האנומליה של המים

בפיזיקה, האנומליה של המים היא תופעה מיוחדת המאפיינת את המים: נפחם במצב מוצק (קרח) גדול יותר מאשר במצב צבירה נוזלי (ולהפך עם צפיפותם). תופעה זו מנוגדת לתכונת רוב החומרים המתכווצים במעבר למצב מוצק.

בדרך כלל, חומר נוטה להתכווץ עם ירידת הטמפרטורה שלו ולהתפשט עם עלייתה. לכן נפחם של רוב החומרים יורד עם ירידת הטמפרטורה, וצפיפותם עולה. לכל חומר במצב נוזלי ישנה הטמפרטורה האופיינית לו, שבה הוא קופא (הופך מנוזל למוצק). גם לאחר הפיכתו למוצק ימשיך נפחו לרדת ככל שהטמפרטורה שלו תוסיף ותרד. זאת משום שהטמפרטורה היא מדד לאנרגיה הפנימית של חלקיקי החומר, כלומר למידת התנועה והתנודה שלהם. ירידת הטמפרטורה משמעה הקטנת כמות הדחיפות וההתנגשויות הפנימיות בין חלקיקי החומר. במצב מוצק, חלקיקי החומר איטיים עד כדי כך שהם כמעט ואינם משנים את מיקומם היחסי ומסודרים זה לצד זה במבנה מוגדר מסוים וצפוף. המיוחד במים הוא שהורדת הטמפרטורה שלהם אכן גורמת לירידת נפחם, אך זאת רק עד לגבול של כ-4 מעלות צלזיוס. בטמפרטורה זו נפחם של המים כנוזל הוא הקטן ביותר. אך כאשר ממשיכים לקרר אותם מתחת ל-4 מעלות צלזיוס, לפתע מתחיל נפחם לחזור ולגדול (תופעה המתרחשת עקב שינוי מרחבי של מולקולות המים), עד לקפיאתם והתמצקותם לקרח, בטמפרטורה של אפס מעלות צלזיוס. אך זהו רק חלק אחד של האנומליה. בנקודת הקפיאה מגיע לידי ביטוי חלקה השני: נפחו של הקרח בנקודת הקיפאון גדול בכ-%10 אחוזים מנפח המים שמהם הוא נוצר. שלא כבחומרים אחרים, הנפח ממשיך לעלות עם ירידת הטמפרטורות מעבר לנקודת הקיפאון.

צפיפות קרח ב-0° - 0.917 גרם לסמ"ק
צפיפות מים ב-0° - 0.998 גרם לסמ"ק
ב-4° צפיפות המים מרבית: 1 גרם לסמ"ק

הסבר התופעה

המבנה האטומי של גביש קרח (ימין), לעומת זה של מים נוזליים (שמאל)

מולקולות המים הן בעלות מבנה זוויתי ובעלות קוטביות חשמלית משמעותית. בטמפרטורות של מעל 4 מעלות התנודתיות שלהן אנרגטית דיה כדי לגבור על הקוטביות, והמים מתנהגים כמו כל נוזל אחר שנפחו קטן ככל שעוצמת ההתנגשויות ההדדיות בין חלקיקיו קטנה. אולם בהגיעם לטמפרטורה של כ-3.98 מעלות, חל מפנה.

בנקודה זו הקוטביות של מולקולות המים משמעותית דיה כדי לאלץ את המולקולות להתייצב על פי תכתיבי השדות החשמליים הפועלים ביניהם, ולא רק באופן אקראי המוכתב מתנודותיהן העצמיות ומההתנגשויות ההדדיות ביניהן. ככל שיורדת הטמפרטורה, האילוץ של השדות החשמליים הולך והופך משמעותי יותר מהתנודות ומההתנגשויות, דבר המכתיב מערך נפחי יותר המוכתב גם מצורתן הזוויתית של המולקולות.

בנקודת הקיפאון, אנרגיית המולקולות כה נמוכה עד שהן כבר אינן יכולות להשתחרר מתכתיבי השדה החשמלי הפועל ביניהן ולנוע במרחב. בשלב קריטי זה נוצר בבת אחת מבנה מרחבי אופייני בעל נפח הגדול בכ-10 אחוזים מנפח המים מהם נוצר, והתנועה היחידה המתאפשרת למולקולות היא תנודתן העצמית, כלומר הרטט של האטומים (חמצן ומימן) שמהם הן עשויות.

זו הסיבה שלא כדאי להקפיא מים בבקבוק זכוכית. בנקודת הקיפאון עולה נפח המים באופן קיצוני הגורם לבקיעת דפנות הזכוכית המגבילות. הצד החיובי של תופעה זו הוא בכך שקפיאתם של מים בסדקי סלעים מבקעת ומפוררת אותם ומביאה ברבות השנים ליצירת שכבות קרקע חדשות.

המשך קירור המים מגדיל את נפח הקרח בכך שהוא ממשיך להקטין את תנודות האטומים ומייצב את המבנה המרחבי הנפחי.

השפעות תופעת האנומליה של המים על עולם החי

משום שצפיפות הקרח קטנה מצפיפות המים הנוזלים, הקרח צף מעל פני המים.

כאשר הקרחון צף מעל פני המים, הוא משמש כמבודד בין הסביבה החיצונית לסביבה המימית ומונע שינויים דרסטיים בטמפרטורה כגון התחממות יתר או קפיאה. בקוטבי כדור הארץ ניתן לראות זאת באופן משכנע - לולא היו הקרחונים צפים מעל פני המים ומהווים שכבה מבודדת היו כל המים קופאים כאשר מחוץ להם הייתה ירידה דרסטית בטמפרטורה, ובעלי חיים לא היו יכולים להתקיים בתוך המים.
כאשר המים קופאים והמולקולות מסתדרות במבנה המרחבי האופייני, לא נותר מקום למלחים השונים והמים הקפואים נחשבים למים מתוקים. עובדה זו מאפשרת חילוף בין זרמי מים מתוקים ומלוחים בכדור הארץ ואיזון רמת המלחים באוקיינוסים. איזון זה חיוני לכל בעלי החיים הימיים אך בעיקר לדגים.

תאים חיים זקוקים למים נוזלים כדי להתקיים. כאשר תא חי (צמחי או אנימלי) מתקרב לנקודת הקיפאון, המים שבתוכו מתחילים להתמצק ולהתגבש. משום שנפח המים גדל והם מתגבשים, המים קורעים את קרום התא והורסים את האברונים השונים שבו. כדי להתמודד עם בעיה זו, ישנם אורגניזמים חד-תאיים השולחים נבגים שיתפתחו ברגע שיופשרו. אורגניזמים רב-תאיים משתמשים בשתי שיטות עיקריות;

אורגניזמים הומיאותרמיים אשר שומרים על חום גוף אחיד על ידי שימוש במבודדים כגון פרווה (בעיקר ביונקים) או שכבת שומן. בנוסף קיימים מנגנונים שתפקידם יצירת חום כמו רעידות בלתי-רצוניות.
אורגניזמים פויקלותרמיים מסוימים מפרישים חומר המגן על תאיהם, אברוני התאים ואיברי הגוף החי כולו, ומאפשר להם להישאר קפואים לזמן מסוים (בעיקר דו-חיים, מינים מסוימים של צפרדעים באופן ספציפי ומספר מינים של חרקים). החומרים המגנים על תאי בעל החיים מפני קפיאה הם חומרים המונעים מהמים שבתוך התאים וביניהם להתגבש לגבישים חדים וכך נמנעת פציעה של קרומי התאים ובעל החיים שורד.