Wiemy, że bez wody nie mogłoby istnieć życie. Woda jest powszechnym rozpuszczalnikiem związków ustrojowych we wszystkich znanych organizmach. Jest transporterem produktów przemiany materii, substancji odżywczych, stanowi średnio 70% masy dorosłego człowieka i 90% miękkich części roślin.
Duża część powierzchni naszej planety obniża cyklicznie temperaturę poniżej punktu zamarzania wody i życie wtedy zamiera, chyba, że niektóre organizmy potrafią zapobiegać zamarzaniu wody wewnątrz komórek, ale nawet wtedy zatrzymują się ich procesy życiowe. Zamrażanie jest najlepszą metodą konserwowania żywności. W środowisku zamrożonym nie mogą rozwijać się pasożytnicze drobnoustroje i raz zamrożona żywność może przetrwać lata.
Czysta woda zamarza w temperaturze 0 stopni Celsjusza (32 stopnie Fahrenheita). Ale nie zawsze. Czasami możemy zaobserwować wodę przechłodzoną, która mimo temperatury kilka stopni poniżej punktu zamarzania nadal jest płynna. Doświadczenie takie udaje się wykonać wkładając plastikową butelkę z wodą do zamrażalnika na około godzinę.
Trzeba uchwycić taki moment, gdy woda już jest mocno schłodzona, ale jeszcze jest płynna. Dopiero uderzenie w butelkę albo potrząśnięcie, spowoduje szybkie, wyraźnie wewnątrz widoczne, tworzenie się lodu.
Wodę przechłodzoną dość często można spotkać w naturze. Drobne kropelki wody tworzące chmurę mogą być wznoszone prądami powietrza w rejony, gdzie powietrze ochładza się poniżej punktu zamarzania wody. Kropelki te zamieniają się w lód dopiero po gwałtowniejszym wstrząsie, na przykład na skrzydłach i kadłubie przelatującego samolotu. Było to przyczyną wielu katastrof.
Kilka razy w roku, późną jesienią i zimą, mogą wystąpić w atmosferze tak zwane zjawiska inwersji temperatury. Naniesione wiatrem cieplejsze i wilgotne powietrze zalega ponad warstwami zimnymi. Krople deszczu tworzą się w chmurach w takich warstwach powietrza, które są względnie ciepłe. Opadając, mogą przelatywać przez warstwy chłodniejsze, gdzie schładzają się poniżej punktu zamarzania, lecz nie mają impulsu do zamarznięcia, aż do chwili uderzenia w ziemię. Jest to zjawisko marznącego deszczu tworzące warstwę lodu na drogach i na szybach samochodu.
W lecie, przy temperaturze znacznie powyżej punktu zamarzania, może spadać zamiast deszczu – grad. Tworzy się on podczas burz, gdy zawirowania powietrza wyrzucają już utworzone krople deszczu na kilkukilometrowe wysokości, gdzie jest zimno i krople zderzając się tworzą narastające grudki lodu, czasem wielkości jajek.
W normalnych warunkach atmosferycznych, gdy w powoli ochładzającym się powietrzu jest więcej wilgoci niż wynikająca z temperatury wartość nasycenia, woda wykrapla się w postaci mgły. Gdy temperatura jest dostatecznie niska, po pewnym czasie z kropelki wody tworzy się kryształek lodu. Przebywając w nasyconym wilgocią powietrzu, kryształek ten rozrasta się, powoli przechwytując i dolepiając pojedyncze molekuły wody. Podstawowy kryształek lodu ma symetrię sześciokątną i zawsze symetria ta zostaje zachowana na rozrastających się płatkach śniegu. Śnieg nie musi tworzyć się w chmurze. Czasami widzimy jak lekko sypie śnieg formujący się w powietrzu, gdy nad nami jest czyste niebo.
Powszechny jest pogląd, że nie spotyka się dwóch jednakowych płatków śniegu. Jest to zrozumiałe, gdyż każdy płatek śniegu zbudowany jest z milionów – miliardów drobin wody i trudno byłoby znaleźć dwa płatki o dokładnie takiej samej liczbie drobin wody. Fizycy nie potrafią jednak wyjaśnić, dlaczego gałęzie gwiazdki śniegu przybierają tak różne kształty, ale na pojedynczym płatku wszystkie 6 gałęzi wygląda bardzo podobnie. Widocznie kształt gałęzi zależy od drobnych różnic temperatury powietrza w danym miejscu, od ciśnienia i ilości wilgoci. Mały płatek śniegu napotyka w czasie swobodnego spadania, trwającego czasami ponad godzinę, wiele różnych warunków otoczenia, ale ze wszystkich jego stron warunki te są w każdej chwili jednakowe.
