Глубокая осень. Дни становятся всё короче и короче. Солнце выглянет на минуту из-за тяжёлых туч, скользнёт по земле своим косым лучом и снова скроется. Холодный ветер свободно гуляет по опустевшим полям и обнажённому лесу, выискивая где-нибудь ещё уцелевший цветок или прижавшийся к ветке лист, чтобы сорвать его, высоко поднять и потом бросить в ров, канаву или борозду. По утрам лужи уже покрываются хрустящими льдинками. Только глубокий пруд все ещё не хочет замёрзнуть, и ветер по-прежнему рябит его серую гладь. Но вот уже замелькали пушистые снежинки. Они подолгу крутятся в воздухе, как бы не решаясь упасть на холодную неприветливую землю. Идёт зима.
Тонкая корка льда, образовавшегося сначала у берегов пруда, ползёт на середину к более глубоким местам, и вскоре вся поверхность покрывается чистым прозрачным стеклом льда. Ударили морозы, и лёд стал толстым, чуть не в метр. Однако до дна ещё далеко. Подо льдом даже в сильные морозы сохраняется вода. Почему же глубокий пруд не промерзает до дна? Обитатели водоёмов должны быть благодарны за это одной из особенностей воды. В чём же заключается эта особенность?
Известно, что кузнец сначала нагревает железную шину, а затем надевает её на деревянный обод колеса. Охладившись, шина сделается короче и плотно обожмёт обод. Рельсы никогда не укладываются плотно друг к другу, иначе, нагревшись на солнце, они обязательно изогнутся. Если налить полную бутылку масла и поставить её в тёплую воду, то масло станет переливаться через край.
Из этих примеров ясно, что при нагревании тела расширяются; при охлаждении они сжимаются. Это справедливо почти для всех тел, но для воды этого нельзя утверждать безоговорочно. В отличие от других тел вода при нагревании ведёт себя по-особому. Если при нагревании тело расширяется, значит, оно становится менее плотным, — ведь вещества в этом теле остаётся столько же, а объём его увеличивается. При нагревании жидкостей в прозрачных сосудах можно наблюдать, как более тёплые и потому менее плотные слои поднимаются со дна вверх, а холодные опускаются вниз. На этом основано, между прочим, устройство водяного отопления с естественной циркуляцией воды. Остывая в радиаторах, вода становится плотнее, опускается вниз и поступает в котёл, вытесняя вверх уже нагретую там и потому менее плотную воду.
Подобное движение происходит и в пруду. Отдавая своё тепло холодному воздуху, вода охлаждается с поверхности пруда и, как более плотная, стремится опуститься на дно, вытесняя собой нижние тёплые, менее плотные слои. Однако такое движение будет совершаться только до тех пор, пока вся вода не остынет до плюс 4 градусов. Собравшаяся на дне при температуре 4 градуса вода уже не будет подниматься вверх, хотя бы поверхностные её слои и имели температуру более низкую. Почему?
Вода при 4 градусах имеет самую большую плотность. При всех других температурах — выше или ниже 4 градусов — вода оказывается менее плотной, чем при этой температуре.
В этом и заключается одно из отступлений воды от закономерностей, общих для других жидкостей, одна из её аномалий (аномалия — это отклонение от нормы). Плотность всех других жидкостей, как правило, начиная от температуры плавления, при нагревании уменьшается.
Что же произойдёт дальше при остывании пруда? Верхние слои воды становятся всё менее и менее плотными. Поэтому они остаются на поверхности и при нуле градусов превращаются в лёд. По мере дальнейшего остывания корка льда растёт, а под ним по-прежнему находится жидкая вода с температурой, лежащей между нулём и 4 градусами.
Здесь, вероятно, у многих возникает вопрос: почему же нижняя кромка льда не тает, если она находится в соприкосновении с водой? Потому, что тот слой воды, который непосредственно соприкасается с нижней кромкой льда, имеет температуру нуль градусов. При этой температуре одновременно существуют и лёд и вода. Для того чтобы лёд превратился в воду, необходимо, как увидим дальше, значительное количество тепла. А этого тепла нет. Лёгкий слой воды с температурой в нуль градусов отделяет ото льда более глубокие слои тёплой воды.
Но представьте теперь себе, что вода ведёт себя так, как большинство других жидкостей. Достаточно было бы незначительного мороза, как все реки, озёра, а может быть и северные моря, в течение зимы промёрзли бы до дна. Многие из живых существ подводного царства были бы обречены на гибель.
Правда, если зима очень продолжительна и сурова, то многие не слишком глубокие водоёмы могут промёрзнуть до дна. Но в наших широтах это наблюдается крайне редко. Промерзанию воды до дна препятствует и сам лёд: он плохо проводит тепло и защищает собой нижние слои воды от охлаждения.