СТУДЕНЧЕСКАЯ ПРАКТИКА И ЭКСПЕДИЦИЯ
КАФЕДРЫ ФИЗИКИ МОРЯ И ВОД СУШИ
НА ОНЕЖСКОЕ ОЗЕРО

---

    10 августа 2008 г. 8 студентов кафедры физики моря и вод суши физического факультета МГУ, включая участников практики с 3-го и 4-го курсов и 2-х дипломников, прибыла в г. Петрозаводск на борт научно-исследовательского судна «Эколог» Института Водных Проблем Севера КарНЦ РАН. Выполнение учебной и научной программы практики обеспечивала группа сотрудников физического факультета, в которую входили внс дфмн Самолюбов Б.И., снс кфмн Будников А.А. и мнс Колесов С.В. После короткого отдыха разгрузили автомашину с аппаратурой и к вечеру весь измерительный комплекс, включавший разнообразную погружаемую и бортовую аппаратуру, был собран. На следующий день (11.08.2008) судно в 08:50 отошло от причала и в 09:30 приступило к гидрофизической съемке Петрозаводской губы Онежского озера с комплексными измерениями распределений параметров течений и состава воды на акватории.
     
    Программа работ включала обучение студентов методам гидрофизических исследований структур полей скорости течения, температуры, концентраций взвеси, растворенных солей и кислорода. Предусматривалось выполнение разрезов по глубине и длине озера, а также серий многочасовых последовательных зондирований на срочной станции с использованием современных высокоточных измерительных комплексов. Планировалось выявление закономерностей динамики вод и диффузии примесей для изучения механизмов массообмена и разработки методов прогноза формирования качества воды в озере под воздействием стратифицированных течений и внутренних волн.

     Онежское озеро (Онего) - второе по площади пресноводное озеро Европы, занимающее 20-е по площади и 24-е место по объёму среди озер Земли. Длина озера 245 км, ширина 88 км, площадь 9943 кв. км, максимальная глубина – 119 м. Онежское озеро является узловым звеном единой глубоководной системы Европейской части России, соединяющей Балтийское и Белое моря, а также имеющей выход в Черное и Азовское моря. В озеро впадает 52 реки.
 
    Исследования, в ходе которых проводилось обучение студентов, продолжались 6 дней. Занятия со студентами проводили сотрудники физического факультета, которые выполняли эти работы систематически. Активное участие в учебном процессе принимал научный сотрудник ИВПС КарНЦ РАН А.В. Толстиков, прочитавший лекцию об особенностях Онежского озера и динамики его вод, а также о судне «Эколог» и о методах исследований, которые ведутся Институтом Водных Проблем Севера.

    Особый интерес представляли лекция и практические занятия, проведенные специально приглашенным ведущим в России специалистом по морской аппаратуре норвежской фирмы Аандераа внс ООО «Компания ИНФОМАР» В.В.Елисовым, который детально ознакомил студентов с конструкциями новейших дорогостоящих приборов, полученных нашей кафедрой к последнему юбилею МГУ. Дело в том, что в августе 2008 г., впервые в истории проведения студенческой практики кафедры физики моря и вод суши, применялся измерительный комплекс, включавший помимо зондов и градиентной установки, которые использовались ранее, новую высокоточную аппаратуру: допплеровский профилограф скорости течения RDCP-600 и многопараметрический зонд RCM 9 LW.
       
    Эти приборы, изготовленные фирмой AANDERAA INSTRUMENTS, позволяют регистрировать не только вертикальные распределения вектора скорости течения, но и температуру, электропроводность, мутность воды и концентрацию растворенного кислорода. Все измерения сопровождались непрерывной регистрацией метеорологических параметров.

    В первые два дня измерений были выполнены 2 съемки Петрозаводской губы и прилегающей юго-западной части открытого озера по 29 станциям с применением зонда RCM 9 LW, кондуктометра и оксиметра «Эксперт» и прозрачномера. Работы проводились в условиях, близких к штилевым. Интенсивные измерения дали интересные результаты. На двух продольных разрезах (протяженностью по 54 км каждый) выявлена воспроизводящаяся в основных чертах структура полей скорости течения и параметров состава воды в Петрозаводской губе.

    Удалось обнаружить термически стратифицированную струю, распространявшуюся преимущественно на промежуточных горизонтах (в области термоклина), которая переносила воды с относительно повышенной минерализацией из губы в открытое озеро.

     Таким образом, было зарегистрировано подводное течение, двигавшееся по поверхности, нижележащих вод повышенной плотности как по «жидкому грунту».  Струя была прослежена по всей длине разреза. В губе это течение обеспечивалось вызванной ветром циркуляцией вод в горизонтальной плоскости и, кроме того, оно ускорялось на жидком грунте (на термоклине с глубиной залегания, растущей в сторону открытого озера). Поэтому обнаруженный поток уходил из зоны внутренней циркуляции, имевшей место в губе. За пределами залива струя попадала в зону действия близкой по направлению течения крупномасштабной озерной циркуляции. Причем траектория течения в основном пролегала по линии максимальных глубин и лишь заливе несколько приближалась к прибрежной зоне системы водозабора г. Петрозаводска. Таким образом, зарегистрированное струйное течение могло способствовать опасному вовлечению в эту систему загрязнений из реки Шуя.

