Кисень у товщі озерної води • Олексій Гіляров • Науково-популярні завдання на «Елементах» • Екологія
У глибоких озерах середньої смуги у літню пору встановлюється температурна стратифікація (буквально — «шаруватість»). Вода самого верхнього шару — епілімніону — добре прогрівається сонцем і перемішується вітром. Нижче з певної глибини (3–5 м) температура раптом починає різко падати. Це зона температурного стрибка, абометалимніон. Нижня межа металімніону розмита, оскільки він плавно перетворюється нагіполімніон— велику глибинну зону, температура води в якій близько 4–5°C, тобто та, за якої досягається максимальна щільність. З настанням осінніх холодів температура епілімніону сильно знижується, а вітрове перемішування зачіпає все більший обсяг водної товщі. Зрештою виникає стан гомотермії - однакової температури від дна до поверхні. У цьому вся водна маса легко перемішується вітром. Взимку, коли поверхня сковує лід, а перемішування відсутнє, в озері встановлюється зворотна температурна стратифікація: безпосередньо під льодом найхолодніша вода, 1–2°C, а нижче – тепліше 4–5°C. Навесні, після того, як сходить лід, водна товща знову перемішується, і в ній на деякий час виникає стан гомотермії. Надалі, з прогрівання верхніх шарів, в озері поступово формується літня стратифікація. Річний цикл замикається (рис. 1).
Усі біологічні і хімічні процеси, що протікають в озері, найтіснішим чином залежать як від температури, так і від визначеної нею гідрологічної структури водної товщі (наприклад, від того, є перемішування чи ні). Основна маса фітопланктону (мікроскопічних водоростей та ціанобактерій) зосереджена в епілімніоні. Саме тут і утворюється більша частина первинної продукції (органічногоречовини, виробленого в ході фотосинтезу), за рахунок якої існують решта мешканців озера - від бактерій до риб. Скрізь, хоч і в різних місцях з різною інтенсивністю, відбувається розкладання органічної речовини - процес деструкції, в якому беруть участь усі організми, але особливо велика роль бактерій.
У другій половині літа гідробіологи, які працювали на одному невеликому, але глибокому озері середньої смуги, отримали криві вертикального розподілу температури та вмісту розчиненого кисню (рис. 2). Температурна крива свідчить про наявність чіткої стратифікації водної товщі, яка поділяється на епілімніон, металімніон та гіполімніон. Розподіл вмісту розчиненого кисню залежно від глибини – складніший. Висока концентрація його відзначена в епілімніоні, потім видно різке зниження (майже до нуля) в металімніоні, глибше - деяке зростання, яке незабаром змінюється падінням. На великих глибинах кисню у водяній товщі майже не було.Завдання.Поясніть, якими факторами в даному випадку визначається вертикальний розподіл кисню. Чому ця крива має саме таку, а не якусь іншу форму.
Зверніть увагу на те, як залежить від температури щільність води (рис. 3). Згадайте, що в процесі фотосинтезу як побічний продукт у зовнішнє середовище виділяється кисень. У процесі дихання всіх організмів (у тому числі бактерій, що розкладають відмерлу органічну речовину) кисень поглинається.
Гідробіологи, які проводили дослідження, не сумніваються, що виявлений ними складний вертикальний профіль вмісту кисню значною мірою визначається життєдіяльністю організмів. Судячи з наведених графіків, в озері на момент обстеження була сильно вираженатемпературна (а відповідно, та гідрологічна) стратифікація. У верхніх шарах кисню багато - він надходить з атмосфери, а крім того, виділяється у процесі фотосинтезу (нагадаємо, що в епілімніоні зосереджена основна маса фітопланктону). Надзвичайно сильне падіння температури з глибиною безпосередньо під епілімніоном, в зоні термокліну, це одночасно різке зростання щільності води. Відповідно, тут формується щось на кшталт «другого дна» — стрибок щільності, на якому затримуються частинки детриту, що опускаються зверху (відмерлі клітини фітопланктону, фекалії планктонних ракоподібних, трупи самих планктонних тварин тощо). Оскільки на цій глибині ще досить тепло, то на органіку, що надійшла зверху, накидаються бактерії, які, природно, дихають, причому інтенсивність обміну речовин у них надзвичайно висока. Не дивно, що при цьому весь присутній кисень витрачається бактеріями практично геть-чисто, а коли кисню стає мало, весь процес розкладання органічної речовини різко гальмується.
Глибше, як бачимо на графіку, кисню стає дещо більше. Звідки він? Це просто ще недовикористаний бактеріями кисень, що залишився у водній товщі з часу весняного перемішування. Рухаючись кривою профілю далі вниз, бачимо, що з глибиною кисню стає дуже мало. Це також результат життєдіяльності бактерій, які здійснюють розкладання всього того детриту, який поступово опускається з води вниз. Якби в нашому розпорядженні була серія вертикальних профілів кисню з самого початку літа, то ми б побачили, що раніше кисень зникає біля самого дна, а поступово межа безкисневої зони зсувається вище і вище. Металімніальний мінімум кисню формується пізніше,зазвичай ближче до кінця літа. Необхідні умови його виникнення - різкий градієнт температури (а відповідно, і густини) і висока первинна продукція, що утворюється в епілімніоні.
Післямова
Ситуація, описана у цій задачі, реально спостерігається в озері Глибокому (Рузький район Московської області). На березі цього озера знаходиться найстаріша в Україні та одна з найстаріших у світі прісноводна гідробіологічна станція. Різке зменшення вмісту кисню в металімніоні (так званий «металімніальний мінімум кисню») вперше було виявлено дослідниками, які працювали на цій станції ще 1930-х років. Це було одне з найперших добре документованих свідчень цього явища. Посилання на статті, в яких описувався металімніальний мінімум кисню в Глибокому озері, даються в найбільших світових зведеннях з лімнології, наприклад, у знаменитому «Трактаті з лімнології» (A Treatise on Limnology. Vol. I. London: Wiley & Sons. 1957) американського еколога та гідробіолога Дж. Евеліна Хатчінсона (George Evelyn Hutchinson).