为什么水会自上而下冻结？

我们喝水，在其中游泳，我们用它洗涤，然后用它降温。因为水是如此普遍，所以我们很多人都没有注意到它与其他物质相比有多奇怪。在较温暖的月份里，当我们将一两个冰块放入饮料中时，我们会看到它漂浮在玻璃杯中的液体上方，而无需三思而后行。但是，为什么冰会这样做，更重要的是，当大多数其他物质从下而上冻结时，为什么水会从顶部冻结到底部？

水从上而下冻结，这使得冰可以浮点数-由于温度下降时水的密度表现出奇怪的怪异。密度是单位物质体积的质量。它本质上是衡量一种物质的原子和分子紧密结合的量度。对于大多数化合物，温度的下降会导致化合物的体积减小，而密度增大，原子和分子之间的结合变得更加紧密。例如，一袋暖空气上升并膨胀，因为它的密度小于周围的较冷空气。相反，一小袋冷空气会下降和收缩，并在下降时变得略厚和密集。水的行为类似，但仅在一定温度下才起作用。冷却水的密度将增加，直到水温达到4C（39.2F）。如果水继续冷却，其密度将再次增加，并且水（现在处于固态）将膨胀。正是这种水的性质，使冰能够楔入人行道和岩石上的裂缝，并导致罐装和瓶装软饮料在冰箱中爆炸。

在4C时，水仍然呈液态。在湖泊和河流中，这些水会在地表冷却，变得更浓密，然后下降。当水接近其冰点（0C [32F]）时，其密度将低于周围的水，并且将上升到水柱的顶部。如果水反而从湖泊或河流的底部冻结到顶部，将会产生深远的生态后果。浅湖会冻结固体；除非生活在那里的植物，动物和其他生物具有某种适应能力，以使其组织不冻结，否则它们就会死亡。在较大的湖泊中，一层冰和雪泥会冷却上方的水，这可能会减慢在该湖上游的液体中存活的生物的代谢和生长速度。在这种情况下，地球看起来会大不相同。地球的极地地区几乎没有生命，每年中纬度地区的植物，动物和其他生物都将面临在冷冻固体栖息地无法获得液态水的前景。