Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Особенности пространственно-временной изменчивости тепловых характеристик приповерхностног слоя воды в крупных озерах

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Особенности пространственно-временной изменчивости тепловых характеристик приповерхностног слоя воды в крупных озерах"

I ь од

• 5 ЛПР Г— РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОЗЕРОВЕДЕНИЯ

На правах рукописи УДК 551.465.1

КАРЕТНИКОВ Сергей Германович

ОСОБЕННОСТИ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ВОДЫ В КРУПНЫХ ОЗЕРАХ

11.00.11 — «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Санкт-Петербург 1993

Работа выполнена в Институте озероведения РАН.

Научный руководитель — доктор географических наук

Г. Н. Панин.

Официальные оппоненты — доктор географических наук

В. Р. Фукс,

кандидат физико-математических наук С. П. Малевский-Малевич.

Ведущая организация — Московский институт инженеров

гражданской авиации и картографии.

Защита диссертации состоится „ _1993 г.

в часов на заседании специализированного совета

Д. 200.10.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Институте озероведения РАН по адресу: 196199, г. Санкт-Петербург, ул. Севастьянова, д. 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института озероведения РАН.

Автореферат разослан „ --1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат биологических наук

М. А. БЕЛОВА

ОБЩАЯ XAPAKTEPiKJSm РАБОТЫ

Лкт^ш>носуь теун. Кругаша внутренние водоемы, которыми так богат Северо-Запад России, не остаются б стороне от все возрастающей антропогенной нагрузки, связанной с развитием про-кйяклешюсти, химизацией сельского хозяйства и увеличением вырубки лесоз в этом регионе. Все эти мероприятия приводят к увеличению поступления еагрлзн'.-илднх элементов в оз<фа Еагрианяя-кпе 1,е-!.">;ства попац-лмт 3 озера, как правило, но ракам, далее в .-зависимости от сломккоЯсл в озере терлегидродннаыичеокой стру?ггури происходит я-эрорасщкдилокви их-в голиой массе. Со временем oeepa утиднепруют Солью количество пос-туш-ги^ж с водосбора f.w.:?uT'-: р,.б1.п;>ляя, оеа.чк.я, сипеляя, ьддкчая их в „епз-кепные цикле, е-; "апичеокие и неорганические остатки веществ, поступивших о ьадообора сгртзуит слой донких оглс;геиий. Тек са-се ера над: улает л роди грг.гп.'.ш."; прлр,лн!ех очистителей ноли'. Однако, и-. с гейт щи-ястазхать -эту уникальную способность Ооср еоедраллчлли, у::уг,ппчСгь..л качество их волы ь иослоднее Bps."л стагпг . алачу вирасогкл подхода к оп.фатиЕНСму контролю экологического »verojinna знутр-гнних ведоекои. I fa нйо.>х-е p езуль-татлашд-а и; ,.. ир.-»никем стаде являются ¡¡¡¡етшщюици; методы наблюдения ;;а раали-'шдд; паре^етрами водной ор-еди. Среди дис-танпионнкх ¡.-;г : аирО/Д-л применение найди намерения температуры поЕерхиос-:.: ноль; при псиоси инфракрасной аппаратуры. В гпанп оеера т-е;е-раi ура йоды игра*? определенную роль ддл биологических п. след од, температур?. годы яв1л,тсд одним и;; гдав-пк>: парам" р. л. е'- ачае-^р-е-',у ныдедяьтгол ьедннл калек, она еходкт а Ттрмогидра.л.-: л идаекл.; моде..;: д;;л рааче-та не-j екепанил йоду в озере-. Темп--е--д/пе лор-рхностп крупьах и;,-е; опредедлаг услсвя T'-;i..-o- гдаго.еа л л л:, лрлннде еола - доелух. входит ь уравнинил р ллакпоппегл и теплового Слдепеа дде ¡:е-рхн-:го слоя водолма. IP солодимос!':, лета 'не:ого поучения п,одело ..,, происходящих в то икон поверхностном сдое еоды .,м:т.иг ъ-ныя есдслисв, очевидна в ее,лап о требл;.ан,ыан увеличении ючнолуи илм-,; рения атого пп-

раметра воды, особенно актуальны эти исследования в крупных пресноводных водоемах для выяснения условий, при которых различия между температурой собственно поверхности воды, измеряемой дистанционными методами,, и температурой поверхностного слоя воды, используемой во всех ,-асчетах, достигает значительных величин.

