Основной особенностью байкальских вод является
то, что в сочетании с большими глубинами здесь хорошо проявляются
аномальные плотностные свойства пресных вод. Первая аномалия
проявляется в том, что температура максимальной плотности Тмп
пресных вод близка к 4 °C (для
поверхностной байкальской воды при минерализации 96,5 мг/л Тмп =
3,9646 °C), замерзающая вода легче
более теплых (до 4 °C) и плотных
глубинных вод, и глубокие водоемы зимой не промерзают до дна. Эти
свойства имеют жизненно важное значение для биоты планеты, для ее
выживания как в современный период, так и в периоды оледенений,
когда температура глубинных вод понизилась от 10–15 °C (более 5 миллионов лет назад) до ≤4
°C (Тмп).
Световой режим, прозрачность байкальских вод, фронты
океанического типа, вентиляция придонных вод
поверхностными
До каких глубин проходит свет на Байкале? Этот вопрос важен не
только для человека, но и для обитателей озера. Простой белый диск
диаметром 30 см, так называемый диск Секки, при очень чистой воде
виден до глубины 40 метров. Наблюдения показывают, что 1%
поверхностной освещенности, или фотическая зона, распространяется
до глубин в 2,8 раза больше глубины видимости диска Секки. При
максимальной прозрачности воды фотическая зона доходит до 112 м.
Это подтверждают светолюбивые организмы, например, губки,
встречающиеся и на больших глубинах.
А до каких глубин доходит солнечный свет, или астрономический
световой фон? Измерения света специальными чувствительному к свету
приборами, фотоэлектронными умножителями (ФЭУ) показали, что
солнечный свет на озере Байкал доходит до глубины 500 м, лунный
свет немного меньше. Но самое интересное, что и глубже на Байкале
нет абсолютной темноты: те же ФЭУ показали присутствие света на
самых больших глубинах, более 1 км, за счет свечения самой
байкальской воды. Уровень собственного свечения байкальской воды
небольшой, от 100 до 1000 фотонов в одну секунду, что принципиально
важно и интересно.
Сочетание больших глубин и больших объемов воды с расположением в
умеренном климатическом поясе благоприятствует процессам
самоочищения байкальских вод и формированию их уникальных свойств,
включая высокую прозрачность вод. Необычные оптические свойства
байкальских вод отмечались с давних пор. Так, одним из первых это
отметил царский посол Н. Спафарий, проезжавший из Москвы в Пекин в
1675 г., который писал: «А вода в нем зело чистая, что дно видится
многие сажени в воде».
Наиболее просто определяемой оптической характеристикой природных
вод является прозрачность по диску Секки. В годовом ходе
прозрачности по диску Секки, которая измеряется только в
поверхностных слоях воды, наблюдаются два минимума (август,
март–апрель) и два максимума (июнь, декабрь–январь) с рекордным
значением в 40,2 м. Более универсальной оптической характеристикой
является показатель ослабления световых излучений
(ПО)
ε,
который измеряется в обратных
метрах (1/м) и от поверхности до дна. Прозрачность, или ПО, чутко
реагирует на динамику вод, поскольку этот показатель фактически
зависит от природных индикаторов: взвесей органического и
неорганического происхождения и поглощающих веществ. Вертикальная
оптическая и динамическая структуры состоят из очень активной
верхней зоны со значительным сезонным ходом прозрачности и
скоростей течений, из глубинной зоны с ядрами прозрачных вод и
минимальными течениями и из придонной зоны, где изменчивость этих
величин опять возрастает.
Оптические структуры вод неразрывно связаны с динамическими
процессами, что проявляется в образовании конвергентных зон и
постоянном существовании фронтов, которые создают благоприятные
условия для существования и развития байкальской биоты.
Фронты на Байкале были открыты зимой подо льдом, когда динамическая
активность вод, казалось бы, должна быть минимальной.
Главная особенность динамики фронтов наряду с опусканием вод в
конвергентной зоне – образование течений, поперечных
вдольфронтовому движению вод. Во фронтах происходит одновременное
зарождение циркуляций с вертикальными и горизонтальными
осями.
Фронтальная динамика неизбежно порождает пространственные
неоднородности. В зонах даунвеллинга (конвергенции) и апвеллинга
(дивергенции) возникают физико-химические неоднородности водной
среды.
Возможности быстрого интенсивного обмена поверхностных и придонных
вод в морях, вентиляция придонных вод известны давно. Интенсивный
вертикальный обмен и большие вертикальные скорости присущи фронтам:
по теоретическим оценкам, вертикальные скорости во фронтальных
разделах доходят до 5 км/сут и выше. Воды конвергентных зон
(опускающиеся воды) распространяются почти от поверхности до самого
дна (около 1400 м). Удивительно, что фронты существуют подо льдом в
отсутствие каких-либо штормовых явлений. Вертикальные скорости вод
в конвергентной зоне оценивались на уровне 60 м/сут. Ясно, что
такие оценки вертикальных скоростей нужно рассматривать как
минимальные.
