Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Взаимосвязь биологических и физико-химических процессов в водных экосистемах. (Обзор литературы) 12
1.1. Физико-химические и географические особенности озера Байкал ... 12
1.2. Динамика фитопланктона Байкала 18
1.3. Распределение фитопланктона, как показатель физических изменений в морской экосистеме 29
1.4. Качество глубинных вод и особенности их водозабора 37
Вывод из обзора литературы и постановка задачи исследования 45
Глава 2. Изучение влияния гидродинамических факторов на устойчивость экосистемы Байкала 47
2.1. Турбулентное перемешивание глубинных вод и скорость вертикального водообмена 47
2.2. Поверхностное распределение компонентов экосистемы -горизонтальный «пэтчинг» 52
2.3. Гидродинамическое лимитирование в экосистеме Байкала, двухслойная модель глубокого озера 60
2.4. Влияние климатической изменчивости на продуцирование крупного фитопланктона 75.
Выводы главы 2 83
Глава 3. Влияние турбулентного перемешивания вод на сезонную динамику фитопланктона 84
3.1. Гидродинамическое объяснение сезонной динамики фитопланктона 84
3.2. Сопоставления результатов моделирования с натурными наблюдениями 88
3.3. Зависимость коэффициента ослабления света от концентрации фитопланктона 95
3.4. Изменение коэффициента ослабления света в зависимости от сезонной и межгодовой динамики фитопланктона 99
Выводы главы 3 103
Глава 4. Применение полученных результатов для рационального использования природных ресурсов озера Байкал 104
4.1.Определение качества вод по гидробиологическим показателям. 104
4.2. Влияние оседающего планктона на качество глубинных вод ПО
4.3 Особенности схемы водозабора глубинных вод на Северном Байкале 117
Выводы главы 4 122
Заключение 123
Литература
- Физико-химические и географические особенности озера Байкал
- Качество глубинных вод и особенности их водозабора
- Турбулентное перемешивание глубинных вод и скорость вертикального водообмена
- Гидродинамическое объяснение сезонной динамики фитопланктона
Введение к работе
Актуальность темы: Нет особой необходимости говорить о значении наличия запасов пресной воды данного региона или страны в целом, поскольку вода является одним из важнейших природных богатств, ценнейшим ресурсом, без которого невозможна жизнь человека. В настоящее время 2/3 населения земного шара страдает от дефицита или загрязнения воды.. Затруднения в обеспечении питьевой водой населения ведут к росту заболеваемости, дефицит воды сказывается на производстве сельхоз продукции и сдерживает развитие промышленного производства. Есть все основания считать, что в ближайшее 50 лет доступная для населения чистая питьевая вода будет сосредоточена в Байкале, т.е. воды Байкала могут стать единственным источником питьевой биологически активной воды для всего населения России (Павлов, 1995). Запасы вод Байкала составляют свыше четверти объема хозяйственно ценных пресноводных вод земного шара и отличаются к тому же очень высоким качеством. Озеро Байкал является не только уникальным хранилищем пресной воды, но и эндемичных видов флоры и фауны, уникальным природным и культурным памятником. Воды Байкала это национальное достояние России, от сохранения которого зависит не только экономическое развитие, но и само существования населения страны. Поэтому необходимо обобщить и систематизировать многолетние результаты исследований на Байкале, которые имеют отношения к проблеме научно-обоснованного и рационального использования ресурсов озера как источника высококачественной питьевой воды.
Развитие лимнологии на современном этапе связано с решением ряда задач рационального использования и охраны озерных вод. Изучение гидродинамических процессов дает возможность познания физической основы режима глубокого рифтового озера.
Огромная экониша таких озер, не является однородной, существенно различаясь в своих частях (прибрежные и открытые воды, поверхностные и глубинные слои и др.). Эта первичная расчлененность водной среды предопределяет сложную структуру всего биоценоза. Познаем мы ее достаточно традиционным, но на данном этапе незаменимым методом систематических наблюдений за «динамикой» различных показателей, так называемых основных компонентов экосистемы. При этом обнаруживаются сложные внутривидовые дифференциации ее главных конечных звеньев.
