ОЗЕРО
ОЗЕРО, водоем, окруженный сушей. По размерам озера варьируют от очень крупных, таких как Каспийское море и Великие озера в Северной Америке, до крошечных водоемов площадью несколько сотен квадратных метров и даже меньше. Вода в них может быть пресной, как в оз. Верхнем, или соленой, как в Мертвом море. Озера встречаются на любых высотах, от самой низкой на Земле абсолютной отметки на поверхности суши –408 м (Мертвое море) и почти до самой высокой (в Гималаях). Некоторые озера не замерзают круглый год, тогда как другие, например оз. Ванда в Антарктиде, бóльшую часть года скованы льдом. Многие озера существуют постоянно, а другие (например, оз. Эйр в Австралии) – лишь изредка заполняются водой. Несмотря на разнообразие, озера всех типов имеют ряд общих физических, химических и биологических характеристик и подчиняются многим общим законам. Поэтому изучением озер во всем их многообразии и во всех аспектах занимается одна научная дисциплина – озероведение, или лимнология (от греч. límn° – озеро, пруд и lógos – слово, учение).
Вероятно, наилучший путь к пониманию природы озер заключается в том, чтобы рассматривать их не только как формы рельефа, но и как водные экосистемы, в которых взаимодействие всех компонентов приводит к установлению наблюдаемых условий и где изменение одной характеристики вызывает более или менее значительные изменения во всех прочих компонентах экосистемы. В этом смысле озера подобны океанам, однако между ними существуют и различия: озера меньше по размерам и более уязвимы к внешним воздействиям, включая естественные климатические изменения. Возраст является одним из существенных различий между озерами и океанами. Лишь немногие из ныне существующих озер, такие как Танганьика или Байкал, имеют возраст в несколько миллионов лет. Большинство озер, вероятно, моложе 12 тыс. лет, а озера, созданные человеком – искусственные водохранилища, – насчитывают всего несколько десятков лет.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ ОЗЕРНЫХ КОТЛОВИН
Озера заполняют котловины, которые имеют разный генезис. Поскольку процессы формирования этих котловин часто зависят от местных условий, озера концентрируются в определенных районах, например в Озерном округе на северо-западе Англии, озерном районе в Австрии и обширном поясе озер, охватывающем штаты Миннесота, Висконсин и Мичиган. На формирование озерных котловин влияют тектоническая активность, вулканизм, оползни, ледниковые процессы, карст и суффозия, флювиальные процессы, эоловые процессы, береговые процессы, аккумуляция органогенных отложений, подпруживание водотоков человеком или бобрами и падение метеоритов.
Древнейшие и самые глубокие из ныне существующих озер возникли под влиянием тектонической активности, однако большинство озер образовалось благодаря ледниковым процессам. Тем не менее роль других перечисленных факторов тоже немаловажна.
Тектоническая активность.
Тектонические впадины возникают в результате движений земной коры, и многие озерные бассейны тектонического происхождения занимают большую площадь и имеют древний возраст. Как правило, они очень глубокие. Тектонические процессы проявляются по-разному. Например, Каспийское море приурочено к прогибу на дне древнего моря Тетис. В неогене произошло поднятие, в результате которого обособилась Каспийская впадина. Ее воды постепенно опреснялись под воздействием атмосферных осадков и речного стока. Котловина оз. Виктория в Восточной Африке образовалась в результате сводового поднятия окружающей суши. Большое Соленое озеро в штате Юта тоже возникло благодаря тектоническому поднятию территории, через которую прежде осуществлялся сток из озера. Тектоническая активность часто приводит к образованию разломов (трещин в земной коре), которые могут превратиться в озерные котловины, если в этом районе затем произойдет взброс или если опустится блок, заключенный между разломами. В последнем случае говорят, что озерная котловина приурочена к грабену. Такое происхождение имеют несколько озер в пределах Восточно-Африканской рифтовой системы. Среди них – оз. Танганьика, образовавшееся ок. 17 млн. лет и отличающееся очень большой глубиной (1470 м). На продолжении этой системы к северу находятся Мертвое море и Тивериадское озеро. Оба они очень древние. Максимальная глубина Тивериадского озера в настоящее время составляет всего 46 м. К грабенам приурочены также озера Тахо на границе штатов Калифорния и Невада в США, Бива (источник пресноводного жемчуга) в Японии и Байкал, вмещающий крупнейшую в мире массу пресной воды (23 тыс. км3), в Сибири.
Вулканическая деятельность
приводит к образованию разнообразных озерных котловин – от небольших кратеров округлой формы с низкими бортами (мааров) до крупных глубоких кальдер, формирующихся при излиянии магмы через боковой кратер, расположенный вблизи вершины вулкана, что приводит к обрушению вулканического конуса. Наглядным примером кальдерного озера является оз. Крейтер в Орегоне, образовавшееся при извержении вулкана Мазама ок. 6000 лет назад. Это живописное озеро почти округлой формы имеет глубину 608 м (седьмое в мире по глубине). Посреди озера расположен остров Уизард, возникший в результате более позднего извержения. Озера подобного типа встречаются в Японии и на Филиппинах. В вулканических районах озерные котловины могут также формироваться, когда горячая лава вытекает из-под более холодного поверхностного лавового горизонта, что способствует проседанию последнего (так образовалось оз. Йеллоустон), или в случае подпруживания рек и ручьев лавой или грязевым лавовым потоком при извержении вулканов. Именно так возникли котловины многих озер в Японии и Новой Зеландии.
Оползни,
подпруживая водные потоки, способствуют образованию озер. Однако если запруда разрушится или вода перельется через нее, эти озера вскоре исчезают. Например, в 1841 р.Инд на территории современного Пакистана была подпружена оползнем, возникшим в результате землетрясения, а через шесть месяцев «плотина» рухнула, и озеро длиной 64 км и глубиной 300 м было спущено за 24 часа. Озеро такого типа может оставаться стабильным, только если избыток воды отводится через устойчивые к эрозии твердые породы. Так, например, Сарезское озеро, образовавшееся на Восточном Памире в 1911, существует до сих пор и имеет глубину 500 м (десятое место по глубине среди озер мира).
