چرا آب از بالا یخ می‌زند؟
ما آب می‌نوشیم، در آن شنا می‌کنیم، با آن شستشو می‌دهیم و چیزها را با آن خنک می‌کنیم. از آنجایی که آب بسیار رایج است، بسیاری از ما متوجه نمی‌شویم که چقدر با سایر مواد متفاوت است. وقتی در ماه‌های گرم‌تر یک یا دو تکه یخ به نوشیدنی خود اضافه می‌کنیم، بدون اینکه فکر کنیم تکه یخ روی مایع شناور می‌شود. اما چرا یخ این کار را می‌کند و مهم‌تر از آن، چرا آب از بالا به پایین یخ می‌زند، در حالی که اکثر مواد دیگر از پایین به بالا یخ می‌زنند؟
آب به دلیل یک ویژگی عجیب در رفتار چگالی آن در دماهای پایین، از بالا به پایین یخ می‌زند و باعث شناور شدن یخ می‌شود. چگالی جرم یک واحد حجم از یک ماده است؛ در اصل معیاری از چگالی اتم‌ها و مولکول‌های یک ماده است. برای اکثر ترکیبات، کاهش دما باعث کاهش حجم ترکیب و افزایش چگالی آن می‌شود – با این که اتم‌ها و مولکول‌ها بیشتر به هم فشرده می‌شوند. به عنوان مثال، یک جیب هوای گرم بالا می‌رود و منبسط می‌شود زیرا چگالی آن کمتر از هوای سرد اطراف است.
برعکس، یک جیب هوای سرد پایین می‌آید و منقبض می‌شود و با افتادن کمی ضخیم‌تر و متراکم‌تر می‌شود. آب نیز به همین صورت رفتار می‌کند اما فقط تا دمای معینی. چگالی آب خنک کننده تا زمانی که دمای آب به ۴ درجه سانتیگراد (۳۹.۲ درجه فارنهایت) برسد افزایش می‌یابد. اگر آب همچنان سرد شود، چگالی آن دوباره شروع به افزایش می‌کند و آب (اکنون در حالت جامد) منبسط می‌شود. این خاصیت آب است که به یخ اجازه می‌دهد تا ترک‌های پیاده‌روها و سنگ‌ها را باز کند و باعث انفجار قوطی‌ها و بطری‌های نوشابه در فریزر شود.
در دمای ۴ درجه سانتیگراد آب هنوز به صورت مایع است. در دریاچه‌ها و رودخانه‌ها، این آب در سطح خنک می‌شود، متراکم‌تر می‌شود و پایین می‌آید. هنگامی که آب به نقطه انجماد خود (۰ درجه سانتیگراد [۳۲ درجه فارنهایت]) نزدیک می‌شود، چگالی آن کمتر از آب اطراف می‌شود و به بالای ستون آب می‌آید.
اگر آب به جای آن از پایین یک دریاچه یا رودخانه تا بالا یخ بزند، عواقب اکولوژیکی عمیقی خواهد داشت. دریاچه‌های کم عمق کاملاً یخ می‌زنند. مگر اینکه گیاهان، حیوانات و سایر موجودات زنده در آنجا نوعی سازگاری داشته باشند که از یخ زدن بافت‌هایشان جلوگیری کند، می‌میرند. در دریاچه‌های بزرگتر، کف یخ و شل آب بالای آن را خنک می‌کند و ممکن است متابولیسم و نرخ رشد موجوداتی را که در بخش‌های فوقانی مایع دریاچه زنده مانده‌اند کند کند. در این شرایط، زمین بسیار متفاوت به نظر می‌رسد. مناطق قطبی سیاره تقریباً خالی از حیات خواهد بود و هر سال گیاهان، حیوانات و سایر موجودات زنده عرض‌های جغرافیایی متوسط با احتمال دسترسی به آب مایع در زیستگاه‌های جامد یخ زده مواجه خواهند شد.
