Led pluta jer je manje gust od tekuće vode. Pri smrzavanju molekule vode raspoređuju se u kristalnu strukturu koja zauzima više prostora, pa ista masa ima veći volumen. Zbog tog svojstva jezera se u pravilu zaleđuju od površine, dok ispod ledenog pokrova može ostati tekuća voda.
Objašnjenje da je led "lakši" točno je samo uspoređujemo li jednake volumene. Kilogram leda nema manju masu od kilograma vode, ali zauzima više prostora. Razlika nije posljedica nestanka dijela vode, nego drukčijeg rasporeda njezinih molekula.
Što se mijenja kada voda postane led?
Molekula vode sastoji se od atoma kisika i dvaju atoma vodika. Električni naboj u njoj nije ravnomjerno raspoređen, pa se susjedne molekule međusobno privlače. Među njima nastaju vodikove veze, koje treba razlikovati od veza što unutar pojedine molekule povezuju kisik i vodik.
U tekućoj vodi molekule se gibaju, a mreža vodikovih veza neprestano se mijenja. U običnom ledu nastaje uređenija, otvorena struktura. Molekule u njoj nisu zbijene toliko gusto kao u tekućini neposredno prije smrzavanja.
Yaleov pregled svojstava molekule vode povezuje tu strukturu s manjom gustoćom leda. Mnoge su tvari gušće u čvrstom nego u tekućem stanju, no voda pri uobičajenim uvjetima pokazuje suprotno ponašanje.
To ne znači da između molekula u ledu nastaju mjehurići zraka. Zrak može biti zarobljen u pojedinom komadu leda i dodatno utjecati na njegovu gustoću, ali običan led pluta i bez takvih mjehurića. Osnovni je uzrok sama kristalna struktura.
Zašto dio leda ostaje pod vodom?
Tijelo uronjeno u vodu potiskuje dio tekućine, a ona na njega djeluje silom uzgona. Komad leda tone samo do dubine na kojoj je uzgon dovoljan da uravnoteži njegovu težinu. Budući da mu je prosječna gustoća manja od gustoće vode, ravnotežu postiže prije nego što se cijeli uroni.
Prema Američkoj geološkoj službi (USGS), gustoća običnog leda približno je devet desetina gustoće vode. Zato je najveći dio plutajućeg komada ispod površine. Koliki će dio viriti ovisi i o gustoći okolne vode, primjerice o njezinoj slanosti.
Pritom je važan volumen, a ne visina. Ako je komad nepravilnog oblika, iz vode može stršiti visok, ali uzak vrh. Pogled na njegov vidljivi dio ne otkriva pouzdano oblik dijela koji je uronjen.
Razlika se može pokazati usporedbom jednakih volumena. Dvije posude istog volumena, jedna ispunjena vodom, druga kompaktnim ledom bez velikih šupljina, neće sadržavati jednaku masu. U posudi s ledom bit će manja masa, premda su obje pune.
Voda je najgušća prije nego što se smrzne
Za zaleđivanje jezera važno je još jedno svojstvo: slatka voda najveću gustoću postiže pri približno 4 °C. Dok se površina hladi prema toj temperaturi, voda postaje gušća i može tonuti, potičući miješanje s dubljim slojevima.
Pri daljnjem hlađenju ispod približno 4 °C gustoća se smanjuje. Hladnija voda tada lakše ostaje iznad gušće vode, pa se površinski sloj može približiti ledištu i zalediti. U dubljem dijelu jezera pritom ne mora biti jednako hladno.
Objašnjenje fizičara Christophera Bairda sa Sveučilišta West Texas A&M opisuje kako ta promjena gustoće omogućuje nastanak leda na vrhu jezera. Temperaturni raspored u jezeru ovisi i o vjetru, dubini, strujanju te trajanju hlađenja.
Pravilo o najvećoj gustoći pri 4 °C odnosi se na slatku vodu pri uobičajenim uvjetima. More sadrži otopljene soli koje mijenjaju gustoću i snižavaju ledište. Zaleđivanje mora zato se ne može potpuno opisati istim primjerom kao zaleđivanje slatkovodnog jezera.
Što bi bilo da led tone?
Kad bi tek nastali led bio gušći od vode, ne bi ostajao na površini kao pokrov. Tonuo bi, a nova voda na površini ponovno bi bila izložena hladnom zraku. Time bi se promijenilo napredovanje zaleđivanja i raspodjela topline u jezeru.
Plutajući ledeni sloj smanjuje izravan dodir vode sa zrakom i usporava daljnji gubitak topline. To pogoduje opstanku organizama u vodi ispod njega. Led ipak nije jamstvo da jezero ne može potpuno zalediti: plitko vodeno tijelo tijekom dovoljno duge i hladne zime može se smrznuti do dna.
Tvrdnja da bi tonjenje leda automatski ugasilo sav život na Zemlji ide mnogo dalje od tog fizikalnog objašnjenja. Za takav zamišljeni svijet trebalo bi uzeti u obzir dubinu mora i jezera, klimu, izmjenu topline i mnoga druga svojstva vode. Ono što se može izravno objasniti jest zašto površinski pokrov danas usporava hlađenje vode ispod sebe.
Jesu li svi oblici leda jednako gusti?
Opisani raspored molekula vrijedi za običan led kakav nastaje u zamrzivaču ili na jezeru. Voda pri drugim tlakovima može tvoriti drukčije kristalne strukture. Zaključak iz čaše vode ne treba bez provjere prenositi na duboku unutrašnjost planeta.
Ni plutanje nije svojstvo svih čvrstih tvari. Kozmos je opisao pokus s taljenjem dijamanta pri iznimno visokom tlaku, u kojem je razlika gustoće čvrstog i tekućeg ugljika važna za tumačenje rezultata. U svakom takvom slučaju treba usporediti gustoće obiju faza pri istom tlaku i temperaturi. Kod vode koju svakodnevno susrećemo posljedica je mnogo neposrednija: smrzavanje povećava volumen, pa u zatvorenoj posudi ili cijevi može stvoriti tlak i izazvati oštećenje.
