Pijeme vodu, plaveme v ní, myjeme se s ní a chladíme s ní věci. Protože voda je tak běžná, mnozí z nás si nevšimnou, jak je divná ve srovnání s jinými látkami. Když v teplejších měsících napilujeme do pití kostku ledu nebo dvě, sledujeme, jak se bez nadsázky vznáší nad kapalinou v naší sklenici. Proč to ale dělá led, a co je důležitější, proč voda mrzne shora dolů, když většina ostatních látek zmrzne zdola nahoru?
Proč tomu tak je?
Voda zamrzá shora dolů – což umožňuje ledu plavat – kvůli podivné fintě o tom, jak se hustota vody chová při klesajících teplotách. Hustota je hmotnost jednotkového objemu hmotné látky; je to v podstatě míra toho, jak těsně jsou zabaleny atomy a molekuly látky. U většiny sloučenin způsobují klesající teploty objem sloučeniny, zatímco se zvyšuje její hustota – s tím, že atomy a molekuly jsou pevněji spojeny. Například kapsa teplého vzduchu stoupá a rozpíná se, protože je méně hustý než chladnější vzduch kolem něj. Naopak kapsa chladného vzduchu sestupuje a smršťuje se, jak klesá, je o něco silnější a hustší. Voda se chová podobně, ale pouze do určité teploty. Hustota chladicí vody se bude zvyšovat, dokud teplota vody nedosáhne 4 ° C (39,2 ° F). Pokud voda bude i nadále chladnout, její hustota se začne opět zvyšovat a voda (nyní v pevném stavu) se bude rozšiřovat. Právě tato vlastnost vody umožňuje ledu zaklínit otevřené trhliny na chodnících a skalách a způsobuje, že plechovky a lahve nealkoholických nápojů explodují v mrazáku.
Při 4 ° C je voda stále v kapalné formě. V jezerech a řekách bude tato voda na povrchu chladnout, bude hustší a bude klesat. Když se voda blíží bodu mrazu (0 ° C [32 ° F]), bude méně hustá než voda kolem ní a vystoupá k vrcholu vodního sloupce. Pokud by voda místo toho zamrzla ze dna jezera nebo řeky na vrchol, mělo by to vážné ekologické důsledky. Mělká jezera by zmrzla pevně; pokud by rostliny, zvířata a jiné organismy, které tam žijí, neměly nějaký druh adaptace, která by zabránila jejich tkáním zamrznout, zemřou. Ve větších jezerech ochlazovala voda z ledu a rozbředlého sněhu vodu nahoře, což by mohlo zpomalit metabolismusa rychlost růstu organismů, které přežily v kapalném horním toku jezera. Za těchto okolností by Země vypadala velmi odlišně; polární oblasti planety by byly téměř bez života a každý rok by rostliny, zvířata a další organismy střední výšky čelily vyhlídce na nedosažitelnou tekutou vodu ve zmrzlých pevných stanovištích.