Hồ nước đóng băng từ mặt xuống vì nước lạnh hơn 4 °C nhẹ hơn và nổi lên trên, còn băng thì nhẹ hơn nữa. Lớp băng trên mặt cách nhiệt cho nước bên dưới, giữ đáy hồ ở khoảng 4 °C suốt mùa đông. Cá sống được nhờ hạ nhịp trao đổi chất, ăn ít, bơi chậm và tận dụng lượng oxy hoà tan còn lại trong nước. Nhưng nếu băng phủ tuyết quá dày, ánh sáng không xuyên qua, oxy cạn dần và cá có thể chết hàng loạt — hiện tượng gọi là "chết mùa đông".
Hồ "lật nước" hai lần mỗi năm
Ở các hồ vùng ôn đới, nước trong hồ thay đổi theo mùa theo một chu kỳ đều đặn:
| Mùa | Phân tầng nhiệt | Chuyện gì xảy ra |
|---|---|---|
| Mùa hè | Lớp nước ấm nhẹ ở trên, nước lạnh nặng ở dưới | Hai lớp ít trộn lẫn, đáy hồ có thể thiếu oxy |
| Mùa thu | Lớp trên nguội dần xuống 4 °C, nặng lên, chìm xuống | Cả hồ trộn đều — "lật nước mùa thu", oxy được đưa xuống đáy |
| Mùa đông | Nước 0–4 °C nhẹ hơn nổi lên trên, đóng băng; đáy giữ khoảng 4 °C | Băng cách nhiệt, hồ "ngủ đông" dưới lớp băng |
| Mùa xuân | Băng tan, lớp trên ấm lên tới 4 °C, nặng lên, chìm | Lại trộn đều — "lật nước mùa xuân" |
Chu kỳ này xảy ra nhờ tính chất dị thường của nước: đặc nhất ở 4 °C. Hai lần lật nước mỗi năm mang oxy từ mặt xuống đáy và đưa chất dinh dưỡng từ đáy lên mặt, nuôi sống cả hệ sinh thái hồ.
Lớp băng là tấm chăn
Băng dẫn nhiệt kém, tuyết phủ trên băng còn dẫn nhiệt kém hơn nữa vì chứa nhiều không khí. Khi mặt hồ đã đóng một lớp băng, nước bên dưới mất nhiệt chậm hơn hẳn. Băng càng dày, tốc độ dày thêm càng chậm. Các mô hình đơn giản cho thấy bề dày băng tăng gần như theo căn bậc hai của thời gian lạnh: muốn băng dày gấp đôi, cần thời gian lạnh gấp khoảng bốn lần.
Nhờ vậy, ngay cả ở những vùng rất lạnh, phần lớn các hồ sâu không bao giờ đông cứng tới đáy. Hồ Baikal ở Siberia (Nga), hồ nước ngọt sâu nhất thế giới, có lớp băng mùa đông thường dày khoảng một mét hoặc hơn, trong khi hồ sâu hơn 1.600 m bên dưới vẫn là nước lỏng.
Cá sống qua đông thế nào
Cá là động vật biến nhiệt
Thân nhiệt cá gần bằng nhiệt độ nước xung quanh. Khi nước lạnh, các phản ứng hoá học trong cơ thể cá chậm lại. Cá cần ít năng lượng hơn, ít oxy hơn, ăn rất ít hoặc không ăn. Nhiều loài cá như cá chép, cá rô tụ lại ở những chỗ sâu nhất của hồ, nơi nước ổn định ở khoảng 4 °C, nằm gần như bất động suốt nhiều tuần.
Chất chống đông ở cá vùng cực
Ở biển vùng cực, nước có thể lạnh dưới 0 °C (khoảng −1,9 °C, vì nước mặn đông ở nhiệt độ thấp hơn nước ngọt). Máu cá bình thường sẽ đông ở nhiệt độ này. Nhiều loài cá Nam Cực có protein chống đông trong máu, bám vào các tinh thể băng siêu nhỏ và ngăn chúng lớn lên. Phát hiện này được nhà sinh học Arthur DeVries nghiên cứu từ cuối thập niên 1960, và về sau gợi ý cho các ứng dụng bảo quản thực phẩm, mô sinh học.
Ếch đông đá rồi sống lại
Một ví dụ cực đoan ở trên cạn: ếch rừng ở Bắc Mỹ (wood frog) có thể để khoảng hai phần ba nước trong cơ thể đông thành băng trong mùa đông, tim ngừng đập, rồi rã đông và sống lại vào mùa xuân. Chúng dùng lượng đường glucose rất cao trong tế bào làm chất chống đông, giữ cho băng chỉ hình thành ở ngoài tế bào.
