密度分层与稳定性

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图1 2005年德国Bitterfeld附近Goitsche湖几个深度的温度(24小时平均)。转载自Boehrer B和Schultze M(2008)湖泊分层。地球物理学报，46,RG2005, doi:10.1029/ 2006RG000210，已获美国地球物理学会授权。

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图1 2005年德国Bitterfeld附近Goitsche湖几个深度的温度(24小时平均)。转载自Boehrer B和Schultze M(2008)湖泊分层。地球物理学报，46,RG2005, doi:10.1029/ 2006RG000210，已获美国地球物理学会授权。

更深的层被屏蔽了热源．分子水平上的扩散热传输是非常缓慢的，需要一个月的时间来传输垂直距离为1米的热。紊流输运可以实现更有效的热输运。湍流的能量主要由湖面风应力提供，并通过不稳定性通过侧壁摩擦和内部电流切变传递。

湖面加热超过4°C会导致稳定的分层。因此，把热量输送到更深的地方需要能量。可用于混合的有限动能预算限制了在分层期间可以传递一定量热量的深度。在充分深湖,热分层现象保持到较凉爽的秋冬季温度允许更深的循环。温暖的表层水层被称为水膜层，而下面未混合到水膜层的较冷水层被称为低水膜层。急剧的温度梯度(温跃层)将两层分开(图3)。

结膜与大气发生热接触，相互交换挥发性物质。此外，变温层是在分层期间由风事件或低温时期再循环。在此期间，溶解的物质分布在表皮内。与此相反，在分层过程中，低氮离子与大气的交换是绝缘的。溶解物质在温跃层垂直密度梯度上的运移通常很小。

一般来说，风决定了结膜的厚度，很少有例外，例如，由于风，光穿透超过混合深度，或者分层是由

图2冬季有冰覆盖的双云状湖泊年周期。

图3 2003年Goitsche湖/德国XN5站温度分布图。为每16个数据点添加符号以区分获取日期。

图3 2003年Goitsche湖/德国XN5站温度分布图。为每16个数据点添加符号以区分获取日期。

流入及取水(水塘)由图3可知，结膜厚度在分层过程中不是恒定的。在春季形成一层薄层，由于风能的累积输入和白天的加热和冷却，在夏季逐渐变厚。直到秋天，湖面的低温会侵蚀分层。在这后期的热分层过程中，溶解在低磁性水中的物质，如营养物质，又可以在结膜中得到。最终，绒毛膜和低绒毛膜均质化。

表皮的厚度对生物体来说是一个至关重要的因素。因此，湖沼学家试图将湖底层厚度与湖泊形态联系起来，试图实现一个先验估计(图4)。最中心的回归是hepi = 4.6 x 100,205，其中包括较大表面积a的湖泊上方风的更高能量输入。

温跃层由于坡度高，形成了特殊的栖息地。控制密度的生物可以在强密度梯度中定位。此外，无生命的粒子可以聚集在它们的中性浮力水平上，而活动生物则居住在温跃层中，从这两层中获益，即下浮层和下浮层。因此，可以形成一层具有独特性质的金属锰离子。特别是在营养丰富的湖泊中，有机物质的分解会消耗氧气，导致所谓的金属磁性氧最小值(图5)。相反，如果光可以穿透温跃层，光合作用可以在局部克服氧气消耗，则会发生金属磁性氧最大值。

图4各湖泊表面面积与结膜厚度zepi的几个近似值的图形表示。改编自Johnk KD(2000)在der Limnophysik-Turbulenz的1D流体动力学模型，半混合, Sauerstoff。达姆施塔特技术大学，德国。

图4各湖泊表面面积与结膜厚度zepi的几个近似值的图形表示。改编自Johnk KD(2000)在der Limnophysik-Turbulenz的1D流体动力学模型，Meromixis, Sauerstoff。达姆施塔特技术大学，德国。

图5 2000年9月6日德国阿伦德塞地区的温度(T)、(原位)电导率(C)和溶解氧(O2)浓度的分布图。层与层之间的边界沿氧剖面的梯度绘制。氧浓度数值校正响应时间为7.5 s的传感器。改编自Boehrer和Schultze, 2005, Handbuch Angewandte Limnologie, Landsberg:到来。

