Глубокая осень. Дни становятся всё короче и короче. Солнце выглянет на минуту из-за тяжёлых туч, скользнёт по земле своим косым лучом и снова скроется. Холодный ветер свободно гуляет по опустевшим полям и обнажённому лесу, выискивая где-нибудь ещё уцелевший цветок или прижавшийся к ветке лист, чтобы сорвать его, высоко поднять и потом бросить в ров, канаву или борозду. По утрам лужи уже покрываются хрустящими льдинками. Только глубокий пруд все ещё не хочет замёрзнуть, и ветер по-прежнему рябит его серую гладь. Но вот уже замелькали пушистые снежинки. Они подолгу крутятся в воздухе, как бы не решаясь упасть на холодную неприветливую землю. Идёт зима.

Тонкая корка льда, образовавшегося сначала у берегов пруда, ползёт на середину к более глубоким местам, и вскоре вся поверхность покрывается чистым прозрачным стеклом льда. Ударили морозы, и лёд стал толстым, чуть не в метр. Однако до дна ещё далеко. Подо льдом даже в сильные морозы сохраняется вода. Почему же глубокий пруд не промерзает до дна? Обитатели водоёмов должны быть благодарны за это одной из особенностей воды. В чём же заключается эта особенность?

Известно, что кузнец сначала нагревает железную шину, а затем надевает её на деревянный обод колеса. Охладившись, шина сделается короче и плотно обожмёт обод. Рельсы никогда не укладываются плотно друг к другу, иначе, нагревшись на солнце, они обязательно изогнутся. Если налить полную бутылку масла и поставить её в тёплую воду, то масло станет переливаться через край.

Из этих примеров ясно, что при нагревании тела расширяются; при охлаждении они сжимаются. Это справедливо почти для всех тел, но для воды этого нельзя утверждать безоговорочно. В отличие от других тел вода при нагревании ведёт себя по-особому. Если при нагревании тело расширяется, значит, оно становится менее плотным, - ведь вещества в этом теле остаётся столько же, а объём его увеличивается. При нагревании жидкостей в прозрачных сосудах можно наблюдать, как более тёплые и потому менее плотные слои поднимаются со дна вверх, а холодные опускаются вниз. На этом основано, между прочим, устройство водяного отопления с естественной циркуляцией воды. Остывая в радиаторах, вода становится плотнее, опускается вниз и поступает в котёл, вытесняя вверх уже нагретую там и потому менее плотную воду.

Подобное движение происходит и в пруду. Отдавая своё тепло холодному воздуху, вода охлаждается с поверхности пруда и, как более плотная, стремится опуститься на дно, вытесняя собой нижние тёплые, менее плотные слои. Однако такое движение будет совершаться только до тех пор, пока вся вода не остынет до плюс 4 градусов. Собравшаяся на дне при температуре 4 градуса вода уже не будет подниматься вверх, хотя бы поверхностные её слои и имели температуру более низкую. Почему?

Вода при 4 градусах имеет самую большую плотность. При всех других температурах - выше или ниже 4 градусов - вода оказывается менее плотной, чем при этой температуре.

В этом и заключается одно из отступлений воды от закономерностей, общих для других жидкостей, одна из её аномалий (аномалия - это отклонение от нормы). Плотность всех других жидкостей, как правило, начиная от температуры плавления, при нагревании уменьшается.

Что же произойдёт дальше при остывании пруда? Верхние слои воды становятся всё менее и менее плотными. Поэтому они остаются на поверхности и при нуле градусов превращаются в лёд. По мере дальнейшего остывания корка льда растёт, а под ним по-прежнему находится жидкая вода с температурой, лежащей между нулём и 4 градусами.

Здесь, вероятно, у многих возникает вопрос: почему же нижняя кромка льда не тает, если она находится в соприкосновении с водой? Потому, что тот слой воды, который непосредственно соприкасается с нижней кромкой льда, имеет температуру нуль градусов. При этой температуре одновременно существуют и лёд и вода. Для того чтобы лёд превратился в воду, необходимо, как увидим дальше, значительное количество тепла. А этого тепла нет. Лёгкий слой воды с температурой в нуль градусов отделяет ото льда более глубокие слои тёплой воды.

Но представьте теперь себе, что вода ведёт себя так, как большинство других жидкостей. Достаточно было бы незначительного мороза, как все реки, озёра, а может быть и северные моря, в течение зимы промёрзли бы до дна. Многие из живых существ подводного царства были бы обречены на гибель.

Правда, если зима очень продолжительна и сурова, то многие не слишком глубокие водоёмы могут промёрзнуть до дна. Но в наших широтах это наблюдается крайне редко. Промерзанию воды до дна препятствует и сам лёд: он плохо проводит тепло и защищает собой нижние слои воды от охлаждения.

Ладога испытывает воздействие трех воздушных масс. Морской воздух, приносимый циклонами с Атлантики, вызывает зимой оттепели и обильные снегопады, а летом сопровождается пасмурной и ветреной погодой. В период, когда над озером господствуют континентальные воздушные массы, поступающие с юга и востока, на побережье Ладоги стоят сухие и жаркие дни летом и морозные – зимой. Установившуюся погоду могут резко изменить вторжения с севера холодного арктического воздуха, с которым всегда связаны неожиданные похолодания и сильные ветры.

Заметное влияние на климат побережья оказывает само озеро. С апреля по июль вблизи него прохладнее, чем в прилегающих районах, а с августа по март, напротив, становится теплее – сказывается отепляющее действие Ладоги.

Средняя годовая температура воздуха на островах Ладоги около +3.5 градуса, а на побережье она изменяется от +2.6 до +3.8 градуса. Хотя протяженность озера в масштабах всей климатической зоны сравнительно небольшая, все же заметно некоторое потепление к югу и похолодание к востоку. Самое теплое место на Ладоге – южное побережье. Правда, разница в средних месячных температурах воздуха "холодного" и "теплого" берегов составляет всего лишь несколько десятых градуса. Летом на юге Ладоги воздух может нагреться до +32°. Самые сильные морозы, доходящие до -54°, отмечаются на восточном побережье. Средняя продолжительность теплого периода на Ладоге колеблется от 103 до 180 дней, причем он длиннее всего на островах.

