Почему в водоемах образуются отчетливые температурные слои?

Градиент нелинейный, потому что термоклин образуется за счет поглощения солнечной радиации. Когда излучение поглощается материалом, его интенсивность экспоненциально уменьшается с глубиной проникновения, поэтому в верхних слоях выделяется экспоненциально больше энергии, чем в нижних. Следовательно, если бы перемешивания вообще не было, можно было бы ожидать экспоненциального градиента температуры, так что большая часть солнечной энергии поглощалась бы несколькими верхними сантиметрами воды. Но волны, движимые ветром, приливами и течениями, смешивают верхние несколько сантиметров воды с нижними слоями, примерно до нескольких сотен метров, так что тепло распределяется несколько более равномерно, а температурный градиент несколько меньше, чем экспоненциальный. В очень-очень глубоких водах давление на более низких глубинах достаточно велико, чтобы повлиять на теплоемкость морской воды,

Итак, то, что вы должны увидеть, должно быть в основном искаженной экспоненциальной кривой, и это, по сути, то, что показывает большинство кривых термоклина.

Три слоя изображены здесь (из Википедии ):

Верхний и нижний слои отличаются большей частью постоянной температурой по всей глубине.

Верхний слой перемешивается из-за внешних факторов, таких как ветер.

Нижние слои перемешиваются, потому что вся вода близка к наибольшей плотности, а плотность примерно одинакова по всему слою. Поэтому для его смешивания требуется очень мало энергии.

Оставшийся средний слой — это место, где вода показывает ожидаемое падение температуры.

Важным моментом является то, что все три слоя существуют по разным причинам, не вызваны одним и тем же физическим явлением и не являются однородными.

Как правило, зимой температура озера почти одинакова с глубиной — поверхность охлаждается, вызывая конвекцию, и даже если бывают периоды с поступлением тепла на поверхность, перемешивание ветром сохраняет однородность. Летом наблюдается значительное поступление тепла от солнца. Ветер по-прежнему перемешивает поверхность, но термическая стратификация препятствует проникновению ветрового перемешивания на большую глубину — подводимой механической энергии недостаточно, чтобы преодолеть устойчивость легкой воды, лежащей над тяжелой водой. На вашем примере рисунок ветер смешал поверхностный слой примерно до 5 метров. Это типично: это называется «смешанный слой».