［雑学］お風呂のお湯は上のほうが熱いのに、氷は上から凍る理由

お風呂は上が熱いのに下は冷水だったりする

沸かしてから少し時間をおいてお風呂に入ろうとすると、上のほうだけ熱くて下のほうが真水のように冷たくなっていることってありますよね？
普段の生活でも、熱いものは上に上がって、冷たいものは下に下がるってのが感覚的に身についていますよね。
例えば、冬場に部屋を温めようとしてエアコンを入れても、天井付近の上のほうばかり熱くなって、床付近の足元は冷たいままでちっとも暖かくならない、とかね。

氷は上から凍る謎

でも、冬場の寒さが厳しくなってきた頃に、水たまりの水やバケツに汲んだ水が表面だけ凍ってるっていうのを見てふと不思議に思ったんです。
お風呂のお湯は下のほうが冷たくて真水のようになってるのに、バケツの水はなんで下から凍らないのか。
小さいころから見慣れている光景で、あまりにも在り来たりだから見過ごしてしまってたけど、全く逆の現象ではないですか。

水は実は特別

この謎は水という液体の特異性にあったんです。
水ってどこにでもある、ごくありふれたものですが、液体の中では唯一の特性を持っています。
それは「個体になると液体よりも質量が軽くなる」という特性。
簡単に言うと氷が水に浮く現象ですね。

何でも凍れば軽くなって水に浮くもんだって勘違いしてましたが、水以外の液体は全て液体よりも個体のほうが質量が重くなります。
つまり凍ると沈むんです。
もちろん「同じ物質の中で」という条件付きですが。

比重が関係している

この水の特性をもっと詳しく言うと、「水は摂氏4℃の時に比重が１となり最も重くなる」のです。
だから水が氷る0℃付近の温度では、温度の低い水のほうが軽くなり、上にくるという訳。
それで表面が先に氷るのです。

とりあえず謎は解けたんだけど、もうちょっと突っ込んで考えてみます。
じゃあ、水面の氷の下のほうに水の比重が1になる摂氏４℃の層があるとして、その下はどんな温度分布になってるんでしょう。

 
 
 
 
 
これがお風呂が冷めかけた状態

 
 
 
 
徐々に氷が分厚くなって、最終的には全部凍る。
※実際は側面も凍っていくんですが