stringtranslate.com

Стратификация озера

Озера стратифицированы на три отдельных секции:
I. Эпилимнион
II. Металимнион
III. Гиполимнион
Шкалы используются для привязки каждой секции стратификации к соответствующим им глубинам и температурам. Стрелка используется для показа движения ветра над поверхностью воды, которое инициирует круговорот в эпилимнионе и гиполимнионе.

Стратификация озера — это тенденция озер формировать отдельные и четкие термические слои в теплую погоду. Обычно стратифицированные озера показывают три четких слоя: эпилимнион , включающий верхний теплый слой; термоклин (или металимнион), средний слой, глубина которого может меняться в течение дня; и более холодный гиполимнион , простирающийся до дна озера.

Каждое озеро имеет установленный режим смешивания, на который влияют морфометрия озера и условия окружающей среды. Однако изменения в человеческом влиянии в виде изменения землепользования , повышения температуры и изменения погодных условий, как было показано, изменяют сроки и интенсивность стратификации в озерах по всему миру. [1] [2] Повышение температуры воздуха оказывает такое же воздействие на тела озер, как и физическое изменение географического положения, причем тропические зоны особенно чувствительны. [2] [1] Эти изменения могут дополнительно изменить состав сообществ рыб, зоопланктона и фитопланктона , в дополнение к созданию градиентов, которые изменяют доступность растворенного кислорода и питательных веществ. [3] [4]

Типичная схема смешивания для многих озер, вызванная тем, что вода менее плотная при температурах, отличных от 4 °C или 39 °F (температура, при которой вода имеет наибольшую плотность). Стратификация озера стабильна летом и зимой, становясь нестабильной весной и осенью, когда поверхностные воды пересекают отметку 4 °C.

Определение

Термическая стратификация озер относится к изменению температуры на разных глубинах в озере и обусловлена ​​плотностью воды, изменяющейся в зависимости от температуры. [5] Холодная вода плотнее теплой воды, и эпилимнион обычно состоит из воды, которая не такая плотная, как вода в гиполимнионе. [6] Однако температура максимальной плотности для пресной воды составляет 4 °C. В умеренных регионах, где вода в озере нагревается и охлаждается в течение сезонов, происходит циклический характер опрокидывания, который повторяется из года в год, поскольку холодная плотная вода в верхней части озера опускается (см. стабильная и нестабильная стратификация ). Например, в димиктических озерах вода в озере переворачивается весной и осенью. Этот процесс происходит медленнее в более глубокой воде, и в результате может образоваться термический бар . [5] Если стратификация воды длится в течение длительных периодов, озеро является меромиктическим .

Тепло очень медленно переносится между смешанными слоями стратифицированного озера, где диффузия тепла всего на один вертикальный метр занимает около месяца. Взаимодействие между атмосферой и озерами зависит от того, как распределяется солнечная радиация, поэтому турбулентность воды, в основном вызванная ветровым стрессом, может значительно повысить эффективность теплопередачи. [7] В мелких озерах стратификация на эпилимнион, металимнион и гиполимнион часто не происходит, так как ветер или охлаждение вызывают регулярное перемешивание в течение года. Такие озера называются полимиктическими . Не существует фиксированной глубины, которая разделяет полимиктичные и стратифицированные озера, так как помимо глубины на нее также влияют мутность, площадь поверхности озера и климат. [8]

