如果水的密度在0℃最大

劉慶賀

世界上絕大多數(shù)物質(zhì)都遵循密度隨溫度降低而增大的規(guī)律，而水卻例外。

液態(tài)水在4℃時，密度最大。溫度高于4℃時，水的密度是隨著溫度的降低而增大，但是在0～4℃的溫度范圍內(nèi)，水的密度卻隨著溫度的降低而減小，直至冰點。正是這個特性使得4℃的水下沉，隆冬時節(jié)水體從表面至底部形成由低到高的溫度梯度，抑制了水的對流，才有冰封湖泊鑿洞釣魚的景象。這表明湖面表層結冰，但冰層之下卻是液態(tài)的水，而且湖泊底部的水溫還能穩(wěn)定在4℃，致使魚類等水生生物得以生存，安度嚴寒。

假如水在0℃時密度才會最大，將會是怎樣一種情況呢？

水在0℃時密度最大，意味著水的密度隨著溫度的降低而增大。秋冬季節(jié)，外界氣溫低于水溫，密度較小的上層水與低溫空氣接觸后變冷，密度增大而降到底部。不難想象，表層的冷水與下層的溫水持續(xù)發(fā)生對流后，表層的水總是水體中溫度最高的。這意味著表層水與空氣之間始終保持著最大的溫差，整個水體以最快的速度向外界釋放著能量，直到整個水體與外界溫度一致時，這種對流才會停止。當外界氣溫降到0℃以下時，不難想象，整個水體會形成0℃的冰。

再來看看水體變成冰后，在春夏季節(jié)熔化的情景。陽光的照射會使冰的表面迅速升溫，冰就開始熔化成水。剛熔化的水的溫度是0℃，而0℃的水密度最大，因此就停留在未熔化的冰的表面，冰塊的上表層形成一個不會進行對流的水層，水體以最慢的速度從外界吸收能量，這樣很有可能一個夏天過去了，湖泊上卻只有淺淺的水層，下面則是千年不化的冰層。與此相反，水在4℃密度最大則明顯地促進融冰。這表現(xiàn)在與冰層相鄰的為0℃的高溫水層，而與高溫空氣相鄰的為0℃的低溫水，持續(xù)的熱交換使水體以最大的速度從外界吸收熱量?？梢?，水在4℃時密度最大，可讓水放熱慢，吸熱快。

假如水在0℃密度最大，這種水放熱快，吸熱慢，水體在一年之內(nèi)放出的熱量極有可能大于其吸收的熱量，表現(xiàn)為整個水體熱量的負積累。年復一年，水體的總溫度就越來越低，直至整體結冰，生態(tài)系統(tǒng)注定會面目全非，很多動植物將不復存在，或者可能從來就不會出現(xiàn)。但不可否認的是，物種的進化是“天擇”的過程，適者生存意味著截然不同的物種將存留下來。這很可能會出現(xiàn)一個與現(xiàn)今完全不同的生物圈，在那個生物圈中人處于什么位置，甚至會不會有人都將是未知數(shù)。

編輯/張燁