I. Termika jezior w cyklu rocznym.

Jezioro nie jest tworem jednolitym. W naszym Klimacie, w okresie letnim i zimowym, przy odpowiedniej głębokości rozdziela się ono w strukturze pionowej na części, które okresowo prowadzą samodzielną lub prawie samodzielną gospodarkę ekosystemową. W najprostszym przypadku jeziora stratyfikowanego dimiktycznego, a takim jest jezioro Kierskie, części te to:

1. Epilimnion – warstwa górna.
W okresie letnim jest to warstwa miąższości od Kilku do kilkunastu metrów nagrzanej wody o ustabilizowanej temperaturze, w której odbywa się główny w pelagicznej części zbiornika proces produkcji materii organicznej z substancji pokarmowych przy współudziale promieni słonecznych. Producentami materii organicznej są glony. Tak więc tylko epilimniom ma zdolność przechwytywania i przerobu napływających z zewnątrz i z pozostałych części zbiornika substancji pokarmowych w materię organiczną w procesie produkcji pierwotnej. Ze strefy tej ma miejsce eksport materii organicznej do dolnych warstw wody. Natomiast w okresie zimowym – ze względu na specyficzną charakterystykę zmian gęstości wody w funkcji temperatury – jest to najzimniejsza część zbiornika. Epilimnion – ze względu na przebiegające w nim procesy fotosyntezy – jest z reguły nasycony lub przesycony tlenem, więc nie zachodzą w nim zjawiska beztlenowego rozkładu materii organicznej.

2. Metalimnion (termoklina) – warstwa środkowa.
W warstwie tej – o miąższości kilku metrów – następuje w okresie stagnacji letniej gwałtowny spadek temperatury wody z głębokością, a w okresie stagnacji zimowej – jej podwyższenie. Strefa ta dzieli epilimnion i hypolimnion, a jej gradient temperaturowy oraz ruchy pionowe stanowią o możliwościach powrotu substancji pokarmowych i obumarłej materii organicznej z hypolimnionu do wierzchnich warstw wody.

3. Hypolimnion – warstwa dolna.
Warstwa o ustalonej niskiej temperaturze wody. W jeziorach głębokich – z powodu podanego wyżej temperatura ta waha się w granicach 4 – 7°C. Wody tam zalegające odznaczają się wysoką żyznością oraz występowaniem silnych deficytów tlenowych. Ze względu na stagnację i brak możliwości kontaktu z powietrzem atmosferycznym przez większą część roku, w warstwie tej gromadzą się produkty metabolizmu destruentów i reducentów, następuje wzrost koncentracji soli pokarmowych, wydzielają się substancje powstające w procesach gnilnych (nie rozłożona w pełni materia organiczna, kwasy organiczne, alkohole, siarkowodór, metan itp.).
W jeziorach dimiktycznych opisane warstwy wody utrzymują się wyraźnie w okresie letnim oraz zimowym. Ha wiosnę oraz na jesieni, ze względu na odpowiednio: ocieplanie się lub ochładzanie wierzchnich warstw wody (a więc zmianę jej ciężaru właściwego), oddziaływanie wiatru, opadów atmosferycznych itp. następuje mieszanie się wody w całej misie jeziornej. W konsekwencji ma miejsce wynoszenie żyznych, odtlenionych warstw wody znad dna ku powierzchni, a wtłaczanie wód uboższych w substancje pokarmowe lecz bogatych w tlen ku dołowi. Jedynie te dwa okresy w cyklu rocznym sprawiają, że do osadów dennych zgromadzonych w zbiorniku dociera wystarczająca ilość tlenu umożliwiająca rozkład zdeponowanej materii organicznej do dwutlenku węgla i wody bez uwalniania szkodliwych produktów niepełnej jej destrukcji.

