บทความเกี่ยวกับพฤติกรรมที่ผิดปกติของน้ำที่อุณหภูมิต่ำกว่า 4 องศาเซลเซียส
วัตถุทุกชนิดจะขยายตัว (ปริมาตรเพิ่มขึ้น) เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น และจะหดตัว (ปริมาตรลดลง) เมื่ออุณหภูมิลดลง น้ำก็เช่นกัน จะขยายตัวเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นและหดตัวเมื่ออุณหภูมิลดลง แต่ไม่ใช่ในช่วงอุณหภูมิ 0-4 องศาเซลเซียสระหว่าง 0 ถึง 4 องศาเซลเซียส ปริมาตรของน้ำจะลดลง (น้ำหดตัว) เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ถ้าเราให้ความร้อนแก่น้ำที่ 0 องศาเซลเซียส น้ำจะร้อนขึ้น ปริมาตรของน้ำจะลดลง กระบวนการหดตัวจะหยุดลงเมื่อน้ำมีอุณหภูมิถึง 4 องศาเซลเซียส เหนือ 4 องศาเซลเซียส ปริมาตรของน้ำจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ในทางกลับกัน น้ำจะขยายตัว (ปริมาตรเพิ่มขึ้น) เมื่ออุณหภูมิลดลงจาก 4 องศาเซลเซียสถึง 0 องศาเซลเซียส
ตัวอย่างเช่น เราใส่น้ำที่อุณหภูมิ 30 องศาเซลเซียสในช่องแช่แข็ง เมื่ออยู่ในช่องแช่แข็ง อุณหภูมิของน้ำจะลดลง เมื่ออุณหภูมิของน้ำลดลง ปริมาตรของน้ำก็จะลดลงด้วย (น้ำหดตัว) เมื่ออุณหภูมิลดลงเหลือ 4 องศาเซลเซียส น้ำจะเริ่มขยายตัว (ปริมาตรของน้ำเพิ่มขึ้น) การขยายตัวของน้ำจะหยุดลงเมื่ออุณหภูมิถึง 0 องศาเซลเซียส ซึ่งแตกต่างจากวัตถุอื่นๆ ที่ยังคงหดตัว (ปริมาตรของวัตถุลดลง) เมื่ออุณหภูมิของวัตถุลดลงถึง 0 องศาเซลเซียส เมื่อวัตถุหดตัว (ปริมาตรของวัตถุลดลง) ความหนาแน่นจะเพิ่มขึ้น ในทางกลับกัน เมื่อวัตถุขยายตัว (ปริมาตรของวัตถุเพิ่มขึ้น) ความหนาแน่นจะลดลง สูตรความหนาแน่น = มวล / ปริมาตร มวลของวัตถุจะคงที่เสมอ ในขณะที่ปริมาตรสามารถเปลี่ยนแปลงได้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ น้ำจะหดตัว (ปริมาตรของน้ำลดลง) เฉพาะที่อุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียสเท่านั้น ดังนั้น น้ำจึงมีความหนาแน่นสูงสุดที่ 4 องศาเซลเซียส
ประโยชน์ของปรากฏการณ์น้ำแปรปรวนนั้นเห็นได้ชัดในพื้นที่ที่มีฤดูหนาว เมื่อฤดูหนาวมาถึง อุณหภูมิอากาศจะลดลง ผิวน้ำจะสัมผัสกับน้ำ ทำให้อุณหภูมิของน้ำบนผิวน้ำในแม่น้ำหรือทะเลสาบลดลงด้วย เนื่องจากอุณหภูมิของน้ำลดลง ปริมาณน้ำจึงลดลงเช่นกัน และเนื่องจากปริมาณน้ำลดลง ความหนาแน่นของน้ำจึงเพิ่มขึ้น น้ำบนผิวน้ำมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำด้านล่าง เนื่องจากมีความหนาแน่นมากกว่า น้ำบนผิวน้ำจึงจมลง ส่วนน้ำด้านล่างมีความหนาแน่นมากกว่า จึงลอยขึ้น กระบวนการนี้เกิดขึ้นจนกระทั่งอุณหภูมิของน้ำลดลงเหลือ 4 องศาเซลเซียส ดังนั้น น้ำจึงมีความหนาแน่นสูงสุดที่ 4 องศาเซลเซียส
เมื่ออุณหภูมิของน้ำบนผิวน้ำในแม่น้ำหรือทะเลสาบลดลงต่ำกว่า 4 องศาเซลเซียส น้ำบนผิวน้ำจะขยายตัว (ปริมาตรน้ำเพิ่มขึ้น) เนื่องจากเมื่อปริมาตรน้ำเพิ่มขึ้น ความหนาแน่นของน้ำจะลดลง ความหนาแน่นของน้ำบนผิวน้ำน้อยกว่าความหนาแน่นของน้ำที่ก้นทะเลสาบ ดังนั้นน้ำบนผิวน้ำจึงไม่สามารถตกลงมาได้ น้ำบนผิวน้ำจึงคงอยู่และแข็งตัวก่อนเมื่ออุณหภูมิของน้ำลดลงถึง 0 องศาเซลเซียส เนื่องจากน้ำบนผิวน้ำสัมผัสกับน้ำบนผิวน้ำ น้ำที่อยู่ใต้ผิวน้ำจึงเริ่มแข็งตัวเช่นกันเมื่ออุณหภูมิของน้ำลดลงถึง 0 องศาเซลเซียส เป็นเช่นนี้เรื่อยไป ดังนั้นกระบวนการแข็งตัวจึงเริ่มต้นจากน้ำบนผิวน้ำ น้ำที่ก้นทะเลสาบหรือแม่น้ำมักจะไม่แข็งตัวเพราะอุณหภูมิอากาศไม่ถึงจุดเยือกแข็ง เนื่องจากน้ำที่ก้นทะเลสาบหรือแม่น้ำไม่แข็งตัว ปลาและสิ่งมีชีวิตที่อยู่ก้นทะเลสาบหรือแม่น้ำจึงยังคงมีชีวิตอยู่ได้ในช่วงฤดูหนาว
