Введение
Наука о внутренних водных экосистемах
Лимнология (/lɪm/'nɒ/lɒ/lɑ/dʒ/i/ limNOLəjee;) – это изучение внутренних водных экосистем. Исследование лимнологии охватывает биологические, химические, физические и геологические характеристики пресных и соленых, естественных и искусственных водоемов. Это включает изучение озер, водохранилищ, прудов, рек, родников, ручьев, водно-болотных угодий и подземных вод. Водные системы часто классифицируются как проточные (лотичные) или стоячие (лентичные). Лимнология включает в себя изучение водосборного бассейна, движение воды по бассейну и биогеохимические изменения, происходящие на этом пути. Более новая поддисциплина лимнологии, называемая ландшафтной лимнологией, изучает, управляет и стремится к сохранению этих экосистем, используя ландшафтный подход, явно рассматривая связи между водной экосистемой и ее водосборным бассейном. Недавно возникла необходимость понимать глобальные внутренние воды как часть системы Земли, что привело к созданию поддисциплины, называемой глобальной лимнологией. Этот подход рассматривает процессы во внутренних водах в глобальном масштабе, например, роль внутренних водных экосистем в глобальных биогеохимических циклах. Лимнология тесно связана с водной экологией и гидробиологией, которые изучают водные организмы и их взаимодействие с абиотической (неживой) средой. Хотя лимнология имеет значительное пересечение с дисциплинами, ориентированными на пресные воды (например, пресноводной биологией), она также включает изучение внутренних соленых озер.
История
Термин «лимнология» был предложен Франсуа Альфонсом Форелем (1841–1912), который заложил основы этой науки своими исследованиями Женевского озера. Интерес к этой дисциплине быстро рос, и в 1922 году Август Тьененман (немецкий зоолог) и Эйнар Науман (шведский ботаник) совместно основали Международное общество лимнологии (SIL, от Societas Internationalis Limnologiae). Первоначальное определение лимнологии, данное Форелем как «океанография озер», было расширено до изучения всех внутренних водоемов. В Университете Висконсина-Мэдисон Эдвард А. Бирдж, Ченси Джудей, Чарльз Р. Голдман и Артур Д. Хаслер внесли значительный вклад в развитие Центра лимнологии.
Физические свойства
Физические свойства водных экосистем определяются сочетанием тепла, течений, волн и других сезонных изменений условий окружающей среды. Морфометрия водного объекта зависит от типа объекта (например, озера, реки, ручья, водно-болотного угодья, эстуария и т.д.) и строения окружающей его местности. Озера, к примеру, классифицируются по способу их образования, а зоны в озерах определяются глубиной воды. Морфометрия речных и ручейных систем определяется геологическим строением местности, а также общей скоростью течения воды.
Термическая стратификация
Подобно световому зонированию, термическая стратификация или термическое зонирование – это способ разделения частей водоема в водной системе на группы, основанный на температуре различных слоев озера. Чем меньше мутность воды, тем глубже проникает свет и, следовательно, тепло распространяется в воду. Нагрев экспоненциально уменьшается с глубиной в водном столбе, поэтому вода у поверхности самая теплая, а при движении вниз постепенно становится холоднее. Термическую стратификацию в озере определяют три основных участка. Эпилимнион расположен ближе всего к поверхности воды и поглощает длинноволновое и коротковолновое излучение для нагрева поверхности. В более холодные месяцы сдвиговое воздействие ветра может способствовать охлаждению поверхности воды. Термоклин – это область в водном столбе, где температура воды быстро понижается. Такие озера часто димиктические, с кратковременным весенним перемешиванием в дополнение к более продолжительному осеннему перемешиванию. Относительная тепловая устойчивость – это энергия, необходимая для перемешивания этих слоев с разной температурой.
Бюджет на тепловое водоснабжение озера
Годовой тепловой бюджет, также обозначаемый как θa, представляет собой общее количество тепла, необходимое для прогрева воды от минимальной зимней температуры до максимальной летней температуры. Его можно рассчитать, проинтегрировав площадь озера на каждом глубинном интервале (Az), умноженную на разницу между летней (θsz) и зимней (θwz) температурами, то есть Az(θsz – θwz). В реках и небольших озерах преобладают аллохтонные источники углерода, в то время как в крупных озерах и океане – автохтонные.
Кислород и углекислый газ
Растворенный кислород и растворенный углекислый газ часто обсуждаются вместе из-за их взаимосвязанной роли в дыхании и фотосинтезе. Концентрация растворенного кислорода может изменяться под воздействием физических, химических и биологических процессов и реакций. Физические процессы, такие как перемешивание ветром, могут увеличивать концентрацию растворенного кислорода, особенно в поверхностных водах водных экосистем. Поскольку растворимость кислорода связана с температурой воды, изменения температуры влияют на концентрацию растворенного кислорода: более теплая вода обладает меньшей способностью удерживать кислород, чем холодная. С биологической точки зрения, как фотосинтез, так и аэробное дыхание влияют на концентрацию растворенного кислорода. Вертикальные изменения концентрации растворенного кислорода зависят как от перемешивания ветром поверхностных вод, так и от баланса между фотосинтезом и дыханием органического вещества. Эти вертикальные изменения, известные как профили, основаны на тех же принципах, что и тепловая стратификация и проникновение света. По мере уменьшения доступности света с глубиной, скорость фотосинтеза также снижается, и вырабатывается меньше растворенного кислорода. Это означает, что концентрация растворенного кислорода обычно уменьшается с увеличением глубины, поскольку фотосинтез не восполняет кислород, потребляемый в процессе дыхания.
Классификация трофических озер
Одним из способов классификации озер (или других водоемов) является индекс трофического состояния. Физические и химические свойства тропических водных сред отличаются от свойств умеренных регионов: более теплая и стабильная температура, более высокий уровень питательных веществ и более сложные экологические взаимодействия. Более того, биоразнообразие тропических пресноводных экосистем обычно выше, антропогенное воздействие часто более значительно, и существуют важные культурные и социально-экономические факторы, влияющие на использование и управление этими экосистемами.
Профессиональные организации
Люди, изучающие лимнологию, называются лимнологами. Эти ученые в основном изучают характеристики внутренних водоемов пресной воды, таких как озера, реки, ручьи, пруды и водно-болотные угодья. Они также могут изучать не океанические соленые водоемы, например, Большое Соленое озеро. Существует множество профессиональных организаций, связанных с лимнологией и другими аспектами водной науки, включая Ассоциацию наук лимнологии и океанографии, Иберийскую ассоциацию лимнологии, Международное общество лимнологии, Польское лимнологическое общество, Канадское общество лимнологов и Общество пресноводных биологов.