Vi siete mai chiesti come mai in inverno stagni, laghi e specchi d’acqua rimangono congelati solamente in superficie?
La caratteristica che porta il ghiaccio a comportarsi in questo modo è una vera e propria fortuna per numerose specie viventi, tra cui anche l’uomo. Se l’acqua gelasse nel medesimo modo di altri liquidi, infatti, per una porzione considerevole dell’anno gran parte delle nostre acque sarebbero completamente gelate e inutilizzabili con evidenti problemi per l’approvvigionamento idrico. Il ghiaccio si formerebbe solo a partire dal fondo dei laghi e dei fiumi, lasciandoci a disposizione uno strato sottile d’acqua in superficie grazie al calore del Sole.
A differenza degli altri liquidi, tra 0 e 4 °C l’acqua assume un comportamento del tutto particolare. Al punto di congelamento (intorno agli 0 °C), infatti, le molecole dell’acqua ghiacciata sono più distanti tra loro, rendendo così il ghiaccio più leggero e voluminoso. Se la temperatura aumenta, spostandosi dunque dal punto di congelamento, il reticolo cristallino dell’acqua ghiacciata si rompe, dando origine a una miriade di molecole unite a coppie tra loro. Questi frammenti del reticolo non costituiscono dei cristalli di ghiaccio veri e propri, ma sono comunque più leggeri delle molecole d’acqua più calda.
A 4 °C circa, le molecole d’acqua si ritrovano strette al massimo tra loro (maggiore densità) e si muovono ormai a caso, senza una struttura fissa. Infine, a temperature superiori dei 4 °C l’acqua assume un comportamento paragonabile ad altri liquidi e dunque le sue molecole si muovono molto rapidamente, accelerando e scontrandosi tra loro. Questo fenomeno aumenta la loro distanza reciproca e porta dunque l’acqua a espandersi.
Quando uno stagno si congela, inizia una sorta di danza tra i diversi strati di acqua che lo costituiscono. Trovandosi a contatto con l’aria fredda, la superficie dello stagno si raffredda per prima ed essendo più densa e pesante (ovvero intorno ai 4 °C) tende a inabissarsi. Tale fenomeno lascia spazio a un nuovo strato d’acqua che, venendo a contatto con l’aria si raffredda a sua volta e si inabissa. Il processo prosegue fino a quando l’intero stagno raggiunge la temperatura di circa 4 °C e l’acqua raggiunge uno stadio di densità massima.
A questo punto, l’aria gelata raffredda ulteriormente la superficie dello stagno portandola, per esempio, a 3 °C. In questo caso l’acqua inizia a congelare e le sue molecole si espandono rendendo lo strato ghiacciato in superficie più leggero dell’acqua sottostante. Tale fenomeno rallenta ora il processo di congelamento: il ghiaccio formatosi in superficie isola l’acqua sottostante dall’aria gelida. Lo stagno rimane così congelato solamente nello strato superficiale, mantenendosi liquido negli strati più profondi. Un vero sollievo per i pesci… e per chi li va a pescare.