Весна наступает в апреле. В это время на озере еще довольно холодно. Средняя температура воздуха на островах и над озером немногим выше 0, а на побережье от +1.5 до +2.5 градуса. В мае и даже в июне на смену теплым дням могут неожиданно прийти заморозки. С прекращением заморозков и установлением теплой погоды с температурой более +10 градусов начинается лето.

В июне средняя месячная температура воздуха на островах уже +12/+13, а на побережье – около +14°. Днем воздух может нагреться до 20 и более градусов в тени. Самый теплый месяц на Ладоге – июль, средняя температура которого +16/+17°.

В августе уже начинается понижение температуры, хотя в отдельные годы он может быть самым теплым месяцем. Обычно средняя температура августа +15/+16 градусов. Таким образом, период с конца июня до середины августа – наиболее теплый здесь. В конце сентября – начале октября на побережье начинаются первые заморозки.

При вторжениях теплых воздушных масс с юга в первой половине осени нередко бывают возвраты теплой погоды – "бабье лето". Тогда даже на 2-3 недели могут установиться ясные и теплые дни.

В начале ноября отрицательные температуры становятся довольно устойчивыми. И все же первая половина зимы мягкая. Нередко в декабре бывают оттепели, сопровождающиеся снегопадом с дождем. В январе и феврале оттепели реже. Это самые холодные месяцы – их средняя температура -8/-10, а в отдельные дни морозы могут достигать 40-50 градусов.

Пожалуй, ни один показатель климата не испытывает в такой мере влияния озера, как относительная влажность. Насыщенность воздуха водяными парами над озером и побережьем в среднем за год составляет 80-84 процента. Наиболее равномерно распределение влажности в зимний период. Весной и летом относительная влажность на побережье может падать до 60 процентов, тогда как над озером, особенно в его южной части и на островах, она не опускается ниже 79 процентов. В июле и августе здесь нередко стоят туманы, довольно плотные, так что на расстоянии 10 метров ничего не видно.

Несмотря на сравнительно слабое развитие облачности над Ладогой, дождливые дни здесь бывают довольно часто – до 200 в году, при этом выпадает около 600 миллиметров осадков.

Большая часть осадков – до 380 миллиметров – выпадает в теплое время года. Особенно обильны они в июле и августе, но носят характер коротких ливней, сменяющихся устойчивой ясной погодой. Весна – наиболее сухой сезон на Ладоге.

Распределение жидких осадков по озеру имеет свои особенности. Меньше всего их выпадает в центральной части – 325 миллиметров. На побережьях осадков больше: на северном и западном – 375, а на южном и юго-восточном – до 400 миллиметров.

Первый снег по берегам Ладоги выпадает в конце октября. В конце ноября – начале декабря снеговой покров становится более устойчивым. Он постепенно нарастает в течение всей зимы, достигая максимальной толщины в марте – до 40-50 сантиметров.

Большую часть года над Ладогой преобладают ветры южных направлений, особенно часто дует юго-западный ветер, или, как его называли в старину, "шелонник", по названию реки Шелони, впадающей в озеро Ильмень и имеющей сходное направление. Это название ветра было перенесено на Ладогу новгородскими судоводителями и сохранялось в виде надписей на компасах до конца прошлого столетия.

Летом наряду с южными ветрами довольно часты вторжения северных и северо-восточных ветров – "полуночника" и "меженника". Средняя скорость преобладающих ветров 6-9 м/сек в секунду над озером и 4-8 м/сек над побережьем. Шхерный район Ладоги, защищенный холмистым рельефом, отличается самыми слабыми ветрами. Средняя годовая скорость их едва превышает 3 метра. Южное побережье занимает промежуточное положение.

Однако в отдельные дни ветры могут достигать большой силы – более 15 м/сек. Они бывают 60 дней в году над озером и менее 30 дней – над побережьем. Самый "тихий" участок побережья находится в районе Приозерска. Только 2-3 дня в году здесь отмечается ветер со скоростью более 15 метров в секунду. Положительное влияние здесь оказывают залесенные сельги, ограждающие сравнительно большую территорию от мощных северных потоков воздуха.

Ветры, дующие со скоростью 10-15 метров в секунду, вызывают сильное волнение на Ладоге. Высота волн может достигать в это время 3-4 метров. Однако такие ветры обычно непродолжительны – они наблюдаются в течение 2-3 и гораздо реже – 6-7 дней подряд. Ветры, дующие со скоростью 20-24 метра в секунду, прекращаются через 5-6 часов, а еще большей силы – через 1 час. Известны случаи, когда в районе острова Валаам ветер достигал 28 и даже 34 метров в секунду.

В теплое время года из-за неодинакового прогревания воды и суши над Ладогой возникают местные ветры – бризы. Днем они дуют с озера на берег – озерный бриз, а ночью, наоборот, с берега в озеро – береговой бриз.

Характерной особенностью ладожских ветров является их неустойчивость в течение суток. И действительно, ветер резко может переменить свое направление за каких-нибудь 20-40 минут. Такая перемена нередко предвещает шторм. Было замечено, что если над озером после западных и северо-западных ветров наступает короткое затишье, а затем ветер начинает путь с севера и северо-востока все сильнее и сильнее, то штормовая погода может разыграться в течение 1-2 часов. "Эол на озере прекапризный", – говорили в старину про Ладогу.

Ладожское озеро без преувеличения можно назвать кладовой энергии солнца. Тепловой поток, падающий на его поверхность в течение года, измеряется астрономической цифрой – 14х1015 килокалорий. Этого тепла хватило бы, чтобы нагреть всю массу ладожской воды на 15 градусов. Но в действительности она нагревается всего лишь до 8 градусов. Почему так происходит° Дело в том, что поверхность озера является природным зеркалом, отражающим солнечные лучи. Летом озеро отражает 9-10 процентов лучей, зимой скованная льдом Ладога отдает в атмосферу уже половину приходящего тепла.

Другая причина потерь кроется в физических свойствах самой воды – в ее слабой теплопроводности. Вода просто не в состоянии вместить в себя полностью тепло, которое дает ей солнце.

Из-за малой теплопроводности 65 процентов поступившего в озеро тепла задерживается в верхнем метровом слое воды, а на 100-метровую глубину проникает всего лишь 1.5 процента солнечной энергии.