Дель и уэдачи___исследования. В соответствии с темой

настоящей работы была сформулирована и-: ль исследований определить и исследовать ыеханпвм Нормирования вертикальных температурных перепадов в тонком поверхностном слое воды для различных термических условий, характерных для пресноводных водоемов. В соответствии с этой целью были поставлены и следующие задачи:

- планирование, организация и проведение лабораторного эксперимента по нагреванию и охладгению воды с поверхности в условиях свободной конвекции для получения материалов, демонстрирующих существование двух типов теплопередачи в зависимости от плотностной структуры, складывавшейся вблизи поверхности в тонком поверхностном слое воды;

- проведение натурного зкспериманта на озерах с сулна и платформы, во время которого прослежен иирокий набор природных условий, для выделения типов теплопередачи, при этом измерены ' величины вертикальных температурных перепадов в тонком поверхностном слое воды;

- проведение ■ дистанционных самолетных намерений и анализ спутниковой информации о температуре поверхности крупных озер с целью выработки подхода к их обработке и предложения рекомендаций для получения истинных температатур поверхности годы, для расчета составляющих теплового и радиационного балансов верхнего слоя воды.

Научная новизна. В работе показана оалискР5.'тг, армирую- • ШИХСЯ В тонком .поверхностном слое волы вертгоилыал температурных перепадов не только от теплового С._сансп коворянсстл, но и от Физических свойств юлы, вырмкиягнр'я черес со тем---натуру. Такое представление этой зависимости к^волкло обратить внимание на существование особо А точки на температурной сглдо - тем-

пературы мпкстаалъной плотности пресной воды, при переходе черев которую происходит сиена вертикальной ллотностней стратификации води и связанного с этим вертикального рае преде.®?].'ля температуры в тонком поверхностном слое еоды. При этом отмечается, что образован-.*» устойчивой по плотности термической стуктуры тонкого поверхностного слоя води, а, следовательно, формирование больших величии вертикальных температурных перепадов, гоз-можю только при штилевых условиях. В работе показано, что ьап-более распространенным случаем для озер является существование неустойчивой плотностной стратификации годи вблизи поверхности, при атом образуете? мшфоконвекшга, ограничиваясь! рост вертикально:: температурных перепадов. Для выделения акваторий со стилевым состоянием поверхности предлагается использовать мате-риааи радиолакатора с сии-г^зироваимой апертурой, установленного либо );а самолете, либо на спутнике. Используя материалы ИК-спутниковой нм-^рмащп; предлагается способ выделения четы-рехградуспой •.гст-.Т'и :;о гистограмма распределения тепловой яркости акь.-торн:! Длл учета влияния атмосферы на показания самолет::! г.' и спути:'.кс|»кс радиометра:: рассматривается способ ис-пол1>оое?-;:'.*л персмлшса толщшы атмосферы.

Практическая ценность. Полученные а работе результаты могут быть использованы для решения задачи восстановления температуры поверхности ¿."¡утренних водоемов по дистанционным намерениям. При ре.тенпи задачи газообмена води с атмосферой могут быть полезны р*яу;<ьта?ы работы, рассматриЕакцие условия формирования в тонком поверхностном слое воды устойчивой плотностной стратификации, препятствущей растворению атмосферных газов в воде.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на конференциях молодых специалистов Института озероведения ЛИ СССР (Ленинград,3955,198?),Всессшной конференции молодых ученых по проблемам современной лимнологии (Ленинград, 1988), Международном симпозиуме по гесиауке и дистанционному зондированию ЮАЙБЗ' 91 (Хельсинки, 1991), итоговых сессиях Ученого совета Института озероведения (1991,19*2;, семинарах Института годных проблем РАН а Института сгерсвеяения РАК. Получено два Удостоверение на рационализаторские предложения.

Публикаияк. По материалам диссертации опубликовано 9 работ.

Диссертация состоит из введения, пятя глав и заключения. Работа содермгг 82 страницы текста, две таблицы, 16 рисункоз. Список литературы включает 44 наименования, из них 1С ;ар/'0е,й«ьгл.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во вгсдении сСсухзаотся место выбранной теки среди других исследований сложных природных комплексов. 'Сформулирована проблема л поставлены залачн для ее разрешения.

Первая,глава представляет собой обзор литературы по теме исследования. Приводится история постановки и развития проблемы исследования вертикальных температурных градиентов вблизи по-верхноси золы. Прослежзна эволюция измерительной техники, пригодной для тонких измерений температуры кода в лабораторных и полевых условиях. Приводятся зеличины вертикальных температурных перепадов в поверхностном слое воды, полученные различными авторами е рааличньк условиях и географических зонах. Отмечено стремление авторов увязать возникающие различия в температуре поверхности и поверхностного слоя воды с такими параметрами атмосферы, как приводный ветер, облачность, градиенты температуры и влажности приводного слоя воздуха. Наибольшего внимания зас-лужш&ет представление процесса в тонком поверхностном слое воды в "виде микроконьекаии. возникающей в результате наруыениия плотностной устойчивости. При этом вертикальный температурный градиент связывается (Гинзбург.Федоров,1573) с тепловым балансом поверхности и физическими свойствами воды:

Ь * А

) и)

Микроконвекция в поверхностоном слое воды практически не зависит от ветрового воздействия на поверхность воды (5аипс1егз, 1967') и сменяется вынужденной конвекцией только при ветре скоростью белее 10 м/с (Карташов.1986).

