ранний зимний период зимы I основной поток тепла обусловлен теплом, запасенным в отложениях; в этот период озеро нагревается снизу, образуя глубокий слой воды температурой 4 °C. [ 16 ] В конце зимы поверхностный лед начинает таять, и с увеличением продолжительности дня увеличивается количество солнечного света, проникающего сквозь лед в верхнюю толщу воды. Таким образом, во время зимы II основной тепловой поток теперь идет сверху, и потепление приводит к образованию нестабильного слоя, что приводит к конвекции, вызванной солнечной энергией. [ 5 ] [ 17 ] [ 3 ] Такое перемешивание верхнего слоя воды важно для поддержания планктона во взвешенном состоянии. [ 18 ] [ 3 ] [ 19 ] что, в свою очередь, влияет на время цветения подледных водорослей и уровень растворенного кислорода. [ 20 ] [ 3 ] Силы Кориолиса также могут сыграть важную роль в формировании циркуляции из-за дифференциального нагрева солнечной радиацией. [ 21 ] Зимний период озер, вероятно, наименее изучен. [ 22 ] но химия и биология подо льдом все еще очень активны. [ 23 ]
См. также
[ редактировать ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Льюис, Уильям М. младший (1983). «Пересмотренная классификация озер на основе смешивания» (PDF) . Канадский журнал рыболовства и водных наук . 40 (10): 1779–1787. дои : 10.1139/f83-207 . Архивировано из оригинала (PDF) 6 марта 2009 г.
- ^ Уэллс, М.Г., и Трой, CD (2022). Поверхностные смешанные слои озер. В Энциклопедии внутренних вод (стр. 546–561). Эльзевир. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819166-8.00126-2
- ^ Jump up to: а б с д Ян, Бернард; Янг, Джоэль; Браун, Лаура; Уэллс, Мэтью (23 декабря 2017 г.). «Высокочастотные наблюдения за температурой и растворенным кислородом выявили подледную конвекцию в большом озере» . Письма о геофизических исследованиях . 44 (24): 12, 218–12, 226. Бибкод : 2017GeoRL..4412218Y . дои : 10.1002/2017GL075373 . ISSN 0094-8276 .
- ^ Кэннон, диджей; Трой, компакт-диск; Ляо, К.; Бутсма, ХА (28 июня 2019 г.). «Безледная радиационная конвекция вызывает весеннее перемешивание в большом озере». Письма о геофизических исследованиях . 46 (12): 6811–6820. Бибкод : 2019GeoRL..46.6811C . дои : 10.1029/2019gl082916 . ISSN 0094-8276 . S2CID 197574599 .
- ^ Jump up to: а б Остин, Джей А. (22 апреля 2019 г.). «Наблюдения радиационной конвекции в глубоком озере» . Лимнология и океанография . 64 (5): 2152–2160. Бибкод : 2019LimOc..64.2152A . дои : 10.1002/lno.11175 . ISSN 0024-3590 .
- ^ Пирсон, округ Колумбия; Вейхенмейер, Джорджия; Арвола, Л.; Бенсон, Б.; Бленкнер, Т.; Крац, Т.; Ливингстон, DM; Маркенстен, Х.; Мажец, Г.; Петтерссон, К.; Уэзерс, К. (февраль 2011 г.). «Автоматизированный метод мониторинга фенологии льда озер» . Лимнология и океанография: Методы . 9 (2): 74–83. Бибкод : 2011LimOM...9...74P . дои : 10.4319/lom.2010.9.0074 . ISSN 1541-5856 .
- ^ Горэм, Эвилл; Бойс, Фаррелл М. (январь 1989 г.). «Влияние площади и глубины озера на термическую стратификацию и глубину летнего термоклина» . Журнал исследований Великих озер . 15 (2): 233–245. Бибкод : 1989JGLR...15..233G . дои : 10.1016/s0380-1330(89)71479-9 . ISSN 0380-1330 . S2CID 128748369 .
- ^ Чоудхури, Миджанур Р.; Уэллс, Мэтью Г.; Коссу, Ремо (декабрь 2015 г.). «Наблюдения и экологические последствия изменчивости вертикального турбулентного перемешивания в озере Симко». Журнал исследований Великих озер . 41 (4): 995–1009. Бибкод : 2015JGLR...41..995C . дои : 10.1016/j.jglr.2015.07.008 . hdl : 1807/107899 . ISSN 0380-1330 .
- ^ Мортимер, Швейцария (январь 1974 г.). «Гидродинамика озера». СИЛ Коммуникейшнс, 1953–1996 гг . 20 (1): 124–197. Бибкод : 1974SILC...20..124M . дои : 10.1080/05384680.1974.11923886 . ISSN 0538-4680 .
- ^ Чой, Джун; Трой, Кэри Д.; Се, Цунг-Чан; Хоули, Натан; Маккормик, Майкл Дж. (июль 2012 г.). «Год внутренних волн Пуанкаре на юге озера Мичиган». Журнал геофизических исследований: Океаны . 117 (С7): н/д. Бибкод : 2012JGRC..117.7014C . дои : 10.1029/2012jc007984 . hdl : 2027.42/95363 . ISSN 0148-0227 .
- ^ Чоудхури, Миджанур Р.; Уэллс, Мэтью Г.; Хауэлл, Тодд (апрель 2016 г.). «Движения термоклина приводят к высокой изменчивости смешивания бентоса у берега большого озера». Исследования водных ресурсов . 52 (4): 3019–3039. Бибкод : 2016WRR....52.3019C . дои : 10.1002/2015wr017725 . ISSN 0043-1397 . S2CID 130510367 .