Обладай вода большей теплопроводностью, проникновение тепла на глубину происходило бы значительно быстрее, и потери его сократились бы. Правда, медленно нагреваясь, озеро так же медленно остывает. Оно удерживает тепло значительно дольше по сравнению с воздухом, оказывая тем самым отепляющее влияние на прибрежные районы.

Большое количество тепловой энергии затрачивается на испарение. За год из Ладоги испаряется слой воды толщиной в 300 миллиметров, что составляет объем, равный 5.5 кубического километра. Его хватило бы, чтобы заполнить такое озеро, как Ильмень.

Солнечная энергия, проникающая в толщу воды, приводит в движение водные массы озера. Даже в короткие периоды штиля, когда поверхность Ладоги зеркально-неподвижна, на глубине идет перемещение водных масс как по горизонтали, так и по вертикали. Это явление способствует перераспределению тепла в Ладоге, постепенному обогащению им все более глубоких слоев.

Накопление солнечного тепла и его распределение в воде в течение суток, сезона, года определяет температурный режим озера. У Ладоги есть свои весна, лето, осень и зима.

Весна на Ладоге начинается рано. В середине марта озеро еще сковано льдом, но уже появляются первые промоины и полыньи. Лед кое-где темнеет и трескается. Ледяной покров постепенно разрушается, но все же служит гигантским экраном, отражающим солнечные лучи. Температура воды подо льдом в это время близка к 0 градусов. На глубине около 30 метров она составляет +0.16 градуса, 50 метров – +0.67, 100 метров и более +2.4°+2.7 градуса. Но как только Ладога сбросит с себя ледяной панцирь, начинается интенсивное прогревание воды. Особенно хорошо и довольно рано прогревается она в южных мелководных губах. В июне температура воды на поверхности Волховской и Свирской губ поднимается до +16°+17 и даже +20 градусов.

В это же время вся центральная часть Ладоги занята холодными водами, образующими огромное "пятно" с температурой ниже +4 градуса. В начале июня оно еще занимает более половины площади озера. Казалось бы, что холодные воды должны смешиваться с теплыми, но этого не происходит. Перемешиванию вод препятствует так называемый термический бар, или порог (термобар), – интереснейшее явление природы, возникающее весной и осенью в больших водоемах.

Впервые на него обратил внимание в начале нашего века швейцарский ученый Ф.А.Форель, занимавшийся исследованием Женевского озера. Но случилось так, что о термобаре вскоре забыли. И только тщательные исследования, проведенные на Ладоге в 1957-1962 годах, позволили всесторонне оценить значение термобара для различных сторон жизни водоема. По сути, это было новое открытие термобара, сделанное А.И.Тихомировым.

Существование термобара обусловлено самой природой воды. Как известно, в отличие от других веществ, вода имеет наибольшую плотность не в твердом состоянии, а в жидком при температуре +4 градуса. Эта особенность приводит к тому, что весной и осенью, когда становятся возможными такие температуры в водоеме, появляется термобар. Его можно сравнить со своеобразной прозрачной перегородкой из наиболее плотной воды, тянущейся от поверхности до дна.

Возникает она на некотором расстоянии от берега на границе двух водных масс, одна из которых имеет поверхностную температуру ниже 4 градусов тепла, а другая значительно выше. Образующаяся в результате смешивания 4-градусная вода, как обладающая наибольшей, плотностью, начинает погружаться на дно, втягивая в этот процесс все новые порции поверхностной воды. Вот этот нисходящий поток наиболее плотных вод и представляет собой термобар. Достигнув дна, плотные воды медленно растекаются.

Термобар делит озеро на две области: теплоактивную, где процессы нагревания и охлаждения происходят более интенсивно, и теплоинертную, в которой они сильно замедлены. Теплоактивная область располагается вдоль побережья в зоне меньших глубин, а теплоинертная занимает центральную – глубоководную – часть.

Интересно, что весной теплые воды прибрежной зоны и холодные центральной части озера не смешиваются между собой при любом направлении ветра. Не ускоряют этот процесс и течения, возникающие в озере. Термобар служит отличным естественным барьером.

Местоположение термобара в озере довольно четко обозначается пенистой полосой. Она образуется там, где сходятся и перемешиваются воды разной температуры, после чего, достигнув максимальной плотности, они начнут свое погружение. Сюда же подтягиваются нефтепродукты, сбрасываемые судами, мелкие предметы и сор, плавающие на поверхности озера. Линия термобара хорошо заметна с судов и самолетов.

Положение фронта термического бара со временем меняется. По мере прогревания озера все большей становится теплоактивная область, оттесняющая термобар к центру озера.

На Ладоге термобар возникает ежегодно в конце апреля – первой половине мая и длится до середины июля. К этому времени вся толща воды в озере успевает прогреться до +4 градусов. Условия, необходимые для существования термобара, исчезают. Наступает летний период в жизни Ладоги, а с ним и интенсивное нагревание ее вод. В конце июля поверхностные слои озера бывают уже достаточно прогреты, но с глубины 20-25 метров и до дна чаша озера все еще заполнена холодными плотными водами.

Наиболее теплые месяцы на озере – июль и август. Средняя температура поверхности воды в эти месяцы равняется соответственно 14 и 16 градусам. Однако вода в различных районах Ладоги нагревается по-разному. Наиболее теплыми являются южные мелководные заливы и юго-восточная часть, где вода на 4-5 градусов теплее, чем у западного берега.

В начале сентября начинается осеннее охлаждение. Но одновременно с остыванием поверхностных слоев воды идет и другой процесс – проникновение тепла в глубь озера, чему способствует ветровое перемешивание, наиболее интенсивное в осенний период.

Тепло все равномернее распределяется по озеру. Наконец наступает период, когда температура воды выравнивается везде. Такое состояние носит название гомотермии. Оно длится всего несколько дней, а затем вновь начинается расслоение водной толщи, устанавливается обратная термическая стратификация: более теплые водные массы прикрываются слоем холодных вод. Раньше всего охлаждаются бухты, губы и мелкие заливы, так как запас накопленного в них тепла меньше, чем в глубоководных районах.

В конце октября – начале ноября, когда температура воды вдоль побережий опускается ниже +4 градусов, над глубинами в 7-10 метров возникает осенний термический бар. Он преграждает доступ теплым водам из центральной части озера и, постепенно отступая к середине, способствует раннему замерзанию мелководий.

