湖の成層

湖の成層とは、暖かい時期に湖がそれぞれ独立した明確な温度層を形成する傾向のことです。典型的な成層湖は、表層水（エピリムニオン）と呼ばれる最も暖かい層、水深が一日を通して変化する中間層である水温躍層（または変水層）、そして湖底まで続くより冷たい深層水（ハイポリムニオン）という3つの明確な層を示します。

どの湖にも、湖の形態や環境条件によって影響を受ける一定の混合様式があります。しかし、土地利用の変化、気温の上昇、気象パターンの変化といった人為的影響の変化は、世界中の湖の成層のタイミングと強度を変化させることが示されています。^{[ 1 ] [ 2 ]}気温の上昇は、地理的な位置の物理的な変化と同じように湖に影響を与え、熱帯地域は特に敏感です。^{[ 2 ] [ 1 ]}これらの変化は、溶存酸素と栄養塩の利用可能性を変化させる勾配を作り出すことに加えて、魚類、動物プランクトン、植物プランクトンの群集構成をさらに変化させる可能性があります。^{[ 3 ] [ 4 ]}

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  多くの湖に見られる典型的な混合パターンは、水が最も密度が高くなる4 ℃（39 °F ）以外の温度では水の密度が低くなるという事実によって引き起こされます。湖の成層は夏と冬には安定していますが、春と秋には表面水温が4 ℃を超えると不安定になります。   

湖の熱成層とは、湖の異なる深さで温度が変化することを指し、水の密度が温度によって変化することによるものです。^{[ 5 ]}冷たい水は暖かい水よりも密度が高く、表水層は一般的に深水層ほど密度が高くない水で構成されています。^{[ 6 ]}淡水の最大密度の温度は4 °C (39 °F)です。湖水が季節によって温暖化したり冷えたりする温帯地域では、湖の上部の冷たく密度の高い水が沈むにつれて、毎年繰り返される循環パターンが発生します (安定成層と不安定成層を参照)。たとえば、二回循環湖では、湖水は春と秋に循環します。このプロセスは水深が深いほどゆっくりと進行するため、熱砂州が形成されることがあります。^{[ 5 ]}水の成層が長期間続く場合、湖は部分循環湖です。  

成層湖の混合層間では熱の輸送が非常に遅く、熱が垂直方向に 1 メートル拡散するのに約 1 か月かかります。大気と湖の相互作用は太陽放射の分布方法に依存するため、主に風応力によって引き起こされる水の乱流は熱伝達の効率を大幅に高めることができます。^{[ 7 ]}浅い湖では、風や冷却によって年間を通して定期的に混合されるため、表水層、変水層、深水層への成層はしばしば起こりません。これらの湖は多混合湖と呼ばれます。多混合湖と成層湖を区別する固定された深さはなく、これは濁度、湖の表面積、気候にも影響されます。^{[ 8 ]}

湖の混合様式（多混合、二混合、部分混合など）^{[ 9 ]}は、ほとんどの年に発生する湖の成層の年間パターンを記述します。しかし、短期的な出来事も湖の成層に影響を与える可能性があります。熱波は、通常は混合している浅い湖で成層期間を引き起こす可能性があります^{[ 10 ]。}一方、嵐や大量の河川流量などの混合イベントは成層を崩壊させる可能性があります^{[ 11 ]} 。気象条件は、より大きく浅い湖でより迅速な反応を引き起こすため、これらの湖はより動的で、あまりよく理解されていません。しかし、大きく浅い湖に存在することが知られている混合様式は、ほとんどが日周期であり、成層は容易に乱されます。中国の太湖は、大きく浅い日中湖の一例であり、水深は3メートル（10フィート）を超えることはないものの、主に上層部での太陽放射の吸収により、湖水の濁度は成層化と非成層化を繰り返すほど動的である。^{[ 12 ]}成層化が乱れる傾向は、栄養塩の輸送と消費の速度に影響を与え、ひいては藻類の生育に影響を与える。^{[ 13 ]}地球最大の湖における成層化と混合の様式も十分に理解されていないが、ミシガン湖の深層水で時間とともに見られる温度上昇などの熱分布の変化は、地球上で最大の淡水生態系を大きく変化させる可能性がある。^{[ 14 ]} 

最近の研究では、季節的に氷に覆われる二循環湖は、冬季の成層様式に応じて「氷成層湖」または「氷循環湖」と表現できることが示唆されている。^{[ 15 ]}氷成層湖は氷面付近で逆成層を示し、深度平均水温は4  ℃付近であるのに対し、氷循環湖は氷下の躍層がなく、深度平均冬季水温は0  ℃に近い。^{[ 15 ]}

混合期間中の水の循環は、酸素やその他の溶存栄養素の移動を引き起こし、それらを水全体に分配します。^{[ 7 ]}底生生物が優勢な湖では、これらの底生生物の呼吸と消費が、強く成層した湖の混合特性を上回る可能性があり、その結果、底付近の酸素と栄養塩濃度が極めて低いゾーンが生じます。これは貝類などの底生生物に有害となる可能性があり、最悪の場合、個体群全体が死滅する可能性があります。^{[ 16 ]}アフリカの3つの部分循環湖（カメルーンのニオス湖とモノウン湖、ルワンダのキブ湖）における溶存二酸化炭素（CO2 _{）の蓄積は、潜在的に危険です。これらの湖のいずれかが}湖水噴火を起こすと、非常に大量のCO2が_急速に湖から流出し、周辺地域の人や動物の生命に必要な酸素を奪う可能性があるからです。

