Направление теплового потока, возникающего в результате разности теплосодержания воды и воздуха, определяется соотношением их температур. В результате энергетического обмена со слоем придонного ила может происходить либо отвод, либо подвод энергии в зависимости от значений средней температуры воды в озере. Если озеро или пруд настолько глубоки, что в них существует термоклин, придонный водный слой обычно получает небольшие количества энергии от дна. Летом в мелководных прудах поток тепла может быть направлен от воды к почве. Вода, втекающая в систему, всегда вносит в нее энергию, поскольку температура воды постоянно выше абсолютного нуля. При вытекании воды из системы происходит отвод энергии. Результирующее влияние втока и вытока воды на среднюю температуру водоема определяется соотношением объемов потоков и их температур. Положение точки стока также оказывает существенное влияние на энергетический баланс, поскольку сток из верхних слоев приводит к отводу более теплой воды (по крайней мере, в течение большей части года), чем сток придонной воды.
Средняя температура воды озера или пруда определяется алгебраической суммой энергетических потоков. Циркуляция возникает из-за стремления системы к стабильному распределению энергии, т. е. относительно постоянному горизонтальному и вертикальному распределению температур, при котором воды с большей плотностью находятся ниже, чем менее плотные воды. Однако величина поступающей и теряемой энергии непрерывно изменяется. Особенно непостоянны величина излучения Солнца и скорость испарения, которые играют наиболее важную роль в энергетическом балансе, поэтому в водных системах всегда существует ‘некоторая циркуляция.
Чтобы лучше представить себе циркуляцию в пресноводных системах, рассмотрим детально изменения, происходящие в озере или пруду в течение годового температурного цикла. Поскольку существует несколько типов годовой циркуляции для различных озер и прудов (см. ниже), рассмотрим сначала димиктическое озеро. Для озера такого типа характерны два круговорота воды в год, обычная стратификация летом и возможность обратной стратификации зимой. Такой тип стратификации характерен для озер умеренных климатических зон. В конце зимы, когда вода покрыта льдом, температура воды непосредственно подо льдом равна 0°С. Глубже подо льдом температура быстро повышается до 1—2°С и остается относительно постоянной с увеличением глубины, незначительно повышаясь вблизи дна. Эта относительная однородность распределения температур является результатом перемешивания во всем объеме озера. Такое перемешивание происходит осенью до формирования льда.
Весной после таяния льда температура поверхностного слоя повышается до 4°С. Плотность поверхностных вод увеличивается, и они опускаются на дно. Процессу перемешивания способствует также ветер. В этот период весеннего круговорота вод происходит перемешивание всего объема озера до самого дна, обусловливающее установление однородного вертикального распределения температур.
С увеличением продолжительности дня температура поверхностного слоя повышается, а плотность вод в нем уменьшается. Скорость приводного ветра в летние месяцы снижается и соответственно уменьшается ветровое перемешивание. Менее плотная вода остается на поверхности. Поскольку ветровое перемешивание определяет циркуляцию воды только в поверхностном слое толщиной в несколько метров, в озерах такого типа отчетливо выделяются три зоны. Неглубокий поверхностный слой, или эпилимнион, имеет относительно высокую температуру. Вторая зона, так называемый термоклин, или металимнион, характеризуется быстрым снижением температуры с увеличением глубины. Эта зона разделяет теплый поверхностный слой и холодные глубинные воды озера. Уменьшение температуры воды с глубиной сопровождается увеличением ее плотности. Большая плотность нижних слоев определяет стабильность водного столба и препятствует ветровому перемешиванию. Толщина слоя термоклина может составлять от десятых долей метра до 15 м. В начале лета толщина термоклина больше, чем в конце лета, т. е. к концу лета температурные градиенты значительно возрастают. Третий слой — гиполимнион расположен между слоем термоклина и дном озера; здесь с увеличением глубины температура медленно возрастает.
С наступлением осени дни становятся короче и тепловые потери на направленное вверх излучение с поверхности и испарение уже превышают приток тепла в результате солнечного излучения. Охлаждение озера начинается с поверхности. Медленное охлаждение поверхности приводит к увеличению плотности воды в поверхностном слое. Увеличение плотности вызывает усиление циркуляции в эпилимнионе, чему также способствует характерное для осени увеличение скорости ветра. При дальнейшем охлаждении уменьшается сопротивление возникновению циркуляции, связанное с уменьшением температурного градиента термоклина. При нарушении термоклина процесс циркуляции, происходящий в поверхностном слое воды, захватывает все более глубокие слои воды до тех пор, пока в него не включится вся водная масса озера или пруда. Этот процесс называется осенним перемешиванием или круговоротом воды и приводит к более или менее однородному распределению температур по всей глубине озера.