Озеро вступает в зимний период своего существования. На Ладоге зима длится три месяца – с середины декабря до середины марта. Замерзание происходит постепенно – от берегов заливов и бухт. В конце декабря губы Волховская, Свирская и Петрокрепость покрываются льдом, толщина которого в теплые зимы не превышает 35-40 сантиметров.

В суровую зиму 1941/42 года лед сковал южные губы раньше обычного. Это позволило уже 22 ноября отправить первую колонну грузовых машин по "Дороге жизни". Толщина ледяного покрова, по которому проходила трасса, к концу зимы достигла 90-110 сантиметров. Это ее максимальное значение, отмеченное на Ладоге.

К середине зимы уже большая часть озера бывает покрыта льдом, за исключением района, расположенного над большими глубинами. Становление полного ледостава на Ладоге наблюдается не каждый год. Обычно под ледяным покровом скрывается только 80 процентов площади. Остается огромная полынья в центре, которая тянется в виде подковы от западного берега к восточному немного южнее Валаамского архипелага. Иногда в тихую морозную погоду эта полынья затягивается тонким слоем льда, но затем ветер вновь его разрушает.

Вскрывается Ладога в обратном порядке по сравнению с замерзанием. Раньше всего лед исчезает в губах, заливах и на прибрежных мелководьях. Большая часть льда тает на месте и только 3-5 процентов его поступает в Неву. В некоторые годы ледохода на Неве вообще не бывает – ведь ладожский лед может попасть в Неву только при восточных и северо-восточных ветрах. К концу мая озеро полностью очищается ото льда.

Два основных фактора участвовали в создании Ладоги – геология и климат. В результате геологических процессов возникла чаша озера, а климат способствовал ее наполнению и сохранению влаги в сравнительно неизменном объеме в течение тысячелетий.

Запас воды в Ладоге – 908 кубических километров. Эта величина не остается постоянной – в одни периоды она растет, в другие – падает. Правда, такие колебания по отношению к общей массе воды в озере не превышали 6 процентов, по крайней мере, за последние 100 лет. Проявляются они в изменениях уровня воды и иногда бывают настолько существенными, что вызывают даже маловодные и многоводные периоды в режиме Ладоги.

В старину длительное низкое стояние уровня нередко объяснялось влиянием сверхъестественных сил. Среди жителей деревень, разбросанных по берегам, бытовали различные легенды. Может оттого, что число 7 считалось на Руси счастливым, существовало поверье, что уровень воды на Ладоге 7 лет растет и 7 лет падает.

Наступление маловодных лет в жизни озера всегда считалось недобрым явлением. В XVIII и XIX веках оно особенно сказывалось на жизни Петербурга, экономическое развитие которого было тесно связано с судоходством. В маловодные годы из-за сильного обмеления Ладожских каналов и истока Невы судоходство было затруднено и несло большие убытки. Подвоз товаров в город сокращался, начинали расти цены на продукты, отчего в первую очередь страдала беднота.

Анализ данных об изменениях уровня за 100 лет показал, что существовавшее народное поверье о семи маловодных годах не соответствовало действительности. Зато оно в какой-то мере отражало основную особенность многолетнего уровенного режима Ладоги – его периодичность.

За последние 100 лет Ладога пережила три периода, или цикла; колебания уровня воды с продолжительностью каждого в пределах 25-33 лет. В каждом периоде выделяются две фазы – маловодная и многоводная.

Самый ближайший к нам по времени полный цикл Ладога пережила в 1932-1958 годах. Маловодная фаза этого периода началась в 1932 году, достигнув минимума в 1940 году. Средний годовой уровень воды был ниже нормального на 1 метр.

В начале 1940-х годов наступила многоводная фаза. Средний годовой уровень начал постепенно расти, достигнув максимального значения в 1958 году. Весеннее половодье в том году было в 2 раза больше обычного. Уровень воды в мае на 140 сантиметров превысил средний. Многие низменные места вблизи озера были затоплены, пострадали некоторые прибрежные постройки. Небольшие острова в шхерах целиком ушли под воду, и деревья, росшие на них, поднимались прямо из воды.

Колебания уровня воды в озере зависят не только от наступления более влажных или сухих периодов, а связаны и с сезонами года. Подъем в Ладоге начинается в апреле-мае, с момента поступления в озеро талых вод, и достигает максимума в июне. За эти три месяца уровень воды в среднем вырастает на 32 сантиметра.

В июне приток речных вод заметно сокращается, вместе с тем увеличивается сброс ладожских вод через Неву. Уже в июне обычно начинается падение уровня. В недавнее время наиболее резкое падение наблюдалось в 1952 году, когда в течение июня уровень понизился на 37 сантиметров. Самое низкое положение уровень воды занимает в январе, когда приток в озеро и сток из него становятся равными.

Колебания уровня воды на Ладоге часто зависят от ветра. Сильный ветер постоянного направления нагоняет воду в заливы и бухты, отчего уровень в них начинает быстро повышаться. В это же время на противоположном берегу происходит сгон воды, сопровождающийся понижением уровня. У скалистого северного берега из-за больших глубин нагонные явления развиты слабее, чем в мелководных южных заливах.

Произведенные расчеты показали, что для различных районов озера существует определенная зависимость между величиной нагона и силой ветра. Ветер, дующий со скоростью 5 метров в секунду, может вызвать подъем уровня на 8-10 сантиметров у южных берегов и на 5-6 сантиметров – у северных. Зато ветер силой в 15 метров способен поднять уровень воды в южных губах на 90 сантиметров. Правда, такие нагоны бывают исключительно редко, но все же бывают.

Так, в ночь с 5 на 6 июля 1929 года над озером разыгрался шторм такой силы, даже старожилы не могли припомнить что-нибудь подобное. За несколько часов уровень воды у деревни Сторожно, близ устья реки Свири, поднялся на 140-150 сантиметров. Огромные волны накатывались на берег, ломая деревья и сдвигая прибрежные камни "во много пудов весом". Еще долгое время вдоль берега на большом расстоянии от уреза воды лежали бревна, обломки деревьев и пучки водных растений, выброшенные волной во время шторма.

