Cuando llega un invierno muy frío, un lago puede aparecer cubierto por una enorme plancha de hielo. Debajo de esa superficie congelada, sin embargo, todavía queda agua líquida. ¿Por qué el proceso no comienza en el fondo?
La respuesta está en una característica muy particular del agua: su densidad no cambia con la temperatura de la misma manera que ocurre con la mayoría de las sustancias. En el agua dulce, la máxima densidad se alcanza aproximadamente a los 4 °C. Por debajo de esa temperatura sucede algo inesperado: cuanto más se enfría, menos densa se vuelve.
Esta pequeña rareza resulta fundamental. Gracias a ella, los lagos se congelan desde arriba y no desde abajo, lo que permite que durante el invierno numerosas formas de vida puedan continuar habitando el agua líquida bajo el hielo.
¿Qué ocurre dentro de un lago cuando empieza a hacer frío?
Durante el otoño, el aire frío comienza a quitarle calor al agua de la superficie. Al principio ocurre lo esperable: esa agua se enfría, se vuelve más densa y desciende. En su lugar sube agua algo más cálida desde zonas profundas.
El proceso genera una circulación que mezcla el lago. Según explica el Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS), este movimiento estacional puede continuar hasta que buena parte del agua alcanza temperaturas cercanas a los 4 °C.
A partir de allí cambia todo. Si el agua superficial sigue enfriándose y baja de los 4 °C, ya no aumenta su densidad. Comienza a disminuirla. Por eso esa agua muy fría permanece en las capas superiores en lugar de hundirse.
El proceso puede resumirse en tres momentos:
- Por encima de 4 °C: al enfriarse, el agua aumenta su densidad y puede descender.
- Cerca de 4 °C: el agua dulce alcanza aproximadamente su máxima densidad.
- Entre 4 y 0 °C: al continuar enfriándose, el agua se hace menos densa y permanece cerca de la superficie.
¿Por qué el hielo queda arriba del lago?
Finalmente, el agua de la superficie llega al punto de congelación y comienza a formar hielo. Pero allí aparece otra característica extraordinaria.
Cuando las moléculas de agua se organizan para formar hielo, crean una estructura cristalina más abierta que ocupa más espacio. Como resultado, el hielo tiene menor densidad que el agua líquida y flota. El USGS señala que su densidad disminuye alrededor de un 9% al congelarse.
Por eso un cubito de hielo flota en un vaso y, a una escala muchísimo mayor, una capa helada permanece sobre un lago.
El físico Christopher S. Baird, de la Universidad West Texas A&M, explica que el enfriamiento superficial continúa hasta que esa capa de agua menos densa alcanza los 0 °C y se congela. Mientras tanto, el agua más profunda puede mantenerse a una temperatura cercana a los 4 °C.
Así se produce durante el invierno una especie de estratificación invertida: el agua más fría se encuentra arriba y la ligeramente más cálida, abajo.
¿Por qué este fenómeno del lago es importante para la vida?
Si el hielo fuera más denso que el agua, se hundiría cada vez que se formara. Una nueva capa quedaría expuesta al aire frío, volvería a congelarse y también caería hacia el fondo. Con suficiente tiempo, muchos cuerpos de agua podrían congelarse mucho más profundamente.
Pero sucede lo contrario. El hielo permanece en la superficie y crea una barrera que reduce la pérdida de calor hacia el aire. Debajo, gran parte del lago continúa líquida. El USGS destaca que esta propiedad del agua es fundamental para la vida en la Tierra.
Eso no significa que bajo el hielo las condiciones sean idénticas a las del verano. Disminuye la cantidad de luz que penetra, puede cambiar la concentración de oxígeno y la actividad de muchos organismos se reduce. Sin embargo, peces, plantas, microorganismos y numerosos invertebrados pueden seguir encontrando un ambiente líquido en el cual sobrevivir durante los meses fríos.
Por eso, una superficie congelada no significa que todo el lago se haya convertido en hielo. Debajo de esa cubierta blanca existe un ambiente protegido, mantenido en estado líquido gracias a una propiedad del agua que parece pequeña, pero que tiene consecuencias enormes.
