ОЗЕРО: ГИДРОДИНАМИКА ОЗЕР
ОЗЕРО: ГИДРОДИНАМИКА ОЗЕР К статье ОЗЕРО Движение воды в озерах значительно отличается от высокоамплитудных приливо-отливных и мощных океанических течений. Только в таких крупнейших озерах, как Верхнее и Мичиган, существуют постоянные течения, но даже в них практически отсутствуют приливо-отливные колебания (их амплитуда в оз. Верхнем составляет лишь 3 см). Тем не менее под воздействием температурного градиента, впадающих водотоков и ветров в озерах совершается движение воды. Например, в конце лета, когда ночью с поверхности озер происходит отдача тепла в атмосферу, вода, охлаждаясь таким образом, становится тяжелее и опускается по направлению к гиполимниону, смешиваясь с его верхним слоем. Это один из основных механизмов разрастания эпилимниона в глубину, который приводит к полному перемешиванию воды осенью. Когда в стратифицированное озеро впадает река, либо в поверхностном слое, либо на средних глубинах возникает стоковое течение. Поверхностные течения формируются, когда воды притока имеют меньшую плотность, чем воды самого озера, как, например, летом при впадении р.Иордан в Тивериадское озеро. Среднеглубинные течения образуются, если водоток устремляется вниз к слоям, соответствующим его собственной плотности. Если одновременно происходит сток воды сквозь плотину, такое течение может распространяться на большие расстояния и переносить воды со специфическими свойствами (например, с более высоким или более низким содержанием ила) через все водохранилище. Если плотность водотока выше плотности любого слоя озерной воды, он опустится на дно и образует придонное течение. При этом возможно даже формирование подводного русла, как, например, при впадении р.Роны в Женевское озеро. Под влиянием ветра возникает несколько типов движений озерных вод. Один из них - вихревое ветровое течение (или циркуляция Лэнгмюра) - отчетливо выделяется на поверхности озер чередованием гладких и покрытых мелкой рябью полос. Когда дует ветер, вода перемещается по ветру и образует цилиндрические завихрения, оси которых параллельны как направлению ветра, так и поверхности озера. В одних вихрях движение происходит по часовой стрелке, а в других - против часовой стрелки. В результате формируются продольные (вытянутые по ветру) зоны конвергенции (встречного и нисходящего движения воды), чередующиеся с продольными же зонами дивергенции (восходящего и расходящегося движения воды). Зоны дивергенции находятся на некотором расстоянии одна от другой (например, от 5 до 15 м). Они легко распознаются как гладкие полосы, поскольку пузыри, пыль и другие плавающие предметы собираются вдоль зон конвергенции, где вода опускается, но скорость ее недостаточна для того, чтобы увлечь этот материал за собой. Другой тип движения воды происходит, когда ветер постоянно дует над поверхностью озера. Поскольку вода перемещается по ветру, уровень воды в дальнем конце озера несколько поднимается, что приводит к формированию компенсационного течения - либо вдольберегового, если озеро мелкое, либо, в более глубоких озерах, противоположно направленного и проходящего на некоторой глубине от поверхности. Однако, если ветер стихнет, в результате нагона воды к дальнему берегу компенсационное течение образуется на поверхности озера, и вода перемещается то в одну сторону, то в другую, пока эти колебания не затухнут. Такие поверхностные движения воды с переменным направлением называются поверхностными сейшами. На больших озерах их высота может превышать несколько метров. Сейши могут наносить огромный ущерб низменным прибрежным районам. К счастью, такие сейши затухают довольно быстро, и озера возвращаются в обычное состояние. Если озеро очень глубокое или имеет четкую стратификацию, может возникнуть другой тип движения воды, называемый внутренними сейшами. Когда вода перемещается по ветру, ее уровень повышается приблизительно на 1 мм на каждый погонный километр. Если ветер устойчив, то равновесие водной массы нарушается. Как у нагонного, так и сгонного берегов озера теплые менее плотные водные массы располагаются над холодными и более плотными, но у нагонного берега слой воды больше на несколько миллиметров. Чтобы уравновесить избыток давления, создаваемого этим добавочным слоем воды, более плотные придонные воды перемещаются против ветра к противоположному берегу озера, а менее плотные поверхностные воды движутся по ветру. Это приводит к перекосу термоклина: с подветренной стороны озера он приподнимается. Однако, поскольку разница плотности поверхностных и придонных вод составляет часто всего ок. 0,001 средней плотности воды, изменение соотношения этих двух типов воды, необходимое для уравновешения сдвига, превосходит величину нагона примерно в 1000 раз. Поэтому перекос термоклина очень велик по сравнению с величиной нагона: на таких крупных озерах, как Байкал, он может достигать или превышать 150 м. Когда ветер прекращается, поверхностные сейши быстро выравнивают уровень воды, однако озеро вновь оказывается в неравновесном состоянии из-за перекоса термоклина. В результате поверхностные и придонные воды продолжают свои колебания, причем термоклин, как маятник, меняет наклон то в одну, то в другую сторону, пока, наконец, это движение не затухнет, и озеро не придет в состояние внутреннего равновесия. Продолжительность таких колебаний определяется параметрами озерной котловины, но она значительно больше, чем период затухания поверхностных сейш, и, например, на оз. Байкал может достигать 30 дней. Примечательно, что в результате таких колебательных движений придонных вод происходит лишь незначительное вертикальное перемешивание, но при этом вода переносится на большие расстояния по горизонтали и может даже вступать в контакт с донными отложениями и изменять свои химические свойства. Кроме того, такие движения способствуют переносу загрязняющих веществ, сброшенных в верхнюю часть придонного слоя воды у одного берега озера, на многие километры в другое место, где, возможно, осуществляется водозабор для промышленных или бытовых нужд. При некоторых условиях внутренние сейши могут даже приводить к тому, что глубинные воды с очень низким содержанием растворенного кислорода достигают поверхности озера вблизи берега, где из-за этого происходит замор рыбы. Такое явление периодически наблюдается в Тивериадском озере с характерным 24-часовым периодом внутренних сейш, совпадающим с суточной периодичностью летних ветров.