Перемешивание вод и обогащение толщи озер кислородом

Вода обладает рядом аномальных свойств, в том числе низкой теплопроводностью. Она прогревается сверху солнечными лучами и медленно отдает тепло нижележащим слоям.  Поэтому водоемы прогреваются очень медленно.

Photo copyright: pixabay.com

Толщу вод озер делят на эпилимнион, металимнион и гиполимнион («лимнос» – с греч. – озеро). То есть, на верхний слой озера, средний и нижний. Границы слоев определяются в зависимости от температуры воды. В летнее время эпилимнион обычно теплый, с одинаковой температурой всего слоя. Только в его нижней части она немного понижается. Температура эпилимниона в середине лета достигает 20–25 градусов. В нижней части озера (в гиполимнионе) температура тоже ровная и одинаковая, но очень холодная, в пределах 5–6 градусов. Временами она может быть немного ниже.

В средней части озера (металимнионе) температура воды скачкообразно понижается. В верхней части этого слоя она может быть в пределах 20оС (так же как и в эпилимнионе), а через 3–5 м – уже 7–10оС, а то и ниже. Так, к примеру, в Глубоком озере (Московская область) температура понижается с 20 градусов до 10оС. На берегу этого озера расположена биологическая станция «Глубокое озеро», которая была основана в 1891 году. Все это время там проводятся гидробиологические работы. Принадлежит она Институту проблем экологии и эволюции им. А.Н.Северцова РАН.

К середине теплого лета толщина эпилимниона достигает 5–7 м, металимниона – 3–7 м и более, в зависимости от прогрева воды. Гиполимнион в конце лета начинается с 7–10 м и простирается до максимальной глубины озера. В озере Глубокое, как, указывает его название, имеет глубину 32 метра.

Такое четкое расслоение толщи озера наблюдается при отсутствии перемешивания вод за счет течений или ветровых волнений. Озеро Глубокое имеет небольшую площадь (около 60 га), окружено лесом и в небольшой степени подвержено ветровому воздействию. В крупных водоемах термоклин за счет перемешивания вод быстро размывается.

Теперь рассмотрим, что происходит с водой весной. Весной под действием солнечных лучей лед начинает таять. Лучи, проходя через лед, нагревают самый верхний слой воды, который отдает тепло находящему рядом льду. Так что лед тает не только сверху, но и снизу. В средней полосе России водоемы освобождаются ото льда во второй половине апреля или в первых числах мая, в зависимости от погоды.

Вода продолжает постепенно прогреваться, вскоре она достигает температуры 4оС. Надо оговориться, вода обладает еще одним аномальным свойством. Наибольшая плотность воды наблюдается не при 0оС, а при 4оС (если быть более точным – при 3.8оС). При этой температуре вода наиболее тяжелая (плотная). Нижележащие слои озера имеют температуру около 3–5оС или чуть ниже.

В результате тяжелая вода, как снежная лавина, устремляется вниз, вытесняя воду из нижележащих слоев. Так происходит весеннее перемешивание вод. Нижние слои озера при этом обогащаются кислородом, а толща воды, в том числе и верхний слой озера – минеральными веществами. На дне озера в зимнее время происходит разрушение (гниение) осевшего органического вещества (детрита) и выделение в среду минеральных солей. Нежелательные газы, такие как СО2, метан, сероводород, также удаляются из глубинных слоев воды при перемешивании. Солнечный свет и минеральные соли способствуют развитию микроскопических водорослей, которые обогащают эпилимнион кислородом. Ранней весной развиваются в основном холодолюбивые водоросли.

Вода в течение весны и лета постепенно прогревается, наконец, достигает 20–25оС. Это происходит в конце июля, или в первых числах августа. В это время можно с комфортом купаться, нырять, резвиться в воде. Бывает, опустив ноги, мы чувствуем ими холод (холодные слои). Несведущие люди говорят, что это связано с родниками (ключами), которые бьют в этом месте. На самом деле мы при купании достаем ногами холодный термоклин.

Эпилимнион медленно прогревается и отдает тепло нижележащим слоям. Теплая вода, как менее плотная, лежит на холодной и более плотной воде. Это приводит к появлению «слоеного пирога». Конечно, при сильном ветровом волнении, эти слои перемешиваются, и такого явного расслоения может и не быть.

В средней полосе России температура водоемов обычно повышается до начала августа, а затем опять начинает понижаться. На первые числа августа приходится Ильин день (Ильи – пророка). Пророк Илья считается покровителем воздушно-десантных войск, поэтому 2 августа все, кто имеет (имел) отношение к десантным войскам «отводят душу». Кроме того, Ильин день считается календарной границей лета, когда в природе (в том числе и в водоемах) появляются первые признаки осени.  В России считается «На Илью до обеда – лето, а после обеда – осень». И еще, «До Ильи мужик купается, а с Ильей – с водой прощается». Из-за этого по народным поверьям начиная с августа, нельзя купаться. С августа вода начинает охлаждаться, и уже к середине сентября температура опускается до 10оС.  Конечно, в такой воде не искупаешься, слишком холодно.

Наконец, температура воды к началу середине октября понижается до 4оС. Вода становится опять более плотной и лавинообразно опускается вниз. Происходит очередное, но уже осеннее, перемешивание вод. Температура озера выравнивается, нежелательные газы, которые за лето накопились в придонном слое, перемешиваются с основной массой воды или уходят в атмосферу. Это в основном метан, сероводород, которые токсичны для живых существ. Обогатившись кислородом, вода глубинных слоев становится пригодной для жизни. Так происходит из года в год.

