Введение в физическую лимнологию. Лекция-3

1. Введение в физическую лимнологию. Лекция-3

Содержание
1. Физические характеристики
стратификации водоемов
2. Волновые процессы, внутренние
волны
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

2.

Введение в физическую лимнологию. Лекция-3
Количественная характеристика
стратификации (=устойчивость к перемешиванию)
A0
dZ
ρz
Zv
Δz
Fарх = ρz ΔV g
Fтяж= ρ ΔV g
Zm
A = (Fтяж –Fарх ) Δz
Стабильность Шмидта (ST) – минимальная работа, необходимая для
выравнивания плотности в водоеме при адиабатическом перемешивании
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

3.

Введение в физическую лимнологию. Лекция-3
Потенциальная энергия стратификации =
стабильность Шмидта
(Schmidt stability):
Где:
A0 - площадь поверхности озера;
z-глубина;
Zg,z- глубина центра масс озера
Zm – максимальная глубина озера
ρz (T, K25)– плотность воды на глубине z;
ρ – средняя плотность;
Az – площадь на глубине z.
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

4.

Введение в физическую лимнологию. Лекция-3
Высокая
потенциальная энергия
стратификации
(Лето)
Низкая
потенциальная энергия
стратификации
(Зима)
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

5. Введение в физическую лимнологию. Лекция-3

Стабильность Шмидта (ST) в озере Шира
22
2 1 .5
21
2 0 .5
19
18
17
E le c tr ic a l c o n d u c ta n c e ( K 2 5 ) , m S /c m
0
D e p th , m
5
10
15
20
J S N J M M J S N JM M J S N J M M J S N JM M J S N J M M J S N J M M J S N J M M J S N J M M J S N J M M J S N J M M J S N JM M J S N J M M J S N J M M J S
2002
2003
2004
2005
2006
2007
3
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
Y e a r s , m o n th s
3
ST, 10 J m
-2
2.5
2
1.5
1
0.5
0
J S N JMMJSN JMMJSN JMMJSN JMMJSN JMMJSN JMMJSN JMMJSN JMMJSN JMMJSN JMMJSN JMMJSN JMMJSN JMMJSN
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
2013
2014
2015

6.

Potential energy of stratification
(= Schmidt stability) for 2003-2017
3000
ST, J m
-2
2500
2000
1500
1
2
3
1000
500
0
J MMJ S N J MMJ S N J MMJ S N J MMJ S N J MMJ S N J MMJ S N J MMJ S N J MM J S N J MMJ S N J MMJ S N J MM J S N J MMJ S N J MM J S N J MMJ S N J MM J S N
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
In 2004-2008 the winter stability was higher
After 2008 the winter stability was close to zero
Rogozin et al., 2017, Limnologica, Vol.66, P.12-23.
2016

7.

Depth, m
Winter CTD profiles for 2003-2017:
Temperature, C
-1
0
1
Salinity, ppt
2
14
16
18
0
5
10
15
20
24.02.2003
16.02.2004
11.05.2005
12.03.2007
22.02.2008
12.03.2009
31.03.2010
19.03.2011
14.03.2012
15.03.2013
13.03.2014
01.01.2015
06.03.2015
10.03.2016
01.01.2017
11.03.2017
25
In 2004-2008 the winter profiles were stable = gradient of salinity
After 2009 the winter profiles unstable: no gradient
Rogozin et al., 2017, Limnologica, Vol.66, P.12-23.
20

8.

Water level of Lake Shira for 2003-2017
355.9
355.5
355.3
355.1
Unstable meromixis
sensitive to weather
conditions
354.9
Stable meromixis
354.7
354.5
.
Altitude above sea, m
355.7
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
Years, months
In 2003-2007 the water surface level was increasing
Meromixis was stable
After 2008 the surface level was constant
Meromixis was weak
Rogozin et al., 2017, Limnologica, Vol.66, P.12-23.
2015
2016

9.

Salinity, ppt
13
15
17
19
21
13
15
17
19
21
13
15
17
19
21
0
Depth, m
5
03.08.2003
01.08.2004
29.07.2005
10
15
20
Δh = 40 cm
ΔST = 554 J m-2
Δh = 23 cm
ΔST = 354 J m-2
Δh = 11 cm
ΔST = 144 J m-2
25
Measured
Calculated
Вертикальные распределения солености, измеренные в летние периоды 2003-2005 гг
(сплошные линии), и рассчитанные для гипотетического случая, если бы не было
дополнительного притока воды (пунктирные линии) (см. также рис.7).
Δh – прирост уровня воды от зимы к лету, ΔST – разность между ST,
рассчитанным для измеренного и гипотетического профилей
(из Rogozin et al., 2017b).

10. Введение в физическую лимнологию. Лекция-3

Стабильность Шмидта (ST) в озере Шунет
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

11. Введение в физическую лимнологию. Лекция-3

Стабильность водной толщи зависит от градиента плотности:
N2 = - (g/ρ)∂ρ/∂z,
где ρ – плотность воды
Z – глубина
При N2 < 0
водная толща стабильна
N - частота Бранта-Вяйсяля:
N2
ρ
Brunt-Väisälä frequency,
stability frequency, buoyancy frequency
[rad s-1]
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

12.

Введение в физическую лимнологию. Лекция-3
Зима
Соленость, температура
Лёд
T
S
Миксолимнион
Max
(g/ρ)Δρ/Δz
Глубина
Редокс-зона
H2S
Монимолимнион
Rogozin DY, Genova SN, Gulati RD and Degermendzhy AG Aquatic Ecology, 2010, V.44, No.3, P.485-496
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

13.

Введение в физическую лимнологию. Лекция-3
Весна
Соленость, температура
Max
(g/ρ)Δρ/Δz
Эпилимнион
T
Миксолимнион
Глубина
S
Редокс-зона
H2S
Монимолимнион
Rogozin DY, Genova SN, Gulati RD and Degermendzhy AG Aquatic Ecology, 2010, V.44, No.3, P.485-496
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

14.

Введение в физическую лимнологию. Лекция-3
Лето
Соленость, температура
Эпилимнион
Max
(g/ρ)Δρ/Δz
T
Миксолимнион
Глубина
S
Редокс-зона
H2S
Монимолимнион
Rogozin DY, Genova SN, Gulati RD and Degermendzhy AG Aquatic Ecology, 2010, V.44, No.3, P.485-496
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

15.

Введение в физическую лимнологию. Лекция-3
Осень
Соленость, температура
T
S
Глубина
Max
(g/ρ)Δρ/Δz
Эпилимнион
Миксолимнион
Редокс-зона
H2S
Монимолимнион
Rogozin DY, Genova SN, Gulati RD and Degermendzhy AG Aquatic Ecology, 2010, V.44, No.3, P.485-496
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

16.

Введение в физическую лимнологию. Лекция-3
Зима
Термогалинная
конвекция при
увеличении
толщины
льда
Соленость, температура
Лёд
S=2.6 г л-1
S=18 г л-1
T
Миксолимнион
Max
(g/ρ)Δρ/Δz
Глубина
Редокс-зона
H2S
Монимолимнион
Rogozin DY, Genova SN, Gulati RD and Degermendzhy AG Aquatic Ecology, 2010, V.44, No.3, P.485-496
Genova SN, Belolipetskii VM, Rogozin DY, Degermendzhy AG and Mooij WM. Aquatic Ecology, 2010,
44 (3): 571-584.
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016