Większość substancji po zamarznięciu robi się gęstsza i opada na dno własnej cieczy. Woda zachowuje się inaczej: lód unosi się na powierzchni, dzięki czemu jeziora zimą zwykle nie zamarzają do dna. Ta fizyczna osobliwość decyduje o tym, czy ryby, rośliny i drobne organizmy przetrwają mróz.
Dlaczego lód jest lżejszy od wody
Cząsteczki wody łączą się ze sobą wiązaniami wodorowymi. W stanie ciekłym te połączenia ciągle powstają i się rozrywają, a cząsteczki mogą się układać dość ciasno. Gdy woda zamarza, cząsteczki ustawiają się w uporządkowaną, sześciokątną strukturę krystaliczną. Jest ona ażurowa i zawiera sporo pustej przestrzeni.
Skutek jest prosty: ta sama liczba cząsteczek zajmuje w lodzie więcej miejsca niż w wodzie. Lód ma więc mniejszą gęstość, o około dziesiątą część, i dlatego pływa. Większość jego objętości jest zanurzona, ale część zawsze wystaje nad powierzchnię.
Magiczna granica około 4°C
Woda jest wyjątkowa także przed zamarznięciem. Gdy ją ochładzamy, staje się coraz gęstsza, ale tylko do temperatury około 4°C. Poniżej tej wartości zaczyna się rozszerzać, bo cząsteczki powoli układają się w strukturę zbliżoną do lodu. Najcięższa jest więc woda o temperaturze około 4°C, a nie ta najzimniejsza.
W jeziorze oznacza to, że najgęstsza woda opada na dno, a chłodniejsza, lżejsza warstwa zostaje u góry. To ona zamarza jako pierwsza.
Jak zamarza jezioro
Jesienią powierzchnia jeziora stygnie, a schłodzona woda staje się cięższa i opada. Na jej miejsce wypływa cieplejsza woda z głębi, więc zbiornik się miesza. Proces trwa, dopóki cała toń nie osiągnie mniej więcej 4°C. Potem dalsze chłodzenie działa już inaczej: zimniejsza woda nie tonie, tylko zostaje przy powierzchni i w końcu zamarza.
Powstała pokrywa lodowa chroni głębsze warstwy przed utratą ciepła. Lód słabo przewodzi ciepło, a śnieg na nim działa jak dodatkowa kołdra. Dlatego w głębszych jeziorach przy dnie utrzymuje się zwykle woda o temperaturze kilku stopni powyżej zera. Płytkie zbiorniki, takie jak małe stawy, w bardzo ostre i długie zimy mogą jednak przemarznąć znacznie głębiej.
Co dzieje się pod lodem
Dzięki pływającemu lodowi pod spodem zostaje płynna, stosunkowo stabilna woda. Ryby zwalniają metabolizm, wiele z nich gromadzi się w głębszych miejscach, a organizmy takie jak larwy owadów, skorupiaki czy glony przeczekują zimę w wodzie lub w osadach dennych.
Pokrywa lodowa ma jednak także ciemną stronę. Odcina wodę od atmosfery, więc tlen przestaje się do niej dostawać z powietrza i od wiatru. Gdy lód pokryje gruba warstwa śniegu, do wody dociera też mało światła, a rośliny i glony produkują wtedy mniej tlenu. Rozkładająca się materia organiczna na dnie ten tlen zużywa. W skrajnych przypadkach, zwłaszcza w płytkich i żyznych zbiornikach, dochodzi do zjawiska zwanego zamorem, czyli masowego duszenia się ryb.
Wiosną, gdy lód topnieje i woda ogrzewa się do około 4°C, jezioro znów się miesza. Tlen trafia w głąb, a składniki odżywcze z dna wracają ku powierzchni. To jeden z powodów, dla których wiosną w jeziorach zaczyna się szybki rozwój życia.
Co z tego wynika w praktyce
Wiedza o zachowaniu lodu przydaje się nie tylko biologom. Kilka praktycznych wniosków:
- Staw ogrodowy: jeśli hodujesz w nim ryby, nie rozbijaj lodu uderzeniami, bo wstrząsy mogą je stresować. Lepiej utrzymywać przerębel, na przykład przez ostrożne położenie na powierzchni gorącego naczynia z wodą albo użycie specjalnego urządzenia do napowietrzania. Warto sprawdzić zalecenia dla konkretnego rodzaju ryb.
- Szczelne pojemniki: zamarzająca woda zwiększa objętość i potrafi rozsadzić szklaną butelkę, rurę czy zamknięty pojemnik. Nie zostawiaj ich pełnych na mrozie ani w zamrażarce.
- Instalacje zewnętrzne: przed zimą opróżnij wąż ogrodowy, zewnętrzne krany i pompy, żeby zamarzająca woda ich nie uszkodziła.
- Bezpieczeństwo na lodzie: to, że lód pływa, nie znaczy, że jest wszędzie jednakowo mocny. Grubość zależy od miejsca, prądów, źródeł i śniegu. Zanim wejdziesz na zamarznięty zbiornik, sprawdź komunikaty lokalnych służb i zasady obowiązujące w danym miejscu, bo wiele akwenów ma zakaz wchodzenia na lód.
Podsumowanie
Lód pływa, bo jego krystaliczna struktura jest mniej gęsta niż ciekła woda. Razem z maksimum gęstości wody przy około 4°C sprawia to, że jeziora zamarzają od góry, a pod pokrywą lodową zostaje płynna woda, w której życie może przetrwać zimę. Gdyby lód tonął, wiele zbiorników w chłodnym klimacie mogłoby zamarzać od dna do powierzchni, a życie w nich wyglądałoby zupełnie inaczej.