Ледниковая деятельность
является наиболее эффективным фактором создания озерных котловин. Покровные ледники мощностью несколько километров, покрывавшие в геологически недавнее время бóльшую часть Северной Америки и значительную часть Северной Европы, разными способами формировали озерные котловины, и большинство озер в этих районах имеет ледниковое происхождение. Например, много озер приурочено к котловинам выпахивания, которые образовались при движении ледников по разнородной поверхности. При этом ледники сносили рыхлые отложения. Тысячи озер, заполнивших такие котловины, встречаются на территории северной Канады, Норвегии и Финляндии, где занимают значительные площади.
Каровые озера расположены на склонах гор в верховьях трогов. Для них характерны котловины, по форме напоминающие амфитеатры. В образовании лож таких озер принимают участие и процессы морозного выветривания.
Фьордовые озера имеют вытянутую форму, крутые берега и U-образный поперечный профиль. Они занимают понижения на дне речных долин, переработанные и переуглубленные крупными ледниками. Наглядные примеры озер такого типа – Лох-Несс в Шотландии и многие озера Норвегии. Отчасти ледниковыми процессами была сформирована группа озер, радиально расходящихся из одного центра в Озерном округе на северо-западе Англии. Сходное происхождение имеют и крупные озера северной Канады – Атабаска, Большое Медвежье и Большое Невольничье. Глубина последнего достигает 640 м. Даже котловины Великих озер, имеющие сложный генезис, испытали воздействие ледников.
Кроме того, озера образуются при подпруживании речных долин моренами. Наконец, во время отступания ледников под толщей отложений, вынесенных талыми ледниковыми водами за пределы ледника, оказались погребенными огромные глыбы мертвого льда. Многие из них растаяли только спустя сотни лет, когда улучшился климат, и на их месте возникли котловины, заполнившиеся водой. См. также ЛЕДНИКИ.
Карст и суффозия.
Карстовые озера образуются, когда такие растворимые минералы и горные породы, как известняк, гипс и каменная соль, выносятся водой, причем формируются либо котловины на поверхности, либо подземные пустоты, кровля которых затем проваливается. Эти озера не обязательно бывают мелкими: так, оз. Жирот во Французских Альпах имеет глубину 99 м при площади всего 57 га.
Флювиальные процессы.
В результате деятельности рек озера образуются несколькими способами: водобойные колодцы возникают у подножий водопадов; западины вырабатываются в скальном грунте текучими водами под воздействием процесса эворзии (когда высверливаются ямы за счет трения камней и другого абразивного материала о дно в водоворотах); преграждаются русла рек в ходе выноса речных наносов другими реками и их аккумуляции. Например, р.Миссисипи образовала оз. Сент-Крой около Сент-Пола (шт. Миннесота), подпрудив р.Сент-Крой, но затем сама была запружена ниже по течению наносами р.Чиппева, и в результате образовалось оз.Пепин. Наконец, в долинах с хорошо развитыми поймами, например, в долине р.Миссисипи в штатах Луизиана и Арканзас, в результате прорыва шеек меандров и русловых процессов отчленяются старичные озера, имеющие форму крупных извилин.
Эоловые процессы.
В котловинах эолового происхождения встречаются озера, подпруженные эоловыми песками или заключенные среди дюн. Различают также дефляционные озера, приуроченные к котловинам выдувания, которые распространены в аридных или семиаридных районах Техаса, Южной Африки и Австралии. Происхождение дефляционных озер, иногда называемых плайями, не до конца выяснено, но, возможно, они иногда формируются за счет совместного действия ветрового выдувания и раскапывания грунта животными, которые используют их для водопоя.
Береговые процессы.
При перемещении вдольберегового потока наносов морские бухты могут отчленяться песчаными барами и превратиться в озера. Если такой бар остается стабильным, образовавшееся соленое озеро затем опресняется.
Процессы аккумуляции органогенных отложений.
Озеро Окичоби во Флориде – одно из наиболее известных озер, образованных в результате таких процессов. Хотя его котловина возникла при поднятии впадины на дне моря, первоначально оз.Окичоби было подпружено густой водной растительностью и скоплением ее остатков.
Подпруживание водотоков человеком или бобрами.
Плотины, построенные бобрами, могут достигать больших размеров – длиной более 650 м, – но они недолговечны. Непреднамеренная деятельность человека привела к созданию тысяч озер на месте карьеров и горных выработок, и, кроме того, специально строились плотины. При сооружении крупных плотин в Африке, возникли огромные водохранилища, в том числе Насер на р.Нил, Вольта на р.Вольта и Кариба на р.Замбези. Некоторые плотины возводились с целью производства электроэнергии для выплавки алюминия на базе крупных местных залежей бокситов.
Воздействие метеоритов.
Вероятно, наиболее редкими и необычными озерными котловинами являются впадины, образованные в результате падения метеоритов. Достоверно выяснено, что одно из озер п-ова Унгава в пров. Квебек (Канада) приурочено к метеоритному кратеру Нуво-Квебек. Это округлое озеро расположено среди озер ледникового происхождения, имеющих неправильную форму.
ИСТОЧНИКИ ОЗЕРНЫХ ВОД
Чтобы называться озерной, котловина, образованная одним из описанных выше способов, безусловно, должна хотя бы эпизодически заполняться водой, которая может попадать в озеро различными путями. Во многие крупные озера в гумидных регионах значительная часть воды может поступать непосредственно от атмосферных осадков, выпадающих на поверхность озер. Например, питание оз. Виктория в Восточной Африке примерно на 75% атмосферное. Главным источником воды более мелких озер или озер более аридных районов обычно служит поверхностный сток рек и ручьев. Озера могут питаться грунтовыми водами, выходящими в подводной части озерной котловины. Многие озера, в частности ледникового происхождения, приурочены к котловинам, выработанным в толщах рыхлых водоносных отложений, и расположены ниже уровня грунтовых вод. В этом случае вода попадает в озеро или вытекает из него, просачиваясь через борта котловины. Существуют также ключевые озера, хотя бы частично получающие питание от подводных родников. Иногда из источников в озеро поступает огромное количество солей, захваченных при прохождении водотока через легкорастворимые породы (например, в Тивериадском озере).
