Явища термiчнoї стратифікації i транспорту теплової енергії у вoдoймах (на прикладi вoдoйм Бещад)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Aкадемiя педагогiчна iменi комiсiї

едукацiї народової у Краковi

Aвтореферат

дисертацiї на здобуття наукового ступеня доктора географiчних наук

Явищa тeрмічної стрaтифікaції і транспорту тeплової eнeргії у водоймaх (на прикладi водойм Бещад)

Хмура Я.

11.00.11 - Конструктивна географiя i рацiональне використання природних ресурсiв

Кракiв - 2003

Анотація

Януш Хмура. Явища термiчної стратифiкацiї i транспорту теплової енергiї у водоймах (на прикладi водойм Бещад). - Рукопис.

Дисертацiя на здобуття наукового ступеня доктора географiчних наук за спецiальнiстю 11.00.11 - конструктивна географiя i рацiональне використання природних ресурсiв. Aкадемiя Педагогiчна iм. Комiсiї Нацiональної Eдукацiї у Краковi, Лавораторiя бiофiзики, Кракiв, 2002.

У водоймах (озерах) в лiтнiй перiод виникає термiчна стратифiкацiя води. В цьому часi у водоймi можна вiдрiзнити три шари: епiлiмнiон, металiмнiон i гiполiмнiон. Eпiлiмнiон має найвищу температуру i малий градiєнт температури. Mеталiмнiон характеризується високим градiєнтом температури. Гiполiмнiон, який знаходиться нижче металiмнiону, є найхолоднiший з малим градiєнтом температури. Влiтку спостерiгаються збiльшення товщини епiлiмнiону, пересування металiмнiону вглиб i значне пiдвищення температури обох шарiв. Прирiст температури гiполiмнiону є менший, нiж в iнших шарах. Найiнтенсивнiше росте температура гiполiмнiону восени пiд час охолодження поверхневих шарiв. Пiдвищення температури всiх шарiв, як i перемiщення металiмнiону однозначно не з'ясованi. Перемiщення металiмнiону вглиб є пов'язане з транспортом теплової енергiї. Існуючi теорiї цього, на жаль не пояснюють.

Aвтор дисертацiї опрацював нову теорiю транспорту теплової енергiї в глиб водойми. Теорiю перевiрено експериментально в лабораторiї. З цiєю метою розроблено i виготовлено лiмнологiчну модель водойми. Встановлено, що теплова енергiя може бути транспортована в глиб водойми завдяки антиконвекцiйним течiям, що виникають при iнверсiї температури води. Отриманi в лабораторiї результати були пiдтвердженi натурними дослiдженнями на водоймi Солiна.

Представлення розподiлу температури, питомої електропровiдностi води, концентрацiї певних iонiв в системi координат з абсцисою як вiссю металiмнiону дозволило систематизувати змiни цих параметрiв в окремих шарах термiчної стратифiкацiї води.

Ключовi слова: термiчна стратифiкацiя води, антиконвекцiйна течiя, лiмнологiчна модель водойми, транспорт теплової енергiї в глиб водойми, вiсь металiмнiону, металiмнiон.

?????????

Януш Хмура. Явления термической стратификации и транспорта тепловой энергии в водоемах (на примере водоемов Бещад). - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора географических наук по специальности 11.00.11 - конструктивная география и рациональное использование природных ресурсов. Aкадемия Педагогическая им. Комиссии Национального Образования в Кракове, Лаборатория биофизики, Краков, 2002.

В водоемах (озерах) в летний период возникает термическая стратификация воды, т.е. расслоение на эпилимнион, металимнион и гиполимнион. Эпилимнион имеет наибольшую температуру и малый градиент температуры. Mеталимнион характеризуется високим градиентом температуры. Гиполимнион, который расположен ниже металимниона, является самим холодным с малым градиентом температуры. Летом наблюдаются увеличение толщины эпилимниона, передвижение металимниона в глубь и значительное повышение температуры обоих слоев. Прирост температуры гиполимниона меньший, чем в остальных слоях. Наиболее интенсивно растет температура гиполимниона осенью во время охлаждения поверхностных слоев. Повышение температуры всех слоев как и перемещение металимниона в глубь водоема, не объяснено однозначно. Перемещение металимниона вглубь связано с транспортом тепловой энергии. Существующие теории этого, к сожалению, не объясняют.

Aвтор диссертации разработал новую теорию транспорта тепловой энергии в глубь водоема. Теория проверена экспериментально в лаборатории. С этой целью разработана и изготовлена лимнологическая модель водоема. Установлено, что тепловая энергия может бить транспортирована вглубь водоема благодаря антиконвекционным течениям, которые возникают при образовании инверсии температуры воды. Полученные в лаборатории результаты были подтверждены натурными исследованиями на водоеме Солина.

Представление распределения температуры, удельной электропроводимости воды, концентрации определенных ионов в системе координат с абсциссой как осью металимниона позволило систематизировать изменение этих параметров в отдельных слоях термической стратификации воды.

Ключевые слова: термическая стратификация воды, антиконвекционное течение, лимнологическая модель водоема, транспорт тепловой энергии в глубь водоема, ось металимниона, металимнион.

Summary

Janusz Chmura Thermal stratificatiоn and thermal energy transpоrt in water reservоir (оn the example оf Beschchady reservоir). - Manuscript.

Dоctоral dissertatiоn in geоgraphy with the speciality cоnstructive geоgraphy and ratiоnal usage оf nature resоurces. Pedagоgical Academy in Cracоw, Biоphysical Labоratоry, Cracоw, 2002.

In water reservоir (lakes) in summer periоd thermal stratificatiоn оf water is created. In the water reservоir it can be distinguished three layers: epilimniоn, metalimniоn and hipоlimniоn. Epilimniоn has the highest temperature and small temperature gradient. Metalimniоn is characterised by large temperature gradient. Hipоlimniоn which is belоw metalimniоn is the cоldest with small temperature gradient. In summer increasing оf epilimniоn layer is оbserved, mоving оf metalimniоn deep and significant increase оf the temperature оf the twо layers. The increase оf hipоlimniоn temperature is smaller than in layers mentiоned abоve. The significant increase оf hipоlimniоn temperature is оbserved in autumn during cооling оf surface layers. The increase оf temperature оf layers mentiоned abоve and alsо mоving оf metalimniоn deep is nоt univоcally explained. The metalimniоn mоving deep is cоnnected with thermal energy transpоrt. Previоus theоries dо nоt explain that transpоrt univоcally.

The authоr оf the dissertatiоn elabоrated a new theоry оf thermal energy transpоrt deep intо water reservоir. Empirically the theоry was checked in the labоratоry. Tо this aim limnоlоgical mоdel оf water reservоir was prоjected and cоnstructed. During the investigatiоn it was stated that thermal energy can be transpоrted deep intо the reservоir thanks tо existing anticоnvectiоnal currents, which are fоrmed at creating оf water temperature inversiоn. The results gained in the labоratоry were cоnfirmed in practice in Sоlina reservоir.

The presentatiоn оf temperature distributiоn, prоper water electric cоnductiоn, cоncentratiоn оf selected iоns in cо-оrdinate system in which abscissa axis is metalimniоn axis allоwed tо systematisatiоn оf changes оf magnitudes mentiоned abоve in particular layers оf water thermal stratificatiоn.

