Көл суының қабат-қабат бөлінуі

Кіріспе

Көлдегі судың анық қабаттарға бөлінуі

Көлдегі қабатталу – жылы ауа райы кезінде көлдерде жеке-жеке жылулық қабаттардың қалыптасу бейілі. Әдетте қабатталған көлдер үш анық қабатты көрсетеді: эпилимнион, жоғарғы жылы қабатты құрайды; термоклин (немесе металимнион), күні бойы тереңдігі өзгеруі мүмкін ортаңғы қабат; және көлдің түбіне дейін созылатын суық гиполимнион. Әр көлдің өзіндік араласу режимі болады, ол көлдің морфометриясымен және қоршаған орта жағдайларымен анықталады. Дегенмен, жер пайдаланудың өзгеруі, температураның көтерілуі және ауа райының өзгеруі сияқты адамның ықпалындағы өзгерістер әлемдегі көлдерде қабатталудың уақытын және қарқындылығын өзгертетіні дәлелденді. Суық су жылы судан тығыз болады, ал эпилимнион әдетте гиполимниондағы су сияқты тығыз емес судан тұрады. Бірақ таза судың ең жоғары тығыздық температурасы 4°C құрайды. Жылы аймақтарда көл суы маусымдар бойы жылынып, суығанда, суық тығыз су көлдің жоғарғы жағынан төмен қарай батып, жыл сайын қайталаналатын циклдік айналым процесі жүреді (тұрақты және тұрақсыз қабатталуға қараңыз). Мысалы, димиктикалық көлдерде көл суы көктем және күз айларында айналады. Бұл процесс терең суларда баяу жүреді, нәтижесінде жылулық бар пайда болуы мүмкін. Шағын көлдерде эпилимнионға, металимнионға және гиполимнионға қабатталу көбінесе болмайды, себебі жел немесе салқындату жыл бойы үнемі араласуды қамтамасыз етеді. Мұндай көлдер полимиктикалық деп аталады. Полимиктикалық және қабатталатын көлдерді бөлетін нақты тереңдік жоқ, себебі бұл тереңдіктен басқа, судың мөлдірлігіне, көлдің беттік ауданына және климатқа да байланысты. Көлдің араласу режимі (мысалы, полимиктикалық, димиктикалық, меромиктикалық) көптеген жылдар бойы байқалатын көлдің қабатталуының жылдық үлгілерін сипаттайды. Алайда, қысқа мерзімді оқиғалар да көлдің қабатталуына әсер ете алады. Ыстық толқындар әдетте араласатын, терең емес көлдерде қабатталу кезеңдерін тудыруы мүмкін, ал дауылдар немесе үлкен өзендердің ағыны сияқты араласу оқиғалары қабатталуды бұзуы мүмкін. Ауа райы жағдайлары үлкен, жағалауы аз көлдерде жылдам жауап тудырады, сондықтан мұндай көлдер динамикалық және жақсы түсінілмеген. Дегенмен, үлкен, жағалауы аз көлдерде кездесетін араласу режимі көбінесе тәуліктік болып табылады және қабатталу оңай бұзылады. Қытайдағы Тайху көлі – тереңдігі 3 метрден аспайтын, күндізгі айналымды үлкен, жағалауы аз көлдің мысалы. Көл суының мөлдірлігі күн сәулесін сіңіруінің негізінен жоғарғы қабатта жүзеге асуына байланысты қабаттануға және қабатталудың жойылуына жеткілікті. Қабатталудың бұзылу бейілі тағамдық заттардың тасымалдану және тұтыну жылдамдығына әсер етеді, бұл өз кезегінде балдырлардың өсуіне әсер етеді. Жердегі ең үлкен көлдердің қабатталу және араласу режимдері де толыққанды түсінілмеген, бірақ жылулық үлестірілімдегі өзгерістер, мысалы Мичиган көлінің терең суларында уақыт өте келе байқалатын температураның жоғарылауы, планетадағы ең үлкен тұщы су экожүйесін айтарлықтай өзгертуге қабілетті. Соңғы зерттеулер маусымдық мұзбен қапталған димиктикалық көлдерді қысқы қабатталу режимдеріне сәйкес «криостратификацияланған» немесе «криомиктикалық» деп сипаттауға болатынын көрсетеді. Криостратификацияланған көлдер мұз бетіне жақын кері қабатталуды көрсетеді және тереңдігі бойынша орташа температурасы шамамен 4°C құрайды, ал криомиктикалық көлдер мұз астында термоклинге ие болмайды және қысқы тереңдігі бойынша орташа температурасы 0°C-қа жақын болады. Араласу кезеңдеріндегі айналым процестері оттегі мен басқа да еріген қоректік заттардың қозғалысын қамтамасыз етеді, оларды судың барлық бөлігіне таратып береді. Африкадағы үш меромиктикалық көлде (Камерундегі Ниос және Монун көлдері және Руандадағы Киву көлі) еріген көмірқышқыл газының жиналуы қауіпті болуы мүмкін, өйткені егер осы көлдердің бірі лимникалық жарылысқа ұшыраса, көмірқышқыл газының өте көп мөлшері тез көлден шығып, қоршаған аймақтағы адамдар мен жануарлардың өмірі үшін қажетті оттегіні ығыстыруы мүмкін.

