Внешний газообмен олиготрофных озёр в вегетационный сезон

Крупные и глубокие озёра — Онежское, Байкал, оз. Сенека, имеющие малый удельный водосбор, и многие горные озёра (Телецкое и др.), — отличаются очень малой внешней биогенной нагрузкой и низкой температурой в летний период. Поэтому они олиготрофны. В раннсвсссншою фазу термодинамического цикла в их термоинертной области ТИО (см. раздел 9.1) обратная температурная стратификация сочетается с почти 100%-ным содержанием 0₂ при слегка уменьшающейся с глубиной его концентрации. В термобаре вертикальное распределение выравнивается. В фазу формирования прямой стратификации эвазия 0₂ в атмосферу, вызванная уменьшением его растворимости в нагревающейся воде (см. раздел 12.1), не компенсируется выделением в воду кислорода при фотосинтезе малочисленного фитопланктона. Поэтому в олиготрофных глубоких^[1]

озёрах, по мере развития прямой температурной стратификации, формируется обратная стратификация концентрации растворенного кислорода (рис. 12.9) при его содержании во всей толще вод близком к 100% насыщения. Такой тип кислородной стратификации назван ортоградным (Хатчинсон, 1969).

Рис. 12.9. Вертикальное распределение температуры воды (/), растворенного кислорода (2) и его равновесной концентрации (5) с глубиной летом в олиготрофных озерах: в Телецком (л) (по: Богословский, 1960) и в оз. Сенека (б) (по: Хатчинсон, 1969).

Противоположна ей клииоградиая стратификация кислорода в неглубоких эвтрофных водоёмах летом в дневные часы, когда из-за детритного грофического цикла при «цветении» содержание 0₂ в трофогенном слое сильно превышает 100% (рис. 12.8 А), а в гиполимнионе оно снижается до 1 мг/л и менее, наступает явление замора. Ночью в трофогенном слое обильный фито-, зоои бактериопланктон поглощают 0₂ на дыхание и деструкцию органических веществ. Содержание его снижается на 3−5 мг/л, выделяется С0₂, который с рассветом расходуется на питание и дробление клеток фитопланктона при возобновляющемся фотосинтезе.

В Телецком озере летом типично малое содержание С0₂ во всей водной толще (2 мг/л) лишь слегка уменьшается в трофогенном слое из-за малой продуктивности фитопланктона. Концентрация 0₂ в трофолитической толще на 1 мг/л ниже равновесной при Т= 4 °C вследствие его потерь на дыхание всего планктона и окисление ОВ, принесенного речными водами в половодье. Подобная ортоградная стратификация наблюдается в трофолитической 150-метровой толще оз. Сенека (рис. 12.9 б), в придонном слое которого снижение ¹ Сенека — одно из пяти «пальчиковых озёр», расположенных в США к югу от оз. Онтарио.

концентрации 0₂ относительно равновесного ее значения объясняется деструкцией органических веществ в илах. В поверхностном слое концентрация 0₂ на 0,5−1 мг/л больше равновесной, что типично для олиготрофных озёр, которым свойственен кислородный гистерезис Запаздывание снижения содержания кислорода в сравнении с быстрым повышением температуры поверхности воды в период весенне-летнего нагревания объясняется медленной диффузией молекул 0₂ сквозь поверхностный микрослой из-за действующей в нем силы поверхностного натяжения. На рис. 12.10 элипсообразные кривые кислородного гистерезиса подобны по форме кривым температурного гистерезиса (см. рис. 8.4 на стр. 214 и 9.15 на стр. 240).

Рис. 12.10. Кривые кислородного гистерезиса в олиготрофных озерах. С, мг/лравновесная концентрация кислорода, Г и С_Т- измеренные в поверхностном слое температура воды и концентрация 0₂ в центральном плёсе Онежского озера (а) на двух станциях (I и И) в июне с пересыщением и недонасыщением осенью (97% нас.); в Тслсцком озере (б) — в мае (т. 5), июле (т. 4), сентябре (т. 2); в оз. Онтарио (в) в июне (точки 1 и 2) (по: Форш-Мсншуткина, 1973).

