stringtranslate.com

озеро Димиктик

Димиктическое озеро — это пресноводный водоем, разница температур между поверхностными и донными слоями которого становится незначительной дважды в год, что позволяет всем слоям воды озера циркулировать вертикально. Все димиктические озера также считаются голомиктическими , категория, которая включает все озера, которые смешиваются один или несколько раз в год. Зимой димиктические озера покрыты слоем льда, создающим холодный слой на поверхности, немного более теплый слой подо льдом и еще более теплый незамерзший нижний слой, в то время как летом те же самые температурные различия в плотности разделяют теплые поверхностные воды ( эпилимнион ) от более холодных придонных вод ( гиполимнион ). Весной и осенью эти температурные различия ненадолго исчезают, и водоем переворачивается и циркулирует сверху вниз. Такие озера распространены в регионах средних широт с умеренным климатом. [1]

Примеры димиктических озер

Сезонные циклы смешивания и стратификации

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

Смешивание (переворачивание) обычно происходит весной и осенью, когда озеро «изотермично» (т. е. имеет одинаковую температуру сверху донизу). В это время вода во всем озере имеет температуру около 4 °C (температура максимальной плотности), и при отсутствии каких-либо различий в температуре или плотности озеро легко перемешивается сверху донизу. Зимой любое дополнительное охлаждение ниже 4 °C приводит к стратификации водной толщи, поэтому димиктические озера обычно имеют обратную термическую стратификацию, с водой при 0 °C ниже льда, а затем с повышением температуры до около 4 °C у основания озера. [3]

Весенний переворот

После таяния льда столб воды может перемешиваться ветром. В больших озерах верхний столб воды часто находится ниже 4 °C, когда лед тает, поэтому весна характеризуется постоянным перемешиванием за счет солнечной конвекции [4] [5] до тех пор, пока столб воды не достигнет 4 °C. В небольших озерах период весеннего оборота может быть очень коротким [6] , поэтому весенний оборот часто намного короче осеннего оборота. Когда верхний столб воды прогревается выше 4 °C, начинает развиваться термическая стратификация .

Летняя стратификация

Летом потоки тепла из атмосферы в озеро нагревают поверхностные слои. Это приводит к тому, что димиктические озера имеют сильную термическую стратификацию, при этом теплый эпилимнион отделен от холодного гиполимниона металимнионом. Внутри металимниона находится термоклин , обычно определяемый как область, где градиенты температуры превышают 1 °C/м. [7] Из-за стабильного градиента плотности перемешивание в пределах термоклина затруднено, [8] что снижает вертикальный перенос растворенного кислорода . Если озеро эвтрофное и имеет высокую потребность в кислороде отложений, гиполимнион в димиктических озерах может стать гипоксическим во время летней стратификации, как это часто наблюдается в озере Эри .

Во время летней стратификации большинство озер испытывают внутренние волны из-за поступления энергии от ветров. Если озеро небольшое (менее 5 км в длину), то период внутренней сейши хорошо предсказывается формулами Мериана. [9] Длиннопериодные внутренние волны в более крупных озерах могут находиться под влиянием сил Кориолиса (из-за вращения Земли). Ожидается, что это произойдет, когда период внутренней сейши станет сопоставимым с локальным инерционным периодом , который составляет 16,971 часа на широте 45 ° с. ш. (ссылка на утилиту Кориолиса). В больших озерах (таких как озеро Симко , Женевское озеро , озеро Мичиган или озеро Онтарио ) наблюдаемые частоты внутренних сейш определяются волнами Пуанкаре [10] [11] и волнами Кельвина . [12] [13]

