Кафедра физики моря и вод суши.
Логотип

ЭКСПЕДИЦИИ КАФЕДРЫ ФИЗИКИ МОРЯ И ВОД СУШИ

В июле 2003 - 2007 гг. на озерах Телецком (Горный Алтай) и Онежском (Карелия) работали экспедиции кафедры физики моря и вод суши физического факультета МГУ по теме «Стратифицированные течения и формирование распределений концентраций примесей в водохранилищах и озерах» (при поддержке по гранту РФФИ). В экспедициях работали 12 студентов 2-го - 5-го курсов и аспиранты под руководством внс дфмн Самолюбова Б.И. В исследованиях на Онежском озере (2007 г.) принял участие заведующий кафедрой физики моря и вод суши профессор Показеев К.В. Работы велись совместно со специалистами Института Водных и Экологических Проблем СО РАН на научно-исследовательском судне «Биосфера» на оз. Телецком и с научной группой Института Водных Проблем Севера КарНЦ РАН на Онежском озере с борта судна «Эколог».

Научно-исследовательское судно «Эколог» ИВПС КарНЦ РАН на Онежском озере

Задачи экспедиций включали: 1. Проведение измерений распределений скоростей течений, концентраций солей, кислорода, взвеси и температуры воды по глубине озер (по всей длине изучавшихся потоков) и выполнение долгосрочных серий зондирований во времени. 2. Исследование динамики вод и диффузии примесей для изучения механизмов массообмена и разработки методов прогноза формирования качества воды в озерах под воздействием стратифицированных течений.

Обнаружены придонные и промежуточные стратифицированные течения и детально прослежено их развитие в динамически активных ключевых зонах Телецкого озера. Получены новые данные о влиянии внутренних волн и мощных топографических возмущений на массообмен и перенос примесей. К выявленным крупномасштабным особенностям структур полей температуры и концентраций примесей относятся эффекты, обусловленные появлением вод максимальной плотности (с температурой 4ºС) в южной и северной частях озера.

За бортом - водная стихия, а по берегам - кедровая тайга (Телецкое озеро, июль 2003) Студентка 5-го курса Ардашева М.А. и аспирант Афанасьев Е.С. при проведении зондирований на оз. Телецком
Штилевые условия на оз. Телецком – подарок для исследователей глубинных течений Погружение градиентной установки для регистрации распределений скорости течения в оз. Телецком Студент 5-го курса Кузнецов И.С. (в центре), соискатель Шильнев А.В. (справа) и сотрудники ИВЭП СО РАН.

При перемещении этих вод вдоль дна в виде гравитационных течений и их последующего конвективного подъема возникают две зоны крупномасштабной циркуляции (продольный термобар). Это вызывает формирование ярко выраженного куполообразного по форме термоклина с вершиной в районе глубочайшей части озера и с сопутствующим повышением уровня аэробной зоны, расположенной в гиполимнионе (под термоклином). Под куполом зоны холодных аэробных вод в его центральной части появляются максимумы концентраций взвеси и растворенного кислорода, то есть возникают условия повышения биопродуктивности в водоеме. Над куполом развиваются подводные струйные течения, определяющие массообмен в деятельном слое водоема. Получены данные о ходе процессов самоочищения вод.

В исследованиях на Онежском озере в сентябре 2007 г. применялся измерительный комплекс, включавший помимо зондов и градиентной установки, которые использовались ранее, аппаратуры новую высокоточную аппаратуру: допплеровский профилограф скорости течения RDCP-600 и многопараметрический зонд RCM 9 LW. Эти приборы, изготовленные фирмой AANDERAA INSTRUMENTS (Норвегия), позволяли регистрировать не только вертикальные распределения вектора скорости течения, но и температуру, электропроводность, мутность воды и концентрацию растворенного кислорода. Все измерения сопровождались непрерывной регистрацией метеопараметров.

Петрозаводская губа Онежского озера Погружение допплеровского профилографа скорости течения RDCP-600 (Онежское озеро, сентябрь 2007)

Выполнена съемка Петрозаводской губы по 15 станциям с применением зондов Sea-Sun, RCM 9 LW, кондуктометра и оксиметра «Эксперт» и прозрачномера. Измерения проводились в условиях, близких к штилевым. Выявлена структура полей скорости течения и параметров состава воды в Петрозаводской губе. Обнаружено придонное термически стратифицированное течение, которое переносило примеси из губы в открытое озеро. Траектория течения пролегала по линии максимальных глубин в стороне от зоны водозабора системы водообеспечения г. Петрозаводска. Таким образом, зарегистрированное и детально исследованное нами течение предотвращало опасное вовлечение в эту систему загрязнений из реки Шуя. Подобное вовлечение бывает особенно сильным в пероды развития весеннего и осеннего термобара в озере. Основная часть примесей, по крайней мере весомых, транспортировалась от устья р. Шуя течением обнаруженным нашей экспедицией. Толщина придонного потока, распрстранявшегося на глубинах до 35 м, составляла 2 – 4 м, скорость достигала 12 см/с. При выходе из губы в открытое озеро течение отрывалось от дна и двигалось в виде подводной струи по поверхности вод большей плотности.

