Экспедиция кафедры физики моря и вод суши на Телецкое озеро

После шестилетнего цикла экспедиций по изучению турбулентных, стратифицированных течений и распространения примесей в равнинных водохранилищах России, мы решили, что настала пора замахнуться нам "на Вильяма нашего Шекспира", и провести исследования в водоемах более крупного масштаба, поехав куда-нибудь подальше… Выбор пал на Телецкое озеро.

Удивительное по красоте Телецкое озеро расположено на Горном Алтае на высоте 434 м над уровнем моря и окружено горами, достигающими 2400 м. Максимальная глубина озера - 325 м, длина - 78 км, ширина до 5 км. Крупнейший приток - река Чулышман, а вытекает из озера р. Бия, которая затем, сливаясь с р. Катунь, образует р. Обь.

Среди 50 глубочайших озер мира Телецкое озеро занимает 39 место. По объему пресной необычайно чистой воды (40 км3) среди озер бывшего СССР Телецкое находится на втором месте после Байкала. По особенностям развития этот водоем нередко называют малым Байкалом. Озеро входит в Алтайский государственный заповедник, включено ЮНЕСКО в Список объектов мирового наследия и отнесено к числу первоочередных объектов во Всемирной программе изучения климата озер. Однако, несмотря на это, данные структурных комплексных гидрофизических исследований, включающие результаты измерений распределений скорости течения и параметров состава воды, до настоящего времени отсутствовали.

Правда, наш выбор Телецкого озера в качестве объекта исследований основывался не только на особенностях его природы, но и тем, что мы заручились поддержкой Сибирского отделения Академии наук.

Итак, в июле 2003-го года экспедиция в составе семи человек (студенты 5-го курса Ардашева М.Е., Звездун К.И., Кузнецов И.С., студентка 4-го курса Гребнева Н.В., аспирант Афанасьев Е.С., ассистент Шильнев А.В., руководитель экспедиции - внс кафедры физики моря и вод суши, дфмн Самолюбов Б.И.) отправилась на Горный Алтай.

Двое с половиной суток в поезде - и мы в Барнауле. Встречают нас сотрудники Института Водных и Экологических Проблем СО РАН (ИВЭП). Далее еще 10 часов пути на автобусе (за которым следовал грузовик с аппаратурой), и вечером мы, наконец, достигаем конечной точки маршрута - Телецкого озера.

Разгружаем оборудование на причале, ужинаем на скорую руку, и располагаемся на ночлег. Утро встречает нас завораживающей картиной: перед нами раскинулось во всей красе огромное озеро, окруженное горами, как брильянт в драгоценной оправе. Горы с укутанными туманом вершинами покрыты лесом, лес примыкает и к самому озеру, вернее, даже не лес, а настоящая кедровая тайга.

На следующий день начинаются сборка аппаратуры и ее испытания, а еще через день мы приступаем к исследованиям. В нашем распоряжении было научно-исследовательское судно "Биосфера", принадлежащее ИВЭП СО РАН. Исследования велись совместно со специалистами этого института по гидрохимии и гидробиологии.

По нашему плану структурных исследований энерго - и массообмена в озере намечалось

1) получить распределения скоростей течений, температуры воды, концентраций взвеси, растворенных солей и кислорода, по глубине, длине озера и во времени;

2) выявить закономерности эволюции состава воды с учетом турбулентного и волнового массопереноса, а также перемещений генетически различных вод и фронтальных зон;

3) собрать и систематизировать (в комплексе с материалами новых измерений) данные о гидрологическом и гидрохимическом режимах озера;

4) выявить физические механизмы массообмена, определяющие формирование качества воды в озере под влиянием придонных и промежуточных стратифицированных течений.

В ходе работ были проведены детальные измерения на разрезе по всей длине озера с первыми в истории исследований этого водоёма комплексными съемками вертикальных профилей скорости, температуры воды, концентраций растворенных солей, кислорода, взвеси, с отбором проб воды и их химическими и гидробиологическими анализами, а также с параллельным контролем метеорологических параметров.

Для изучения эволюции структур течений и полей параметров состава воды выполнены две многочасовые серии детальных последовательных вертикальных зондирований с измерением указанных характеристик в динамически активных ключевых зонах озера, в его южной и северной частях (в приустьевой зоне р. Чулышман и в районе мыса Караташ).