Самые пресные воды характерны для озер, питающихся исключительно атмосферными осадками. Тем не менее соленость озер зависит также от того, каким образом вода покидает озеро. Содержание минеральных солей в проточных озерах обычно близко их концентрации в питающем потоке. Озера, в котловинах которых происходит фильтрация воды как в озеро, так и из него, обычно пресные. Однако некоторые озера имеют приток воды, но не имеют стока, и вода лишь испаряется с их поверхности, в результате чего в водоемах повышается концентрация растворимых солей.
В таких бессточных, или «закрытых», озерах (в противоположность «открытым») часто формируются высокоспециализированные сообщества растений и животных, например некоторых ракообразных или насекомых. Еще одним фактором, влияющим на соленость озер, является количество атмосферных осадков. Наконец, важное значение имеет характер горных пород, среди которых расположены озера. Так, озера в области Канадского щита в основном очень пресные, поскольку породы, по которым происходит сток воды, совершенно не растворимы.
Существенным аспектом водного баланса озер являются темпы водообмена. Эта характеристика определяется либо временем полной смены воды в озере (в годах), который выражается через отношение объема озера к годовому стоку воды из него, либо через обратную величину, называемую коэффициентом водообмена водоема. Время полной смены воды может быть очень коротким – одна неделя и менее, что соответствует коэффициенту водообмена 50 раз в год – у водохранилищ, расположенных на реках выше плотин, но может быть и длительным – до 500 лет, с годовым коэффициентом водообмена 0,002 (как у оз.Верхнего). Водоемы с более коротким циклом полной смены воды (и, соответственно, с высокими коэффициентами водообмена) быстрее очищаются от загрязняющих веществ и в целом имеют более низкие их концентрации.
ВЕЩЕСТВА, РАСТВОРЕННЫЕ В ОЗЕРНЫХ ВОДАХ
Вода является превосходным растворителем, и поэтому в озерных водах содержится много растворенных веществ. Примечательно, однако, что подавляющая масса этих веществ в большинстве озер представлена ограниченным числом соединений, а именно, положительно заряженными ионами (катионами) кальция, магния, натрия и калия и отрицательно заряженными ионами (анионами), состоящими из углерода и кислорода (бикарбонаты), серы и кислорода (сульфаты) и хлора (хлориды) (обе группы ионов перечислены в порядке убывания их содержания). Эти семь ионов составляют от 90 до 95% общего количества растворенных веществ в водах большинства озер, а их суммарная концентрация, обычно измеряющаяся в миллиграммах на литр (мг/л), характеризует соленость (минерализацию) воды. Другие вещества, например элементы питания растений (азот и фосфор) и металлы (железо и марганец), присутствуют в существенно меньших количествах, так что их концентрации измеряются в микрограммах на литр (мкг/л). В бессточных озерах испарение приводит к изменению состава солей. Озера называются хлоридными, сульфатными или карбонатными в зависимости от того, какие анионы накопились в них в наибольшем количестве под воздействием испарения или атмосферных осадков.
СТРАТИФИКАЦИЯ ОЗЕРНЫХ ВОД
В некоторых озерах, особенно в мелководных или подверженных воздействию сильных ветров, вообще отсутствует заметная стратификация воды. Это означает, что водные массы более или менее постоянно перемешиваются под действием ветра и довольно однородны по всем параметрам. Однако для большинства глубоких озер и тех, которые находятся в ветровой тени, характерна отчетливая стратификация водной толщи по физическим свойствам, в результате которого менее плотные воды располагаются над более плотными. Такая стратификация существенно отражается на химическом составе и биологии озер.
При взаимодействии солнечной энергии с водой последняя приобретает уникальное свойство: ее плотность достигает максимальной величины (1,0) при температуре ок. 4° С, постепенно уменьшаясь как при повышении, так и при понижении температуры. В озерах солнечный свет используется растениями для фотосинтеза, а животными – чтобы видеть под водой. Свет влияет также на вертикальные миграции некоторых организмов, но главный результат воздействия солнечной энергии – нагревание воды. Приток энергии от Солнца значителен. Приход солнечной энергии в течение одного летнего дня может достигать 500 кал на 1 см2 поверхности озера. Часть этой энергии отражается от зеркала озера, часть рассеивается водной поверхностью в пространство, а часть поглощается водой и превращается в тепловую энергию. Эта тепловая энергия частично излучается вновь в атмосферу или затрачивается на испарение.
Нагревается главным образом верхний слой воды толщиной несколько метров, поскольку радиация быстро поглощается по мере ее проникновения вглубь. Нагревание приводит к расширению воды в этом верхнем слое, отчего ее плотность уменьшается по сравнению с плотностью нижележащих холодных слоев. Нагретая вода скапливается поверх холодных и потому более плотных вод. Однако ранней весной, особенно в районах с умеренным климатом, температура воды в целом остается низкой, так что уменьшение плотности, обусловленное таким нагреванием, незначительно, и ветер перемешивает нагретую воду во всей ее толще. Позже, по мере возрастания прихода солнечной энергии, температура воды в озере в целом повышается, и снижение плотности на единицу приращения температуры становится больше, равно как увеличивается и объем нагретого приповерхностного слоя воды. В конечном счете ветер уже не способен перемешивать всю водную массу, и приход солнечной энергии сосредоточивается в нескольких верхних метрах воды.
В результате озерные воды оказываются разделенными на два горизонта: верхний, менее плотный, теплый – эпилимнион, и нижний, более плотный, холодный – гиполимнион. Промежуточный слой, в котором происходит быстрое понижение температуры с глубиной, называется металимнионом, или термоклином. Такая стратификация определяется скорее плотностью воды, чем ее температурой. Поскольку в тропических регионах, где температура воды в целом выше, изменения плотности намного больше (см. график), и разность температур между эпилимнионом и гиполимнионом может быть значительно меньше, чем в районах с умеренным климатом. В любом случае, если плотность воды в эпилимнионе и гиполимнионе различается на величину от 0,001 до 0,003, достигается заметная устойчивая стратификация. Столь небольшие различия позволяют озерным водам противостоять перемешиванию даже под воздействием сильных ветров.
В конце лета, когда дни становятся короче, а поступление солнечной радиации уменьшается, верхний слой воды остывает, становится плотнее и вскоре вместе с нижележащими водами подвергается ветровому перемешиванию, из-за чего мощность эпилимниона увеличивается. Этот процесс продолжается до тех пор, пока температура воды по всей глубине озера в результате перемешивания не сравняется с температурой гиполимниона или не станет близкой к ней.