II. Cele napowietrzania wód naddennych jeziora.

Produkcja pierwotna materii organicznej zachodzi tylko w przypowierzchniowej – eufotycznej – warstwie wody, do granicy zasięgu promieni słonecznych. Grubość tej strefy jest stabilizowana procesem sprzężenia zwrotnego ujemnego im mniejsza jest żyzność wody, tym mniej organizmów planktonowych się w niej rozwija i tym samym promienie słoneczne przenikają głębiej. W przypadku zwiększenia trofii powierzchniowej warstwy wody, a tym samym umożliwienia rozwoju większej ilości komórek roślinnych – a co za tym idzie i organizmów zwierzęcych – tym strefa prześwietlona zbiornika zmniejsza się. Przyczyny zwiększania się trofii górnych warstw wody w zbiorniku mogą mieć dwa podstawowe źródła:
– dopływ substancji pokarmowych z zewnątrz (allotrofizacja),
– uwalnianie istniejących zasobów pokarmowych i ich dopływ z innych partii jeziora (autotrofizacja).

Likwidacja dopływu biogenów ze źródeł zewnętrznych wymaga uporządkowania gospodarki wolno-ściekowej w całej zlewni zbiornika i utrzymywania jej w odpowiednim reżimie, stabilizacji procesów erozyjnych, zmian w sposobie prowadzenia gospodarki rolnej w zlewni i innych zabiegów. Likwidacja źródeł wewnętrznego zasilania zbiornika w biogeny może przybierać różnorodne formy oddziaływania. W ogólnych zarysach można je usystematyzować jako:
– fizyczne unieczynnienie biogenów w miejscach, skąd nie mogłyby być powtórnie uwolnione do wody (np. w osadach dennych odciętych od wody warstwą nieprzepuszczalną dla uwalnianych substancji odżywczych)
– przeprowadzenie przyswajalnych form pokarmowych występujących w wodzie w ich postacie fizjologicznie niedostępne dla organizmów (np. chelatowanie)

Zastosowanie napowietrzania naddenych wód akwenu ma na celu powstrzymanie przenikania uwolnionych związków pokarmowych z zasobów już istniejących w zbiorniku do strefy w której mogą one być wykorzystane do syntezowania materii organicznej. Ze względu na fakt, że wizualna ocena jakości wody wiąże się z tzw. „przeźroczystością”, należy zapobiegać możliwości nadmiernego rozwoju organizmów planktonowych w jeziorze. Aby prawidłowo ocenić możliwości „sterowania przeźroczystością”, należy zdefiniować rolę poszczególnych czynników umożliwiających bujny rozwój fitoplanktonu w pelagialu zbiornika.

Stężenie i ilość poszczególnych składników pokarmowych w wodzie. Główną rolę, spośród substancji mineralnych, odgrywają tutaj: węgiel (C), azot (H), fosfor (P), potas(K), wapń (Ca), magnez (Mg) oraz mikroelementy. Pierwiastki te, występujące w wodzie w różnych połączeniach chemicznych, umożliwiają rozwój i wzrost glonów poprzez: wbudowywanie ich w ciała organizmów (rola budulcowa) oraz pełnienie w samych komórkach funkcji fizjologicznych i biochemicznych takich jak uczestniczenie w przemianach energetycznych (rola metaboliczna). Dla zapewnienia Komfortu pokarmowego poszczególne pierwiastki i ich formy powinny występować, w określonych specyficznymi wartościami granicznymi, w odpowiednich proporcjach. W przypadku powstania niedoboru któregokolwiek elementu pokarmowego, proces wzrostu komórek ustaje, do czasu zrównoważenia układu.

Światło. Do wytworzenia materii organicznej w procesie fotosyntezy niezbędne jest dostarczenie energii świetlnej. W warunkach naturalnych w przypowierzchniowych warstwach wody światło słoneczne nie jest z reguły czynnikiem limitującym wzrost glonów. Wyjątkami mogą się okazać warunki opisanej wyżej, szczególnie w połączeniu z sytuacją Kiedy ma miejsce silny zakwit niektórych gatunków sinic (jako organizmów utrzymujących tuż pod powierzchnią wody), lub kiedy notuje się dużą koncentrację abiosestonu.

