Почему Байкал не замерзает до дна: у холода там есть потолок
Четыре месяца в году Байкал закрыт льдом толщиной от 60 сантиметров до полутора метров. Снаружи бывает минус сорок. А на глубине полутора километров в этот момент плюс 3,3–3,6 °C — и так круглый год, без сезонов. Никакая зима туда не доходит. Вопрос: что именно её останавливает?
Вода ломает правило, которому подчиняются все вещества
Почти всё на свете при охлаждении сжимается и тяжелеет. Вода делает так до 3,98 °C, а дальше начинает наоборот расширяться. Самая тяжёлая вода на планете — не ледяная, а чуть тёплая, около четырёх градусов.
Отсюда всё остальное. Осенью остывающая поверхность тонет, пока не доходит до этих четырёх градусов, и на этом опускание прекращается: дальше остывшая вода становится легче и остаётся наверху. Замерзает только верхний слой. Лёд, у которого плотность около 917 кг/м³ против тысячи у воды, не тонет тоже — он ложится сверху крышкой.
Если бы вода вела себя «нормально», лёд шёл бы ко дну, и глубокие озёра промерзали бы снизу вверх, из года в год накапливая нерастаявший лёд. Байкала не было бы.
Лёд работает как одеяло, а не как холодильник
Как только замёрзла корка, вода перестаёт отдавать тепло воздуху напрямую. Лёд плохо проводит тепло, снег на нём — ещё хуже. Дальше мороз может крепчать сколько угодно: он утолщает лёд, но до воды под ним доходит уже ослабленным.
Байкал закрывается поздно даже по сибирским меркам. На севере лёд встаёт в конце декабря — начале января, на юге в первой половине января, а вскрывается озеро с начала мая на юге до начала июня на севере. Мелкие пруды в тех же местах стоят подо льдом с ноября.
Тепла в озере больше, чем зима успевает забрать
Причина позднего ледостава в объёме. Чтобы остудить 23 600 кубических километров воды, нужно снять с них столько тепла, сколько сибирская зима отдать физически не успевает. Осенью Байкал ещё греет побережье, когда вокруг уже давно снег. К весне озеро подходит остывшим сверху, но с нетронутым запасом внизу.
Внизу у холода есть барьер, и он физический
Дальше начинается самое интересное. Точка максимальной плотности — те самые 3,98 °C — держится только у поверхности. С давлением она уезжает вниз примерно на 0,2 °C на каждые 100 метров. На глубине полутора километров самой тяжёлой оказывается вода около одного градуса, а не четырёх.
Получается ловушка. Ледяная вода с поверхности не может просто утонуть: наверху она легче тёплой и всплывает обратно. Чтобы она стала тяжелее окружающей, её надо силой протолкнуть на глубину в несколько сотен метров — и только там давление переворачивает соотношение, после чего она уходит вниз уже сама, лавиной. Явление называется термобарической неустойчивостью.
Байкал такое проделывает примерно дважды в год, когда ветер загоняет холодный поверхностный слой достаточно глубоко. Это не медленное перемешивание, а редкие короткие события: холод попадает на дно порциями, по расписанию погоды, а не постоянным потоком.
Побочный эффект: озеро дышит на всю глубину
У этих нырков есть последствие, ради которого их и изучают. Вместе с холодной водой вниз уходит растворённый кислород, и насыщенность им даже на предельных глубинах не падает ниже 70–80%.
Для озера такой глубины это ненормально. Танганьика, вторая по глубине, ниже определённой отметки мертва: вода там не обновляется, кислорода нет. Байкал перемешивается сверху донизу, и поэтому живое там есть на всех горизонтах.
Плюс подогрев снизу: тепловой поток из земных недр и локальные гидротермальные выходы, где вода бывает около 50 °C. На фоне байкальского объёма они температуру озера почти не меняют, но общий баланс подпирают.
Что это значит про «не замерзает до дна»
Строго говоря, формулировка неточная. Байкал не замерзает до дна не потому, что чего-то не хватает морозу, а потому, что путь холода вниз перекрыт трижды: аномалией плотности воды, изолирующим льдом и огромным запасом тепла. Прорывается холод только редкими управляемыми порциями — и именно эти прорывы держат озеро живым.