Озеро Виштынец

Нырни в жаркий день в глубокое озеро — у поверхности парное молоко, а копни ластами на пару метров вниз, и ноги обдаёт холодом. Озеро Виштынец, самое глубокое в области, живёт именно так: летом оно разделено на «этажи».

Солнце прогревает только верхушку. Сверху лежит тёплый, перемешанный ветром слой — эпилимнион (18–22 °C). У дна — холодный и неподвижный гиполимнион (4–6 °C). А между ними — тонкая прослойка, термоклин, где температура падает примерно на градус с каждым метром. Перейти эту границу теплу почти не удаётся: этажи держатся раздельно всё лето.

Что мешает слоям перемешаться — ведь ветер день за днём гонит волну? И почему дважды в год озеро всё-таки «переворачивается»? Дело в плотности воды.

Тёплая вода легче холодной. Разница плотностей тёплого и холодного слоёв всего около 2 кг/м³ — кажется, пустяк, но этого хватает: лёгкая вода лежит на тяжёлой устойчиво, и ветру энергетически «дорого» поднимать плотную придонную воду наверх. Чем резче скачок плотности на термоклине, тем устойчивее граница; меру этой устойчивости задаёт частота Брюнта–Вяйсяля:

$$ N = \sqrt{-\frac{g}{\rho}\,\frac{d\rho}{dz}} $$

Чем круче растёт плотность с глубиной ($d\rho/dz$), тем больше $N$ и тем быстрее «качаются» внутренние волны на границе слоёв, не давая им смешаться¹.

Но дважды в год расклад ломается. Осенью поверхность остывает, тяжелеет, тонет и перемешивает всю толщу до дна, насыщая его кислородом; весной всё повторяется. Озёра с двумя такими переворотами в год называют димиктическими — и Виштынец из их числа.

Где работает тот же закон?

Та же устойчивая слоистость — у океана (постоянный термоклин на глубине) и у атмосферы (температурная инверсия, что запирает смог над городом). Частота Брюнта–Вяйсяля одинаково описывает внутренние волны и в озере, и в океане, и в воздухе: всюду, где лёгкое лежит на тяжёлом, она задаёт, как упруго колеблется граница.

Почти все жидкости при нагреве расширяются и легчают, а при охлаждении уплотняются — и были бы холоднее всего у дна вплоть до замерзания. Вода — редкое исключение: плотнее всего она не при 0 °C, а при +3,98 °C. Вблизи этой точки

$$ \rho(T) \approx \rho_0\,[\,1 - \beta\,(T-4)^2\,], \quad \beta \approx 7\cdot10^{-6}\;°\text{C}^{-2} $$

Парабола с вершиной при +4: и теплее, и холоднее этой температуры вода легче и всплывает¹. Поэтому самая тяжёлая вода — именно четырёхградусная — тонет и копится у дна, а у дна глубокого озера круглый год держится около +4 °C. Та же аномалия не даёт озёрам промерзать насквозь: остывшая ниже +4 вода легчает, остаётся у поверхности и замерзает сверху, а лёд накрывает озеро крышкой — подо льдом жизнь зимует при тех же +4.

Глубина, чистая и холодная вода, бедная питательными веществами — всё это делает Виштынец олиготрофным озером с особыми экосистемами; за прозрачность и древность его и зовут «Балтийским Байкалом».

Открытый вопрос

Тёплые зимы укорачивают ледостав и сдвигают сроки осеннего и весеннего переворотов. Если перемешивание станет реже или слабее, у дна будет накапливаться меньше кислорода — насколько это изменит холодноводные экосистемы «Балтийского Байкала»?