¿Por qué se forma hielo en la parte superior de un lago?

Pregunta

El agua caliente generalmente se vuelve más densa a medida que se enfría., y por lo tanto se hunde. Este hecho puede llevarlo a creer que primero se debe formar hielo en el fondo de un lago.. Pero algo divertido le sucede al agua cuando se enfría aún más.. Más frío que 4° Celsius (39° Fahrenheit), el agua comienza a expandirse y se vuelve menos densa a medida que se enfría. Como resultado, cerca de la congelación, el agua más fría flota hacia arriba y el agua más caliente se hunde hasta el fondo. La densidad del agua en función de la temperatura se puede ver en el gráfico de la derecha.. Finalmente, el agua mas fria, que ha flotado hasta la cima del lago en condiciones invernales, se congela para formar una capa de hielo. Justo cuando el agua se congela en hielo, el hielo se vuelve significativamente menos denso que el agua y continúa flotando en la superficie del lago.

El hielo es menos denso que el agua debido a la forma en que forma una estructura cristalina hexagonal.. Cada molécula de agua consta de dos átomos de hidrógeno unidos al fondo de un átomo de oxígeno.. Cuando se forma hielo, los átomos de hidrógeno de una molécula de agua forman enlaces de hidrógeno débiles con la parte superior de los átomos de oxígeno de otras dos moléculas de agua. Alinear las moléculas de agua en este patrón ocupa más espacio que tenerlas mezcladas al azar. (como es el caso del agua líquida). Y porque la misma masa de moléculas ocupa más espacio cuando se congela, el hielo es menos denso que el agua liquida. Por esta misma razón, el agua por debajo de 4° Celsius se vuelve cada vez menos densa a medida que se enfría. Cerca de temperaturas bajo cero, las moléculas en el agua líquida comienzan a alinearse en la estructura hexagonal que llena el espacio.
el agua congelada flota en la parte superior de un lago
En el invierno, las temperaturas en un lago se acercan lo suficiente a la congelación que el agua más fría es menos densa y flota hacia la superficie. Imagen de dominio público, fuente: Christopher S. Baird.

El libro de texto River and Lake Ice Engineering de George D.. estados de ashton, “Como un lago se enfría desde arriba de 4° C, el agua superficial pierde calor, se vuelve más denso y se hunde. Este proceso continúa hasta que toda el agua del lago está a 4° C., cuando la densidad del agua es máxima. Con mayor enfriamiento (y sin mezcla mecánica) un establo, se forma una capa más ligera de agua en la superficie. A medida que esta capa se enfría hasta su punto de congelación, comienza a formarse hielo en la superficie del lago.”

en lagos profundos, la presión del agua también puede jugar un papel. El peso gravitatorio de toda el agua que se encuentra más arriba en el lago presiona el agua en las profundidades del lago.. La presión permite que el agua cerca del fondo del lago se enfríe sin expandirse ni subir.. Debido a la presión, el agua en el fondo de los lagos profundos puede enfriarse sin congelarse.

Crédito:https://wtamu.edu/~cbaird/sq/2013/12/05/por-que-se-forma-hielo-en-la-cima-de-un-lago/

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