Введение
Разделение воды в озере на отдельные слои. Озерная стратификация – это тенденция озер формировать отдельные и четко выраженные тепловые слои в теплую погоду. Обычно стратифицированные озера демонстрируют три различных слоя: эпилимнион, включающий верхний теплый слой; термоклин (или металлимнион) – средний слой, глубина которого может меняться в течение дня; и более холодный гиполимнион, простирающийся до дна озера. Каждое озеро имеет определенный режим перемешивания, на который влияют морфометрия озера и условия окружающей среды. Однако изменения, вызванные деятельностью человека, такие как изменение землепользования, повышение температуры и изменения погодных условий, показали, что они изменяют сроки и интенсивность стратификации в озерах по всему миру. Холодная вода плотнее, чем теплая, и эпилимнион обычно состоит из воды, менее плотной, чем вода в гиполимнионе. Тем не менее, температура максимальной плотности для пресной воды составляет 4 °C. В умеренных регионах, где вода в озере нагревается и охлаждается в течение сезонов, происходит циклический процесс перемешивания, который повторяется из года в год, когда холодная плотная вода в верхней части озера опускается вниз (см. стабильная и нестабильная стратификация). Например, в димиктических озерах вода в озере перемешивается весной и осенью. Этот процесс протекает медленнее в более глубоких водах, и в результате может образоваться тепловой барьер. В мелководных озерах стратификация на эпилимнион, металлимнион и гиполимнион часто не происходит, поскольку ветер или охлаждение вызывают регулярное перемешивание в течение года. Эти озера называются полимиктическими. Не существует фиксированной глубины, которая отделяет полимиктические и стратифицированные озера, поскольку, помимо глубины, на это также влияют мутность, площадь поверхности озера и климат. Режим перемешивания озера (например, полимиктический, димиктический, меромиктический) описывает годовые закономерности стратификации озера, которые наблюдаются в большинстве лет. Однако краткосрочные события также могут влиять на стратификацию озера. Тепловые волны могут вызывать периоды стратификации в обычно перемешанных, мелководных озерах, в то время как события перемешивания, такие как штормы или большой сток рек, могут разрушить стратификацию. Погодные условия вызывают более быструю реакцию в больших, мелководных озерах, поэтому эти озера более динамичны и менее изучены. Однако режимы перемешивания, которые, как известно, существуют в больших мелководных озерах, в основном суточные, и стратификация легко нарушается. Озеро Тайху в Китае является примером большого, мелкого суточного озера, где, хотя глубина не превышает 3 метров, мутность воды в озере все еще достаточно динамична, чтобы стратифицироваться и дестратифицироваться из-за поглощения солнечного излучения в основном в верхнем слое. Склонность к нарушению стратификации влияет на скорость переноса и потребления питательных веществ, что, в свою очередь, влияет на рост водорослей. Стратификация и режимы перемешивания в крупнейших озерах Земли также плохо изучены, но изменения в тепловом распределении, такие как повышение температуры, наблюдаемое с течением времени в глубоких водах озера Мичиган, могут значительно изменить крупнейшие пресноводные экосистемы на планете. Недавние исследования показывают, что сезонно покрытые льдом димиктические озера могут быть описаны как «криостратифицированные» или «криомиктические» в зависимости от их режимов зимней стратификации. Криостратифицированные озера демонстрируют обратную стратификацию вблизи поверхности льда и имеют среднюю глубину около 4 °C, в то время как криомиктические озера не имеют подледного термоклина и имеют среднюю зимнюю глубину ближе к 0 °C. Процессы циркуляции в периоды перемешивания вызывают перемещение кислорода и других растворенных питательных веществ, распределяя их по всему объему воды. Накопление растворенного углекислого газа в трех меромиктических озерах Африки (озерах Ниос и Монун в Камеруне и озере Киву в Руанде) потенциально опасно, поскольку, если одно из этих озер спровоцирует лимническое извержение, очень большое количество углекислого газа может быстро покинуть озеро и вытеснить кислород, необходимый для жизни людей и животных в окружающей местности.
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
В умеренных широтах многие озера, которые становятся стратифицированными в летние месяцы, дестратифицируются в прохладную, ветреную погоду, при этом перемешивание ветром поверхностных вод является важным фактором этого процесса. Это часто называют «осенним переворотом». Перемешивание гиполимния со смешанным водоемом озера обеспечивает рециркуляцию питательных веществ, особенно фосфорных соединений, накопленных в гиполимнии в теплую погоду. Это также создает риск кислородного дефицита, поскольку длительно существующий гиполимнион может быть аноксичным или содержать очень мало кислорода. Режимы перемешивания озер могут меняться в ответ на повышение температуры воздуха. Некоторые димиктические озера могут превращаться в мономиктические, а некоторые мономиктические – в меромиктические в результате повышения температуры. Для термической дестратификации озер, особенно подверженных низкому содержанию кислорода или нежелательному цветению водорослей, используется различное аэрационное оборудование. Фактически, специалисты по управлению природными ресурсами и окружающей средой часто сталкиваются с проблемами, вызванными термической стратификацией озер и прудов. Гибель рыбы напрямую связана с тепловыми градиентами, застоем воды и ледяным покровом. Чрезмерный рост планктона может ограничивать рекреационное и коммерческое использование озерной воды. Сильная термическая стратификация в озере также может негативно сказываться на качестве питьевой воды. Эти изменения могут дополнительно изменять состав рыб, зоопланктона и фитопланктона, а также создавать градиенты, влияющие на доступность растворенного кислорода и питательных веществ. Существует ряд способов, которыми изменения в землепользовании человеком влияют на стратификацию озер и, следовательно, на состояние воды. Расширение городов приводит к строительству дорог и домов вблизи ранее изолированных озер, что иногда вызывает увеличение стока и загрязнения. Попадание взвешенных частиц в озеро может снизить прозрачность воды, что приводит к усилению термической стратификации и общему снижению средней температуры водной толщи, что в конечном итоге может повлиять на образование ледяного покрова. На качество воды также может влиять сток соли с дорог и тротуаров, который часто создает бентосный солевой слой, препятствующий вертикальному перемешиванию поверхностных вод. Колебания стабильности стратификации могут ускорить дезоксигенацию озер, минерализацию питательных веществ и высвобождение фосфора, что имеет значительные последствия для видов фитопланктона. Кроме того, эти изменения в составе и численности видов фитопланктона могут привести к негативным последствиям для воспроизводства рыбы, например, судака. Когда такие рассинхронизации в популяциях хищников и добычи происходят из года в год из-за изменений в стратификации, популяциям могут потребоваться годы, чтобы восстановиться до своей «нормальной» численности.