Тепловой слой в водоёмах

Введение

Термослой в водоеме

Термоклина (также известная как термический слой или металлимнion в озерах) – это четко выраженный слой, характеризующийся температурой, внутри большого объема жидкости (например, воды в океане или озере, или воздуха, например, в атмосфере) с резким градиентом температур, изменяющихся с глубиной. В океане термоклина разделяет верхний перемешанный слой от спокойных глубин. В зависимости от сезона, широты и турбулентного перемешивания ветром, термоклина может быть полупостоянной характеристикой водоема, в котором она возникает, или формироваться временно в ответ на явления, такие как радиационный нагрев/охлаждение поверхностных вод в течение дня/ночи. На глубину и толщину термоклина влияют сезонные колебания погоды, широта и местные условия окружающей среды, такие как приливы и течения.

Сезонность термоклина

Термоклины в океане могут меняться по глубине и интенсивности в зависимости от сезона. Более низкие температуры зимой приводят к углублению термоклины, а более теплые летние температуры возвращают ее в верхний слой. В районах тропиков и субтропиков термоклин летом может становиться даже тоньше, чем в других регионах.

Другие водные объекты

Термоклины также можно наблюдать в озерах. В более холодных климатах это приводит к явлению, называемому стратификацией. Летом теплая вода, менее плотная, располагается над более холодной, плотной и глубокой водой, разделенной термоклином. Теплый слой называется эпилимнион, а холодный – гиполимнион. Поскольку теплая вода подвергается воздействию солнца в течение дня, формируется устойчивая система, и смешение теплой и холодной воды происходит в небольшом объеме, особенно в спокойную погоду. Одним из результатов этой устойчивости является то, что по мере продолжения лета содержание кислорода ниже термоклином уменьшается, так как вода под термоклином не циркулирует к поверхности, а организмы в воде истощают доступный кислород. С наступлением зимы температура поверхностных вод падает, поскольку ночное охлаждение преобладает над теплопередачей. Наступает момент, когда плотность охлаждающейся поверхностной воды становится выше плотности глубокой воды, и начинается перемешивание: плотная поверхностная вода опускается вниз под действием силы тяжести. Этому процессу способствуют ветер или любые другие процессы (например, течения), которые взбалтывают воду. Этот эффект также наблюдается в водах Арктики и Антарктики, поднимая на поверхность воду, которая, хотя и с низким содержанием кислорода, богаче питательными веществами, чем исходная поверхностная вода. Это обогащение поверхностных вод питательными веществами может вызывать цветение фитопланктона, делая эти районы продуктивными. По мере дальнейшего понижения температуры вода на поверхности может стать достаточно холодной, чтобы замерзнуть, и озеро/океан начинает покрываться льдом. Формируется новый термоклином, где самая плотная вода (4 °C (39 °F)) опускается на дно, а менее плотная вода (вода, приближающаяся к точке замерзания) поднимается наверх. После установления этой новой стратификации она сохраняется до тех пор, пока вода не прогреется достаточно для «весеннего перемешивания», которое происходит после таяния льда и повышения температуры поверхностной воды до 4 °C. В процессе этого перехода может образоваться термический барьер. На термоклине могут возникать волны, вызывающие колебания глубины термоклина, измеряемой в одной точке (обычно в форме сейши). В качестве альтернативы волны могут быть вызваны течением над возвышенным дном, создавая термоклиновую волну, которая не меняется со временем, но изменяется по глубине при движении по течению или против него.

Thermoclines can also be observed in lakes. In colder climates, this leads to a phenomenon called stratification. During the summer, warm water, which is less dense, will sit on top of colder, denser, deeper water with a thermocline separating them. The warm layer is called the epilimnion and the cold layer is called the hypolimnion. Because the warm water is exposed to the sun during the day, a stable system exists and very little mixing of warm water and cold water occurs, particularly in calm weather. One result of this stability is that as the summer wears on, there is less and less oxygen below the thermocline as the water below the thermocline never circulates to the surface and organisms in the water deplete the available oxygen. As winter approaches, the temperature of the surface water will drop as nighttime cooling dominates heat transfer. A point is reached where the density of the cooling surface water becomes greater than the density of the deep water and overturning begins as the dense surface water moves down under the influence of gravity. This process is aided by wind or any other process (currents for example) that agitates the water. This effect also occurs in Arctic and Antarctic waters, bringing water to the surface which, although low in oxygen, is higher in nutrients than the original surface water. This enriching of surface nutrients may produce blooms of phytoplankton, making these areas productive. As the temperature continues to drop, the water on the surface may get cold enough to freeze and the lake/ocean begins to ice over. A new thermocline develops where the densest water (4 °C (39 °F)) sinks to the bottom, and the less dense water (water that is approaching the freezing point) rises to the top. Once this new stratification establishes itself, it lasts until the water warms enough for the 'spring turnover,' which occurs after the ice melts and the surface water temperature rises to 4 °C. During this transition, a thermal bar may develop. Waves can occur on the thermocline, causing the depth of the thermocline as measured at a single location to oscillate (usually as a form of seiche). Alternately, the waves may be induced by flow over a raised bottom, producing a thermocline wave which does not change with time, but varies in depth as one moves into or against the flow.

Атмосфера

Термоклина – это градиент, основанный на резких различиях температуры внутри однородной среды, например, атмосферы, океана или озера. Термическая граница между тропосферой (нижней атмосферой) и стратосферой (верхней атмосферой) является термоклиной. Обычно температура понижается с увеличением высоты, однако тепло, накопленное за день от солнечного излучения, высвобождается ночью, что может привести к образованию теплого слоя у поверхности земли и более холодного воздуха над ним. Это явление называется температурной инверсией (еще один пример термоклины). С восходом солнца солнечная энергия нагревает землю, заставляя нагретый воздух подниматься, что дестабилизирует и в конечном итоге разрушает инверсионный слой. Впервые это явление было применено в исследованиях шумового загрязнения в 1960-х годах и внесло вклад в проектирование городских автомагистралей и шумозащитных экранов.