О Байкале

Гидрофизические характеристики

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 4oC (для поверхностной байкальской воды при минерализации 96,5 мг/л ТМП = 3,9646oC), замерзающая вода легче более теплых (до 4oC) 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 10–15oC (более 5 миллионов лет назад) до ≤4oC (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, один из первых, царский посол Н. Спафарий, проезжавший из Москвы в Пекин в 1675 г., 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, ее сезонные изменения в разных районах озера по В.Б. Шостаковичу и другим авторам показаны на рис. 2.4. 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 вдоль фронтовому 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 вдоль береговых прибрежных течений из-за горизонтального и вертикального сдвига течений и уплотнения озерных вод присмешении 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 км2 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 км3 воды и столько же в подъеме, а в полном водообмене – 88 км3. Объем рассматриваемой поперечной полосы при треугольном профиле и максимальной глубине 1,4 км равен 21 км3. 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 – 0,05T2 + 0,01539Z, где C – в м/сек, температура Т – в оС 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 (ϕ = 54о 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 (≅0). 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 4оС и включает периоды летнего прогрева и осеннего охлаждения. Обратная стратификация – при температурах ниже 4оС 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 4оС, 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 4оС 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 4оС C монотонно возрастает с глубиной, минимальное значение V при 0оС 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 минимум скорости звука Vмин при температурах поверхности воды выше 4оС (июль–октябрь). При этом, если температура поверхности воды выше 5оС, 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 4оС (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 Cср. 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 информации:  Байкал: природа и люди : энциклопедический справочник / Байкальский институт природопользования СО РАН ; [отв. ред. чл.-корр. А. К. Тулохонов] – Улан-Удэ : ЭКОС : Издательство БНЦ СО РАН, 2009. – 608 с.: цв. ил.