Температура воды Байкала

Всякое изменение запасов тепла в озерах происходит главным образом за счет получения или отдачи тепла через поверхность. Согревание воды при этом получается не только вследствие проникновения солнечных лучей на некоторую глубину, но и в результате соприкосновения поверхности с более теплой атмосферой. Потеря же тепла происходит, помимо излучения тепла в пространство, главным образом в ночные часы, также и вследствие соприкосновения поверхности водоема с более охлажденной атмосферой.

Несколько охлаждаются или нагреваются водные массы проточных озер водами, поступающими в них из притоков, а также стекающими через сток. Наконец, дно водоемов, поглощая в летние месяцы до некоторой глубины тепло из водных масс, отдает его обратно осенью и зимою, являясь в это время источником прогревания водных масс, а летом — источником некоторого их охлаждения. Отдаваемое дном непрерывно в течение года некоторое количество тепла из недр земли составляет даже в таких глубоких озерах, как Байкал, ничтожную величину. Таковы основные факторы, определяющие запасы тепла в озере. Распределение же этого тепла в водных массах бывает весьма различно, в зависимости главным образом от степени перемешивания водных масс, особенно в вертикальном направлении.

Мы уже видели, что Байкал отличается от озер мира исключительно неблагоприятными условиями в смысле влияния на его водные массы со стороны атмосферы, притоков и берегов, так как благодаря исключительной глубине котловины Байкала и его относительно небольшой площади наблюдается диспропорция в отношении объема водных масс озера к его поверхности. Это обстоятельство уже заранее заставляет предполагать ряд таких особенностей в количестве тепла, приходящегося на единицу объема водных масс озера и распределении этого тепла в озере, которые в большинстве озер отсутствуют.

Прежде всего замечательны низкие среднегодовые температуры, которыми характеризуется поверхность Байкала. Если взять средние многолетние величины температур поверхности воды для каждого месяца в районе южного Байкала, то средняя годовая температура будет равна 4°.52, а для открытого Байкала или для района среднего Байкала она не превышает 3°.

Средние месячные температуры поверхности воды южного Байкала показывают, что наиболее высокие температуры приходятся на август, а средняя температура поверхности для ноября (4°.64) выше, чем для июня (4°.29). Для открытого Байкала наиболее высокие температуры поверхности воды приходятся на сентябрь и лишь в редкие годы превышают 10°. Для разных районов Байкала температуры поверхности различны. Бывают, однако, иногда исключительно безветреные летние месяцы, когда верхние слои значительно прогреваются. Так, в районе Лиственичного наблюдались в поверхностных слоях воды температуры в 20° и выше.

В громадном большинстве озер температура водных масс распределена по глубинам неравномерно, так как разные слои воды перемешиваются с верхними слоями различно. Для того чтобы понять особенности вертикального распределения температур водных масс Байкала, необходимо вкратце коснуться тех физических особенностей воды, влияние которых на термику водоемов стало ясным только после того, как мы предприняли специальное исследование температур всех слоев воды Байкала до самых больших глубин включительно.

Мы привыкли для пресных водоемов принимать температуру наибольшей плотности их воды равной 4°. Это вызвало оправданное многочисленными наблюдениями на неглубоких озерах убеждение в том, что если на какой–либо глубине наблюдалась в пресном водоеме температура в 4°, то глубже измерять ее нет смысла, так как она неизменно будет до любых глубин равной 4°. Это мнение было настолько твердым, что при всех определениях температур воды на глубинах Байкала, производившихся по поручению Иркутской обсерватории с 1898 по 1924 г., не делалось определений на глубинах, превышающих 300 м.

В 1925 г. первые же определения температур на глубинах, превышающих 300 м, убедили нас в том, что, начиная с этой глубины и до самых больших глубин Байкала, температура воды постепенно понижается, достигая на глубине 1600 м около 3°. Тогда же была установлена впервые для пресных озер и основная причина такого распределения температур по глубинам, а именно, влияние давления расположенного выше столба воды на водные массы на глубинах.

Дело в том, что каждые примерно 10 м столба воды соответствуют увеличению давления на ниже расположенный слой в одну атмосферу. Таким образом слой воды Байкала на глубине 1700 м находится под давлением в 170 атмосфер.

