Почему лёд плавает — и почему без этого не было бы жизни
Почти всё на свете при остывании сжимается. Металл, воздух, спирт, расплавленное стекло. Вода тоже сжимается, но не до конца: на отметке 3,98 °C она вдруг перестаёт и начинает расширяться обратно. А когда превращается в лёд, распухает ещё примерно на 9%.
Из-за этой странности лёд плавает. Из-за неё же на планете есть жизнь, пережившая ледниковые периоды.
Что происходит при 3,98 °C
Плотность воды достигает максимума при 3,98 °C и равна примерно 1,000 г/см³. Дальше вниз по шкале она уже не растёт, а падает. Лёд при 0 °C имеет плотность около 0,9167 г/см³, то есть он легче воды почти на восемь процентов и потому не тонет.
Причина в форме молекулы. У воды два атома водорода сидят на кислороде под углом, и каждая молекула способна протянуть соседям четыре водородные связи. В жидкости эти связи постоянно рвутся и возникают заново, молекулы толкутся плотно и беспорядочно. При замерзании связи фиксируются, и молекулы выстраиваются в шестиугольную решётку — лёд Ih, тот самый, что бывает в морозилке и в леднике.
Решётка получается дырявой. В ней много пустоты по построению: каждая молекула держится ровно за четырёх соседей и не может подойти ближе. Замерзая, вода не уплотняется, а раздвигается изнутри собственным каркасом.
Восемь процентов, которые рвут гранит
Расширение при замерзании — сила, а не метафора. Забытая на морозе бутылка лопается. Водопроводная труба рвётся не от холода, а от льда, которому стало тесно.
В природе это работает как медленный лом. Вода затекает в трещину скалы, замерзает, расширяется и расширяет трещину. Оттепель, новая вода, новый мороз. Через несколько сотен циклов от монолита откалывается кусок. Морозное выветривание — одна из главных причин, по которой горы в умеренных широтах рассыпаются в осыпи, а на дорогах весной появляются ямы.
Озеро, которое замерзает сверху
Теперь самое важное. Осенью верхний слой озера остывает, тяжелеет и опускается вниз, тёплая вода поднимается вверх. Перемешивание идёт до тех пор, пока вся толща не дойдёт до 3,98 °C.
Дальше механизм ломается. Вода, остывшая ниже четырёх градусов, становится легче и остаётся наверху. Она замерзает первой, и озеро получает крышку.
Лёд — плохой проводник тепла, а сверху на него обычно ложится снег, который ещё хуже. Дальше промерзание почти останавливается: тепло из воды перестаёт уходить в атмосферу. Под метровым панцирем остаётся вода при температуре около четырёх градусов, и в ней спокойно зимуют рыба, рачки, растения.
Представим противоположное. Будь лёд тяжелее воды, он уходил бы на дно, освобождая поверхность для нового льда. Водоём промерзал бы снизу вверх до полной твёрдости — и весеннее солнце уже не растопило бы его целиком, потому что до дна оно не достаёт. За несколько ледниковых периодов пресноводная жизнь исчезла бы вся.
Море ведёт себя иначе
С солёной водой сюжет другой, и об этом обычно забывают. Соль сдвигает вниз обе критические точки — и температуру максимальной плотности, и температуру замерзания, но первую быстрее.
При солёности около 24,7 г/кг они сходятся: обе оказываются при −1,332 °C. А солёность открытого океана выше этой границы. Значит, морская вода уплотняется при остывании до самого замерзания, никакого разворота на четырёх градусах у неё нет.
Поэтому в океане перемешивание работает до конца, а морской лёд образуется по-другому: сначала мелкие кристаллики в толще, потом ледяная каша, потом корка. Плавать он всё равно плавает — сам лёд остаётся лёгким независимо от того, из чего замёрз.
Аномалия, которых у воды не одна
Расширение при замерзании — самая известная странность воды, но не единственная. У неё аномально высокая теплоёмкость, из-за которой океан работает термостатом планеты. Аномально высокое поверхностное натяжение, на котором держатся водомерки и капиллярный подъём сока в деревьях. Аномально высокая температура кипения для такой лёгкой молекулы: по массе вода должна была бы кипеть градусах при минус восьмидесяти.
Всё это следствия одного и того же — водородных связей, слишком крепких для своего размера. Вода ведёт себя не как жидкость из учебника, а как вещество с внутренним каркасом, который то собирается, то распадается.
Плавающий лёд — просто самое заметное из последствий. То, которое видно с берега.