Режим смешивания озера (например, полимиктический, димиктический, меромиктический) [9] описывает годовые закономерности стратификации озера, которые происходят в большинстве лет. Однако краткосрочные события также могут влиять на стратификацию озера. Волны тепла могут вызывать периоды стратификации в других смешанных, мелких озерах, [10] в то время как события смешивания, такие как штормы или большой речной сток, могут нарушить стратификацию. [11] Погодные условия вызывают более быструю реакцию в более крупных, мелких озерах, поэтому эти озера более динамичны и менее изучены. Однако режимы смешивания, которые, как известно, существуют в больших, мелких озерах, в основном дневные, и стратификацию легко нарушить. Озеро Тайху в Китае является примером большого, мелкого, дневного озера, где, даже если глубина не достигает более 3 метров (9,8 фута), мутность воды озера все еще достаточно динамична, чтобы стратифицироваться и дестратифицироваться из-за поглощения солнечной радиации в основном в верхнем слое. [12] Тенденция к нарушению стратификации влияет на скорость транспортировки и потребления питательных веществ, что, в свою очередь, влияет на наличие роста водорослей. [13] Режимы стратификации и смешивания в крупнейших озерах Земли также плохо изучены, однако изменения в распределении температур, такие как повышение температуры, обнаруженное 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 описать как «криостратифицированные» или «криомиктические» в зависимости от их зимних режимов стратификации. [15] Криостратифицированные озера демонстрируют обратную стратификацию вблизи поверхности льда и имеют усредненные по глубине температуры около 4°C, в то время как криомиктические озера не имеют подо льдом термоклина и имеют усредненные по глубине зимние температуры ближе к 0°C. [16]

Циркуляционные процессы в периоды смешивания вызывают перемещение кислорода и других растворенных питательных веществ, распределяя их по всему 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 зонам с чрезвычайно низкими концентрациями кислорода и питательных веществ у дна. Это может быть вредно для бентосных организмов, таких как моллюски, которые в худшем случае могут уничтожить целые популяции. [17] Накопление растворенного углекислого газа в трех меромиктических озерах в Африке ( озера Ниос и озеро Монун в Камеруне и озеро Киву в Руанде ) потенциально опасно, потому что если одно из этих озер спровоцирует лимническое извержение , очень большое количество углекислого газа может быстро покинуть озеро и вытеснить кислород , необходимый для жизни людей и животных в окружающей местности.

Дестратификация

В умеренных широтах многие озера, которые становятся стратифицированными в летние месяцы, дестратифицируются в более прохладную ветреную погоду, при этом поверхностное перемешивание ветром является существенным фактором в этом процессе. Это часто называют «осенним оборотом». Смешивание гиполимниума в смешанный водный массив озера рециркулирует питательные вещества, в частности соединения фосфора, захваченные в гиполимнионе в теплую погоду. Это также создает риск кислородного провала, поскольку давно сформировавшийся гиполимнион может быть бескислородным или с очень низким содержанием кислорода .

Режимы смешивания озер могут меняться в ответ на повышение температуры воздуха. Некоторые димиктические озера могут превратиться в мономиктические озера, в то время как некоторые мономиктические озера могут стать меромиктическими в результате повышения температуры. [18]

Многие типы оборудования для аэрации использовались для термической дестратификации озер, особенно озер, подверженных низкому содержанию кислорода или нежелательному цветению водорослей. [19] Фактически, менеджеры по природным ресурсам и окружающей среде часто сталкиваются с проблемами, вызванными термической стратификацией озер и прудов. [6] [20] [21] Гибель рыб 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 в озере качество питьевой воды также может быть неблагоприятно затронуто. [6] Для менеджеров по рыболовству пространственное распределение рыб в озере часто неблагоприятно влияет термическая стратификация, а в некоторых случаях может косвенно вызывать большую гибель рекреационно важной рыбы. [22] Одним из часто используемых инструментов для снижения серьезности этих проблем управления озерами является устранение или уменьшение термической стратификации посредством аэрации воды . [20] Аэрация имела определенный успех, хотя она редко оказывалась панацеей. [21]

Антропогенные воздействия

Каждое озеро имеет установленный режим смешивания, на который влияют морфометрия озера и условия окружающей среды. Однако изменения в человеческом влиянии в виде изменения землепользования, повышения температуры и изменения погодных условий, как было показано, изменяют сроки и интенсивность стратификации в озерах по всему миру. [1] [2] Эти изменения могут дополнительно изменить состав сообществ рыб, зоопланктона и фитопланктона, в дополнение к созданию градиентов, которые изменяют доступность растворенного кислорода и питательных веществ. [3] [4]