Выяснение влияния, которое имеет давление на пресноводные массы, показывает, что при увеличении давлений молекулярное строение воды меняется, и вследствие этого меняется и температура наибольшей плотности воды, и температуры ее замерзания.

В графике показаны температуры наибольшей плотности воды, соответствующие различным глубинам на Байкале.

В качестве примера для характеристики вертикального распределения температур в Байкале мы приводим в графике ряд изменений температур, относящихся к южному Байкалу, произведенных в течение 1934 года.

Особенности перемешивания водных масс Байкала в вертикальном направлении позволяют различать две основные глубинные зоны. Первая зона простирается от поверхности озера до глубины 200–250 м. В этой зоне в течение года температура воды бывает в летние месяцы выше, а в зимние — ниже, чем температура наибольшей плотности воды на данной глубине. Иначе говоря, в этой зоне устанавливается так называемая «прямая» и «обратная» термическая стратификация. В разные годы степень перемешивания водных масс в вертикальном направлении бывает разной, а потому и нижняя граница рассматриваемой зоны приходится на разной глубине, обычно не превышающей 250 м. В зоне этой, названной нами альтернирующей, что значит переменяющейся, наиболее ярко выражено влияние атмосферы, берегов и притоков на изменение температур водных масс в течение годового цикла, В самых верхних слоях этой зоны происходят все те изменения температур, которые вызываются перемешиванием водных масс волнением и не простираются глубже 8–10 м. Глубже проникают изменения температур, вызываемые суточным ходом метеорологических условий.

В зависимости от сезона и характера погоды такие изменения могут проникать до глубины от 15 до 100 м. Наконец, слой воды, находящийся глубже проникновения суточных изменений температур, подвержен только сезонным изменениям температур и простирается до нижней границы альтернирующей зоны. Сезонные колебания температур воды в Байкале в пределах альтернирующей зоны для района Лиственичного в 1934 г. выражались следующими величинами:

для поверхности		15°.0
глубины в	10 м	12°.85
	25 м	10°.93
	50 м	7°.83
	100 м	1°.60
	150 м	0°.62
	200 м	0°.37

Вторая глубинная зона, различаемая нами, занимает всю толщу водных масс, расположенную под альтернирующей зоной вплоть до дна озера. Зона эта, названная нами «переннирующей», т.е. неизменной, характеризуется тем, что температуры в ней в течение круглого года равны или выше температур наибольшей плотности воды на данной глубине, так что в ней в течение круглого года имеет место так называемая прямая термическая стратификация, с тем только отличием, что разность между наблюденной температурой и температурой наибольшей плотности воды в Байкале с глубиной возрастает, а в пределах альтернирующей зоны при прямой стратификации эта разность с глубиной уменьшается.

Переннирующая зона в верхних своих слоях характеризуется при обратной термической стратификации в вышележащей зоне своеобразной особенностью, а именно, там наблюдаются самые высокие во всей толще температуры водных масс. Температуры эти бывают равны температурам наибольшей плотности воды на этой глубине, т.е. около 3°.62 на глубине 200 м. Глубже температуры постепенно падают, достигая на глубине 1000 м около 3°.

Сезонные изменения температур проникают и в переннирующую зону благодаря перемешиванию водных масс с вышележащими слоями, но величина этих изменений постепенно уменьшается с глубиной. В более глубоких слоях перемешивание водных масс с вышерасположенными слоями столь слабо, что сезонные колебания температур этих глубин не достигают величины 0.1°.

Изучение тех изменений, которые происходят в температурах водных масс на разных глубинах в течение года, позволило установить несколько характерных периодов.

Первый период — подледный — продолжается в течение всего времени наличия на Байкале ледяного покрова. Этот период характеризуется в самом его начале и наиболее низкими в подледном слое температурами водных масс, постепенно повышающимися на глубине 200–250 м до величины около 3°.6. В это время запасы тепла в озере наименьшие в году. Под влиянием проникающих через ледяной покров солнечных лучей верхние слои воды подо льдом постепенно прогреваются, достигая ко времени вскрытия в местах, лишенных защищающего от прогревания снегового покрова, до одного и более градуса.

