Dlaczego na powierzchni jeziora tworzy się lód

Ciepła woda na ogół staje się gęstsza, gdy robi się zimniej, i dlatego tonie. Fakt ten może prowadzić do przekonania, że ​​lód powinien najpierw tworzyć się na dnie jeziora. Ale zabawna rzecz dzieje się z wodą, gdy robi się jeszcze zimniej. Chłodniej niż 4 stopnie Celsjusza (39° Fahrenheita), woda zaczyna się rozszerzać i staje się mniej gęsta, gdy robi się zimniej. W rezultacie, bliski zamrożenia, zimniejsza woda wypływa na górę, a cieplejsza opada na dno. Gęstość wody w funkcji temperatury można zobaczyć na wykresie po prawej stronie. Wyobraź sobie „konia Charleya” w każdym mięśniu twojego ciała, najzimniejsza woda, który wypłynął na powierzchnię jeziora w warunkach zimowych, zamarza tworząc warstwę lodu. Dokładnie wtedy, gdy woda zamienia się w lód, lód staje się znacznie mniej gęsty niż woda i nadal unosi się na powierzchni jeziora.

Lód jest mniej gęsty niż woda ze względu na sposób, w jaki tworzy sześciokątną krystaliczną strukturę. Każda cząsteczka wody składa się z dwóch atomów wodoru związanych z dnem atomu tlenu. Kiedy tworzy się lód, atomy wodoru jednej cząsteczki wody tworzą słabe wiązania wodorowe z wierzchołkami atomów tlenu dwóch innych cząsteczek wody. Ułożenie cząsteczek wody w ten wzór zajmuje więcej miejsca niż ich losowe pomieszanie (jak w przypadku wody w stanie ciekłym). A ponieważ ta sama masa cząsteczek po zamrożeniu zajmuje więcej miejsca, lód ma mniejszą gęstość niż woda w stanie ciekłym. Z tego samego powodu, woda o temperaturze poniżej 4°C staje się coraz mniej gęsta w miarę ochładzania. Temperatury zbliżone do zera, cząsteczki wody w stanie ciekłym zaczynają układać się w wypełniającą przestrzeń sześciokątną strukturę.

W zimę, temperatury w jeziorze zbliżają się do zera na tyle, że zimniejsza woda jest mniej gęsta i wypływa na powierzchnię. Obraz domeny publicznej, źródło: Christopher S. Baird.

Podręcznik River and Lake Ice Engineering autorstwa George'a D. stwierdza Ashton, “Gdy jezioro ochładza się od temperatury powyżej 4°C, woda powierzchniowa traci ciepło, staje się gęstszy i opada. Proces ten trwa, dopóki cała woda w jeziorze nie osiągnie temperatury 4°C, gdy gęstość wody osiąga maksimum. Z dalszym chłodzeniem (i bez mieszania mechanicznego) stajnia, na powierzchni tworzy się jaśniejsza warstwa wody. Gdy ta warstwa ochładza się do punktu zamarzania, lód zaczyna tworzyć się na powierzchni jeziora.”

W głębokich jeziorach, ciśnienie wody może również odgrywać pewną rolę. Ciężar grawitacyjny całej wody znajdującej się wyżej w jeziorze naciska na wodę w głębi jeziora. Ciśnienie pozwala wodzie w pobliżu dna jeziora ostygnąć bez rozszerzania się i podnoszenia. Ze względu na presję, woda na dnie głębokich jezior może stać się zimna bez zamarzania do lodu.

Kredyt:https://wtamu.edu/~cbaird/sq/2013/12/05/dlaczego-lód-formuje-na-szczycie-jeziora/