Верхний слой озера обогащается кислородом в основном за счет жизнедеятельности фитопланктона. Фотосинтез порой бывает настолько интенсивным, что излишки кислорода не успевают уйти в атмосферу. При отсутствии волнения, если опустить кисть руки в воду и сделать пальцами резкое движение, из воды, как из бутылки газировки, вырывается газ. Из газированной воды выделяется углекислый газ, а из озера – кислород.

Планктонные организмы, обитающие в водоеме, рано или поздно отмирают. Многие из них живут от нескольких дней до одного месяца или немногим больше. Это микроскопические водоросли, бактерии, зоопланктон и другие. Отмирая, они медленно оседают в толще воды. Чем меньше частицы, тем медленнее они оседают. Животные, в частности рачки, рыбы, в процессе жизнедеятельности выделяют экскременты, которые также оседают на дно. Обитающие в толще воды и на дне бактерии минерализуют поступающее органическое вещество с выделением минеральных солей.

Разрушение (гниение) органического вещества осуществляется с потреблением кислорода. На дне ему неоткуда взяться, ведь обогащение происходит только весной и осенью. Это приводит к тому, что количество кислорода постепенно понижается, от дна к поверхности. И уже к началу лета (после весеннего перемешивания вод) на дне может образоваться бескислородная зона, которая постепенно распространяется в верхние слои озера. В конечном счете, к концу августа – началу сентября бескислородная зона может достичь 1/3 (иногда – даже 1/2) толщи озера.

В течение лета на дно водоемов поступает большое количество органических веществ (за счет отмирания водных организмов, листвы или всевозможных загрязнений), поэтому зимой вся толща озера может лишиться кислорода.  Это приводит к заморам и гибели большого количества рыб и других водных организмов. Их могут спасти только проруби, или если продувать толщу воды воздухом. Однако продувать толщу воды озера следует очень осторожно, чтобы не взмучивать ил на дне и не усугублять ситуацию. Может случиться так, как в сказке А.С.Пушкина о попе и работнике его Балде. Поп отправил своего работника собрать оброк с чертей. Балда сел у берега моря и начал «веревку крутить, да конец его в море мочить». Черти заволновались, из моря вылез старый Бес:

«Зачем ты, Балда, к нам залез?
Да вот веревкой хочу море морщить
Да вас, проклятое племя, корчить.
Балдушка, погоди ты морщить море.
Оброк сполна получишь ты вскоре».

Оказывается, если веревкой долго крутить воду в водоеме можно создать ток (течение), которое приведет к нарушению гидрологического и кислородного режима «моря». Это тоже, самое, что и перемешивание ложкой варенье в стакане чая. Вот чего так боялись черти.

Осеннее и весеннее перемешивание вод можно сравнить с дыханием. При выдохе нежелательные газы удаляются, газовый состав озера выравнивается, при вдохе глубинные воды обогащаются кислородом.

А что происходит в металимнионе?  В этом слое наблюдается резкий перепад температуры. В частности, в озере Глубокое он может достигать 10–12 градусов. В эпилимнионе до глубины 7–8 м температура относительно ровная, а ниже – до глубины 8–10 м, они значительно холоднее. Теплая вода эпилимниона как бы лежит на более плотной холодной воде.

Отмершие организмы, панцири ракообразных, которые они сбрасывают при линьке, экскременты и др. оседают в толще озера. Размеры этих частиц небольшие (в пределах нескольких  десятков микрон), и они оседают в толще воды очень медленно. Оседанию частиц препятствует термоклин. Слой температурного скачка отличается от вышележащих слоев воды повышенной плотностью, что способствует задержанию в нем мелких частиц, оседающих и без того с низкой скоростью. В связи с этим в слое температурного скачка наблюдается присутствие большого количества различных частиц, особенно после отмирания водорослей. Они как бы лежат в этом слое, постепенно разлагаясь под действием микроорганизмов. Из-за этого металимнион образно называют  «вторым дном». Если отобрать воду из этого слоя специальным приспособлением (батометром), можно невооруженным глазом обнаружить взвесь. А под микроскопом наблюдаются хлопья слипшихся частиц. Оседающую взвесь называют детритом (от лат. – «истертый»).

Наличие большого количества органического субстрата в металимнионе создают благоприятные условия для жизнедеятельности бактерий, а скопления пищевых частиц привлекают в этот слой зоопланктон (ракообразных, коловраток, простейших), который вместе с бактериями принимает участие в минерализации органического вещества и потреблении кислорода. Его количество в этом слое резко понижается. Интенсивные деструкционные процессы в металимнионе приводят к появлению в этом слое, так называемого, металимниального минимума кислорода. Складывается интересная ситуация, в эпилимнионе количество кислорода велико, в гиполимнионе его тоже достаточно, а вот в металимнионе понижается до минимальных значений (практически до аналитического нуля).

В озере Глубокое фотосинтез протекает преимущественно в верхних двух метрах, однако основная масса водорослей находится на глубине 5 м, над слоем температурного скачка, где в достаточном количестве имеются биогенные элементы. В этом слое по биомассе доминировали цианобактерии Coelosphaerium kuetzingianum, Microcystis aeruginosa, Oscillatoria agardhii, зеленая Sphaerocystis polycocca и динофитовая Peridinium cinctum. Это связано с тем, что разложение органического вещества приводит к обогащению этого слоя минеральными солями, которых в воде всегда недостаточно, особенно во второй половине лета. Водоросли опускаются на глубину 4–6 м, чтобы получить доступ к минеральным веществам. На этих глубинах света мало, недостаточно для полноценного фотосинтеза, однако водоросли получают доступ к минеральным солям.

А. П. Садчиков, профессор, вице-президент Московского общества испытателей природы