图5 2000年9月6日德国阿伦德塞地区的温度(T)、(原位)电导率(C)和溶解氧(O2)浓度的分布图。层与层之间的边界沿氧剖面的梯度绘制。氧浓度数值校正响应时间为7.5 s的传感器。改编自Boehrer和Schultze, 2005, Handbuch Angewandte Limnologie, Landsberg:到来。

热压分层

在湖泊的温度范围内，冷水比温水更易压缩。因此，最大密度Tmd的温度随着压力(即深度)的增加而降低(在100 m水深上降低约0.2 K)。因此，在足够寒冷的地区，非常深的淡水湖在夏季分层期间可以显示出温度分布

3 4 5 3 3.3 3.6 3 4 5温度[°C]温度[°C]温度[℃]

图6热压温度分布分层的湖泊:左图:挪威Tinnsj0，在(早期)夏季分层期间;中央面板:西伯利亚的贝加尔湖，俄罗斯，在(晚)冬季分层与垂直过渡通过Tmd;右图:日本北海道四津湖，Tmd跃迁之下的近等温深水水体。转载自Boehrer B和Schultze M(2008)湖泊分层。地球物理学报，46,RG2005, doi:10.1029/2006RG000210，已获美国地球物理学会授权。

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图6热压分层湖泊的温度分布图:左面板:挪威Tinnsj0，(早期)夏季分层;中央面板:西伯利亚的贝加尔湖，俄罗斯，在(晚)冬季分层与垂直过渡通过Tmd;右图:日本北海道四津湖，Tmd跃迁之下的近等温深水水体。转载自Boehrer B和Schultze M(2008)湖泊分层。地球物理学报，46,RG2005, doi:10.1029/2006RG000210，已获美国地球物理学会授权。

延伸到4°C以下，尽管Tmd剖面限制在冷侧(见图6，左面板)。在冬季，地表温度可能低于Tmd，而在较大的深度，温度可能高于Tmd(图6，中央面板)。在这些剖面中实现了稳定的密度分层，如果在Tmd交点以上，则较冷的温度覆盖较暖的温度，而在Tmd交点以下则相反。在交点处，垂直温度梯度必须消失。Tmd剖面以下的水体不直接受到年温度循环的影响(图6，右图)。

然而，在这些湖泊(如俄罗斯贝加尔湖;火山口湖,美国；四骨湖，日本)显示深水富含氧气。这在一定程度上可以归因于温度较低，氧气的生产和消耗速度较慢。然而，这也表明在混合水与深水之间存在着相当数量的混合。因此，化学梯度没有出现在这些湖泊中，尽管没有发生完全的翻转，科学家们也没有将这些湖泊称为亚微米湖泊。

盐度分层

相当一部分湖泊是咸的。由于没有明确的边界，湖泊被称为盐湖每公斤湖水含盐量在3克以上的;即3g kg-1 = 3%。从这种浓度中，人类可以清楚地品尝到盐的味道，生态后果也变得明显。湖泊中的含盐量可高达300克千克-1。然而，盐度通常低于0.5 g kg-1。甚至更小的盐度梯度也能决定湖泊的循环。

许多大型盐湖，例如，里海吉,咸海例如，凡湖、大盐湖和死海都位于内陆盆地，即地球上表面与世界海洋没有水力连接的地区。盐湖也出现在这些区域之外，作为充满海水的太阳池或盆地，失去了与海洋的联系。此外，一些内陆湖泊是由含盐地下水补给的。

盐改变了湖水的性质。作为一种定量表达，我们所熟悉的盐度大小已从海洋学转移到湖水中。一公斤海水含有大约35克盐。咸淡水，即海水和淡水混合的水，显示出类似的溶解物质混合，而湖泊中的盐的组成可能与海洋条件有很大差异。因此，湖泊环境中总溶解物质TDS较好地替代了盐度。对于定量研究，通常电导的物理量更适合(稍后解释)。

