Když v zimě pozorujeme jezero, vidíme, že se na jeho povrchu tvoří silná vrstva ledu, zatímco voda je pod ním v kapalném stavu. Tento zvláštní jev má racionální vysvětlení související s fyzikálními vlastnostmi vody.
Voda je chemická sloučenina složená z molekul, z nichž každá se skládá ze dvou atomů vodíku a jednoho atomu kyslíku. Když voda zmrzne, tyto molekuly podléhají zvláštnímu jevu zvanému tvorba krystalové struktury.
V důsledku toho jsou molekuly vody uspořádány do pravidelných mřížek a vytvářejí ledové krystaly. Současně se mezi molekulami vody tvoří vazby vodíkové mezimolekulární vazby, které dodávají krystalům určitou pevnost a objem.
Tvorba ledu na dně jezera
Když teplota vody klesne na nulu stupňů Celsia, dojde k zamrznutí její horní vrstvy – to je tvorba ledu na povrchu. Ale co se děje s vodou na dně jezera? Pokles teploty postihuje i dno a voda se tam začíná ochlazovat.
Dno jezera má však vyšší tepelnou kapacitu než vodní plocha a své teplo si udržuje déle. Když se tedy voda na dně jezera ochlazuje a dosáhne nulové hodnoty, přenáší své zbytkové teplo do životního prostředí. To vede ke zvýšení teploty dna nad nulu.
Na dně jezera se tak vytvoří "teplé" místo, kde jsou teploty nad nulou stupňů Celsia. Vlivem tohoto zbytkového tepla voda na dně jezera nemrzne a zůstává v kapalném stavu.
V důsledku takové výměny tepla mezi dnem jezera a vodou se led tvoří pouze na povrchu, kde není teplo ze dna. To je důvod, proč na některých jezerech lze pozorovat jev, kdy je led na povrchu dostatečně pevný, aby se na něm dalo chodit, zatímco voda pod ledem zůstává teplá.
Pokud teplota vody stále velmi klesne, může se tvořit led na povrchu i na dně jezera. To je však již neobvyklý případ a vyžaduje zvláštní vysvětlení.
Vliv teploty
Na dně jezera může být teplota vody pod nulou stupňů Celsia. To je způsobeno přítomností horských pramenů, které přivádějí vodu s ledem a sněhovou pokrývkou. V důsledku mísení podmořské vody s povrchovou vodou dochází k ochlazování vody. Při poměrně nízké teplotě se voda na dně jezera může proměnit v LED.
Na povrchu jezera závisí teplota vody na vnějších faktorech, jako je roční období, počasí a klimatické podmínky. V zimě, při nízkých teplotách, může voda na povrchu jezera také zamrznout a vytvořit ledovou krustu.
Ne vždy se však na povrchu jezera tvoří ledová krusta. Záleží, jak rychle a rovnoměrně se voda ochlazuje, stejně jako její hloubka. Pokud se voda pomalu ochlazuje, má čas na to, aby se na povrchu mísila s teplejší vodou z hlubin jezera, což ztěžuje tvorbu ledu. Také za přítomnosti proudů a větru může být voda na povrchu neustále míchaná, což také zabraňuje tvorbě ledu.
Proto tvorba ledu na dně jezera a jeho nedostatek na povrchu závisí na mnoha faktorech, včetně teploty vody a vnějších podmínek.
Příčina anomálie
Proč může mít kapalné jezero na dně ledovou krustu? Tento jev lze vysvětlit několika faktory:
- Teplotní spád: na dně jezera může být výrazně nižší teplota než na jeho povrchu. To může být způsobeno různými faktory, jako jsou pohoří, sopečná aktivita nebo proudy studené vodní plochy.
- Různé vlastnosti vody: voda na dně jezera může mít jiné fyzikální vlastnosti, jako je vyšší hustota nebo obsah solí, což podporuje tvorbu ledu v takových hloubkách.
- Interakce vody se dnem: dno jezera může být chladnější než voda, což způsobuje výměnu tepla a přeměnu vody na led.
Souhrn těchto faktorů tedy může vést k ledu na dně jezera, zatímco na jeho povrchu zůstává voda.
Vliv solí a nečistot
Na dně jezera se obvykle tvoří led vlivem různých faktorů, včetně solí a nečistot, které voda ovlivnila. Když voda jezera zmrzne, LED se tvoří v důsledku procesu tuhnutí, ve kterém se molekuly vody shlukují dohromady a vytvářejí krystalickou strukturu ledu.
Na hladině jezera se však LED obvykle netvoří tak snadno jako na dně. To je způsobeno přítomností solí a nečistot ve vodě. Soli a nečistoty mohou ovlivnit vlastnosti vody, včetně její teploty mrazu. Voda se solí a nečistotami může mít nižší bod mrazu, takže povrchová voda jezera může zůstat kapalná při nízkých teplotách, zatímco voda na dně zamrzá.
Kromě toho mohou soli a nečistoty ovlivnit strukturu ledu. Voda obsahující velké množství solí a nečistot může tvořit led se složitou a heterogenní strukturou, která není stabilní a může se snadno rozpadnout. To usnadňuje pohyb vody na hladině jezera, což zabraňuje tvorbě ledu.
