2. Стандартные способы и приборы для отбора проб воды для определения химических компонентов

В связи с тем, что в ходе проведения практики необходимо продемонстрировать зависимость биохимических процессов от глубины, то для отбора проб воды следует использовать батометры. Это – приборы, дающие возможность осуществлять отбор проб на заданной глубине. Наиболее пригодным для работы студентов является стандартный батометр Рутнера (рис. 1а). При его отсутствии возможно использование батометра самодельной конструкции (рис. 1б). Он представляет собой 1-л бутыль с притертой пробкой с грузом. Груз следует подбирать так, чтобы он обеспечивал потопление закрытой бутылки, но и не был слишком тяжелым, что может затруднить процесс работы и перенос батометра на дальние расстояния. Бутыль с закрытой пробкой опускают на требуемую глубину, открывают пробку шнуром, привязанным к пробке, и держат на намеченной глубине до прекращения выхода пузырьков воздуха. Вынутая бутыль должна быть наполнена до краев. Вынимать бутыль следует равномерно и не очень быстро, чтобы избежать турбулентных потоков воды, способных заместить часть отобранной воды в бутыли водой из вышележащих горизонтов.

3. Необходимые вспомогательные показатели и методы их определения.

3.1. Температура – фактор, влияющий на процессы в водоеме. Способы измерения температуры.

Температурный режим озера — одна из важнейших характеристик, поскольку температура воды является фактором, контролирующим многие протекающие в водоеме процессы.

А

Б

Рис. 1. А - батометр Рутнера; Б – самодельный батометр (1 – бутылка из толстого стекла; 2 – пробка; 3 – оплетка бутылки; 4 – камень-груз в оплетке; 5 – основная веревка; 6 – дополнительная веревка для открывания пробки; 7 – страховочная веревочная петля для пробки)

От температуры зависит режим растворенных в воде газов, продукционно-деструкционные процессы, смена планктонных сообществ. В связи с тем, что изучаемые озера и водотоки различны по гидрологическому режиму, то и термический режим может быть у каждого водоема различен. В связи с этим, при изучении динамики ряда гидрохимических показателей и определении первичной продукции на заданных глубинах, необходимо измерять температуру воды.

Температуру воды измеряют с помощью опрокидывающихся термометров, которые позволяют определить температуру на заданной глубине (рис.2а). В поверхностном слое температуру воды можно также измерять при помощи родникового термометра (рис. 2б). Возможно измерение температуры автоматическими датчиками. Такой датчик, например, входит в состав многопараметрического автоматического зонда YSI 6600 (рис. 7).

Б

А

Рис. 2. А – опрокидывающийся термометр; Б – родниковый термометр

3.2. Термический режим озер и его связь с распределением веществ.

В каждом водоеме плотные слои воды всегда располагаются ниже, а более легкие — выше: плотность воды с глубиной увеличивается. Плотность воды зависит от ее температуры и солености. Пресные воды минерализованы настолько мало, что их соленостью можно пренебречь. Плотность пресной воды определяется только ее температурой. Пресная вода приобретает наибольшую плотность при температуре, близкой к 4°.

Следовательно, если поверхностный слой воды, имеющий температуру около 0°, подвергается нагреванию, он становится плотнее и опускается вниз, вытесняя кверху более легкие слои. Вследствие такой конвекции возникает состояние, при котором температура воды растет с глубиной. Это состояние носит название обратной стратификации, или обратной тепловой слоистости воды. Этот факт необходимо учитывать в частности при послойном определении растворенного кислорода в водоеме, поскольку растворимость кислорода уменьшается с увеличением температуры. В тоже время необходимо учитывать увеличение концентрации кислорода в поверхностных слоях (эпилимнионе) в периоды повышенной фотосинтетической активности. В таких зонах сосредотачивается и основная масса растворенных органических веществ, выделяемых фотосинтезирующими организмами. Глубина фотического слоя находится в прямой зависимости от прозрачности воды.

Если нагревается поверхностный слой, имеющий температуру 4°, он будет делаться легче и останется наверху. Нагревание воды может распространяться вглубь только турбулентным путем, т.е., при перемешивании воды ветром. В этом случае устанавливается состояние, при котором температура с глубиной убывает, — это прямая термическая стратификация. При этом растворенные органические вещества, образовавшиеся на поверхности и поступившие с водосбора, могут распределяться вглубь.

