Озеро замерзает сверху, потому что вода имеет необычную зависимость плотности от температуры. Самой плотной пресная вода становится примерно при 4 °C. Если она охлаждается ниже этой температуры, то уже не тонет, а остаётся у поверхности. Там вода достигает точки замерзания и превращается в лёд. Лёд менее плотный, чем жидкая вода, поэтому плавает и постепенно образует защитный покров.
Как озеро остывает осенью
В начале осени верхний слой озера отдаёт тепло холодному воздуху. Пока вода охлаждается от летней температуры до примерно 4 °C, её плотность увеличивается. Более плотная вода опускается, а более тёплая вода из глубины поднимается на её место.
Возникает естественное перемешивание. Ветер и волны могут усиливать его, поэтому температура воды в значительной части озера постепенно выравнивается.
Но ниже 4 °C поведение воды меняется. При дальнейшем охлаждении она становится не плотнее, а немного легче. Теперь холодный слой уже не стремится опуститься на дно. Он остаётся возле поверхности, где продолжает отдавать тепло атмосфере.
Именно эта особенность воды определяет последовательность зимнего замерзания.
Почему лёд появляется на поверхности
Поверхностная вода первой соприкасается с морозным воздухом и охлаждается до 0 °C. В спокойном пресном озере ледяные кристаллы обычно начинают образовываться у берегов и на самой поверхности.
При замерзании молекулы воды выстраиваются в более рыхлую кристаллическую структуру. Объём увеличивается, а плотность уменьшается примерно на девять процентов. Поэтому лёд не тонет, а остаётся сверху.
Это один из примеров перехода воды между агрегатными состояниями. Тот же рост объёма объясняет, почему вода, замёрзшая в трещинах камня, способна участвовать в разрушении горных пород.
После появления первого ледяного слоя новый лёд нарастает в основном снизу. Вода непосредственно под ним охлаждается до точки замерзания и присоединяется к ледяному покрову.
Почему глубина не замерзает сразу
Лёд и снег проводят тепло хуже, чем открытая вода. Образовавшийся покров отделяет озеро от морозного воздуха и сильно замедляет дальнейшую потерю тепла.
Охлаждение не прекращается полностью. Лёд продолжает утолщаться, особенно во время долгих сильных морозов. Однако по мере роста его толщины тепло всё медленнее проходит от воды к атмосфере.
В достаточно глубоком пресном озере зимой возникает обратное температурное расслоение. Подо льдом находится вода с температурой около 0 °C, а глубже температура постепенно приближается примерно к 4 °C. Самая плотная вода остаётся внизу.
Благодаря жидкому слою подо льдом рыбы и другие организмы могут пережить зиму. Их активность обычно снижается, а количество кислорода зависит от глубины, освещения, растений, течений и длительности ледостава.
Всегда ли озеро не промерзает до дна
Нет. Небольшой мелкий пруд при продолжительных морозах способен промёрзнуть полностью или почти полностью. Чем меньше воды и чем дольше держится холод, тем легче водоёму потерять всё накопленное тепло.
На толщину льда влияют:
- глубина и площадь водоёма;
- продолжительность и сила морозов;
- ветер и движение воды;
- толщина снежного покрова;
- приток грунтовой или речной воды;
- содержание солей и других растворённых веществ.
Снег поверх льда дополнительно утепляет водоём, хотя одновременно уменьшает проникновение света. Тёмный прозрачный лёд и белый лёд со снегом создают под собой разные условия.
Не следует считать безопасным любой замёрзший водоём. Толщина и прочность льда могут резко различаться даже в пределах одного озера из-за течений, родников, трещин и участков с растительностью.
Почему реки замерзают иначе
Заголовок старой версии статьи объединял реки и озёра, но механизмы у них не полностью одинаковы. В озере вода сравнительно спокойна и может образовать устойчивые температурные слои. В реке течение постоянно перемешивает воду и разрушает первые кристаллы льда.
На быстрых участках лёд возникает позже, а возле порогов или сильного течения вода иногда остаётся открытой всю зиму. В спокойных заводях река замерзает быстрее.
Температура поступающей воды тоже имеет значение. Например, часть Ангары возле истока получает глубинную воду Байкала, поэтому вопрос о том, почему Ангара не замерзает зимой, требует отдельного объяснения.
Таким образом, утверждение, что реки вообще не могут промерзать до дна, неверно. Мелкие ручьи и отдельные участки рек способны сильно промерзать, а движение воды лишь усложняет процесс.
Чем озёрный лёд отличается от ледника
Лёд на озере возникает при замерзании жидкой воды и обычно существует один сезон. Ледник формируется на суше из многолетнего снега, который уплотняется под весом новых слоёв. Поэтому ледники образуются по другому механизму, хотя и озёрный лёд, и ледник состоят преимущественно из замёрзшей воды.
---
Озеро замерзает сверху из-за двух необычных свойств воды: максимальной плотности примерно при 4 °C и меньшей плотности льда по сравнению с жидкостью. Холодная вода остаётся у поверхности, а появившийся лёд плавает и замедляет дальнейшее охлаждение. Поэтому глубокий водоём обычно сохраняет под ледяным покровом жидкую воду.