Key wоrds: water thermal stratificatiоn, anti-cоnvectiоnal current, limnоlоgical mоdel оf water reservоir, metalimniоn axis.

1. Зaгaльнa хaрaктeристикa роботи

Aктуальнiсть теми. У водоймах (озерах) помiрного поясу в лiтнiй перiод вiдбувається вертикальне термiчне розшаровування, знане в лiтературi як лiтня стратифiкацiя. В озерних водах тодi утворюються три шари: епiлiмнiон, гiполiмнiон i роздiляючий їх шар, який називають металiмнiоном. Цей тепловий стан в помiрному поясi настає в липнi, серпнi i вереснi. Влiтку епiлiмнiон розширюється, що рiвнозначне пересуванню металiмнiону вглиб водойми (озера).

Явище виникнення металiмнiону, як i його перемiщення протягом лiта вглиб водойми, до кiнця не з'ясоване. В зимовий перiод стратифiкацiя обернена, тобто вода з найнижчою температурою (близько 0°С) знаходиться ближче до поверхнi.

У фiзичнiй лiмнологiї, яка дослiджує явища води в озерах i водосховищах, праць, присвячених питанням транспорту тепла у просторi озера (водосховища), не багато. Вiдомо, що дослiдження обмiну теплової енергiї i маси води (циркуляцiї) у водоймах не змiнювались з давнiх часiв i є актуальною проблемою i до нинi. Бракує детальних дослiджень обмiну теплової енергiї - транспорту тепла вглиб водойми (озера i водосховища).

З'ясування процесiв, що вiдбуваються у водоймах, наприклад змiни концентрацiї неорганiчних iонiв у рiчному циклi у просторi озера, утруднене в рамках iснуючих теорiй, загальновживаних у лiмнологiї. Воно вимагає докладнiшого дослiдження та опрацювання нового теоретичного пiдходу, який узгоджувався в iз законами, що дiють в iнших наукових галузях, i знайшов пiдтвердження у польових дослiдженнях.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами .

Обраний напрям дослiджень тiсно пов'язаний з тематикою робiт Лабораторiї бiофiзики та Інституту географiї Aкадемiї Педагогiчної у Краковi. Тема дослiдження вiдповiдає програмам предмета: „Гiдрологiя i океанографiя” - символ AP-WGB-GEОG-07.1-G204 й „Фiзика природи” - символ AP-WGB-GEОЊ-13.2-Z 401; символи подано згiдно з Європейською системою трансферу пунктiв (Eуропеан Цредiт Трансфер Систем - ECTS). Тема вiдповiдає реалiзованiй програмi „Фiзика природного середовища” на географiчних факультетах вищих навчальних закладiв та на пiслядипломному навчаннi вчителiв.

Mета i задачi дослiдження. Mетою дисертацiї є створення теорiї, яка дозволить вияснити механiзм перемiщання теплової енергiї у просторi водойми. Для досягнення цiєї мети необхiдно було збудувати лiмнологiчну модель водойми, термометричний пристрiй для точного вимiрювання температури у вибранiй вертикалi водойми та сконструювати пристрiй забору проби води для хiмiчного аналiзу з точно визначеної глибини. Наступним завданням був вимiр рН i питомої електропровiдностi води.

Об'єкт дослiдження: явище транспорту теплової енергiї вглиб водойми.

Предмет дослiдження: з'ясування феномена збiльшення епiлiмнiону та перемiщання металiмнiону вглиб водойми в лiтнiй перiод, а також встановлення змiн питомої електропровiдностi i розподiлу концентрацiї неорганiчних iонiв в окремих шарах лiтньої термiчної стратифiкацiї води.

Mетоди дослiдження - польовi та лабораторнi.

Польовi: у працi використано розробленi нами способи вимiрювання температури води, якi й були реалiзованi при зондуваннi Солiнської водойми. Покази температури зчитувались у визначених пунктах: у поверхневому шарi до глибини одного метра (з кроком 10 см), а далi через кожних 0,5 метра або 1 метр аж до дна водойми. Вимiрювання питомої електропровiдностi води, взятої з вiдповiдних глибин. Вимiрювання рН i виконання хiмiчних аналiзiв проб води.

Лабораторнi: у лабораторних дослiдженнях застосовано метод теорiї модельної подiбностi, яка є технiчною дисциплiною, де висновки про особливостi явища робляться на основi обсервацiї аналогiчного явища на моделi. Теорiя модельної подiбностi дозволяє екстраполювати результати дослiдження на об'єкти, геометрично схожi, оскiльки ґрунтується на законi збереження енергiї, законi збереження матерiї, трьох законах динамiки Ньютона i законi всесвiтнього тяжiння. Mетод модельної подiбностi використовується у дослiдженнях як проблем протiкання рiдин i газiв, так i теплових явищ. Mетод уможливлює одночасне багатоточкове фiксування у вертикальному стовпi води лiмнологiчної моделi змiн температури.

Наукова новизна одержаних результатiв. Створено нову теорiю транспорту теплової енергiї вглиб водойми в лiтнiй перiод, яка дозволяє однозначно, на основi фiзичних законiв, пояснити явище розширення епiлiмнiону та перемiщання металiмнiону вглиб.

Побудовано лiмнологiчну модель водойми, яка засвiдчила конкретнiсть запропонованої автором теорiї.

Отриманi в лабораторiї результати, що торкались транспорту теплової енергiї вглиб водойми в лiтнiй перiод, пiдтверджено практичними дослiдженнями.

Встановлено умови iнверсiї температури води у водоймi.

Введено нову систему координат, в якiй вiссю абсцис є вiсь металiмнiону. Представлення розподiлу концентрацiї iонiв в цiй системi у просторi водойми дозволяє систематизувати явище мiграцiї iонiв тут протягом лiтнього сезону.

Mоделювання термодифузiї з метою з'ясування мiграцiї iонiв у просторi водойми дало змогу визначити розподiл їх концентрацiї в шарах термiчної стратифiкацiї у водоймi.

Практичне значення отриманих результатiв. Нова теорiя, яка була опрацьована в лавораторiї i перевiрена практично в дослiдженнях на водоймах, повинна знайти вiдображення у пiдручниках з лiмнологiї (гiдрологiї) i у шкiльних пiдручниках з географiї. Опрацьована теорiя має змiнити погляд на явище транспорту теплової енергiї вглиб водойми.

Другим практичним аспектом є можливiсть усталення змiн концентрацiї iонiв у просторi водойми. Введення системи координат, де за абсцису вибрано вiсь металiмнiону, дозволяє однозначно встановити розподiл концентрацiї неорганiчних iонiв у просторi водойми.

Особистий внесок здобувача. Доведено, що на днi глибоких водойм помiрного поясу лiтом i зимою температура не становить 4С, як прийнято вважати.

Розроблено лiмнологiчну модель водойми, застосування якої дає змогу дослiдити транспорт теплової енергiї вглиб водойми й одержати науково обґрунтованi результати.

Опрацьовано теорiю транспорту теплової енергiї вглиб водойми i з'ясовано причини пересування металiмнiону вглиб протягом лiта, а також умови, за яких формуються антиконвекцiйнi течiї.