С повышением весной температуры воды уменьшается растворимость газов. Снижение концентрации кислорода Ст происходит в водоёме медленнее, чем равновесной концентрации газа. Поэтому превышение точек над биссектрисой диаграммы (100% насыщения) показывает пересыщение, достигавшее в июне 117% (точка 2 на рис. 12.10 а). Осеннее недонасыщение кислородом в период охлаждения воды из-за замедленности инвазии выражено меньше, чем весеннее пересыщение. Подобная гистерезисная петля получена по данным наблюдений на Телецком озере и оз. Онтарио на горизонте 10 м. У его поверхности добавочное пересыщение на 1−1,5 мг0₂/л^[2]

объясняется антропогенным эвтрофированием озера в 1960;е годы.

Оценка интенсивности среднемесячных потоков <�Э₂ и С0₂ при инвазии и эвазии^[3] для акватории Байкала с использованием многолетних данных о температуре водной поверхности, скорости ветра и валовой первичной продукции фитопланктона показала:

1) весной после вскрытия ледяного покрова при частичной конвективной циркуляции вод в мае происходит слабое выделение в атмосферу 0₂, накопившегося при подледном фотосинтезе, а 60% накопленного кислорода переносится нисходящими токами конвекции вглубь трофолитической толщи. Одновременно из неё выносится к поверхности накопившийся там растворенный С0₂. Интенсивность его эвазии в 1,5 раза превышает эвазию 0₂ (рис. 12.11);

Рис. 12.11. Средняя месячная интенсивность эвазии (>0) и инвазии (<0) кислорода и углекислого газа, г/(м² мес.), через водную поверхность оз. Байкал (по: Мизандронцев, Мизандронцева, 1995).

• 2) за несколько дней интенсивного даунвеллинга в термобаре в июне перенос 0₂ в глубину увеличивается настолько, что в поверхностном слое возникает его дефицит, который восполняется слабой инвазией. Эвазия С0₂ увеличивается компенсационным апвеллингом в теплоинертной области озера (см. раздел 9.1);
• 3) в июле-августе в прозрачных и термически стратифицированных водах Байкала толщина трофогенного слоя достигает 50 м, из которого выделяется в воздух до 14−16 г 0₂/(м" мес.). Одновременно выделяется и около 3−3,5 г С0₂/(м² мес.), по-видимому, из зон апвеллинга;
• 4) осенью с началом частичной конвективной циркуляции вод, а в декабре — и полной, усиливается в восходящих токах воды вынос С0₂, накопившегося в 1,5-километровой трофолитической толще. Его поток, пересыщающий даже охлаждающуюся воду, и эвазия в предзимье особенно интенсивен. Еще интенсивнее трехмесячное насыщение конвекцией водной толщи Байкала кислородом за счёт инвазии (рис. 12.11);
• 5) суммированием среднемесячных значений потоков эвазии и инвазии получены их годовые величины: 35 г С0₂/(м² год) и 20 г 0₂/(м² год) озеро отдаст в атмосферу и 45 г 0₂/(м² год) забирает из нее на деструкцию органических веществ.

Закономерный физически обусловленный газообменом гистерезисный цикл нарушается в моменты интенсификации ветрового перемешивания, в зонах апвеллинга и даунвеллинга, в локальных очагах повышенной биопродуктивности при сбросе в олиготрофные озёра загрязненных и подогретых вод с повышенным содержанием биогенных веществ.

Влияние продукционно-дсструкционных процессов на внешний газообмен возрастает от олиготрофных озёр к мезотрофным, и ещё более — к эвтрофным водоёмам. Внутрисуточная и синоптическая изменчивость продукционных и динамических процессов сильно осложняет режим газообмена озёр и водохранилищ с атмосферой в период прямой термической стратификации во всех географических поясах.

• [1] Довбня И. В. Продукция гидрофильной растительности озера Неро // Биологиявнутренних вод. Информ. бюлл. № 98. — СПб.: Наука, 1995. — С. 13−16.
• [2] Форш-Меншуткина Т. Б. Кислородный гистерезис в олиготрофных озерах // Вопросы современной лимнологии. — Л.: Наука, 1973. — С. 94−101.
• [3] 2 Мизандронцев И. Б., Мизандронцева К. Н. Газообмен между водной средой и атмосферой (на примере Байкала) // Водные ресурсы. — 1995. — Т. 22. — № 4. — С. 439−445.