В процессе изучения явлений, протекающих в водоеме необходимо рассматривать водоем как единое целое. Основной частью экологической системы водоемов являются биологические, вспомогательной - химические, а обеспечивающей - физические процессы. В настоящее время с распространением энергетического принципа в изучении круговорота вещества и энергии, трофических связей и продуктивности экологических систем, получена возможность количественно охарактеризовать не только биологические процессы и их следствия, но и «общую функцию жизни водоема» (Stelle,1976; Винберг,1967).
Для прогнозирования качества вод необходимы детальные сведения о процессах, происходящих в водоеме, и в первую очередь о течениях и турбулентности. Сбор этих сведений экспериментальным путем часто связан с большими экономическими затратами, поэтому наиболее эффективным для решения таких задач является метод математического моделирования.
Байкал - одно из наиболее хорошо изученных озер мира. Многие параметры экосистемы, если не подавляющее большинство, описаны и изучены при долговременных наблюдениях. Благодаря этому стали известны общие закономерности изменчивости процессов, происходящих в экосистеме этого озера. Необходимость изучения климатических особенностей озера Байкал и прилегающих к нему регионов обусловлена растущими запросами народного
хозяйства в связи с задачей хозяйственного освоения и экономического развития этого огромного региона, с обеспечением охраны его природы. В 1996 году комиссия ЮНЭСКО внесла озеро Байкал в список участков мирового наследия. Это признание исключительной ценности - то, что мы должны передать будущим поколениям. Поэтому охрана природных ресурсов озера Байкал является приоритетной задачей всего мирового сообй{"Ш>.Я. ^Проблемами нашего времени являются возможные изменения в экосистемах озер, обусловленные глобальными изменениями климата Земли и локальными антропогенными воздействиями. Перспективность оценки различных сценариев основаны естественным образом на априорных моделях. Достоверность, которых существенно повышается при использовании ретроспективной информации о состоянии экосистем и влиянии на них глобальных климатических и внешних антропогенных условий. Антропогенное вмешательство в экосистемы крупнейших пресноводных водоемов связано с возможностью необратимых последствий для ныне живущих и будущих поколений, что находится в противоречии с устойчивым экономическим развитием.
Глубочайший пресноводный водоем мира во многих аспектах похож на океан. Существенное влияние на распределение параметров экосистемы, как и в океанах, оказывает турбулентное движение вод. Сходство с морем проявляется в существенном влиянии действия атмосферных процессов на перемещение водных масс. Рельеф дна и очертание берегов, горизонтальная и вертикальная структура течений способствуют сравнению экосистемы озера с океаном (Шишмарев, 1986). Значительное сходство процессов круговорота органических веществ и соединений биогенных элементов с их круговоротом в морях и океанах обусловлено большими глубинами Байкала (Во-тинцев,1965). По влиянию гидрофизических параметров на распределение биологических видов экосистема Байкала ближе к океанической, нежели к
экосистеме «обычного», т.е. небольшого озера. Вероятно, специфические гидродинамические процессы глубокого озера оказывают более сильное воздействие на структуру его экосистемы, чем климатические изменения.
Среди научных проблем, решаемых в рамках мероприятий по охране природы оз. Байкал в последние 15-20 лет, изучение первичной продукции занимает значительное место (Кожова,1993). Это представляет несомненный интерес как для познания биологии продуктивности, так и для выяснения способности к биологическому самоочищению крупнейшего по запасу пресноводного озера мира. Научные и практические вопросы обоснования и разработки системы комплексного мониторинга состояния Байкала привлекают в наше время внимание специалистов, занимающихся проблемами оценки и предотвращения нежелательных антропогенных воздействий на экосистему озера и экосистемы Прибайкалья и Забайкалья. Поэтому влияние гидродинамики Байкала на сезонные и межгодовые распределения планктона является в настоящее время одной из актуальных проблем байкаловеде-ния.