Существует ряд 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 стока и загрязнения. Добавление твердых частиц в тела озер может снизить прозрачность воды , что приводит к более сильной термической стратификации и общему снижению средней температуры водного столба, что в конечном итоге может повлиять на начало образования ледяного покрова. [23] На качество воды также может влиять сток соли с дорог и тротуаров, что часто создает придонный соленый слой, который мешает вертикальному перемешиванию поверхностных вод. [4] Кроме того, соленый 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 влиять на стратификацию в озерах. Повышение температуры воздуха оказывает такое же воздействие на тела озер, как и физическое изменение географического положения, при этом тропические зоны особенно чувствительны. [2] [1] Интенсивность и масштаб воздействия зависят от местоположения и морфометрии озера, но в некоторых случаях могут быть настолько экстремальными, что требуют переклассификации из мономиктического в димиктическое (например, озеро Большое Медвежье). [2] В глобальном масштабе стратификация озера, по-видимому, более стабильна 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 выше, чем скорость потепления дна, что снова указывает на более сильную термическую стратификацию в озерах. [1]

Изменения в моделях стратификации также могут изменить состав сообщества озерных экосистем. В мелких озерах повышение температуры может изменить сообщество диатомовых водорослей; в то время как в глубоких озерах изменение отражается в таксонах глубокого слоя хлорофилла. [3] Изменения в моделях смешивания и повышенная доступность питательных веществ также могут повлиять на видовой состав и численность зоопланктона, в то время как снижение доступности питательных веществ может быть пагубным для бентосных сообществ и среды обитания рыб. [3] [4]