Gdy śnieg opadnie na ziemię, zajmuje objętość około dziesięciokrotnie większą niż woda, która z niego się później wytopi. Czasami po burzy śnieżnej tworzy się warstwa 10-20 cali śniegu, co jednak odpowiada 1-2 cali wody. Opady takie są częste w lecie i uznajemy je za normalne. Jednak w zimie, w chłodnym powietrzu, wilgoci jest znacznie mniej i śnieżyce zasypujące ziemię grubymi warstwami są rzadkością.
Śnieg zalegający ziemię stopniowo gęstnieje. Pod wpływem ciepła słonecznego lub ciepła wydobywającego się z ziemi, płatki śniegu częściowo się roztapiają i po ponownym zamarznięciu wody, lód nie przybiera już rozgałęzionej struktury. Śnieg również bardzo powoli odparowuje (fachowo nazywa się to sublimacją) i po tygodniach można dostrzec, że zwały śniegu pozostawiają po sobie tylko brudne osady. Śnieg w uprzemysłowionych rejonach nie jest bowiem czysty, zawiera w sobie mikroskopijne drobiny dymów, które początkowo nie są widoczne na tle bieli, ale po wytopieniu lub odparowaniu wody pozostawiają brudne plamy.
W rejonach polarnych i w wysokich partiach gór, gdzie temperatura bardzo rzadko wzrasta powyżej punktu zamarzania, śnieg narasta tworząc często kilometrowe warstwy. Ciężar górnych warstw powoduje zgniatanie dolnych i zamienianie ich w jednorodny lód. Tak tworzą się lodowce. Pod wpływem ciśnienia przekraczającego czasem 100 atmosfer, lód topi się już w temperaturze kilka stopni poniżej normalnego punktu zamarzania. Dodatkowym czynnikiem powodującym topienie się lodowca jest ciepło wydobywające się spod ziemi. Lodowiec osiada i topi się od dołu.
Roztapianie się dolnych warstw lodowców powoduje ich powolne zsuwanie się po pochyłościach terenu. Widać to wyraźnie w górach, gdzie w zagłębieniach stoków tworzą się pełzające języki lodowe. Tam, gdzie teren opada do morza, następuje efektowne odłamywanie się brył lodu i po morzu zaczyna pływać „góra lodowa”. Filmowane i raportowane odłamywanie się lodowców Grenlandii i Antarktydy nie ma wiele wspólnego z ocieplaniem się klimatu – jak wspomniałem, lodowce podbiegunowe topią się od dołu, gdzie zmiany temperatury mogłyby dotrzeć po tysiącach lat.
Odłamane z lodowców i pływające po morzach „góry lodowe” to bryły lodu o wymiarach setek metrów. Ponieważ lód jest nieco lżejszy od wody, pływa on w częściowym zanurzeniu a nad powierzchnią wystaje tylko „czubek” – około 8%. Taka bryła lodu roztapia się przez długie miesiące i były nawet próby przyholowania ich w pobliże miast, jako naturalnych magazynów „słodkiej” wody. Dobrą, czystą wodę odzyskuje się również z lodowców górskich, których dolne warstwy zalegają tam tysiące lat, a odsączająca się woda filtrowana jest z zanieczyszczeń i uzupełniana minerałami przez gromadzący się na spodzie lodowca piasek
Geolodzy robią w podbiegunowych lodowcach odwierty sięgające kilku kilometrów i na podstawie analizy lodu zalegającego tam nawet setki tysięcy lat, mogą stwierdzić, jakie zmiany zachodziły w atmosferze Ziemi przez wieki i tysiąclecia. Niektóre lodowce, tworzące się na obszarach o klimacie umiarkowanym pojawiają się i znikają w cyklu około 25 tysięcy lat. Jest to związane ze zmieniającym się nachyleniem osi Ziemi w stosunku do eliptycznej orbity wokółsłonecznej (tak zwana precesja). Ostatnie zlodowacenie Europy i Północnej Ameryki ustąpiło około 10 tysięcy lat temu i odsłonięte zostały dla nas olbrzymie obszary żyznych, uprawnych ziem. Gdyby nie to naturalne ocieplanie się klimatu ziemskiego, ludzkość nie mogłaby się wyżywić przy takiej populacji jak obecnie.