Aby móc w sposób efektywny zaburzyć proporcje poszczególnych czynników biorących udział w rozwoju glonów, należy rozpatrzyć możliwości ingerencji w poszczególne ogniwo łańcucha, a także skuteczność takiego oddziaływania. Ze względów praktycznych nie jest możliwe w skutecznym wymiarze ograniczenie dostępu światła do jeziora. Podobnie, ze względu na bardzo małe wymagania w stosunku do mikroelementów, to ogniwo pozostaje poza możliwościami efektywnej ingerencji zewnętrznej. Z pozostałych pierwiastków biogennych wapń i magnez występują zawsze w glebach i dostarczane są do zbiorników w wyniku naturalnego wypłukiwania ich. Z powyższych powodów uwagę nalepy skupić na pozostałych trzech pierwiastkach biogennych: węglu, azocie i fosforze. Węgiel, pod postacią dwutlenku węgla, węglanu wapnia i wodorowęglanu wapnia, występuje zwykle w wodach w ilości nadmiarowej, jedynie w okresach silnego zakwitu glonów w zbiornikach słabo zbuforowanych może stanowić czynnik limitujący. Poza tym istnieje stały dopływ dwutlenku węgla do biocenozy jeziora w wyniku procesu utleniania materii organicznej, oddychania organizmów oraz przenikania z powietrza.

Azot, głównie pod postacią azotanów, jonu amoniakalnego i w mniejszej ilości azotynów również występuje w wodach w ilościach uniemożliwiających efektywne jego unieczynnienie. Poza powyższym niektóre z gatunków sinic potrafią, wykorzystując proces nitryfikacji, uniezależniać się od zasobów azotu w zbiorniku, wiążąc azot cząsteczkowy do związków przez nie wykorzystywanych. Dlatego też uważa się, że pierwiastek ten tylko w specyficznych przypadkach może mieć charakter limitujący rozwój organizmów w zbiornikach wodnych. Z wymienionych biogenów tylko fosfor, który jako składnik pokarmowy występuje w naturze w najmniejszych koncentracjach (w porównaniu do pozostałych nutrientów), oraz proporcjonalnie jest jego najmniej w wyprodukowanej masie organicznej, może podlegać efektywnej kontroli. Dla uzmysłowienia proporcji należy podać, że w procesie fotosyntezy zapotrzebowanie na: węgiel, azot i fosfor ma się tak jak: 106:15:1. Uwzględniając ilość fosforu w biomasie glonów, doprowadzenie do biocenozy 1 kg fosforu umożliwia wyprodukowanie ok. 1000 kg świeżej masy glonów (tj. ok. 100 kg suchej masy organicznej). Obumierając, do swojego rozkładu ta ilość materii organicznej potrzebuje ok. 2O0 Kg tlenu.

Z wyżej przedstawionych powodów w chwili obecnej uważa się, że w celu ograniczenia produkcji materii organicznej w zbiorniku, należy w maksymalnym stopniu ograniczyć dopływ do niego związków fosforu, a istniejący w ekosystemie jego zapas w skuteczny sposób unieczynnić. Z proponowanych metod, najmniej ingerującą w naturalne układy biologiczne, oraz stosunkowo prostą w zastosowaniu jest niedopuszczenie do występowania silnych deficytów tlenowych w zbiorniku, a szczególnie w jego partiach naddennych. Uważa się, że granicznym stężeniem tlenu w wodzie, przy którym procesy autotrofizacji i uwalniania związków toksycznych nie następują, jest ok. 4 mg/l. Przy stężeniach poniżej tej wartości, szczególnie gdy równocześnie potencjał red-ox spadnie poniżej wartości ok. 100 mV, w wodzie i osadach dennych zachodzą reakcje chemiczne o charakterze redukcyjnym, w wyniku których powstają takie substancje jak siarkowodór, metan, kwasy organiczne oraz następuje migracja fosforu z osadów dennych do wody. Jak już zaznaczono, w okresie stagnacji fosfor uwolniony z osadów dennych pozostaje w hypolimnionie zbiornika i nie jest wprowadzany powtórnie do warstwy eufotycznej. Wprowadzenie jego powtórnie do obiegu ma miejsce w okresie miksji jeziora, a więc na wiosnę lub jesienią. Aby zapobiec temu niepożądanemu zjawisku, doprowadzenie tlenu do warstwy podskokowej musi następować w sposób ciągły przez cały okres stagnacji letniej lub zimowej. Względnym miernikiem wystarczającej jego ilości w wodach naddennych jest brak uwalnianego siarkowodoru w procesie napowietrzania zbiornika.

