Крошечные плавающие существа могут создавать большие течения в воде озера

Озера обычно изображаются как спокойные среды, в значительной степени не подверженные влиянию огромной приливной силы, которая движет океанами. Но поверхностные ветры, воздействующие на озера, могут значительно менять среду, особенно летом.

Наши недавние исследования показывают, что еще один фактор может играть значительную роль в перемешивании воды в озере: движение животных, которые живут в нем, включая микроскопический зоопланктон. Это проливает свет на то, как даже самые крошечные организмы могут способствовать физическим процессам, которые делают окружающую среду в озерах и океанах такой необычной.

Мы уже знали, что ветры могут вызывать движение воды, которое распространяется на всю глубину озера, обычной «водяной толщей». Смешение поверхностных и глубинных вод необходимо для поддержания здоровой экосистемы озера.

Это смешивание стимулирует обмен кислорода с поверхности озера на придонный слой, снижая выработку мощного парникового газа метана в отложениях на дне озера. Смешивание также может позволить транспортировать вверх питательные вещества, которые необходимы для таких видов, как фитопланктон, живущих у поверхности озера.

Тем не менее, в самых спокойных водах озера — около дна — ученые какое-то время подозревали, что животный мир может способствовать перемешиванию озера. Перемещая плавники, антенны или ноги, плавающие организмы могут генерировать множество движений, которые в совокупности образуют водовороты — динамические круговые потоки воды — в процессе, известном как «биогенное перемешивание». Хотя исследования окружающей среды океана предположили, как это могло произойти, в основном с помощью лабораторных экспериментов или с использованием численного моделирования, доказательства этого процесса в озерах ограничены.

Озеро Печь, Ирландия
Озера содержат целые сложные экосистемы. Д-р Миккель Андерсен
Наше исследование Уиндермира, большого озера в национальном парке Лейк-Дистрикт Камбрии, обнаружило доказательства значительного и постоянного биогенного перемешивания в озерах. Это говорит о том, что в предыдущих исследованиях, возможно, был упущен важный процесс перемешивания в экосистемах озер, что имело значение для нашего понимания того, как они реагируют на изменение окружающей среды.

Биогенное перемешивание
Для изучения этого явления мы использовали акустические доплеровские профилометры. Эти инструменты излучают звуковые волны, которые отражаются обратно взвешенными частицами, такими как зоопланктон, в толще воды.

Длина волны возвращающегося звука отличается от длины волны исходящего сигнала, что позволяет нам измерить скорость воды. Как только мы узнаем скорость в разных точках водяного столба, мы сможем оценить количество происходящего перемешивания.

Наши доплеровские профилировщики, которые регистрировали как скорость течения воды, так и движение организмов, плавающих в водной толще, показали, что смешение, производимое плавающими организмами, сильнее всего у дна озера.

Наблюдаемое нами перемешивание происходило в течение обычного 24-часового периода, который был наиболее тихим около полуночи. Это свидетельствует о том, что высокие концентрации организмов перемещались вертикально от глубокой воды вверх к поверхности озера в темное время суток, прежде чем вернуться в более глубокие воды перед рассветом, где они оставались в дневное время. Это известно как «вертикальная миграция Диля» и является характерным поведением зоопланктона.

Мы также обнаружили меньший процесс перемешивания, происходящий в термоклине. Это регион озер и океанов, где летом более теплые поверхностные воды и более прохладные придонные воды разделяются. По мере того как солнце нагревает поверхность озера, более холодные воды (которые более плотны) опускаются на глубину озера, в результате чего образуется слоистый водный столб с разной температурой.

Термоклин является своего рода убежищем для водных организмов, позволяя им получить доступ как к теплой, хорошо насыщенной кислородом воде наверху, так и к прохладной, богатой питательными веществами воде внизу, а также обеспечивая потенциальный побег от хищников, часто присутствующих в хорошо освещенных поверхностных слоях.

Наши данные показали, что пик перемешивания на термоклине — около полуночи — был противоположен пику, наблюдаемому у дна озера. Это потому, что именно в этом регионе многие плавающие вверх организмы приходят из более глубоких регионов, чтобы питаться ночью.

Последствия этих выводов еще предстоит детально изучить. Но похоже, что понимание процессов перемешивания может помочь нам предотвратить цветение водорослей, подобное тому, которое в настоящее время угрожает озеру Уиндермир, поскольку оно может быть вызвано слабым перемешиванием летом, из-за которого сточные воды остаются в слоях озера.