האנומליה של המים

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

בדרך כלל חומר נוטה להתכווץ עם ירידת הטמפרטורה בו הוא שרוי ולהתפשט עם עלייתה. לכן נפחם של רוב החומרים יורד עם ירידת הטמפרטורה, וצפיפותם עולה. לכל חומר במצב נוזלי ישנה טמפרטורה אופיינית לו, בה הוא מתמצק (כלומר הופך מנוזל למוצק). גם אחר הפיכתו למוצק ימשיך נפחו לרדת ככל שהטמפרטורה שלו תוסיף ותרד. זאת משום שהטמפרטורה היא למעשה מדד לאנרגיה הפנימית בה שרויים חלקיקי החומר, כלומר למידת התונעתיות והתנודתיות 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, וזוהי למעשה תופעת האנומליה של המים, 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. כאשר ממשיכים לקרר אותם מתחת ל-4 מעלות צלזיוס מתחיל נפחם לחזור ולגדול, 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 הקפאון גדול בכ-10 אחוזים מנפח המים מהם הוא נוצר, ושלא כבחומרים אחרים הוא ממשיך לעלות עם ירידת הטמפרטורות.

[עריכה] הסבר התופעה

מולקולות המים הן בעלות מבנה זוויתי ובעלות קוטביות חשמלית משמעותית. בטמפרטורות של מעל 4 מעלות התנודתיות שלהן מספיק אנרגטית כדי למנוע את התבטאותה של הקוטביות, והמים כנוזל 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 הדדיות 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 אפייני בעל נפח הגדול בכ-10 אחוזים מנפח המים מהם נוצר, והתנועה היחידה המתאפשרת למולקולות היא תנודתן העצמית, כלומר הרטט של האטומים (חמצן ומימן) מהם הן עשויות.

זו הסיבה שלא כדאי להקפיא מים בבקבוק זכוכית. בנקודת הקפאון 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 אטומים ומייצב את המבנה המרחבי הנפחי.

[עריכה] השפעות תופעת האנומליה של המים על עולם החי

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

תופעה זו היא שמאפשרת חיים על פני כדור הארץ;

• כאשר הקרחון צף מעל פני המים, הוא משמש כמעין מבודד בין הסביבה החיצונית לסביבה המימית ומונע שינויים דרסטיים בטמפרטורה כגון התחממות יתר או קפיאה. בקטבי כדור הארץ ניתן לראות זאת באופן משכנע - לולא היו הקרחונים צפים מעל פני המים ומהווים שכבה מבודדת, כל המים היו 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.

לתופעה זו ישנם גם חסרונות; 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 הומאותרמיים אשר שומרים על חום גוף אחיד על ידי שימוש בפרווה ורעידות בלי-רצוניות (בעיקר יונקים).
• אורגניזמים פויקילותרמיים 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.