Важнейшей составной частью экосистемы озера являются происходящие в озерах физические и, в частности, гидродинамические процессы, такие как волновые и турбулентные движения, циркуляция и перемешивание вод, вихри, апвеллинги, фронты, определяющие распространение и трансформацию химических и биологических полей в озере. Описанию гидродинамических процессов в озерах посвящена обширная литература (Сокольников, 1964; Филатов, 1991; Акопян и др. 1982). Многие годы в изучении динамики озерных вод имелось два направления, одно из которых математическое моделирование природных процессов (Филатов, 1991; Акопян и др. 1982; Айн-бунд ММ. 1988), другое - основанное на анализе данных наблюдений (Шер-стянкин,1964; Филатов, 1991; Акопян и др. 1982). Исследование гидрофизических процессов - турбулентности, циркуляции Ленгмюра, внутренних
волн, течений широко поставлено на Великих Американских озерах, озере Байкал, Ладожского и Онежского озерах (Филатов, 1991).
Исследование изменчивости в экосистемах пресноводных водоемов мира интересует в настоящее время не только ученых, но и самые широкие слои общества в мире. Питьевая вода, существенным источником которой являются пресноводные озера - один из важнейших ресурсов человечества. Озеро Байкал является основным источником пресной питьевой воды в регионе Сибири и Дальнего Востока. Механизм, динамика и условия формирования качества воды в водоемах до сих пор концентрировалось на температуре как основном факторе. Однако проведенные исследования глубоких рифтових озер Байкала и Ньясы (Верхозина, 2002) показали, что основное значение для формирования качества воды в этих озерах имеют гидродинамические процессы.
Актуальность исследовательских работ в данном направлении обусловлена не только самостоятельным научным значением для развития теории формирования качества пресных вод, но и важными техническими применениями, связанными с вопросами рационального использования вод озера Байкал.
Основной целью диссертационной работы является разработка прогнозной модели, которая позволила бы учитывать влияние сезонной динамики фитопланктона на качество глубинных вод озера Байкал и создание экологически надежной технологической схемы водозабора.
Идея работы заключается в установлении взаимосвязи сезонной и межгодовой динамики фитопланктона с гидродинамическими свойствами вод озера Байкал и разработке комплекса научно обоснованных рекомендаций по организации водозабора, позволяющих выполнить детальный анализ предполагаемых изменений компонентов водной среды еще на стадии проектирования.
Методы исследования представляют комплекс методик, которые включают проведение теоретического анализа, статистической и корреляционной обработки рядов многолетних наблюдений распределения биомассы фито- и бактериопланктона озера Байкал в вертикальном и горизонтальном направлениях.
Научная новизна данной работы состоит в том, что впервые разработана модель, позволяющая объяснить особенности пространственного распределения биомассы фитопланктона озера Байкал и прогнозировать изменения качества глубинных вод.
Впервые, на основе математического моделирования, получена эмпирическая зависимость между прозрачностью глубинных вод и биомассой крупного фитопланктона. Предложен экспресс- метод, позволяющий рассчитать биомассу фитопланктона по измеренному значению прозрачности и оценить качество воды.
Научные положения, выносимые на защиту:
1.Межгодовые вариации распределения численности и биомассы крупного фитопланктона озера Байкал обусловлены гидродинамическими особенностями глубокого рифтового озера и связаны с межгодовыми климатическими изменениями региона.
2. Разработанная модель оседания крупного фитопланктона в глубинные слои, качественно и количественно достоверно описывает динамику фитопланктона озера Байкал.
3. Прозрачность глубинных вод озера отражает распределение фитопланктона и носит сезонный характер, а ее изменение связано с гидродинамическими свойствами Байкала.
Практическая значимость:
Показано, что распределение биомассы в толще воды носит сезонный характер. Этот факт необходимо учитывать при проектировании водозабора (места и глубины) и разработке Регламента подготовки воды при бу-тилировании или питьевом водоснабжении
Обоснована целесообразность и возможность изменения схемы водозабора питьевой воды, что позволит сэкономить затраты на сооружения трубопровода в размере 38 млн. рублей.
Предложенный экспресс метод определения биомассы фитопланктона по измеренному значению прозрачности воды, может быть использован в санитарно-промышленных лабораториях на водозаборах.
Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, обеспечена комплексом применяемых современных методов теоретических исследований и их корреляцией с достаточным объемом натурных наблюдений, а также подтверждена актами о возможности внедрения результатов исследований ЗАО «Исток» и ОАО «Байкальские воды» при заборе глубинной питьевой воды. Личный вклад соискателя заключается:
в разработке математической модели оседания фитопланктона и в проведении теоретического анализа его пространственного распределения.
в статистической и корреляционной обработке результатов многолетних наблюдений и создание прогнозной модели влияния сезонной динамики фитопланктона на качество глубинных вод озера Байкал;
в предложении экспресс- метода определения качества воды, основанного на расчете зависимости биомассы фитопланктона от измеряемого значения прозрачности воды.
в обосновании рациональной схемы забора питьевой воды; Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-практических конференциях Читинского
технического университета (Чита 1993- 2002 г.г.), на научном семинаре Энергетического института при ЧГТУ (Чита 2001 г), а также на семинаре кафедры теоретической физики ИГУ (Иркутск 1999г).
Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 150 наименований и содержит 140 листов машинописного текста, 2 таблицы, 29 рисунков и 2 приложения.
Работа выполнена в Читинском государственном техническом университете и в институте геохимии СО РАН.
Автор выражает глубокую благодарность и признательность доктору физико-математических наук Куснеру Ю.С, кандидату биологических наук Верхозиной В.И., доктору биологических наук Поповской Г.И., доктору технических наук Заслоновскому В.Н., за руководство, поддержку и квалифицированные консультации при выполнении диссертационной работы.
Физико-химические и географические особенности озера Байкал
Озеро Байкал одно из древнейших озер мира, оно существует около 25 млн. лет, а расположено в центре Азиатского материка между 51 20 - 55 47 с.ш. и 103 44 -109 58 в.д. на высоте 455,6 м над уровнем Тихого океана (Галазий,1984). Протяженность озера 656 км, ширина в широкой части, против устья реки Баргузин - 79,4 км, в наиболее узком месте, против дельты реки Селенга - около 25 км, средняя ширина 47,8 км (Россолимо,1971). Пло-щадь водного зеркала Байкала при уровне воды 454 м равно 31471 км . Объем водной массы составляет 23 х10 км , что составляет 1/10 часть мирового запаса пресных вод (Галазий,1984; Россолимо,1971).
Байкал самое глубокое пресноводное озеро на земном шаре. По Г. Ю. Верещагину (Верещагин, 1947), максимальная глубина средней части - 1741 м. Глубина озера 1620 м намного превосходит глубину двух африканских озер - Танганьики (1435 м) и Ньяссы (706 м), а также величайшего озера земного шара - Каспия (945 м) (Лут,1978). Котловина озера расчленена на три впадины (южную, центральную и северную), отделенных друг от друга высокими подводными возвышенностями. Необходимо отметить, как особенность рельефа дна всех трех впадин Байкала их асимметричное строение, уклон дна вдоль западных берегов Байкала, как правило, значительно более пологи, чем вдоль восточных.. Байкал - глубочайшее горное озеро олиготрофного типа. Его месторасположение определяет континентальность климата прилегающей к нему суши. Горное обрамление Байкала прибрежными хребтами вносит существенный вклад в формирование гидрометеорологических особенностей котловины. Вследствие резкого различия между тепловым балансом окружающей суши в котловине Байкала формируется свой климат, отличающийся от климата соседних участков Восточной Сибири (Вотинцев, Поповская, 1974).
Главными источниками механической энергии Байкала являются ветер и горизонтальные градиенты атмосферного давления. Это подтверждается четко выраженной связью годового хода скорости течений и сезонным ходом скорости ветра. Динамические процессы играют определяющую роль в формировании качества воды Байкала. Являясь важнейшим механизмом обменных процессов между поверхностными и глубинными водами, они способствуют формированию переноса вещества и энергии в глубинной зоне озера.
Байкал относится к типу тех особо глубоких озер, которым соответствует меромиксия, т.е. частичное перемешивание вод. В таких озерах только верхний слой участвует в сезонных перемешиваниях. В Байкале глубина этого слоя соответствует пределу распространения весенних - осенних конвекции, т.е. глубине 250-300 м.