Второй период начинается сразу после вскрытия Байкала и продолжается до тех пор, пока все верхние слои воды до глубины в 200 м не прогреваются до температур около 4°. Это длится свыше месяца, и конец периода наступает обычно в конце июня — начале июля для южного Байкала и часто в середине июля для северных его районов. В течение всего этого периода температура верхних слоев воды повышается только от 3 до 4°. Такая исключительно важная как для развития жизни в начале лета, так и для влияния на окружающую местность остановка в прогревании верхних слоев воды Байкала в первую половину лета объясняется исключительно перемешиванием водных масс верхних слоев с глубинными слоями. Это перемешивание значительно облегчено, с одной стороны, тем, что, прогреваясь от 1 до 4°, пресные воды делаются более плотными (температура наибольшей плотности в верхних слоях воды около 4°) и, следовательно, нагревающиеся на поверхности озера водные массы опускаются на глубину. Кроме того, именно в это время плотность воды на всех глубинах Байкала почти одинакова, а потому перемешивание этих водных масс ветрами осуществляется полнее всего, как мы видели, до глубин в 700 м, а значит, и получаемое поверхностью озера тепло распределяется именно в это время в огромной толще воды, вызывая ее крайне медленное прогревание.

Третий период начинается на Байкале со времени появления в поверхностных слоях озера устойчивых температур выше, чем 4°, т.е. появления так называемой прямой термической стратификации, и продолжается до тех пор, пока не прекращается прогревание водных масс. Этот период летнего прогревания продолжается обычно в южном Байкале до сентября. В начале периода тонкий верхний слой прогревается, особенно в безветреные дни, очень быстро, но, перемешиваясь при волнении с лежащими под ним холодными водными массами, подвергается быстрым колебаниям температур. Лишь постепенно, по мере увеличения мощности прогреваемого слоя, температура его делается более устойчивой. Все же дующие с берега сильные ветры (горные) часто отгоняют в открытый Байкал прогретые верхние слои воды и поднимают с глубин воды с температурой в 4° и несколько ниже. Резкое понижение температур воды, сопровождающее сильные ветры возле подветренного берега, является очень характерным для всего периода.

В Малом море такой выход холодных вод к поверхности озера вызывается не только горным ветром у материкового берега, но и сильным ветром «баргузином» возле ольхонских берегов.

Четвертый период характеризуется постепенным охлаждением водных масс, начиная с поверхности озера, и до появления у поверхности температур, равных примерно 4°. Период продолжается в южном Байкале от сентября до начала ноября, а в северном еще дольше. В течение этого периода происходит постепенное выравнивание температур с глубиной, сопровождаемое их понижением вплоть до 4°.

Последний, пятый, период продолжается от времени появления устойчивых четырехградусных температур во всей толще водных масс до глубины около 200 м впредь до замерзания озера. В течение всего этого времени происходит такое же интенсивное перемешивание водных масс, как и в период весеннего прогревания, и сопровождается оно столь же медленным изменением температур верхних слоев озера, как и весной, так как за весь период они понижаются с 4° до нуля.

Однако те изменения температур, которые мы обрисовали выше, более характерны для южного Байкала и не одинаковы во всем озере.

Прежде всего, в среднем и северном Байкале происходит некоторое смещение границ периодов в сторону осени, вызванное не только северным положением этих районов, но и менее интенсивным их прогреванием подо льдом из–за обычных для них снегов, лежащих на ледяном покрове.

Совершенно отличаются от описанного термические особенности прибрежных районов Байкала, его глубоко врезанных в берег заливов и бухт, а также предустьевых пространств. Во всех этих местах изменения температур воды приближаются к имеющим место в окружающих Байкал водоемах, что объясняется тем, что водные массы этих сравнительно мелководных районов слабо или вовсе не перемешиваются с водными массами, залегающими на глубинах Байкала.