      После выполнения разрезов 13.08.2008, в первой половине дня, была проведена традиционная для практик кафедры физики моря и вод суши экскурсия в Государственный историко-архитектурный и этнографический музей-заповедник на острове Кижи. Остров Кижи расположен в Онежском озере в 66 км от Петрозаводска. Путь к нему проходил среди живописного скопления островов, называемых Кижскими шхерами. На острове Кижи расположен всемирно известный архитектурный ансамбль, состоящий из множества древних деревянных церквей, строений и домов. Некоторые из этих строений были построены на месте, другие (небольшая часть) привезены сюда из других мест. По одной из легенд, здания сделаны одним топором (без других инструментов), который потом мастер выбросил в озеро. Несмотря на постоянно моросивший дождь,экскурсия оставила у нас богатые неизгладимые впечатления и явилась хорошей разрядкой перед очередным достаточно сложным этапом исследований.
    
    Затем судно снялось с якоря и вечером того же дня пришло в Петрозаводскую губу для выполнения 36-часовой серии комплексных зондирований в центральной части залива. Наблюдения на  этой станции включали измерения профилей скорости течения по всей глубине от поверхности до дна через каждые 10 мин допплеровским измерителем RDCP-600, поставленным на дно. При этом на горизонте постановки (при глубине места 23 м) с той же дискретностью измерялись температура, мутность, электропроводность, концентрация растворенного кислорода, изменения уровня поверхности воды и параметры волнения.

      Одновременно зондом RCM 9 LW, кондуктометром и оксиметром «Эксперт» и прозрачномером, разработанным на нашей кафедре, с дискретностью 30 мин велись подробные регистрации вертикальных распределений температуры, электропроводности воды, концентраций растворенного кислорода и взвеси.

       
    В таких условиях, при высокой устойчивости термической стратификации вод (разность температур в приповерхностных и придонных слоях была порядка 10o), были выявлены и детально прослежены структурные преобразования течений в верхнем, промежуточном и придонном слоях. 

    Течение в придонной ветви циркуляции, направленное вверх по заливу, характеризовалось толщиной 3 - 6 м и скоростью 10-30 см/с. Придонное течение периодически теряло гидродинамическую устойчивость (по числу Ричардсона для потока в целом). Потери устойчивости сопровождались резкими повышениями толщины потока и переносом импульса и примесей из придонного слоя  в вышележащие слои воды. Такому процессу сопутствовало загрязнение промежуточных вод озера.

    На высотах 5 - 15 м над уровнем дна развивались промежуточные струи со скоростями порядка 10 см/с, которые усиливались при повышении гидродинамической устойчивости течений по всей глубине к ветровому воздействию (по полному числу Ричардсона для всей водной толщи). При этих усилениях струи, компенсационные по отношению к приповерхностному дрейфовому потоку, поднимались на высоту порядка  10 - 15 м и располагались над уровнем максимума вертикального градиента плотности воды.



     Так возникала циркуляция над термоклином, включавшая приповерхностное дрейфовое течение и расположенную ниже компенсационную стратифицированную струю. В определенных ситуациях наблюдалась вторая ячейка циркуляции, размещавшаяся под термоклином. Эти данные анализировались совместно с полученными одновременно распределениями параметров состава воды. Установлено, что под влиянием обнаруженных струй, которые были направлены со стороны открытого озера к вершине залива, в промежуточные слои поступали воды с дефицитом кислорода, повышенными концентрациями взвеси и растворенных солей.
     Результаты завершающего разреза, выполненного после 36-часовой станции  по осевой линии Петрозаводской губы, подтвердили некоторые из приведенных выше выводов первичного анализа данных, полученных на первых двух разрезах и в серии зондирований. Вместе с тем выявлен ряд отличий, связанных с преобразованиями структур течений под влиянием  изменений скорости и направления ветра. Как и на первом разрезе работы велись с применением многопараметрического зонда RCM 9 LW, кондуктометра и оксиметра «Эксперт» и прозрачномера.
      
    В ходе исследований при проведении студенческой практики на Онежском озере обнаружены циркуляционные, струйные стратифицированные течения и потоки, вызванные внутренними сейшами. Выявлены пространственно-временные преобразования структур полей скорости течений и параметров состава воды. Получены новые данные о влиянии гидродинамических процессов на перенос примесей в Петрозаводской губе озера.

     Участники практики, получившие неоценимый опыт натурных гидрофизических исследований, достаточно серьезные научные результаты и прекрасные впечатления двинулись в обратный путь. Сейчас проводятся обработка и анализ результатов проведенных гидрофизических исследований. Разрабатываются методы математического моделирования наблюдавшихся процессов. Строятся планы новых практик и экспедиций.