В тропических районах, где температуры постоянно выше 0° С, такого рода циркуляция озерных вод может продолжаться на протяжении всей зимы. Однако там, где зимние температуры воздуха опускаются ниже 0° С, озерные воды продолжают остывать и перемешиваться до установления температуры 4° С. Если в дальнейшем поверхностные воды охлаждаются ниже этой температуры, соответствующей максимальной плотности воды, они вновь становятся легче и остаются на поверхности, создавая в озере стратификацию, которая не только зависит от плотности, но и связана обратной зависимостью с температурой. Сковывание льдом водной поверхности оказывает стабилизирующее воздействие, и такая стратификация сохраняется на протяжении всей зимы, пока весной вновь не произойдет полное перемешивание озерных вод. Таким образом, обычно в годовом цикле озер выделяются периоды летней и зимней стратификации и весеннего и осеннего перемешивания озерных вод.
В большинстве озер в зависимости от климатических особенностей региона стратификация устанавливается один или два раза в год или же вообще не устанавливается на более или менее заметный срок. Однако стратификация других озер сохраняется постоянно, обычно вследствие того, что плотность глубинных вод повышается не за счет температурных различий, а скорее из-за более высокой концентрации растворенных химических соединений. Такие озера, в отличие от периодически полностью перемешиваемых, называются частично перемешиваемыми, поскольку в нижнем слое перемешивание не происходит. Такой же слой может существовать в очень глубоких озерах, как, например, Танганьика, где сезонная динамика температур воздуха протекает столь быстро, что вода в озере не успевает полностью перемешаться.
Свойство озер накапливать тепло в течение лета и отдавать его зимой может оказывать существенное смягчающее воздействие на местный климат. Это особенно справедливо для крупных озер, таких как Великие. Например, оз. Мичиган ежегодно поглощает и затем отдает более 50 ккал тепла на 1 см2 своей поверхности.
ГИДРОДИНАМИКА ОЗЕР
Движение воды в озерах значительно отличается от высокоамплитудных приливо-отливных и мощных океанических течений. Только в таких крупнейших озерах, как Верхнее и Мичиган, существуют постоянные течения, но даже в них практически отсутствуют приливо-отливные колебания (их амплитуда в оз. Верхнем составляет лишь 3 см). Тем не менее под воздействием температурного градиента, впадающих водотоков и ветров в озерах совершается движение воды. Например, в конце лета, когда ночью с поверхности озер происходит отдача тепла в атмосферу, вода, охлаждаясь таким образом, становится тяжелее и опускается по направлению к гиполимниону, смешиваясь с его верхним слоем. Это один из основных механизмов разрастания эпилимниона в глубину, который приводит к полному перемешиванию воды осенью.
Когда в стратифицированное озеро впадает река, либо в поверхностном слое, либо на средних глубинах возникает стоковое течение. Поверхностные течения формируются, когда воды притока имеют меньшую плотность, чем воды самого озера, как, например, летом при впадении р.Иордан в Тивериадское озеро. Среднеглубинные течения образуются, если водоток устремляется вниз к слоям, соответствующим его собственной плотности. Если одновременно происходит сток воды сквозь плотину, такое течение может распространяться на большие расстояния и переносить воды со специфическими свойствами (например, с более высоким или более низким содержанием ила) через все водохранилище. Если плотность водотока выше плотности любого слоя озерной воды, он опустится на дно и образует придонное течение. При этом возможно даже формирование подводного русла, как, например, при впадении р.Роны в Женевское озеро.
Под влиянием ветра возникает несколько типов движений озерных вод. Один из них – вихревое ветровое течение (или циркуляция Лэнгмюра) – отчетливо выделяется на поверхности озер чередованием гладких и покрытых мелкой рябью полос. Когда дует ветер, вода перемещается по ветру и образует цилиндрические завихрения, оси которых параллельны как направлению ветра, так и поверхности озера. В одних вихрях движение происходит по часовой стрелке, а в других – против часовой стрелки. В результате формируются продольные (вытянутые по ветру) зоны конвергенции (встречного и нисходящего движения воды), чередующиеся с продольными же зонами дивергенции (восходящего и расходящегося движения воды). Зоны дивергенции находятся на некотором расстоянии одна от другой (например, от 5 до 15 м). Они легко распознаются как гладкие полосы, поскольку пузыри, пыль и другие плавающие предметы собираются вдоль зон конвергенции, где вода опускается, но скорость ее недостаточна для того, чтобы увлечь этот материал за собой.
Другой тип движения воды происходит, когда ветер постоянно дует над поверхностью озера. Поскольку вода перемещается по ветру, уровень воды в дальнем конце озера несколько поднимается, что приводит к формированию компенсационного течения – либо вдольберегового, если озеро мелкое, либо, в более глубоких озерах, противоположно направленного и проходящего на некоторой глубине от поверхности.
Однако, если ветер стихнет, в результате нагона воды к дальнему берегу компенсационное течение образуется на поверхности озера, и вода перемещается то в одну сторону, то в другую, пока эти колебания не затухнут. Такие поверхностные движения воды с переменным направлением называются поверхностными сейшами. На больших озерах их высота может превышать несколько метров. Сейши могут наносить огромный ущерб низменным прибрежным районам. К счастью, такие сейши затухают довольно быстро, и озера возвращаются в обычное состояние.
Если озеро очень глубокое или имеет четкую стратификацию, может возникнуть другой тип движения воды, называемый внутренними сейшами. Когда вода перемещается по ветру, ее уровень повышается приблизительно на 1 мм на каждый погонный километр. Если ветер устойчив, то равновесие водной массы нарушается. Как у нагонного, так и сгонного берегов озера теплые менее плотные водные массы располагаются над холодными и более плотными, но у нагонного берега слой воды больше на несколько миллиметров. Чтобы уравновесить избыток давления, создаваемого этим добавочным слоем воды, более плотные придонные воды перемещаются против ветра к противоположному берегу озера, а менее плотные поверхностные воды движутся по ветру. Это приводит к перекосу термоклина: с подветренной стороны озера он приподнимается. Однако, поскольку разница плотности поверхностных и придонных вод составляет часто всего ок. 0,001 средней плотности воды, изменение соотношения этих двух типов воды, необходимое для уравновешения сдвига, превосходит величину нагона примерно в 1000 раз. Поэтому перекос термоклина очень велик по сравнению с величиной нагона: на таких крупных озерах, как Байкал, он может достигать или превышать 150 м.