На рис. 1 показан годовой ход температуры на разных глубинах Байкала (Россолимо,1971). Видно, что с возрастанием глубины уменьшается годовая амплитуда колебания температуры, и запаздывает наступление годового максимума температуры. Это и есть основные черты сезонных изменений температуры в верхнем 250-300 метровом слое. В течение года в этом слое меняется характер температурного расслоения: летом при температуре выше 4 С наблюдается расслоение понижение температуры с глубиной, и зимой -обратное расслоение повышение температуры с глубиной. Весной и осенью, когда совершается переход от одного типа расслоения к другому, озеро проходит фазу весенней и осенней гомотермии.
Для Байкала характерны низкие среднегодовые температуры (на Южном Байкале среднегодовая температура равна 4,52 С). Сезонные изменения температуры громадной толщи вод в Байкале охватывают лишь верхний слой воды до глубин 200-250 м. Этот слой Г.Ю. Верещагин назвал альтернирующим (Верещагин, 1947). Ниже его температура воды практически постоянна круглый год, удерживаясь на уровне 3,6-3,3 С. В период летнего прогрева в открытых водах наблюдается хорошо выраженная слоистость в распределении температур с температурным скачком на разных глубинах в зависимости от степени прогрева поверхностных вод. Температурный скачок в течение лета продвигается вглубь. К осени распределение температуры становится равномерным. Во второй половине октября и в сентябре охлаждение захватывает все более глубокие слои, и в конце ноября наблюдается осенняя гомотермия на уровне 3,6-3,3 С. Южная часть Байкала обычно замерзает в конце января, северная - несколько ранее. Замерзание происходит в слое 0 - 250 м при средней температуре около 2-2.9 С колебанием 1,6-2,93 С, причем такая температура свойственна всему Байкалу и всем годам наблюдения (Лут,1978).
Вскрывается Байкал в южной части в начале мая, в северной - в конце мая начале июня, т.е. ледовый покров держится на Байкале четыре - пять месяцев. Мелководные районы оказывают благоприятное влияние на температурный режим глубоководных районов (Кожов, 1972).
Качество глубинных вод и особенности их водозабора
Байкал является мировым стратегическим запасом чистой питьевой воды. В этом древнем, глубоком озере мира сосредоточено около 23 триллионов кубометров абсолютно чистой, постоянно обновляющейся воды (Галлазий,1984). Этого количества воды хватило бы всему человечеству на 4 тысячи лет. Река Ангара ежедневно выносит из Байкала в 6-11 раз больше воды, чем нужно для питья все жителям планеты.
Миллионы лет глубинные и от части поверхностные воды озера Байкал сохраняют высокую прозрачность. Это происходит за счет существования некоторого механизма самоочищения и самосохранения байкальских вод. Имеется несколько точек зрения на то, что представляет собой эта система и как она работает. Самое распространенное объяснение, которого при придерживался академик, байкаловед Г.И. Галазий, биологическое (Галла-зий,1984). Оно заключается в следующем, что в процессе жизнедеятельности байкальских животных и растений поглощаются из воды вредные вещества. Они обезвреживаются в процессах обмена и после отмирания биоты увлекаются в донные осадки. Микроорганизмам принадлежит главная роль по поддержанию чистоты и стабильности байкальских вод (Максимов, Максимова, 1989). Этот процесс идет многие миллионы лет, и будет происходить до тех пор, пока экосистема озера будет сохранять свою жизнеспособность.
Другая точка зрения, которая не отвергает биологическую (Верболов и др., 1975), опирается на известные гидрофизические процессы, в частности, на интенсивный вертикальный водообмен, который приводит так же к высокому качеству воды.
Анализ состава диатомовых водорослей в осадках Байкала показал (Выхристюк,1980), что он остался неизменным, и антропогенная деятельность на побережье озера оказалась не столь значительной, чтобы оказывать заметное влияние на экосистему озера. Особенно высокой чистотой отличаются воды «ядра» Байкала - слой воды, находящейся ниже 300 м над поверхностью воды и выше 100 м над дном озера.
