Lämpötilakerrostuneisuus (limnologia)

Lämpötilakerrostuneisuus on erikoistapaus tiheyseroihin perustuvassa vesistöjen tai ilmamassojen kerrostumisista (tiheyskerrostuneisuus). Lammissa, järvissä ja merissä on havattu vesimassojen asettautuvan eri lämpötilojen mukaisiin kerroksiin. Vesi voi kerrostua monestakin syystä, mutta kaikissa tapauksissa kerrostuminen johtuu vesikerrosten välisistä tiheyseroista. Pohjimmainen vesikerros on muita kerroksia tiheämpi, seuraavaksi tulee seuraavaksi tihein ja niin edelleen, ja lopulta ylinnä kelluu  vähiten tihein vesikerros. Jos tiheyserot johtuvat vain veden lämpötiloista, puhutaan lämpötilakerrostumisesta. Muita tiheyteen vaikuttavia ilmiöitä ovat liuoksien tiheyserot kuten esimerkiksi suolapitoisuus merivedessä. Lämpötilakerrostuminen on lähinnä lauhkean vyöhykkeen ilmiö.
Yleensä voidaan lämpötilakerrostumasta erottaa kolme kerrosta. Ylin kerros on päällysvesi (engl. epilimnion), joka sijaitsee harppauskerroksen eli termokliinin (engl. metalimnion, thermocline) päällä. Harppauskerroksen alla sijaitsee alusvesi (engl. hypolimnion).

Lämpötilan vaikutus veden tiheyteen

Nestemäisen veden tiheys on suurimmillaan noin +4 °C:n lämpötilassa. Sitä viileämmässä ja sitä lämpimämmässä vedessä veden tiheys on tätä arvoa pienempi. Jos verrataan +20 °C veden tiheyttä (0,99820 g/cm³) +4 °C veden tiheyteen (0,999973 g/cm³), saadaan 0,18 % ero. Saman kokoiset vesialueiden painossa on tuo sama 0,18 % ero. Painovoima siirtää hitaasti tiheämmän vesialueen kevyemmän vesialueen alle. Elleivät vedet sekoitu toisiinsa tai niiden lämpötilat tasoitu, jäävät vesikerrokset tähän järjestykseen.

Kesällä

Kesällä aurinko lämmittää lammen tai järven vedenpintaa, jolloin sen lämpötila kohoaa muuta vesimassaa korkeammaksi. Tämän lämmenneen vesikerroksen tiheys on pienempi kuin viileämmän veden tiheys ja se säilyttää keveämpänä paikkansa vesimassan päällimmäisenä kerroksena. Tässä vesikerroksessa aallokon vaikutus on suurin, jolloin siinä oleva lämpötilaerot tasottuvat veden sekoittuessa. Auringon lämpö ja tuulen sekoittumisen yhteisvaikutuksesta seuraa, että tasalämpöisen kerroksen alla on viileää vettä. Sitä kerrosta, jossa lämpötila putoaa pintaveden lämpötilasta pohjan viileään lämpötilaan, kutsutaan harppauskerrokseksi eli termokliiniksi. Harppauskerros erottaa vesimassasta päällysveden ja alusveden toisistaan. Alusveden lämpötila on alhaisin ja saattaa syvissä järvissä olla +4 °C tai sitä muutaman asteen lämpimämpi. 
Tiheyserojen takia erilämpöiset vesikerrokset eivät kesällä sekoitu keskenään ja niistä muodostuu pysyviä elinympäristöjä, joissa olosuhteet voivat kehittyä erillään muista vesikerroksista. Vesistön pohjan tapahtumat vaikuttavat alusveden laatuun ja vedenpinnan tapahtumat päällysveden olosuhteisiin. Alusvedessä olevat kivennäisaineet ja humus painuvat järven pohjaan muodostaen mutaa. Mudan joukkoon jää myös ravinteita, jotka ovat sakkautuneet sinne alusvedestä. Happi kulkeutuu päällysveteen veden pinnan kautta eikä se läpäise harppauskerrosta matkallaan alusveteen muuten kuin diffusoitumalla. Jos alusvedestä alkaa happi järven rehevöitymisestä johtuen loppua, alkaa pohjan sedimenteissä oleva fosfori liueta takaisin veteen. Liuennut fosfori jää alusveteen nostaen sen fosforipitoisuudet moninkertaisiksi. Päällysveden tilanteesta voidaan esittää esimerkkinä levän yhteyttämistoiminta. Jos vedessä on runsaasti ravinteita ja levät pääsevät lisääntymään niin runsaaksi, niin vesi sameutuu silmiinnähden. Silloin auringonvalo ei pääse enää tunkeutumaan syvälle veteen ja kerros, jossa kasvit ja levät voivat yhteyttää, jää ohuemmaksi. Järvenpohja saattaa päällysveden levätilanteen vuoksi hämärtyä tai pimentyä täysin. Samalla päällysveden yläosa lämpenee lisää ja harppauskerros muuttuu paksummaksi. Nämäkin esimerkit osoittavat, että lämpötilakerrostuminen jakaa vesimassan osiin, joiden sisällä tapahtuu asioita toisista kerroksista riippumatta.

Syksyllä

Kun auringon valon vaikutukset heikkenevät, jäähtyvät vesistöjen päällysvedet. Ero harppauskerroksen lämpötilaan pienenee ja lopulta häviää. Nyt vedet voivat sekoittua tuulen vaikutuksesta syvemmältä. Tämä syksyllä tapahtuva täyskierto sekoittaa yleensä pienten järvien vedet parissa tai kolmessa viikossa. Suurissa järvissä koko järven täyskierto vie moninkertaisen ajan. Lopputulos on, että koko järvi on samanlämpöinen.