Опрокидывание осенью

В конце лета температура воздуха падает, и поверхность озер охлаждается, что приводит к более глубокому смешанному слою, пока в какой-то момент водная толща не станет изотермической и, как правило, с высоким содержанием растворенного кислорода. Осенью сочетание ветра и охлаждающей температуры воздуха продолжает поддерживать водную толщу смешанной. Вода продолжает охлаждаться, 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 при 4°C, любое последующее охлаждение приводит к образованию менее плотной воды из-за нелинейности уравнения состояния воды . Таким образом, начало зимы является периодом повторной стратификации. [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» после образования льда. [15] Если озеро испытывает сильные ветры или оно мелкое, то весь столб воды может остыть почти до 0°C до образования льда, такие более холодные озера называются «криомиктовыми». [15] После того, как на озере образуется лед, потоки тепла из атмосферы в значительной степени прекращаются, и начальные криостратифицированные или криомиктовые условия в значительной степени блокируются. Развитие термической стратификации зимой затем определяется двумя периодами: Зима I и Зима II. [16] В течение раннего зимнего периода Зимы I основной поток тепла обусловлен теплом, сохраненным в осадке; В этот период озеро нагревается снизу, образуя глубокий слой воды с температурой 4 °C. [16] В конце зимы поверхностный лед начинает таять, и с увеличением продолжительности дня увеличивается количество солнечного света, который проникает через лед в верхнюю водную толщу. Таким образом, во время зимы II основной поток тепла теперь идет сверху, и потепление приводит к образованию нестабильного слоя, что приводит к солнечной конвекции. [5] [17] [3] Это перемешивание верхней водной толщи важно для поддержания планктона во взвешенном состоянии, [18] [3] [19] что, в свою очередь, влияет на сроки цветения водорослей подо льдом и уровни растворенного кислорода. [20] [3] Силы Кориолиса также могут играть важную роль в управлении циркуляционными моделями из-за дифференциального нагрева солнечным излучением. [21] Зимний период озер, вероятно, наименее изучен, [22] но химия и биология все еще очень активны подо льдом. [23]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Льюис, Уильям М. младший (1983). «Пересмотренная классификация озер на основе смешивания» (PDF) . Канадский журнал рыболовства и водных наук . 40 (10): 1779–1787. doi :10.1139/f83-207. Архивировано из оригинала (PDF) 2009-03-06.
  2. ^ Уэллс, MG, и Трой, CD (2022). Поверхностные смешанные слои в озерах. В Энциклопедии внутренних вод (стр. 546–561). Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819166-8.00126-2
  3. ^ abcd Янг, Бернард; Янг, Джоэль; Браун, Лора; Уэллс, Мэтью (2017-12-23). ​​«Высокочастотные наблюдения температуры и растворенного кислорода выявляют подледную конвекцию в большом озере». Geophysical Research Letters . 44 (24): 12, 218–12, 226. Bibcode : 2017GeoRL..4412218Y. doi : 10.1002/2017GL075373 . ISSN  0094-8276.
  4. ^ Кэннон, DJ; Трой, CD; Ляо, Q.; Бутсма, HA (2019-06-28). «Свободная ото льда радиационная конвекция стимулирует весеннее перемешивание в большом озере». Geophysical Research Letters . 46 (12): 6811–6820. Bibcode : 2019GeoRL..46.6811C. doi : 10.1029/2019gl082916. ISSN  0094-8276. S2CID  197574599.
  5. ^ ab Austin, Jay A. (2019-04-22). «Наблюдения за конвекцией, вызванной излучением, в глубоком озере». Лимнология и океанография . 64 (5): 2152–2160. Bibcode : 2019LimOc..64.2152A. doi : 10.1002/lno.11175 . ISSN  0024-3590.
  6. ^ Пирсон, Д.К.; Вейхенмейер, ГА; Арвола, Л.; Бенсон, Б.; Бленкнер, Т.; Кратц, Т.; Ливингстон, Д.М.; Маркенстен, Х.; Марцец, Г.; Петтерссон, К.; Уэзерс, К. (февраль 2011 г.). «Автоматизированный метод мониторинга фенологии льда озера». Лимнология и океанография: Методы . 9 (2): 74–83. Bibcode : 2011LimOM...9...74P. doi : 10.4319/lom.2010.9.0074 . ISSN  1541-5856.
  7. ^ Горхэм, Эвилл; Бойс, Фаррелл М. (январь 1989). «Влияние площади поверхности озера и глубины на термическую стратификацию и глубину летнего термоклина». Журнал исследований Великих озер . 15 (2): 233–245. Bibcode :1989JGLR...15..233G. doi :10.1016/s0380-1330(89)71479-9. ISSN  0380-1330. S2CID  128748369.
