Часть II. ОЗЕРО БАЙКАЛ: СРЕДА ОБИТАНИЯ

Часть II. ОЗЕРО БАЙКАЛ: СРЕДА ОБИТАНИЯ, БИОТА И ЭКОСИСТЕМА
Фронты на Байкале были открыты зимой подо льдом, когда
динамическая активность вод, казалось бы, должна быть минимальной.
Главная особенность динамики фронтов наряду с опусканием вод в конвергентной зоне – образование течений, поперечных
вдоль фронтовому движению вод. Во фронтах происходит одновременное зарождение циркуляций с вертикальными и горизонтальными осями.
Фронтальная динамика неизбежно порождает простран1.
ственные неоднородности. В зонах даунвеллинга (конвергенции)
и апвеллинга (дивергенции) возникают физико-химические неоднородности водной среды.
Возможности быстрого интенсивного обмена поверхностных
и придонных вод в морях, вентиляция придонных вод известны
давно. Интенсивный вертикальный обмен и большие вертикальные скорости присущи фронтам: по теоретическим оценкам,
вертикальные скорости во фронтальных разделах доходят до 5
км/сут и выше. Воды конвергентных зон (опускающиеся воды)
распространяются почти от поверхности до самого дна (около
2.
1400 м). Удивительно, что фронты существуют подо льдом в отсутствие каких-либо штормовых явлений. Вертикальные скорости
вод в конвергентной зоне оценивались на уровне 60 м/сут. Ясно,
что такие оценки вертикальных скоростей нужно рассматривать
как минимальные.
Основные черты водообмена в Байкале с учетом существования фронтов выглядят следующим образом. В области максиму3.
ма вдоль береговых прибрежных течений из-за горизонтального
и вертикального сдвига течений и уплотнения озерных вод при
смешении формируется конвергентная зона опускающихся вод
шириной не более 1 км. Прибрежные течения состоят из двух
струй генетически различных вод: ближайшая к берегу часть –
из прибрежных, а удаленная от берега – из вод открытого озера.
В районе стрежня происходят их перемешивание и уплотнение
при смешении. В результате уплотнения вод образуется конвер4.
гентная зона фронта, которая распространяется от нижних частей пикноклина до дна с формированием придонных течений. В
центре зарождения конвергентной зоны на место опускающейся
уплотненной воды подтекают воды из пикноклина как со стороны
берега, так и со стороны центра озера, т.е. горизонтальный обмен
преобразуется в вертикальный. В придонной зоне из вод конвергентной зоны образуются две струи: одна направлена к берегу,
5.
другая – к центру озера. Опускающиеся воды вызывают подъем вод, что следует из уравнения неразрывности. Конвергентная
зона расположена в 3–5 км от крутого северо-западного берега
и несколько дальше от пологого восточного. Горизонтальный
сдвиг течений вызывает циклоническую циркуляцию (Северное
полушарие) в центральной части озера и антициклоническую – у
берегов. Циркуляции имеют как вертикальные, так и горизонтальные оси.
6.
Согласно фронтальной версии механизма водообмена, зона
погружения вод находится в нескольких километрах от берега,
и загрязняющие вещества за время попадания в конвергентную
зону могут проходить целый ряд стадий естественной очистки за
счет своего оседания. У более пологого восточного берега Байкала
происходят более сложные процессы.
У крутого северо-западного берега поднимающиеся глу7.
бинные воды отличаются высокой прозрачностью и содержат
минимальное количество загрязняющих веществ. Интенсивность вертикального водообмена, инициируемого фронтами, имеет такой схематический вид. Вертикальные
скорости, полученные в зимний период (60 м/сут, или 32 км/год), нужно рассматривать
как минимальные. Например, в Южном Байкале на разрезе шириной в 1 км и длиной
30 км (примерно ширина Южного Байкала) действуют две фронтальные конвергентные
Я
66
Ф
М
А
М
И
И
А
С
О
Н
Д
0
10
20
30
40
0
10
20
30
40
0
10
20
30
0
10
20
30
0
10
20
30
0
10
20
30
0
10
20
30
Глава 7. Физико-химическая характеристика среды обитания гидробионтов
зоны и две зоны апвеллинга. При толщине конвергентной зоны
в 1 км на рассматриваемом разрезе шириной также в 1 км за год
опустится 22 км2 воды и столько же поднимется (по закону сохранения) у крутого западного склона и в середине озера. Такая
же картина должна наблюдаться у пологого восточного берега.