Несмотря на имеющийся опыт, многочасовые серии измерений иногда давались нам нелегко. Требовала отладки новая глубоководная аппаратура, приходилось быстро ориентироваться в необычных для нас условиях резко меняющегося рельефа дна, приспосабливаться к быстрым переменам погоды, которые требовали гибких изменений программы работ. Зато в случаях прибытия в основной пункт базирования на берегу нас ожидала баня! После целого дня на свежем озерном воздухе, иногда под лучами палящего солнца, а чаще под проливным дождем и при холодном ветре, вечерняя баня была настоящим наслаждением. Правда, к берегу нам удавалось пристать далеко не каждый день, и много ночей мы провели на борту судна.

Мы и не заметили, как пронеслись две недели. Пора собираться в обратный путь. Пакуем аппаратуру - и опять 10 часов на автобусе, ночь в Барнауле, двое с половиной суток на поезде - и мы дома. Август отводим на заслуженный отдых, и в сентябре приступаем к обработке полученных в ходе экспедиции данных.

Предварительный анализ показал существенное влияние термической стратификации вод озера, топографии и внутренних волн на динамику и структуру подводных стратифицированных промежуточных и придонных течений. Генерация наблюдавшихся внутренних волн обусловлена сейшевыми колебаниями и нестационарностью дрейфовых течений. Обнаружены ярко выраженные красивые эффекты энергопередачи из приповерхностного слоя в придонный и сопутствующие эффекты эволюции структур полей температуры и концентраций примесей. В ходе этого процесса, ускорения придонных плотностных течений, опережающих вышележащие воды, сопровождались резкими прогибами изотерм в придонную область и формированием облаков мутности.

Удалось проследить развитие сильных подводных плотностных потоков от зон их зарождения в устье р. Чулышман (основного притока озера) и в области перехода от глубоководной части к району стока из озера в р. Бию. Структуры этих течений с внутренними струями, несущими воды разного состава, претерпевали чередующиеся преобразования, связанные с неоднородностями структуры поля плотности воды, рельефа дна и нестационарностью проникающего ветрового воздействия. Такие преобразования включали бароклинные и гравитационные ускорения, отрывы потоков от дна, переходы от многоядерных течений к одноядерным. Особый интерес представляют обнаруженные вспыхивающие вторичные придонные стратифицированные по плотности потоки, существенно влияющие на качество вод, поступающих в р. Бия и далее в р. Обь.

К крупномасштабным особенностям структур полей температуры и концентраций примесей относятся наблюдавшиеся нами эффекты, обусловленные появлением вод максимальной плотности (с температурой 4?С) в южной и северной частях озера. При стекании этих вод (с непрерывным изменением температуры и других параметров) вдоль наклонного дна и их последующем конвективном подъеме возникают две зоны крупномасштабной циркуляции - продольный термобар, охватывающий глубоководную часть озера. Это явление, которое численно моделировалось в работах гидромехаников ИВЭП СО РАН, вызывает формирование ярко выраженного куполообразного по форме термоклина с вершиной в окрестности самой глубокой части озера. Одновременно повышается уровень аэробной зоны, расположенной в Телецком озере в гиполимнионе (под термоклином). По нашим данным, в области купола холодных аэробных вод, в его центральной по длине озера части, появляются максимумы концентраций взвеси и растворенного кислорода, то есть возникают условия локального повышения биопродуктивности в водоеме. Над холодным куполом обнаружены подводные бароклинные струйные течения, определяющие массоперенос в деятельном слое водоема по всей его длине. Получены данные о ходе процессов самоочищения вод при осаждении взвешенных частиц, изменениях коцентраций растворенных солей и кислорода на разрезе.

Сейчас - декабрь, и работы по анализу результатов гидрофизических измерений, а также данных гидрохимических и гидробиологических анализов идут полным ходом. Ведется математическое моделирование наблюдавшихся процессов. Полученные результаты представляют собой не только необходимую первичную базу для разработки методов прогноза формирования качества воды в Телецком и других аналогичных озерах под воздействием стратифицированных течений, но и важную основу для развития дальнейших экспериментальных и теоретических исследований.

Ведущий научный сотрудник кафедры
физики моря и вод суши, дфмн Самолюбов Б.И.