Почему вода замерзает сверху?

Первым признаком зимы является плавающий на поверхности прудов и озер лед. Это может показаться тривиальным и не очень важным, но если бы вода вела себя аналогично практически всем другим жидкостям, никто бы не смог кататься на коньках на пруду, потому что лед опускался бы на дно сразу же после своего образования. Что еще хуже, Земля в этом случае, по-видимому, была бы безжизненной пустыней, так как большая часть воды лежала бы в виде льда на дне океанов, озер и рек.

Большинство жидкостей сжимаются при охлаждении, уменьшаясь в объеме и увеличивая свою плотность. Например, твердый свечной воск опускается на дно миски с более горячим расплавленным воском. Вода также сжимается, но только до тех пор, пока не достигнет 4°С (39°F). Ниже этой температуры вода начинает расширяться и ее плотность уменьшается. Поэтому лед легче воды, находящейся вблизи точки замерзания, и как результат, он плавает.

Как вода замерзает

  1. Вода в пруду, охлажденная до 4°С (39°F), становится плотнее и опускается на дно. Более теплая и поэтому более легкая вода поднимается к поверхности, охлаждается и также опускается вниз.
  2. Когда последняя порция воды охладится до 4°С (39°F), конвекция, под действием которой холодная вода опускается вниз, а более теплая вода поднимается вверх, прекращается. В этом случае вся вода имеет одинаковую температуру. Плотность воды также одинакова.
  3. Когда вода в поверхностном слое охладится ниже 4°С (39°F), она расширяется и становится менее плотной. Поскольку вода при 3°С (37°F) легче, чем при 4°С (s39°F), более холодная вода остается наверху.
  4. Поверхностный слой воды продолжает охлаждаться с дальнейшим уменьшением плотности. Наконец, при 0°С (32°F) поверхностный слой воды превращается в лед.

Температурное расширение и плотность воды

При температурах выше 4°С (39°F) вода при охлаждении сжимается, достигая своей наибольшей плотности при 4°С. Однако, если охлаждение продолжается и температура падает ниже 4°С, вода начинает расширяться и ее плотность уменьшается. Количественно плотность равна массе единицы объема вещества и обычно измеряется в г/см3.

Воск и лед замерзают по-разному

На поверхности кубика льда образуется выпуклость (левый рисунок), потому что вода в центре кубика замерзает последней и, расширяясь по мере замерзания, может только подниматься вверх. В противоположность этому, в верхней части кубика воска образуется углубление, потому что воск (средний рисунок ) сжимается после затвердевания. Жидкости, сжимающиеся при замерзании равномерно (правый рисунок) формируют вогнутую поверхность.

Время года и температура воды в озере

Летом вода теплее у поверхности, чем в глубине. Зимой озеро может покрыться льдом, и вода в глубине станет теплее, чем на поверхности.