О Байкале

Гидрохимия

Основными особенностями химического состава байкальских вод являются постоянство содержания главных ионов, низкая концентрация биогенных элементов и органического вещества, а также высокое насыщение воды кислородом.
Главные ионы. К главным ионам, определяющим минерализацию и ионный состав воды, относятся гидрокарбонаты, сульфаты, хлориды, ионы кальция, магния, натрия и калия.
Воды Байкала по классификации О.А. Алекина относятся к слабоминерализованным гидрокарбонатно-кальциевым водам первого типа. Суммарная концентрация растворенных в воде солей составляет около 100 мг/л. Еще в середине прошлого столетия К.К. Вотинцев указывал на постоянство концентрации главных ионов по акватории, по глубине и по сезонам года. Это подтверждено и в настоящее время при исследовании Байкала с применением таких методов анализа, как ионная хроматография и плазменная атомно абсорбционная спектрофотометрия. Изменения содержания главных ионов по глубине и по котловинам озера современный химический анализ не выявляет.
Нарушения постоянства содержания главных ионов отмечается локально – вблизи наиболее крупных притоков озера, где концентрация главных ионов в водах рек может быть выше (р. Селенга, р. Баргузин и др.) или ниже их значений в открытом озере (реки северной оконечности, реки Хамар-Дабана).
В отличие от ионного состава содержание кислорода, биогенных элементов и органического вещества в воде Байкала имеет ярко выраженную вертикальную стратификацию и закономерную сезонную, а также суточную динамику. Временная изменчивость концентрации биогенных элементов и кислорода обусловлена биологическими процессами и динамикой водных масс озера.
Кислород. Кислород в воде находится в виде растворенных молекул. Обогащение воды кислородом происходит в результате поглощения его из атмосферы и выделением водной растительностью при фотосинтезе. Кислород потребляется на разложение органического вещества, расходуется на дыхание водных организмов, окисление минеральных соединений, а также выделяется в атмосферу в случае пересыщения воды кислородом. Соотношение между процессами потребления и обогащения определяет величину содержания кислорода в воде водоема.
Одна из уникальных особенностей озера Байкал – высокая концентрация кислорода в воде на всех глубинах. Содержание его изменяется в среднем от 9 до 14,5 мг О2/л. Насыщение воды кислородом меняется от 85 до 100%, в периоды интенсивного развития фитопланктона достигает 105–115%, а в придонной области не опускается ниже 75%.
Основными факторами, определяющими динамику содержания кислорода, являются жизнедеятельность фитопланктона, круговорот органического вещества и температурный режим. Величина О2 максимальна у поверхности и снижается с глубиной.
В летний и ранний осенний периоды максимум концентрации может быть смещен в более глубокие слои (до 25–50 м), что связано как с угнетением водорослей солнечной радиацией, так и выделением его в атмосферу при прогреве поверхностной воды. Сезонные изменения содержания кислорода отмечаются лишь в верхнем 100–200-метровом слое воды. Для сезонной динамики кислорода характерны два максимума. Зимний (до 14,5 мг О2/л) приурочен к периоду интенсивного подледного развития водорослей в марте–апреле. Летний максимум (август–начало сентября) обычно меньше по величине. В периоды осенней и весенней гомотермии концентрация кислорода однородна во всем 100-метровом слое.
В центральном ядре водной толщи озера ниже 200 м сезонные изменения концентрации кислорода отсутствуют, содержание его практически равномерно убывает с глубиной. В придонной зоне весной и осенью усиливаются механизмы водообмена, обеспечивающие поступление в придонные слои вод из верхних горизонтов, обогащенных кислородом.
Характер вертикального распределения кислорода во всех котловинах Байкала одинаков, что обусловлено общими для всего озера биологическими процессами и идентичностью основных механизмов водообмена. Влияние гидродинамических факторов (подъем глубинных вод в центре циклонических циркуляций, вдоль склоновое опускание вод верхнего слоя, вертикальные перемещения вод в районе термобара) может приводить к некоторой неоднородности пространственного распределения концентрации кислорода, но различия их невелики.
Величина рН. Величина рН, или водородный показатель, характеризует концентрацию ионов водорода. Для воды Байкала величина рН зависит от соотношения концентраций угольной кислоты и ее ионов. Так как содержание гидрокарбонатов в озере невысокое и практически постоянное, то величина рН определяется, в основном, концентрацией диоксида углерода в воде.