Основные черты водообмена в Байкале с учетом существования фронтов
выглядят следующим образом. В области максимума вдольбереговых
прибрежных течений из-за горизонтального и вертикального сдвига
течений и уплотнения озерных вод при смешении формируется
конвергентная зона опускающихся вод шириной не более 1 км.
Прибрежные течения состоят из двух струй генетически различных вод:
ближайшая к берегу часть – из прибрежных, а удаленная от берега –
из вод открытого озера.
В районе стрежня происходят их перемешивание и уплотнение при
смешении. В результате уплотнения вод образуется конвергентная зона
фронта, которая распространяется от нижних частей пикноклина до дна
с формированием придонных течений. В центре зарождения
конвергентной зоны на место опускающейся уплотненной воды подтекают
воды из пикноклина как со стороны берега, так и со стороны центра
озера, т.е. горизонтальный обмен преобразуется в вертикальный. В
придонной зоне из вод конвергентной зоны образуются две струи: одна
направлена к берегу, другая – к центру озера. Опускающиеся воды
вызывают подъем вод, что следует из уравнения неразрывности.
Конвергентная зона расположена в 3–5 км от крутого северо-западного
берега и несколько дальше от пологого восточного. Горизонтальный
сдвиг течений вызывает циклоническую циркуляцию (Северное
полушарие) в центральной части озера и антициклоническую – у
берегов. Циркуляции имеют как вертикальные, так и горизонтальные
оси.
Согласно фронтальной версии механизма водообмена, зона погружения
вод находится в нескольких километрах от берега, и загрязняющие
вещества за время попадания в конвергентную зону могут проходить
целый ряд стадий естественной очистки за счет своего оседания. У
более пологого восточного берега Байкала происходят более сложные
процессы.
У крутого северо-западного берега поднимающиеся глубинные воды
отличаются высокой прозрачностью и содержат минимальное количество
загрязняющих веществ. Интенсивность вертикального водообмена,
инициируемого фронтами, имеет такой схематический вид. Вертикальные
скорости, полученные в зимний период (60 м/сут, или 32 км/год),
нужно рассматривать как минимальные. Например, в Южном Байкале на
разрезе шириной в 1 км и длиной 30 км (примерно ширина Южного
Байкала) действуют две фронтальные конвергентные в 1 км на
рассматриваемом разрезе шириной также в 1 км за год опустится 22
кв. км воды и столько же поднимется (по закону сохранения) у
крутого западного склона и в середине озера. Такая же картина
должна наблюдаться у пологого восточного берега.
Значит, в опускании под западным и восточным берегами будут
участвовать 44 куб. км воды и столько же в подъеме, а в полном
водообмене – 88 куб. км. Объем рассматриваемой поперечной полосы
при треугольном профиле и максимальной глубине 1,4 км равен 21 куб.
км. Здесь не учитывается, что в периоды весенней и осенней
гомотермии вертикальные скорости и обмен гораздо выше. Полный
водообмен в глубинной зоне Байкала происходит за 8–12 лет.
Глубинные воды центральных и прибрежных областей Байкала из-за
высоких скоростей опускания и узких границ конвергентной зоны
гидродинамически изолированы или имеют замедленный обмен по
сравнению с фронтальными зонами.
Таким образом, фронтальный механизм обмена, который прослеживается
по оптическим свойствам озерных вод, тесно связан с вентиляцией
придонных вод поверхностными.
Скорость звука в байкальских водах
Наиболее характерной особенностью байкальской
воды является ее низкая соленость S со средним значением 0,096 г/кг
и с возможными изменениями на ±8%. Отсюда следует, что скорость
звука V в байкальской воде выше, чем в дистиллированной воде,
примерно на 0,127 м/сек с возможными отклонениями на ±8%, или на
±0,0102 м/сек. Для реальных изменений солености S на Байкале
формула расчета скорости звука C проводится без учета солености
S.
Для условий озера Байкал была получена специальная формула C(T,P) =
1402,39 + 4,99T – 0,05T + 0,01539Z, где C – в м/сек,
температура Т – в °С и глубина Z – в
метрах (Колотило и Шерстянкин, 1985). Формула применима только для
условий озера Байкал, так как при ее выводе были учтены следующие
факторы: пространственно-временная изменчивость температуры воды
озера Байкал; широта озера Байкал (54°
N); высота над уровнем моря (Н = 455 м); соленость, равная 0,096
г/кг. Среднеквадратическая погрешность формулы составляет: на
поверхности при Z = 0 м ±0,045 м/сек и на горизонте Z = 1000 м -
±0,1 м/сек.