В обзоре литературы отмечается также случаи наблюдения ис-

следователям:: s тонком погегхно-стном слое еогк гстойчгаой илот постной структуры. Гасги-езелекае тсмгк^тум;. ¿¿¡.-.ss&vusgn го тойчивое ко плотности строен:-*; коьсригюсхкого слзя воды. яаЗлы далось nui активном солнцем ассгсеве s СсгЕётьешгли погоду.

Таким oûçasoa. nt-;t всаишкЯсгвв» поверхности веди озер с атмос&эрой ыояно вклелить едгвукз» czrr„орипрога;:;:-- сю бедной конвекции, фор^феваня* >стой'-:г.вой стуукгукд

и Формирование вынужденной конЕекш:::. Анализ? -зт;к ситуьл;ь1, исследованию условий их ьгашзюгрехеда к опрелелешш веопаш вовмолзшх пря s тс н вертикальииг текце?-£гурках перекалов в тон ком поверхностной слое годи нргеных esep к сссвяогна нветолгш диссертация.

Ео второй главе проводятся акалпъ зависимости вертикальных температугних песепалог. к псвсг*..сст,:см слое вогы ¡л!1, от зических характеристик волы. stT'abrHHKX чесе с ее т-^пе сатуру (Trie). и суммарного тепловоз балыгса rioz-охнсст:; ¡'С-.,;

лТ - î"f Тпс.СгЛ. ,2)

Задаваясь реальными для природных условий величинами Сг, и Тле, по зависимости il) рассчитывались величины воз!.:ол:ных вертикально температурных перепадов ГдТ), способных существовать в тонком поверхностном слое воды без нарушения его устойчивости. Следует отметить, ' что il) описывает только условия свободной конвекшш, при скорости ветра больше 1,5 м/с к свободной конвенции добавляется вынужденная, способная уменьшить величину Д Г. ■

Составляющие теплового баланса поверхности озер раюсыатри ваьтся в зависимости от паоаметров атмосферы и условий на границе вода - воздух. Пелученнсуд вависимость хаоактеризует только •/словил, при которых в поверхностном слое золы йормисуетсл неустойчивая плоткостнал стр'/ктуса и образуется своболнал коны:-к шт. Обращается внимание на то, что ¡¿икоскокьекаил молет обра

вовываться не только пои охлам^нии волы с поверхности до 4WG. но и при кагоевании ее от 0 до 4 град/ссв. Таким oCpasoi,:, тем

пература максимальной плотности пресной воды- является как при охладкник, так и при нагье вешни воды с поверхности тешерату сог;, прк которой асоноходит рсхниа теплопередачи. Шличи-

ны вег.ткка,и.кых тогпераг^жих гл'сепас^ь. сйососкые еуднствовагь бе-е нарушения •/стсЗчньооти к сОо-пзсеиния шкрокоаз-гкшш, окквы-ейкигся м..\ло газисимымп от величины т>?плогого Баланса поверхности и при температуре волн бык 10°С ь «рс-лельксм случае глогут -достигать'С °С. Пул приОлижения к 4 °С они резко увеличивается. После перехода температуры болы через 4"С микрскоквекпкя не оЗ--

разуется и теплопередача в отсутствии вынужденной конвекции идет не. молекулярном уровне. как в твердом теле. Б отличие от общепринятых терминов для обовааченкя условий образования ыик-роконвекаьи в тонком поверхностном слое ьоаы - холодная или тешюя "плек:;а", для обозначение устойчивых по плотности структур шлесобразно называть их холодный пли теплый "слой".

Третьи глава состоит из описании методик получение экспериментальных данных о вертикальных теьиьрат'/рнкх перепадах п саопоелелекш; температу&ы а тоы;оь; иоБерхиостпом слое дола, о параметрах нгаволпого слоя воздуха. необходимых для оаачета составлявших теплового баланса поверхности.

В 3.1 поелставляется описание лабораторная установи. для получения информации о теьтературе поверхности водь;. о распределении температура в поверхностном слое болу, о температуре и влажности приводного воздуха и о величине баланса длинноволновой радиации. Кажпая серия лабораторного эксперимента ссстояле яз фиксации изменения всех перечисленных параметров приповерхностных слоев воды и воздуха при нагреве воды б сассейне от {

до £5 °С или охлаждении ее до момента образования льда. Газлпч-

ная интенсивность прогрева или схлахлоння воды достигалась ссз ланием различного температурного режима б поме-ш-нии лаборато

ии.