В предустьевых же пространствах имеет большое значение еще и принос впадающими реками вод, которые имеют температуры, значительно отличающиеся от байкальских, что способствует более раннему их прогреванию в начале лета, но зато и более быстрому охлаждению в начале осени. Интенсивному прогреванию водных масс в предустьевых пространствах способствует также значительное количество взмученных частиц наносов в этих водах, которые, нагреваясь под действием солнечных лучей, повышают температуру воды, в которой они находятся. Сравнивая температуры разных районов Байкала, можно еще отметить, что районы, прилегающие в южном и среднем Байкале к западным его берегам, в течение июля–сентября в верхних ста метрах имеют более низкие температуры, чем в районах, прилегающих к восточным берегам, что объясняется не только большей отмелостью восточных берегов, но и влиянием поперечных ветров, сгоняющих прогреваемые воды верхних слоев к восточным берегам и поднимающих у западных берегов к поверхности воды более холодных глубинных слоев.

Тесно связанным с охлаждением и прогреванием водных масс Байкала является появление и исчезновение на нем ледяного покрова. Еще задолго до замерзания Байкала на его берегах появляются замерзшие на скалах наплески волн и отдельные каемки льда у берега, носящие местное название «сокуев». Эти сокуи достигают особого развития вдоль отмелых восточных берегов озера, где они достигают высоты нескольких метров и представляют немалую опасность для плавания в это время на лодках, так как не позволяют высадиться на берег. Еще позднее появляются в озере отдельные ледяные поля и битые куски льда. Они переносятся ветрами, по озеру, занимая все большую площадь его поверхности, пока в тихое время, преимущественно ночью, Байкал не покроется ледяной коркой на очень большом участке. Сильные ветры, бушующие в это время, неоднократно снова взламывают ледяной покров, громоздя разломанные льдины друг на друга и образуя те торосистые поля, которые обычно так затрудняют путь по льду Байкала. Достаточно нескольких тихих морозных дней для того, чтобы ледяной покров Байкала уже настолько окреп, чтобы никакой ветер его не взломал, и тогда Байкал становится на зиму.

Байкал замерзает ежегодно на всем протяжении своей поверхности, если не считать остающегося из года в год незамерзшим участка, находящегося в истоке Ангары. Этот незамерзающий участок образуется вследствие того, что в Ангару втягиваются из Байкала водные массы не с самой его поверхности, а с некоторой различной при разных условиях глубины, на которой температура воды всегда бывает выше нуля. Ввиду этого в истоке Ангары даже при самых сильных морозах температура воды бывает на несколько десятых долей градуса выше нуля. Нужно некоторое время для того, чтобы водные массы, хорошо к тому же перемешиваемые течением реки, охладились до нуля или даже несколько ниже, чтобы замерзнуть, а за это время они успевают уже сплыть вниз по течению Ангары на некоторое, неодинаковое при разных условиях расстояние, на протяжении которого и тянется незамерзающая часть реки.

В разных районах лед достигает различной толщины. Если лед на Байкале образуется замерзанием свободной поверхности воды, на которой не плавает отдельных кусков льда, то он имеет исключительную прозрачность. Через него свободно видно на мелких местах дно и особенно удобно наблюдать подводную жизнь; лежа на льду и загородив лицо от бокового света, через прозрачный, как хрустальное стекло, лед в это время до глубин в 8–10 м можно достаточно хорошо рассмотреть на каменистых грунтах целые заросли стоящих, точно свечи, изумрудных губок, лежащих между ними большеголовых бычков, там и сям проплывающие стайки сторожкого хариуса; изредка удается заметить ярко расцвеченных гаммарид, неожиданно появляющихся между камней, отрывающихся на несколько секунд от дна и снова исчезающих между камнями или в зарослях губок.

В местах же, в которых до общего смерзания плавают куски льда или измельченные их части, все они вмерзают в верхние слои ледяного покрова, делая его малопрозрачным.

Задолго до вскрытия, под влиянием главным образом солнечных лучей, лед начинает разрушаться, особенно в верхних слоях. Самая поверхность ледяного покрова делается шероховатой от выступающих кристаллов, на которые распадается лед. В нижележащих его слоях появляются прослойки из мелких пузырей, делающих лед малопрозрачным. Образование кристаллов и прослоек пузырей идет как с верхней, так и с нижней поверхностей ледяного покрова. Кристаллы постепенно теряют связь между собой. Вода, скапливающаяся от таяния снега в верхней поверхности ледяного покрова, просачивается сквозь его толщу, так как весь он делается пористым.

