نشرب الماء ، ونسبح فيه ، ونغتسل به ، ونبرد به الأشياء. نظرًا لأن الماء شائع جدًا ، يفشل الكثير منا في ملاحظة مدى غرابة الماء مقارنة بالمواد الأخرى. عندما نضع مكعب ثلج أو اثنين في مشروبنا خلال الأشهر الأكثر دفئًا ، نشاهده يطفو فوق السائل في كأسنا دون تفكير ثانٍ. لكن لماذا يفعل الجليد هذا ، والأهم من ذلك ، لماذا يتجمد الماء من الأعلى إلى الأسفل ، عندما تتجمد معظم المواد الأخرى من الأسفل إلى الأعلى؟
يتجمد الماء من أعلى إلى أسفل – مما يسمح للجليد بالطفو – بسبب غرابة غريبة في كيفية تصرف كثافة الماء عند درجات الحرارة المنخفضة. الكثافة هي كتلة وحدة حجم مادة مادية ؛ إنه في الأساس مقياس لمدى تماسك ذرات وجزيئات المادة. بالنسبة لمعظم المركبات ، يؤدي انخفاض درجات الحرارة إلى انخفاض حجم المركب بينما تزداد كثافته – حيث تصبح الذرات والجزيئات أكثر تماسكًا معًا. على سبيل المثال ، يرتفع جيب من الهواء الدافئ ويتمدد لأنه أقل كثافة من الهواء البارد المحيط به. على العكس من ذلك ، ينزل جيب من الهواء البارد ويتقلص ، ويصبح أكثر سمكًا وكثافة قليلاً عند سقوطه. يتصرف الماء بالمثل ولكن بدرجة حرارة معينة فقط. ستزداد كثافة مياه التبريد حتى تصل درجة حرارة الماء إلى 4 درجات مئوية (39.2 درجة فهرنهايت). إذا استمر الماء في البرودة ، فستبدأ كثافته في الزيادة مرة أخرى ، وسيتوسع الماء (الآن في حالته الصلبة). إنها خاصية الماء التي تسمح للجليد بفتح الشقوق في الأرصفة والصخور وتسبب انفجار علب وزجاجات المشروبات الغازية في الفريزر.
عند 4 درجات مئوية ، لا يزال الماء في شكله السائل. في البحيرات والأنهار ، ستبرد هذه المياه على السطح وتزداد كثافة وتنزل. عندما يقترب الماء من نقطة التجمد (0 درجة مئوية [32 درجة فهرنهايت]) ، سيصبح أقل كثافة من الماء المحيط به ، وسوف يرتفع إلى قمة عمود الماء. إذا تجمدت المياه بدلاً من ذلك من قاع البحيرة أو النهر إلى القمة ، فستكون هناك عواقب بيئية عميقة. سوف تتجمد البحيرات الضحلة ؛ ما لم يكن للنباتات والحيوانات والكائنات الحية الأخرى التي تعيش هناك نوع من التكيف الذي من شأنه أن يمنع أنسجتها من التجمد ، فإنها ستموت. في البحيرات الأكبر حجمًا ، تعمل أرضية من الجليد والطين لتبريد الماء أعلاه ، مما قد يؤدي إلى إبطاء عملية التمثيل الغذائي ومعدل نمو الكائنات الحية التي نجت في الروافد السائلة العليا للبحيرة. في ظل هذه الظروف ، ستبدو الأرض مختلفة تمامًا ؛ ستكون المناطق القطبية للكوكب خالية تقريبًا من الحياة ، وفي كل عام ستواجه النباتات والحيوانات والكائنات الأخرى في خط العرض المتوسط احتمال وجود مياه سائلة لا يمكن الحصول عليها في الموائل الصلبة المتجمدة.