Работы в экспедиции на Онежском озере велись от зари и до заката и даже круглосуточно Подготовка к измерениям распределений температуры, электропроводности, мутности воды и концентрации растворенного кислорода. Студент 5-го курса Литвинов Е.А. (Онежское озеро, сентябрь 2007)

На осевой линии зарегистрированного течения проведены регулярные наблюдения на суточной станции с измерениями профилей скорости течения по всей глубине от поверхности до дна в точке с глубиной 26 м через каждые 10 мин допплеровским измерителем RDCP-600, поставленным на дно. При этом на горизонте постановки с той же дискретностью измерялись температура, мутность, электопроводность, концентрация растворенного кислорода и изменения уровеня поверхности воды. Одновременно зондами Sea-Sun, RCM 9 LW, кондуктометром и оксиметром «Эксперт» и прозрачномером, разработанным на нашей кафедре с дискретностью 30 мин велись подробные регистрации вертикальных распределений температуры, электоропроводности воды, концентраций растворенного кислорода, взвеси и хлорофилла-а. Структура течений определялась в основном сильными дрейфовыми потоками, обусловленными ветром со стороны открытого озера. Были зарегистрированы и детально прослежены процессы энергопередачи от дрейфового течения к придонному и сопутствующие преобразования распределений температуры и концентраций примесей, включая эффект размыва дна течением. Развивавшаяся в таких условиях (юго-восточный ветер) сгонно-нагонная циркуляция обеспечивала активное поступление холодных вод открытого озера в Петрозаводскую губу. Придонный поток из губы в этот период отсутствовал.

Аналогичная по составу измеряемых параметров и методике, но более короткая серия зондирований проведена в центральной части Петрозаводской губы в период развивающегося волнения при других синоптических условиях, определявшихся юго-западным ветром. Измерения пришлось прервать из-за штормового предупреждения. Однако данные, которые удалось получить в этой серии наблюдений, позволили проследить эволюцию структур течений по всей глубине озера при усилении дрейфового потока с характерным экмановским вращением вектора скорости течения по мере роста глубины. В 3-5 метровом придонном слое, над которым развивалось интенсивное перемешивание вод, существовал гравитационный плотностной поток из губы в открытое озеро, усиленный энергопередачей от дрейфового течения с геострофическим поворотом вектора скорости. Гидродинамическая устойчивость этого потока сохранялась, несмотря на волнение. Она обеспечивалась пониженной температурой придонных вод и выравниванием распределения плотности воды в вышележащих слоях. Причем дополнительное понижение температуры придонных вод в губе было связано с синоптической и гидродинамической обстановкой, измерения в которой велись в предшествующей серии зондирований

Результаты завершающегоо разреза по осевой линии Петрозаводской губы в условиях слабого волнения в целом подтвердили приведенные выше выводы первичного анализа данных, полученных на первом разрезе и в двух сериях зондирований с применением допплеровского профилографа течений RDCP-600, поставленного на дно на автономных буйковых станциях. Как и на первом разрезе работы велись с применением многопараметрических зондов Sea-Sun, RCM 9 LW, кондуктометра и оксиметра «Эксперт» и прозрачномера. Была зарегистрирована эмиссия облаков мутности, содержавших взвеси с загрязнениями из придонного стратифицированного течения к поверхности воды. Этот эффект, важный с точки зрения учета воздействий подобных течений на процессы формирования качества воды, фиксировался также и в сериях зондирований на срочных станциях.

В ходе исследований на Онежском озере обнаружены циркуляционные и придонные стратифицированные течения. Рассмотрены пространственно-временные преобразования структур полей скорости течений и параметров состава воды. Получены новые данные о влиянии гидродинамических процессов на перенос примесей в Петрозаводской губе озера.

Работы по анализу результатов гидрофизических измерений, а также данных гидрохимических и гиробиологических анализов, выполненных нашими коллегами из ИВЭП СО РАН и Института Водных Проблем Севера КарНЦ РАН продолжаются. Ведется разработка методов математического моделирования наблюдавшихся процессов. Планируются новые экспедиции на моря озера и водохранилища с участием студентов и аспирантов и сотрудников кафедры физики моря и вод суши.