Мономиктические озера - это голомиктические озера , которые перемешиваются сверху вниз в течение одного периода смешивания каждый год. Мономиктические озера можно разделить на холодные и теплые.
Холодные мономиктические озера – это озера, которые большую часть года покрыты льдом. В течение короткого «лета» температура поверхностных вод остается на уровне 4 ° C или ниже. Лед предотвращает смешивание этих озер зимой. Летом в этих озерах отсутствует значительная термическая стратификация , и они тщательно перемешиваются сверху вниз. Эти озера типичны для регионов с холодным климатом (например, большей части Арктики). [1] Примером холодного мономиктического озера является Большое Медвежье озеро в Канаде . [2]
Теплые мономиктические озера — это озера, которые никогда не замерзают и имеют термическую стратификацию на протяжении большей части года. Разница в плотности между теплыми поверхностными водами ( эпилимнионом ) и более холодными придонными водами ( гиполимнионом ) предотвращает смешивание этих озер летом. Зимой поверхностные воды охлаждаются до температуры, равной температуре придонных вод. Не имея значительной термической стратификации, эти озера каждую зиму тщательно перемешиваются сверху вниз. Эти озера широко распространены от умеренного до тропического климатических регионов. [1] Одним из примеров является Голубое озеро в Южной Австралии , где об изменении циркуляции сигнализирует резкое изменение цвета.
Идентификация и классификация мономиктических озер основана на формировании как эпилимниона (более теплая, менее плотная вода), так и гиполимниона (более прохладная и более плотная вода), разделенных термоклином большую часть года. [3] Четкое разделение этих слоев водной толщи вместе называется термическим и плотностным слоями. Термическая и плотностная стратификация является важнейшим фактором, влияющим на состав водной толщи. Состав часто относится к наличию или отсутствию питательных веществ и организмов. [4] Как в холодных, так и в теплых мономиктических озерах эпилимнион и гиполимнион большую часть года разделены. В теплых мономиктических озерах вода находится в однородном жидком виде; в холодных мономиктических озерах тело содержит слой льда и имеет более прохладную температуру. Ниже рассматриваются проблемы и решения, касающиеся как теплых, так и холодных мономиктических озер.
Поскольку теплые мономиктические озера полностью жидкие, более теплые по температуре и высокопродуктивные, летняя стратификация обычно приводит к эвтрофикации . Особенно продолжительна эта летняя стратификация в теплых мономиктических озерах. Во время эвтрофикации избыточные питательные вещества производятся и истощаются в озере на противоположных вертикальных концах водного столба. Это, в свою очередь, диктует рост и созревание популяций организмов, которые имеют тенденцию влиять на уровень кислорода и питательных веществ в воде. В теплых мономиктических озерах термическая стратификация приводит к истощению кислорода в гиполимнионе; отсутствие перемешивания препятствует поступлению кислорода из атмосферы в воду. Эта мера известна как растворенный кислород (DO). Когда DO в гиполимнионе снижается, питательные вещества, такие как аммоний, нитраты и фосфаты, имеют тенденцию доминировать. Когда уровень кислорода чрезвычайно низок, вода считается гипоксичной и не может поддерживать многие формы жизни. Недостаток кислорода также ограничивает естественные химические процессы, такие как превращение аммония в нитрат. [4]
Смесь аммония и нитратов необходима для поддержания роста растений; избыток аммония связан с плохим ростом и продуктивностью растений. [5] Избыток аммония в озере также указывает на анаэробные и кислые условия. Этот недостаток кислорода изменяет окислительно-восстановительный потенциал озера (ОВП). Чем выше ОВП озера, тем выше уровень кислорода в воде. Идеальные диапазоны составляют от 300 до 500 милливольт. В идеале более высокие уровни кислорода помогают местным бактериям и микроорганизмам разлагать органические вещества и рассеивать необходимые питательные вещества в толще воды. [6] И наоборот, низкий ОВП и низкий уровень кислорода способствуют высвобождению фосфора из отложений посредством диффузии по градиентам концентрации посредством процесса, известного как внутренняя загрузка. [7] В совокупности увеличение содержания фосфора, аммония и нитратов может привести к образованию токсичного цветения водорослей. Такое цветение создает петлю положительной обратной связи по истощению питательных веществ и кислорода и последующему высвобождению питательных веществ, необходимых для поддержания их дальнейшего роста. Эвтрофикация может быть как естественным, так и антропологическим процессом; антропогенные воздействия обычно происходят через сточные воды и сточные воды или эрозию и стоки сельскохозяйственных почв. [8]