Температура поверхности воды Ликсииовалась автономным инйг ракрасным рааиометгом аиг конструкции ЛОТ", работающе;.; в они прозрачности С 1Г к;к. основное конструктивное достоинств

этого радж»мэзрз заключается в ислользоиан-аи. одного бадометрз, как для приема излучения от объекта, тазе и- от внутреннего температурного эталона. Благодаря этом? достигается устойчивость калибровки длительное время, несмотря на "старение" балометра. Для тарировки радиометра была предложена штодикэ, лоэдедяпцая исключить "пленочные" эффекты на поверхности воды. Это достигается нуте!.! повторного производства работы: в условиях нагрева-ига и охя'ойденая воды с поверхности в тарирочо^ягом бассейн с постоянно перемешиваемой водой. Изменение температуры воды в экспеда&нтэдьисм бассейне ь процессе производства серии наблгг-• фиксировалось микротермскоссй на пяти горизонтах. Нгсбхо-даке для расчета влаиюсти воздуха значения темлературы сухого и смоченного термометров ивмэрллись аналогом аспирздвоикого психрометра Ассмана с электропродувон, й котором ртутные термометры заменены на терморезисторы. Постоянное смочигание одного из терморозиоторов осуществлялось по бптисту из ,|~обраоисго резервуара с дистиллированной водой.

Расчет величины градиентного теплового истока оеуирстдляд-ся по программе, позволяющей в зависимости от условий в приводном слое воздуха вести расчет по уравнениям, описывавши»' турбулентный, конвективный или молекулярный способ передачи тепла (Миронов, 1988).

1 Лабораторной установка позволяла производить измерения при создании ветрового обдува бассейна скоростью до 1 м/с.

В 3.2 приводится методика проведения натурного эксперимента озерах с научно-исследовательского судна и с платформы.

Судовой измерительный комплексе был аналогичен тому, что использовался з лаборатории, дополнений стандартными приборами для измерении величин прямой и отра.^внной солнечной радиации и анемометров для измерения скорости ветра на разных горизонта;':. Размещение измерительных приборов на судне выбиралось таким образом, чтобы на их показания минимально отзывалось влияние судна.

Ecjlii в лабораторных условиях легко создайся условия разной величины и направленности теплового потока г, системе вода-воздух, то для сбора необходимого полевого материала приходится использовать многообразие природных ситуаций в системе ьодоом-атшсфера. Крупныэ озера ушрэнноЯ климатической зоны а годовом цикле имеют четыре сезона, определяющееся по их термической структуре (Тихомиров,1982). Весна наступает после освобождения озер от ледяного покрова и продолжается до полного исчезновении выхода на поверхность воды с температурой нилй 4 °С.

JSero следует за весной и продолжается до образован;«! осеннего термического фронтального раздела, обособляющего холодную прибрежную юдиуда массу от центральной с те-ыпературой вык 4 °0.

Осень характеризуется продьпхошич.! фрпктйдьксго раздела ст, берегов к глубоководной част» озер?- и закапчивается ярп понйй?»;«к

те^поратурк яож-ркпоегй ж» юе-Л и«»нторйИ ••». °С. Вавер;:;. годовой цикл зима с образованием ледяного покроиа ьч. большей части озера, в некоторые год» над сама;,:л глуб'-нуэсодшии райоаа-т оеера м>гух остсшаться полыньи. Такия образом уияк&швд; возмомюсти для проведения натурного эксперимента «редос^гг.;-.. ; Лздолжое озеро i, к?р,;од его виденного нагрег&икя. Бо с. -

Ерстговаимя з оз^ре весеннего термического фронтального рос;;:-;:-в непосредственной близости друг от друга располагаются воды с

температурой силе я нйлй 4°С. Длительное время по разные стороны термического фронта устойчиво существуют разнонаправленна тепловые потоки. Величина их меняется в зависимости от погорт условий и времени суток.

• Сбор натурного материала по температуре поды ' и параметрог приводной атмосферы производился в режим? .буксирошо» «ли ш многосуточных якорных, стоянках судна на Ладолском озере, а Tai nie со специально оборудованной для этих работ платформы в прибрежной части Онежского оаера.

Результатом проведенных серий лабораторного эксперимента i натурных наблюдений стала таблица вертикальных температурки:

яереяадов в йовер:<яостнсм слое воды (дТ) , получаемы;: сак разность температура поверхности воды (То), Фиксируемой ик-радио-;,'зтром, и температуры поверхностного квазгоднородного слоя годы (Тис), измеряемой контактными датчиками. Г:рп знач-пни л ? а.в£?.сь раечиташш по измеренным дакни« всулшша сутчрно-го тешог.ою баланса поверхности (Qn) и температура ¡юверхност-кого слоя воды. Крема того ' отмечаюсь «гдичины скорости ветра для анализа поведения системы вода-воздух в ^лглвм" условиях.

В четвеотой главе производится анализ данных, полученных во времл лабораторного и натурного аксп.-рнмзпго^ но намерению 'вал. т'-глера^уригл: перепадов np'i различны:! по великие

ДГ«.

:з нсвепллость раалс-вода-в.л-

во'ду;;а. ГЬст.-вл 'ласа

о лал"р..иос'] „; чр;; о

васчв раздела "зда-зелвл: г.'