Когда ветер прекращается, поверхностные сейши быстро выравнивают уровень воды, однако озеро вновь оказывается в неравновесном состоянии из-за перекоса термоклина. В результате поверхностные и придонные воды продолжают свои колебания, причем термоклин, как маятник, меняет наклон то в одну, то в другую сторону, пока, наконец, это движение не затухнет, и озеро не придет в состояние внутреннего равновесия. Продолжительность таких колебаний определяется параметрами озерной котловины, но она значительно больше, чем период затухания поверхностных сейш, и, например, на оз.Байкал может достигать 30 дней. Примечательно, что в результате таких колебательных движений придонных вод происходит лишь незначительное вертикальное перемешивание, но при этом вода переносится на большие расстояния по горизонтали и может даже вступать в контакт с донными отложениями и изменять свои химические свойства. Кроме того, такие движения способствуют переносу загрязняющих веществ, сброшенных в верхнюю часть придонного слоя воды у одного берега озера, на многие километры в другое место, где, возможно, осуществляется водозабор для промышленных или бытовых нужд. При некоторых условиях внутренние сейши могут даже приводить к тому, что глубинные воды с очень низким содержанием растворенного кислорода достигают поверхности озера вблизи берега, где из-за этого происходит замор рыбы. Такое явление периодически наблюдается в Тивериадском озере с характерным 24-часовым периодом внутренних сейш, совпадающим с суточной периодичностью летних ветров.
ЖИЗНЬ ОЗЕР
В озерах обитает множество разнообразных живых организмов – от вирусов и бактерий до пресноводных тюленей и акул. Эти организмы не только подвержены воздействию физических и химических свойств среды обитания, но и сами оказывают влияние на нее, особенно в стратифицированных озерах. В озерах существуют три типа местообитаний: зона контакта атмосферы и воды, зона контакта донных отложений и воды и собственно водная толща. В каждой зоне встречается набор организмов, приспособленных к специфическим условиям данного типа местообитания.
Зона контакта атмосферы и воды.
Организмы, обитающие в этой зоне, носят собирательное название «нейстон» (от греч. neustós – плавающий). Хотя эти организмы и интересны сами по себе, группа в целом довольно малочисленна. Наиболее известными ее представителями являются клопы-водомерки, жуки-плавунцы и личинки комаров, которые висят, прикрепившись к поверхностной пленке воды.
Зона контакта донных отложений и воды.
Совокупность организмов, обитающих в этой зоне, называется бентосом (от греч. bénthos – глубина). Эта группа включает как растения, так и животных. Растения, обычно известные как водные, или макрофиты, обитают на мелководьях, где им доступен свет, и образуют определенную зональность. На дне вдоль кромки озера растут полупогруженные макрофиты, включающие осоки и рогоз. Далее от берега и несколько глубже укореняются такие макрофиты, как, например, кувшинки с длинными стеблями, увенчанными плавающими листьями, через которые поглощается углекислый газ из атмосферы. Еще дальше от берега, на большей глубине произрастают полностью погруженные в воду макрофиты (например, рдесты). В Северной Америке эта группа включает множество видов, в том числе рдест курчавый (Potamogeton scirpus), уруть (Myriophyllum exalbescens) и др. Большинство этих растений (хотя и не все) укореняется в донном грунте, откуда они извлекают питательные вещества. Величина площади озера, занятой такими растениями, зависит от ряда факторов: от того, какая доля площади озера мелководна, свойств донных отложений и особенностей волновой деятельности.
В то время как в некоторых озерах с крутыми подводными склонами (например, в Верхнем) макрофитов почти нет, во многих озерах меньших размеров или в больших, но мелководных (например, в оз.Нойзидлер-Зе на границе Австрии и Венгрии), дно может быть сплошь покрыто такими растениями. В тропических регионах распространены плавающие водные растения, например, эйххорния, или водяной гиацинт (Eichhornia), и пистия (Pistia), в умеренных широтах – крошечная ряска (Lemna). Эти растения, особенно более крупные, могут сильно разрастаться и образовывать на озерах и водохранилищах плотный сплошной покров.
Огромная площадь поверхности растений мелководий служит средой обитания для группы прикрепляющихся к ним организмов, называемой перифитоном (от греч. peri – вокруг, около и phytón – растение), в которую входят бактерии, простейшие и водоросли. Эти организмы делают подводные части растений скользкими на ощупь. Мелководные (литоральные) участки также дают приют разным животным организмам – брюхоногим и двустворчатым моллюскам, пиявкам, личинкам насекомых, которые обитают среди растений и камней, часто встречающихся в прибрежной зоне.
Глубже, за пределами литорали, макрофиты не растут. Здесь располагается сублиторальная зона, где дно постепенно опускается по направлению к глубокой части озера. В сублиторальной зоне обитают бактерии, простейшие и настоящие черви, а также похожие на них личинки разных видов насекомых. С глубиной условия обитания становятся менее благоприятными (особенно в стратифицированных озерах), и там встречаются лишь немногие приспособившиеся виды.
Водная толща.
Обитающие здесь организмы делятся на две группы: нектон и планктон, т.е. мелкие организмы, которые парят в воде и в целом не способны к движению против водотока. Оба термина имеют греческие корни: n°któs – плавающий и planktón – блуждающий.
Нектон.
По особенностям питания озерные рыбы делятся на несколько групп. Рыбоядные или хищные рыбы, которые часто относятся к непромысловым видам, питаются в основном более мелкой рыбой и мальками прочих видов рыб. Планктоноядные рыбы питаются планктоном, взвешенным в водной толще, и сами часто поедаются хищными рыбами. Выделяются рыбы, питающиеся водорослями, и растительноядные рыбы, такие как карп, питающиеся растениями мелководий. Бентосоядные рыбы поедают животных, обитающих на дне водоемов, и органические частицы, падающие на дно озера.
Планктон.
