Стратификация озера
I. Эпилимнион
II. Металимнион
III. Гиполимнион
Шкалы используются для привязки каждого участка стратификации к соответствующим глубинам и температурам. Стрелкой показано движение ветра над поверхностью воды, вызывающее круговорот эпилимниона и гиполимниона.
| Озерные зоны |
|---|
| Стратификация озера |
| Типы озер |
| См. также |
Стратификация озер — это тенденция озер образовывать отдельные и отчетливые термические слои в теплую погоду. Обычно стратифицированные озера имеют три отдельных слоя: эпилимнион , состоящий из верхнего теплого слоя; термоклин (или металимнион ) , средний слой, глубина которого может меняться в течение суток; и более холодный гиполимнион , простирающийся до дна озера.
Каждое озеро имеет определенный режим перемешивания, на который влияют морфометрия озера и условия окружающей среды. , что изменения в человеческом влиянии в форме изменения землепользования , повышения температуры и изменений погодных условий меняют время и интенсивность стратификации в озерах по всему миру. Однако было показано [1] [2] Повышение температуры воздуха оказывает на озерные тела такое же воздействие, как и физическое изменение географического положения, при этом тропические зоны особенно чувствительны. [2] [1] Эти изменения могут еще больше изменить состав сообществ рыб, зоопланктона и фитопланктона , а также создать градиенты, которые изменяют доступность растворенного кислорода и питательных веществ. [3] [4]
Определение
[ редактировать ]Термическая стратификация озер связана с изменением температуры на разных глубинах озера и обусловлена изменением плотности воды в зависимости от температуры. [5] Холодная вода плотнее теплой, и эпилимнион обычно состоит из воды, которая не такая плотная, как вода в гиполимнионе. [6] Однако температура максимальной плотности пресной воды составляет 4 °C. В регионах с умеренным климатом , где вода в озере в зависимости от сезона нагревается и остывает, происходит циклическая картина переворота, которая повторяется из года в год по мере того, как холодная плотная вода в верхней части озера опускается (см. Стабильную и неустойчивую стратификацию ). Например, в димиктических озерах вода в озере меняется весной и осенью. На большей глубине этот процесс происходит медленнее и в результате может образоваться термобар . [5] Если стратификация воды длится продолжительное время, озеро является меромиктическим .
Тепло переносится очень медленно между смешанными слоями стратифицированного озера, где распространение тепла всего на один вертикальный метр занимает около месяца. Взаимодействие между атмосферой и озерами зависит от того, как распределяется солнечная радиация, поэтому турбулентность воды, вызванная главным образом ветровым стрессом, может значительно повысить эффективность теплопередачи. [7] В мелких озерах расслоение на эпилимнион, металимнион и гиполимнион часто не происходит, так как ветер или похолодание вызывают регулярное перемешивание в течение года. Эти озера называются полимиктическими . Определенной глубины, разделяющей полимиктические и слоистые озера, не существует, так как на нее влияют не только глубина, но и мутность, площадь зеркала озера и климат. [8]
Режим перемешивания озер (например, полимиктический, димиктический, меромиктный) [9] описывает ежегодные закономерности стратификации озер, которые происходят в большинстве лет. Однако краткосрочные события также могут повлиять на стратификацию озера. Волны тепла могут вызвать периоды расслоения в смешанных мелких озерах. [10] в то время как смешанные явления, такие как штормы или большие речные стоки, могут нарушить стратификацию. [11] Погодные условия вызывают более быструю реакцию в более крупных и мелких озерах, поэтому эти озера более динамичны и менее изучены. Однако известно, что режимы перемешивания, существующие в крупных мелких озерах, в основном суточные, и стратификация легко нарушается. Озеро Тайху в Китае является примером большого мелкого дневного озера, где, хотя глубина не достигает более 3 метров (9,8 футов), мутность воды в озере все еще достаточно динамична, чтобы расслаиваться и дестратифицироваться из-за поглощение солнечной радиации преимущественно в верхнем слое. [12] Тенденция к нарушению стратификации влияет на скорость транспорта и потребления питательных веществ, что, в свою очередь, влияет на наличие роста водорослей. [13] Режимы стратификации и перемешивания в крупнейших озерах Земли также плохо изучены, однако изменения в распределении температур, такие как повышение температуры, наблюдаемое с течением времени в глубоких водах озера Мичиган , способны существенно изменить крупнейшие пресноводные экосистемы на планете. [14]
