Porque flutua o gelo e os lagos gelam à superfície?
Percebe porque flutua o gelo e os lagos gelam à superfície: densidade, o papel dos 4 °C e uma observação simples num copo de água.
Um cubo de gelo fica na parte superior do copo. No inverno, um lago pode ter uma cobertura de gelo e conservar água líquida por baixo. A explicação passa pela densidade: o gelo comum é menos denso do que a água líquida. Além disso, a água doce atinge a sua densidade máxima no estado líquido perto dos 4 °C, e não no ponto de congelação. Em conjunto, estas propriedades explicam por que razão um lago começa geralmente a gelar à superfície.
Menor densidade não significa sempre menor peso
Um grande bloco de gelo pode pesar muito mais do que um pequeno copo de água. Para perceber a flutuação, é preciso comparar a massa por unidade de volume, ou seja, a densidade.
Se compararmos volumes iguais de gelo comum e de água líquida perto da congelação, o gelo contém menos massa. Ao flutuar, desloca uma quantidade de água cujo peso equilibra o seu. Esse equilíbrio é atingido antes de ficar totalmente submerso: uma pequena parte permanece acima da superfície.
O USGS explica a densidade da água através da disposição das moléculas. Durante a congelação, forma-se uma estrutura cristalina mais aberta. A mesma quantidade de água ocupa mais espaço como gelo. Não é necessário que desapareça água nem que entre ar no bloco.
O que muda perto dos 4 °C?
Muitos líquidos tornam-se mais densos ao arrefecer. A água doce começa por seguir essa tendência: ao passar, por exemplo, de 10 para 4 °C, a sua densidade aumenta. Abaixo de cerca de 4 °C, a tendência inverte-se. Ao continuar a arrefecer em direção aos 0 °C, a água líquida volta a ficar ligeiramente menos densa.
Esta anomalia da água líquida é diferente do aumento adicional de volume que ocorre quando se forma gelo. O recurso educativo alemão LEIFIphysik distingue os dois processos.
| Estado num modelo simples de água doce | Comparação de densidade |
|---|---|
| Água líquida a 10 °C | Menos densa do que a 4 °C |
| Água líquida perto de 4 °C | Densidade máxima |
| Água líquida perto de 0 °C | Novamente um pouco menos densa do que a 4 °C |
| Gelo comum perto de 0 °C | Bastante menos denso do que a água líquida |
A tabela descreve relações físicas, não medições feitas num lago específico.
Como um lago pode arrefecer no inverno
Imaginemos um lago de água doce suficientemente profundo que perde calor para um ambiente mais frio. Três etapas ajudam a perceber o processo:
- Arrefecimento acima de 4 °C: A água da superfície torna-se mais densa e pode afundar-se. Outra água ocupa o seu lugar; o vento também pode favorecer a mistura.
- Arrefecimento abaixo de 4 °C: A água superficial mais fria é agora menos densa do que a água próxima dos 4 °C que está por baixo. Tende a ficar em cima. Pode estabelecer-se uma estratificação de inverno.
- Congelação à superfície: Quando a camada superior perde calor suficiente, forma-se gelo. A sua menor densidade mantém-no em cima como uma cobertura flutuante.
Debaixo pode continuar a existir água líquida. O gelo separa-a do ar frio e abranda a perda de calor; não produz calor. Para se formar mais gelo, é necessário continuar a retirar energia à água.
A imagem de capa representa este princípio numa ilustração editorial em corte: uma camada fina de gelo sobre água líquida. As cores e as espessuras são esquemáticas.
O fundo de todos os lagos está exatamente a 4 °C?
Não. O desenho habitual com gelo em cima e água a 4 °C em baixo é um modelo útil, não um mapa universal de temperaturas. Num lago real, contam a profundidade, a mistura, as entradas e saídas de água e a duração do frio. Massas de água pouco profundas podem mesmo gelar por completo durante períodos de frio prolongado.
A explicação refere-se à água doce em condições habituais. Os sais dissolvidos alteram a densidade e a congelação; o esquema dos 4 °C não pode ser aplicado diretamente ao mar. Para esse outro ambiente, lê o artigo sobre correntes marítimas e densidade.
Uma observação num copo
Coloca um cubo de gelo comum num copo transparente com água da torneira. Observa-o de lado: a maior parte fica submersa, mas uma pequena parte sobressai. Se o empurrares para baixo com uma colher e o largares, volta a subir. Isto permite observar a flutuação do gelo, mas não basta para demonstrar a densidade máxima da água a 4 °C.
Para enquadrar os lagos na paisagem, podes procurar o lago de Constança no LiveGlobe 3D, rodar o globo e ampliar a zona envolvente. A aplicação web prevê início de sessão e a pesquisa de lugares depende de dados externos. Trata-se de exploração geográfica, não de uma medição da cobertura de gelo.
Retém duas ideias: a água próxima dos 4 °C pode ficar por baixo de água doce mais fria; o gelo permanece em cima porque é menos denso. O copo e o lago de inverno obedecem ao mesmo princípio físico.
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