Обґрунтовано вивiр системи координат, в якiй абсцисою є вiсь металiмнiону. Ця система дозволяє однозначно представити розподiл питомої електропровiдностi у водоймi. З'ясовано не вияснене досi питання розподiлу концентрацiї iонiв у водоймi влiтку.

Aпровацiя результатiв дисертацiї. Mетоди проведених дослiджень, результати вимiрювань та опрацьована теорiя транспорту тепла вглиб водойми були оприлюдненi на таких наукових конференцiях: VI з'їзд Польського бiофiзичного товариства (Щецiн, 1986); VIII з'їзд Польського товариства медичної фiзики", Науково-навчальна конференцiя на тему „Освiта в сферi медичної фiзики i бiофiзики” (Познань, 1989); Інтрнатiонал Цонференце: Intrnatiоnal Cоnference: "Theоry and practice оf atmоspheric air prоtectiоn" (Завже - Устронь, 11 - 13. 06.1996); Загальнопольський симпозiум "Динамiка змiн географiчного середовища пiд впливом антропопресiї" (Кракiв 26 - 27. 09.1996); Ювiлейна наукова конференцiя "Хiмiзм атмосферних опадiв, поверхневих i пiдземних вод" (Лодзь, 24-26.09.1997); ІІ Miжнародна наукова конференцiя „Air prоtectiоn in theоry & applicatiоn”, Польська Aкадемiя Наук (Завже - Щирк, 1998); Загальнопольська гiдрологiчна конференцiя „Інтердисциплiнарнiсть у дослiдженнях рiчних басейнiв”, Інститут географiї Ягеллоньського унiверситету (Кракiв- Довчице, 21-23.05.1999); Загальнопольська наукова конференцiя "Хiмiзм атмосферних опадiв, поверхневих i пiдземних вод" (Лодзь 17-19.11.1999); Загальнопольська наукова конференцiя „Проблематика географiчної едукацiї в початковiй, гiмназiйнiй i лiцейнiй реформованих школах на фонi географiї як науки” (Кракiв, 6 -7.11.2000); 50-й з'їзд Польського географiчного товариства „Фактори i бар'єри регiональноїй трансграничної спiвпрацi - баланс довершень”, Жешiвський унiверситет (Жешув, 2001); Загальнопольська наукова конференцiя „Стан i антропогенiчнi змiни якостi вод у Польщi”, Лодзиньський унiверситет (Лодзь, 2001).

2. Основний змiст роботи

У вступi обґрунтовано актуальнiсть i доцiльнiсть дослiдження, визначено головнi його напрями.

Перший роздiл мiстить короткий iсторичний нарис лiмнологiчних дослiджень у Польщi окремими науковими центрами.

Водойма не може бути трактована як автономний об'єкт, бо її фунцiонування залежить виключно вiд сукупностi умов даного басейну. Це дуже складна форма залежностей, адекватне опрацювання яких є надто важким.

Якiсть води у водоймi визначають:

1) поверхневий стiк з басейну водойми, на поозер'ях переважно мiжозерний;

2) пiдземний доплив, тобто з донних джерел;

3) води з атмосферних опадiв (безпосередньо у водойму).

Найкраще вивчений i описаний у лiтературi поверхневий доплив.

Пiдземний доплив є результатом водного балансу (допливу i вiдтоку). Першi два фактори посередньо контролюють атмосфернi опади. На певнiй територiї кiлькiсть води, яка надходить до водойми, залежить вiд кiлькостi атмосферних опадiв - поверхневий i пiдземний допливи. Якiсть води у водоймi визначає якiсть опадiв. Особливу увагу слiд звернути на так званi „кислi дощi”. Їх якiсть i кiлькiсть регламентують мiж iншим хiмiчну денудацiю в даному басейнi. Далi у першому роздiлi обговорено генезис i методи дослiдження кислих дощiв.

Як було згадано на початку, пересування металiмнiону в глиб водойми з'ясовувалось рiзними методами.

Найпоширенiшою теорiєю обмiну маси i теплової енергiї у водоймах є теорiя, яка ґрунтується на фактi, що вода при температурi 3,98°С має максимальну густину, рiвну 999,97 кг/м³. У лiмнологiчнiй лiтературi прийнято наближення, що найвища густина води 1000 кг/м³ наступає при 4°С. На пiдставi цiєї фiзичної властивостi води вважають, що лiтом i зимою на днi водойми знаходиться вода температури 4°С, тобто найвищої густини. Ця теорiя використовується багатьма дослiдниками: гiдрологами, гiдровiологами, бiологами, екологами - авторами пiдручникiв з екологiчної тематики. Вона пояснює обмiн маси i теплової енергiї у водоймах восени i весною. Восени пiд час охолодження поверхневого шару водойми до 4°С та весною, пiсля розтавання льодяного покрову при нагрiваннi води до 4°С густина її зростає. Змiна густини i зв'язаний з нею рух води є широко знане як весняне й осiннє перемiшування у водоймi.

Оскiльки теорiя густини води не пояснює причини пересування металiмнiону в глиб водойми, появилась гiпотеза про утворення хвиль на водi, яка ґрунтувалась на спостереженнях, виконаних в океанах. Перемiщення металiмнiону вона пояснює вiтровим перемiшуванням води, яке викликає хвилi.

Опрацьовано рiвняння, в яких поєднано глибину змiшування (звiльшення епiлiмнiону) зi швидкiстю вiтру над поверхнею води (або на деякiй висотi над дзеркалом води) та довжиною хвилi на поверхнi. Розпочато численнi спроби описати дане явище за допомогою рiвнянь та формул, за якими обчислювалась глибина залягання металiмнiону в лiтнiй перiод. Теоретичнi розрахунки дають рiзнi результати i суттєво вiдрiзняються вiд дiйсних вимiрювань залягання металiмнiону, що свiдчить про хибнiсть концепцiй. Опрацьованi формули не вiдображають реальної товщi епiлiмнiону, деякi з них давали значення з похибкою вiд 30% до 100%.

Прийнято також гiпотезу, що форма озера (наприклад видовжена) сприяла розширенню епiлiмнiону i пересуванню металiмнiону вглиб. Якщо довга вiсь озера спiвпадає з напрямом розбігу хвилi, то епiлiмнiон залягає нижче. Багато дослiдникiв переконанi в iстотнiй ролi у формуваннi термiчної стратифiкацiї води у водоймах форми озерної чашi.

Глибину вiтрового мiшання пов'язують iз довжиною розбiгу хвилi, котру визначають як сектор на поверхнi озера, в якому безпосередньо i без перешкод дiє вiтер. Вважають, що положення металiмнiону залежить вiд сили вiтру. Змiннiсть вiтру є джерелом його рухливостi. Коли змiщення переходять попередню локалiзацiю (товщину iзоляцiйного шару), частину води епiлiмнiону перехоплює гiполiмнiон, або навпаки, залежно вiд того, куди пересувається металiмнiон - вверх чи вниз.

Податливiсть вод озер на вiтрове мiшання зумовлена морфометричними властивостями та екрануванням їх деревами.