л г-': ■лир;

■.'•■,;!•'. г:

ллатл, лл.у',::н;л.; при лабор,., ср

галлл'о гзп;::одлйстг,:,; в.-ды

" ■ оааисбсм лкллал; л. ;:сл

ч и лаання, та.-. ал^д ..л: , ^.лолцх теп.1:;.! ма л.;

-ГСП до -ИСС . Pea."!C:!-''i

Р:Г!"''"-J'; г;; ■' ' ' '' " ' ' : '' - ■'

¡?i!v:'i! наб. "ai'p.v г"

лглтурв :лда а басооГч:-?

гфла'лл-ллл гсрГ'ЛЛ'ЛЛ, алл-раная наглядно демонстрировала

рааллля а вовадл.л; воьса'-лсетлэво слоя води при его ус •<•.!!«::-вам а неусхаД^':гч' : алатле:-.. аоа сгрг.епнн. Следствием плотваеллм ноустонн-ллсетп Л ..j .:ер;:о,аллслви образовав:::; терллан, елдах еСрааулддля n врллоса зза::мвд..лотв.>;/; поверхности вод к о воздухе:,: пловаул воду со овса;: температурой ьнг.ь. Сбрлэавлшл

7&Р":;::ов wr.'.o ötv.o г.сблодау» нлч »агревашш воды от 0 до 4lJC л

при охлалдеп;:>; се га -1 °С. Ссповп::? температурный перепады в

г.том олу*:<ч4 сосредоточены вблваи пспог-ности воды, ни»-? ласпо-•пч:с-ус г ¡г.г'-зподнг.родпий слой, в моторам и развивается микро-

кснвекция. Создание ветрового воздействия ка 'поверхность вода увеличивает суммарный тепловой баланс поверхности за счет вели-чини турбулентного теплообмена, не уничтожая температурных различий по глубине - "пленочное" строение поверхностного слоя воды яри ветре сохраняется.

.Дальнейшее нагревание воды или охлаздение ее после перехода через 'температуру максимальной плотности приводит к исчезна-•вению фвуктугщий гемчгратуры воды, ееясаккшс с опускавши тер-тюж Переход от неустойчивой нлотносткой структуры к устойчивой сопровождается увеличением скороотя ивмелеиия температуры, причем, чем Слпж к поверхности, тем быстрее изменяется температура - Армируется теплый лги голодный "слой", передача тепла в котором происходит путем жлекуляркого обмена. Распределение температуры го глубине в поверхностном слое воды при отом носит денстонвда характер. Еоие&кция, вызванная ветром скоростью уж 0,5 м/с, способна рагфугзить устойчивую плотностную структуру,, к температура ш глубина выравнивается.

В 4,2 приводятся результаты натурного эксперимента на озера)':. Материалы натурных наблюдений, произведенные в различные сезоны на протяжении четырех лет, позволили сформировать представление о диапазоне природных условий, характерных для озер умеренной климатической гона В конечном счете практически все многообразие параметров приводного слоя атмосферы может быть выражено через потоки градиентного и радиационного тепла. Причем, радиационная составлявшая имеет суточный ход, усложняемый режимом облачности. Особый интерес при производстве натурных наблюдений уделялся поведению системы вода - воздух вблизи температуры максимальной плотности воды, при переходе через которую, как было показано в лабораторном эксперименте, происходит смена режима теплопередачи. Б зависимости от знака теплового баланса поверхности воды и ее температуры на основе натурных наблюдений на озерах выделены четыре ситуации, расположенные в порядке уменьшения вероятности их образования на пресноводных внутренних водоемах.

Наиболее часто на озерах встречалась ситуация охлаждения поверхности воды, температура которой выае 4°С. В этом случае в поверхностном слое воды образуется холодная "пленка",развивается микроконвекцил, ограничизаюцая рост вертикальных температурных перепадов, при тепловом потоке от поверхности Еода-300 Вт/,-/

величина не превышала 1°С. Эта ситуация характерна для

грабреалоЯ воды веской а течении всех суток, для всего озера летом в течении всех суток исключал послеполуденные безоблачные часы н для центральной всднсй .массы осенью, ¿»скзл&ко ре«? в

ярарсдкых условиях иогао наблюдать сзлокдадо воды я:кке 4 °С.