  8. ^ Chowdhury, Mijanur R.; Wells, Mathew G.; Cossu, Remo (декабрь 2015 г.). «Наблюдения и экологические последствия изменчивости вертикального турбулентного перемешивания в озере Симко». Journal of Great Lakes Research . 41 (4): 995–1009. Bibcode : 2015JGLR...41..995C. doi : 10.1016/j.jglr.2015.07.008. hdl : 1807/107899 . ISSN  0380-1330.
  9. ^ Мортимер, CH (январь 1974). «Гидродинамика озер». SIL Communications, 1953-1996 . 20 (1): 124–197. Bibcode : 1974SILC...20..124M. doi : 10.1080/05384680.1974.11923886. ISSN  0538-4680.
  10. ^ Чой, Джун; Трой, Кэри Д.; Хси, Цун-Чан; Хоули, Натан; Маккормик, Майкл Дж. (июль 2012 г.). «Год внутренних волн Пуанкаре в южной части озера Мичиган». Журнал геофизических исследований: Океаны . 117 (C7): н/д. Bibcode : 2012JGRC..117.7014C. doi : 10.1029/2012jc007984. hdl : 2027.42/95363 . ISSN  0148-0227.
  11. ^ Chowdhury, Mijanur R.; Wells, Mathew G.; Howell, Todd (апрель 2016 г.). «Движения термоклина приводят к высокой изменчивости бентического смешивания в прибрежной зоне большого озера». Water Resources Research . 52 (4): 3019–3039. Bibcode : 2016WRR....52.3019C. doi : 10.1002/2015wr017725. ISSN  0043-1397. S2CID  130510367.
  12. ^ Флуд, Брайан; Уэллс, Мэтью; Данлоп, Эрин; Янг, Джоэль (14.08.2019). «Внутренние волны перекачивают воду в глубокий прибрежный залив большого озера и из него». Лимнология и океанография . 65 (2): 205–223. doi : 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. Bibcode : 2013JGLR...39..637B. doi : 10.1016/j.jglr.2013.09.005. ISSN  0380-1330.
  14. ^ Фармер, Дэвид М.; Кармак, Эдди (ноябрь 1981 г.). «Ветровое смешивание и рестратификация в озере вблизи температуры максимальной плотности». Журнал физической океанографии . 11 (11): 1516–1533. Bibcode : 1981JPO....11.1516F. doi : 10.1175/1520-0485(1981)011<1516:wmaria>2.0.co;2 . ISSN  0022-3670.
  15. ^ ab Yang, Bernard; Wells, Mathew G.; McMeans, Bailey C.; Dugan, Hilary A.; Rusak, James A.; Weyhenmeyer, Gesa A.; Brentrup, Jennifer A.; Hrycik, Allison R.; Laas, Alo; Pilla, Rachel M.; Austin, Jay A. (2021). "Новая термическая классификация покрытых льдом озер". Geophysical Research Letters . 48 (3): e2020GL091374. Bibcode : 2021GeoRL..4891374Y. doi : 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. Бибкод : 2012AqSci..74..659K. дои : 10.1007/s00027-012-0279-y. ISSN  1015-1621. S2CID  6722239.
  17. ^ Буффар, Дэмиен; Вюэст, Альфред (2019-01-05). «Конвекция в озерах» (PDF) . Annual Review of Fluid Mechanics . 51 (1): 189–215. Bibcode : 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 водорослевую суспензию». Журнал исследований планктона . 19 (12): 1859–1880. doi : 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; Вюст, Альфред; Здоровеннов Роман (19.02.2019). «Динамика подледной конвекции в бореальном озере». Внутренние воды . 9 (2): 142–161. Бибкод : 2019InWat...9..142B. дои : 10.1080/20442041.2018.1533356 . ISSN  2044-2041.
  20. ^ Янг, Бернард; Уэллс, Мэтью Г.; Ли, Цзинчжи; Янг, Джоэль (2020). «Смешивание, стратификация и планктон подо льдом озера зимой в большом озере: последствия для уровней растворенного кислорода весной». Лимнология и океанография . 65 (11): 2713–2729. Bibcode : 2020LimOc..65.2713Y. doi : 10.1002/lno.11543. ISSN  1939-5590. S2CID  225490164.
  21. ^ Рамон, Синтия Л.; Ульоа, Уго Н.; Дода, Томи; Уинтерс, Крейг Б.; Буффар, Дамиен (2021-04-07). «Батиметрия и широта изменяют потепление озер подо льдом». Гидрология и науки о системах Земли . 25 (4): 1813–1825. Bibcode : 2021HESS...25.1813R. doi : 10.5194/hess-25-1813-2021 . ISSN  1027-5606.
  22. ^ Озерски, Тед; Брамбургер, Эндрю Дж.; Элгин, Эшли К.; Вандерплог, Генри А.; Ван, Цзя; Остин, Джей А.; Каррик, Хантер Дж.; Чавари, Луиз; Депью, Дэвид К.; Фиск, Аарон Т.; Хэмптон, Стефани Э. (2021). «Изменчивый облик зимы: уроки и вопросы Великих Лаврентийских озер». Журнал геофизических исследований: Biogeosciences . 126 (6): e2021JG006247. Bibcode : 2021JGRG..12606247O. doi : 10.1029/2021JG006247 . hdl : 2027.42/168250 . ISSN  2169-8961.
  23. ^ Хэмптон, Стефани Э.; Гэллоуэй, Аарон У. Э.; Пауэрс, Стивен М.; Озерски, Тед; Ву, Кара Х.; Батт, Райан Д.; Лабу, Стефани Г.; О'Рейли, Кэтрин М.; Шарма, Сапна; Лоттиг, Ноа Р.; Стэнли, Эмили Х. (2017). «Экология подо льдом озера». Ecology Letters . 20 (1): 98–111. Bibcode :2017EcolL..20...98H. doi :10.1111/ele.12699. hdl : 10919/94398 . ISSN  1461-0248. PMID  27889953.

Внешние ссылки