У южного берега Ладоги вода уже может остыть ниже четырёх градусов, пока дальше от суши озеро ещё хранит тепло. Между этими водами возникает термобар — подвижный температурный фронт, который меняет обмен между мелководьем и глубиной. Его устройство связано с необычным свойством пресной воды: холодная вода не всегда тяжелее тёплой.

Мелководье остывает первым

Осенний разрез южной Ладоги начинается с прибрежной воды, которая быстро отдаёт накопленное тепло. Дальше от берега, над большими глубинами, запас тепла больше и охлаждение занимает дольше. Поэтому одинаковая погода над соседними участками озера не делает их одинаковыми по температуре: мелководная и глубоководная части проходят осенние стадии в разное время.

В озероведении эти области называют теплоактивной и теплоинертной. Первая быстрее отвечает на нагревание и охлаждение, вторая меняется медленнее. Осенью между ними возникает фронт: с прибрежной стороны вода уже холоднее температуры максимальной плотности, с открытой — ещё теплее неё. На карте поверхности ориентиром этого раздела служит четырёхградусная изотерма, линия одинаковой температуры.

Поворот у четырёх градусов

По данным монографии Института озероведения об экосистеме Ладоги, максимум плотности пресной воды приходится примерно на 3,98 °C. Пока вода теплее этого порога, охлаждение делает её плотнее: она опускается, уступая место воде снизу. Так развивается свободная конвекция — перемешивание, которому помогает само различие плотностей.

После перехода через этот порог направление зависимости меняется. Вода, остывающая дальше, становится легче и может оставаться наверху. У берега складывается обратная температурная стратификация: холодный верхний слой располагается над более тёплым нижним. Дальше от берега водная толща ещё может продолжать конвективное перемешивание. Именно соседство разных состояний воды создаёт осенний фронт.

Разрез от берега в озеро

Схематический разрез через осенний термобар состоит из трёх участков. Они различаются и температурой, и тем, насколько легко вода перемещается по вертикали.

  1. Прибрежная область уже прошла четырёхградусный порог. Дальнейшее охлаждение поверхности поддерживает устойчивое расположение более лёгкой холодной воды сверху.
  2. Во фронтальной зоне находится вода, близкая к температуре максимальной плотности. Четырёхградусная изотерма указывает на область опускания наиболее плотных вод.
  3. За фронтом располагаются более теплоинертные воды. Их осеннее охлаждение сопровождается конвекцией, которая вовлекает в перемешивание всё более глубокие слои.

Это разрез через водную толщу, а не просто чередование холодных и тёплых пятен на поверхности. Термобар разделяет области с разным вертикальным устройством. По мере охлаждения глубоководных участков граница смещается вслед за изменением температурного поля.

Два направления водообмена

У термобара особенно заметна разница между горизонтальным и вертикальным обменом. Фронт затрудняет перемешивание прибрежных и открытых вод поперёк границы. При этом внутри перемешивающейся области вода продолжает двигаться от поверхности в глубину. Поэтому выражение «температурный барьер» не означает остановки движения во всей толще озера.

Вместе с водой перераспределяются растворённые вещества. В обзоре исследований Института озероведения осеннее полное перемешивание описано как период обмена кислородом и биогенными элементами между поверхностью и дном. Одновременно фронт поддерживает пространственные различия между участками озера: вода у берега и за его пределами проходит сезонную перестройку с разной скоростью.

Осенний температурный контраст слабее весеннего. В обзоре института отмечено, что при осеннем фронте прибрежная вода холоднее четырёх градусов, а температура центральноозёрных вод не превышает шести. Для возникновения раздела существенна сама разница положения вод относительно порога максимальной плотности.

Тепло уходит вниз

Охлаждение поверхности способно сопровождаться потеплением у дна. Летом нижние слои отделены от нагретой поверхности термоклином — слоем резкого изменения температуры. Осенняя конвекция вместе с ветровым перемешиванием углубляет верхний однородный слой и постепенно разрушает эту границу. Тепло получает доступ к горизонтам, которые летом были от него изолированы.

Исследователи Михаил Науменко и Владимир Гузиватый проследили такую перестройку по более чем десяти тысячам температурных профилей центрального района Ладоги над глубинами 50–70 метров. Их среднеклиматическая картина показывает: в первой половине ноября перемешивание достигает дна, а придонная температура выходит на годовой максимум — около 5,5 °C.

Затем охлаждение продолжается уже в перемешанной толще. Когда она проходит температуру максимальной плотности, наверху вновь закрепляется более холодная и лёгкая вода. Зимний профиль переворачивает привычную летнюю картину: у поверхности температура приближается к нулю, а у дна остаётся выше, в пределах четырёх градусов.