Як замерзає ставок

Глибока осінь. Дні стають все коротшими і коротшими. Сонце вигляне на хвилину через важкі хмар, скользнет по землі своїм косим променем і знову сховається. Холодний вітер вільно гуляє по спорожнілих полях і оголеного лісі, вишукуючи де-небудь ще вцілілий квітка або притиснувшийся до гілки лист, щоб зірвати його, високо підняти і потім кинути в рів, канаву або борозну. Вранці калюжі вже покриваються хрусткими крижинками. Тільки глибокий ставок все ще не хоче замерзнути, і вітер, як і раніше рябить його сіру гладь. Але ось уже замиготіли пухнасті сніжинки. Вони довго крутяться в повітрі, як би не наважуючись впасти на холодну непривітну землю. Йде зима.

Тонка кірка льоду, що утворився спочатку біля берегів ставка, повзе на середину до більш глибоких місцях, і незабаром вся поверхня покривається чистим прозорим склом льоду. Вдарили морози, і лід став товстим, мало не в метр. Однак до дна ще далеко. Під льодом навіть у сильні морози зберігається вода. Чому ж глибокий ставок не промерзає до дна? Мешканці водойм повинні бути вдячні за це однією з особливостей води. У чому ж полягає ця особливість?

Відомо, що коваль спочатку нагріває залізну шину, а потім одягає її на дерев'яний обід колеса. Охолодившись, шина зробиться коротше і щільно обожмёт обід. Рейки ніколи не вкладаються щільно один до одного, інакше, нагрівшись на сонці, вони обов'язково вигнута. Якщо налити повну пляшку олії і поставити її в теплу воду, то масло стане переливатися через край.

З цих прикладів ясно, що при нагріванні тіла розширюються; при охолодженні вони стискаються. Це справедливо майже для всіх тіл, але для води цього не можна стверджувати беззастережно. На відміну від інших тіл вода при нагріванні поводиться по-особливому. Якщо при нагріванні тіло розширюється, значить, воно стає менш щільним, - адже речовини в цьому тілі залишається стільки ж, а обсяг його збільшується. При нагріванні рідин в прозорих судинах можна спостерігати, як більш теплі і тому менш щільні шари піднімаються з дна вгору, а холодні опускаються вниз. На цьому засновано, між іншим, пристрій водяного опалення з природною циркуляцією води. Остигаючи в радіаторах, вода стає щільніше, опускається вниз і надходить в котел, витісняючи вгору вже нагріту там і тому менш щільну воду.

Подібний рух відбувається і в ставку. Віддаючи своє тепло холодному повітрю, вода охолоджується з поверхні ставка і, як більш щільна, прагне опуститися на дно, витісняючи собою нижні теплі, менш щільні шари. Однак такий рух буде відбуватися тільки до тих пір, поки вся вода не охолоне до плюс 4 градусів. Зібралася на дні при температурі 4 градуси вода вже не буде підніматися вгору, хоча б поверхневі її шари і мали температуру нижчу. Чому?

Вода при 4 градусах має найбільшу щільність. При всіх інших температурах - вище або нижче 4 градусів - вода виявляється менш щільною, ніж при цій температурі.

В цьому і полягає одна з відступів води від закономірностей, загальних для інших рідин, одна з її аномалій (аномалія - ​​це відхилення від норми). Щільність всіх інших рідин, як правило, починаючи від температури плавлення, при нагріванні зменшується.

Що ж буде далі при охолодженні ставка? Верхні шари води стають все менш і менш щільними. Тому вони залишаються на поверхні і при нулі градусів перетворюються в лід. У міру подальшого охолодження кірка льоду росте, а під ним, як і раніше знаходиться рідка вода з температурою, що лежить між нулем і 4 градусами.

Тут, ймовірно, у багатьох виникає питання: чому ж нижня кромка льоду не тане, якщо вона знаходиться в зіткненні з водою? Тому, що той шар води, який безпосередньо стикається з нижньою крайкою льоду, має температуру нуль градусів. При цій температурі одночасно існують і лід і вода. Для того щоб лід перетворився в воду, необхідно, як побачимо далі, значна кількість тепла. А цього тепла немає. Легкий шар води з температурою в нуль градусів відокремлює від льоду глибші шари теплої води.

Але уявіть тепер собі, що вода поводиться так, як більшість інших рідин. Досить було б незначного морозу, як все річки, озера, а може бути і північні моря, протягом зими промерзла б до дна. Багато з живих істот підводного царства були б приречені на загибель.

Правда, якщо зима дуже тривала і сувора, то багато хто не надто глибокі водойми можуть промёрзнуть до дна. Але в наших широтах це спостерігається вкрай рідко. Промерзання води до дна перешкоджає і сам лід: він погано проводить тепло і захищає собою нижні шари води від охолодження.