Мономиктическое озеро

Мономиктические озера — это голомиктические озера , которые смешиваются сверху вниз в течение одного периода смешивания каждый год. Мономиктические озера можно разделить на холодные и теплые типы.

Холодные мономиктические озера

Холодные мономиктические озера — это озера, которые покрыты льдом большую часть года. Во время их короткого «лета» поверхностные воды остаются на уровне или ниже 4 °C. Лед препятствует смешиванию этих озер зимой. Летом в этих озерах отсутствует значительная термическая стратификация , и они тщательно перемешиваются сверху донизу. Эти озера типичны для регионов с холодным климатом (например, большая часть Арктики). ^[1] Примером холодного мономиктического озера является Большое Медвежье озеро в Канаде . ^[2]

Теплые мономиктические озера

Теплые мономиктические озера — это озера, которые никогда не замерзают и термически стратифицированы в течение большей части года. Разница в плотности между теплыми поверхностными водами (эпилимнионом ) и более холодными донными водами ( гиполимнионом ) препятствует смешиванию этих озер летом. Зимой поверхностные воды охлаждаются до температуры, равной температуре придонных вод. Не имея значительной термической стратификации, эти озера тщательно перемешиваются каждую зиму сверху донизу. Эти озера широко распространены от умеренных до тропических климатических регионов. ^{[1] Одним из примеров является}Голубое озеро в Южной Австралии , где изменение циркуляции сигнализируется резким изменением цвета. Еще одним необычным примером является Глубокое озеро в Вестфолд-Хиллз , Антарктида . ^[3] Поверхность этого гиперсоленого озера не замерзает зимой из-за понижения точки замерзания из-за высокого содержания соли.

Температурная и плотностная стратификация

Идентификация и категоризация мономиктических озер основывается на формировании как эпилимниона ( более теплой, менее плотной воды), так и гиполимниона (более холодной, более плотной воды), разделенных термоклином большую часть года. ^[4] Четкое разделение этих слоев водной толщи совместно именуется термической и плотностной стратой. Термическая и плотностная стратификация является критическим фактором, влияющим на состав водной толщи. Состав часто относится к наличию или отсутствию питательных веществ и организмов. ^[5] Как в холодных, так и в теплых мономиктических озерах эпилимнион и гиполимнион разделены большую часть года. В теплых мономиктических озерах вода находится в однородной жидкой форме; в холодных мономиктических озерах тело содержит слой льда и имеет более низкую температуру. Проблемы и решения, относящиеся как к теплым, так и к холодным мономиктическим озерам, рассматриваются ниже.

Распределение питательных веществ

Поскольку теплые мономиктические озера полностью жидкие, более теплые по температуре и высокопродуктивные, летняя стратификация обычно приводит к эвтрофикации . Эта летняя стратификация особенно продолжительна в теплых мономиктических озерах. Во время эвтрофикации избыточные питательные вещества производятся и истощаются в озере на противоположных, вертикальных концах водной толщи. Это, в свою очередь, диктует рост и созревание популяций организмов, которые, как правило, влияют на уровень кислорода и питательных веществ в воде. В теплых мономиктических озерах термическая стратификация приводит к истощению кислорода в гиполимнионе; отсутствие перемешивания предотвращает попадание кислорода из атмосферы в воду. Эта мера известна как растворенный кислород (РК). Когда РК снижается в гиполимнионе, такие питательные вещества, как аммоний, нитрат и фосфаты, как правило, доминируют. Когда уровень кислорода чрезвычайно низок, вода считается гипоксической и не может поддерживать многие формы жизни. Недостаток кислорода также ограничивает естественные химические процессы, такие как превращение аммония в нитрат. ^[5]

Для поддержания роста растений требуется смесь аммония и нитратов; избыток аммония связан с плохим ростом растений и производительностью. ^[6] В озере избыток аммония также указывает на анаэробные и кислые условия. Этот недостаток кислорода изменяет окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) озера. Чем выше ОВП озера, тем выше уровень кислорода в воде. Идеальный диапазон составляет от 300 до 500 милливольт. В идеале более высокий уровень кислорода помогает резидентным бактериям и микроорганизмам в разложении органического вещества и распространении необходимых питательных веществ в толще воды. ^[7] И наоборот, низкий ОВП и низкий уровень кислорода вызывают высвобождение фосфора из осадка посредством диффузии вдоль градиентов концентрации через процесс, известный как внутренняя загрузка. ^[8] Вместе увеличение фосфора, аммония и нитрата может привести к образованию токсичного цветения водорослей. Такое цветение создает положительную обратную связь истощения питательных веществ и кислорода, а также последующего высвобождения питательных веществ, необходимых для поддержания их непрерывного роста. Эвтрофикация может быть как естественным, так и антропогенным процессом; антропогенные воздействия обычно происходят через канализацию и сточные воды или сельскохозяйственную эрозию почвы и стоки. ^[9]

