有趣問題–結冰的湖水
文﹕林俊雄    

正在冷卻的湖面
圖一   正在冷卻的湖面
正在結冰的湖面
圖二   正在結冰的湖面

為甚麼湖水結冰總是從湖面開始的呢?這種現象對魚類有甚麼影響呢?

水的密度會隨著水溫而改變。當水溫在 3.98℃ 時水的密度是最高的,所以 3.98℃ 的水份子較其他溫度的水份子較容易下沉。

先從水溫高於 3.98℃ 的情況說起。看看圖一,湖的表面水溫是 20℃,氣溫較水溫低了 5 度,即 15℃。部份在湖表面的水份子的熱能會流向較低溫的空氣,結果水份子的溫度下降了,而密度卻增加了,所以這些水份子會向下沉,而水面下較高溫的水,因為密度較低而逐漸往上升,形成對流,整個湖的水遂漸冷卻。

再看看水溫低於 3.98℃ 的情況 (圖二)。因為較低溫的水密度較低,所以這些水份子會浮在水面﹔相反,愈接近 3.98℃ 的水份子卻因密度高而下沉。當水溫低於 0℃ 時,在湖面較低溫的水會先凝結成冰,然後向湖底漫延。但是因為熱量以傳導的方式傳遞,所以降溫的速度很慢。冰底下的水溫一般維持在 3.98℃,魚類還能生存。要是水沒有如此奇特的性質–例如我們可以想像結冰由水底開始–則對流便會使結冰的速率增加,經過一次嚴冬後,恐怕河裡及湖裡的魚和其他生物都會死光了。