Вплив атмосферних опадiв i процесiв на днi озера не має великого значення для термiки озера. Обговорюючи термiчний стан водойм (радуньськi озера), не враховують води атмосферного походження, бо їх рiчна сума (634,8 мм) покриває ледве 87,5% кiлькостi води, випарованої з поверхнi.

Вiдомi й iншi теорiї, в яких глибину залягання металiмнiону пов'язують iз зростом площi озера. Чим площа озера бiльша, тим нижча нижня границя епiлiмнiону. Виконано дослiдження термiки на 170 озерах (почавши вiд поозер'я Лювавського аж до границь Сувальщизни) i стверджено в лiтньому перiодi виступання металiмнiону в 112 озерах. Зiставлення зiбраного матерiалу щодо глибини залягання металiмнiону i площi водойми не виявило виразної кореляцiї в цьому вiдношеннi. Глибину залягання металiмнiону приписують експозицiї на вiтер: формi оточення, формi чашi, а також формi дзеркала водойми.

Зроблено спробу встановити математичну залежнiсть мiж середньою ефективною довжиною осi озера i глибиною епiлiмнiону

,

визначаючи теоретичну глибину мiшання води (E) для озер колоподiвної форми. Глибина мiшання (положення металiмнiону) прямо пропорцiйна добутковi кореня середньої ефективної довжини (довжини розбігу хвилi D) i редукцiйного коефiцiєнта (к). Найважливiшим було визначити величину к (к=4,4). На пiдставi вищеподаної формули опрацьовано класифiкацiю озер Поморського поозер'я. Результати не завжди давали належнi ефекти. Числовий коефiцiєнт у формулi згодом було пiдвищено з 4,4 до 7,2. Це дозволило зменшити розбiжнiсть мiж теоретичним i дiйсним значеннями глибини епiлiмнiону в лоткових озерах. Для лоткових озер радуньсько-остшицьких коефiцiєнта к довелось збiльшити до 7,3 , оскiльки епiлiмнiон тут залягав глибше. Обидва варiанти формул обтяженi похибкою 20% по вiдношенню до польових вимiрiв. Застосування формули для iнших озер дало дуже велику розбiжнiсть мiж дiйсною i теоретичною глибиною залягання епiлiмнiону. Визнано, що одною з величин, якi впливають на глибину вiтрового мiшання води, є довжина розбігу хвилi.

Змiна оточення озера (в основному внаслiдок знищення привережних дерев) може сприяти утворенню хвиль, з чим пов'язують глибину залягання металiмнiону. Дослiдження форми термiчної стратифiкацiї в 63-х пiвнiчно-захiдних озерах провiнцiї Онтарiо показало, що в озерах, навколо яких упродовж 10 рокiв злiквiдовано дерева вирубками або в результатi пожежi, металiмнiон змiстився на 2 метри глибше порiвняно з озерами, оточеними старими лiсами. Усунення надвережних дерев спричинило зменшення товщини гiполiмнiону.

Чи є хвилювання води вирiшальним фактором перемiщення металiмнiону в глиб водойми?

За даними вимiру параметрiв хвилювання на водоймах Турава, Отмухiв, Гочалковiце i на озерi Нєгоцiн, хвилi, якi вже можна спостерiгати, утворюються лише при швидкостях вiтру понад 1-2 м/сек. Вiтер зi швидкiстю 4,5 м/сек викликав хвилю, висота якої 2х (х - амплiтуда) дорiвнювала 0,1 м на водоймi Турава, а на поверхнi водойми в Гочалковiцах вiтер швидкiстю 4,2 м/сек - хвилю, двократна висота якої (2х) становила 0,2 м.

Існує думка, що вiтер швидкiстю 0,9 м/сек, майже не спричиняє хвилювання i що в глибоких озерах хвилювання зазнають тiльки поверхневi шари води i вiд руху цих шарiв перемiщення мас води в цiлому практично не залежить.

Aвтор дисертацiї, дослiджуючи термiку у Солiньськiй водоймi мiж 20 травня i 1 червня 1987 р., виявив значне пересунення металiмнiону вглиб. Тодi ж Mетеорологiчна станцiя в Лєску, найближча до водойми (вiля 10 км у пiвнiчно-захiдному напрямi), реєструючи швидкостi вiтру (8 разiв протягом доби), вiдзначила, в основному, атмосферну тишу або дуже слабкий вiтер (1-2 м/сек) - 60% обсервацiй. Вiтер швидкiстю до 4 м/сек - вiдповiдно 40% обсервацiй. Двiчi за короткий промiжок часу зафiксовано вiтер швидкiстю 5 i 7 м/сек. Вимiр повторено лiтом 1999 р. мiж 10 i 28 травня. За показами температури води (по вертикалi B) при цьому металiмнiон перемiщався в глиб водойми при вiдсутностi взагалi або при дуже малому хвилюваннi. Вимiри температури у водоймi та аналiз швидкостi вiтру, який викликав невимiрювальне або надто мале хвилювання, не дають пiдставу приписувати хвилюванню пересування металiмнiону вглиб.

Дослiдники озер колишнього Радянського Союзу пов'язують можливiсть утворення термiчних шарiв в окремих водоймах з емпiричним показником глибини ц (так званий показник Фiлатової). Його визначено як частку максимальної глибини i середньої ширини озера. Показник глибини, за автором, дає можливiсть реєструвати настання термiчної стратифiкацiї у водоймi або її вiдсутнiсть. З обчислень випливає, що показник величиною вiд 1210^-3 до 10010^-3 характеризує озера європейської частини колишнього СРСР з виразною термiчною стратифiкацiєю води. Показник ц для польських озер повинен мати набагато вужчий дiапазон величин.

Італiйськi лiмнологи дослiдили розвиток лiтньої стратифiкацiї в 30 озерах країни. Озера згруповано за формою: круглi i видовженi. Виявилось, що залягання епiлiмнiону в липнi i серпнi в озерах круглих i видовжених вiдрiзняється в середньому на 2 м. Miж озерами видовженими рiзницi зростали до 3 м.

Результати дослiджень iталiйських лiмнологiв вказують на залежнiсть залягання металiмнiону вiд форми озера. Однак у випадку озер тiльки видовженої форми рiзницi залягання металiмнiону дають деяку розбiжнiсть.

Багаторiчний аналiз перепадiв температури у профiлi субтропiчного озера Кiннерет, знаного як Генезарет, виявив змiни в термiчнiй стратифiкацiї протягом 1969-1991 рр. Глибина металiмнiону та швидкiсть (сезонна) поглиблення металiмнiону зменшились, а перiод стабiльної стратифiкацiї - збiльшився. Цi змiни можуть бути спричиненi багатолiтнiм зниженням середнiх зимових температур повiтря, що призводить до охолодження вод гiполiмнiону i зростання градiєнта густини вздовж металiмнiону. Середню глибину металiмнiону в цьому озерi спрогнозовано за розмiрами поверхнi; це зимовi температури повiтря в даному районi суттєво впливають на термiчну динамiку озера Кiннерет у довiльному роцi.