Сгоны воды наблюдаются реже, и падение уровня при них незначительное. Правда, в старинной рукописи "Явление во граде Орешке", относящейся к 1594 году, описывается интересный случай: во время бури ветер согнал воду с отмели у истока Невы, так что можно было реку перейти вброд.

На Ладоге существует еще и другой вид колебаний уровня, тоже не связанных с изменением запаса воды. Эти колебания возникают под влиянием внешних сил, действующих короткое время, – сильного порывистого ветра, резкого изменения давления над каким-нибудь районом озера, неравномерного выпадения осадков и др. После того как действие этих сил прекращается, вся водная масса озера приходит в движение, подобное колебанию воды в ведре во время переноски. Эти колебания уровня незначительны – всего несколько сантиметров. Они носят название стоячей волны, или сейши.

При сейшах изменение уровня имеет четко выраженную периодичность. Длина периода измеряется от 10 минут до 5 часов 40 минут, в течение которых уровень воды на озере постепенно растет и так же постепенно падает. Со временем из-за трения о берега и дно колебание водной массы затухает, и поверхность озера принимает строго горизонтальное положение. Штиль на Ладоге длится недолго.

Издревле плавание по озеру было связано с большим риском. Тысячи судов погибли в его волнах. Дошло до того, что ни одно страховое общество России не страховало суда, идущие с грузом по Ладоге. Сказывались не только слабая оснащенность судов и отсутствие хороших навигационных карт, но и природные особенности Ладоги. "Озеро бурно и наполнено каменьями", – так писал известный исследователь А. П. Андреев.

Причина сурового нрава Ладоги кроется в особенностях строения ее котловины, распределения глубин и очертаниях озера. Резкий перелом в профиле дна при переходе от больших глубин северном части к малым глубинам южной препятствует образованию "правильной" волны – по всей длине озера. Такая волна может возникнуть лишь в северной части. Когда ветры гонят ее к югу, она сохраняет свою форму только над большими глубинами.

Стоит ей попасть в район с глубинами в 15-20 метров, как волна ломается. Она становится высокой, но короткой. Ее гребень опрокидывается. Возникает сложная система волн, идущих в разных направлениях, так называемая "толчея". Она особенно опасна для небольших судов, которые испытывают неожиданные довольно сильные толчки. Известен случай, когда исследовательское судно, работавшее при волнении 3-4 балла и высоте волны 0.8 метра, испытало на себе удар, в результате которого сорвало с петель дверцы стенного шкафа, а вылетевшая на пол кают-компании посуда разбилась вдребезги.

В старину, по-видимому, во время таких неожиданных ударов выходило из строя рулевое управление или причинялись разрушения корпусу судна, что вело к неминуемой гибели его.

Была замечена и другая особенность волнения на озере. Во время шторма происходит чередование волн: группа из 4-5 высоких и длинных волн сменяется группой более низких и коротких. Такое волнение воспринимается судном как ухабистая дорога. Оно вызывает бортовую качку, отрицательно сказывающуюся на состоянии корпуса судна.

Изучение волнения на озере связано с большими трудностями. Самая высокая волна, которую удалось измерить на Ладоге, была 5.8 метра. По теоретическим расчетам, высота волны во время шторма здесь может быть и больше.

Сравнительно спокойным районом Ладоги являются южные губы, где волна в 2.5 метра бывает только при очень сильных ветрах. Самый тихий месяц на Ладоге – июль.В это время над озером большей частью стоит штиль.

Каким бы сильным или продолжительным ни было волнение на озере, основная роль в перемешивании огромной толщи воды все же принадлежит течениям. От них зависят накопление тепла в озере и распределение его по районам, очищение воды от продуктов гниения, обогащение ее кислородом, минеральными веществами и ряд других процессов, определяющих жизнь водоема.

Температура подо льдом 0,1-0,3° выше нуля, весной во время ледохода она не превышает 1°. В периоды без ледовых явлений температура воды зависит в основном от температуры воздуха. Среднесуточная температура воды до середины лета обычно ниже, чем воздуха, в конце лета и осенью - выше.

Ниже водохранилищ температура речной воды летом существенно ниже обычной, зимой выше, что приводит к возникновению многокилометровых незамерзающих уча­стков реки. Обильное подземное питание реки охлаждает ее воду в летний период, зи­мой приводит к уменьшению ледяного покрова, а иногда - к образованию полыньей.

Суточные максимумы температуры воды запаздывают на 1-2 часа по сравнению с температурой воздуха.

На малых и средних реках температура воды по глубине практически не меняется, на крупных реках возможно ее уменьшение летом в нижних слоях на 1-2°.

Тепловой сток (W m в Дж или ккал) - количество тепла, проносимое через задан­ный створ реки за интервал времени (∆t ):

W m = L тпл ·ρ·T·V, где V - объем водного стока за тот же интервал времени, Т - средняя температура воды, ρ - ее плотность, L тпл - удельная теплоемкость воды.

Крупные реки, текущие в меридиональном направлении - трансзональные реки - имеют температуру воды, не свойственную рекам данной местности.

Реки по характеру ледового режима делятся на три группы: замерзающие, с неус­тойчивым ледоставом и незамерзающие.

На замерзающих реках выделяют три периода с характерными ледовыми явле­ниями: 1) замерзания, или осенних ледовых явлений, 2) ледостава, 3) вскрытия, или ве­сенних ледовых явлений.

Замерзание рек.При снижении температуры воды до нуля в реке начинаются осенние ледовые явления. Сало- плывущие пятна ледяной пленки, состоящие из кри­сталликов льда в виде тонких игл. Примерно в то же время образуются забереги- по­лосы неподвижного льда у берегов. При переохлаждении воды (до долей градуса ниже нуля) в ее толще и на дне может образовываться внутриводный лед- непрозрачная губчатая, ледяная масса из хаотически сросшихся кристалликов льда. Скопление внут-риводного льда на поверхности или в толще потока образуют шугу.Ее движение назы­вается шугоходом.Одновременно на поверхности образуются льдины, состоящие из кристаллического льда. Их движение - осенний ледоход.Закупорка русла шугой назы­вается зажором,а льдинами - затором.

Ледостав- образование сплошного неподвижного ледяного покрова. Небольшие незамерзающие участки - полыньи.Они связаны с выходами подземных вод или с бурным течением, иногда со сбросом в реку теплых вод промышленными и комму­нальными предприятиями. По мере нарастания толщины ледяного покрова, поперечное сечение русла уменьшается. Под влиянием возникающего напора вода может изливать­ся на поверхность льда. При ее замерзании образуется наледь.