温帯地域では、夏季に成層化した多くの湖が、涼しく風の強い天候になると成層が解消されます。この過程において、風による表層混合が重要な役割を果たします。これはしばしば「秋のターンオーバー」と呼ばれます。深水層が湖の混合水に混ざることで、温暖な時期に深水層に閉じ込められていた栄養塩、特にリン化合物が再循環されます。また、長期間形成された深水層は無酸素状態、あるいは酸素濃度が非常に低い状態になる可能性があるため、酸素欠乏のリスクも伴います。

湖の混合様式は気温の上昇に応じて変化する可能性がある。これにより、一部の二回循環湖が単回循環湖に変化したり、一部の単回循環湖が部分循環湖に変化したりする可能性がある。^{[ 17 ]}

湖、特に低酸素状態や望ましくない藻類の異常発生が発生している湖の温度成層を解消するために、多くの種類の曝気装置が使用されてきました。^{[ 18 ]}自然資源および環境管理者は、湖や池の温度成層によって引き起こされる問題にしばしば直面します。^{[ 6 ] [ 19 ] [ 20 ]}魚の大量死は、温度勾配、停滞、および氷の被覆と直接関連しています。^{[ 21 ]}プランクトンの過剰な増殖は、湖のレクリエーション利用や湖水の商業利用を制限する可能性があります。湖の深刻な温度成層は、飲料水の水質にも悪影響を与える可能性があります。^{[ 6 ]}湖内の魚の空間分布は、温度成層によって悪影響を受けることが多く、場合によっては、レクリエーション上重要な魚の大量死を間接的に引き起こす可能性があります。^{[ 21 ]}これらの湖の管理上の問題を軽減するために一般的に使用されるツールの1つは、水の曝気によって温度成層を解消または軽減することです。^{[ 19 ]}通気は一定の成功を収めているが、万能薬となることはほとんどない。^{[ 20 ]}

どの湖にも、湖の形態や環境条件によって影響を受ける一定の混合様式があります。しかし、土地利用の変化、気温の上昇、気象パターンの変化といった人為的影響の変化は、世界中の湖の成層のタイミングと強度を変化させることが示されています。^{[ 1 ] [ 2 ]}これらの変化は、溶存酸素や栄養塩の利用可能性を変化させる勾配を生み出すことに加えて、魚類、動物プランクトン、植物プランクトンの群集構成をさらに変化させる可能性があります。^{[ 3 ] [ 4 ]}

地域における土地利用

人間の土地利用の変化が湖の成層構造、ひいては水質に影響を与える方法は数多くあります。都市の拡大により、これまで孤立していた湖の近くに道路や家屋が建設され、流出水や汚染が増加することがあります。湖に粒子状物質が加わると水の透明度が低下し、熱成層が強まり、水柱の平均温度が全体的に低下し、最終的には氷の形成開始に影響を与える可能性があります。^{[ 22 ]}また、道路や歩道からの塩の流出によっても水質が影響を受けることがあり、これはしばしば底に塩水層を形成し、表層水の垂直混合を妨げます。^{[ 4 ]}さらに、塩水層は溶存酸素が底質に到達するのを妨げ、リンの循環を減少させ、微生物群集に影響を与える可能性があります。^{[ 4 ]}

地球温暖化

地球規模では、気温の上昇や気象パターンの変化も湖の成層に影響を与える可能性があります。気温の上昇は、地理的な位置の物理的な変化と同じように湖に影響を与え、熱帯地域は特に敏感です。^{[ 2 ] [ 1 ]}影響の強度と範囲は場所と湖の形態によって異なりますが、場合によっては単循環湖から二循環湖への再分類が必要になるほど極端になることもあります（例：グレートベア湖）。^{[ 2 ]}地球規模では、湖の成層は、より深く急な水温躍層と、気温の変化に対する成層反応の主な決定要因として平均湖水温によって、より安定しているようです。^{[ 1 ]}さらに、表面の温暖化率は底部の温暖化率よりもはるかに大きく、これもまた湖全体でより強い熱成層を示しています。^{[ 1 ]}

成層パターンの変化は、湖沼生態系の群集構成も変化させる可能性がある。浅い湖では、水温の上昇は珪藻群集を変化させる可能性があるが、深い湖では、その変化は深層クロロフィル層の分類群に反映される。^{[ 3 ]}混合パターンの変化と栄養塩利用可能性の増加は、動物プランクトンの種構成と個体数にも影響を与える可能性があるが、栄養塩利用可能性の低下は底生生物群集と魚類の生息地に悪影響を及ぼす可能性がある。^{[ 3 ] [ 4 ]}

北半球の温帯湖では、気候変動により気象パターンや結氷・解氷時期の変動性が増大するにつれて、成層パターンの年ごとの変化が複数の栄養段階にも影響を及ぼす可能性がある。^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}成層の一貫性の変動は、湖の脱酸素化、栄養塩の無機化、リンの放出を加速させ、植物プランクトン種に重大な影響を与える可能性がある。^{[ 25 ] [ 26 ]}さらに、植物プランクトンの種構成と個体数の変化は、ウォールアイなどの魚類の加入に影響を与える可能性がある。成層の変化により捕食者と被食者の個体群にこのような非同期性が毎年発生すると、個体群が「通常」の一貫性に回復するのに何年もかかる可能性がある。^{[ 26 ]}気候変動によってもたらされる成層パターンに関連した、通常より暖かい湖水温と相まって、年によって変動する餌生物の個体数は、冷水魚種にとって有害となる可能性がある。^{[ 27 ]}

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