почему вода не замерзает под толстым слоем льда?

Коротко: толстый слой льда всё сильнее препятствует теплообмену воды с холодным воздухом. Из-за этого вода под льдом не успевает отдать достаточно тепла и замерзнуть целиком; верхний слой воды около льдинки может оказаться при ~0°C, а глубже вода остаётся тёплее и не замерзает. Принципиально важны теплообмен, теплоёмкость и латентная энергия плавления.

Подробное объяснение по шагам

1. Что нужно, чтобы вода замёрзла

• Чтобы вода превратилась в лёд, её нужно охладить до 0°C (при чистой воде и обычном давлении) и одновременно убрать латентную энергию плавления: примерно 333 кДж на 1 кг воды.
• Замерзание не происходит мгновенно: нужно отвести это количество тепла от воды к окружающей среде.

2. Роль льда как теплоизолятора

• Лед не «проводит» тепло так же быстро, как вода. Но главная идея в том, что толстый слой льда между поверхностью воды и холодным воздухом резко снижает скорость теплообмена.
• Чем толще лёд, тем медленнее тепло уходит из воды в воздух. Поэтому вода под льдом охлаждается очень медленно и всё чаще остаётся жидкой.

3. Распределение температуры в воде под льдом

• В воде верхний слой может стабильно находиться ближе к 0°C (там, где контактирует с льдом и воздухом сверху).
• Глубже вода обычно теплее: у холодной пресной воды температура максимальная плотность достигает около 4°C. Поэтому нижний слой воды может держаться около 4°C и не переходить в состояние замерзания.
• В результате под толстым льдом формируется холодная «шапка» поверх воды и более тёплая вода внизу, что препятствует продолжительному замерзанию всего объёма.

4. Влияние перемешивания и ветра

• Если над водой дует холодный ветер или часто идёт перемешивание, лёд может расти быстрее и толще. Но если водоём спокойный и без активного перемешивания, тепло не уходит из воды так быстро, и замерзание идёт медленнее.
• Вода внизу часто остаётся достаточно тёплой (порядка 4°C), чтобы не замерзнуть, поддерживая жидкую фазу.

5. Лёд как дополнительная «защита» от замерзания

• Когда начинается замерзание, высвобождается латентная энергия плавления. Это тоже замедляет дальнейшее образование льда в объёме воды, пока тепло не уйдёт из воды. Толстый лёд ещё больше замедляет этот процесс.

6. Что это значит на практике

• Обычно под толстым слоем льда вода остаётся жидкой на больших глубинах и в начале зимы дальнейшее замерзание ограничено тепловым балансом: тепло вырывается медленно через лёд в воздух, а на глубине тепло сохраняется.
• В реальности вода может замёрзнуть сверху, образовав лёд на поверхности, но нижние слои остаются жидкими, особенно в больших и глубже водоёмах.

Если хочешь, могу привести пример грубого расчёта: приблизительная оценка теплопотери через лед (чтобы увидеть, за какое время может уйти достаточно тепла для замерзания какой-то толщины воды). Или могу объяснить на конкретном примере озера/плотины, если дадишь данные о толщине льда и температуре воздуха.