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. Однако было показано, 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. [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]
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, а 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 .
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. [7]
Режим перемешивания озер (например, полимиктический, димиктический, меромиктический) [8] описывает годовые закономерности стратификации озер, которые происходят в большинстве лет. Однако краткосрочные события также могут повлиять на стратификацию озера. Волны жары могут вызвать периоды расслоения в смешанных мелких озерах, [9] в то время как явления перемешивания, такие как штормы или большие речные стоки, могут нарушить стратификацию. [10] Недавние исследования показывают, что сезонно покрытые льдом димиктические озера можно охарактеризовать как «криостратифицированные» или «криомиктические» в соответствии с их режимами зимней стратификации. [11] Криостратифицированные озера демонстрируют обратную стратификацию вблизи поверхности льда и имеют среднюю температуру по глубине около 4°C, в то время как криомиктические озера не имеют подледного термоклина и имеют средние зимние температуры по глубине ближе к 0°C. [12]
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.
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». При смешивании гиполимниона со смешанным водоемом озера происходит рециркуляция 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. [13]
Многие типы аэрационного оборудования использовались для термической дестратификации озер, особенно озер с низким содержанием кислорода или нежелательным цветением водорослей. [14] Фактически, менеджеры по природным ресурсам и охране окружающей среды часто сталкиваются с проблемами, вызванными термической стратификацией озер и прудов. [6] [15] [16] Гибель рыбы напрямую связана с температурными градиентами, застоем и ледяным покровом. [17] 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. [17] Одним из широко используемых инструментов для уменьшения серьезности этих проблем управления озером является устранение или уменьшение термической стратификации посредством аэрации воды . [15] Аэрация добилась определенного успеха, хотя она редко оказывалась панацеей. [16]
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 озера 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. [18] На качество воды также может влиять сток соли с дорог и тротуаров, который часто создает донный солевой слой, который препятствует 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 представляется 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 выше, чем скорость потепления дна, что еще раз 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 нанести ущерб донным сообществам и среде обитания рыб. [3] [4]