Talvella

Talven lähestyminen saa samanlämpöisen vesimassan pinnalla olevat vedet jäähtymään. Tiheyseroista johtuen +4 °C vesi vajoaa pinnalta järven pohjalle. Näin jatkuu, kunnes koko vesimassa on tämän lämpöistä ja alkaa muodostua talviajan lämpötilakerrostuminen. Siinä muu vesimassa jäähtyy viileämmäksi, kun pohjan vesimassat, ja siten kelluvat sen yläpuolella. Vedenpinnan jäätymishetkellä pintavesi on 0 °C ja pohjavesi +4 °C. Syntyvä jääkansi estää tuulen sekoittamasta vettä. Harppauskerros saattaa käsittää koko vesimassan sen pinnalta pohjaan asti, sillä siinä kerroksessa lämpötila muuttuu ääripäiden välissä koko matkan. Ojat ja joet tuovat järveen viileää vettä ja sekoittavat siihen vesikerroksen, joka saattaa täyttää päällysvesikerroksen kriteerit. Silloin harppauskerros sijaitsee syvemmällä +4 °C lämpöisen alusveden päällä. Jos järvi on pieni ja talvi on ankara, pienenee +4 °C kerros ja pohjallakin saattaa sen hävitessä olla pysyvä +0–2 °C kerros. Syvissä järvissä alusvesi säilyttää tiheimmän veden lämpötilansa +4 °C koko talven.
Seuduilla, missä vesistöt jäätyvät, ei järven päällysveteen tule ilmasta happitäydennystä. Koska happi kulkee yleensä vesimassassa ylhäältä alas, tulee harppauskerroksesta sen leviämiselle este. Alusvesi jää ilman ylhäältä tulevaa happea ja entinen happi kuluu eliötoiminnan tai hajoamisprosessien kautta vähiin tai jopa loppuun. Kun happipitoisuus alittaa pitoisuuden 6 mg/l, aletaan puhua happiongelmista. Kalat eivät viihdy vähähappisissa syvissä vesissä. Jos talvella on hapenkulutus nopeaa, laskee happipitoisuus vielä tästäkin. Seurauksena saattaa olla osittainen tai täydellinen happikato. Tämä tilanne on mahdollinen erittäin humuspitoisissa ja ruskeissa dystrofisissa vesistöissä. Silloin ravinteet alkavat liueta sedimenteistä takaisin veteen ja veden happamuustaso voi muuttua suurestikin.

Keväällä

Keväällä aurinko alkaa lämmittää jään alla olevaa päällysvettä ja jäät sulavat. Kun jäiden lähdettyä alkaa tuuli vaikuttaa vesikerrosten rakenteeseen, tapahtuu keväinen täyskierto syystäyskierron tapaan. Lopulta järvi on tasalämpöinen ja loppukevään auringon lämpö voi aloittaa uuden lämpötilakerrostuksen mudustamisen edellisten vuosien tapaan.

Matalat tai pienet lammet ja järvet

Matalat vesistöt saavat auringonvaloa pohjaan asti, mikä lämmittää veden kauttaaltaan. Silloin vesistöön ei muodostu lämpötiloiltaan erilämpöisiä kerroksia. Toinen kerrostumisen häiriötekijä johtuu tuuliolosuhteista. Jos lampi tai järvi on monelta suunnalta tuulten armoilla, pystyy tuuli sekoittamaan syvätkin vedet tasalämpöisiksi. Matalassa lammessa ilmiö kuitenkin esiintyy, jos se sijaitsee tuuliin nähden suojaisassa paikassa ja jos auringon valo ei ulotu kovin syvälle veteen (sameus). Silloin lammen pintavedet lämpenevät eniten ja kerrostuma voi syntyä ainakin vähäksi aikaa.

Lämpötilakerrostuminen meressä

Meressä lämpötilakerrostuminen ei riipu puhtaasti lämpötilan aiheuttamista tiheyseroista, vaan huomioon on otettava myös suolapitoisuuden aiheuttamat tiheyserot. Meren lämpötilakerrostuminen on näiden yhteisvaikutuksesta syntynyt kerrostuminen. Voimakkaat tuuli ja sen aallokko sekoittavat meren pintavesiä, joten ne ovat tasalämpöisiä paljon syvemmällä kuin järvet. Merivirrat kuljettavat vesimassoja erilaisten vedenalaisten harjanteiden välistä ja ylitse, jolloin sekoittumista tapahtuu myös pohjan lähellä. Merien lämpötilakerrostuminen on siksi selkeintä laajojen valtamerien äärellä.
Valtamerien syvyyksissä vallitsee melko tasainen −2–5 °C:n lämpötila. Suolaisen meriveden sulamispiste on 0 °C alapuolella, joten merenpohjassa on nestemäistä vettä. Tämä lämpötila alkaa kohota vasta 1 500–1 000 metrissä merenpinnan alapuolella, missä se saa auringonvalon lämpöenergialla lämmennyttä sekoittunutta vettä pintavesistä. Tästä syvyydestä alkaa termokliini, jossa lämpötila kohoaa ylös mentäessä pintavesien lämpötulaan. Pintaveden lämpötila riippuu siitä, millä leveysasteella ollaan. Napa-alueilla pintavesi on samanlämpöistä kuin pohjan vesimassat. Trooppisilla alueilla pintavesi voi olla yli 30 °C lämmintä. Lauhkeilla vyöhykkeilla meriveden pintalämpötila vaihtelee samalla tavalla kuin makeanveden järvissäkin.