Tại sao băng lại hình thành trên mặt hồ, còn phía dưới vẫn là nước?

Sự giãn nở nhiệt âm của nước (mật độ bất thường) có tầm quan trọng mang tính sống còn đối với sự sống trên Trái đất, cụ thể hơn là cho sự sống dưới nước. Do mật độ khối lượng bất thường, các lớp nước có nhiệt độ khác nhau sẽ dần hình thành từ trong vùng nước tĩnh. Sự phân tầng nhiệt này là do khối lượng riêng khác nhau của nước, nguyên nhân đến từ sự chênh lệch nền nhiệt.

Tùy thuộc vào nhiệt độ, nước có khối lượng riêng nặng sẽ di chuyển xuống đáy hồ trong khi nước nhẹ hơn sẽ di chuyển dần lên trên. Sự chuyển đổi nhiệt độ giữa các tầng lớp riêng biệt này hết sức uyển chuyển. Vì nước có mật độ khối lượng cao nhất ở 4 độ C, do đó cũng sẽ là nặng nhất và chìm xuống phía đáy nước (lớp đáy).

Hình: Sự phân tầng nhiệt của hồ vào mùa hè

Vào mùa hè, các lớp nước ấm hơn sẽ xếp phía trên lớp nước lạnh 4 độ C do khối lượng riêng thấp hơn. Mật độ khối lượng giảm dần khi nhiệt độ tăng nên nhiệt độ của nước sẽ tăng dần đều về phía bề mặt. Mặc dù bề mặt nước của vùng nước sâu có thể tương đối ấm vào mùa hè tuỳ thuộc vào cường độ bức xạ của Mặt trời, nhưng tựu trung nước ở phần đáy sẽ không nóng hơn 4 độ C.

Điều này rất hay xảy ra ở những vùng nước cực sâu hoặc tĩnh lặng, nơi hầu như không có bất kỳ dòng chảy nào dẫn đến sự hoà lẫn của các lớp nước. Khi nhiệt độ của lớp nước đáy tăng lên trên 4 độ C ở vùng nước nông hoặc sau một quá trình dài tăng nhiệt, thì lớp nước có nhiệt độ thấp nhất sẽ tích tụ ở đáy và các lớp nước ấm hơn nằm phía trên.

Vào mùa thu, nước sẽ mát dần lên. Nhiệt độ ấm ở phần bề mặt sẽ giảm xuống tương ứng. Vì thế, chênh lệch nhiệt độ giữa lớp đáy và lớp bề mặt sẽ ngày càng nhỏ đi. Nhiệt độ của các lớp nước khác nhau sẽ bắt đầu cân bằng dần dần. Và cuối cùng, nhiệt độ nước ở mọi nơi sẽ đồng nhất ở 4 độ C.

Hình: Sự phân tầng nhiệt của hồ vào mùa thu

Điều này cũng sẽ xảy ra nếu nước ấm lên đến 5 độ C vào mùa hè. Trong trường hợp này, nhiệt độ đồng nhất 5 độ C sẽ trải dài khi nước bắt đầu lạnh đi. Khi nhiệt độ lạnh thêm sẽ tạo ra lớp 4 độ C trên bề mặt trong thời gian ngắn. Tuy nhiên, do khối lượng riêng lớn hơn, lớp nước này sau đó sẽ chìm xuống đáy. Các lớp nước ấm do đó bị đẩy lên bề mặt và cũng dần lạnh đi. Cuối cùng, ngay cả trong trường hợp này, nền nhiệt đồng nhất 4 độ C sẽ sớm đạt được trong toàn bộ khu vực nước.

Tuy nhiên, nếu lớp nước lạnh 4 độ C ở trên tiếp tục hạ nhiệt vào mùa đông, thì các lớp nước lạnh hơn sẽ không còn di chuyển xuống phía đáy như trước. Do tính chất giãn nở nhiệt âm, các lớp nước lạnh hơn đó sẽ nhẹ hơn (mật độ khối lượng thấp hơn). Trong phạm vi nhiệt độ từ 4 độ C đến 0 độ C: Nước càng lạnh thì càng nhẹ. Đây chính là mật độ bất thường thực tế của nước, vì nó không còn co lại nữa mà sẽ giãn ra khi lạnh hơn. Do đó, các lớp nước ấm hơn (nặng hơn) sẽ không phân tầng trên bề mặt nước vào mùa đông như thời điểm mùa hè, mà thay vào đó lớp nước lạnh hơn (nhẹ hơn) sẽ thay thế vị trí đó. Cuối cùng, nhiệt độ kết đông 0 độ C sẽ hình thành trước tiên ở bề mặt nước. Vì lý do này nên lớp băng luôn bắt đầu hình thành ở bề mặt nước.

Hình: Sự phân tầng nhiệt của hồ vào mùa đông

Nếu tầng nước đủ sâu, hơi lạnh thường sẽ không thể xâm nhập vào các lớp phía dưới sâu và do đó nước sẽ không đóng băng hoàn toàn (vì nước có hệ số dẫn nhiệt rất thấp). Ở các lớp nước sâu hơn, nước thường ở trạng thái lỏng khoảng 4 độ C. Một khối nước chỉ đóng băng ở tầng phía trên do mật độ khối lượng bất thường mà không đóng băng tất cả sẽ đảm bảo cho sự tồn tại của các loài động vật sinh sống dưới đó.

Nếu không có sự bất thường về mật độ của nước, các lớp nước lạnh sẽ chìm xuống đáy vào mùa đông. Các lớp nước ấm hơn sẽ bị dịch chuyển và nổi lên trên bề mặt. Điều này sẽ dẫn đến nước bị làm lạnh nhanh chóng cho đến khi đóng băng hoàn toàn. Hệ quả là các sinh vật, cụ thể như cá ở những vùng nước như vậy sẽ không thể sống sót.

Nguồn: TECS

Theo dõi chúng tôi www.hql-neu.edu.vn để có thêm nhiều thông tin bổ ích nhé!!!