logo search
Гидрология учебник

Вертикальная устойчивость вод

Устойчивость масс воды по вертикали (глубине) зависит от характера вертикального распределения ее плотности и характери­зуется коэффициентом устойчивости:

К= dp/dz, (2.32)

где dp/dz — вертикальный градиент плотности (ось z направим вниз).

Если плотность воды увеличивается с глубиной (вдоль оси z), то dp/dz> 0 и А>0. Этот случай носит название прямой плотност- ной стратификации, ему отвечает вертикальная устойчивость вод. Если же плотность воды уменьшается с глубиной, то dp/dz < 0 и К< 0. Массы воды в этом случае имеют обратную плотностную страти­фикацию и по вертикали неустойчивы. Если такая ситуация сложи­лась в водоеме, то более плотная вода начинает опускаться, а на ее место с глубины поднимается менее плотная вода. Этот процесс называется вертикальной плотностной конвекцией. Он может быть обусловлен различием плотности, связанным, например, с охлаж­дением поверхностных вод или осолонением поверхностного слоя в результате испарения воды. Вертикальная плотностная конвекция приводит к выравниванию вертикального распределения плотно­сти, в результате чего dp/dz и К становятся равными нулю, и тогда возникают условия нейтральной устойчивости. Любое последующее уменьшение плотности воды в поверхностном слое (вследствие нагревания, поступления менее минерализованной воды и т.д.) приведет к возникновению прямой плотностной стратификации и увеличению вертикальной устойчивости вод. Отмеченные про­цессы вертикального перераспределения вод с разной плотностью характерны для многих водных объектов — океанов и морей, озер и водохранилищ, болот, некоторых участков рек и т.д.

В водных объектах массы воды стремятся приобрести вертикаль­ную устойчивость, когда с глубиной плотность воды увеличивается. Встречаются две основные причины вертикальной расслоенности вод по плотности — различия в температуре воды и ее солености.

В пресноводных озерах и водохранилищах главная причина изме­нения плотности воды — нагревание поверхностных вод весной и летом, охлаждение осенью и зимой. В океанах и морях обычно ведущая роль принадлежит изменению солености воды в результате различных причин. Например, поступление пресных речных вод и атмосферных осадков, а также таяние льда ведут к распреснению поверхностных вод, увеличению вертикальных градиентов плотности и увеличению степени вертикальной устойчивости вод. Наоборот, повышенное ис­парение воды или поступление более соленых вод из других морских бассейнов может нарушить вертикальную устойчивость вод. В этом случае более плотная вода начинает опускаться на большие глубины.

Наиболее сложные процессы расслоения вод по плотности про­исходят при контакте пресных речных вод с солеными водами океа­нов и морей. Здесь, как правило, более легкие речные пресные воды распространяются в море в довольно тонком поверхностном слое над более плотными солеными водами. Однако бывают и исключения. Довольно редкий случай опускания по морскому дну пресной реч­ной, но тем не менее более плотной, чем в море, воды упоминался в разд. 1.3.2. Здесь повышенная плотность речной воды объясняется наличием очень большого количества мелких наносов. Другой слу­чай связан с сильным осолонением вод в прибрежных эстуариях и ла­гунах. Такое явление наблюдается, например, в устьях некоторых африканских рек (Гамбии, Сенегала и др.) и объясняется резким со­кращением пресноводного речного стока из-за сильной засухи в Са­харе в последние десятилетия, значительным испарением того не­большого объема речных вод, который все же попадает на устьевой участок реки, компенсирующим эту убыль воды поступлением в реку соленых морских вод и их последующим испарением. В результате в прибрежных эстуариях и лагунах вода может приобрести соленость намного большую, чем соленость морской воды. В итоге в эстуарии или лагуне накапливается очень соленая вода, которая начинает по­ступать обратно в океан в виде придонного потока с большой соле­ностью. Возникает парадоксальное явление — из реки в океан посту­пает вода более соленая и плотная, чем в нем самом. Это еще мало изученное явление получило название «обратного эстуария».