Недавние исследования показывают, что сезонно покрытые льдом димиктические озера можно охарактеризовать как «криостратифицированные» или «криомиктические» в соответствии с их режимами зимней стратификации. [15] Криостратифицированные озера демонстрируют обратную стратификацию вблизи поверхности льда и имеют среднюю температуру по глубине около 4°C, тогда как криомиктические озера не имеют подледного термоклина и имеют средние по глубине зимние температуры ближе к 0°C. [16]
Процессы циркуляции в периоды перемешивания вызывают перемещение кислорода и других растворенных питательных веществ, распределяя их по водоему. [7] В озерах, где преобладают бентосные организмы, дыхание и потребление этих донных питающихся организмов может перевешивать смешивающие свойства сильно стратифицированных озер, что приводит к образованию зон с чрезвычайно низкими придонными концентрациями кислорода и питательных веществ. Это может быть вредно для донных организмов, таких как моллюски, которые в худшем случае могут уничтожить целые популяции. [17] Накопление растворенного углекислого газа в трех меромиктических озерах в Африке ( озеро Ньос и озеро Монун в Камеруне и озеро Киву в Руанде ) потенциально опасно, поскольку, если одно из этих озер вызовет лимническое извержение , очень большое количество углекислого газа может быстро покидают озеро и вытесняют кислород, необходимый для жизни людей и животных в окружающей местности.
Дестратификация
[ редактировать ]В умеренных широтах многие озера, которые расслаиваются в летние месяцы, дестратифицируются в более прохладную и ветреную погоду, при этом перемешивание поверхности ветром является важной движущей силой этого процесса. Это часто называют «осенним оборотом». Смешивание гиполимния со смешанным водным объектом озера обеспечивает рециркуляцию питательных веществ, особенно соединений фосфора, попавших в гиполимнион в теплую погоду. Это также создает риск дефицита кислорода, поскольку давно сформировавшийся гиполимнион может быть аноксическим или иметь очень низкое содержание кислорода .
Режимы перемешивания озер могут меняться в ответ на повышение температуры воздуха. Некоторые димиктические озера могут превратиться в мономиктические, а некоторые мономиктические озера могут стать меромиктическими в результате повышения температуры. [18]
Многие типы аэрационного оборудования использовались для термической дестратификации озер, особенно озер с низким содержанием кислорода или нежелательным цветением водорослей. [19] Фактически, менеджеры по природным ресурсам и охране окружающей среды часто сталкиваются с проблемами, вызванными термической стратификацией озер и прудов. [6] [20] [21] Гибель рыбы напрямую связана с температурными градиентами, застоем и ледяным покровом. [22] Чрезмерный рост планктона может ограничить рекреационное использование озер и коммерческое использование озерной воды. При сильной термической стратификации озера качество питьевой воды также может ухудшиться. [6] Для менеджеров рыболовства термическая стратификация часто отрицательно влияет на пространственное распределение рыбы в озере и в некоторых случаях может косвенно вызывать массовую гибель рыбы, важной для рекреационных целей. [22] Одним из широко используемых инструментов для уменьшения серьезности этих проблем управления озером является устранение или уменьшение термической стратификации посредством аэрации воды . [20] Аэрация добилась определенного успеха, хотя она редко оказывалась панацеей. [21]
Антропогенные воздействия
[ редактировать ]Каждое озеро имеет определенный режим перемешивания, на который влияют морфометрия озера и условия окружающей среды. Однако было показано, что изменения в человеческом влиянии в форме изменения землепользования, повышения температуры и изменений погодных условий меняют сроки и интенсивность стратификации озер по всему миру. [1] [2] Эти изменения могут еще больше изменить состав сообществ рыб, зоопланктона и фитопланктона, а также создать градиенты, которые изменяют доступность растворенного кислорода и питательных веществ. [3] [4]