在一些湖泊中，溶解的物质提高了深水的密度，足以使部分水柱在每年循环的任何时候都不能再循环。剩下的底层，即单膜层，可以显示出非常不同的化学条件(图7)。这样的湖泊被称为亚微米湖泊。著名的例子是奥地利卡林西亚的亚梅里丘湖和坦噶尼喀湖，或马拉维湖。一些小而深的马尔湖以及天然湖泊在挪威南部和芬兰是永久分层的混合和单一的浓度差异。此外，深坑湖倾向于三分生。

在很长一段时间内，单氮离子被排除在与大气的气体交换之外。穿过化学斜层的扩散和湍流交换通常很小。因此，在大多数情况下，缺氧在足够的时间后形成。在这些化学条件下，硝酸盐和硫酸盐作为有机物质的微生物氧化剂，可以产生在混合溶液中化学上不稳定的物质。长期暴露在静水压力下，气体(CO2、H2S和其他气体)可以在monmo -limnion中积累，其浓度远远超过混合limnnia中遇到的浓度(例如，非洲喀麦隆的Monoun湖，图8)。

变温层

变温层

０ ５

温度[°C]盐度[psu]

20 25

图7 2003年10月7日前矿区Merseburg-Ost Rassnitzer See的温度、盐度、溶解氧和密度分布图氧浓度经过数值校正，传感器响应时间为7.5s。改编自Boehrer和Schultze, 2005, Handbuch Angewandte Limnologie, Landsberg:到来。

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温度[°C]盐度[psu]

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图7 2003年10月7日前矿区Merseburg-Ost Rassnitzer See的温度、盐度、溶解氧和密度分布图氧浓度经过数值校正，传感器响应时间为7.5s。改编自Boehrer和Schultze, 2005, Handbuch Angewandte Limnologie, Landsberg:到来。

分压之和静水压力分压分压分压分压

分压之和静水压力分压分压分压分压

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压力(酒吧)

图8喀麦隆莫农湖深水溶解气体分压与静水压力的直接对比(实线)转载自Halbwachs et al. (2004) EOS 85(30): 281-288，经美国地球物理联合会许可。

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图8喀麦隆莫农湖深水溶解气体分压与静水压力的直接对比(实线)转载自Halbwachs et al. (2004) EOS 85(30): 281-288，经美国地球物理联合会许可。

在许多三分生湖泊中，混合膜层的再循环侵蚀单膜层，在循环期结束时留下一个急剧的梯度。所有水的性质都在几分米内发生从混合水跃到单水跃的转变(见图7)。这种急剧的梯度被称为盐跃层、化学跃层或碧斜层，这取决于所提到的是盐度、化学梯度还是密度梯度。通过观察，已知只有少数不同物种的密集殖民案例，其中一些浮游生物明显利用了这种梯度(例如，瑞士的Lago Cadagno阿尔卑斯山脉、湖泊Bolvod, Gek凝胶和Maral凝胶)。

形成溶解物质梯度的过程

一般来说，随着时间的推移，扩散和湍流扩散过程将溶解物质均匀地分布在湖中。相反，不同浓度的溶解物质或内部过程的流入可在湖中产生梯度。淡水可以在分层期间流入盐湖或进入结膜层，从而引起结膜层和低结膜层的区别。这些梯度有助于密度梯度，如果足够强，它们甚至可以控制湖泊的循环模式。在极端的情况下，咸水已经在湖泊的深层储存了几千年(例如，挪威的罗霍普峡湾;Salsvatn,挪威;鲍威尔湖，加拿大)。这种稳定的分层是在矿山湖泊中有意诱导的，目的是将重金属限制在含盐的单氮膜中，以便进一步处理(加拿大不列颠哥伦比亚省温哥华岛岛铜矿湖)。