Вскрытие Байкала от ледяного покрова наступает в разные годы в различные сроки, равно как и отдельные его части вскрываются также не в одно время.

Начинается вскрытие с того, что образуются на отдельных участках полыньи, которые под действием ветра делаются постепенно все больше. Происходит подвижка льда, смещение более крупных ледяных полей, а потом и разлом их на мелкие глыбы, которые еще долго после вскрытия озера плавают, постепенно тая, по его поверхности. Отдельные плавающие льдины можно встретить в северном Байкале вплоть до конца июня.

У западных берегов южной части Байкала сильные ветры обычно сдувают весь выпадающий на лед снеговой покров, так что поверхность остается чистой. В районах же, примыкающих к юго–восточным берегам южного Байкала, а также во всем среднем и северном Байкале поверхность льда обычно бывает покрыта более или менее толстым слоем снега.

Во многих местах поверхность ледяного покрова Байкала покрыта торосистыми грядами, состоящими из нагроможденных друг на друга льдин. Кроме того, во многих местах поверхность ледяного покрова пересекается трещинами. При сильных понижениях температур эти трещины делаются шире, достигая нескольких метров ширины, а при повышениях температур они смыкаются, и края их, нажимая друг на друга, образуют подсовы и торосистые гряды. При сильных морозах образуются разрывы ледяного покрова, связанные с образованием трещин, сопровождающихся сильным грохотом, напоминающим орудийную стрельбу, а образование нажимов — также своеобразным звуком в виде раскатов.

По этому поводу существуют весьма образные строки русского посла Спафария, проезжавшего Байкал, во время путешествия из Москвы с Пекин, в 1675 г. и давшего первое описание этого озера. Спафарий пишет: «А зимнею порою мерзнуть Байкал начинающе около крещеньева дни и стоит до мая месяца Николина дни, а лед живет в толщину по сажени и больше и для того по нем ходят зимнею порою санми и нартами, однакожде зело страшно, для того, что море отдыхает и разделяется на двое, и учиняются щели сажени в ширину по три и больше, а вода из него не проливается по льду, а вскоре опять сойдется вместе с великим шумом и громом, и в том месте учинится будто вал ледяной, и зимнею порою везде по Байкалу живет под ледом шум и гром великой, будто из пушки бьют, не ведающим страх великой».

В некоторых районах Байкала задолго до вскрытия лед в некоторых местах делается тонким, и затем вообще протаивает, образуя полыньи. Полыньи эти носят местное название «ключей» и действительно вызваны наличием в этих местах подводных ключей.

Подводные источники на Байкале содержат часто значительное количество газов, освобождающихся при выходе в виде пузырей, подымающихся к поверхности воды. Газы эти до вскрытия ключей скопляются под ледяным покровом в виде иногда значительного размера пузырей и вызывают вспучивание самого ледяного покрова. Если проткнуть в этом месте лед пешней, то газ с сильным шумом вырывается из отверстия наружу. После же вскрытия ключей газы выделяются на поверхность в виде пузырей. Хотя и в более слабом виде, выделение этих пузырей продолжается и после вскрытия Байкала, но волнение затрудняет обнаружение мест их выделения при отсутствии ледяного покрова. По своему химическому составу газы, выделяющиеся со дна Байкала, могут быть разделены на две группы. В одной из них, встречающейся преимущественно вдоль восточных берегов Байкала, в газах преобладают горючие углеводороды — спутники нефти. Такие газы хорошо горят и в случае их скопления подо льдом могут при зажигании вызвать взрывы. Другая группа газов, выделяющихся со дна Байкала, преимущественно вдоль западных его берегов, состоит из азота с примесью других инертных газов той же группы. Эти газы при их поджигании не горят.

Источник: Г.Ю. Верещагин. Байкал. Научно–популярный очерк. Под редакцией Д.Н. Талиева. Москва, 1949 г.