- ^ Флуд, Брайан; Уэллс, Мэтью; Данлоп, Эрин; Янг, Джоэль (14 августа 2019 г.). «Внутренние волны перекачивают воду в глубокий прибрежный залив большого озера и из него» . Лимнология и океанография . 65 (2): 205–223. дои : 10.1002/lno.11292 . ISSN 0024-3590 .
- ^ Буффар, Дэмиен; Леммин, Ульрих (декабрь 2013 г.). «Волны Кельвина в Женевском озере». Журнал исследований Великих озер . 39 (4): 637–645. Бибкод : 2013JGLR...39..637B . дои : 10.1016/j.jglr.2013.09.005 . ISSN 0380-1330 .
- ^ Фармер, Дэвид М.; Кармак, Эдди (ноябрь 1981 г.). «Смешение и рестратификация ветра в озере при температуре максимальной плотности» . Журнал физической океанографии . 11 (11): 1516–1533. Бибкод : 1981JPO....11.1516F . doi : 10.1175/1520-0485(1981)011<1516:wmaria>2.0.co;2 . ISSN 0022-3670 .
- ^ Jump up to: а б Ян, Бернард; Уэллс, Мэтью Г.; Макминс, Бейли С.; Дуган, Хилари А.; Русак, Джеймс А.; Вейхенмейер, Геза А.; Брентруп, Дженнифер А.; Хрычик, Эллисон Р.; Лаас, Ало; Пилла, Рэйчел М.; Остин, Джей А. (2021). «Новая термическая классификация покрытых льдом озер» . Письма о геофизических исследованиях . 48 (3): e2020GL091374. Бибкод : 2021GeoRL..4891374Y . дои : 10.1029/2020GL091374 . ISSN 1944-8007 . S2CID 233921281 .
- ^ Jump up to: а б Кириллин Георгий; Леппяранта, Матти; Тержевик, Аркадий; Гранин, Николай; Бернхардт, Джулиана; Энгельхардт, Кристоф; Ефремова Татьяна; Голосов Сергей; Пальшин, Николай; Шерстянкин Павел; Здоровеннова, Галина (октябрь 2012 г.). «Физика сезонно покрытых льдом озер: обзор». Водные науки . 74 (4): 659–682. Бибкод : 2012AqSci..74..659K . дои : 10.1007/s00027-012-0279-y . ISSN 1015-1621 . S2CID 6722239 .
- ^ Буффар, Дэмиен; Вюэст, Альфред (05 января 2019 г.). «Конвекция в озерах» (PDF) . Ежегодный обзор механики жидкости . 51 (1): 189–215. Бибкод : 2019AnRFM..51..189B . doi : 10.1146/annurev-fluid-010518-040506 . ISSN 0066-4189 . S2CID 125132769 .
- ^ Келли, Дэн Э. (1997). «Конвекция в покрытых льдом озерах: влияние на взвесь водорослей» . Журнал исследований планктона . 19 (12): 1859–1880. дои : 10.1093/plankt/19.12.1859 . ISSN 0142-7873 .
- ^ Bouffard, Damien; Zdorovennova, Galina; Bogdanov, Sergey; Efremova, Tatyana; Lavanchy, Sébastien; Palshin, Nikolay; Terzhevik, Arkady; Vinnå, Love Råman; Volkov, Sergey; Wüest, Alfred; Zdorovennov, Roman (2019-02-19). "Under-ice convection dynamics in a boreal lake" . Inland Waters . 9 (2): 142–161. Bibcode : 2019InWat...9..142B . doi : 10.1080/20442041.2018.1533356 . ISSN 2044-2041 .
- ^ Ян, Бернард; Уэллс, Мэтью Г.; Ли, Цзинчжи; Янг, Джоэль (2020). «Смешивание, стратификация и планктон подо льдом озера зимой в большом озере: влияние на весенний уровень растворенного кислорода» . Лимнология и океанография . 65 (11): 2713–2729. Бибкод : 2020LimOc..65.2713Y . дои : 10.1002/lno.11543 . ISSN 1939-5590 . S2CID 225490164 .
- ^ Рамон, Синтия Л.; Уллоа, Хьюго Н.; Дода, Томи; Уинтерс, Крейг Б.; Буффар, Дэмиен (07 апреля 2021 г.). «Батиметрия и широта влияют на потепление подо льдом озера» . Гидрология и науки о системе Земли . 25 (4): 1813–1825. Бибкод : 2021HESS...25.1813R . doi : 10.5194/hess-25-1813-2021 . ISSN 1027-5606 .
- ^ Озерский, Тед; Брамбургер, Эндрю Дж.; Элгин, Эшли К.; Вандерплоег, Генри А.; Ван, Цзя; Остин, Джей А.; Каррик, Хантер Дж.; Шавари, Луиза; Депью, Дэвид К.; Фиск, Аарон Т.; Хэмптон, Стефани Э. (2021). «Изменяющееся лицо зимы: уроки и вопросы Великих Лаврентийских озер» . Журнал геофизических исследований: Биогеонауки . 126 (6): e2021JG006247. Бибкод : 2021JGRG..12606247O . дои : 10.1029/2021JG006247 . hdl : 2027.42/168250 . ISSN 2169-8961 .
- ^ Хэмптон, Стефани Э.; Галлоуэй, Аарон МЫ; Пауэрс, Стивен М.; Озерский, Тед; Ву, Кара Х.; Батт, Райан Д.; Лабу, Стефани Г.; О'Рейли, Кэтрин М.; Шарма, Сапна; Лоттиг, Ной Р.; Стэнли, Эмили Х. (2017). «Экология подо льдом озера» . Экологические письма . 20 (1): 98–111. Бибкод : 2017EcolL..20...98H . дои : 10.1111/ele.12699 . hdl : 10919/94398 . ISSN 1461-0248 . ПМИД 27889953 .