Obecně platí, že vliv solí a nečistot na proces tvorby ledu na povrchu jezera může být významný a závisí na konkrétních chemických vlastnostech vody a jejím obsahu různých solí a nečistot.
Proč je led na dně jezera silnější?
Přitom voda, která je blíže ke dnu jezera, může být v prvních fázích zamrzání relativně teplá. Je to proto, že spodní vrstvy vody nedostávají dostatečné chlazení z povrchu a tvoří tuto spodní část ledu. Led, který se tvoří na dně jezera, proto může být silnější než na povrchu.
Další příčina silného ledu na dně jezera může být způsobena částicemi a usazeninami vyplavenými na dno. Voda, která obsahuje částice nečistot, písku nebo jiných materiálů, může být chladnější nebo hustší. To může přispět k rychlejší tvorbě a zvýšení tloušťky ledu na dně jezera.
Tloušťka ledu na dně jezera má vlastnosti akumulace v průběhu času. Postupně se každý rok může na dně jezera hromadit více a více ledu. To je způsobeno skutečností, že při každém novém zamrzání jezera tloušťka ledu na dně úplně neroztaje, ale zůstává ve formě srážek, které tvoří novou vrstvu. Led na dně jezera se tak může časem stále zvětšovat.
Obecně platí, že tloušťka ledu na dně jezera závisí na několika faktorech, jako je geografická poloha jezera, klimatické podmínky, plnění jezera podzemními a atmosférickými srážkami a dalších faktorech souvisejících s místními zvláštnostmi a podmínkami.
Geografické zvláštnosti
Na dně jezera, kde je obvykle LED, je teplota vody nižší než na jeho povrchu. To je způsobeno rozdíly v hloubce a geologické struktuře jezera. Voda na dně jezera není vystavena slunečnímu záření a povětrnostním podmínkám, což jí umožňuje udržovat nižší teplotu.
Také geografická poloha jezera může mít vliv na tvorbu ledu na jeho dně. Pokud je například jezero ve vysokohorské oblasti s chladným podnebím, pak může být dno jezera pokryto ledem i při relativně vysoké teplotě vody na jeho povrchu.
Kromě toho může přítomnost podzemních zdrojů a řek, které napájejí jezero, také ovlivnit tvorbu ledu na jeho dně. Podzemní zdroje mohou vést k podmořskému proudu studené vody, což podporuje tvorbu ledu na dně.
Interakce slunečního světla
Když světlo dopadá na povrch jezera, část se odráží zpět do atmosféry a zbytek proniká do vody. Při pronikání světla do vody dochází k jeho lomu - změně směru šíření světelných paprsků. To je způsobeno rozdílem optické hustoty vzduchu a vody.
Když světlo dosáhne dna jezera, část se odráží zpět do vody a zbytek je absorbován. Absorbované světlo ohřívá vodu a způsobuje její odpařování. Pronikání slunečního světla do dna jezera tak přispívá k jeho zahřátí a tvorbě parního bubliny na této úrovni.
Na druhé straně na hladině jezera je světlo prakticky zcela absorbováno vrstvou vody. K tomu dochází, protože světelné paprsky dopadají na povrch pod úhlem a procházejí tak větším množstvím látky, což vede ke zvýšené absorpci.
V důsledku toho se na povrchu jezera zvyšuje teplota vody, což zabraňuje tvorbě ledu. Na dně jezera však nedostatek tepla a přítomnost parních bublin přispívá k nízké teplotě a tvorbě ledu.
| Jezero | Led na dně jezera | Voda na hladině jezera |
| Lom světla | Změna směru šíření světelných paprsků | - |
| Odraz světla | Odraz světla zpět do vody | - |
| Absorpce světla | Absorpce světla na dně jezera | Absorpce světla na hladině jezera |
| Ohřev vody | Ohřev vody ze absorbovaného světla | - |
| - | - | Potíže s tvorbou ledu kvůli ohřáté vodě |
Vliv vegetace a dna jezera
Vegetace má obrovský vliv na hydrodynamiku jezera. Její kořeny pronikají do dna a vytvářejí hustou síť, která může ztěžovat pohyb vody a zadržovat teplo. To znamená, že vegetace může přispět k udržení tepla ve spodních vrstvách jezera a zabránit tvorbě ledu na dně. Současně na vodní hladině nedostatek vegetace umožňuje aktivní proces chlazení, který podporuje tvorbu ledu.
Dalším vlivným faktorem je stav dna jezera. Pokud je dno pokryto hustou vrstvou měkkého nebo uvolněného materiálu, jako je vosk, pak bude proces tvorby ledu na dně obtížný. Měkký materiál může bránit hromadění a ukládání tepla na dně, což vede k tvorbě ledu na dně jezera. Na vodní hladině pak bude chybět LED.
Přítomnost vegetace a stav dna tak mají významný vliv na tvorbu ledu na dně jezera a jeho nedostatek na vodní hladině.