Znaczenie wyjątkowej rozszerzalności wody

Fakt, że woda w 4 stopniach Celsjusza ma najmniejszą objętość, a więc największy ciężar właściwy, wiąże się z bardzo ważnym i ciekawym zachowaniem się jej w naturze w pewnych porach roku.

Wyobraźmy sobie głębszy staw lub jezioro. Minęło lato, nastaje jesień a wraz z nią coraz chłodniejsze dnie, a Szczególniej noce. Woda w jeziorze stygnąć zaczyna, a przede wszystkim jej górne warstwy, gdyż one to tracą najłatwiej swe ciepło do otoczenia.

Przypuśćmy, że w pewnej chwili cała woda posiada temperaturę 8 stopni Celsjusza. Gdy nazajutrz lub dni następnych temperatura spadnie w górnych warstwach do 7 stopni, to warstwy te skurczą się, a przez to ich ciężar właściwy stanie się większy, niż warstw dolnych; wówczas górne warstwy opaść muszą, gdy dolne wypłyną (jako lżejsze, jak np. oliwa) ku górze i również zaczną ostygać. Gdy one znowu oziębią się np. do 6 stopni Celsjusza, to staną się cięższe od warstw dolnych i same opadną z kolei ku dołowi. Takie ciągłe opadanie górnych warstw chłodniejszych i zamiana ich miejsca przez cieplejsze, dolne, skończy się wówczas, gdy cała woda przybierze wspólną temperaturę 4 stopni Celsjusza.

Nadchodzi wreszcie późna jesień, kiedy słońce coraz niżej podnosi się nad horyzontem i coraz krócej ogrzewa ziemię, która przez to bardziej wystyga w czasie długich nocy. Temperatura wody spada dalej i jeśli teraz górne warstwy będą miały 3 stopnie, a dolne 4 stopnie to czy również, jak to było poprzednio, będą one opadać ku dołowi, czy też może zostaną na dawnym miejscu? Kiedy woda jest najcięższa?

Jak wiemy, w 4 stopniach Celsjusza, a więc w 3 stopniach jest lżejsza. Wobec tego górna warstwa, ostygnąwszy do 3 stopni stanie się lżejsza od dolnych, mających 4 stopnie, pozostanie więc na miejscu. Również nie ulegnie zmianie położenie warstw wodnych, gdy temperatura górnych dojdzie do 2 stopni, 1 i nawet 0. Wreszcie zacznie się wytwarzać skorupa lodowa, która też nie zatonie; przecież lód pływa po wodzie (każdej temperatury), bo jest od niej lżejszy. Staw czy jezioro pokryje się lodem, a w głębinach jego będą istniały warstwy o temperaturze 4 stopni, tj. takiej, w której ryby mogą przetrwać całą zimę.

Lód jest złym przewodnikiem ciepła, a więc ciepło od warstw głębszych nie będzie tak łatwo przedostawało się na zewnątrz; są one zabezpieczone przez lód podobnie, jak zasiane pola (podczas mrozów) przez pokrywający je śnieg.

Cóżby jednak było, gdyby woda kurczyła się także i przy ostyganiu od 4 stopni Celsjusza o 0?

Wtedy naturalnie warstwy górne, chłodniejsze, o temperaturze 3, 2, 1 i 0 zawsze opadałyby ku dołowi, a cieplejsze (4 stopni ), dolne, zajmując ich miejsce, również szybko traciłyby swe ciepło, znalazłszy się na zewnętrznej powierzchni jeziora. Jednym słowem cała masa wody po jakimś czasie, wymieszawszy się sama przez się, (z powodu zmiany ciężaru właściwego pod wpływem ostygania) miałaby temperaturę 0 stopni, nie posiadając już wcale warstw o 4 stopni Celsjusza. Ale w takich warunkach świat zwierzęcy, zamieszkały w wodzie, nie mógłby już przetrwać zimy.