Термин «планктон», первоначально введенный для обозначения пассивно плавающих в верхней части толщи океанических вод организмов (растений и животных), применяется также для организмов, обитающих в озерах. Различают фитопланктон (растительные организмы) и зоопланктон (животные организмы). Все они микроскопические и имеют удельный вес, близкий удельному весу пресной воды, но если бы он был выше, планктон быстро опускался бы на дно.
Фитопланктон представлен микроскопическими водорослями, состоящими из отдельных клеток или их колоний (иногда погруженных в слизь) или нитчатыми водорослями. В пресных водоемах выделяются четыре функциональные группы фитопланктона, состоящие из представителей шести или семи отделов растительного царства. В хлоропластах (специфических внутриклеточных образованиях) зеленых водорослей содержится зеленый пигмент хлорофилл, не замаскированный другими пигментами. В диатомовых хлорофилл сопровождается другими пигментами, которые часто придают им золотисто-коричневый цвет. В синезеленых водорослях, которые многие биологи считают бактериями (цианобактериями), хлорофилл растворен в протоплазме клетки и замаскирован другими пигментами, из-за чего они имеют голубовато-зеленую окраску. Пигментированные жгутиковые, способные активно перемещаться, – группа мелких организмов, принадлежащих к разным отделам растительного царства.
Хотя все типы водорослей обычно присутствуют одновременно, преобладание тех или иных из них носит сезонный характер. Например, в районах умеренного климата диатомовые водоросли наиболее обильны весной, затем в конце весны их сменяют зеленые водоросли, летом – синезеленые, а осенью – вновь диатомовые. В тех же климатических условиях в озерах, богатых питательными веществами, синезеленые водоросли доминируют на протяжении большей части года, что часто происходит и в тропическом поясе. Жгутиковые, как и некоторые синезеленые водоросли, часто присутствуют зимой подо льдом. Причины последовательных смен типов водорослей на протяжении года и преобладания одних из них над другими различны. Существуют многочисленные противоречивые теории, объясняющие эти явления. В некоторых озерах одновременно может быть обнаружено до 200 видов водорослей при концентрациях, достигающих сотен тысяч клеток в 1 мл воды. Весенний максимум концентрации диатомовых часто называют весенним цветением водоемов, а осенний максимум, соответственно, осенним цветением. Важным свойством диатомовых является то, что они используют кремнезем (SiO2) для строительства вокруг клетки твердой оболочки, называемой панцирем. Поэтому диатомовые тяжелее других водорослей. У некоторых синезеленых водорослей плавучесть клеток регулируется при помощи газовых вакуолей.
Водоросли играют важную роль в озерах, поскольку они вместе с более крупными растениями составляют первое звено пищевой цепи водоемов. В процессе фотосинтеза они, используя солнечный свет, улавливаемый хлорофиллом и другими пигментами, извлекают из озерной воды примерно 18–20 элементов и используют их в построении нового клеточного вещества. При этом в поверхностном слое воды, где протекает фотосинтез, высвобождается растворенный кислород. Энергия, накопленная таким образом в первичной продукции, затем используется для жизнедеятельности других организмов, обитающих в озере.
Зоопланктоном обычно называются микроскопические животные или иные микроскопические организмы, не осуществляющие фотосинтез. Зоопланктон включает некоторые группы бактерий, а также простейших, коловраток и мельчайших ракообразных.
Хотя непатогенные (не вызывающие заболеваний) бактерии и не являются животными, их включают в состав зоопланктона. Они изобилуют в озерной воде, где их концентрация может превышать 100 млн. в 1 мл. Если бы не эти бактерии (многие из них разлагают органическое вещество на составные части), обмен веществ в озерах замедлился бы и в конце концов прекратился, поскольку все доступные минеральные вещества оказались бы связанными в органические соединения в живых или погибших организмах. Вместо этого бактерии превращают мертвое органическое вещество в свободные химические элементы и замыкают таким образом круговорот, снова делая эти элементы доступными для фотосинтеза и роста.
Простейшие – это микроскопические одноклеточные животные, иногда называемые неклеточными, например амебы и парамеции (ресничные инфузории). Они часто в изобилии встречаются в водах озер. Некоторые из них прикрепляются к более крупным организмам, другие свободно плавают в воде, питаясь бактериями или мельчайшими органическими остатками – детритом.
Более сложное строение, чем простейшие, имеют коловратки, названные так за венчик волосков, или ресничек, вокруг ротового отверстия. Эти реснички слаженно вибрируют таким образом, что создают впечатление вращающегося колеса. Коловратки – многоклеточные животные. Они питаются мелкими водорослями, бактериями и органическим детритом, а иногда – другими коловратками. В большинстве случаев их размножение половое, в нем участвуют как женские, так и мужские особи. Тем не менее во многих случаях происходит партеногенетическое размножение, в котором участвуют только самки. Самки откладывают яйца, несущие диплоидный набор хромосом, из которых развиваются также самки. Только в суровых условиях внешней среды самки откладывают яйца с гаплоидным набором хромосом. Некоторые из таких яиц затем развиваются (без оплодотворения), и из них вылупляются самцы, которые продуцируют гаплоидную сперму. Эти самцы оплодотворяют гаплоидные яйца, и образуются особые, т.н. покоящиеся (латентные) яйца, имеющие повышенную устойчивость в суровых условиях, например при высыхании. Когда условия среды вновь становятся благоприятными, из покоящихся яиц развиваются женские особи, размножающиеся партеногенетически.
Мельчайшие ракообразные представляют собой одну из наиболее заметных составляющих зоопланктона. Эти рачки очень малы – длиной 0,3–12 мм. В большинстве озер они являются главным связующим звеном между первичными продуцентами (водорослями) и последующими звеньями пищевой цепи (рыбами). Они настолько малы, что питаются лишь микроскопическими водорослями, но достаточно велики для того, чтобы стать пищей для рыб. Таким образом, обилие этих ракообразных контролируется двумя факторами: доступностью пищи и хищниками. Прежде всего поедаются более крупные, т.е. более заметные, рачки. Иначе говоря, хищничество носит избирательный характер. Существуют две группы озерных ракообразных: веслоногие и ветвистоусые.