Значит, в опускании под западным и восточным берегами будут
участвовать 44 км3 воды и столько же в подъеме, а в полном водообмене – 88 км3. Объем рассматриваемой поперечной полосы
при треугольном профиле и максимальной глубине 1,4 км равен
21 км3. Здесь не учитывается, что в периоды весенней и осенней
8
гомотермии вертикальные скорости и обмен гораздо выше. Полный водообмен в глубинной зоне Байкала происходит за 8–12 лет.
Глубинные воды центральных и прибрежных областей Байкала
из-за высоких скоростей опускания и узких границ конвергентной
зоны гидродинамически изолированы или имеют замедленный
обмен по сравнению с фронтальными зонами.
Таким образом, фронтальный механизм обмена, который
прослеживается по оптическим свойствам озерных вод, тесно
связан с вентиляцией придонных вод поверхностными.
Скорость звука в байкальских водах. Наиболее характерной особенностью байкальской воды является ее низкая соленость S со средним значением 0,096 г/кг и с возможными изменениями на ±8%. Отсюда следует, что скорость звука V в байкальской воде выше,
чем в дистиллированной воде, примерно на 0,127 м/сек с возможными отклонениями
на ±8%, или на ±0,0102 м/сек. Для реальных изменений солености S на Байкале формула
расчета скорости звука C проводится без учета солености S.
Для условий озера Байкал была получена специальная формула C(T,P) = 1402,39
+ 4,99T – 0,05T2 + 0,01539Z, где C – в м/сек, температура Т – в оС и глубина Z – в метрах
(Колотило и Шерстянкин, 1985). Формула применима только для условий озера Байкал,
так как при ее выводе были учтены следующие факторы: пространственно-временная
изменчивость температуры воды озера Байкал; широта озера Байкал (ϕ = 54о N); высота
над уровнем моря (Н = 455 м); соленость, равная 0,096 г/кг. Среднеквадратическая погрешность формулы составляет: на поверхности при Z = 0 м ±0,045 м/сек и на горизонте
Z = 1000 м - ±0,1 м/сек.
Связь с температурой максимальной плотности ТМП. Скорость звука в воде зависит
от параметра адиабаты, который в слоях, где температуры воды близка к ТМП, стремится
к 1, т.е. адиабатический режим становится близким к изотермическому и все адиабатические поправки вырождаются (≅0). Скорость звука может рассчитываться в системе
«температура воды – глубина».
Сезонная изменчивость профилей скорости звука определяется главным образом сезонными изменениями температуры. Годовой ход температуры разбивается на два крупных
периода: прямой и обратной температурной стратификации. Прямая стратификация
устанавливается при температурах поверхности выше 4оС и включает периоды летнего
прогрева и осеннего охлаждения. Обратная стратификация – при температурах ниже
4оС и включает периоды зимнего охлаждения, подледный и весеннего прогрева.
Особенности вертикальных профилей C. Для указанных температурных периодов
проведены расчеты вертикальных профилей скорости звука в воде для разных котловин
озера. Анализ этих профилей V выявляет следующие основные черты поля скорости
звука в открытом Байкале:
Слой 0–300 м. Профили C для Южного, Среднего и Северного Байкала имеют одинаковый сезонный ход: а) в период наступления гомотермии при 4оС, весенней или
осенней, C слабо зависит от глубины и имеет значение 1422±1 м/сек; б) в период прямой
температурной стратификации при температурах поверхности выше 4оС C вначале
убывает с ростом глубины, затем в слое 25–150 м достигает минимального значения
(около 1422 м/сек), а затем возрастает с глубиной; в) в период обратной температурной
стратификации при температурах поверхности меньше 4оС C монотонно возрастает с
глубиной, минимальное значение V при 0оС составляет 1402,4 м/сек.
Глубже 300 м. Профили C в Южном и Северном Байкале практически совпадают, а в
Среднем из-за более низких температур имеют меньшие значения с разницей, доходящей
на глубинах свыше 1 км до 1 м/сек. Вертикальные градиенты C в расчете на 100 м ниже
глубин 500 м одинаковы для всех котловин и имеют величины 1,47±0,05 м/сек.
Подводный звуковой канал, впервые открытый в океане Л.М. Бреховских, образуется
при формировании на вертикальном профиле скорости звука минимум скорости звука
0
10
20
30
8.
N
7
6
5
S
4
1
2
3
Рис. 2.4. Прозрачность
воды по диску Секки в
разных районах озера
Байкал:
1 – Маритуй;
2 – Большие Коты;
3 – Танхой;
4 – бухта Песчаная;
5 – мыс Бурхан (Малое
Море);
6 – Ушканьи острова;
7 – Байкальское;
8 – Томпа.
Δ – минимальные,
о – средние
□ – максимальные значения.
67