น้ำแสดงพฤติกรรมที่ผิดปกติหลายอย่างเนื่องจากโครงสร้างโมเลกุลที่เป็นเอกลักษณ์และลักษณะของพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุล หนึ่งในความผิดปกติที่สำคัญที่สุดคือพฤติกรรมของความหนาแน่นของน้ำเมื่อเย็นลง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่ออุณหภูมิเข้าใกล้จุดเยือกแข็ง ต่อไปนี้คือรายละเอียดของปรากฏการณ์นี้:
- ความหนาแน่นและอุณหภูมิโดยทั่วไปแล้ว สสารส่วนใหญ่จะมีความหนาแน่นเพิ่มขึ้นเมื่อเย็นลง และมีความหนาแน่นลดลงเมื่อร้อนขึ้น เนื่องจากอนุภาคจะเคลื่อนตัวเข้าใกล้กันมากขึ้นเมื่อเย็นลง และเคลื่อนตัวห่างกันมากขึ้นเมื่อร้อนขึ้น
- ความผิดปกติของน้ำอย่างไรก็ตาม น้ำมีพฤติกรรมที่แตกต่างออกไปเมื่ออยู่ใกล้จุดเยือกแข็ง ในขณะที่ความหนาแน่นของน้ำจะเพิ่มขึ้นเมื่อเย็นลงจากอุณหภูมิห้อง แนวโน้มนี้จะกลับกันเมื่ออุณหภูมิประมาณ 4 องศาเซลเซียส ต่ำกว่า 4 องศาเซลเซียส น้ำจะมีความหนาแน่นลดลงเมื่อเย็นลงเรื่อยๆ จนกระทั่งถึง 0 องศาเซลเซียสและกลายเป็นน้ำแข็ง
- การก่อตัวของน้ำแข็งน้ำแข็งมีโครงสร้างผลึกแบบหกเหลี่ยมเนื่องจากการเรียงตัวของพันธะไฮโดรเจน โครงสร้างนี้ทำให้น้ำแข็งมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำที่เป็นของเหลว นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมน้ำแข็งจึงลอยอยู่บนน้ำ
- ความสำคัญทางนิเวศวิทยาพฤติกรรมที่ผิดปกตินี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อสิ่งมีชีวิตในน้ำ เมื่อน้ำผิวดินเย็นลงในฤดูหนาว น้ำจะมีความหนาแน่นมากขึ้นและจมลงจนกระทั่งอุณหภูมิถึง 4 องศาเซลเซียส ต่ำกว่าอุณหภูมินี้ เมื่อน้ำเย็นลงเรื่อยๆ มันจะคงอยู่ที่ผิวน้ำและในที่สุดก็จะแข็งตัว ส่งผลให้เกิดน้ำแข็งขึ้นบนผิวน้ำในขณะที่น้ำด้านล่างยังคงเป็นของเหลว ทำให้สิ่งมีชีวิตในน้ำสามารถอยู่รอดได้ หากน้ำแข็งมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำที่เป็นของเหลว (เช่นเดียวกับของแข็งส่วนใหญ่ที่มีความหนาแน่นมากกว่าของเหลว) มันจะจมลงสู่ก้นน้ำ ส่งผลให้น้ำทั้งหมดแข็งตัว ซึ่งจะเป็นหายนะต่อระบบนิเวศทางน้ำ
- สาเหตุของความผิดปกติสาเหตุของพฤติกรรมที่ผิดปกตินี้อยู่ที่พันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลของน้ำ เมื่อน้ำเย็นลงจนถึงประมาณ 4 องศาเซลเซียส พันธะไฮโดรเจนจะปรับตัวเพื่อยึดโมเลกุลของน้ำไว้ในโครงสร้างที่ยืดออกมากขึ้น ทำให้มีความหนาแน่นมากขึ้น แต่ต่ำกว่า 4 องศาเซลเซียส แนวโน้มที่น้ำจะปรับตัวให้มีโครงสร้างหกเหลี่ยมเหมือนในน้ำแข็งจะเด่นชัดขึ้น โครงสร้างนี้โปร่งกว่าและมีความหนาแน่นน้อยกว่า ส่งผลให้ความหนาแน่นลดลงเมื่อน้ำเย็นลงต่ำกว่า 4 องศาเซลเซียส
การทำความเข้าใจพฤติกรรมของน้ำนี้ไม่เพียงแต่มีความน่าสนใจในเชิงวิชาการเท่านั้น แต่ยังมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจกระบวนการทางนิเวศวิทยาและสิ่งแวดล้อมอีกหลายประการ