Вскрытие рек. При наступлении положительных температур воздуха весной на­чинается таяние снега, а затем и льда. На реке у берегов образуются полосы чистой во­ды - закраины. Сцепление ледяного покрова с берегом прекращается, появляются трещины. Иногда после этого наблюдаются небольшие (в несколько метров) смещение ледяных полей - подвижки льда. Затем ледяной покров разбивается на отдельные льдины, движение которых образуют весенний ледоход. Чаще, чем осенью, возникают заторы, особенно на крупных реках, текущих с юга на север. На малых реках ледяной покров нередко тает на месте без ледохода.

Русская народная традиция - купаться в проруби в Крещенье, 19 января, привлекает все больше и больше людей. В этом году в Петербурге были организованы 19 прорубей, называемых «купель» или «иордань». Проруби были хорошо оснащены деревянными мостками, везде дежурили спасатели. И интересно, что, как правило, купающиеся люди говорили журналистам, что они очень довольны, вода теплая. Я сама не купалась зимой, но знаю, что вода в Неве действительно, по данным измерений была + 4 + 5 °С, что значительно теплее температуры воздуха - 8 °С.

Тот факт, что температура воды подо льдом на глубине в озерах и реках выше нуля на 4 градуса известен многим, но, как показывают обсуждения на некоторых форумах, не все понимают причину этого явления. Иногда повышение температуры связывают с давлением толстого слоя льда над водой и изменением в связи с этим температуры замерзания воды. Но большинство людей, успешно изучавших физику в школе, уверенно скажут, что температура воды на глубине связана с известным физическим явлением - изменением плотности воды с температурой. При температуре +4°С пресная вода приобретает свою наибольшую плотность .

При температурах вблизи 0 °С вода становится менее плотной и более легкой. Поэтому при охлаждении воды в водоёме до +4 °С прекращается конвекционное перемешивание воды, дальнейшее её охлаждение происходит только за счет теплопроводности (а она у воды не очень высокая) и процессы охлаждения воды резко замедляются. Даже в лютые морозы, в глубокой реке под толстым слоем льда и слоем холодной воды всегда будет вода с температурой +4 °С. До дна промерзают лишь мелкие пруды и озера.

Мы решили разобраться, почему при охлаждении вода ведет себя так странно. Оказалось, что исчерпывающее объяснение этому явлению еще не найдено. Существующие гипотезы не нашли пока экспериментального подтверждения. Надо сказать, что вода — не единственное вещество, имеющее свойство расширяться при охлаждении. Подобное поведение характерно также для висмута, галлия, кремния и сурьмы. Однако именно вода вызывает наибольший интерес, поскольку является веществом, очень важным для жизнедеятельности человека и всего растительного и животного мира.

Одна из теорий - существование в воде двух типов наноструктур высокой и низкой плотности, которые изменяются с температурой и порождают аномальное изменение плотности. Ученые, изучающие процессы переохлаждения расплавов, выдвигают следующее объяснение. При охлаждении жидкости ниже температуры плавления внутренняя энергия системы уменьшается, подвижность молекул снижается. В то же самое время усиливается роль межмолекулярных связей, за счет которых могут формироваться разнообразные надмолекулярные частицы. Опыты ученых с переохлажденным жидким о_терфенилом позволили предположить, что в переохлажденной жидкости со временем может образовываться динамическая «сетка» из более плотно упакованных молекул. Эта сетка разделяется на ячейки (области). Молекулярные переупаковки внутри ячейки задают скорость вращения молекул в ней, а более медленная перестройка самой сетки приводит к изменению этой скорости во времени. Что-то подобное может происходить и в воде.

В 2009 г. японский физик Масакадзу Мацумото, используя компьютерное моделирование, выдвинул свою теорию изменения плотности воды и опубликовал ее в журнале Physical Review Letters (Why Does Water Expand When It Cools?) («Почему вода при охлаждении расширяется?»). Как известно, в жидкой форме молекулы воды посредством водородной связи объединяются в группы (H 2 O) x , где x — количество молекул. Наиболее энергетически выгодно объединение из пяти молекул воды (x = 5) с четырьмя водородными связями, в котором связи образуют тетраэдральный угол, равный 109,47 градуса.

Однако тепловые колебания молекул воды и взаимодействия с другими молекулами, не входящими в кластер, препятствуют такому объединению, отклоняя величину угла водородной связи от равновесного значения 109,47 градуса. Чтобы как-то количественно охарактеризовать этот процесс угловой деформации, Мацумото с коллегами, выдвинули гипотезу о существовании в воде трехмерных микроструктур, напоминающих выпуклые полые многогранники. Позднее, в следующих публикациях, такие микроструктуры они назвали витритами. В них вершинами являются молекулы воды, роль ребер играют водородные связи, а угол между водородными связями — это угол между ребрами в витрите.

Согласно теории Мацумото, существует огромное разнообразие форм витритов, которые, как мозаичные элементы, составляют большую часть структуры воды и которые при этом равномерно заполняют весь ее объем.

На рисунке шесть типичных витритов, образующих внутреннюю структуру воды. Шарики соответствуют молекулам воды, отрезки между шариками обозначают водородные связи. Рис. из статьи Masakazu Matsumoto, Akinori Baba, and Iwao Ohminea.

Молекулы воды стремятся создать в витритах тетраэдральные углы, поскольку витриты должны обладать минимально возможной энергией. Однако из-за тепловых движений и локальных взаимодействий с другими витритами, некоторые витриты принимают структурно неравновесные конфигурации, которые позволяют всей системе в целом получить наименьшее значение энергии среди возможных. Такие назвали фрустрированными. Если у нефрустрированных витритов объем полости максимален при данной температуре, то фрустрированные витриты, напротив, обладают минимально возможным объемом. Компьютерное моделирование, проведенное Мацумото, показало, что средний объем полостей витритов с ростом температуры линейным образом уменьшается. При этом фрустрированные витриты значительно уменьшают свой объем, тогда как объем полости нефрустрированных витритов почти не меняется.

