فهم الشذوذات المائية
يتمدد كل جسم (يزداد حجمه) عند ارتفاع درجة حرارته، وينكمش (ينقص حجمه) عند انخفاضها. يتمدد الماء أيضًا عند ارتفاع درجة حرارته وينكمش عند انخفاضها، باستثناء نطاق درجات الحرارة بين 0 و4 درجات مئوية . فبين هاتين الدرجتين ، ينكمش حجم الماء مع ارتفاع درجة حرارته. وإذا سخّنّا الماء عند درجة حرارة 0 مئوية، فكلما زادت سخونته ، زاد انكماش حجمه. ويتوقف الانكماش عند وصول الماء إلى درجة حرارة 4 درجات مئوية. أما عند درجات حرارة أعلى من 4 درجات مئوية، فيزداد حجم الماء (يتمدد) مع ارتفاع درجة حرارته. وعلى العكس، يتمدد الماء (يزداد حجمه) عند انخفاض درجة حرارته من 4 إلى 0 مئوية . تُعرف هذه الخاصية الفريدة للماء باسم "شذوذ الماء".
على سبيل المثال، نضع ماءً بدرجة حرارة 30 درجة مئوية في المُجمّد . عندما يكون الماء في المُجمّد ، تنخفض درجة حرارته. ومع انخفاض درجة حرارته، يقلّ حجمه أيضًا (ينكمش). وعندما تصل درجة حرارته إلى 4 درجات مئوية، يبدأ الماء بالتمدد (يزداد حجمه). ويتوقف تمدد الماء عندما تصل درجة حرارته إلى الصفر المئوي. وهذا يختلف عن الأجسام الأخرى التي تستمر في الانكماش (يقل حجمها) عندما تنخفض درجة حرارتها إلى الصفر المئوي.
عندما يتقلص حجم جسم ما (
(ينخفض حجم الجسم). ماسا جينيس أو تزداد كثافة الجسم. وعلى العكس، عندما يتمدد الجسم (يزداد حجمه)، تقل كثافته أو كتلته. صيغة الكثافة = الكتلة / الحجم. تبقى كتلة الجسم ثابتة دائمًا. في حين أن حجمه قد يتغير تبعًا لدرجة الحرارة. ينكمش الماء (ينخفض حجمه) فقط حتى درجة حرارة 4 oجـ، لذلك يكون للماء أعلى كثافة عند درجة حرارة 4 oC.
انظر إلى الرسم البياني أدناه. يوضح هذا الرسم البياني العلاقة بين حجم الماء ودرجة الحرارة.
فوائد الشذوذات المائية
تظهر فوائد الظواهر المائية الشاذة بشكلٍ أوضح في المناطق الشتوية. فمع حلول الشتاء، تنخفض درجة حرارة الهواء، فيتلامس سطح الماء مع الهواء، مما يؤدي إلى انخفاض درجة حرارة الماء على سطح الأنهار والبحيرات. ومع انخفاض درجة حرارة الماء، يقل حجمه، وبالتالي تزداد كثافته. يتميز الماء على السطح بكثافة أعلى من الماء في الأعماق، ولذلك يغوص. أما الماء في الأعماق، فيطفو لارتفاع كثافته. وتستمر هذه العملية حتى تصل درجة حرارة الماء إلى 4 درجات مئوية. تجدر الإشارة إلى أن الماء ينكمش (يقل حجمه) حتى 4 درجات مئوية فقط، ولذلك تصل كثافة الماء إلى أعلى مستوياتها عند هذه الدرجة.
عندما تنخفض درجة حرارة سطح الماء في نهر أو بحيرة إلى أقل من 4 درجات مئوية، يتمدد الماء على السطح (يزداد حجمه). وبسبب ازدياد حجم الماء، تقل كثافته. ولأن كثافة الماء على السطح أقل من كثافة الماء في الأسفل، فلا يستطيع الماء على السطح النزول. يبقى الماء على السطح ويتجمد أولاً عندما تنخفض درجة حرارته إلى الصفر المئوي. وبسبب ملامسته للماء على السطح، يبدأ الماء في الأسفل بالقرب من السطح بالتجمد أيضاً مع انخفاض درجة حرارته إلى الصفر المئوي. وهكذا دواليك. لذا، تبدأ عملية التجمد من الماء على السطح. أما الماء في قاع البحيرة أو النهر فلا يتجمد عادةً، لأن درجة حرارة الهواء ليست شديدة البرودة. ولأن الماء في القاع لا يحصل على نصيبه من مكعبات الثلج، تبقى الأسماك والكائنات الحية الأخرى في قاع البحيرة أو النهر على قيد الحياة خلال فصل الشتاء.
