Почему вода расширяется, когда замерзает, и спасает этим рыбу

Налей воду в бутылку, плотно закрути крышку и сунь в морозилку — наутро бутылку разорвёт. Любое нормальное вещество, остывая, ужимается и становится плотнее. А вода вытворяет ровно обратное: на морозе она раздувается. Эта маленькая странность кажется ерундой, но именно она каждую зиму спасает миллиарды рыб от верной гибели.

Все сжимаются, а вода — наоборот

Нагрей почти что угодно — оно расширится. Остуди — сожмётся. Это знакомо: рельсы летом удлиняются, ртуть в градуснике ползёт вверх от тепла. Причина простая: в тепле частицы вещества дрожат сильнее, толкаются и расталкивают друг друга, занимая больше места. На холоде они успокаиваются, прижимаются теснее — объём падает.

С водой этот понятный закон ломается на финише. Пока вода тёплая, всё идёт как у всех: охлаждаешь — она сжимается, плотность растёт. Но у самого порога замерзания вода вдруг передумывает. Самой плотной, самой тяжёлой вода становится не при нуле, а при +4 градусах Цельсия. Стоит остудить её ниже — и она снова начинает расширяться. А когда превращается в лёд, раздувается особенно резко: примерно на одну десятую часть объёма.

Именно поэтому лёд плавает. Кусок твёрдого вещества почти всегда тонет в своей же жидкости — а лёд держится на воде, потому что при той же массе занимает больше места и оказывается легче. Учёные называют это поведение аномалией плотности воды.

Виноваты молекулы, которые держатся за руки

Чтобы понять фокус, нужно заглянуть внутрь, к самим молекулам воды. Каждая молекула — это два атома водорода и один кислорода, та самая H₂O. И у этих молекул есть особенность: они слегка наэлектризованы. Со стороны кислорода молекула чуть-чуть «минусовая», со стороны водорода — чуть-чуть «плюсовая». А плюс, как известно, тянется к минусу.

Из-за этого молекулы воды цепляются друг за друга невидимыми ниточками притяжения — их называют водородными связями. В жидкой воде эти связи всё время рвутся и завязываются заново: молекулы толкутся, как люди в час пик в метро, плотно набившись и постоянно меняя соседей.

А вот когда вода замерзает, суета прекращается. Молекулы успокаиваются и выстраиваются в строгий, красивый узор — кристаллическую решётку. И тут вылезает подвох: чтобы все водородные связи сошлись правильно, молекулам приходится встать на определённом расстоянии друг от друга, оставив между собой пустоты. Решётка льда получается ажурной, дырчатой.

В жидкой воде молекулы стоят теснее, чем в твёрдом льду. Замерзая, вода не сжимается, а строит просторный каркас с пустотами — поэтому лёд легче воды.

Представь толпу и хоровод

Вот аналогия, которая всё расставляет по местам. Вообрази площадь, набитую людьми в час пик: все стоят вплотную, плечо к плечу, втиснулись как могли. Это — жидкая вода: молекулы напиханы плотно.

А теперь те же люди решили встать в хоровод и взяться за руки. Чтобы держаться за руки и образовать ровный круг, каждому нужно отойти от соседа на длину вытянутой руки. Между людьми появляются просветы, и та же толпа занимает заметно больше места — хотя людей ни одного не прибавилось. Это — лёд: те же молекулы, но выстроенные в узор с пустотами, оттого и объём больше.

Поэтому замёрзшая вода в бутылке и рвёт стенки: ей буквально не хватает места, когда молекулы встают в свой просторный «хоровод».

Как это спасает рыбу

Теперь самое интересное — зачем всё это рыбам. Представь, что было бы, ведь себя вода как нормальное вещество, и лёд был бы тяжелее воды.

Зимой поверхность пруда остывает, превращается в лёд — и сразу тонет, идёт ко дну. Сверху намерзает новый лёд — и тоже тонет. Так слой за слоем водоём промёрз бы до самого дна, превратившись в сплошную глыбу. Никакая рыба, лягушка или рачок такого не пережили бы.

Но вода устроена хитрее, и спасает всех именно её аномалия. Смотри, как это работает на самом деле:

• Осенью вода на поверхности остывает и, становясь плотнее, опускается вниз — пока весь водоём не охладится примерно до тех самых +4 градусов, при которых вода тяжелее всего.
• Дальше поверхность остывает ниже четырёх градусов — и такая вода уже легче, поэтому остаётся наверху, а не тонет.
• Самый холодный слой замерзает сверху, и лёд — лёгкий — спокойно лежит на поверхности, как крышка.

Эта ледяная крышка работает как одеяло: она не пускает мороз вглубь и не даёт воде под собой замёрзнуть. А у дна остаётся вода тех самых +4 градусов — холодная, но жидкая. Там рыба и пережидает зиму: дышит, шевелится, ждёт весны.

Получается, вся жизнь в зимних реках и озёрах держится на одной маленькой молекулярной причуде. Не цепляйся молекулы воды за руки в свой просторный хоровод — и подо льдом не осталось бы ничего живого. Иногда самые большие вещи во Вселенной держатся на самых крошечных деталях.