Γιατί παγώνει το νερό από την κορυφή προς τα κάτω;

Πίνουμε νερό, κολυμπάμε σε αυτό, πλένουμε με αυτό και δροσίζουμε τα πράγματα με αυτό. Επειδή το νερό είναι τόσο κοινό, πολλοί από εμάς δεν καταλαβαίνουμε πόσο περίεργο είναι σε σύγκριση με άλλες ουσίες. Όταν ρίχνουμε ένα ή δύο παγάκια στο ποτό μας κατά τους ζεστούς μήνες, το βλέπουμε να επιπλέει πάνω από το υγρό στο ποτήρι μας χωρίς δεύτερη σκέψη. Αλλά γιατί το κάνει αυτό ο πάγος και, το πιο σημαντικό, γιατί το νερό παγώνει από πάνω προς τα κάτω, όταν οι περισσότερες άλλες ουσίες παγώνουν από κάτω προς τα πάνω;

Το νερό παγώνει από πάνω προς τα κάτω—πράγμα που επιτρέπει στον πάγο να επιπλέει—λόγω μιας περίεργης ιδιορρυθμίας στο πώς συμπεριφέρεται η πυκνότητα του νερού σε πτώση της θερμοκρασίας. Η πυκνότητα είναι η μάζα μιας μονάδας όγκου μιας υλικής ουσίας. είναι ουσιαστικά ένα μέτρο του πόσο σφιχτά είναι τα άτομα και τα μόρια μιας ουσίας. Για τις περισσότερες ενώσεις, η πτώση της θερμοκρασίας προκαλεί μείωση του όγκου της ένωσης ενώ αυξάνεται η πυκνότητά της - με τα άτομα και τα μόρια να συσσωρεύονται πιο σφιχτά μεταξύ τους. Για παράδειγμα, ένας θύλακας ζεστού αέρα ανεβαίνει και διαστέλλεται επειδή είναι λιγότερο πυκνός από τον ψυχρότερο αέρα γύρω του. Αντίθετα, ένας θύλακας κρύου αέρα κατεβαίνει και συστέλλεται, γίνεται ελαφρώς πιο παχύς και πυκνότερος καθώς πέφτει. Το νερό συμπεριφέρεται παρόμοια, αλλά μόνο σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία. Η πυκνότητα του νερού ψύξης θα αυξηθεί έως ότου η θερμοκρασία του νερού φτάσει τους 4 °C (39,2 °F). Εάν το νερό συνεχίσει να κρυώνει, η πυκνότητά του θα αρχίσει να αυξάνεται ξανά και το νερό (τώρα στη στερεά του κατάσταση) θα διαστέλλεται. Αυτή η ιδιότητα του νερού είναι που επιτρέπει στον πάγο να σφηνώσει ανοιχτές ρωγμές σε πεζοδρόμια και βράχους και προκαλεί έκρηξη δοχείων και μπουκαλιών αναψυκτικών στην κατάψυξη.

Στους 4 °C το νερό είναι ακόμα σε υγρή μορφή. Σε λίμνες και ποτάμια, αυτό το νερό θα κρυώσει στην επιφάνεια, θα γίνει πιο πυκνό και θα κατέβει. Καθώς το νερό πλησιάζει το σημείο πήξης του (0 °C [32 °F]), θα γίνει λιγότερο πυκνό από το νερό γύρω του και θα ανέβει στην κορυφή της στήλης του νερού. Αν πάγωνε το νερό από τον πυθμένα μιας λίμνης ή ποταμού στην κορυφή, θα υπήρχαν βαθιές οικολογικές συνέπειες. Οι ρηχές λίμνες θα παγώσουν στερεά. Αν τα φυτά, τα ζώα και οι άλλοι οργανισμοί που ζούσαν εκεί είχαν κάποιο είδος προσαρμογής που θα εμπόδιζε τους ιστούς τους να παγώσουν, θα πέθαιναν. Σε μεγαλύτερες λίμνες, ένα πάτωμα από πάγο και λάσπη θα δρόσιζε το νερό από πάνω, πιθανώς επιβραδύνοντας τον μεταβολισμό και τον ρυθμό ανάπτυξης των οργανισμών που επιβίωσαν στο υγρό ανώτερο τμήμα της λίμνης. Υπό αυτές τις συνθήκες, η Γη θα φαινόταν πολύ διαφορετική. Οι πολικές περιοχές του πλανήτη θα στερούνταν σχεδόν από ζωή και κάθε χρόνο τα φυτά, τα ζώα και άλλοι οργανισμοί μεσαίου γεωγραφικού πλάτους θα αντιμετώπιζαν την προοπτική του απρόσιτου υγρού νερού σε παγωμένα στερεά ενδιαιτήματα.