Известно, что запасы вод Байкала, используемых в хозяйственной деятельности, составляют свыше четверти объема пресных озерных вод всего земного шара и отмечаются к тому же очень высоким качеством.
Под качеством воды обычно понимается характеристики ее свойств и состава, определяющих пригодность для конкретных видов использования. Необходимо отметить, что на качество воды влияет общая численность бактерий (бактериопланктона), а так же содержание некоторых видов бактерий, в частности кишечной палочки. Если меняется концентрация и соотношение растворимых в воде минеральных и органических веществ, а также количество бактериопланктона, то изменяется качество воды. Определение харак тера этих изменений за некоторый промежуток времени и составляет сущность прогноза качества воды. Качество прогноза в большей мере зависит от планирования и организации сбора исходного материала. Концентрация каждого из элементов химического состава воды является варьирующей величиной, претерпевающей в водоеме изменения в пространстве и во времени вследствие протекания лимнологических процессов. Важно учитывать неоднородность процессов во времени и пространстве, принимать во внимание существенное свойство природных явлений - их дискретность. При этом необходимо иметь в виду пространственную неоднородность и временной (суточной, сезонной, годовой, вековой) изменчивости экосистемы. Следовательно, при контроле качества нельзя не учитывать масштабы изменчивости и естественную периодичность водной массы, поскольку не учет этого приводит к искажению и смещению оценок средних вариаций и невозможности интерпретировать базовый физический и биологический механизм (Hariris, 1987).
Химический состав байкальских вод сформирован, несомненно, в очень далеком прошлом и в наши дни отмечается большим постоянством. Сезонные, годовые или случайные изменения минерального состава его вод сравнительно незначительны. Это объясняется тем, что основной источник поступления в Байкал растворимых минеральных веществ - его притоки, которые по среднему составу веществ мало отличаются от вод Байкала. Кроме того, годовой сток вод в Байкале составляет всего лишь 1/500 его водной массы (Сутурин,1999). Характерная особенность байкальских вод - относительно высокое содержание щелочных металлов - натрия и калия, преимущественно первого. Сравнительно высокое содержание в них нитратов (солей азотной кислоты) и фосфатов (соединений фосфорной кислоты). Когда говорят о постоянстве состава байкальских вод, то имеют в виду основные минеральные компоненты: гидрокарбонаты, сульфаты, хлориды, магний, на трий, кальций и некоторые вещества, содержание которых не остается постоянным и заметно меняется по сезонам и на разных глубинах. Это силикаты, нитраты, фосфаты, растворенные газы - кислород и углекислота, органические вещества (Ветров,1981).
Турбулентное перемешивание глубинных вод и скорость вертикального водообмена
Водообмен играет важную роль во всех процессах происходящих в озере. Основными причинами вызывающие движение вод является ветер, градиенты атмосферного давления, проточность озера, неравномерность прогрева, сила Кориолиса. Существующая аппаратура не позволяет измерять скорость вертикального водообмена, а горизонтальная составляющая скорости фиксируется при 2 см/с (Верболов и др., 1975). На основе полуэмпирических теорий производились оценки вертикальных и горизонтальных турбулентных потоков в озере Байкал, которые описаны в работах (Ксенофонтов, Лозавицкий, 1991; Кротенко, Сухов, 1991; Верхозина,1984, Шерстян-кин,1995).
Как уже говорилось выше, на глубинах свыше 300 м наблюдается сезонная и межгодовая стабильность вертикального распределения температур, что подтверждается более чем регулярными полувековыми наблюдениями. На рис. 7 показано сравнение результатов Т (z) в совместной советско-американской экспедиции в июне 1988 г. (Weiss et. al., 1991), станция 19, а также измерений сделанных, Г.Ю. Верещагиным в июле 1934 г (Verescagin, 1937).
Условие глобальной устойчивости при адиабатическом перемешивании (энтропия устойчивого столба воды возрастает от дна к поверхности), согласно (Ландау, Лифшиц, 1988), имеет вид: где T - абсолютная температура , g- ускорение свободного падения, Ср - теплоемкость при постоянном давлении, V(P, Т, п) - удельный объем воды (уравнение состояния воды).