Geolodzy odnaleźli również ślady kompletnego zlodowacenia całej pow
ierzchni Ziemi i wszystkich oceanów, które wystąpiło około 750 milionów lat temu i trwało kilka tysięcy lat. W tym czasie życie mogło się rozwijać jedynie w pobliżu gorących źródeł na dnie oceanów. Z prognozowanego, powolnego ocieplania się klimatu ziemskiego, jakiekolwiek byłyby tego przyczyny, powinniśmy się raczej cieszyć. Gdyby zachodziło zjawisko odwrotne – oziębiania się Ziemi, trzeba byłoby koniecznie znaleźć środki, aby temu zapobiegać.
Obecnie olbrzymie tereny Kanady i Syberii są zamarznięte do głębokości kilkudziesięciu-kilkuset metrów (a w niektórych miejscach ponad kilometr). Latem nawet po ustąpieniu śniegu, rozmarza tylko gleba do głębokości 1–2 metrów, pokrywając się grząskim błotem, gdyż zamarznięta głębiej ziemia uniemożliwia wsiąkanie nadmiaru wody. Są to miejsca, gdzie mogą rosnąć tylko niektóre trawy i płytko ukorzenione, niewysokie krzewy tych gatunków, które uodporniły się na mróz. Cofanie się tej „wiecznej” zmarzliny jest zjawiskiem naturalnym, jakby „rozpędem” ostatniego roztopienia się lodowców.
Temperaturę przemiany wody w lód można obniżyć dodając do wody różne substancje. W zimie wysypuje się na śnieg i lód różne sole – niektóre obniżają temperaturę topnienia nawet do -20 stopni Celsjusza (poniżej 0 stopni Fahrenheita). Niską temperaturę zamarzania mają mieszaniny wody z innymi cieczami. Znamy wszyscy mieszaninę wody z glikolem, używaną w chłodnicach samochodowych. Charakterystyczne jest zjawisko, że czysty glikol ma temperaturę zamarzania wyższą niż mieszanina „pół na pół” z wodą i bardziej racjonalne jest rozcieńczanie glikolu niż wlewanie czystego. Również mieszanina wody z alkoholami ma bardzo niską temperaturę zamarzania a termometry wypełnione spirytusem mogą służyć nawet na biegunach ziemskich, gdzie temperatura czasami spada poniżej -80 st.C. Rtęć zamarza już w temperaturze około -40 stopni.
Są rośliny, które mogą przetrwać zimę. Te, które wykształciły tę zdolność, zmniejszają ilość wody w komórkach i zagęszczają wodę substancjami obniżającymi temperaturę zamarzania. Większość drzew szpilkowych ma ciągle żywe, zielone szpilki. Również korzenie traw i zarodniki większości roślin nie giną na mrozie. Miękkie łodygi roślin jednorocznych oraz nasączone wodą liście i owoce po zamarznięciu są rozrywane ostrymi, powiększającymi swą objętość kryształkami lodu. Nawet po ogrzaniu komórki te tracą swoją spoistość i kształt. Można zaobserwować jak rozmiękają a nawet rozlewają się odmrażane owoce i warzywa.
Plantatorzy znaleźli sposoby, aby ochronić przed przymrozkami wrażliwe rośliny. W Kalifornii i na Florydzie można zaobserwować, jak w czasie przymrozków plantacje są skrapiane wodą. Woda zamarzając oddaje znaczne ilości ciepła. Ciepło oddawane przez zamarzającą wodę to ok. 80 kalorii na gram, czyli ilość, która może ogrzać o 1 st.C 80 razy więcej wody. Powierzchnia roślin pokrywa się wprawdzie lodem, ale pod jego warstwą temperatura nie spada poniżej punktu zamarzania.
Zamarzająca woda może spowodować duże zniszczenia w budynkach. Nawet grube, stalowe rury nie wytrzymują rozpierającego ciśnienia zamarzającej wody, zwiększającej swoją objętość. Jeżeli rury i zbiorniki wody nie są dostatecznie zaizolowane, najlepiej jest dopuścić w nich do powolnego przepływu wody. Woda z wierconych studni i z podziemnej sieci wodociągowej ma temperaturę kilkanaście stopni powyżej punktu zamarzania, a ilość ciepła odbierana przy zamarzaniu musi być dość duża.
Woda zamarzając w szczelinach skalnych powoduje szybkie kruszenie skał. Gorzej, gdy dzieje się tak w fundamentach naszych domów. Przyspieszonemu pękaniu fundamentów i przeciekom wody trudno jest zapobiegać „od wewnątrz”. Jedynie skuteczną metodą w naszym klimacie jest niedopuszczanie do wchodzenia wody gruntowej do mikroskopijnych zewnętrznych szczelin, które w zimie mogą się poszerzać w zastraszającym tempie.
(ami)