В северных умеренных озерах, поскольку изменение климата продолжает вызывать повышенную изменчивость погодных условий, а также сроков установления и снятия льда, последующие изменения в моделях стратификации из года в год также могут оказывать влияние на несколько трофических уровней . [24] [25] [26] Колебания в последовательности стратификации могут ускорить деоксигенацию озер, минерализацию питательных веществ и высвобождение фосфора, что имеет значительные последствия для видов фитопланктона. [26] [27] Кроме того, эти изменения в видовом составе и численности фитопланктона могут привести к неблагоприятным последствиям для пополнения популяции рыб , таких как судак . Когда эти асинхронии в популяциях хищников и жертв происходят из года в год из-за изменений в стратификации, популяциям могут потребоваться годы, чтобы восстановиться до своей «нормальной» последовательности. [27] В сочетании с обычно более теплыми температурами озер, связанными с моделями стратификации, вызванными изменением климата, изменчивые популяции добычи из года в год могут быть губительны для холодноводных видов рыб. [28]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdef Kraemer, Benjamin M.; Anneville, Orlane; Chandra, Sudeep; Dix, Margaret; Kuusisto, Esko; Livingstone, David M.; Rimmer, Alon; Schladow, S. Geoffrey; Silow, Eugene; Sitoki, Lewis M.; Tamatamah, Rashid (28.06.2015). «Морфометрия и средняя температура влияют на реакцию стратификации озера на изменение климата: РЕАКЦИЯ СТРАТИФИКАЦИИ ОЗЕРА НА КЛИМАТ». Geophysical Research Letters . 42 (12): 4981–4988. doi : 10.1002/2015GL064097 .
  2. ^ abcde 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 Netherlands, стр. 225–270, ISBN 978-94-010-6577-1
  3. ^ abcd Эдлунд, Марк; Альмендингер, Джеймс; Фанг, Син; Хоббс, Джой; ВандерМейлен, Дэвид; Ки, Ребекка; Энгстром, Дэниел (2017-09-07). "Влияние изменения климата на термическую структуру озер и биотическую реакцию в северных диких озерах". Water . 9 (9): 678. doi : 10.3390/w9090678 . ISSN  2073-4441.
  4. ^ abcde Новотны Эрик В.; Стефан Хайнц Г. (2012-12-01). «Влияние дорожной соли на стратификацию озер и качество воды». Журнал гидравлической инженерии . 138 (12): 1069–1080. doi :10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000590.
  5. ^ ab "Стратификация плотности". Вода в Интернете. 7 октября 2015 г.
  6. ^ abc "Факты оборота озера Ланье". Департамент природных ресурсов Джорджии .
  7. ^ ab Boehrer, B.; Schultze, M. (2009), «Стратификация плотности и устойчивость», Энциклопедия внутренних вод , Elsevier, стр. 583–593, doi :10.1016/b978-012370626-3.00077-6, ISBN 978-0-12-370626-3, получено 2024-04-21
  8. ^ Кириллин, Г.; Шатвелл, Т. (октябрь 2016 г.). «Обобщенное масштабирование сезонной термической стратификации в озерах». Earth-Science Reviews . 161 : 179–190. Bibcode : 2016ESRv..161..179K. doi : 10.1016/j.earscirev.2016.08.008 .
  9. ^ Льюис-младший, Уильям М. (октябрь 1983 г.). «Пересмотренная классификация озер, основанная на смешивании». Канадский журнал рыболовства и водных наук . 40 (10): 1779–1787. doi :10.1139/f83-207.
  10. ^ Вильгельм, Сьюзанн; Адриан, RITA (4 октября 2007 г.). «Влияние летнего потепления на тепловые характеристики полимиктического озера и последствия для кислорода, питательных веществ и фитопланктона». Freshwater Biology . 53 (2): 226–37. doi :10.1111/j.1365-2427.2007.01887.x.
  11. ^ Янг, Бернард; Уэллс, Мэтью Г.; Макминс, Бейли К.; Дуган, Хилари А.; Русак, Джеймс А.; Вейхенмейер, Геса А.; Брентруп, Дженнифер А.; Хричик, Эллисон Р.; Лаас, Ало; Пилла, Рэйчел М.; Остин, Джей А. (16.02.2021). «Новая термическая классификация покрытых льдом озер». Geophysical Research Letters . 48 (3): e91374. Bibcode : 2021GeoRL..4891374Y. doi : 10.1029/2020GL091374. ISSN  0094-8276. S2CID  233921281.
  12. ^ Чжао, Цяохуа; Жэнь, Янь; Ван, Джулиан XL (2018-08-01). «Временные и пространственные характеристики аномалии потенциальной энергии в озере Тайху». Environmental Science and Pollution Research . 25 (24): 24316–24325. doi :10.1007/s11356-018-2204-y. ISSN  1614-7499. PMID  29948715.