Вычисления критерия (2.1) с измеренными значениями градиента температур и вычисленные значения V(P, Т, п) согласно уравнению Чен - Мал-леро и для всего диапазона изменчивости соленостей (п = 10" и 10 %) вод Байкала показывают (Weiss et. al, 1991), что во все сезоны года на глубинах свыше 300 м конвекция является термодинамически невозможной.
Таким образом, конвективные неустойчивости могут возбуждаться только на глубинах 0-300 м, в некоторые сезоны года, особенно зимой подо льдом, эта область является «мотором», возбуждающим более глубоководное перемешивание. На глубине более 300 м во все сезоны года градиент температуры стабилен и мал для создания конвективных движений, поэтому вертикальное перемешивание вод обусловлено процессом турбулентной диффузии. Следовательно, для специфического распределения температур в глубоководной части Байкала можно пренебречь конвективным членом, тогда уравнение вертикального водообмена (1.4) примет вид:
Вертикальное распределение пассивной примеси на глубине z зависит от отношения (z/h), где h - максимальная глубина данного профиля.
На рис.8 из работы (Weiss et. al, 1991), показано вертикальное распределение кислорода и почти инертного газа, поступающего только из атмосферы, фреона Ф-12. Видно, что оба профиля имеют характерный вид с минимальной концентрацией на одной и той же отметке z/h = 0,8 уравнение (2.1) параболического типа, для которого справедлив принцип минимума - экстремальное значение функции могут быть достигнуты, только на границах или в начальный момент времени. Результаты измерений, приведенные на рис. 8, были получены во время международной экспедиции в июле месяце 1988 г. в самой глубокой точке Байкала. Вероятно, что за два месяца минимум концентрации кислорода и фреона, который наблюдался в мае месяце подо льдом, опустился на глубину около 1 км.
Согласно этим экспериментальным данным, можно вычислить скорость диффузионного опускания вод по формуле: 0,8ft 0,8« 1,6 105 1Л_2 v, =——— « —-т—»2,4 10 см/с (2.3), 1 /(0,8/г) 5,2 «106 v J и среднее значение скорости диссипации турбулентной энергии, согласно основной формуле теории однородной изотропной турбулентности (Ландау, Лифшиц, 1988): f, =-7 Ц»1,2.10-,0сл«2/с3 (2.4). х /(0,8й) Средняя скорость вертикального водообмена, согласно (Вербо-лов,1977) составляет 10"2 см/с, что согласуется с полученными нами значениями.
Временная зависимость решения уравнения диффузии (2.2) записывается в виде: С Лехр("/г), (2.5) где т - можно вычислить по формуле (1.5). Для средней глубины Байкала h = 730 м, значение т = t(730) = 2,2 х 106 с .
Таким образом, 43 % глубинных Байкальских вод обмениваются с поверхностными раз в месяц, 87 % - раз в полгода, 93 % - раз в год, а 99 % обновляются раз в 8 лет. Эти цифры хорошо объясняют наблюдаемые факты, описанные в работах (Weiss et. al.,1991; Verescagin,1937: Falkner et. al., 1991; Вотинцев, 1961; Вотинцев, Верхозина и др., 1994). По классификации озеро Байкал относится к демектическим (Hutchinson, 1957), т. е. к озерам, перемешивающимся два раза в год. Установленное в настоящей работе время вертикального водообмена глубинных вод Байкала, порядка одного года, подтверждается всей совокупностью данных наблюдаемых на Байкале (Вотинцев, 1965; Weiss et. al.,1991; Falkner et.al.,1991).
Гидродинамическое объяснение сезонной динамики фитопланктона
Как было сказано в главе 1, одной из ярких характеристик крупного фитопланктона Байкала, отличающей его от других озер, является характерная сезонная динамика развития фитопланктона - расцвет в весенний период подо льдом, почти полное отсутствие летом и, как правило, существенно более слабая вспышка осенью.