Итак, сжатие воды при увеличении температуры, по мнению ученых, вызвано двумя конкурирующими эффектами — удлинением водородных связей, которое приводит к увеличению объема воды, и уменьшением объема полостей фрустрированных витритов. На температурном отрезке от от 0 до 4°C последнее явление, как показали расчеты,преобладает, что в итоге и приводит к наблюдаемому сжатию воды при повышении температуры.

Это объяснение основано пока только на компьютерном моделировании. Экспериментально его очень трудно подтвердить. Исследование интересных и необычных свойств воды продолжается.

Источники

О.В. Александрова, М.В. Марченкова, Е.А. Покинтелица «Анализ термических эффектов, характеризующих кристаллизацию переохлажденных расплавов» (Донбасская национальная академия строительства и архитектуры)

Ю. Ерин. Предложена новая теория, объясняющая, почему вода при нагревании от 0 до 4°C сжимается (

С приходом зимы в жизни рыбы происходит много изменений, и основной из них это изменение пищевых пристрастий. Большинство рыб, которых можно поймать зимой, мечут икру весной, поэтому именно в этот холодный период они ее вынашивают. Естественно, для формирования икры рыба должна питаться. Но зимой нет насекомых, личинки малочисленны и не всегда доступны, солнечного света, кислорода и различных веществ не хватает для роста фито и зоопланктона.

К счастью, рыбы холоднокровны, и их метаболизм зимой очень замедлен, что значительно сокращает их потребность в еде. Но все же питаться рыбе необходимо, и она поедает все фито и зоопланктон, моллюсков, водных червей, нимф и мальков рыб всех видов.Фитопланктон представляет собой скопления микроскопических растений, именно он находится в основании пирамиды кормления в зимний период. Эти растения составляют основу рациона различных мальков. Если солнечного света достаточно (периоды первого и последнего льда), планктон развивается, и его активно поедают мальки и микроскопические животные, составляющие зоопланктон, а последний также поедают мальки.

Питаясь планктоном, мальки подрастают, и уже их размера и количества хватает, чтобы мальком могла кормиться крупная хищная рыба. Также в зимнее время могут быть доступны ракообразные и улитки, личинки некоторых насекомых.

РАСПОЛОЖЕНИЕ И ПОВЕДЕНИЕ РЫБЫ ЗИМОЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ НАЛИЧИЯ КОРМА

Зимой рыба кормится тем, что доступно, и не особо перебирает, следовательно, она будет находиться там, где расположен этот доступный корм. Например, судак, который кормится сбившейся в стаю мелочью белой рыбы, может находиться в толще воды на открытом месте. Тогда как судак, кормящийся мальком окуня, будет посещать места с тонкими водорослями или глубокие места с твердым дном. При этом окунь, питающийся планктоном, может находиться на отмелях с водной растительностью или стоять в полводы на открытой местности, а окунь, предпочитающий мотыля, будет питаться у дна, причем дно будет илистым.

АКТИВНОСТЬ РЫБЫ ПОДО ЛЬДОМ

Температура воды важна для рыбы, особенно зимой, когда она самая холодная. Температура зимней воды не очень сильно меняется от 0°С сразу подо льдом до +4°С у самого дна водоема. Чем холоднее вода, тем меньше потребность рыбы в пище и кислороде. Но есть еще одна потребность рыбы, которая не зависит от сезона, это безопасность. Именно три эти фактора определяют местоположение и поведение рыбы подо льдом. Рыба должна искать место, где будет в безопасности, где сможет найти корм и где в воде содержится достаточно кислорода.

Эти три фактора напрямую зависят от размера водоема, структуры дна, разнообразия глубин и представленных видов живых организмов, наличия течения, прозрачности воды и т.д. С учетом всего этого рыба и ищет место, наиболее отвечающее ее требованиям.

НЕБОЛЬШИЕ И МЕЛКИЕ ОЗЕРА
Ранней зимой, как только становится лед, рыбу можно найти практически на любой глубине, но все же рыба стремится держаться в самых глубоких местах, где вода более теплая и с устойчивым химическим составом. В середине зимы, когда слой льда становится толще и покрывается снегом, доступ солнечного света ограничивается, из за чего растения вырабатывают намного меньше кислорода. Это заставляет рыбу уходить в более глубокие места в поисках кислорода. Но при этом она покидает место, где была в безопасности и поближе к корму. Из за этого рыба начинает меньше питаться.

Когда лед становится максимально толстым и покрывается большим слоем снега, доступ света к растениям почти полностью блокируется. Они перестают вырабатывать кислород, погибают и не могут больше служить для рыбы укрытием, зоной кормления, и рыба уходит с этих мест, полностью сконцентрировав свои силы на выживании, в этот период ей становится не до еды. Ловить рыбу в это время крайне трудно. Если такая ситуация сохраняется достаточно долго, это может привести к массовой гибели рыбы в водоеме.

БОЛЬШИЕ, ГЛУБОКИЕ ОЗЕРА
По первому льду рыбу можно найти в ямах и на средних глубинах, на отмелях с растительностью. Теплая вода в глубоких ямах обычно удерживает больше рыбы. В середине зимы происходит то же, что и в мелких водоемах, то есть из за ограниченного доступа света растения вырабатывают меньше кислорода. Но в большом водоеме кислорода больше и рыба больше зависит от температуры воды. Поэтому в таких водоемах рыба может скатиться в ямы, но может и стоять в полводы.

При толстом слое льда солнечный свет перестает поступать под лед, но так как в большом водоеме достаточно кислорода, рыба может свободно перемещаться в нем, и ее местонахождение снова диктуется безопасностью, температурой воды и наличием корма.

СЕЗОННЫЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ В НЕБОЛЬШИХ И МЕЛКИХ ОЗЕРАХ

Ранняя зима. Лед формируется в основном холодными ночами, но если днем оттепель, то лед может таять. В это время рыба может находиться в любом слое воды, но все же большая ее часть уходит на глубину, где вода теплее.

Середина зимы . Чем глубже, тем меньше света и меньше кислорода. Разлагающиеся растения и животные потребляют кислород, и рыба будет вынуждена перемещаться на все еще богатые кислородом отмели.