Существует несколько способов, которыми изменения в землепользовании человека влияют на стратификацию озер и, следовательно, на состояние воды. Расширение городов привело к строительству дорог и домов вблизи ранее изолированных озер, что иногда приводит к увеличению стоков и загрязнению. Добавление твердых частиц в озера может снизить прозрачность воды , что приведет к усилению термической стратификации и общему снижению средней температуры водного столба, что в конечном итоге может повлиять на появление ледяного покрова. [23] На качество воды также может влиять сток соли с дорог и тротуаров, который часто создает донный солевой слой, препятствующий вертикальному перемешиванию поверхностных вод. [4] Кроме того, солевой слой может препятствовать попаданию растворенного кислорода в донные отложения, уменьшая рециркуляцию фосфора и влияя на микробные сообщества. [4]
В глобальном масштабе повышение температуры и изменение погодных условий также могут повлиять на стратификацию озер. Повышение температуры воздуха оказывает на озерные тела такое же воздействие, как и физическое изменение географического положения, при этом тропические зоны особенно чувствительны. [2] [1] Интенсивность и масштабы воздействия зависят от местоположения и морфометрии озера, но в некоторых случаях могут быть настолько экстремальными, что требуется переклассификация из мономиктического в димиктический (например, Большое Медвежье озеро). [2] В глобальном масштабе стратификация озер кажется более стабильной с более глубокими и крутыми термоклинами, а средняя температура озера является основным фактором, определяющим реакцию стратификации на изменение температуры. [1] Кроме того, скорость потепления поверхности намного превышает скорость потепления дна, что снова указывает на более сильную термическую стратификацию озер. [1]
Изменения в моделях стратификации также могут изменить состав сообществ озерных экосистем. В мелких озерах повышение температуры может изменить диатомовое сообщество; в то время как в глубоких озерах изменения отражаются на таксонах глубокого слоя хлорофилла. [3] Изменения в характере смешивания и повышенная доступность питательных веществ также могут повлиять на видовой состав и численность зоопланктона, в то время как снижение доступности питательных веществ может иметь пагубные последствия для донных сообществ и среды обитания рыб. [3] [4]
В северных озерах умеренного пояса, поскольку изменение климата продолжает вызывать повышенную изменчивость погодных условий, а также сроков образования и схода льда, последующие изменения в характере стратификации из года в год также могут оказывать воздействие на несколько трофических уровней . [24] [25] [26] Колебания в постоянстве стратификации могут ускорить дезоксигенацию озер, минерализацию питательных веществ и высвобождение фосфора, что имеет серьезные последствия для видов фитопланктона. [26] [27] Кроме того, эти изменения в видовом составе и численности фитопланктона могут привести к неблагоприятному воздействию на пополнение запасов рыбы , например судака . Когда эти асинхронности в популяциях хищников и жертв происходят из года в год из-за изменений в стратификации, популяциям могут потребоваться годы, чтобы вернуться к своей «нормальной» консистенции. [27] В сочетании с обычно более высокой температурой озер, связанной с характером стратификации, вызванной изменением климата, изменчивая популяция добычи из года в год может нанести ущерб холодноводным видам рыб. [28]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж Кремер, Бенджамин М.; Анневиль, Орлейн; Чандра, Судип; Дикс, Маргарет; Куусисто, Эско; Ливингстон, Дэвид М.; Риммер, Алон; Шладоу, С. Джеффри; Силов, Евгений; Ситоки, Льюис М.; Таматама, Рашид (28 июня 2015 г.). «Морфометрия и средняя температура влияют на реакцию стратификации озера на изменение климата: ОТВЕТ СТРАТИФИКАЦИИ ОЗЕРА НА КЛИМАТ» . Письма о геофизических исследованиях . 42 (12): 4981–4988. дои : 10.1002/2015GL064097 .
- ^ Jump up to: а б с д и Мейер, Габриэла К.; Маслиев Илья; Сомлёди, Ласло (1996), «Влияние изменения климата на чувствительность стратификации озер: глобальная перспектива» (PDF) , Управление водными ресурсами в условиях климатической/гидрологической неопределенности , Springer Нидерланды, стр. 225–270, ISBN 978-94-010-6577-1
- ^ Jump up to: а б с д Эдлунд, Марк; Альмендингер, Джеймс; Фан, Син; Хоббс, Джой; ВандерМейлен, Дэвид; Ки, Ребекка; Энгстрем, Дэниел (07 сентября 2017 г.). «Влияние изменения климата на тепловую структуру озер и биотическую реакцию в озерах северной дикой природы» . Вода . 9 (9): 678. дои : 10.3390/w9090678 . ISSN 2073-4441 .
