Почему рыбы не замерзают зимой? Посмотрите на воду перед собой. Зимой она замерзает сверху, а не со дна. Если бы промерзала полностью — жизнь в пресных водоёмах была бы невозможна.
У большинства жидкостей плотность растёт при охлаждении вплоть до замерзания: холодное тонет, тёплое всплывает. Вода ведёт себя иначе. Максимальная плотность у неё при +4 °C, а не у точки замерзания. При дальнейшем охлаждении вода становится легче и остаётся на поверхности. Там она и замерзает. Лёд тоже легче воды — поэтому плавает.
Лёд работает как теплоизолятор: подо льдом сохраняется около +4 °C всю зиму. В этом слое и зимуют рыбы, раки, личинки насекомых.
Что сделать. Опустите термометр-зонд на разную глубину. Летом увидите перепад в термоклине (2–3 °C на 1–2 метра), зимой подо льдом — около +4 °C у дна.
Одна причина — несколько странностей. Плавающий лёд — не единственная особенность воды. У неё необычно высокая теплоёмкость: водоём прогревается медленнее воздуха и дольше остывает осенью. Поверхностное натяжение держит водомерку. Температура кипения — 100 °C, а у похожего по строению сероводорода H₂S — около −60 °C.
Все эти особенности объясняются одним свойством молекулы. Атом кислорода сильнее притягивает электроны, чем атомы водорода, поэтому у молекулы воды один конец слегка отрицательный, другой — слегка положительный. Соседние молекулы сцепляются этими полюсами. Такую связь называют водородной.
Лёд легче воды. При замерзании каждая молекула держит четырёх соседей на фиксированном расстоянии и под определёнными углами. Получается рыхлая решётка с пустотами — объём льда больше объёма той же воды примерно на 9%. — Много энергии уходит на нагрев. Чтобы молекулы двигались быстрее, нужно сначала растягивать и рвать водородные связи. Поэтому водоём медленно прогревается и медленно остывает — он сглаживает перепады температуры вокруг. — Поверхность держит водомерку. Молекулы в толще окружены соседями со всех сторон, а на поверхности — только снизу и с боков. Недостающие связи стягивают поверхность, как натянутую плёнку.
Молекулярное объяснение подтвердилось к 1930-м годам, когда удалось измерить углы между связями во льду рентгеновскими методами. Рыхлая гексагональная решётка видна напрямую.
Почему именно +4 °C. Максимум плотности — результат двух встречных процессов. При охлаждении от +20 °C молекулы движутся медленнее и упаковываются плотнее (обычное тепловое сжатие). Одновременно в жидкой воде растёт доля молекул, связанных в рыхлые льдоподобные группы, — это начинается задолго до замерзания. До +4 °C сжатие преобладает, после +4 °C — разрыхление. На этой границе плотность максимальна.
Та же связь — в других местах. Две цепи ДНК удерживаются вместе водородными связями между азотистыми основаниями. Белки сворачиваются в рабочую форму за счёт тех же связей внутри молекулы. Сок поднимается по стволу дерева на десятки метров благодаря сцеплению молекул воды друг с другом и со стенками сосудов.
Термоклин летом. Опустите зонд на разную глубину в июле-августе. На глубине 1,5–2 м часто виден резкий перепад: за полметра температура падает на 3–5 °C. Это термоклин — граница между прогретой солнцем поверхностью и холодной придонной водой. Выше живут окунь, плотва, уклейка; ниже — налим, ёрш, раки. Осенью граница размывается, и вся толща снова перемешивается.
Где модель перестаёт работать. Простое «дипольное» объяснение даёт интуицию, но не всё. Точная структура жидкой воды обсуждается до сих пор: есть гипотезы о сосуществовании двух локальных форм (более и менее плотной), о постоянно перестраивающейся сетке связей, о поведении переохлаждённой воды ниже −40 °C. «Обычная вода» остаётся одним из самых сложных веществ для моделирования.
Научно-популярный туризм