Perché si forma il ghiaccio in cima a un lago

L'acqua calda generalmente diventa più densa man mano che diventa più fredda, e quindi affonda. Questo fatto può indurti a credere che il ghiaccio dovrebbe prima formarsi sul fondo di un lago. Ma all’acqua succede una cosa strana quando diventa ancora più fredda. Più freddo di 4° Celsius (39° Fahrenheit), l'acqua inizia ad espandersi e diventa meno densa man mano che diventa più fredda. Di conseguenza, prossimo al congelamento, l'acqua più fredda galleggia verso l'alto e l'acqua più calda scende sul fondo. La densità dell'acqua in funzione della temperatura può essere vista nel grafico a destra. Infine, l'acqua più fredda, che galleggia sulla cima del lago in condizioni invernali, si congela formando uno strato di ghiaccio. Proprio quando l'acqua diventa ghiacciata, il ghiaccio diventa notevolmente meno denso dell’acqua e continua a galleggiare sulla superficie del lago.

Il ghiaccio è meno denso dell'acqua a causa del modo in cui forma una struttura cristallina esagonale. Ogni molecola d'acqua è costituita da due atomi di idrogeno legati alla parte inferiore di un atomo di ossigeno. Quando si forma il ghiaccio, gli atomi di idrogeno di una molecola d’acqua formano deboli legami idrogeno con la parte superiore degli atomi di ossigeno di altre due molecole d’acqua. Allineare le molecole d'acqua in questo schema occupa più spazio che averle mescolate insieme in modo casuale (come nel caso dell'acqua liquida). E perché la stessa massa di molecole occupa più spazio quando è congelata, il ghiaccio è meno denso dell'acqua liquida. Per questo stesso motivo, l'acqua al di sotto dei 4°C diventa sempre meno densa man mano che diventa più fredda. Temperature vicine allo zero, le molecole nell'acqua liquida iniziano ad allinearsi nella struttura esagonale che riempie lo spazio.

In inverno, le temperature in un lago si avvicinano abbastanza allo zero che l'acqua più fredda è meno densa e galleggia verso l'alto. Immagine di pubblico dominio, fonte: Christopher S. Baird.

Il libro di testo River and Lake Ice Engineering di George D. Ashton afferma, “Come un lago si raffredda da oltre 4° C, l'acqua superficiale perde calore, diventa più denso e affonda. Questo processo continua finché tutta l'acqua del lago non raggiunge i 4° C, quando la densità dell'acqua è massima. Con ulteriore raffreddamento (e senza miscelazione meccanica) una stalla, in superficie si forma uno strato d’acqua più leggero. Mentre questo strato si raffredda fino al punto di congelamento, il ghiaccio inizia a formarsi sulla superficie del lago.”

Nei laghi profondi, Anche la pressione dell’acqua può avere un ruolo. Il peso gravitazionale di tutta l'acqua più in alto nel lago preme sull'acqua in profondità nel lago. La pressione consente all'acqua vicino al fondo del lago di raffreddarsi senza espandersi e salire. A causa della pressione, l'acqua sul fondo dei laghi profondi può diventare fredda senza ghiacciarsi.

Credito:https://wtamu.edu/~cbaird/sq/2013/12/05/why-does-ice-form-on-the-top-of-a-lake/