ถ้าน้ำแข็งจม ทะเลสาบจะแข็งจากก้นขึ้นมา: แผ่นน้ำแข็งที่ช่วยชีวิตสัตว์น้ำไว้

ลองจินตนาการว่าน้ำแข็งจมน้ำเหมือนก้อนหิน ทุกฤดูหนาวผิวทะเลสาบจะเกิดน้ำแข็งแล้วจมลงก้น จากนั้นน้ำชั้นใหม่จะเย็นตัว เกิดน้ำแข็ง แล้วจมลงไปอีก วนแบบนี้ไปเรื่อยๆ จนทะเลสาบทั้งแอ่งกลายเป็นน้ำแข็งจากก้นขึ้นมาถึงผิว ปลาและสัตว์น้ำจะไม่มีน้ำเหลวให้อยู่รอดเลย โชคดีที่ความจริงเป็นตรงกันข้าม น้ำแข็งลอยน้ำ และความผิดปกตินี้เองที่ช่วยชีวิตสัตว์น้ำไว้ทุกฤดูหนาว

น้ำที่เย็นลงไม่ได้หดตัวตลอดทาง

สารส่วนใหญ่ยิ่งเย็นยิ่งหดตัวและยิ่งหนาแน่น แต่น้ำแหกกฎนี้ น้ำเหลวมีความหนาแน่นสูงสุดที่ประมาณ 4 องศาเซลเซียส พอน้ำเย็นลงต่ำกว่า 4 องศา แทนที่จะหดตัวต่อ มันกลับเริ่มขยายตัว เพราะพันธะไฮโดรเจนเริ่มจัดโมเลกุลน้ำให้อยู่ในโครงผลึกหกเหลี่ยมแบบเปิดที่มีช่องว่างมาก พอน้ำกลายเป็นน้ำแข็งที่ 0 องศา ปริมาตรจึงเพิ่มขึ้นประมาณ 9% ความหนาแน่นลดเหลือประมาณ 0.917 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร เทียบกับน้ำเหลวที่ 1.000 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร น้ำแข็งจึงเบากว่าน้ำประมาณ 9% และลอยน้ำตามกฎการลอยตัว

ทะเลสาบแข็งจากผิวลงไป ไม่ใช่จากก้นขึ้นมา

ลำดับการเย็นตัวของทะเลสาบในฤดูหนาวอธิบายเรื่องนี้ได้ครบ น้ำผิวทะเลสาบเย็นลงจนถึง 4 องศาจะจมลงเพราะหนักที่สุด ดันน้ำอุ่นกว่าขึ้นมา วนไปจนน้ำทั้งแอ่งเย็นถึงประมาณ 4 องศาเท่ากัน หลังจากนั้นน้ำผิวที่เย็นลงต่ำกว่า 4 องศาจะเบาลงและค้างอยู่ด้านบน จนกลายเป็นน้ำแข็งที่ผิว แผ่นน้ำแข็งนี้ทำหน้าที่เหมือนหลังคาฉนวน ชะลอการสูญเสียความร้อนของน้ำข้างใต้ น้ำด้านล่างจึงยังคงเป็นน้ำเหลวที่ประมาณ 4 องศา ปลาและสัตว์น้ำจึงอยู่รอดใต้แผ่นน้ำแข็งได้ตลอดฤดูหนาว

ข้อแม้ที่ต้องรู้ไว้

แผ่นน้ำแข็งช่วยชีวิตสัตว์น้ำได้ก็จริง แต่ไม่ได้แปลว่าน้ำทุกแอ่งจะปลอดภัยเสมอไป แอ่งน้ำตื้นมากหรือฤดูหนาวที่ยาวนานและหนาวจัดเป็นพิเศษ น้ำอาจแข็งจนเกือบถึงก้นและทำให้สัตว์น้ำตายจากออกซิเจนต่ำได้ เรียกว่าภาวะ winterkill และอีกเรื่องที่คนมักเข้าใจผิดคือน้ำแข็งลอยอยู่เหนือน้ำแค่ประมาณ 10% อีก 90% จมอยู่ใต้น้ำ ภูเขาน้ำแข็งที่เห็นโผล่พ้นน้ำเพียงยอดเล็กๆ จึงมีมวลมหาศาลซ่อนอยู่ข้างใต้ สรุปสั้นๆ คือน้ำแข็งลอยน้ำไม่ใช่เรื่องบังเอิญ แต่เป็นผลของโครงผลึกที่ทำให้น้ำแข็งเบากว่าน้ำ และผลของมันคือทะเลสาบแข็งจากผิวลงไปแทนที่จะแข็งจากก้นขึ้นมา