此外，相反的情况是，暴露在高蒸发量下的湖泊在水柱上的盐度层可能会遇到盐度梯度。在挪威的斯文约恩湖(Lake Svinsj0en)，道路除冰带来的盐水消除了以前存在的永久分层。在另一种情况下，当冰在盐湖上形成时，残留的水可能含有大量的盐分，而在冰融化后，相对新鲜的水漂浮在更咸的水中(南极洲的湖泊)。此外，地下水流入可以形成这种溶解物质的梯度(例如，瑞士阿尔卑斯山的Lago Cardagno, Rassnitzer See;特别是，火山地区的湖泊以溶解物质的持续补给而闻名(例如，东非的尼奥斯湖和基伍湖，莫农湖见图8)。特别是后者的情况很有趣，因为溶解气体对稳定的密度分层起了决定性的作用，但它们也为灾难性的湖底喷发提供了浮力，在这种情况下有毒气体突然从湖中逃离，给该地区的生物造成了灾难性的后果。

优选层的化学反应和生物活性可局部改变溶解物质的组成，影响密度结构。虽然在大多数深度的湖泊中，物理传输机制占主导地位，但在某些情况下，密度分层受溶解物质的化学和生物转化控制，甚至控制湖泊的循环模式。例如，光合作用活跃的浮游生物利用入射的太阳辐射来生产有机物质。此外，外来物质被地表流入和风带入湖中。一部分有机物质沉淀在湖床上。氧或其他氧化剂的存在促进了其分解，最终产物CO2和HCOiT溶解在深层湖泊的层次它们增加了密度。还有铁(和锰)循环、方解石沉淀和钠硫酸沉淀已经被证明可以控制湖泊的密度。

在某些情况下，梯度足够强，可以防止倾覆。这些亚聚湖泊是根据外生维持混合水和单水密度差异的主导过程进行分类的(表面流入;例如，挪威的Rorhopfjord和Salsvatn;鲍威尔湖和岛铜矿加拿大的湖泊crenogeni-cally(地下水流入;例如，Cardagno湖，Rassnitzer See湖，尼奥斯湖)，或生物成因(或内生)的亚聚生湖泊(有机物质分解;例如，奥地利的Woerther See和Laengssee，铁循环:挪威的湖泊，矿湖，锰:挪威的Nordbytjernet湖;方解石:西班牙中部的拉克鲁斯湖;硫酸钠:加拿大大草原湖泊)。此外，盆地深度和盆地形状对单一泥沼的侵蚀和深水更新的形成也起着重要作用。通常在明确的凹陷处发现单石血症在湖中床层，它们只受到上方水体中盆地尺度水流的轻微影响。

间歇性部分深水更新

许多湖泊并没有经历完全的翻覆。偶发性事件取代了部分深水。例如，通过冷却，高密度的水团在混合膜中形成，并设法通过周围的水域进入深水。这个过程类似于深海环流．因此，一些最大的湖泊经历这个过程也就不足为奇了。伊塞克库尔(中亚)通过表面冷却和引导冷水通过淹没的山谷到深渊来补充深水，而在贝加尔湖，风力可以将水推到补偿深度以下，因此(依赖于温度)在高压下压缩，与周围的水相比，它的密度足够高，以至于浮力变为负值;水团继续向深处移动。伊塞克-库尔湖和贝加尔湖没有显示出显著的化学梯度，因此不被称为亚微米。相反，马拉维湖(东非)的深水地层与Issyk-Kul湖的深水地层相似，但显示出缺氧的单硼铁矿，因此被称为三聚体。

与热类似，溶解物质的浓度梯度也能迫使长期分层水体的深水更新。当水暴露在侧面盆地(1979年以前的死海)的高蒸发下，或者盐在形成的冰盖下积聚(南极洲深湖)，盐度就会增加。一旦水块变得足够密集，它们就可以沿着斜坡进入湖的深处。

量化的稳定性

温度

记录在湖泊中的温度被称为原地温度。在没有任何进一步注释的情况下，温度数据将被这样理解。几乎所有的计算都涉及这个值，因为它是物理、化学和生态相关的大小。但是，如果设想对稳定性和垂直温度梯度的详细考虑，参考潜在温度可能是有用的。后一个量包括膨胀所需的能量效应，当一个水包被转移到大气压力时: