Образование льда в пресной воде

Нагретая солнцем вода поверхности водоёма имеет плотность ниже воды, расположенной глубже. Это различие плотности препятствует вертикальной циркуляции. Для того, чтобы она развилась, необходимо, чтобы плотность поверхностной воды снизилась до плотности воды, её подстилающей.

В пресных водоёмах плотность воды нелинейно зависит от функция температуры (Рис. 5.19).

Следовательно, придонные слои не могут иметь температуру ниже 4°С (по крайней мере до тех пор, пока вышележащие не замерзнут).

В водоёмах высоких и умеренных широт и в горных водоёмах низких широт температура поверхности в течение года переходит рубеж в 4°С.

Результатом этого являются следующие процессы (Рис. 5.20).

Осенью плотность воды возрастает из-за снижения поверхностной температуры и становится больше плотности нагревшихся за лето нижележащих слоёв. Поэтому поверхностная вода опускается, а придонная — поднимается. В результате, из-за малых размеров пресных водоёмов плотность быстро выравнивается по всей толще воды от поверхности до дна.

Одинаковая плотность воды позволяет распространяться любым возмущениям воды (например, ветровому волнению) на всю её толщу, что дополнительно увеличивает перемешивание воды в этот период года.

При дальнейшем снижении температуры воздуха (ниже 4°С) плотность поверхностных слоёв уменьшается и становится ниже плотности нижележащих слоёв, это препятствует вертикальной циркуляции. Поэтому температура глубинных слоёв остаётся более высокой, близкой к 4°, тогда как поверхностные слои продолжают охлаждаться вплоть до образования льда.

Дальнейшее повышение температуры поверхностного слоя воды приводит к уменьшению его плотности по сравнению с нижележащим, нагревающимся меньше.

В результате формируется термоклин, разделяющий эпилимнион (поверхностный слой воды) и гиполимнион (придонный, с более плотной водой). Различие в плотности воды препятствует перемешиванию воды

Интенсивное перемешивание воды и обогащение придонных слоёв кислородом происходит в периоды гомотермии (осенней и весенней). В периоды же стратификации в придонных слоях источником кислорода является только фотосинтез.

Из-за низкой прозрачности воды в пресных водоёмах (а зимой и из-за снижения освещённости подо льдом и низкой температуры) поступление кислорода от фотосинтеза не компенсирует его потребление. И при отсутствии иных источников кислорода при достаточно высоком потреблении кислорода (обычно за счёт бактериального окисления органики грунта) и малом объёме гиполимниона могут наступать заморы.

С продвижением в более высокие широты и выше в горы лето становится короче, уменьшается и период летней стратификации. При очень коротком лете периоды осенней и весенней гомотермии сливаются в один. С дальнейшим падением температуры воздуха периоды гомотермии сокращаются, промерзание водоёмов происходит на большую глубину, и в пределе вместо водоёма возникает ледник.

С продвижением в более низкие широты зима становится короче, уменьшается и период зимней стратификации. При очень короткой зиме периоды осенней и зимней гомотермии сливаются в один. С дальнейшим ростом температуры воздуха и этот период гомотермии сокращается и в пределе исчезает.

В результате перемешивание происходит только за счёт ветрового волнения и течений и не распространяется на большие глубины, где концентрация кислорода из-за поглощения биотой падает. Поэтому может возникнуть ситуация, когда потребление кислорода превосходит его приток в результате фотосинтеза и газообмена с атмосферой и поверхностным слоем. На достаточно большой глубине (неодинаковой в разных водоёмах) возможно потребление кислорода биотой полностью, и в воде появляется сероводород.

Такая ситуация имеет место, например, в крупных африканских озерах Ньяса и Танганьика. Это озера типа Байкала с глубинами 706 м и 1435 м соответственно. В них, начиная с 100–300 м, вода постоянно насыщена сероводородом и лишена аэробной жизни.

Более того, в результате спорадически возникающих подъёмов глубинной воды к поверхности в атмосферу попадает огромное количество сероводорода, приводящее к уничтожению жизни на большой площади суши, в том числе иногда — и населения поселков, попавших в зону сероводородного заражения.

В водоёмах с высокой турбулентностью изменение температуры воды по глубине может иметь иной вид, в частности может происходить её переохлаждение (понижение ее температуры замерзания по отношению к 0°С). В реках оно может достигать 1°С.

Переохлаждение наблюдается также в озерах и морях, где оно впервые и было обнаружено еще в XVIII в. в виде так называемого якорного льда на опущенных на дно якорях.