Гидрофизические характеристики воды Байкала

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

Поделиться в vk
VK
Поделиться в odnoklassniki
OK
Поделиться в facebook
Facebook
Поделиться в whatsapp
WhatsApp
Поделиться в telegram
Telegram