Качественно такое объяснение может выглядеть следующим образом. Весеннее цветение благоприятно подо льдом Байкала, когда конвективная неустойчивость, вызываемая в частности световым прогревом, интенсивно перемешивает фотическую зону и не дает планктону опускаться. В летний период, когда после прогрева вод пелагиали до температуры выше 4 С (температура максимальной плотности воды при атмосферном давлении) конвективная неустойчивость поверхностных вод исчезает. В это время года, как правило, уменьшается и ветровое перемешивание, и частицы планктона начинают оседать на большие глубины, уходя из фотической зоны. Виды фитопланктона более крупные и более тяжелые будут оседать быстрее. К началу осени возрастает ветровое перемешивание, что приводит при максимальном прогреве поверхностных вод к возбуждению конвективной неустойчивости, поэтому часть опускающихся частиц может быть снова поднята в фотическую зону путем турбулентной адвекции - диффузии. При этом преимущественно будут подняты более легкие, медленно опускавшиеся виды фитопланктона. Скорость опускания частиц фитопланктона можно определим из формулы Стокса и Архимеда. Предположим, что клетки планктона имеют форму цилиндра (г - радиус, 1 - длина клеток фитопланктона). где pwH ps - плотности воды и клеток планктона, соответственно, g - ускорение свободного падения, v - вязкость воды. Скорость оседания пропорциональна квадрату размера частицы фитопланктона и ее плотности. Когда разность плотностей (ps - pw) 0, то клетки планктона не оседают, максимум вертикального распределения для них весь сезон приурочен к фотической зоне.
Рассмотрим клетки диатомовых водорослей, для которых плотность ps 1. Примем, согласно (Hutchinson, 1957), среднее значение плотности кле-ток диатомовых 1,05 г/см , тогда скорость оседания составит: v, = 5х102г/ см/с (3.2)
На рис.24 графически представлена зависимость скорости оседания от размеров частиц фитопланктона. Формула (3.2) уже позволяет оценить максимальный размер клеток водорослей, которые в принципе могут опуститься и подняться за летний сезон. Принимая для оценок среднюю глубину Байкала h = 1км = 105 см, а длительность сезона - три месяца (28 х 106 с) получим оценку: п- концентрация частиц планктона на данной глубине z, Kz - коэффициент турбулентной диффузии. Если правая часть уравнения (3.4) может изменить знак, т.е. оказаться больше, чем член с оседанием, то концентрация на данной глубине будет увеличиваться со временем, а это означает подъем опускающихся частиц вследствие преобладания турбулентной диффузии над оседанием. Это условие: Kz/z vs (3.5) показывает, что если частицы не будут очень большими, то в принципе они могут вернуться. Считая Байкал демектическим озером (Hutchinson, 1957), время перемешивания его т = 0,5 года = 1,6 х 10 с, на ту же глубину h= 1км, получаем по определению верхнюю оценку коэффициента турбулентной диффузии (Ландау, Лифшиц, 1988): Kz = h2/4i = 1,5 х 102 см2 /с (3.6).
Верхняя численная оценка размера водорослей, которые могут вернуться в фотическую зону осенью, составляет: г1 3х10-6см2 (3.7) Теперь оценим минимальные размеры частиц, которые могут в принципе опуститься самостоятельно, независимо от вертикального перемещения водных масс. Это условие: -Г 2кТ (3-8) когда кинетическая энергия опускающихся частиц должна быть больше тепловой; в противном случае такие частицы будут двигаться как броуновские вместе с водными массами, т.е. их собственное опускание несущественно, и условие (3.5) для них будет выполняться автоматически. Считая такие частицы сферическими, получаем из (3.8) условие: г.. ,1-72 10«. (3.9).
Полученная оценка означает, что частицы существенно меньше, чем 10 мкм (сюда входят клетки самых мелких водорослей, пикофитопланктон, фотосинтезирующий бактериопланктон Байкала) имеют во все сезоны распределения с максимумом, приуроченным к фотической зоне. Этот вывод согласуется с натуральными наблюдениями (Поповская, 1977; 1979; 1987; 1992; Кожова,1982; Изместьева и др., 1992).