Связь с температурой максимальной плотности Тмп
Скорость звука в воде зависит от параметра
адиабаты, который в слоях, где температуры воды близка к Тмп,
стремится к 1, т.е. адиабатический режим становится близким к
изотермическому и все адиабатические поправки
вырождаются
. Скорость звука может
рассчитываться в системе «температура воды – глубина».
Сезонная изменчивость профилей скорости звука определяется главным
образом сезонными изменениями температуры. Годовой ход температуры
разбивается на два крупных периода: прямой и обратной температурной
стратификации. Прямая стратификация устанавливается при
температурах поверхности выше 4 °С и
включает периоды летнего прогрева и осеннего охлаждения. Обратная
стратификация – при температурах ниже 4 °С и включает периоды зимнего охлаждения,
подледный и весеннего прогрева.
Особенности вертикальных профилей C
Для указанных температурных периодов проведены
расчеты вертикальных профилей скорости звука в воде для разных
котловин озера. Анализ этих профилей V выявляет следующие основные
черты поля скорости звука в открытом Байкале:
Слой 0–300 м. Профили C для Южного, Среднего и Северного Байкала
имеют одинаковый сезонный ход: а) в период наступления гомотермии
при 4 °С, весенней или осенней, C
слабо зависит от глубины и имеет значение 1422±1 м/сек; б) в период
прямой температурной стратификации при температурах поверхности
выше 4 °С C вначале убывает с ростом
глубины, затем в слое 25–150 м достигает минимального значения
(около 1422 м/сек), а затем возрастает с глубиной; в) в период
обратной температурной стратификации при температурах поверхности
меньше 4 °С C монотонно возрастает с
глубиной, минимальное значение V при 0 °С составляет 1402,4 м/сек.
Глубже 300 м. Профили C в Южном и Северном Байкале практически
совпадают, а в Среднем из-за более низких температур имеют меньшие
значения с разницей, доходящей на глубинах свыше 1 км до 1 м/сек.
Вертикальные градиенты C в расчете на 100 м ниже глубин 500 м
одинаковы для всех котловин и имеют величины 1,47±0,05
м/сек.
Подводный звуковой канал, впервые открытый в океане Л.М. Бреховских, образуется при формировании на вертикальном профиле скорости звука минимума скорости звука Vмин при температурах поверхности воды выше 4 °С (июль–октябрь). При этом, если температура поверхности воды выше 5 °С, то вертикальные перепады скорости звука в расчете на 100 м выше оси звукового канала превышают 4,5 м/сек, а ниже оси равны примерно 1,47 м/сек, т.е. наблюдается полное сходство с океаническими условиями. Наилучшее время для развития подводного звукового канала – июль–август. Наилучшие условия для проявления звукового канала в открытом Байкале создаются при максимальном прогреве в августе.
Приповерхностные звуковые каналы образуются при Тпов меньше 4 °С (ноябрь–июнь) и получают наиболее полное развитие при образовании ледяного покрова (январь–апрель). При наличии льда выше и ниже оси звукового канала (у нижней поверхности льда) создаются благоприятные условия для фокусировки звуковых лучей, с одной стороны, за счет льда, с другой – за счет 200-метрового слоя воды с вертикальными перепадами скорости звука порядка 10–16 м/сек на 100 м, что намного лучше, чем в летний период. Зимний приповерхностный подводный звуковой канал гораздо эффективнее летнего.
Поправки к показаниям эхолота ΔZv ( м)
Для определения глубины эхолотом необходимо знать истинную среднюю на профиле скорость звука Сср Эхолоты обычно рассчитаны на Cср = 1500 м/сек. Были рассчитаны поправки к показаниям эхолота на Байкале.
До глубин 300 м поправки ΔZv отличаются в разные сезоны и для разных котловин, при этом минимальные поправки ΔZv наблюдаются в июле–сентябре, максимальные – зимой в январе–апреле, а глубже они не зависят от сезона и места измерения глубины. Максимальные глубины на Байкале с учетом поправок (-77 м) составляют 1642 м, т.е. показания эхолота при этом равны 1719 м. Поправки к показаниям эхолота использовались при составлении батиметрических карт озера (ГУНИО, 1992) и электронных батиметрических карт.
Источник:
Шерстянкин П.П. Гидрофизические характеристики // Байкал: природа и люди. Энциклопедический справочник / Под ред. А.К. Тулохонова. – Улан-Удэ, ЭКОС: изд-во БНЦ СО РАН, 2009