Lake stratification is the tendency of lakes to form separate and distinct thermal layers during warm weather. Typically stratified lakes show three distinct layers: the epilimnion, comprising the top warm layer; the thermocline (or metalimnion), the middle layer, whose depth may change throughout the day; and the colder hypolimnion, extending to the floor of the lake. Every lake has a set mixing regime that is influenced by lake morphometry and environmental conditions. However, changes to human influences in the form of land use change, increases in temperature, and changes to weather patterns have been shown to alter the timing and intensity of stratification in lakes around the globe. Cold water is denser than warm water and the epilimnion generally consists of water that is not as dense as the water in the hypolimnion. However, the temperature of maximum density for freshwater is 4 °C. In temperate regions where lake water warms up and cools through the seasons, a cyclical pattern of overturn occurs that is repeated from year to year as the cold dense water at the top of the lake sinks (see stable and unstable stratification). For example, in dimictic lakes the lake water turns over during the spring and the fall. This process occurs more slowly in deeper water and as a result, a thermal bar may form. In shallow lakes, stratification into epilimnion, metalimnion, and hypolimnion often does not occur, as wind or cooling causes regular mixing throughout the year. These lakes are called polymictic. There is not a fixed depth that separates polymictic and stratifying lakes, as apart from depth, this is also influenced by turbidity, lake surface area, and climate. The lake mixing regime (e. g. polymictic, dimictic, meromictic) describes the yearly patterns of lake stratification that occur in most years. However, short term events can influence lake stratification as well. Heat waves can cause periods of stratification in otherwise mixed, shallow lakes, while mixing events, such as storms or large river discharge, can break down stratification. Weather conditions induce a more rapid response in larger, shallower lakes, so these lakes are more dynamic and less understood. However, mixing regimes that are known to exist in large, shallow lakes are mostly diurnal, and the stratification is easily disturbed. Lake Taihu in China is an example of a large, shallow, diurnal lake, where even though the depth does not reach more than 3 meters, the lake’s water turbidity is still dynamic enough to stratify and de stratify due to the absorption of solar radiation mostly in the upper layer. The tendency for stratification to become disrupted affects the rate of transport and consumption of nutrients, in turn affecting the presence of algal growth. Stratification and mixing regimes in Earth’s largest lakes are also poorly understood, yet changes in thermal distributions, such as the rising temperatures found over time in Lake Michigan’s deep waters, have the ability to significantly alter the largest freshwater ecosystems on the planet. Recent research suggests that seasonally ice covered dimictic lakes may be described as "cryostratified" or "cryomictic" according to their wintertime stratification regimes. Cryostratified lakes exhibit inverse stratification near the ice surface and have depth averaged temperatures near 4°C, while cryomictic lakes have no under ice thermocline and have depth averaged winter temperatures closer to 0°C. Circulation processes during mixing periods cause the movement of oxygen and other dissolved nutrients, distributing them throughout the body of water. The accumulation of dissolved carbon dioxide in three meromictic lakes in Africa (Lake Nyos and Lake Monoun in Cameroon and Lake Kivu in Rwanda) is potentially dangerous because if one of these lakes is triggered into limnic eruption, a very large quantity of carbon dioxide can quickly leave the lake and displace the oxygen needed for life by people and animals in the surrounding area.

