Wie gefriert ein See zu?

Wasser folgt nicht allen Regeln

• Wie Sie mit Sicherheit schon beobachtet haben, gefriert ein See, ein Teich und auch jede Pfütze zunächst an der Oberfläche zu. Diese Beobachtung mag erst bei näherem Nachdenken erstaunen, denn müssten Seen und Teiche nicht eigentlich von unten zufrieren?
• Gase wie Luft und auch Flüssigkeiten schichten sich so, dass sie unten die höchste Dichte (und damit die tiefste Temperatur) haben und diese mit größerer Höhe abnimmt. Warme Luft steigt hoch, kalte lagert sich unten ab - zumindest in Bodennähe ist das so.
• Für fast alle Stoffe - egal ob Gas, Flüssigkeit oder sogar Festkörper - gilt, dass die Dichte mit sinkender Temperatur zunimmt, die Moleküle nehmen einfach eine dichtere Packung zueinander an.
• Diesen Sachverhalt kann man auch bei Wasser beobachten. Kühlt man dieses beispielsweise von Raumtemperatur ab, so nimmt seine Dichte zu. Erreichen Sie jedoch eine Temperatur von 4 °C, ist Wasser am dichtesten gepackt. Kühlt man es weiter, nimmt die Dichte wieder ab (quasi als Vorbereitung auf die lockere Eisbildung). Dieses im Vergleich zu anderen Stoffen ungewöhnliche Verhalten nennt man übrigens Anomalie des Wassers (anomal bedeutet regelwidrig).

Die Oberfläche des Sees gefriert zuerst

• Das anomale Verhalten des Wassers hat in der Natur und speziell bei Seen und Teichen wichtige Auswirkungen. Vom Tauchen im Sommer weiß man, dass unter einer von der Sonne erwärmten Oberflächenschicht kälteres Wasser liegt. Am Grund des Sees ist es jetzt am kühlsten. Aber ist das immer so?
• Im Herbst (und weiter in den Winter hinein) wird zunächst das Oberflächenwasser abgekühlt. Dabei nimmt seine Dichte zu und es sinkt ab.
• Daneben steigt wärmeres, weniger dichtes Wasser aus einer tieferen Schicht auf und nimmt seinen Platz ein. Es findet eine regelrechte Umschichtung statt (die mit dem Austausch von Nährstoffen Hand in Hand geht). Die Umschichtung endet, wenn bei einer Temperatur von 4 °C das Wasser seine größte Dichte erreicht hat.
• Zwar kann das Oberflächenwasser bedingt durch winterliche Kälte noch weiter abgekühlt werden, aber dabei dehnt es sich wieder aus und bleibt deshalb oben.
• So bildet sich im Winter in einem hinreichend tiefen See bzw. Teich eine relativ stabile Temperaturschichtung aus: Unten ist das Wasser stets 4 °C (und ein Rückzugsgebiet für Fische).
• Die darüber liegenden Wasserschichten werden nach oben hin immer kälter, bis schließlich die oberste Schicht nahezu die Temperatur der Luft aufweist. Ist diese unter dem Gefrierpunkt, setzt die Eisbildung an der Oberfläche ein. 
• Wegen seiner geringeren Dichte schwimmt das Eis jedoch auf der Wasseroberfläche. In langen Frostperioden setzt sich die Eisbildung nach unten fort - die Eisschicht wächst und der See gefriert von oben nach unten.
• Tiefe Seen frieren jedoch - im Gegensatz zu flachen Teichen oder Pfützen - nie ganz zu, denn dort herrscht eine Temperatur von 4 °C. Zudem verzögert eine geschlossene, dicke Eisdecke die Abkühlung tieferer Wasserschichten - Eis ist nämlich ein guter Isolator.