- ^ Jump up to: а б с д и Новотный Эрик Васильевич; Стефан Хайнц Г. (01 декабря 2012 г.). «Влияние дорожной соли на стратификацию озера и качество воды». Журнал гидротехники . 138 (12): 1069–1080. doi : 10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000590 .
- ^ Jump up to: а б «Стратификация по плотности» . Вода в сети. 7 октября 2015 г.
- ^ Jump up to: а б с «Факты об обороте озера Ланье» . Департамент природных ресурсов Джорджии .
- ^ Jump up to: а б Берер, Б.; Шульце, М. (2009), «Стратификация плотности и стабильность» , Энциклопедия внутренних вод , Elsevier, стр. 583–593, doi : 10.1016/b978-012370626-3.00077-6 , ISBN 978-0-12-370626-3 , получено 21 апреля 2024 г.
- ^ Кириллин Г.; Шатвелл, Т. (октябрь 2016 г.). «Обобщенное масштабирование сезонной термической стратификации озер» . Обзоры наук о Земле . 161 : 179–190. Бибкод : 2016ESRv..161..179K . doi : 10.1016/j.earscirev.2016.08.008 .
- ^ Льюис-младший, Уильям М. (октябрь 1983 г.). «Пересмотренная классификация озер на основе смешивания». Канадский журнал рыболовства и водных наук . 40 (10): 1779–1787. дои : 10.1139/f83-207 .
- ^ Вильгельм, Сюзанна; Адриан, РИТА (4 октября 2007 г.). «Влияние летнего потепления на термические характеристики полимиктического озера и последствия для кислорода, питательных веществ и фитопланктона». Пресноводная биология . 53 (2): 226–37. дои : 10.1111/j.1365-2427.2007.01887.x .
- ^ 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. (16 февраля 2021 г.). «Новая термическая классификация покрытых льдом озер» . Письма о геофизических исследованиях . 48 (3): e91374. Бибкод : 2021GeoRL..4891374Y . дои : 10.1029/2020GL091374 . ISSN 0094-8276 . S2CID 233921281 .
- ^ Чжао, Цяохуа; Рен, Ян; Ван, Джулиан XL (01 августа 2018 г.). «Временные и пространственные характеристики потенциальной энергетической аномалии озера Тайху» . Наука об окружающей среде и исследования загрязнения . 25 (24): 24316–24325. дои : 10.1007/s11356-018-2204-y . ISSN 1614-7499 . ПМИД 29948715 .
- ^ Чжао, Цяохуа; Сунь, Цзихуа; Чжу, Гуанвэй (01 ноября 2012 г.). «Моделирование и исследование механизмов, лежащих в основе пространственно-временного распределения глубины поверхностного перемешанного слоя в большом мелком озере» . Достижения в области атмосферных наук . 29 (6): 1360–1373. дои : 10.1007/s00376-012-1262-1 . ISSN 1861-9533 .
- ^ Андерсон, Эрик Дж.; Стоу, Крейг А.; Гроневолд, Эндрю Д.; Мейсон, Лейси А.; Маккормик, Майкл Дж.; Цянь, Сун С.; Руберг, Стивен А.; Бидл, Кайл; Констант, Стивен А.; Хоули, Натан (16 марта 2021 г.). «Сезонные изменения и изменения стратификации приводят к глубоководному потеплению в одном из крупнейших озер Земли» . Природные коммуникации . 12 (1): 1688. doi : 10.1038/s41467-021-21971-1 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 7966760 . ПМИД 33727551 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Уайлс, Филип Дж.; ван Дюрен, Лука А.; Хазе, Кливия; Ларсен, Йенс; Симпсон, Джон Х. (1 апреля 2006 г.). «Стратификация и смешение в Лимфьорде в отношении выращивания мидий» . Журнал морских систем . 60 (1): 129–143. дои : 10.1016/j.jmarsys.2005.09.009 . ISSN 0924-7963 .
- ^ Вулвей, Р. Истин; Мерчант, Кристофер Дж. (18 марта 2019 г.). «Всемирное изменение режима перемешивания озер в ответ на изменение климата» (PDF) . Природа Геонауки . 12 (4): 271–276. Бибкод : 2019NatGe..12..271W . дои : 10.1038/s41561-019-0322-x . S2CID 134203871 .