37- лiтнi обсервацiї (1955-1992 рр.) температурних кривих води бiля Соуз Bi (озеро Гурон) i метеорологiчних умов, якi їм вiдповiдають, дозволили зiбрати багатий експериментальний матерiал про змiннiсть не тiльки клiмату, а й термiчної структури озера. Mеталiмнiони стають усе мiлкiшими. Температури епiлiмнiону зростають. Aналiз дає пiдставу пов'язати високi температури повiтря вiд травня до липня i сильне сонячне випромiнювання в липнi i серпнi з теплiшим епiлiмнiоном, вищими термiчними градiєнтами в металiмнiонi i мiлкiшим металiмнiоном. Такi термiчнi вiдгуки озера вiдбивають тенденцiю загального потеплiння, починаючи вiд половини шiстдесятих рокiв. Aномально високi температури вiдповiдають подiям пов'язаним з теплою океанною течiєю Eль Нiно, а низькi - з ефектом похолодання у 1992 р., у зв'язку з Mон Пiнатуво.

Подiбний вплив клiмату на поглиблення металiмнiону можна пояснити багатолiтнiм потеплiнням. У 70-80-х роках в пiвнiчно-захiдному регiонi Онтарiо теплий перiод (протягом року) став значно тривалiшим. В результатi клiматичних змiн вищi температури викликали затяжнi посухи, а вiдтак пожежi лiсiв, драматичнi змiни басейнах озер i ручаїв. Озера реагували на це, мiж iншим, пiдвищенням температури води та поглибленням металiмнiону.

У водосховищ надмiрне нижнє просякання земляних насипних гревель може iнiцiювати зменшення товщини гiполiмнiону, що рiвнозначне пониженню шару металiмнiону.

Поєднання теорiї густини з теорiєю хвильового мiшання пояснює весняну й осiнню циркуляцiї. Пiд час гомотермiї, яка розпочинається при 4 С, наступає пiд впливом вiтру перемiшування води у цiлому озерi.

Іншi працi в галузi фiзичної лiмнологiї стосуються розробки математичних моделей розподiлу температури по вертикалi. Опрацьованi на основi вимiрiв, математичнi моделi розподiлу температури по осi дають, на жаль, розбiжностi навiть при застосуваннi їх в цiй самiй водоймi у наступних роках.

Велика кiлькiсть теорiй свiдчить про те, що формування металiмнiону i його пересування в глиб водойми не витлумачене однозначно. Переважно вони мають фрагментарний характер i не вiдтворюють цiлiсної картини. Деякi з них не тiльки хибнi, але й суперечливi з фiзичної точки зору.

У другому роздiлi обговорено методи дослiдження, зокрема польовi i лабораторнi.

Лабораторнi експерименти проведено за допомогою розробленої здобувачем i запатентованої лiмнологiчної моделi водоймища, яка, як виявилось при комплексному географiчному дослiдженнi водних ресурсiв, дає позитивнi результати. Mодель дозволяє фiксувати змiни температури в дуже тонких шарах води, а також слiдкувати за процесом обмiну тепла i по площi, i по вертикалi. Оскiльки ця модель є новою, доцiльно ознайомити з нею географiв, якi вивчають проблеми водних ресурсiв. Пристрiй - модель лiмнологiчного водоймища складається з глибинної посудини i симуляцiйно-вимiрювальної головки. Глибинна посудина - це скляний цилiндр. Вiдношення висоти глибинної посудини до глибини (природного) водоймища становить 1 : 100.

Глибинна посудина 1 умовно подiлена на двi частини, з яких верхня є вимiрювальною камерою 1.1, термiчно вiдмежованою вiд середовища грубошаровою iзоляцiєю 2. Верхнiй простiр вимiрювальної камери 1.1, без iзоляцiї, призначений для симуляцiйного задавання змiнних теплових умов у верхньому шарi води глибинної посудини 1. Нижня, донна частина посудини, умовно вiддiлена iзоляцiєю 2, представляє совою термостатичну камеру 1.2. Висота цiєї камери не перевищує дiаметра вимiрювальної камери 1.1. Дно глибинної посудини прикрiплене у зовнiшнiй доннiй посудинi 1.3, вищiй вiд термостатичної камери 1.2, яка одночасно створює, своєю поверхнею, стабiльну основу для глибинної посудини 1. Донна посудина 1.3 заповнюється рiдиною сталої температури, з метою пiдтримання постiйних теплових умов для донного шару води в термостатичнiй камерi 1.2. Корпус симуляцiйно-вимiрювальної головки у виглядi покришки 3 накладений на глибинну посудину 1. Пiд покришкою 3 у верхнiй частинi вимiрювальної камери 1.1 пiдвiшено радiатор 5 (з краном 4), нагрiвник 6 i пороговий датчик температури 7, який вимикає нагрiвник 6. Нагрiвник 6 з датчиком температури 7 пiдключенi до вузла живлення З. У покришцi 3 є отвори для введення термiчного зонда у вимiрювальну камеру. Термiчнi зонди з датчиками температури 8 можна розташувати на довiльному рiвнi вимiрювальної камери, оскiльки вони прикрiпленi до глибинних стержнiв 9. Цi стержнi пересуваються вiдносно севе i закрiпленi на повзунi 10, який можна переставляти на колонi з нанесеними подiлками 11, узгодженими зi стрiлками, розташованими на закiнченнях глибинних стержнiв. Датчики температури пiд'єднанi до комп'ютерного пункту Р.

При вимiрюваннi в польових умовах температури води по вертикалi застосовано термометричний зонд довжиною 40 м, який виготовлено i проградуйовано в Лабораторiї бiофiзики Aкадемії Педагогiчної у Краковi. Вiн дозволяє безпосередньо вимiрювати температуру, на заданiй глибинi водойми.

Для взяття проб води для хiмiчних аналiзiв на човнi встановлено пристрiй, який являє совою ручний крильчастий насос, вiдповiдно для цього пристосований.

У третьому роздiлi представлено розподiл температури пiд час нагрiвання води в лiмнологiчнiй моделi водойми як результат лабораторних дослiджень. Eксперименти на лiмнологiчнiй моделi водойми проводились в два етапи.

1. Перший етап стосується транспорту тепла в глиб водойми в дiапазонi температур вiд 0С до 4С, тобто до температури, коли вода осягає найвищу густину (точнiше 3,98С). Цей дiапазон температур вiдповiдає в натуральних умовах розтаванню льоду в озерах i водоймах. У природi - це рання весна.

2. Другий етап стосується транспорту теплової енергiї в глиб водойми в дiапазонi температур вiд 4С до приблизно 22С. Цей дiапазон температур води на поверхнi вiдповiдає в природi закiнченню весни, цiлому лiтньому перiоду, включно з початком осенi.

Дослiдження на лiмнологiчнiй моделi водойми розпочинаємо вiд наповнення цилiндра водою з танучим льодом, що вiдповiдає природним умовам ранньої весни.

Головним джерелом доставляння теплової енергiї у водойму є сонячне випромiнювання. У лiмнологiчнiй моделi таким джерелом є нагрiвна спiраль. Aналогiчно до природних умов обмiн тепла вiдбувається у поверхневому шарi води.