Поздняя зима. Кислорода все меньше и только самые верхние слои воды содержат его в достаточном количестве. Если кислород не начнет поступать в водоем с талой водой, то рыба начнет задыхаться и умирать. Светочувствительные рыбы, например, судаки, часто перемещаются по водоему в зависимости от проникновения солнечного света. В глубоких озерах с прозрачной водой, где солнечного света достаточно, судак предпочитает охотиться днем на глубине, а вечером на отмели. Если лед и снег создают тень, то судак может перейти в еще более мелкое место или будет питаться только днем, в зависимости от наличия корма и укрытия. В мелких озерах с мутной водой доступ света ограничен, и в таких водоемах судак больше склонен к кормлению утром и до полудня.

ПОГОДА
Большинство рыболовов понимают, что влияние погоды на рыбу зимой и летом очень похоже. В условиях ясного дня, при высоком давлении рыба менее склонна к кормлению, чем в пасмурный день при низком давлении.

РЕЛЬЕФ ДНА
В озерах с полукруглой формой дна и небольшими препятствиями на дне рыба будет держаться в специфических местах, характерных для данного водоема. Озера, дно которых усеяно многочисленными неровностями, ямами, возвышенностями, предоставляют рыбе больший выбор мест, где много кислорода, укрытий, корма. И чем больше таких неровностей на дне, тем больше рыбы в этом месте.

ПРЕПЯТСТВИЯ НА ДНЕ
Препятствия на дне в виде растительности, коряг, камней, искусственных сооружений всегда привлекают рыбу. Ведь они являются укрытием для кормовой рыбы и засадой для хищника. Зона, в которой присутствуют такого рода подводные преграды, особенно если она достаточно насыщена кислородом, будет самой продуктивной, тем более при подходящих погодных условиях.

ТЕЧЕНИЕ
Еще один важный фактор для подледной ловли. Если у водоема есть приток, то он несет с собой воду, насыщенную кислородом, что привлекает как рыбу, так и объекты ее питания. Течения в местах с небольшими глубинами подмывают лед и тормозят его нарастание, поэтому через тонкий слой льда хорошо проникает солнечный свет. В таких местах растительность на дне живет намного дольше, предоставляя рыбе место для укрытия и насыщая воду кислородом.

СУТОЧНЫЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ РЫБЫ

Серьезные зимние рыболовы проводят на льду очень много времени, изучая водоем, рельеф его дна, течения. Когда водоем изучен, они начинают рассматривать, как влияют на поведение рыбы различные факторы погода, степень освещенности, и стараются определить место и время суток, которые лучше всего подходят для ловли того или иного вида рыб. Такие рыболовы знают, что рыба при похожих погодных условиях каждый день посещает те же места, что и днем ранее. Например, судак очень чувствителен к свету, поэтому предпочитает слабо освещенные места и охотится в периоды пониженной освещенности, когда другая рыба уже не охотится, поэтому у судака нет конкурентов.

Щука и окунь склонны держаться на глубине или в укрытиях в разгар дня и предпочитают охотиться именно в дневной период, даже в абсолютно прозрачной воде и при хорошем освещении. Возможно, потому что в это время их основной конкурент судак не активен, и щуке с окунем достается добыча.

Рыба может ежедневно перемещаться от глубины к мелководью и наоборот. Обычно на мелководье рыба выходит, когда она активна, и уходит на глубину, когда ее активность снижается. Рыба не уходит очень далеко в глубину, так как предпочитает находиться вблизи от мелководных укрытий, где много корма. Поэтому не стоит искать самое глубокое место в яме, достаточно найти место, где отмель переходит в свал. Некоторые виды рыб непосредственно подо льдом.

Знать, когда рыба активна, хорошо, но недостаточно для богатого улова. Для полного счастья надо знать, где и когда. И вот это «где» зависит от особенностей водоема.

ЕСТЕСТВЕННЫЕ ОЗЕРА
Для успешной рыбалки на естественных озерах нужно хорошо изучить очень многие их качества. Каждая из характеристик может помочь открыть тайны зимнего озера. Помня об этом, зимние рыболовы тщательно изучают его глубину, рельеф дна, прозрачность воды, ее насыщенность кислородом, рыб, населяющих водоем.

КАРЬЕРЫ И ПРУДЫ
Очень большое количество рыболовов проводят свое время именно на таких водоемах. В больших прудах и карьерах с глубинами 4,5 6 м хотя бы в четвертой их части состав воды достаточно стабилен и в них редко бывает замор. В более мелких и небольших водоемах обязательно должен быть приток воды, чтобы вода обогащалась кислородом. Наиболее теплые водоемы отличаются активным ростом растительности, в которой водится достаточно много окуня и различной мирной рыбы. Глубокие и холодные водоемы также содержат много кислорода, хотя там меньше растительности, а рыба может быть самых разных видов и в различных количествах.

Карьеры обычно отличаются резким увеличением глубины у берега, причем к середине она может быть очень большой. Дно обычно песчаное или гравийное, поэтому вода в этих водоемах отличается высокой прозрачностью. В карьерах обычно преобладает окунь, разные виды мирной рыбы, реже встречается щука.

ВОДОХРАНИЛИЩА
Искусственные моря образуются, когда реку перегораживают дамбой. Каждый из таких водоемов может иметь свои уникальные характеристики. Так как все эти водоемы создаются на реках, в них есть течение. Речной поток приносит в водоем обогащенную кислородом воду. Но постоянная смена уровня воды может нарушать состояние льда. Как и естественные озера, водохранилища могут отличаться размером, глубинами, рельефом дна, прозрачностью воды и пр.

БОЛЬШИЕ РЕКИ
Из-за постоянного течения русловые участки многих рек могут не покрываться постоянным льдом, поэтому подледная ловля в таких местах не всегда возможна. Однако на участках, расположенных в стороне от основного русла, где подледный лов все же возможен, уловы могут быть очень хорошими. В таких местах результативна ловля судака, окуня и щуки, особенно ближе к последнему льду, когда рыба начинает двигаться вверх по течению к нерестилищам.

На крупных реках, таких, как Днепр, некоторые большие, глубокие с медленным течением участки и ямы возле дамб могут быть населены судаком. Однако постоянное изменение силы течения и уровня воды делает лов на таких реках небезопасным. Состояние льда может меняться чуть ли не ежедневно. Лед, который еще вчера казался таким надежным, уже на следующий день из за подъема уровня воды и течения может ломаться и превращаться в шугу.