stringtranslate.com

Озеро Димиктик

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

Сезонные циклы перемешивания и стратификации

Циклы термической стратификации в димиктическом озере.
Существует сезонный цикл термической стратификации с двумя периодами перемешивания весной и осенью. Такие озера называются «димиктическими». Летом наблюдается сильная термическая стратификация, а зимой более слабая обратная стратификация (рис. изменено из [2] ).

Перемешивание (опрокидывание) 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

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] до тех пор, пока температура водного столба не достигнет 4 °C. В небольших озерах период весеннего переворота может быть очень коротким, [6] поэтому весенний переворот часто намного короче осеннего. Когда верхний слой воды прогревается выше 4 °C, начинает развиваться термическая стратификация .

Летняя стратификация

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 тормозится, [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 (длина менее 5 км), то период внутренней сейши хорошо прогнозируется мерианскими формулами. [9] На долгопериодические внутренние волны в 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

В конце лета температура воздуха падает, и поверхность озер охлаждается, в результате чего образуется более глубокий перемешанный слой, 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

После того, как столб воды достигает температуры максимальной плотности 4°C, при любом последующем охлаждении вода становится менее плотной 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 на озере дуют сильные ветры или оно мелкое, то вся толща воды может остыть 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 фиксируются. Развитие тепловой стратификации зимой определяется двумя периодами: зима I и зима. 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 вызывает образование 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 играть важную роль в обеспечении циркуляции из-за дифференциального нагрева солнечным излучением. [21] Зимний период озер, вероятно, наименее изучен, [22] но химия и биология подо льдом все еще очень активны. [23]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ 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.
  2. ^ 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
  3. ^ abcd 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.
  4. ^ Кэннон, диджей; Трой, компакт-диск; Ляо, К.; Бутсма, ХА (28 июня 2019 г.). «Радиационная конвекция безо льда 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.
  5. ^ аб 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.
  6. ^ 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 озера». Лимнология и океанография: Методы . 9 (2): 74–83. дои : 10.4319/lom.2010.9.0074 . ISSN  1541-5856.
  7. ^ 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.
  8. ^ 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.
  9. ^ Мортимер, CH (январь 1974 г.). «Гидродинамика озера». СИЛ Коммуникейшнс, 1953–1996 гг . 20 (1): 124–197. дои : 10.1080/05384680.1974.11923886. ISSN  0538-4680.
  10. ^ 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.
  11. ^ Чоудхури, Миджанур Р.; Уэллс, Мэтью Г.; Хауэлл, Тодд (апрель 2016 г.). «Движения термоклина приводят к высокой изменчивости смешивания бентоса в прибрежной зоне большого озера». Исследования водных ресурсов . 52 (4): 3019–3039. Бибкод : 2016WRR....52.3019C. дои : 10.1002/2015wr017725. ISSN  0043-1397. S2CID  130510367.
  12. ^ 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.
  13. ^ 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.
  14. ^ Фармер, Дэвид М.; Кармак, Эдди (ноябрь 1981 г.). «Смешивание 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.
  15. ^ Аб 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.
  16. ^ аб 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. дои : 10.1007/s00027-012-0279-y. ISSN  1015-1621. S2CID  6722239.
  17. ^ 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.
  18. ^ 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.
  19. ^ Буффар, Дэмиен; Здоровеннова Галина; Богданов Сергей; Ефремова Татьяна; Лаванши, Себастьен; Пальшин, Николай; Тержевик, Аркадий; Винно, Любовь Роман; Волков, Сергей; Вюэст, Альфред; Здоровеннов Роман (19.02.2019). «Динамика подледной конвекции в бореальном озере». Внутренние воды . 9 (2): 142–161. дои : 10.1080/20442041.2018.1533356 . ISSN  2044-2041.
  20. ^ 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.
  21. ^ 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.
  22. ^ 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.
  23. ^ 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. дои : 10.1111/ele.12699. hdl : 10919/94398 . ISSN  1461-0248. ПМИД  27889953.

Внешние ссылки