При отсутствии ветровой вынудзечясй конвекции у поверхности воды образуется холодный "слой". 2 зтсм случае не Судет нарушаться устойчивость поверхностного слоя охлаз«аю2зЗся воды и рост инверсионных температурных перепадов будет происходить вплоть до образования льда на поверхности воды. Гти ситуации наблюдались ночью весной з центральной водной массе, осенью в прибрежной водной массе в течении зсех суток л можно предположить во время зимнего охл&тдения центральной полыньи. Следующей по встречаемости мо:жо назвать ситуацию нагревания поверхности воды, температура которой ниж 4°С с образованием теплой "пленки". Б этом случае в поверхностном слое воды такж развивается

о

микроконвекция, и при тепловом потоке 50 Вт/м" на поверхность воды величина вертикальных температурных перепадов не превышала 1 °С. Эта ситуация характерна для центральной водной массы весной днем. Благодаря ред;ссй повторяемости пггилевых условий над озерами, особенно в дневные часы, наиболее редкой по встречаемости можно назвать ситуацию нагрева воды с температурой выше 4°С с образованием устойчивой плотностной структуры поверхности воды (теплого "слоя"). Наблюдать эту ситуацию модно летом в послеполуденные часы: Температурные перепады в поверхностном слое воды в зтсм случае могут достигать 3-5 градусов, однако,

величина зта получена з лабораторных условиях, е условиях открытой ьоды рост вертикального те.мпературного градиента, как правило, прерывался ветровым перемешивание« - при скорости ветра 0,5-1 м/с температура воды по глубине выравнивалась.

В пятой главе предлагаются к рассмотрению некоторые возможные варианты использования полученных результатов в озеро-ведческих исследованиях.

Е 5.1 рассматривается практика обработки дистанционных данных о тепловом состоянии поверхности крупных озер умеренной климатической зоны.

Прежде всего на основе многолетних сравнений темпапагурм поверхности во;:н синхронно измеровкой с самолета ОЗУГКС! и при судовых наблюдениях показано существенное. сулпчцв результатов этих пзм,.-решн:. Б дальнейшем при проведении высотных зондировок самолетом-д^бсраторне Г: 1Б:ЫЬОг ео£мо!гокны>: по времэии и' пространству с судов;¿"л работами, было определено., что основной вклад в рояхкчке спюД'Лш.'х и судовых, измерений температуры поверхности води ¿носит слои агмос^ры сгм.пг, у, ом погорм-ностьк/ воды. Осоеда и аитяя прй&кьг&пии способ введения ¡.оправки на, ^лплинч атмоо!>?рм р¡¿и ирэьсдмн;:! аеп;;0;и'х аорось-е.-.ил;, основанный па моюр^..;.^ :о ко-

о. водм с; са:,.!."1';;,',, по одх-.хм

то:-/ галсу ьк различиях "¿.'¡'..¡о при ¿мсм мак вм.г-

ра-гь курс сам.олота, ч;(оОи си мессы

озера, пооко.чг-ку, как показах;; совместима осмол:; гно-суд-д...:- ¡::~-морения на озерах, теплая и холодная зоны о^ера ¡'огмн.'мм; ]''■"" личные по тем1::ратуре и влажности мо^дум;:;:; мг.се".

1Ъ апалогн.и с введением а?мосп-ер;-;ой ппдрммкл и ммх-

атормостемс;:' рассматриваете;; способ обработки" спугни.;о;л;.' данных. Различная толл.ипа омосморы при атом получается прл различном визирования о&ьзкш вабдудаед со . спутника.

Дек приведешь; ^шилруопой епупсв&йьи ШГ-радиометрам тепловой нркости водной поверхности к темверагуро воды нредполага-

ехсл калибровка полученных данных либо по встроенному эталону, либо по тешержсуре космоса., либо по имсаятделея подспутниковым язн-грешсш те.'-лературы поверхности вод'!- Для периода весеннего нагревания (¡.-пй-кшь) озера обоу^уктся возможность температурою;! галибрачии спутниковых данных без использования наземной доСоргсциъ 3 качестве опорки-' данных берется температура лаи-Сольа-й плол;еотн води и с&ягтпшз с п?Л весенняя фронтальная термичс-сгсн зона, которая на гистограмме распределения тепловой яркости выразится в относитех-ьксм ушн&энзкем числа пикселей, соответствуете этой гоне.

После получения течлерзттри поверхности воды по дистанционным 12-данным следует пемшяъ, что это т^перзтура тонкой поверхностной плеща. В различных лимнологических знаний п^обходпал ^еапоратура псосрхзосуногс е„';о: сода Длл перевод:. Т'-.'.-.пираеуры поверхности ю;;ы в ¿¿.^пзратуру поверхностного слоя целесообразно воопол:'.о: атвея V ?,г.уаь'пггаа' псоголеш:":; забора-терны;: и натурно оксперй'.гктез по чз»''-р?чиг} вертикальных температурных перепадов п тонком поверхностном слое воды при раз-;--:'Л1Ыл ссстояниях ' системы года - гоз";;х. Величина я знак отличии теупоратурн гогерлност:) от ггипературы поверхностного ело:; зады буж'г находиться в зависимое?;! ог гидрологического сссспа, зрзпени суток яржэддегзгооти рассматриваемой аклато-

?:а$ к области с температурой воды выае или ниж 4 °С. Все воз-

ыедны-э при зтем С!ггуац;п1 приведены в 4. 2. Особенно большие вер-тшсальцыз температурные перепады спсссбпы формироваться только при уетойщгвой ялоткостксй структуре поверхностного слоя воды со штилем.

