Аномалия плотности воды: почему лед не тонет и как это явление спасает жизнь на Земле

Вода является уникальным веществом, демонстрирующим аномальное термическое поведение, которое отличает её от подавляющего большинства жидкостей. Если для типичных тел характерно линейное расширение при нагревании и сжатие при охлаждении, то вода подчиняется этому правилу лишь в определенных температурных границах. Это фундаментальное свойство можно наглядно продемонстрировать с помощью простого прибора, выполняющего функцию термокопа: стеклянной бутылки, герметично закрытой пробкой со вставленной в нее трубкой (рис. 38).

Рис. 38. Простейший прибор для демонстрации теплового расширения воды, состоящий из бутылки и стеклянной трубки.

При нагревании такой колбы объем воды увеличивается, и столбик жидкости в трубке поднимается вверх, что полностью соответствует классическим представлениям о термическом расширении. Однако последующее охлаждение емкости, например, путем помещения её в сосуд со льдом, выявляет отклонение от нормы. По мере падения температуры уровень воды сначала понижается, демонстрируя сжатие, но, дойдя до отметки в 4 °C, процесс останавливается. Дальнейший отвод тепла приводит к парадоксальному результату: вода перестает сжиматься и вновь начинает расширяться, поднимаясь по трубке вверх.

Данное явление служит классическим примером того, что физические законы и принципы справедливы лишь в определенных пределах и могут требовать корректировки при изменении условий. Механизм этой аномалии кроется в молекулярной структуре. При охлаждении воды до температур, близких к точке замерзания, начинается процесс упорядочивания молекул, предшествующий кристаллизации. Они стремятся сформировать структуры, занимающие больший объем, чем в хаотичном жидком состоянии. В интервале от +4 °C до 0 °C это расширение становится доминирующим фактором.

При переходе в твердую фазу происходит скачкообразное увеличение объема примерно на 10%. Это связано с тем, что в кристаллической решетке льда молекулы фиксируются на расстояниях, превышающих среднее расстояние между частицами в жидкой воде. Таким образом, если провести эксперимент, взяв за точку отсчета +4 °C, то окажется, что расширение при замерзании (до 0 °C) практически вдвое превышает расширение, происходящее при нагреве от +4 °C до +100 °C, хотя перепад температур во втором случае значительно больше.

Это кажущееся противоречие, заключающееся в двойственной реакции на изменение температуры, имеет колоссальное экологическое и биологическое значение для регионов с умеренным и холодным климатом. Именно благодаря тому, что максимальную плотность вода приобретает при +4 °C, а не при 0 °C, в водоемах формируется особая динамика охлаждения, кардинально отличающаяся от теоретической модели.

Процесс остывания воды в пруду или озере осенью и зимой происходит стадийно. Верхний слой (A), контактирующий с холодным воздухом, охлаждается, становится тяжелее и опускается вниз, вытесняя на поверхность более теплую и легкую воду (рис. 39). Так возникает вертикальная циркуляция, которая продолжается до тех пор, пока вся толща воды не достигнет температуры +4 °C. На дне (BCD) опустившаяся вода может незначительно нагреваться от грунта, но общий тренд ведет к выравниванию температуры.

Рис. 39. Вертикальный разрез водоема, иллюстрирующий циркуляцию воды при охлаждении до +4°C.

Как только весь водоем охлаждается до критических +4 °C, конвекционные токи прекращаются. Дальнейшее охлаждение поверхностного слоя приводит к его расширению, а значит, к уменьшению плотности. Теперь этот слой, ставший «легче», остается на поверхности, где быстро промерзает до 0 °C и превращается в лед. В то же время в придонных слоях при достаточной глубине температура консервируется на уровне +4 °C, создавая рефугиум для гидробионтов.

Если бы вода вела себя как подавляющее большинство веществ и продолжала сжиматься вплоть до температуры кристаллизации, последствия были бы катастрофическими. Во-первых, циркуляция не прекратилась бы, и охлаждение продолжалось бы по всей глубине. Во-вторых, и это главное, образующийся лед, имея большую плотность, чем холодная вода, немедленно тонул бы. Это привело бы к послойному промерзанию водоема снизу вверх, и за зиму вся вода, от дна до поверхности, превратилась бы в монолитный лед.

Подобный сценарий означал бы полную гибель всей водной флоры и фауны, не приспособленной к вмерзанию в лед. В глобальном масштабе это сделало бы невозможным существование человеческих поселений и животных в регионах с суровыми зимами из-за отсутствия доступа к жидкой воде. К счастью, аномалия плотности гарантирует, что лед, будучи легче воды, образует лишь поверхностный покров, который служит теплоизолятором и позволяет легко добывать воду из-подо льда через проруби. Эта удивительная особенность воды является одним из ключевых факторов, обеспечивающих возможность жизни в высоких широтах.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: В. Гампсон, К. Шеффер

Источник: Парадоксы природы

Данные публикации будут полезны студентам физических и технических специальностей, изучающих механику и принципы работы простых механизмов, начинающим инженерам и конструкторам, интересующимся эргономикой и оптимизацией транспортных средств, а также всем, кто увлекается историей техники и неочевидными физическими явлениями в повседневной жизни.