Khi băng trở thành mối đe doạ: cá chết mùa đông
Dưới lớp băng, hồ gần như bị cô lập khỏi không khí. Oxy trong nước chỉ còn được bổ sung nhờ quang hợp của tảo và thực vật thuỷ sinh, mà quang hợp cần ánh sáng. Nếu tuyết phủ dày trên băng, ánh sáng gần như không xuyên qua. Trong khi đó, xác thực vật, lá cây phân huỷ dưới đáy vẫn tiêu thụ oxy.
Ở các hồ nông, nhiều chất hữu cơ, sau một mùa đông dài nhiều tuyết, oxy có thể cạn kiệt, cá chết hàng loạt. Người ta chỉ phát hiện ra khi băng tan vào mùa xuân. Các cơ quan quản lý hồ ở xứ lạnh đôi khi dùng máy sục khí hoặc dọn tuyết trên mặt băng để giảm nguy cơ này.
Câu cá trên băng: đời sống trên mặt hồ đông
Ở Bắc Âu, Nga, Canada, Bắc Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc và nhiều vùng khác, câu cá trên băng là hoạt động mùa đông truyền thống. Người câu khoan một lỗ nhỏ qua lớp băng, thả dây câu xuống nước. Ở Hàn Quốc có lễ hội câu cá hồi trên băng ở Hwacheon, thu hút đông khách du lịch, trong đó có nhiều du khách Việt Nam.
Câu cá trên băng chỉ an toàn khi băng đủ dày và chắc. Các tổ chức an toàn ở xứ lạnh đưa ra những ngưỡng bề dày tham khảo, và luôn khuyên đi theo hướng dẫn của địa phương, ban tổ chức lễ hội. Bài riêng về băng mỏng nói kỹ hơn về cách nhận biết và phòng tránh.
Góc nhìn hôm nay: tự làm "hồ đóng băng" trong tủ lạnh
- Đổ nước vào một chiếc hộp nhựa trong suốt, cao khoảng 10–15 cm.
- Đặt vào ngăn đá, kiểm tra mỗi giờ.
- Quan sát: băng hình thành ở mặt và ở thành hộp trước, giữa và đáy còn lỏng lâu hơn.
- Thả vài hạt nhựa nhỏ hoặc sợi chỉ màu vào nước trước khi đông để thấy dòng nước di chuyển khi nguội.
Trong ngăn đá, hộp nước mất nhiệt từ mọi phía nên cuối cùng sẽ đông hết, khác với hồ thật chỉ mất nhiệt từ mặt. Nhưng thí nghiệm vẫn cho thấy băng hình thành ở trên và nổi. Ai muốn tìm hiểu thêm về sinh thái hồ có thể đọc các tài liệu nhập môn về hồ học (limnology) hoặc trang của các viện nghiên cứu hồ lớn như Viện Limnology ở Hồ Baikal.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao hồ đóng băng từ mặt xuống?
Vì nước đặc nhất ở khoảng 4 °C. Khi mùa đông tới, nước lạnh hơn 4 °C nhẹ hơn nên nổi lên mặt và đóng băng ở đó, còn băng nhẹ hơn nước nên cũng nằm trên mặt. Đáy hồ giữ nước khoảng 4 °C.
Cá sống thế nào dưới lớp băng?
Cá là động vật biến nhiệt, khi nước lạnh nhịp trao đổi chất chậm lại, cá cần ít oxy và thức ăn hơn. Chúng tụ lại ở chỗ sâu nhất, nơi nước khoảng 4 °C, và sống bằng lượng oxy hoà tan còn lại trong nước.
Hồ có bao giờ đông cứng tới đáy không?
Hồ nông ở vùng rất lạnh có thể đông tới đáy. Nhưng hồ sâu hiếm khi đông hết, vì lớp băng và tuyết cách nhiệt làm băng dày lên rất chậm. Hồ Baikal sâu hơn 1.600 m chỉ có lớp băng khoảng một mét.
Chết mùa đông ở hồ là gì?
Là hiện tượng cá chết hàng loạt dưới lớp băng do cạn oxy. Tuyết dày chặn ánh sáng nên tảo không quang hợp được, trong khi chất hữu cơ phân huỷ vẫn tiêu thụ oxy, nhất là ở hồ nông nhiều bùn.
Vì sao cá Nam Cực không bị đông máu?
Vì máu của nhiều loài cá Nam Cực chứa protein chống đông. Các protein này bám vào tinh thể băng siêu nhỏ và ngăn chúng lớn lên, giúp cá sống trong nước biển lạnh khoảng −1,9 °C.