Конвективное перемешивание. 
Лимнология

Гравитационная неустойчивость водной толщи в водоёме возникает при обратной плотностной стратификации, когда вышележащий слой воды приобретает плотность большую, чем плотность нижележащего слоя. Возможно и уменьшение плотности глубинных слоёв воды. Как только возникает такое состояние, вода более плотного слоя начинает погружаться в менее плотной воде, которая под действием архимедовой силы начинает всплывать. Образуется система противоположно направленных турбулентных смешивающихся нисходящих и восходящих токов воды — конвекция. Такое конвективное перемешивание называют свободным потому, что внешним силам не требуется для этого совершать работу. Конвективное перемешивание в водоёмах может иметь несколько разновидностей, возникающих при различных условиях.^[1]

Микроконвекция. При охлаждении водной поверхности вследствие испарения и других теплопотерь при температуре выше 4 °C на ней образуется поверхностный микрослой (ПМС) толщиной в несколько десятков микронов, остывающий и становящийся всё более минерализованным и плотным, чем подстилающая водная толща. Эта утолщающаяся плёнка сохраняет свою целостность, пока сила тяжести воды из-за разности плотности ПМС и слоя, в котором он возник, не станет больше силы поверхностного натяжения. Как только вес плёнки превысит критическое значение, ПМС разрывается и стягивается в капельки. Они увеличиваются, отрываются от тут же восстановившейся плёнки и постепенно погружаются. Диаметр этих капель — от 3 до 0,3−0,5 см, скорость погружения — примерно 0,2 см/с. Частично перемешиваясь с водой, они уменьшаются и исчезают на глубине порядка 10 см.

Микроконвекция — непрерывно происходящий процесс при открытой водной поверхности любого водоема. Его нет лишь в случаях, когда над водой появляется плотный туман, и испарение сменяет конденсация водяного пара.

Конвективные ячейки Бепара^[2] — упорядоченная мезоконвекция. Она возникает в ясные и безветренные ночи в июле-августе, когда вода, прогретая днем, интенсивно охлаждается в ночные часы вследствие длинноволнового излучения в атмосферу и испарения. На гладкой или покрытой пологой рябью водной поверхности обнаруживается ячеистая структура верхнего слоя водоема по скоплению плавающих органических частиц по периферии ячеек диаметром до 10−15 см (рис. 6.5 а). В центре ячейки происходит подъём тёплой воды (рис. 6.5 б), которая остывает на поверхности и растекается к периферии ячейки, где и образует нисходящий ток охладившейся воды. Глубина такого конвективного перемешивания, погружающего ночыо дневной слой скачка до синоптического пикноклина, достигает 2−3 м и более.

Рис. 6.5. Ячейки Бенара: а) снимок водной поверхности (по Г. В. Ржсплинскому); б) стрелками покатаны нисходящие токи охлажденной воды и растекание воды по поверхности от восходящего тока, обозначенного знаком +.

Циркуляция Ленгмюра^[3] — упорядоченная вынужденная конвекция, которая образует в холодную и ветреную погоду вытянутые по направлению ветра узкие полосы погружающейся охлаждённой воды, чередующиеся с более широкими полосами восходящих токов из теплого подповерхностного слоя воды (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Упорядоченная конвекция циркуляцией Ленгмюра. Векторы ветра (/), волнового течения (2) и дрейфового (5); полоса конвергенции и погружения остывшей воды (4) и зона дивергенции всплывающей теплой воды (5); асимметричные циркуляции в поперечном разрезе (6); токи воды в поверхностном слое (7) и в глубинном (8) — над слоем плотностного скачка; пенные полосы на водной поверхности (9) (по: R. G. Wetzel, 2001).

На поверхности охлаждающаяся вода в широкой полосе дивергенции (растекания), направляясь к полосам конвергенции (схождения токов воды), одновременно движется в волновом (стоксовом) и дрейфовом течении. Скорость поверхностного течения имеет наибольшее значение (до 20 см/с) в полосе над нисходящими токами выхоложенной воды. Эти полосы конвергенции хорошо видны на взволнованной водной поверхности по белой пенс и скоплению плавающих органических частиц. Расстояние между полосами увеличивается с интенсификацией конвективных вихрей и приблизительно равно удвоенной глубине слоя водоёма, охваченного упорядоченной ветром конвекции. За время перемещения воды от центра зоны дивергенции к полосе конвергенции, температура поверхностного микрослоя охлаждается на 0,2−0,3 °С, чему благоприятствует устойчивая стратификация приводного слоя воздуха.

По наблюдениям С. В. Рянжина на Ладожском и других озерах, размеры циркуляций увеличиваются (до 30 м в диаметре) с изменением скорости ветра от 3 до 10−15 м/с при условии достаточной глубины охваченного конвекцией участка водоёма. Наибольшая скорость нисходящих токов достигает 8−10 см/с, скорость восходящих — в 2−3 раза меньше. В циркуляции Ленгмюра частицы воды перемещаются с нсравномерной скоростью по крупным спиралям, вытянутым вдоль направления ветра. Вследствие развитой турбулентности при периодически возрастающей скорости циркуляционного течения происходит не только исключительно интенсивное перемешивание воды в утолщающемся эпилимнионе, но и увеличивается устойчивость пикноклина в металимнионе. При штормах со скоростью ветра более 10- 15 м/с высокие волны с «барашками» и большой скоростью орбитального движения частиц воды нарушают единую циркуляционную структуру упорядоченной конвекции, взамен возникают и разрушаются серии вторичных, менее крупных конвективных вихрей.

• [1] Хомские В. Динамика и термика малых озер. — Вильнюс: Минтис, 1968. — 204 с.
• [2] 2 Гидрофизик, воспроизведший конвективные ячейки в лабораторных условиях.
• [3] Langmuir I. Surface motion of water induced by wind // Science. — 1938. — 87. — P. 119−193.