Odrębnym zagadnieniem jest negatywne oddziaływanie toksycznych produktów niepełnej destrukcji materii organicznej, która zachodzi w warunkach niewystarczającej ilości rozpuszczonego tlenu. Wyzwalające się w tym procesie substancje oddziaływają destrukcyjnie na całą biocenozę zbiornika. Gazy takie jak siarkowodór czy metan są toksyczne dla wszystkich organizmów żywych (za wyjątkiem niektórych bakterii chemoautotroficznych) i już w minimalnych stężeniach powodują masowe ich obumieranie. W tej sytuacji zawodzą naturalne mechanizmy samoregulacji i układ do tej pory stabilny, zaczyna odkładać w przyspieszonym tempie wyprodukowaną materię organiczną, co powoduje jeszcze większe zapotrzebowanie na tlen. Proces ten w skrajnych przypadkach może doprowadzić do zagłady życia opartego na przemianach tlenowych w zbiorniku. Woda w takim jeziorze nie nadaje się do żadnych celów, nie wyłączając rekreacyjnych. Następnym zagadnieniem jest wiązanie dużych ilości wapnia z wody, która w zbiorniku pełni główną rolę magazynującą nadmiar dwutlenku węgla, a w związku z tym stabilizującą pH wody. W przypadku jego niedostatku, podczas zakwitu glonów następuje w szybkim tempie wyczerpywanie się zapasów wolnego i związanego dwutlenku węgla – a co za tym idzie – gwałtowne podwyższanie pH wody do wartości toksycznej dla organizmów zwierzęcych oraz roślinnych. W skrajnych przypadkach notowano podwyższenie się pH wody do wartości ponad 10.0, co jest zabójcze dla wszystkich organizmów występujących w jeziorach w umiarkowanej strefie klimatycznej.

Sposób działania aeratorów w jeziorze Kierskim warunkowany jest cyklicznym przebiegiem zmian obiegu termicznego w zbiorniku i polega na:

Praca aeratora w okresie stagnacji letniej.W okresie stagnacji letniej – praca aeratora polega na pobieraniu (zasysaniu) naddenych odtlenionych partii wody i transportowaniu jej przewodem (sprężone powietrze) ku powierzchni. W tym czasie następuje wymiana gazowa między fazą wodną (oddawanie nadmiaru dwutlenku węgla, siarkowodoru i innych gazów, pobieranie tlenu) a fazą gazową. Po osiągnięciu powierzchni zbiornika natleniona woda przelewa się do przewodu osłonowego o większej średnicy i jest odprowadzana poniżej metalimnionu, gdzie jest rozprzestrzeniana.

Praca aeratora w okresie stagnacji zimowej.W okresie stagnacji zimowej – dzięki głębszemu zanurzeniu płaszcza zewnętrznego, woda zasysana z warstwy naddennej jest transportowana ku górze rurą wewnętrzną
(sprężone powietrze) i swobodnie rozpraszana w strefie powierzchniowej. W tym czasie działanie aeratorów sprowadza się zarówno do natleniania wody, jak i dokładnego wymieszania wszystkich jej warstw, przez co następuje wyrównanie gradientów wszystkich jej parametrów fizyko-chemicznych. Dzięki ruchowi wody, na powierzchni jeziora utrzymuje się strefa wolna od lodu.