Lód pływa dlatego, że woda podczas zamarzania staje się mniej gęsta
Większość substancji po zestaleniu staje się gęstsza. Woda zachowuje się nietypowo: struktura krystaliczna lodu zajmuje więcej miejsca niż ta sama liczba cząsteczek w ciekłej wodzie, dlatego gęstość spada podczas zamarzania o około 9%. Dzięki temu lód pływa. To nie jest tylko ciekawostka ze szklanki napoju. Gdyby lód tonął, zamarzające jeziora zachowywałyby się zupełnie inaczej, a sezonowa pokrywa lodowa nie tworzyłaby izolującej warstwy na powierzchni. Nietypowa własność molekuł wody ma więc ogromne znaczenie dla całych ekosystemów.
Zamarzanie tworzy luźniejszą strukturę
W ciekłej wodzie cząsteczki mogą zmieniać wzajemne położenia. W lodzie wiązania wodorowe stabilizują bardziej uporządkowaną strukturę, w której cząsteczki są przeciętnie rozmieszczone dalej od siebie. Dla tej samej masy rośnie więc objętość, a gęstość maleje.
Około 9% różnicy
USGS podaje, że podczas zamarzania gęstość wody zmniejsza się o około 9%. Dlatego typowy lód ma gęstość mniejszą od ciekłej wody i unosi się na jej powierzchni.
Konsekwencje są większe niż kostka lodu
Pływający lód tworzy warstwę na powierzchni zbiornika i ogranicza dalszą wymianę energii z zimnym powietrzem. W połączeniu z anomalią gęstości wody pomaga to sprawić, że głębsze warstwy jezior nie zamarzają tak łatwo.
Co robią wiązania wodorowe
W cząsteczce wody rozkład ładunku jest nierównomierny, dzięki czemu sąsiednie cząsteczki mogą tworzyć tzw. wiązania wodorowe. W ciekłej wodzie sieć tych oddziaływań nieustannie się reorganizuje. W zwykłym lodzie powstaje bardziej uporządkowana, otwarta struktura krystaliczna z większą ilością pustej przestrzeni. To właśnie ta struktura sprawia, że ta sama masa zajmuje większą objętość niż w cieczy.
Dlaczego pływający lód zmienia los jeziora
Kiedy powierzchnia jeziora zamarza, lód pozostaje u góry zamiast opadać na dno. Tworzy warstwę oddzielającą wodę od zimnego powietrza i ogranicza dalszą utratę ciepła. Dzięki temu pod lodem może przez długi czas pozostawać ciekła woda. To jeden z powodów, dla których organizmy wodne mogą przetrwać zimę w klimacie, w którym powierzchnia zbiornika zamarza na wiele miesięcy.
Góry lodowe pokazują tę samą zasadę w ogromnej skali
Ponieważ różnica gęstości między lodem i wodą jest stosunkowo niewielka, większa część objętości góry lodowej znajduje się pod powierzchnią. Dokładny udział zależy m.in. od zasolenia wody i gęstości samego lodu. Popularne powiedzenie o „wierzchołku góry lodowej” ma więc prawdziwą fizyczną podstawę: to, co widać nad wodą, jest tylko mniejszą częścią całej bryły.
Nietypowe nie znaczy jedyne
Woda nie jest jedyną substancją, której ciało stałe może mieć mniejszą gęstość niż ciecz, ale jest jednym z najbardziej znanych i biologicznie ważnych przykładów. Wysokociśnieniowe odmiany lodu mogą mieć zupełnie inne struktury i gęstości niż zwykły lód znany z zamrażarki. Zdanie „lód jest mniej gęsty od wody” odnosi się więc przede wszystkim do zwykłego lodu heksagonalnego w typowych warunkach.
Co by było, gdyby zwykły lód tonął
Gdyby najczęstsza odmiana lodu była gęstsza od ciekłej wody, świeżo powstały lód opadałby z powierzchni. Odsłaniałby kolejną warstwę wody na działanie zimnego powietrza i proces mógłby postępować coraz głębiej. Rzeczywiste jezioro jest oczywiście układem z przepływami, solami i dopływem energii z gruntu, więc nie należy mówić, że każde jezioro zamarzłoby wtedy całkowicie. Mimo to pływanie lodu zdecydowanie sprzyja tworzeniu izolującej pokrywy u góry.
Szersza lekcja z zachowania wody
To, że codzienny lód pływa, jest wynikiem konkretnej struktury fazy stałej, a nie uniwersalnej zasady „ciała stałe są lżejsze”. Większość materiałów kurczy się podczas krzepnięcia. Woda jest szczególna w zakresie warunków typowych dla powierzchni Ziemi, a pod dużymi ciśnieniami tworzy wiele innych odmian lodu. Dzięki temu jedna pozornie prosta obserwacja ze szklanki prowadzi do chemii wiązań wodorowych, geofizyki lodowców i biologii zimujących jezior.