Зимой под слоем льда может наблюдаться обратное распределение температур. Непосредственно под слоем льда температура быстро повышается до 4°С или другой температуры, характерной для данного водоема. Таким образом, более холодная и наименее плотная в данном случае вода находится наверху, причем температура повышается с увеличением глубины пока не достигнет 4°С. Однако подобная обратная стратификация возникает далеко не всегда и существует недолго.
Процесс нагревания и температурных изменений воды подо льдом интенсивно изучался. Основными источниками тепла являются проникающее сквозь лед солнечное излучение и тепловое излучение, идущее от дна озера. Перенос тепла в воде подо льдом происходит либо в результате плотностных течений, возникающих при проникновении солнечных лучей через лед, либо при существовании градиентов плотностей, вызванных химическими силами обусловленными переходом вещества из донных отложений в воду.
Тепловые характеристики озер значительно различаются. Однако по некоторым характеристикам может быть проведена классификация. Одну из таких классификаций разработал Рейд (Reid,. 1961) для озер, достаточно глубоких для осуществления в них стратификации, перемешивания и образования гиполимниона. В классификации учитывается также высота над уровнем моря, географическая широта, глубина водоема.
Амиктические озера — озера, изолированные от внешней среды постоянным ледовым покровом. К ним относятся слабо изученные озера Антарктиды и высокогорные озера.
Холодные мономиктические озера — озера полярных районов с постоянной температурой воды 4°С или ниже, покрытые льдом, для зимы характерно обратное распределение температур. Перемешивание происходит только летом; при этом температура не превышает 4°С.
Димиктические озера характеризуются наличием весеннего и осеннего круговорота; летом наблюдается обычная температурная стратификация, зимой — температурная инверсия; такие озера характерны для умеренных климатических зон и высокогорных областей субтропиков.
Теплые мономиктические озера — озера с температурой воды, постоянно превышающей 4°С, циркуляция происходит редко и нерегулярно; такие озера типичны для тропических областей и обычно расположены на небольшой высоте над уровнем моря.
Полимиктические озера характеризуются непрерывной циркуляцией при температурах, несколько превышающих 4°С. Такие озера типичны для высокогорных районов тропических областей; стратификация отсутствует, поскольку тепло передается окружающей среде с относительно постоянной температурой.
Озера, в которых циркуляция охватывает всю водную массу до самого дна, называются голомиктическими. В голомиктических озерах температура гиполимниона обычно равномерно снижается с увеличением глубины. Однако в некоторых озерах циркуляция не распространяется на всю глубину озера, даже если верхние слои холоднее нижних. В этих озерах придонный, не охваченный процессом циркуляции слой, так называемый монимолимнион, содержит значительное количество солей, образующихся в результате растворения донных осадков. Растворенные соли настолько увеличивают плотность воды, что более теплая соленая вода становится плотнее более холодной пресной воды над ней. Градиент плотности в монимолимнионе называется хемоклин, поскольку основной причиной увеличения плотности является повышение содержания солей в воде. В слое воды над хемоклином, называемом миксолим-нионом, возможно распределение температур, аналогичное распределению в голомиктических озерах.
Рыбоводные пруды редко бывают достаточно глубокими для существования мощного термоклина в течение длительных периодов, поэтому циркуляция в них определяется перемешиванием, вызванным сезонными температурными изменениями и приповерхностными ветрами. При строительстве таких прудов предусматривается возможность хотя бы частичного регулирования циркуляции в соответствии с рыбоводными требованиями.
Циркуляция и тепловые характеристики систем с проточной водой (каналы для выращивания и ручьи) определяются в основном не градиентами плотностей, а гравитационными силами. Однако циркуляция плесов может быть аналогична циркуляции в прудах. Уровень воды постоянно стремится понизиться, что приводит к возникновению турбулентности, нарушающей стратификацию. При проектировании рыбоводных каналов колебания температуры обычно стремятся свести до минимума.
Температура системы с проточной водой в значительной степени определяется различными параметрами, действующими на нее выше по течению. Температура воды в системе определяется температурой источника, зависит от мутности воды, облачного покрова, времени суток, сезона, географической широты, объема и геометрии русла. Системы, питаемые подземными источниками, имеют, по крайней мере вблизи источника, круглый год относительно стабильную температуру. Температура системы, источником которой служит поверхностный сток, в значительной степени зависит от температуры воздуха и почвы. Вдоль русла реки температура воды изменяется главным образом под влиянием поглощения энергии излучения и потери тепла на испарение: если преобладает поглощение энергии, температура воды повышается; высокая скорость испарения может привести к охлаждению воды. В искусственных рыбоводных каналах заданную температуру можно поддерживать с высокой точностью, однако это требует больших затрат. Обычно осуществляется более экономичный режим, при котором для нагревания воды используется солнечная энергия, а для охлаждения — понижение температуры при испарении воды.