Комп'ютер реєстрував значення температури на заданих глибинах кожнi 2 сек. На поверхнi води температуру фiксовано в середньому через 10 сек. З перевiгу змiн температури на глибинi 4 i 8 см можна зауважити, що вiд 106 сек дослiду температура води на глибинi 8 см вища нiж на глибинi 4 см. Ця ситуацiя тривала до 979 сек, коли температура води на обох глибинах зрiвнялась. При дальшому нагрiваннi води на поверхнi температура води на глибинi 4 см почала зростати iнтенсивнiше. Вiд моменту пересiчення кривих температура води на глибинi 4 см є вища вiд температури води на глибинi 8 см.

У черговому вимiрi зонди для вимiрювання температури розмiщено на глибинi 8 i 12 см. Зареєстрований перевiг змiн температури води на заданих глибинах вказує, що вiд 64 сек дослiду аж до 1080 сек, температура води на глибинi 12 см була вища вiд температури води на глибинi 8 см. Згодом вона на вимiрюваних глибинах зрiвнялась. З подальшим нагрiванням на поверхнi температура води на глибинi 8 см була вже вища вiд такої на глибинi 12 см.

Що стосується змiн температури води на глибинi 12 см i 16 см пiд час нагрiвання на поверхнi, то на глибинi 16 см вона теж вища, нiж на глибинi 12 см. Пiсля 1200 сек наступило вирiвняння температур води на овох глибинах. У процесi подальшого нагрiвання на поверхнi температура на глибинi 12 см була уже вища вiд температури води на глибинi 16 см.

На поверхнi температура води становить 4,1С. На глибинi 4 см - 1,9С, а на глибинi 8 см - 2,67С. Тут спостерiгаємо виразну iнверсiю температури на глибинi 8 см. На п'ятисотiй секундi ситуацiя є подiбна. На 898 сек температура iнверсує на глибинi 8 см, досягаючи 4С. Дальше нагрiвання на поверхнi зрiвнює температури на глибинi 4 см i 8 см. Пiд кiнець дослiду, на 1194 сек розподiл температур нагадує лiтнє спiввiдношення у водоймах. Найвища температура є на поверхнi води. Враз iз збiльшенням глибини температура води падає.

У наступному вимiрi представлено iнверсiю температури на глибинi 8 см в часi нагрiвання води на поверхнi.

На двохсотiй секундi виразно видно iнверсiю температури на глибинi 8 см, яка утримується до 806 сек, тобто до моменту зрiвняння температур на 4 см i 8 см глибини. Дальше нагрiвання води на поверхнi викликає розподiл температур, подiбний до лiтнього розподiлу у водоймi.

До 900 сек на глибинi 12 см зберiгається iнверсiя температури. Пiсля 900 сек вода на глибинi 12 см осягає 4С. Тут також спостерiгається iнверсiя температури води. Пiсля 1196 сек розподiл температур є наближений до лiтнього розподiлу у природних водоймах.

Наступний вимiр температури води, проведено на поверхнi та на глибинi 12 см i 16 см. На двохсотiй секундi вiд початку нагрiвання можна зауважити iнверсiю температури води на глибинi 16 см. Інверсiя посилюється i на восьмисотiй секундi температура води на глибинi 16 см становить 3,79С, а на глибинi 12 см - 2,81. Пiсля 1400 сек розподiл температури по вертикалi нагадує лiтнiй її розподiл у природних водоймах.

На основi результатiв дослiдiв можна зробити висновок, що при огрiваннi води вiд 0 до 4С шар води, котрий залягає нижче, має вищу температуру. Твориться iнверсiя температури. Вищий шар нагрiвається повiльнiше. Транспорт теплової енергiї в глиб водойми пов'язаний з iнверсiєю температури в окремих шарах води.

Встановлення розподiлу температури в лiмнологiчнiй моделi водойми при нагрiваннi вiд 0С до 4 С. Mеханiзм транспортування теплової енергiї в глиб води при нагрiваннi вiльної поверхнi можна з'ясувати на пiдставi змiн коефiцiєнта в'язкостi i густини води залежно вiд температури та на основi законiв динамiки i закону збереження енергiї.

Початковi умови всього приповерхневого шару є однаковi. Вода в цiлому шарi має температуру, рiвну нулю або дещо вищу (т 0С). В'язкiсть води при цiй температурi найвища, а коефiцiєнт в'язкостi дорiвнює _маш.

Розгляньмо порцiю рiдини, обмеженої площi на поверхнi. Температура цього водного фрагмента вiдповiдає початковим умовам цiлого шару. При отриманнi поверхнею теплової енергiї E наступає прирiст густини i зменшення в'язкостi води.

Значення даних величин змiнюються вглиб безперервно, однак можна видiлити шари, якi вiдрiзняються мiж совою значеннями коефiцiєнта в'язкостi i густини .

Виокремлений в початкових умовах шар подiлимо на три шари з несуттєво рiзними параметрами. Із пiдвищенням температури на поверхнi води густини розглядуваного елемента рiдини зростає до значення ₁, що спричиняє збiльшення сили тяжiння Р. Одночасно зменшується коефiцiєнт в'язкостi води до значення ₁ та порушується дотеперiшня рiвновага. Порцiя води з вищою густиною (бiльшою силою тяжiння) починає досить швидко перемiщатись вниз (в глиб рiдини). Перемiщаючись через нижчий шар (другий) з дещо меншою температурою, вона вiддає йому частину тепла цьому шаровi Q₁. При цьому незначно пiдвищується температура оточення води по вiдношенню до вихiдних умов i спадає в'язкiсть. Вiдтак порцiя пересувається iнерцiйною силою до третього шару з в'язкiстю вищою, вiд тої, яку цей шар мав на початку дослiду. Врештi поступальний рух в глиб води припиняється.

Обмiн тепла мiж розглядуваними порцiями рiдини й оточенням триває аж до вирiвнювання температур. Рiзниця мiж кiлькiстю тепла, вiдданого в другому i третьому шарах, спричинює iнверсiю температури в нижчому шарi. Тут в результатi обмiну тепла з пробою води зростає температура але одночасно й густина нової порцiї води, яка знаходилась у цьому шарi, i описане явище пересунеться до наступних, ще нижчих шарiв. Такий процес обмiну теплової енергiї зумовлений iнверсiєю температури води та змiною густини i в'язкостi триватиме аж до вирiвняння температур, що наступає при 3,98С.

З'ясування розподiлу температури у дослiдах на лiмнологiчнiй моделi водойми при нагрiваннi понад 4 С. Основою для вивчення генезису транспорту теплової енергiї в глиб водойми в лiтньому перiодi можуть бути антиконвекцiйнi течiї, якi виникають у вимiрювальнiй вертикалi пiд час охолодження води на поверхнi.

Існування таких течiй можна встановити на пiдставi лабораторних дослiдiв у лiмнологiчнiй моделi водойми i детального аналiзу залежностi фiзичних властивостей води (густини i в'язкостi) вiд температури.

Дослiдження в лiмнологiчнiй моделi водойми розпочинаємо, як i в попередньому випадку, вiд наповнення цилiндра водою з танучим льодом. Потiм нагрiваємо воду на поверхнi до температури бiля 15С. Розподiл температури по вертикалi вiдповiдає утворенню металiмнiону у приповерхневому шарi. Наступним етапом дослiду є охолодження на поверхнi. Охолодження поверхневого шару спричиняє iнверсiю температури в нижчих шарах. Температура на поверхнi зросла i приймає середнi значення мiж температурою на поверхнi при нагрiваннi i пiсля охолодження.

Крива розподiлу за якийсь час пiсля охолодження подiбна до кривої пiсля закiнчення нагрiвання. Заразом зникнув й iнверсiйний шар. На дiаграмi видно виразний зрiст температури, починаючи вiд глибини 5 см i нижче, який появився при охолодженнi води на поверхнi. У природних умовах це вiдповiдає пересуванню металiмнiону в глиб водойми.

З'ясування явища розпочнемо вiд утворення iнверсiйного шару. Подiлимо поверхневий шар на чотири шари, позначенi по черзi 1, 2, 3, 4. Розглянемо фрагмент рiдини, що знаходиться тут же пiд вiльною поверхнею рiдини. Пiд час охолодження поверхневого шару (1) температура даного фрагмента (води) знижується до т₁. Збiльшується коефiцiєнт в'язкостi до ₁ та густина до ₁, а останнє призводить до зросту сили тяжiння. Прирiст сили тяжiння, згiдно з другим законом динамiки Ньютона, є однозначний появi прискорення. Фрагмент води почне досить швидко перемiщатись до шару 2, який має вiдповiдно вищу вiд шару 1 температуру i меншi коефiцiєнт в'язкостi ₂ та густину ₂. У другому шарi, фрагмент рiдини рухатиметься зi ще бiльшим прискоренням. Оскiльки температура другого шару (оточення фрагмента) є вища вiд температури фрагмента, наступає обмiн тепла з довкiллям. Розглядуваний фрагмент бере тепло з оточення, перемiщуючись через третiй шар. Силою iнерцiї фрагмент переходить у четвертий шар. Температура четвертого шару є нижча вiд температури фрагмента, тож починається обмiн тепла. Оточення бере тепло вiд фрагмента рiдини, який перемiщується, що однозначно вiдповiдає зростанню температури цього шару. Час пересування фрагмента рiдини у шарi 4 є рiвний часовi охолодження фрагмента рiдини, аж до зрiвняння температур т_ф = т_о та коефiцiєнтiв в'язкостi _ф = _о. В шарi 2 з температурою т₂ т₁ виникає конвекцiя, i частина тепла Q з шару 2 мандрує до шару 1, спричиняючи пiдвищення температури в шарi 1. Обсервоване явище циркуляцiї води „в замкнутих просторах” на вигляд подiбне до конвекцiї, однак має iншу природу. Започатковується воно в результатi охолодження води на поверхнi (шару, що знаходиться вище) та iнверсiї температури води в приповерхневому шарi. Вищезгадану течiю води в глиб водойми автор назвав антиконвекцiйною течiєю. Одночасно з другого шару постає конвекцiйна течiя до першого шару. Творяться осередки, в яких вода починає поволi циркулювати. Причиною циркуляцiї, тобто її термодинамiчним стимулом, є охолодження вищого шару. На макроскопiчному рiвнi спостерiгається пiдвищення температури нижче iнверсiйного шару, що супроводжується опусканням металiмнiону вниз.

Водночас на поверхнi в певний момент пiсля охолодження температура зростає. Температура води на поверхнi приймає середнi значення помiж закiнченим нагрiванням i завершеним охолодженням. Mакроскопiчно також можна розглядати й охолодження на поверхнi.

У ходi експериментiв температуру по вертикалi в лiмнологiчнiй моделi при охолодженнi на поверхнi, яке наступило зразу ж пiсля нагрiвання, вимiрювали одночасно на поверхнi та на глибинi 4 см i 8 см.

В результатi нагрiвання вода на поверхнi досягнула 16С. Крива 1 представляє розподiл температури по вертикалi. На 106 сек розпочалось охолодження на поверхнi. Крива 2 iлюструє розподiл температури по вертикалi на 286 сек. Крива 3 зображує змiну температури на 326 сек. Охолодження води на поверхнi завершилось на 406 сек. Пiсля охолодження температура на поверхнi становила 7,8С. У момент закiнчення охолодження крива 4 виразно вказує на iнверсiю температури на глибинi 4 см. Крива 5 представляє розподiл температури пiсля вимiру (на 586 сек). Якщо порiвняти криву 5 з кривою 1, то видно охолодження на поверхнi та пiдвищення температури на глибинi вiд 4 см до 8 см.

Такий же розподiл температури по вертикалi й для наступних часових iнтервалiв. Охолодження на поверхнi розпочинається на 106 сек дослiду. Охолодження триває до 406 сек i спричиняє найбiльше пониження температури на поверхнi мiж 406 i 426 сек. На глибинi 4 см наступає iнверсiя температури в часовому iнтервалi 326 - 426 сек. Наприкiнцi ж вимiру (на 586 сек) температура на поверхнi води зростає вiдносно найбiльшого охолодження. Одночасно пiдвищується температура на глибинi 8 см порiвняно з початком дослiду.

Кривi 3, 4 i 5 описують змiну температури пiсля охолодження вiдповiдно на 280, 320 i 600 сек. Порiвняння розподiлу температури в момент вимiру i пiсля закiнчення дослiду дає макроскопiчну картину охолодження води на поверхнi i пiдвищення температури на деякiй глибинi, в даному випадку 8 см.

Найнижчу температуру на поверхнi 8,6С зареєстровано вiдразу ж пiсля охолодження (200 сек). На глибинi 4 см виявлено iнверсiю температури помiж 130 i 280 сек вимiру. Кiнцевий ефект є подiбний до спостереженого у попередньому дослiдi. В розглядуванiй вертикалi на поверхнi температура на 600 сек є найвищою. Враз зi збiльшенням глибини наступає зниження температури. Порiвняно з початком дослiду на поверхнi вода охолоджується, а на глибинi 8 см теплiшає.

Щоб однозначно представити змiни таких фiзичних величин, як температура, питома електропровiднiсть, а також вмiсту кисню й розподiлу концентрацiї iонiв у просторi водойми в рiчному циклi, враховуючи термiчну стратифiкацiю, нами запропоновано систему координат, в якiй за вiсь абсцис прийнято вiсь металiмнiону.

У четвертому роздiлi наведено приклад творення системи й з'ясовано розподiл провiдностi в цiй системi. Mеталiмнiон характеризується вiдчутнiшим спадом температур порiвняно з епiлiмнiоном i гiполiмнiоном. За вiсь металiмнiону взято горизонтальну лiнiю на середнiй вiдстанi мiж двома глибинами, обмеженими бiльшими градiєнтами температури, нiж в епiлiмнiонi i гiполiмнiонi. За додатнiй вiдрiзок осi И прийнято товщину шару води вiд осi маталiмнiону до вiльної поверхнi води. Вiд'ємний вiдрiзок осi И означає товщину шару води вiд осi маталiмнiону до дна водойми. В поданому прикладi вiсь металiмнiону знаходиться на глибинi 11 м. У металiмнiонi зауважено найбiльшi змiни концентрацiї неорганiчних iонiв, галометанiв, а також кисню. Видиму змiну вмiсту кисню в шарi металiмнiону названо „оксилiмнiоном”.

Побудована за результатами вимiрiв дiаграма вертикального розподiлу температури води у Солiнськiй водоймi в 1999 роцi в системi, де вiссю абсцис є вiсь металiмнiону, унаочнює перевiг змiн температури в окремих шарах термiчної стратифiкацiї, зокрема в металiмнiонi. Вираховане середнє значення вiддзеркалює термiчний стан водойми. Aналогiчний термiчний стан i в iншi роки.

У п'ятому роздiлi описано виникнення iнверсiї температури води у водоймi, яка є необхiдною умовою для транспорту теплової енергiї в глиб водойми. Оскiльки пересування металiмнiону влiтку є неперервний процес, то й iнверсiї мусять появлятись часто, майже регулярно. З досвiду вiдомо, що в лiтнiй перiод найнижчою температура води на поверхнi вуває у раннi години пiсля нiчного охолодження, тому вимiрювати її треба надто рано. Щоб зафiксувати змiни температури у приповерхневому шарi, вимiри повторювали декiлька разiв на день. Розгляньмо показовий вимiр. 17 серпня 2000 року у вертикалi В обсервовано перевiг змiн температури води у водоймi.

Вимiри виконано в 9.30, 12.00 i 17.00. Температура протягом дня мiнялась в епiлiмнiонi, у граничному шарi мiж епiлiмнiоном i металiмнiоном (8 - 11 м), а також мiж металiмнiоном i гiполiмнiоном (шар 18 - 22 м) та в гiполiмнiонi (шари вiд 23 м до 25 м i вiд 27 м до 32 м). Рис. 19 представляє розподiл температури вiд дзеркала води до глибини 9 м.

В 9.30 вiдзначено iнверсiю температури у поверхневому шарi вiд 0 до 0,6 м з рiзницею т = 0,5°С, згодом у шарi вiд 1 м до 3,5 м з рiзницею т = 0,3°С. В 12.00 температура на поверхнi пiдвищилась на 0,2°С. На глибинi 4,5 м появилась iнверсiя з рiзницею температури т = 0,25 °С. Вiд 9.30 до 12.20 на глибинi 6,5 м температура постiйна, лише о 17.00 вона пiдвищилась на 0,3°С. Інверсiї температури ( т = 0,5°С) в поверхневому шарi (0 - 0,6 м) в 9.30 та в шарi 4 - 6 м в 12.00 викликали в 17.00 зрiст температури на т = 0,3°С в шарi 6 - 7,5 м. Того дня найбiльша рiзниця температур т = 0,5°С була в iнверсiйному шарi 0 - 0,6 м. На глибинi мiж 2 м i 6 м з'явився в 17.00 надто розлогий iнверсiйний шар з рiзницею температур т = 0,2°С.

Подiвнi iнверсiї вiдзначено й 3 серпня 2000 року пiд час вимiрiв по вертикалi В в 10.10, 10.35, 11.15 i 13.55, 28 серпня 2000 року в 12.00, 14.00, 17.00 та 27 вересня 2000 року в 9.30, 10.30, 11.30, 13.00, 14.00 i 15.30.

У шостому роздiлi дослiджено розподiл концентрацiї iонiв в обширi водойми. Щоб однозначно визначити змiни концентрацiї iонiв в лiтнiй перiод, застосовано систему вiдлiку, де вiсь абсцис є вiссю металiмнiону. Для хiмiчних аналiзiв взято проби води з окремих шарiв термiчної стратифiкацiї. Визначено концентрацiї анiонiв: Сl^-, СО₄^2-, С ^2-, F^- i катiонiв: Н(НО₃+НХ₄), Fе ³⁺, Cа ²⁺, Mг ²⁺, К⁺, Nа⁺. Обговорено також змiну вмiсту кисню по вертикалi у рiзних водоймах.

Максимум концентрацiї iону в осi металiмнiону, який пересувається у напрямi шарiв води з вищими температурами. Подiбно поводяться й iншi iони, якi можна вiднести до „легких”. Така поведiнка iонiв пояснюється збiльшенням питомої електропровiдностi води в шарi металiмнiону. Іони „важкi” рухаються у напрямi дна, тобто до холоднiших шарiв, де електропровiднiсть також вища. Таку мiграцiю iонiв можна пояснити термодифузiєю. Явище термодифузiї полягає в тому, що рiзниця температур мiж двома площинами спричиняє перемiщання iонiв, як було описано вище.

На основi узагальнення результатiв дослiдження зроблено такi висновки.

1. З використанням лабораторної лiмнологiчної моделi для вiдтворення фiзичних властивостей води, якi змiнюються в природних умовах пiд впливом рiзних чинникiв, встановлено фундаментальнi закономiрностi функцiонування фiзичних процесiв у водоймах. На їх засадах сформульовано теорiю антиконвекцiйних течiй, що базується на характеристиках температурного режиму, процесах охолодження конвекцiйним транспортом та iнверсiйними особливостями.

2. Уточнено теорiю густини. Це стосується в основному дотеперiшнього твердження, що над дном глибоких водойм (у помiрному поясi) зимою i лiтом температура постiйна. На пiдставi власних дослiджень i результатiв опублiкованих праць iнших авторiв слiд констатувати, що над дном глибоких водойм (озер) у лiтнiй перiод знаходиться вода з температурою, вищою вiд 4С. За глибоку водойму нами прийнято таку, в якiй протягом лiта утримується термiчна стратифiкацiя шарiв води. У водоймах, де впродовж лiта вiдбувається термiчна стратифiкацiя, вода над дном має температуру 4С лише овмежений час; у Солiнськiй водоймi, наприклад, на межi травня i червня.

3. Замiсть кiлькох теорiй перемiщення тепла у просторi водойми (озера), створено нову теорiю транспорту тепла вглиб водойми в лiтнiй перiод.

Розроблена нова теорiя транспорту теплової енергiї лiтом углиб водойми ґрунтується на теорiї модельної подiбностi, законi збереження енергiї, законi збереження маси, законi динамiки Ньютона i на детальному аналiзi фiзичних властивостей води. Перечисленi закони i теорiї є частиною правил, якi дiють у природi.

Теорiя ґрунтується на кiлькалiтнiх польових i лабораторних дослiдженнях. В лабораторних дослiдженнях використано спецiально спроектовану й виконану лiмнологiчну модель водойми.

4. Mеханiзм транспортування теплової енергiї вглиб водойми в лiтнiй перiод можна з'ясувати тiльки на основi антиконвекцiйних течiй, що виникають в результатi охолодження на поверхнi в малому просторi „вертикального стовпа”.

Кожне охолодження на поверхнi викликає iнверсiю температури, що рiвнозначне перенесенню теплової енергiї вглиб водойми. Влiтку перемiщення теплової енергiї i маси води вглиб по вертикалi залежить як вiд температури на поверхнi води, так i вiд кiлькостi та якостi охолоджень.

5. Запропонована теорiя однозначно пояснює вже описанi у лiтературi тепловi явища у водоймi (озерi). Вiтер i вiдслонення берегiв водойми (знищення дерев довкола) iнтенсифiкує випаровування води з поверхнi. Посилене випаровування спричиняє в свою чергу вiддачу тепла з верхнiх шарiв води, що призводить до пониження температури на поверхнi i сприяє формуванню iнверсiй температури води.

...