Величина рН в воде Байкала изменяется от 8,2–8,3 ед. в поверхностном слое, в периоды активного развития водорослей может достигать 8,5 ед. С увеличением глубины ее значения снижаются, в придонной области не опускаются ниже 7,45 ед. Соответственно, содержание диоксида углерода в воде поверхностного слоя изменяется от 1 мг/л до аналитического нуля, а на максимальных глубинах составляет 4–5 мг/л. Сезонные изменения величины рН в верхнем 100-метровом слое воды отражают сезонные изменения концентрации диоксида углерода. Минимальные величины рН отмечаются в позднеосенние и зимние месяцы, в мае ее значение повышается. Следующий минимум величины рН регистрируется в июле, а годовой максимум в августе–сентябре. Неоднородности пространственного распределения величины рН по акватории Байкала малы и определяются смещением наступления отдельных периодов сезонных изменений.
Биогенные элементы. К биогенным элементам относятся азот, фосфор и кремний. Азот и фосфор входят в состав тканей каждого живого организма. Без них не могут существовать водные растения и, в конечном счете, животные. Кремний необходим для развития диатомовых водорослей, строящих свой панцирь из аморфного кремнезема, губок, имеющих скелетные образования в виде кремнеземных игл. Биогенные элементы поступают в Байкал с водами притоков и атмосферными осадками.
Вертикальное распределение биогенных элементов в воде Байкала характеризуется постоянным ростом их содержания с глубиной.
Концентрации биогенных элементов подвержены сезонным колебаниям в поверхностных и придонных слоях воды Байкала из-за потребления и регенерации их биотой в верхних слоях воды и уникального механизма обновления придонных вод озера. В центральном ядре водной толщи Байкала концентрации биогенных элементов мало меняются по сезонам, и в разных котловинах озера на одинаковых глубинах их содержание в среднем одинаково. Концентрация нитратов в придонных водах озера достигает 0,6 мг NO3–/л, фосфатов 0,06 мг PO4 3–/л, кремния 1,6 мг Si/л мг/л. Следует отметить, что в Байкале азот в нитритной и аммонийной форме отсутствует или регистрируется в незначительном количестве в поверхностном слое воды в периоды отмирания водорослей.
Сезонные изменения содержания нитратов и фосфатов отмечаются в верхнем 100–метровом слое воды, иногда распространяясь на большие глубины. Динамика их концентрации в течение года имеет два максимума (в январе–феврале и во второй половине июня и июле) и два минимума (в мае и августе–сентябре). Летний минимум, глубокий и продолжительный, иногда приводит к полному исчезновению нитратов и снижению фосфатов до 0,002–0,005 мг/л. Весенний минимум концентрации нитратов и фосфатов ярко проявляется только в годы массового развития диатомовых водорослей. И только в эти же годы наблюдаются сезонные изменения концентрации кремния. В годы с низким развитием диатомовых водорослей, как в 2006 г., содержание кремния в верхнем слое воды обусловлено, в основном, гидродинамическими процессами. Характер вертикального распределения биогенных элементов одинаков в разных котловинах, а пространственное распределение их вдоль озера неоднородно. Это связано со сдвигом времени наступления отдельных фаз сезонной динамики биогенных элементов в широтном направлении и влиянием механизмов водообмена.
Кроме пространственных и сезонных изменений, в верхнем слое воды существуют также суточные колебания растворенных газов и биогенных элементов. Суточный ход этих компонентов химического состава воды наблюдается круглый год, глубина его проникновения летом достигает 50 м. Амплитуда суточных колебаний зависит от интенсивности развития фитопланктона и гидрометеорологической ситуации, а величина амплитуды уменьшается с глубиной.
В формировании суточного хода концентрации растворенных газов и биогенных элементов ведущая роль принадлежит биологическим процессам, протекающим в озере. В дневные и вечерние часы с ростом биомассы фитопланктона концентрация кислорода возрастает, а биогенных элементов уменьшается. Ночным и утренним максимумам содержания биогенных элементов соответствуют минимальные значения концентрации кислорода.
Окисляемость. Органическое вещество всегда содержится в природных водах, состав его сложен и разнообразен. Оно может поступать с водосборной площади и образовываться в водоеме. Одним из методов количественной оценки органического вещества является окисляемость воды, величина которой измеряется количеством кислорода, расходуемого на окисление органического вещества.
В воде Байкала содержание органического вещества небольшое, и величины окисляемости невелики. Окисляемость воды (перманганатная окисляемость в кислой среде) поверхностного слоя изменяется в пределах 1–1,6 мг О/л. С глубиной ее величина снижается и в придонной зоне составляет 0,4–0,5 мг О/л. Сезонные изменения значений окисляемости аналогичны сезонным изменения концентрации биогенных элементов и согласуются с изменениями в развитии водорослей в течение года.
Источник информации:  Байкал: природа и люди : энциклопедический справочник / Байкальский институт природопользования СО РАН ; [отв. ред. чл.-корр. А. К. Тулохонов] – Улан-Удэ : ЭКОС : Издательство БНЦ СО РАН, 2009. – 608 с.: цв. ил.