  13. ^ Чжао, Цяохуа; Сан, Цзихуа; Чжу, Гуанвэй (2012-11-01). «Моделирование и исследование механизмов, лежащих в основе пространственно-временного распределения глубины поверхностного смешанного слоя в большом мелком озере». Advances in Atmospheric Sciences . 29 (6): 1360–1373. doi :10.1007/s00376-012-1262-1. ISSN  1861-9533.
  14. ^ Андерсон, Эрик Дж.; Стоу, Крейг А.; Гроневолд, Эндрю Д.; Мейсон, Лейси А.; Маккормик, Майкл Дж.; Цянь, Сонг С.; Руберг, Стивен А.; Бидл, Кайл; Констант, Стивен А.; Хоули, Натан (16.03.2021). «Сезонные изменения и изменения стратификации приводят к глубоководному потеплению в одном из крупнейших озер Земли». Nature Communications . 12 (1): 1688. doi :10.1038/s41467-021-21971-1. ISSN  2041-1723. PMC 7966760 . PMID  33727551. 
  15. ^ Янг, Бернард; Уэллс, Мэтью Г.; Макминс, Бейли К.; Дуган, Хилари А.; Русак, Джеймс А.; Вейхенмейер, Геса А.; Брентруп, Дженнифер А.; Хричик, Эллисон Р.; Лаас, Ало; Пилла, Рэйчел М.; Остин, Джей А. (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. ^ Янг, Бернард; Уэллс, Мэтью Г.; Макминс, Бейли К.; Дуган, Хилари А.; Русак, Джеймс А.; Вейхенмейер, Геса А.; Брентруп, Дженнифер А.; Хричик, Эллисон Р.; Лаас, Ало; Пилла, Рэйчел М.; Остин, Джей А. (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.
  17. ^ Wiles, Philip J.; van Duren, Luca A.; Häse, Clivia; Larsen, Jens; Simpson, John H. (2006-04-01). «Стратификация и смешивание в Лим-фьорде в связи с выращиванием мидий». Journal of Marine Systems . 60 (1): 129–143. doi :10.1016/j.jmarsys.2005.09.009. ISSN  0924-7963.
  18. ^ Woolway, R. Iestyn; Merchant, Christopher J. (18 марта 2019 г.). «Глобальное изменение режимов смешивания озер в ответ на изменение климата» (PDF) . Nature Geoscience . 12 (4): 271–276. Bibcode :2019NatGe..12..271W. doi :10.1038/s41561-019-0322-x. S2CID  134203871.
  19. ^ Кук, Г. Деннис; Уэлч, Юджин Б.; Петерсон, Спенсер; Николс, Стэнли А., ред. (2005). Восстановление и управление озерами и водохранилищами (третье изд.). Бока-Ратон: CRC Press. стр. 616. ISBN 9781566706254.
  20. ^ ab Lackey, Robert T. (февраль 1972 г.). «Метод устранения термической стратификации в озерах». Журнал Американской ассоциации водных ресурсов . 8 (1): 46–49. Bibcode : 1972JAWRA...8...46L. doi : 10.1111/j.1752-1688.1972.tb05092.x.
  21. ^ ab Lackey, Robert T. (июнь 1972 г.). «Реакция физических и химических параметров на устранение термической стратификации в водохранилище». Журнал Американской ассоциации водных ресурсов . 8 (3): 589–599. Bibcode : 1972JAWRA...8..589L. doi : 10.1111/j.1752-1688.1972.tb05181.x.
  22. ^ ab Lackey, Robert T.; Holmes, Donald W. (июль 1972 г.). «Оценка двух методов аэрации для предотвращения замора». The Progressive Fish-Culturist . 34 (3): 175–178. doi :10.1577/1548-8640(1972)34[175:EOTMOA]2.0.CO;2.
  23. ^ 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.
  24. ^ Руммукайнен, Маркку (2012). «Изменения климата и экстремальные погодные явления в 21 веке». WIREs Climate Change . 3 (2): 115–129. doi :10.1002/wcc.160. ISSN  1757-7780.
  25. ^ Пилла, Рэйчел М.; Уильямсон, Крейг Э. (2022). «Более раннее вскрытие льда вызывает реакцию точек изменения продолжительности и изменчивости весеннего перемешивания и летней стратификации в димиктических озерах». Лимнология и океанография . 67 (S1). doi :10.1002/lno.11888. ISSN  0024-3590.
  26. ^ ab Woolway, R. Iestyn; Sharma, Sapna; Weyhenmeyer, Gesa A.; Debolskiy, Андрей; Golub, Malgorzata; Mercado-Bettín, Daniel; Perroud, Marjorie; Stepanenko, Victor; Tan, Zeli; Grant, Luke; Ladwig, Robert; Mesman, Jorrit; Moore, Tadhg N.; Shatwell, Tom; Vanderkelen, Inne (2021-04-19). "Фенологические сдвиги в стратификации озер при изменении климата". Nature Communications . 12 (1): 2318. doi :10.1038/s41467-021-22657-4. ISSN  2041-1723. PMC 8055693 . PMID  33875656. 
  27. ^ ab Feiner, Zachary S.; Dugan, Hilary A.; Lottig, Noah R.; Sass, Greg G.; Gerrish, Gretchen A. (2022-09-01). «Перспектива экологических и эволюционных последствий фенологической изменчивости озерного льда на северных умеренных озерах». Канадский журнал рыболовства и водных наук . 79 (9): 1590–1604. doi :10.1139/cjfas-2021-0221. ISSN  0706-652X.
  28. ^ Кинг, Дж. Р.; Шутер, Б. Дж.; Циммерман, А. П. (1999). «Эмпирические связи между термической средой обитания, ростом рыб 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.