Обратная стратификация (она наблюдается в зимний период) существует до тех пор, пока вся толща воды от поверхности до дна не нагреется до 4°. Прямая стратификация существует до тех пор, пока вся толща воды от поверхности до дна не охладится до 4°. Это происходит в осенний период. Состояние, при котором температура по вертикали не меняется и равна температуре наибольшей плотности воды, называется гомотермией. В озерах гомотермия и связанное с ней полное перемешивание водоема бывает весной и осенью. Большое значение это явление имеет для перераспределения биогенных элементов в озерах, когда они поступают из глубинных слоев (гиполимниона) к поверхности, где могут быть использованы планктонными водорослями. Именно поэтому, как правило, весной и осенью в озерах наблюдается вспышка в развитии фитопланктона. Прямая стратификация характерна для лета, обратная — для зимы.

Другая особенность термического режима озер — образование на определенной глубине в условиях термической стратификации слоя скачка, или металимниона, т. е. слоя резкого перепада температуры, высоких ее градиентов — значительно более высоких, чем в слое воды над ним (в эпилимнионе) и под ним (в гиполимнионе). Возникновение металимниона обычно связано с нагреванием воды выше 4°.

В этом случае поверхностный слой становится легче ниже лежащих слоев, т.е. погружаться не может, и эффективное согревание более глубоких горизонтов осуществляется при помощи перемешивания воды ветром. Перемешивание это с глубиной все более затрудняется, потому что в том же направлении возрастает плотность воды. Поэтому между верхней нагреваемой и нижней холодной толщей образуется резкий температурный раздел, где на очень коротком расстоянии по вертикали температура изменяется подчас на несколько градусов (иногда до 10° на 1м). Этот водный слой является своеобразной границей, препятствующей проникновению различных химических соединений из более глубоких слоев к поверхности и обратно.

Третьей особенностью термического режима, которая свойственна большим озерам, является появление и исчезновении термического бара.

Явление термического бара было обнаружено Ф. Форелем на Женевском озере. Форель обратил внимание, что в начале зимы в прибрежной зоне озера устанавливается обратная стратификация, температура воды на поверхности ниже 4° и местами около 0°, так что у самого берега образуется лед, тогда как на некотором удалении от берега в открытой части озера температура поверхности воды выше 4°, и там налицо прямая стратификация. Тот раздел между теплой и холодной водой, где они соприкасаются и где вода от поверхности до дна имеет температуру 4°, Форель назвал термическим баром.

Причина возникновения термического бара состоит в том, что различно нагретые воды прибрежных участков и открытого озера (с температурами выше и ниже температуры наибольшей плотности) в зоне контакта смешиваются и образуют толщу с температурой наибольшей плотности от поверхности до дна. Термический бар создает в озере две различные области - теплоактивная и теплоинертная. Этот эффект хорошо изучен на больших озерах северо-западного региона России (Ладожское, Онежское). В период проведения летних практик на о. Валаам (остров расположен в районе самых больших глубин Ладоги) можно наблюдать явление отступления термического бара и в силу этого смену сообщества фитопланктона с преобладанием более теплолюбивых форм. С изменением сообщества меняется и состав растворенных органических веществ.

Поскольку в термическом баре плотность воды наибольшая, то поверхность воды должна находиться здесь чуть ниже, чем в теплоактивной и теплоинертной областях. Это значит, что в поверхностном слое этих областей вода будет двигаться в сторону бара, затем опускаться вниз вдоль стенки бара и оттекать в придонном слое от подножия стенки в сторону от бара, т. е. в теплоактивной области — к берегу, в теплоинертной — в открытое озеро.

Эти два ниспадающих по обе стороны от бара потока существуют до тех пор, пока вся толща воды в озере не достигнет температуры наибольшей плотности. Это явление обусловливает распределение взвесей и химических соединений (в том числе загрязнителей) в озере и, в частности, растворенных органических веществ. Термический бар держится очень устойчиво, пока ему не придет время исчезнуть при гомотермии. Его не разрушает даже сильный ветер. Теплоактивная область всегда находится над мелководьем, теплоинертная — всегда над большими глубинами. Пока существует термический бар, эти области изолированы друг от друга, и весной и осенью.

Таким образом, термический бар — это, как и металимнион, тоже «слой скачка», только расположенный не в горизонтальной, а в вертикальной плоскости.

Описанные физические явления, связанные с температурой. необходимо учитывать при интерпретации полученных результатов по количественным и качественным характеристикам определяемых органических и неорганических веществ.