Дестратификация

Орташа ендіктерде жаз айларында қабатталатын көптеген көлдер, салқын және желді ауа райында судың беткі қабаты желдің әсерінен араласып, қабаттанудан босатылады. Бұл процеске "күзгі айналым" деп аталады. Гиполимнийдің көлдің аралас суына қосылуы, жылы ауа райында гиполимнийде тұтқындалған, әсіресе фосфор қосылыстары сияқты қоректік заттарды қайта таратуға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, бұл жағдайда гиполимний ұзақ уақыт бойы қалыптасқан болса, оттегінің азаю қаупі туындайды, себебі ол оттегісіз немесе оттегіге өте төмен болуы мүмкін. Көлдердің араласу режимі ауа температурасының жоғарылауына жауап ретінде өзгеруі мүмкін. Кейбір димиктикалық көлдер мономиктикалық көлдерге, ал кейбір мономиктикалық көлдер температураның өсуі салдарынан меромиктикалық көлдерге айналуы мүмкін. Көлдерді, әсіресе оттегінің жетіспеуіне немесе жағымсыз балдырлар гүлдеуіне ұшыраған көлдерді жылулық жағынан қабаттастыру үшін әртүрлі аэрациялық жабдықтар қолданылған. Шын мәнінде, табиғи ресурстарды және қоршаған ортаны басқарушылар көлдер мен тоғандардағы жылулық қабаттанудан туындаған мәселелермен жиі күреседі. Балықтардың өліміне тікелей жылу градиенттері, судың тоқтауы және мұз жабыны себеп болады. Планктонның шамадан тыс өсуі көлдерді демалыс және коммерциялық мақсатта пайдалануды шектеуі мүмкін. Көлдегі күшті жылулық қабаттану ауыз судың сапасына да кері әсер етеді. Бұл өзгерістер балық, зоопланктон және фитопланктон қоғамдастығының құрамын өзгерте алады, сонымен қатар еріген оттегі мен қоректік заттардың қолжетімділігін өзгертетін градиенттерді құрайды. Адамның жерді пайдаланудағы өзгерістері көлдердің қабаттануына және осыған байланысты су жағдайларына әсер ететін бірнеше фактор бар. Қалалардың кеңеюі бұрын оқшауланған көлдердің жанында жолдар мен үйлер салуға әкелді, бұл кейде ағынды судың артуына және ластануға себеп болады. Көлдерге бөлшектердің қосылуы судың мөлдірлігін төмендетеді, нәтижесінде жылулық қабаттану күшейеді және жалпы су бағанасының орташа температурасы төмендейді, бұл ақыр соңында мұз жабынының пайда болуына әсер етуі мүмкін. Судың сапасына жолдар мен тротуарлардан ағып келетін тұз да әсер етеді, бұл көбінесе беткі судың тік араласуына кедергі келтіретін тұзды қабатты құрайды. Қабаттану тұрақтылығының өзгеруі көлдердің оттегінен айырылуын, қоректік заттардың минералдануын және фосфордың босатылуын жеделдетеді, бұл фитопланктон түрлері үшін маңызды салдарларға әкеледі. Сонымен қатар, фитопланктон түрлерінің құрамы мен санының өзгеруі балықтардың, мысалы, шабақ балығының өсуіне кері әсер етеді. Егер жыртқыш пен олжа популяцияларының арасындағы асинхрондық жағдай қабаттанудың өзгеруіне байланысты жылдан жылға қайталанса, популяциялардың "қалыпты" деңгейге оралуына жылдар қажет болуы мүмкін.

In temperate latitudes, many lakes that become stratified during the summer months de stratify during cooler windier weather with surface mixing by wind being a significant driver in this process. This is often referred to as "autumn turn over". The mixing of the hypolimnium into the mixed water body of the lake recirculates nutrients, particularly phosphorus compounds, trapped in the hypolimnion during the warm weather. It also poses a risk of oxygen sag as a long established hypolimnion can be anoxic or very low in oxygen. Lake mixing regimes can shift in response to increasing air temperatures. Some dimictic lakes can turn into monomictic lakes, while some monomictic lakes might become meromictic, as a consequence of rising temperatures. Many types of aeration equipment have been used to thermally de stratify lakes, particularly lakes subject to low oxygen or undesirable algal blooms. In fact, natural resource and environmental managers are often challenged by problems caused by lake and pond thermal stratification. Fish die offs have been directly associated with thermal gradients, stagnation, and ice cover. Excessive growth of plankton may limit the recreational use of lakes and the commercial use of lake water. With severe thermal stratification in a lake, the quality of drinking water also can be adversely affected. These changes can further alter the fish, zooplankton, and phytoplankton community composition, in addition to creating gradients that alter the availability of dissolved oxygen and nutrients. There are a number of ways in which changes in human land use influence lake stratification and consequently water conditions. Urban expansion has led to the construction of roads and houses close to previously isolated lakes, sometimes causing increased runoff and pollution. The addition of particulate matter to lake bodies can lower water clarity, resulting in stronger thermal stratification and overall lower average water column temperatures, which can eventually affect the onset of ice cover. Water quality can also be influenced by the runoff of salt from roads and sidewalks, which often creates a benthic saline layer that interferes with vertical mixing of surface waters. Fluctuations in stratification consistency can accelerate deoxygenation of lakes, nutrient mineralization, and phosphorus release, having significant consequences for phytoplankton species. Furthermore, these changes in phytoplankton species composition and abundance can lead to adverse effects on fish recruitment, such as walleye. When these asynchronies in predator and prey populations occur year after year due to changes in stratification, populations may take years to rebound to their “normal” consistency.