Кратко и по существу.
1) Фазовая диаграмма воды (ось $T$ — температура, ось $P$ — давление)
- При обычных земных $P$ есть три области: твердое (лед Ih при низком $P$), жидкое и газ. Точка тройная: $T_{tp}=273.16\mathrm{K}$, $P_{tp}=611.657\mathrm{Pa}$. Критическая точка: $T_c\approx 647.1\mathrm{K}$, $P_c\approx 22.064\mathrm{MPa}$.
- При больших давлениях появляются многочисленные высокоплотные фазы льда (II, III, V, VI …), их границы и свойства отличаются от обычного льда Ih.
- Важная особенность у границы плавления льда Ih — жидкость/лед имеет отрицательный наклон в диаграмме $P$–$T$ (линия плавления идёт влево вниз): повышение $P$ понижает температуру плавления в этой области.
2) Почему лед плавает
- Лед Ih имеет открытую гексагональную кристаллическую структуру, поэтому его плотность меньше плотности жидкой воды при $0^{\circ }$C: ${\rho }_{ice}\approx 0.917g/c{\mathrm{m}}^3$, ${\rho }_{water}\approx 1.00g/c{\mathrm{m}}^3$. Следовательно, лёд всплывает.
- Термодинамическое объяснение через уравнение Клапейрона: $\frac{dP}{dT}=\frac{\Delta S}{\Delta V}$. Для плавления льда $\Delta S>0$, а $\Delta V=V_{liq}-V_{sol}<0$, поэтому $\frac{dP}{dT}<0$.
- В практическом виде: $\frac{dT}{dP}=\frac{\Delta VT}{\Delta H}$. Подставляя молярные значения ($\Delta V\approx -1.63\times 10^{-6}{\mathrm{m}}^3/mol$, $\Delta H_{fus}\approx 6.01\times 10^{3}J/mol$, $T\approx 273.16\mathrm{K}$), получаем примерно $\frac{dT}{dP}\approx -7.4\times 10^{-8}K/Pa$ (≈$-0.0074{}^{\circ }\mathrm{C}$ на атмосферу).
3) Необычные последствия для живых экосистем
- Озёра и реки замерзают сверху вниз: плавающий лёд образует изолирующую покрышку, замедляет потерю тепла и сохраняет подлёдную жидкую среду, где организмы могут выживать зимой.
- Лед на воде и морской лёд влияют на климат через альбедо: покрытие льдом отражает солнечную радиацию; таяние уменьшает альбедо → положительная климатическая обратная связь, что влияет на биосистемы.
- При образовании морского льда происходит отверждение солей (brine rejection), повышается солёность подлежащей воды — это важный механизм для термохалинной циркуляции океана и распределения питательных веществ.
- Давление и плавление: в ледниках и подвижных льдах эффект понижения точки плавления под давлением (регеляция) способствует скольжению и динамике ледников, что влияет на ландшафт и экосистемы.
- На планетах/лунах с очень большими давлениями высокоплотные фазы льда могут быть плотнее воды — тогда лёд не будет плавать. Это меняет циркуляцию в подповерхностных океанах и условия обитаемости (например, возможное изолирование океана от горных пород на дне).
- Ещё: плавающий морской лёд не повышает уровень моря при таянии, а таяние суши-ледников — повышает; это различие критично для прибрежных экосистем.
Вывод: отрицательная связь давления и температуры плавления для обычного льда и низкая плотность льда относительно воды — ключ к тому, что лёд плавает; это имеет критические последствия для выживания пресноводных экосистем зимой, глобального климата, океанской циркуляции и динамики ледников, а также влияет на условия жизни на других планетах.