Устойчивая плотиостная струтура поверхностного слоя воды галет формироваться при .охлаждении воды, температура которой

пиле 4 °С, или при нагреве воды, температура которой выше 4 °С.

Эти ситуации могут воонтсать в глубоководных районах озера весной в ночные часы, ' осенью в. прибрежных районах и зимой в полыньях круглосуточно, а так яе на всей акватории озера летом в

послеполуденные часа При этом важно знать, дует ли в это время над этими акваториями ветер. . Для определения ветровой ситуации над озером можно воспользоваться данными радиолакатора с синтезированной апертурой, величина отраженного радиосигнала которого зависит от шероховатости подстилающей поверхности. Акваггчам с -гладкой поверхностью воды, что указывает на штилевые условия, будут характеризоваться наименьшей величиной отраженного радиосигнала, воспринимаемого раднолакатороы с боковым обзором (Ве1е1зкзу, ЕРКхп, а!., 1992). Дистанционную тепловую информации на акватории с перечисленными выше признаками образования больших различий температуры поверхности и поверхностного слоя воды в дальнейшем использовать не рекомендуется.

Ё сеташш; случаях вертикальные температурные различия будут либо полностью выравниваться ветровой конвекцией при образовании устойчивой плотнсетной структуры воды, либо в поверхностном слое воды будет существовать плотностная конвекция, допускающая рост 'вертикальных температурных перепадов не более

0,6 - 0,8°С, причем величина эта мало зависима от величины суммарного теплового потока через поверхность воды.

В 5.2 предлагается к рассмотрению возможности применения обобщений, полученных при анализе взаимодействия тонкого поверхностного' слоя воды с атмосферой, при экологических исследованиях.

Умение вести хозяйство в доме, когда дом наш Земля - зто и есть экология. Хорошее хозяйство - это не простая суша материальных и природных ценностей, а сложный комплекс взакмодейстую-щих элементов различного энергетического уровня. В экологии лз-возмомю обходиться отдельно выхваченным Соотношением элементах природы и общества Сов многостороннего рассмотрения всего географического пространства, заполненного другими элементами, ш первый взгляд не связанными с рассматриваемыми.

Развитие зколопм в блтайвзе время будет в полной записи-иости от уровня освоенности и разветвленноети гетагафоркациошш

спстем (ГНС), именно они, построенные на мощной кпмпшгврнсй базе, способны собрать необходимое обгш:е тХортгпт, переработать ее по гало;:>еннь'м схемам и выдать ее ч достаточно удобном для ос;-моления .т'де. Для поддердання П'С з работоспособном состоят".: яесбжг/'кж» попо.-ипть ее оперативней информацией об изме-аякчрягя адсу^птпх ток территории, на жтору!? состаглсяа ГКС. К разряду мекящцхса злсуонтое откосится температура поверхности годи киутрениах водоемов. При атом мояет Снть использована схема, нрйдлолзгинпа а настоящей работе для обработки спутниковой Ж-информации.

Кроме того, умение различать процессы, ответственны'? за дер.-: кивание I1 поверхностном слое, моует быть полезно для по-к!'гпнкя г^ханапуа поступления гозов зтуос«£еры в воду. В част-усстл та::'.!:: гат.'ух дуя С:'0"пг:уь-екпх и химических процессов га-зоз. уу кислород л утдекисдуй газ. ССфззууу,?лся п результате ту:ут:у'о г.оан: сдо'ютзня поверхности годы с атмосферой устойчивая пуотус.ул страт:ууг:п:'лш::1 з поверхностном слое води моугт г.рз)гг;!-.ес}« подт-нгг.уо прекратить доступлгш:? газов уз атмосферы з воду СБ. •!•. ¡'р^ховсгаи и др. 1331). Такпз сктуагогл г-сгии,'«лг при сбраг:1ваа;гд па псзерхпостп уоды теплого или холодного "слоя". Лкв.норки, где при спредзлен'шх условиях, приведенных яьгге, мо-воснш'лть изоляция водной массы от атмосферы устойчивым по шклассти слоем длительное вреш, могут стать зоной с болшм дефицитом растворенного в воде кислорода.

5 оа;с;уг1оп:и перечне пены основные результаты диссертации, кото;«;« сгодятся к сдедуэдему:

1. Для озер щеренной ¡стоматической зоны в период открытой воды у зависимости от характера взаимодействия поверхности вода с атмге.^рои гкделено два.тша вертикального распределения температуры в тонком поверхностном слое воды. БгрвыД тип образуется г условиях плотяоетной . неустойчивости., поверхностного слоя водь. При атом формируется теплая или холодная "пленка", температурный перепад в гаторой сосредоточен в слое воды .толщиной

-1С .

