¿Por qué se forman distintas capas de temperatura en los cuerpos de agua?

El gradiente no es lineal porque la termoclina se produce por la absorción de la radiación solar. Cuando la radiación es absorbida por un material, su intensidad disminuye exponencialmente con la profundidad de penetración, por lo que se deposita exponencialmente más energía en las capas superiores que en la inferior. Por lo tanto, si no hubiera ninguna mezcla, cabría esperar un gradiente exponencial de temperatura, de modo que la mayor parte de la energía solar sería absorbida por los pocos centímetros superiores de agua. Pero las olas impulsadas por el viento, las mareas y las corrientes mezclan los primeros centímetros de agua con las capas inferiores, hasta aproximadamente unos pocos cientos de metros, de modo que el calor se distribuye de manera algo más uniforme y el gradiente de temperatura es algo menos que exponencial. En aguas muy, muy profundas, la presión a profundidades más bajas es lo suficientemente alta como para afectar la capacidad calorífica del agua de mar,

Entonces, lo que debería ver debería ser básicamente una curva exponencial distorsionada, y eso es esencialmente lo que muestran la mayoría de las curvas de termoclina.

Las tres capas se representan aquí (de Wikipedia ):

Las capas superior e inferior se distinguen por una temperatura mayormente constante en toda su profundidad.

La capa superior se mezcla debido a factores externos como el viento.

Las capas inferiores se mezclan porque toda el agua está cerca de su densidad más alta y la densidad es aproximadamente la misma en toda la capa. Por lo tanto, se requiere muy poca energía para mezclarlo.

La capa intermedia restante es donde el agua muestra la caída de temperatura esperada.

Un punto importante es que las tres capas existen por diferentes razones y no son causadas por el mismo fenómeno físico y no son homogéneas.

Por lo general, la temperatura de un lago es bastante uniforme con la profundidad en invierno: la superficie se enfría, impulsando la convección, e incluso si hay períodos con entrada de calor en la superficie, la mezcla del viento mantiene las cosas homogéneas. En el verano, hay una entrada de calor significativa del sol. El viento todavía mezcla la superficie, pero la estratificación térmica evita que la mezcla del viento penetre a gran profundidad; no hay suficiente entrada de energía mecánica para superar la estabilidad del agua ligera que recubre el agua pesada. En su figura de ejemplo, el viento ha mezclado la capa superficial hasta unos 5 metros. Esto es típico: se llama una "capa mixta".