Борьба с эвтрофикацией

Довольно новая гипотеза — это связь между временем пребывания воды и сезонной стратификацией в мономиктических озерах, приводящая к эвтрофикации. Увеличенное время пребывания приводит к более длительным периодам стратификации, уменьшению смешивания воды и увеличению эвтрофикации в эпилимнионе. Некоторые предлагают разработку вмешательств, персонализированных для озер, чтобы уменьшить эти условия. Такая персонализация относится к манипулированию временем пребывания озера для борьбы с внутренней нагрузкой и эвтрофикацией путем сокращения продолжительности периода времени стратификации. Текущие модели используют перенаправление потока воды в и из мономиктических озер для содействия перевороту и физическому «смыванию» фитопланктона и избыточных питательных веществ. Такие методы показали сокращение времени пребывания и стратификации на дни. Хотя эти временные рамки ограничены по объему, они показывают потенциал для удлинения для получения лучших результатов в будущих исследованиях и различных моделях озер. ^[10]

Гиполимнетическая аэрация и оксигенация направлены на прямое решение проблемы пониженных уровней РК в данном озере, что приводит к эвтрофикации. Увеличивая уровни кислорода в гиполимнионе, мы стремимся увеличить ОВП и снизить скорость и частоту внутренней нагрузки. Аэраторы используются для введения кислорода, чистого или атмосферного, непосредственно в толщу воды. Это особенно дорогостоящее вмешательство, учитывая электрические требования, необходимые для питания такого оборудования. Эти затраты делают эти аэраторы довольно неустойчивыми, поскольку они экономически дороги, а производство электроэнергии может иметь экологические последствия. Также были продемонстрированы экологические угрозы. Использование аэраторов коррелирует с увеличением распространенности болезни пузырьков газа среди рыб. Тем не менее, другие организмы, такие как зоопланктон и рыбы, получают выгоду от этого процесса, поскольку повышенные аэробные условия расширяют их территорию в озере. ^[11]

Гиполимнетический забор включает забор воды из эвтрофного озера в гиполимнионе на пиках сезонной стратификации. Эта вода удаляется для косвенного удаления фосфора. При добавлении этой воды обратно в гиполимнион рост цианобактерий ограничивается. Это добавление в гиполимнион также уменьшает перемешивание водной толщи и рассеивание питательных веществ для питания водорослей эпилимниона. Физический забор воды может быть как пассивным, так и активным и, как правило, ограничен для минимизации воздействия качества на уровень воды. Эта вода также может быть сброшена вниз по течению и может иметь непреднамеренные эффекты. Низкокачественная вода, богатая токсинами и питательными веществами, удаляемая из гиполимниона при переносе в другие озера, может дестабилизировать их водные столбы. В некоторых случаях озера, обработанные посредством гиполимнетического забора, могут также испытывать нежелательное снижение уровня воды и общее повышение средней температуры воды с последующим смешиванием. ^[11]

Наконец, дноуглубление относится к прямому сбору и удалению осадка со дна озера. Удаление верхнего слоя осадка направлено на удаление органического вещества, содержащего нежелательные питательные вещества. Этот метод оказывает измеримое воздействие на бентосные организмы . Восстановление бентосных организмов, удаленных при дноуглублении, может занять до трех лет. Такие организмы необходимы для круговорота питательных веществ в озерах и водных средах. ^[11]

Изменение климата

Самым большим фактором, контролирующим температуру воды в данном озере, является температура воздуха. ^[5] Текущие изменения и тенденции глобальных температур в течение года представляют собой серьезную угрозу для водных экосистем. Текущие исследования подтверждают, что сочетание повышенной температуры воздуха и уменьшенного количества осадков влияет на мелкие мономиктические озера. В частности, их смешивание может усилиться; это смешивание приводит к увеличению рассеивания питательных веществ, бескислородным условиям и цветению водорослей . Южные регионы также могут наблюдать увеличение солености. ^[11] Теплые мономиктические озера, которые пережили исторически теплые зимы, демонстрируют большую термическую стабильность. Эта стабильность снижает взаимодействие смешивания и оксигенацию вод. Кроме того, холодные мономиктические озера могут испытывать менее прохладные условия в течение года, что приводит к увеличению смешивания и изменениям в термической стратификации, которые в противном случае не наблюдались бы. ^[12]

