¿Por qué no se congelan las ranas y los peces en las charcas?

Durante los últimos días estamos siendo testigos de un periodo de bajas temperaturas, consecuencia en parte de la presencia de un potente anticiclón que permanece estacionario sobre nuestras cabezas, lo que deja cielos despejados y sin las nubes que impedirían que el calor acumulado durante el día se escape por las noches. Estas condiciones dan lugar al fenómeno de la inversión térmica, que se produce cuando el suelo se enfría rápidamente lo que a su vez hace que se enfríe el aire que está en contacto con él, que por lo tanto se vuelve más denso. En estas condiciones, la capa de aire frío queda inmóvil sobre el suelo y se impide la circulación atmosférica regular.

El resultado es que si no hay circulación de aire, por ejemplo en los valles, la temperatura será mucho más baja en el fondo de los mismos que en las zonas más altas, provocando heladas y bajadas drásticas de temperatura.
En estas condiciones es frecuente ver las charcas y los lagos cubiertos de una capa de hielo, mientras en el fondo el agua permanece líquida, y en ese agua líquida siguen viviendo con aparente normalidad muchos organismos, como invertebrados, anfibios o peces. 
Por ejemplo, en esta época algunas especies de anfibios, como las Ranas bermejas (Rana temporaria) de algunas poblaciones están reproduciéndose o ya han terminado los apareamientos. En las charcas donde han desovado si nos fijamos veremos que sus puestas siguen ahí, pero a pesar de las bajas temperaturas que hacen que se congele la superficie, los embriones siguen desarrollándose bajo la capa de hielo que cubre las mismas.
Puestas de Rana bermeja (Rana temporaria) bajo de una capa de hielo 
Este fenómeno, que nos parece de lo más normal, no ocurriría si en vez de agua estuviéramos ante una masa de otro líquido en unas condiciones térmicas por debajo de su punto de congelación, ya que en ese caso se congelaría toda la masa de líquido. 
Sería lógico pensar que el agua se congela en la superficie porque es la parte que está en contacto con el aire, que en ese momento está a una temperatura inferior a los 0ºC, pero lo cierto es que no es eso lo que ocurre. Las propiedades únicas del agua son las responsables de que a pesar de que en el ambiente la temperatura del aire esté muy por debajo de 0ºC se congele solo la superficie y no toda la masa de agua un lago o una charca. Y esto es debido a que el agua es de los pocos líquidos que al congelarse disminuye su densidad y aumenta de volumen. En el agua, su máxima densidad se alcanza a los 4ºC.
Diagrama que muestra la estratificación en un lago en invierno dependiendo de la Tª
Imaginemos que estamos en un valle donde se está produciendo una inversión térmica y que por lo tanto pasa la noche en un ambiente bajo cero. Lógicamente, el primer contacto entre el agua y el aire frío tiene lugar en la superficie de la charca y por lo tanto es ahí donde comienza a bajar su temperatura. Como el agua fría es menos densa que la caliente, se queda en la superficie y finalmente se acaba congelando. Llegado a este punto el hielo funciona como un aislante y evita que el resto de la masa de agua se congele, y de esta forma la vida puede seguir su curso bajo la superficie helada, ya que en caso contrario los organismos que viven en esas charcas o lagos morirían congelados. Evidentemente si esas condiciones de frío se mantuvieran durante varios días, toda el volumen de agua de la charca acabaría congelándose, pero la última capa en congelarse sería la del fondo, ya que es la más densa. 
Si la charca estuviera llena de otro líquido distinto del agua no pasaría esto, ya que la parte más densa sería la más fría y por lo tanto quedaría en el fondo y la más caliente subiría a la superficie por lo que la charca acabaría congelándose rápidamente al no tener la capa de hielo aislante en superficie. 

En el caso del agua, el que sea un líquido tan inusual se debe en parte a la existencia de un tipo de enlaces, los puentes de hidrógeno, que mantienen unidas sus moléculas. En el caso del aumento de volumen y la reducción de densidad del agua cuando se congela, es consecuencia del incremento del número de esos puentes de hidrógeno, lo que hace que aumente la distancia entre las moléculas de agua implicadas y por lo tanto su volumen.