Распределение температур по вертикали

Рис. 34. Графики распределения температуры воды по вертикали в реках: а) – летом; б) – перед началом осеннего ледохода; в) – в начале зимы

Вследствие интенсивного турбулентного перемешивания распределение температур по вертикали в реках (рис. 34) отличается относительной равномерностью. В теплое время года температура воды у свободной поверхности обычно превышает придонную температуру не больше чем на 1-3°С. Термическая конвекция в период предзимнего охлаждения воды приводит к тому, что перед замерзанием температура на вертикали становится практически постоянной. Наибольшие градиенты температуры наблюдаются в реках в первую половину зимы, когда дно сохраняет еще достаточно высокую положительную температуру, а у нижней поверхности льда вода принимает температуру 0°С (см. рис. 34).

В глубоких водоемах распределение температур иное. Здесь в нижних слоях температура воды в течение всего года составляет около 4°С. Граница зоны постоянной температуры проходит в слабо проточных и непроточных водоемах, на расстоянии 20-30 м от свободной поверхности. В проточных водоемах она может располагаться значительно ниже. Это хорошо видно на рис. 35, где показаны профили распределения температур во время, свободное ото льда, в Братском и Красноярском водохранилищах. Расходы воды на единицу ширины Красноярского водохранилища существенно больше, чем на единицу ширины Братского.

Рис. 36. Графики распределения среднегодовых температур воды по вертикали в озере Севан

Рис. 35. Графики распределения температуры воды по вертикали по К.И. Россинскому: а) – в Братском водохранилище (1 – 12 июля и 2 – 20 августа 1965 г.); б) – в Красноярском водохранилище (1 – 12 июня, 2 – 23 июня и 3 – 3 августа 1970 г.)

Вследствие неизменной охлажденности воды в нижних слоях глубоких водоемов, градиенты температуры в их поверхностных слоях, в отличие от рек, летом более велики, чем зимой. После штормов, поверхностный слой воды в озерах и водохранилищах принимает почти постоянную температуру, а ниже температура резко уменьшается. Это явление носит название температурного скачка.

Температурный скачок хорошо виден и на графиках распределения среднегодовых температур воды в больших озерах (рис. 36). Он отделяет поверхностную зону волнового перемешивания воды – так называемый эпилимнион от глубинного слоя постоянной температуры – гиполимниона.

Ледовые процессы

На малых реках с медленным течением и в водоемах, при отсутствии ветрового волнения, первыми признаками замерзания воды служат забереги – полосы льда толщиной до 1 см, постепенно распространяющиеся от урезов воды к середине свободной поверхности. При быстром течении или ветровом волнении забереги развиваются медленно, но появляется новое ледовое образование: сало. Так называются плывущие пластинки льда округлой формы в плане. Сталкиваясь друг с другом и смерзаясь, они дают начало более крупным структурам – блинчатому льду, а последний тем же путем превращается в льдины толщиной 3-10 см и с поперечниками, измеряемыми метрами. По мере увеличения густоты ледохода, прежде всего в узких местах и на поворотах русла, движение льдин замедляется, они смерзаются друг с другом и начинает формироваться сплошной ледяной покров. Наступает ледостав.

Однако картина льдообразования этим не исчерпывается. Вследствие равномерного охлаждения воды по всей вертикали кристаллы льда образуются не только на свободной поверхности, но и в толще потока. Некоторые кристаллы этого внутриводного льда, всплывая, достигают свободной поверхности и входят далее в состав ледяного покрова, другие же уносятся течением под лед и, скапливаясь, образуют студенистую массу, известную под названием шуги. Образование шуги в реках может продолжаться и после осеннего ледохода. Это объясняется тем, что на большинстве рек встречаются участки с быстрым течением, которые замерзают с опозданием, а иногда остаются открытыми в течение всей зимы. Такие участки называются полыньями. Интенсивное турбулентное перемешивание на участке полыньи усиливает подвод тепла от дна и обеспечивает повышенное выделение тепла самим потоком. Ледяной покров в этих условиях образоваться не может. Однако когда отдельные массы перемешивающейся жидкости достигают свободной поверхности, они переохлаждаются и в них формируются кристаллы льда. Поэтому полыньи всегда бывают «фабриками шуги».

После замерзания реки, за счет работы полыней и в течение последующих одного-двух месяцев, вода в реке содержит много шуги. Обладая положительной плавучестью, шуга движется в верхних слоях потока, но иногда она забивает поперечные сечения почти целиком. Это явление носит название зажоров.

Затрудняя движение воды, зажоры вызывают подъемы уровней воды на вышележащем участке, нередко на высоту до 1-2 м. Шуга служит также причиной затруднений в работе городских водозаборов и гидроэлектростанций, так как ее массы забивают отверстия решеток приемных труб.

На участках с установившимся ледяным покровом придонные слои воды быстро прогреваются до температуры, близкой к температуре дна. Дальнейший ход событий состоит в постепенном нарастании толщины льда и в постепенном охлаждении дна, а с ним и воды в реке. В глубоководных водоемах дно не участвует в процессе теплообмена и градиенты температуры в течение зимы меняются слабо.

Прекращение роста толщины льда, а затем переход к его таянию происходят в результате весеннего усиления излучения Солнца и атмосферы. Разрушению ледяного покрова способствует подъем воды в реке. В результате подъема воды лед отрывается от берегов и раскалывается на ледяные поля. Подвижки таких полей, имеющих огромную массу, могут повреждать имеющиеся на реке выправительные и берегоукрепительные сооружения. Ледяные поля, впрочем, быстро разламываются на льдины и начинается весенний ледоход. На многих реках, особенно тех, которые текут с юга на север, весенний ледоход сопровождается заторами, т.е. образованием мощных скоплений льда, перекрывающих русло реки подобно плотинам. Главными причинами образования заторов служат: более позднее вскрытие участков реки, расположенных ниже по течению, и замедление движения льда в узких местах русла, на его поворотах, в разветвлениях. Останавливаясь по той или иной причине, льдины начинают наползать друг на друга или переворачиваться и подныривать и в конце концов образуют кладку, достигающую дна реки. Весенние заторы льда могут создавать подъемы уровней более высокие, чем зажоры. На реке Большой Северной Двине наблюдались заторные подъемы уровней на высоту до 6 м. Борьба с заторами ведется посредством их взрывания.

Озера и водохранилища очищаются ото льда иначе, чем реки. Ввиду слабости или отсутствия течений ледоход в них невозможен. Образовавшиеся после разламывания ледяного покрова ледяные поля дрейфуют под действием ветра, измельчаются и постепенно тают. В результате, озера и водохранилища очищаются ото льда позднее, чем реки. Это запаздывание в климатических условиях СССР составляет от 5 до 10 суток.