Примеры мономиктических озер

Смотрите также

Портал озер

Ссылки

^ ab William M. Lewis Jr. (1983). "Пересмотренная классификация озер на основе смешивания" (PDF) . Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences . 40 (10): 1779–1787. doi :10.1139/f83-207. Архивировано из оригинала (PDF) 2009-03-06.
^ Рао, Йерубанди Р.; Хуан, Эннинг; Шерцер, Уильям М.; Рауз, Уэйн Р. (2012). «Моделирование физических процессов и оценка последствий изменения климата в Большом Медвежьем озере». Атмосфера-Океан . 50 (3): 317–333. Bibcode :2012AtO....50..317R. doi : 10.1080/07055900.2012.668492 . ISSN 0705-5900. S2CID 140556782.
^ Феррис, Дж. М.; Бертон, Х. Р. (1988), «Годовой цикл содержания тепла и механической устойчивости гиперсоленого озера Дип, холмы Вестфолл, Антарктида», Hydrobiologia , стр. 115–128, doi :10.1007/BF00025579 , получено 15 июля 2024 г.
^ Ветцель, Роберт Г. (2001), «Судьба тепла», Limnology , Elsevier, стр. 71–92, doi :10.1016/b978-0-08-057439-4.50010-1, ISBN 978-0-12-744760-5, получено 2022-04-08
^ abc Ясин, Табасум; Бхат, Сами Улла (март 2021 г.). «Оценка динамики питательных веществ в теплом гималайском мономиктическом озере». Загрязнение воды, воздуха и почвы . 232 (3): 111. Bibcode : 2021WASP..232..111Y. doi : 10.1007/s11270-021-05054-x. ISSN 0049-6979. S2CID 232117002.
^ Хачия, Такуши; Сакакибара, Хитоши (2016-12-21). «Взаимодействие между нитратом и аммонием при их поглощении, распределении, ассимиляции и сигнализации в растениях». Журнал экспериментальной ботаники . 68 (10): 2501–2512. doi : 10.1093/jxb/erw449 . ISSN 0022-0957. PMID 28007951.
^ Фрей, Дэвид Г. (март 1984 г.). "Goldman, CR, and AJ Horne. 1983. Лимнология. McGraw-Hill Book Co., Нью-Йорк. 464 стр. 31,95 долл.". Лимнология и океанография . 29 (2): 447. Bibcode : 1984LimOc..29..447F. doi : 10.4319/lo.1984.29.2.0447b . ISSN 0024-3590.
^ Ховерсон, Даррин (2008). Выделение фосфора из отложений в озере Шавано, Висконсин. OCLC 268677389.
^ Zou, Rui; Wu, Zhen; Zhao, Lei; Elser, James J.; Yu, Yanhong; Chen, Yihui; Liu, Yong (январь 2020 г.). «Сезонные цветения водорослей поддерживают высвобождение фосфора из отложений посредством положительной обратной связи в эвтрофном озере: выводы из моделирования отслеживания потока питательных веществ». Экологическое моделирование . 416 : 108881. Bibcode : 2020EcMod.41608881Z. doi : 10.1016/j.ecolmodel.2019.108881. S2CID 213219427.
^ Олссон, Фрейя; Маккей, Элинор Б.; Баркер, Фил; Дэвис, Сиан; Холл, Рут; Спирс, Брайан; Эксли, Джайлс; Теккерей, Стивен Дж.; Джонс, Ян Д. (февраль 2022 г.). «Можно ли использовать сокращение времени пребывания воды для нарушения сезонной стратификации и контроля внутренней нагрузки в эвтрофном мономиктическом озере?». Журнал управления окружающей средой . 304 : 114169. Bibcode : 2022JEnvM.30414169O. doi : 10.1016/j.jenvman.2021.114169 . PMID 34864421. S2CID 244825001.
^ abcd Борманс, Мириам; Маршалек, Благослав; Янчула, Даниэль (сентябрь 2016 г.). «Контроль внутренней фосфорной нагрузки в озерах физическими методами для снижения цветения цианобактерий: обзор». Aquatic Ecology . 50 (3): 407–422. Bibcode :2016AqEco..50..407B. doi :10.1007/s10452-015-9564-x. ISSN 1386-2588. S2CID 2009887.
^ Ёсимидзу, Чикаге; Ёсияма, Кохей; Таясу, Ичиро; Койтабаши, Тадатоши; Нагата, Тоши (6 января 2010 г.). «Уязвимость большого мономиктического озера (озеро Бива) к зимнему потеплению». Лимнология . 11 (3): 233–239. Бибкод : 2010Лимно..11..233Г. дои : 10.1007/s10201-009-0307-3. ISSN 1439-8621. S2CID 41132714.