несколько мидлиметоов. Гост его вертикального градиента ограничен образующейся мпкроконвекиией. Второй тип, характерен для условий ллотностной устойчивости верхних слоев волы. При этом формируется теплый или холодный "слой", в котором температура монотонно изменяется с глубиной. Рост вертикального температурного перепада в зтом с^ое зависит от величины теплового потока, взаимодействующего с поверхностью воды, а толщина его - от продолжительности его существования. "Пленочное" строение поверхностной термической структур:-; воды устойчиво к ветровому воздействии. в то ьоемл как существование на поверхности теплого или холодного "слоя" еозмолло только в стилевых условиях.

2. Смена ве.и'.мов теплопередачи в тонком повесхностном слое

воды происходит дрп переходе темдературы воды через 4 "0. В естественных водоемах этот переход связан с продвижением весеннего и осеннего фронтального рае дела двух водках масс, различающихся по своим гидрофизическим, гидрохимическим и гидробиологическим характеристикам.

3. Пия озер умеренной климатической зоны наиболее вероятным является "пленочное" термическое строение с отличиями температуры поверхности от температуры поверхностного слоя воды

0.6 - О,З^С. Существование холодного "слоя" с вертикальным темпе рату'оним перепадом.до 3 - 5 "О может наблюдаться пси кочном или осенне-зимнем охлаждении воды с температурой ниже 4 °С.

При зтом на поверхности воды ыогкет появляться лед. Теплый "слой" молет обосноваться детом в послеполуденные часы.

4. Предлог на и апробирована на Рыбинском Еодохсаншшее, Дал око ком и Онежском озерах методика обработки /¡I'- самолетной и спутниковой информации с волной поверхности. Дистанционная ИК-инйссмаиия после введения поправки на влияние атмосферы, температурной привязки и перевода температуры поверхности еоды в температуру поверхностного слоя может быть использована поп оперативном слеяении еа эволюцией термического состояния поверхности ьоды озер.

5. Концепция об уменьшении поступления газов из атмосферы б возу при йоомироБании "теплого" слоя саспрсстсанена на ча;пе встречающиеся на озерах условия образования "холодного" слоя. Явление изоляции водкой толли от поступления атмосферных газов устойчивым по плотности поверхностным ' слоем должно использоваться при экологических исследованиях.

7. В процессе проведения лабораторных наблюдений предложи способ тарировки КК-радиометра, позволяющий исключить пленочные эффекты ка поверхности тарировочного бассейна.

Основное содео.тание диссертации опубдлуовано в следующих работах автора:

1. Темпсратуоные градиенты в поверхностном елее воды па Ладожском 'озере и их сезонная и с/точная изменчивость.// С5. "Бопросы гидрофизики.гидрохимии и гидробиологии озер" sni.it 5ооо j-0'o 7. 03. 05. С. Ь 17.

2. Временная зависимость поираления глубины тесмобара на Ладожском озере. // Сб. "'Сопроск гидрофизики.гидрохимии и гидробиологии озер" Л2П..Ч 5653-305 7. 00. Сб. С. 18 -22.

3. Сравнительная характеристика радиационной температуры и температуры поверхности волы Лалокского озера. // Сб. "Комплексный дистанционный мониторинг озер" Л. , "Наука" 1907, С. 173 -103 (совместно с Тихомировым А. И.,ЕпшнеЕским А. Е. и Широковым К. П. <

4. Тепловой баланс тонкого слоя поверхности волы и Формирование б нем вертикальных температурных градиентов. //Сб. "Гидрофизические, гидрохимические и гидсобислогические процессы в сзерах"ЗЕП, ÍI 5597-В08 17.03.00.С. 42 ■ 52. Гсовм. с Павловым Г. А.)

5. "Нормирование вертикальных температурных пеоепадов в тонком поверхностном слое еоды квупных озео Умеренной зоны. // Тезиса докладов Бсесоюзной конференции"Актуальные проблемы современной лимнологии" Л. ЕГО. 1900. С. 25-27.

6. Особенности распределения гидрофизических и гидробиологических параметров во фронтальной зоне Лалокжого озера. // И8В. БГО. 1Г30, Т. 122. вып. 6. С. 541 - 544.

7. О термическом режиме приповерхностного слоя пресноводного водоема в области +4°С.// Метеорология и гидрология, 1991.

N 6. - С. 79 - 03 ( совместно с Паниным Г. IL )

• 8. Cotrpiex studies of frontal zones of large lakes using the space-based survey ciata. // Proc. Int. Geosc. werrote Sens. Syirp. ( IGARS3'91). Helsinki. P. 1199- 1202. ( Naumenko M. A. .Fmn'ranchik K. , Frais E. 1

9. Кспольосваниё ИК спутниковой информации лля изучения термического состояния Ладожского озера. // . Исследование Земли из космоса. 1993. (в печати") iсовместно с Пауыенко Ï.L А. ).