Стратификация озера

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]}

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 переносится очень медленно 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 футов), 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 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.

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, 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 на термическую стратификацию, 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]

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 губительным 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]

• Водная наука
• Стратификация (вода)
• Гипоксия
• Пресноводные экосистемы
• Водяной столб
• Аэрация озера