Достаточно новая гипотеза — связь между временем пребывания воды и сезонной стратификацией в мономиктических озерах, приводящая к эвтрофикации. Увеличение времени пребывания приводит к более длительным периодам стратификации, уменьшению перемешивания воды и усилению эвтрофикации эпилимниона. Некоторые предлагают разработать меры вмешательства, адаптированные к озерам, чтобы уменьшить эти условия. Такая персонализация относится к манипулированию временем пребывания озера для борьбы с внутренней нагрузкой и эвтрофикацией путем сокращения продолжительности периода стратификации. Современные модели используют перенаправление потока воды в мономиктические озера и из них, чтобы способствовать переворачиванию и физическому «смыванию» фитопланктона и излишков питательных веществ. Показано, что такие методы сокращают время пребывания и расслоение по дням. Хотя эти временные рамки ограничены по объему, они потенциально могут быть увеличены для достижения более высоких результатов в будущих исследованиях и различных моделях озер. [9]
Гиполимнетическая аэрация и оксигенация направлены на непосредственное устранение пониженного уровня растворенного кислорода в данном озере, что приводит к эвтрофикации. Увеличивая уровень кислорода в гиполимнионе, стремятся увеличить ОВП и снизить скорость и частоту внутренней нагрузки. Аэраторы используются для подачи кислорода, чистого или атмосферного, непосредственно в толщу воды. Это особенно дорогостоящее вмешательство, учитывая электрические требования, необходимые для питания такого оборудования. Эти затраты делают эти аэраторы довольно неустойчивыми, поскольку они экономически затратны, а производство электроэнергии может иметь экологические последствия. Экологические угрозы также были продемонстрированы. Использование аэраторов коррелирует с увеличением распространенности газопузырьковой болезни среди рыб. Тем не менее, другие организмы, такие как зоопланктон и рыбы, извлекают выгоду из этого процесса, поскольку повышенные аэробные условия расширяют их территорию в озере. [10]
Гиполимнетический забор предполагает забор воды из эвтрофного озера в гиполимнионе в пики сезонной стратификации. Эту воду удаляют для косвенного удаления фосфора. При добавлении этой воды обратно в гиполимнион рост цианобактерий ограничивается. Эта добавка к гиполимниону также уменьшает перемешивание водной толщи и рассеивание питательных веществ, необходимых для питания эпилимнионных водорослей. Физическое удаление воды может быть пассивным или активным и обычно ограничивается, чтобы свести к минимуму воздействие на качество воды. Эта вода также может сбрасываться вниз по течению и иметь непредвиденные последствия. Вода низкого качества, богатая токсинами и питательными веществами, удаленная из гиполимниона при переносе в другие озера, может дестабилизировать толщу воды в них. В некоторых случаях в озерах, обработанных гиполимнетическим водозабором, может также наблюдаться нежелательное снижение уровня воды и общее повышение средней температуры воды с последующим перемешиванием. [10]
Наконец, дноуглубительные работы относятся к непосредственному сбору и удалению отложений со дна озера. Удаление верхнего слоя осадка направлено на удаление органических веществ, содержащих нежелательные питательные вещества. Этот метод оказывает измеримое воздействие на донные организмы . Восстановление донных организмов, удаленных дноуглубительными работами, может занять до трех лет. Такие организмы необходимы для круговорота питательных веществ в озерах и водной среде. [10]
Самым большим фактором, определяющим температуру воды в данном озере, является температура воздуха. [4] Текущие изменения и тенденции глобальных температур круглый год представляют собой серьезную угрозу для водных экосистем. Текущие исследования подтверждают, что сочетание повышения температуры воздуха и уменьшения количества осадков влияет на мелкие мономиктические озера. В частности, может усилиться их смешивание; такое смешивание приводит к увеличению рассеивания питательных веществ, бескислородным условиям и цветению водорослей . В южных регионах также может наблюдаться увеличение солености. [10] Теплые мономиктические озера, пережившие исторически теплые зимы, демонстрируют большую термическую стабильность. Эта стабильность уменьшает взаимодействия при смешивании и окисление воды. Кроме того, холодные мономиктические озера могут испытывать менее прохладные условия круглый год, что приводит к усилению перемешивания и изменениям в термической стратификации, которые иначе не наблюдались бы. [11]
