Почему вода замерзает сверху вниз?

Вода замерзает сверху вниз, что позволяет льду плавать - из-за странной причуды в том, как плотность воды ведет себя при падении температуры. Плотность представляет собой массу единичного объема материального вещества; это по существу мера того, насколько плотно упакованы атомы и молекулы вещества. Для большинства соединений температура падения приводит к тому, что объем соединения уменьшается, а его плотность возрастает, когда атомы и молекулы становятся более плотно упакованными вместе. Например, карман теплого воздуха поднимается и расширяется, потому что он менее плотный, чем крутой воздух вокруг него. И наоборот, карман прохладного воздуха опускается и сжимается, становясь немного толще и плотнее, когда он падает. Вода ведет себя аналогично, но только до определенной температуры. Плотность охлаждающей воды увеличится до тех пор, пока температура воды не достигнет 4 ° C (39,2 ° F). Если вода продолжает охлаждаться, ее плотность снова начнет расти, и вода (теперь в ее твердом состоянии) будет расширяться. Именно это свойство воды позволяет льду вклинивать открытые трещины в тротуарах и скалах и заставляет банки и бутылки безалкогольных напитков взорваться в морозильной камере.

При температуре 4 ° C вода все еще находится в жидкой форме. В озерах и реках эта вода будет охлаждаться на поверхности, плотнее и снижаться. Когда вода приблизится к точке замерзания (0 ° C [32 ° F]), она станет менее плотной, чем окружающая ее вода, и она поднимется до верха водного столба. Если бы вода вместо этого застыла со дна озера или реки на вершину, были бы глубокие экологические последствия. Мелкие озера замерзли; если растения, животные и другие организмы, живущие там, не имеют какой-либо адаптации, которая бы не замерзала их ткани, они умрут. В более крупных озерах пол льда и слякоть охлаждает воду выше, возможно замедляя обмен веществ и темпы роста организмов, которые выжили в верхнем течении озера. В этих условиях Земля выглядела бы совсем иначе; полярные области планеты были бы почти лишены жизни, и каждый год среднесрочные растения, животные и другие организмы столкнулись бы с перспективой недостижимой жидкой воды в замороженных местах обитания.