- ^ Кук, Дж. Деннис; Уэлч, Юджин Б.; Петерсон, Спенсер; Николс, Стэнли А., ред. (2005). Восстановление и управление озерами и водохранилищами (Третье изд.). Бока-Ратон: CRC Press. п. 616. ИСБН 9781566706254 .
- ^ Jump up to: а б Лакей, Роберт Т. (февраль 1972 г.). «Способ устранения термической стратификации в озерах». Журнал Американской ассоциации водных ресурсов . 8 (1): 46–49. Бибкод : 1972JAWRA...8...46L . дои : 10.1111/j.1752-1688.1972.tb05092.x .
- ^ Jump up to: а б Лакей, Роберт Т. (июнь 1972 г.). «Отклик физико-химических параметров на устранение термической стратификации в пласте». Журнал Американской ассоциации водных ресурсов . 8 (3): 589–599. Бибкод : 1972JAWRA...8..589L . дои : 10.1111/j.1752-1688.1972.tb05181.x .
- ^ Jump up to: а б Лакей, Роберт Т.; Холмс, Дональд В. (июль 1972 г.). «Оценка двух методов аэрации для предотвращения вымерзания». Прогрессивный рыбовод . 34 (3): 175–178. doi : 10.1577/1548-8640(1972)34[175:EOTMOA]2.0.CO;2 .
- ^ Хейсканен, Йоуни Дж.; Маммарелла, Иван; Оджала, Энн; Степаненко Виктор; Эрккиля, Кукка-Маария; Миеттинен, Хели; Сандстрем, Хайди; Югстер, Вернер; Леппяранта, Матти; Ярвинен, Хейкки; Весала, Тимо (2015). «Влияние прозрачности воды на стратификацию озера и теплообмен между озером и атмосферой» . Журнал геофизических исследований: Атмосфера . 120 (15): 7412–7428. Бибкод : 2015JGRD..120.7412H . дои : 10.1002/2014JD022938 . ISSN 2169-8996 . S2CID 128440164 .
- ^ Руммукайнен, Маркку (2012). «Изменения климата и экстремальные погодные условия в 21 веке» . WIRE Изменение климата . 3 (2): 115–129. дои : 10.1002/wcc.160 . ISSN 1757-7780 .
- ^ Пилла, Рэйчел М.; Уильямсон, Крейг Э. (2022). «Более раннее разрушение льда вызывает реакцию изменения продолжительности и изменчивости весеннего перемешивания и летней стратификации в димиктических озерах» . Лимнология и океанография . 67 (С1). дои : 10.1002/lno.11888 . ISSN 0024-3590 .
- ^ Jump up to: а б Вулвей, Р. Истин; Шарма, Сапна; Вейхенмейер, Геза А.; Дебольский, Андрей; Голуб, Малгожата; Меркадо-Беттин, Даниэль; Перруд, Марджори; Степаненко Виктор; Тан, Зели; Грант, Люк; Ладвиг, Роберт; Месман, Йоррит; Мур, Тадг Н.; Шатвелл, Том; Вандеркелен, Инне (19 апреля 2021 г.). «Фенологические сдвиги в стратификации озер при изменении климата» . Природные коммуникации . 12 (1): 2318. doi : 10.1038/s41467-021-22657-4 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 8055693 . ПМИД 33875656 .
- ^ Jump up to: а б Файнер, Закари С.; Дуган, Хилари А.; Лоттиг, Ной Р.; Сасс, Грег Г.; Джерриш, Гретхен А. (1 сентября 2022 г.). «Взгляд на экологические и эволюционные последствия фенологической изменчивости озерного льда на озерах с северным умеренным климатом» . Канадский журнал рыболовства и водных наук . 79 (9): 1590–1604. doi : 10.1139/cjfas-2021-0221 . ISSN 0706-652X .
- ^ Кинг, младший; Шутер, Би Джей; Циммерман, AP (1999). «Эмпирические связи между термической средой обитания, ростом рыбы и изменением климата» . Труды Американского общества рыболовства . 128 (4): 656–665. doi : 10.1577/1548-8659(1999)128<0656:ELBTHF>2.0.CO;2 . ISSN 0002-8487 .