[lewis83-1] William M. Lewis Jr. (1983). "Пересмотренная классификация озер на основе смешивания" (PDF) . Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences . 40 (10): 1779–1787. doi :10.1139/f83-207. Архивировано из оригинала (PDF) 2009-03-06.

[2] Рао, Йерубанди Р.; Хуан, Эннинг; Шерцер, Уильям М.; Рауз, Уэйн Р. (2012). «Моделирование физических процессов и оценка последствий изменения климата в Большом Медвежьем озере». Атмосфера-Океан . 50 (3): 317–333. Bibcode :2012AtO....50..317R. doi : 10.1080/07055900.2012.668492 . ISSN 0705-5900. S2CID 140556782.

[3] Феррис, Дж. М.; Бертон, Х. Р. (1988), «Годовой цикл содержания тепла и механической устойчивости гиперсоленого озера Дип, холмы Вестфолл, Антарктида», Hydrobiologia , стр. 115–128, doi :10.1007/BF00025579 , получено 15 июля 2024 г.

[4] Ветцель, Роберт Г. (2001), «Судьба тепла», Limnology , Elsevier, стр. 71–92, doi :10.1016/b978-0-08-057439-4.50010-1, ISBN 978-0-12-744760-5, получено 2022-04-08

[:0-5] Ясин, Табасум; Бхат, Сами Улла (март 2021 г.). «Оценка динамики питательных веществ в теплом гималайском мономиктическом озере». Загрязнение воды, воздуха и почвы . 232 (3): 111. Bibcode : 2021WASP..232..111Y. doi : 10.1007/s11270-021-05054-x. ISSN 0049-6979. S2CID 232117002.

[6] Хачия, Такуши; Сакакибара, Хитоши (2016-12-21). «Взаимодействие между нитратом и аммонием при их поглощении, распределении, ассимиляции и сигнализации в растениях». Журнал экспериментальной ботаники . 68 (10): 2501–2512. doi : 10.1093/jxb/erw449 . ISSN 0022-0957. PMID 28007951.

[7] Фрей, Дэвид Г. (март 1984 г.). "Goldman, CR, and AJ Horne. 1983. Лимнология. McGraw-Hill Book Co., Нью-Йорк. 464 стр. 31,95 долл.". Лимнология и океанография . 29 (2): 447. Bibcode : 1984LimOc..29..447F. doi : 10.4319/lo.1984.29.2.0447b . ISSN 0024-3590.

[8] Ховерсон, Даррин (2008). Выделение фосфора из отложений в озере Шавано, Висконсин. OCLC 268677389.

[9] Zou, Rui; Wu, Zhen; Zhao, Lei; Elser, James J.; Yu, Yanhong; Chen, Yihui; Liu, Yong (январь 2020 г.). «Сезонные цветения водорослей поддерживают высвобождение фосфора из отложений посредством положительной обратной связи в эвтрофном озере: выводы из моделирования отслеживания потока питательных веществ». Экологическое моделирование . 416 : 108881. Bibcode : 2020EcMod.41608881Z. doi : 10.1016/j.ecolmodel.2019.108881. S2CID 213219427.

[10] Олссон, Фрейя; Маккей, Элинор Б.; Баркер, Фил; Дэвис, Сиан; Холл, Рут; Спирс, Брайан; Эксли, Джайлс; Теккерей, Стивен Дж.; Джонс, Ян Д. (февраль 2022 г.). «Можно ли использовать сокращение времени пребывания воды для нарушения сезонной стратификации и контроля внутренней нагрузки в эвтрофном мономиктическом озере?». Журнал управления окружающей средой . 304 : 114169. Bibcode : 2022JEnvM.30414169O. doi : 10.1016/j.jenvman.2021.114169 . PMID 34864421. S2CID 244825001.

[:1-11] Борманс, Мириам; Маршалек, Благослав; Янчула, Даниэль (сентябрь 2016 г.). «Контроль внутренней фосфорной нагрузки в озерах физическими методами для снижения цветения цианобактерий: обзор». Aquatic Ecology . 50 (3): 407–422. Bibcode :2016AqEco..50..407B. doi :10.1007/s10452-015-9564-x. ISSN 1386-2588. S2CID 2009887.

[12] Ёсимидзу, Чикаге; Ёсияма, Кохей; Таясу, Ичиро; Койтабаши, Тадатоши; Нагата, Тоши (6 января 2010 г.). «Уязвимость большого мономиктического озера (озеро Бива) к зимнему потеплению». Лимнология . 11 (3): 233–239. Бибкод : 2010Лимно..11..233Г. дои : 10.1007/s10201-009-0307-3. ISSN 1439-8621. S2CID 41132714.