Веслоногие ракообразные по виду напоминают креветок, так как у них четко выделяются голова, грудь и брюшко, оканчивающееся хвостом. Отдельные группы веслоногих различают главным образом по длине антеннул: у некоторых они очень короткие, у других – длина антеннул превосходит длину тела. Хотя некоторые веслоногие питаются нитчатыми водорослями, многие из них поедают более мелких животных. Размножение половое, причем на свет появляется примерно одинаковое число самцов и самок. Яйца переносятся в однокамерном или двухкамерном яйцеводе, расположенном у основания хвоста. Из яиц развиваются личинки, внешне совершенно не похожие на взрослых рачков. После шести линек они приобретают вид взрослых особей. Веслоногих рачков можно узнать по характерной скачкообразной манере плавания. К веслоногим относятся циклопы (Cyclops), у которых, как и у мифологического тезки, посреди «лба» имеется единственный глаз.
Тело ветвистоусых ракообразных заключено в полупрозрачный двустворчатый хитиновый карапакс (панцирь). Большинство ветвистоусых растительноядны. Они процеживают воду при помощи плавательных конечностей, снабженных перистыми щетинками, извлекая из нее мельчайшие частицы органического детрита, бактерии и особенно водоросли, хотя некоторые из ветвистоусых являются хищниками. Отфильтрованная пища по специальному желобку продвигается к ротовому отверстию и попадает в кишку, где происходит пищеварение. Яйца переносятся и развиваются в выводковой камере, находящейся на спине самки. Молодь покидает ее во время линьки. В основном ветвистоусые размножаются партеногенетически, откладывая диплоидные яйца, из которых вылупляются только самки. Однако в суровых условиях из этих яиц выводятся самцы и оплодотворяют гаплоидной спермой образующиеся гаплоидные яйца, превращая их в диплоидные «покоящиеся». Такие яйца откладываются попарно в интенсивно пигментированных защитных оболочках, которые сбрасываются при линьке и способны пережить неблагоприятные периоды, а когда условия улучшаются, из них выводятся самки, размножающиеся партеногенетически. Иногда под воздействием ветра вдоль кромки берега образуются массовые скопления таких оболочек.
В составе зоопланктона встречаются также и другие организмы, например мизиды (Mysis) – мелкие ракообразные, часто обитающее в нижних холодных богатых кислородом слоях воды глубоких озер, и прозрачная личинка комара, которая обычно живет на дне озер. Иногда встречаются даже пресноводные медузы диаметром до 38 мм.
ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОЗЕРАХ
Хотя химический состав озера важен для всех организмов, о чем свидетельствуют, например, специализированные виды растений и животных, обитающие в соленых озерах, именно растения, осуществляющие фотосинтез, сильнее всего влияют на химизм озерных вод. В процессе фотосинтеза солнечная энергия используется для превращения углекислоты и воды в углеводороды и кислород. При этом помимо диоксида углерода и воды в фотосинтезе участвуют еще 18–20 химических элементов, и уменьшение содержания любого из них ниже оптимальной потребности существенно замедляет процесс фотосинтеза. Эта т.н. гипотеза лимитирующей роли питательных элементов, выдвинутая в середине 19 в. Юстусом Либихом, до сих пор используется при характеристике водных экосистем. В пресных водоемах большинство питательных элементов присутствует в количествах, превышающих потребность в них, однако два из них – азот и фосфор – относительно редки. Именно эти элементы, порознь или совместно, лимитируют процесс фотосинтеза, или первичную продукцию. Более того, поскольку некоторые синезеленые водоросли способны связывать атмосферный азот, превращая его в аммоний и используя в процессе фотосинтеза, а фосфор не имеет такого источника, то последний становится наиболее важным лимитирующим элементом. В результате многие существенные характеристики озер, как, например, суммарный прирост первичной продукции или обилие водорослей, находятся в прямой зависимости от содержания фосфора в озерах. Поэтому озера классифицируют по этому показателю. Выделяются олиготрофные озера (с низким содержанием питательных веществ), мезотрофные (со средним содержанием) и эвтрофные озера (с высоким содержанием питательных веществ).
Эпилимнион почти всегда насыщен растворенным кислородом, образующимся здесь в процессе фотосинтеза, а также захваченным из пограничного слоя атмосферы при циркуляции воды. В то же время все прочие элементы, необходимые для фотосинтеза и роста, извлекаются из воды водорослями, и химизм вод эпилимниона подвергается соответствующим изменениям. Одновременно эпилимнион производит много органического детрита, состоящего из отмерших фрагментов водорослей, опускающегося в гиполимнион. Там растворенный кислород затрачивается на дыхание и разложение, и многие неорганические вещества возвращаются в воду. Таким образом, в стратифицированном озере первоначально однородная водная масса подразделяется на два четко различающихся слоя: верхний, более теплый, с дефицитом доступных питательных элементов, и нижний, более холодный, с более высокой концентрацией питательных элементов. В условиях умеренного климата это разделение имеет место и зимой и летом, хотя зимой оно менее выражено, поскольку подо льдом из-за меньшего доступа света значительно снижается уровень первичной продукции вод. В нестратифицированных озерах сезонные изменения происходят во всей водной толще.
Во многих озерах, богатых питательными элементами, фотосинтез протекает настолько интенсивно, что растворенный кислород оказывается полностью израсходованным непосредственно у поверхности донных отложений. В этом случае наблюдаются еще более значительные изменения химического состава воды. На поверхности раздела донных осадков и воды содержащие кислород нерастворимые соединения железа теряют кислород и становятся растворимыми, в результате чего большое количество железа, марганца, фосфора и азота поступает в воду. Этот процесс называется внутренней эвтрофикацией, так как в некоторых озерах в результате ветрового перемешивания или влияния внутренних сейш высвободившиеся из осадков питательные элементы попадают в верхний слой воды, повышая таким образом трофический уровень озера. В районах умеренного климата в период весеннего и осеннего перемешивания вод поверхностный слой осадков вновь поглощает кислород, все различия в химическом составе воды по глубине исчезают, и водная масса вновь становится химически однородной.
ОЗЕРНЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ
Озерные отложения, которые играют важную роль в химизме озер, большей частью образуются в самих озерах. Обычно они состоят из полуразложившихся остатков водорослей, зоопланктона и более крупных организмов и в озерах, сформировавшихся примерно 10 тыс. лет назад, могут достигать большой мощности (ок. 20 м). Изучение колонок озерных отложений показывает, что концентрация бактерий в них очень велика, особенно на контакте донных осадков и воды. Такая же закономерность прослеживается и в концентрации разных химических веществ, например фосфора и аммония. Поскольку озерные отложения обычно холодные и бедны кислородом, в них прекрасно сохраняются свидетельства состояния озера в прошлом, что находит отражение либо в составе и количестве специфических пигментов водорослей, либо в составе поддающихся определению остатков наиболее устойчивых к разложению частей организмов.
Для определения возраста отдельных слоев озерных отложений были разработаны различные методы. Среди них – методы, основанные на использовании естественных радиоактивных изотопов свинца 210Pb и углерода 14С; корреляция маркирующих горизонтов в осадках, например пеплов, с историческими данными об извержениях близлежащих вулканов. Изучение отложений позволяет воссоздать детальную картину смены обстановок в данном озере. Кроме того, поскольку озерные осадки накапливают информацию о природных обстановках всего водосборного бассейна, в них запечатлены и климатические изменения прошлого. Например, изучение состава пыльцы растений в колонке озерных отложений позволяет установить, какие наземные растения были распространены на определенных этапах геологической истории, а учет современных экологических требований этих видов растений – определить, какими были в то время температуры и влажность.
ПРОБЛЕМЫ СОСТОЯНИЯ ОЗЕР
Озера являются экосистемами, в которых все компоненты взаимосвязаны. При отсутствии внешних воздействий озера достигают некоторого состояния равновесия с окружающей средой, что со временем приводит к более или менее стабильному положению, когда организмы, обитающие в озерах, приспосабливаются к существующим условиям.
Однако озера редко пребывают в равновесном состоянии. Напротив, они часто используются как источники воды для орошения, питьевой воды, для сельскохозяйственных нужд или же для сброса таких продуктов современной цивилизации, как сточные воды предприятий, ливневые и сельскохозяйственные стоки. Озера загрязняются все возрастающим количеством пестицидов, гербицидов и попадающих в воду из воздуха органических соединений, таких, как полихлорированные бифенилы, а также кислотными дождями, образующимися в результате выбросов загрязняющих веществ двигателями автомобилей и тепловыми электростанциями. В них проникают чуждые им виды растений и животных, заносимые рыбаками на днищах судов и иными случайными способами. Угрожающие размеры принимает эвтрофикация, или избыточное обогащение озер питательными веществами из антропогенных источников, которое наносит значительный экологический ущерб. В некоторых случаях большие, имеющие хозяйственное значение озера находятся даже под угрозой полного исчезновения. Так, например, объем воды в Аральском море (крупном соленом озере) сократился в настоящее время вдвое вследствие разбора на орошение вод впадающих в него Амударьи и Сырдарьи. В результате его соленость возросла почти в три раза (с 9,6–10,3‰ до 27–30‰). Обнажившиеся участки морского дна развеваются пыльными бурями, что приводит к выносу солей и пестицидов и осаждению их в пределах близлежащих заселенных территорий.
Загрязнение озер – очень серьезная проблема. Например, чтобы снизить эвтрофикацию водоемов, во многих странах приняты законы по ограничению концентрации фосфора в водах, прошедших через очистные станции и которые могут попасть в озера. Сформировалась целая наука о восстановлении озер, базирующаяся главным образом на эмпирических соотношениях, связывающих такие показатели, как обилие водорослей и прозрачность воды, с концентрациями фосфора в озерных водах. В некоторых регионах регулируется забор воды из озер. Тщательно изучается применение пестицидов.
|
КРУПНЕЙШИЕ ОЗЕРА МИРА |
|
|
Площадь, тыс. км2 |
|
| Каспийское море (Азия – Европа), соленое |
371,0*
|
| Верхнее (США – Канада) |
82,1
|
| Виктория (Кения, Танзания, Уганда) |
69,4
|
| Гурон (США – Канада) |
59,6
|
| Мичиган (США) |
57,8
|
| Аральское море (Казахстан – Узбекистан), соленое |
36,5*
|
| Танганьика (ДРК, Бурунди, Танзания, Замбия) |
32,9
|
| Байкал (Россия) |
31,5
|
| Большое Медвежье (Канада) |
31,3
|
| Ньяса (Малави, Танзания, Мозамбик) |
29,0
|
| Большое Невольничье (Канада) |
28,5
|
| Эри (США – Канада) |
25,6
|
| Виннипег (Канада) |
24,3
|
| Балхаш (Казахстан), соленое |
22,0*
|
| Онтарио (США – Канада) |
19,7
|
| Ладожское (Россия) |
17,7
|
| Чад (Нигер, Чад, Камерун, Нигерия), солоноватое |
16,3*
|
| Маракайбо (Венесуэлла) |
13,5
|
| Онежское (Россия) |
9,7
|
| Эйр (Австралия), соленое |
9,3*
|
| Вольта (Гана) |
8,5
|
| Титикака (Перу – Боливия) |
8,3
|
| Никарагуа (Никарагуа) |
8,0
|
| Атабаска (Канада) |
8,0
|
| Оленье (Канада) |
6,7
|
| Рудольф (Кения – Эфиопия), соленое |
6,5
|
| Иссык-Куль (Киргизия), солоноватое |
6,2
|
| Кокунор (Цинхай) (Китай), соленое |
5,7*
|
| Торренс (Австралия), соленое |
5,7*
|
| Венерн (Швеция) |
5,7
|
| Альберт (ДРК – Уганда) |
5,6
|
| Неттиллинг (Канада) |
5,4
|
| Виннипегосис (Канада) |
5,39
|
| Кариба (Замбия – Зимбабве) |
5,31
|
| Нипигон (Канада) |
4,9
|
| Гэрднер (Австралия), соленое |
4,77*
|
| Урмия (Иран), соленое |
4,69
|
| Манитоба (Канада) |
4,66
|
| Лесное (США – Канада) |
4,47
|
| * Площадь непостоянна. | |
Богословский Б.Б. Озероведение. М., 1960
Муравейский С.Д. Реки и озера. М., 1960
Ответь на вопросы викторины «Государственные флаги»