Конвекция, ее разновидности и причины возникновения в водоемах.

КОНВЕКЦИЯ – (от лат. convectio — перенесение, доставка), процесс вертикального перемещения объемов воды в водоемах под действием силы тяжести из одного слоя в другой.

Вертикальная плотностная неоднородность приводит к вертикальной конвекции, осуществляющей перенос в виде отдельных порций (вихрей) более плотных объемов воды вниз ко дну, более лёгких — вверх. Плотностная неоднородность может быть связана с термической неоднородностью водных масс и различием концентрации растворенных или взвешенных веществ (донные тяжелые потоки).

В водоемах К. проявляется в форме микроконвекции в поверхностном слое, ячеек Бенара (см.), вихрей Ленгмюра (см.), частичной и полной циркуляции водоема (см.), а также придонной К. в местах выхода более теплых подземных вод в сравнении с температурой придонной водной массы. В слабопроточных прудах, озерах и водохранилищах роль конвективного перемешивания в функционировании водной экосистемы и в формировании качества воды не менее велика, чем динамического перемешивания (см.), вызванного ветровым волнением и течениями.

ВИХРЬ ЛЕНГМЮРА – одна из форм свободного конвективного перемешивания поверхностного слоя водоема, нередко именуемая упорядоченной конвекцией. В.Л. возникают при интенсивном охлаждении водной поверхности и ветре со скоростью от 2 до 10 м/с. Они представляют собой вихри с горизонтальной осью, расположенной вдоль направления ветра. Диаметр вихря, охватывающего поверхностный слой воды, может достигать 5—10 м. Вода в соседних вихрях вращается в противоположном направлении и в то же время движется по ветру в дрейфовом течении (см.). В зонах конвергенции, т.е. зонах схождения на поверхности водоема струй соседних вихрей, выглядящих на акватории вытянутыми по ветру параллельными полосами и расположенными друг от друга на расстоянии, равном удвоенному диаметру вихря, скорость дрейфового течения существенно больше, чем в зонах дивергенции, где происходит подъем воды. Скорость погружения охлажденной на поверхности воды в конвергентной зоне также в 2—3 раза больше (до 7—8 см/с), чем скорость подъема относительно теплой и менее плотной воды в зоне дивергенции, что свидетельствует об асимметрии вихря относительно своей оси вращения. В поверхностом слое воды, толщиной, равной приблизительно половине расстояния между пенными полосами на поверхности водоема, регистрируется полная однородность физических и химических свойств воды по вертикали и резкое изменение их непосредственно под нижней границей этого слоя, в металимнионе (см.). Явление упорядоченной конвекции впервые описал Ленгмюр (I.Langmuir) в 1938 г., хотя столетием ранее на это явление обратил внимание Ч.Дарвин (1835 г.) во время плавания на корабле "Бигль" у берегов Огненной Земли, где, по его свидетельству, вода была покрыта узкими полосами яркокрасного цвета из-за множества ракообразных, похожих на креветок; образование полос, по мнению ученого, было связано с ветром. Экспериментально измерил скорость погружения охлажденной воды в этих вихрях С.В.Рянжин (1977); математическую модель, воспроизводящую основные особенности этого гидродинамического явления, разработал А.Е.Орданович в 1993—1994 гг. Однако имеются и другие гипотезы, объясняющие возникновение этих вихрей. В.Л. служат, по-видимому, главным механизмом выравнивания по вертикали характеристик физических, химических и биологических свойств воды в эпилимнионе (см.) озер и слабопроточных водохранилищ, как и в квазиоднородном поверхностном слое воды в морях и океанах, происходящего при похолоданиях погоды, и еще большего заглубления в эти синоптические периоды сезонного слоя скачка

МИКРОКОНВЕКЦИЯ – (от греч. mikros — малый и лат. convectio — перенесение, доставка), процесс вертикального перемещения и обмена небольших объемов воды в поверхностном слое водных объектов, одна из наиболее распространенных форм конвекции (см.). М. зарождается в очень тонком, толщиной в несколько микрон поверхностном микрослое вследствие увеличения в нем плотности воды, когда расходные компоненты теплового баланса этого микрослоя превышают поглощаемое им тепло из атмосферы. Его температура становится на несколько десятых градуса ниже температуры нижележащего слоя. Повышению плотности поверхностного микрослоя способствует и увеличение его минерализации вследствие концентрирования раст воренных в нем солей при испарении воды с поверхности водоема. Процесс уплотнения воды поверхностного микрослоя прерывается в основном лишь в периоды очень высокой влажности приводного слоя воздуха, при тумане и конденсации паров воды на сильно охлажденной водной поверхности. Рост плотности воды поверхностного микрослоя продолжается до тех пор, пока его гравитационная неустойчивость компенсируется силой поверхностного натяжения. Затем следует разрыв поверхностной пленки, ее стягивание в каплю более плотной воды, которая, оторвавшись от поверхности, тонет, одновременно растворяясь в подстилающем подповерхностном слое менее плотной воды. Диаметр капель около 5 мм, скорость их погружения около 2 мм/с, а глубина охваченного М. слоя воды может достигать 15—20 см. Явление М. в период открытой (без льда) воды важно учитывать при исследовании и моделировании процессов тепло- и массообмена водных объектов с атмосферой, жизнедеятельности организмов нейстона (см.) и их роли в формировании качества воды в водоемах. При ледоставе также имеет место М. в подледном слое не только моря, но и пресного водоема, вызываемая осолонением этого слоя в процессе льдообразования на нижней поверхности ледяного покрова.

Ячейки Бенара - Особенность конвекции в тонком слое жидкости, имеющей свободную поверхность и нагреваемой снизу: когда разность температур на нижней и верхней поверхностях жидкости превысит определенный предел, жидкость разбивается в горизонтальном направлении на ячейки. В центре каждой из них конвекционное движение направлено вверх, а на периферии — вниз. Постепенно ячейки становятся правильными шестиугольниками.

ЦИРКУЛЯЦИЯ ВОДОЕМА – состояние водоема суши во время длительного перемешивания его водной толщи по вертикали. Различают частичную циркуляцию, когда слой, охваченный конвекцией (см.), меньше глубины водоема, и полную циркуляцию, в которую вовлечена вся водная толща до самого дна, что наблюдается лишь в голомиктических озерах (см.) небольшого размера. В крупных озерах умеренных широт полная циркуляция происходит только в зоне термического бара (см.). Во всех меромиктических озерах (см.) возможна лишь частичная циркуляция до глубины хемоклина (см.). Число периодов циркуляции в год и их продолжительность определяют тип температурного режима озера, см. температурный режим водоемов суши. Ц.в. имеет очень важное экологическое значение, существенно замедляя процесс его эвтрофирования (см.) благодаря периодическому смешению поверхностных и придонных водных масс, насыщению глубинных слоев воды кислородом и удалению из них продуктов разложения органических веществ.