如果水的密度在0℃最大

刘庆贺

世界上绝大多数物质都遵循密度随温度降低而增大的规律，而水却例外。

液态水在4℃时，密度最大。温度高于4℃时，水的密度是随着温度的降低而增大，但是在0～4℃的温度范围内，水的密度却随着温度的降低而减小，直至冰点。正是这个特性使得4℃的水下沉，隆冬时节水体从表面至底部形成由低到高的温度梯度，抑制了水的对流，才有冰封湖泊凿洞钓鱼的景象。这表明湖面表层结冰，但冰层之下却是液态的水，而且湖泊底部的水温还能稳定在4℃，致使鱼类等水生生物得以生存，安度严寒。

假如水在0℃时密度才会最大，将会是怎样一种情况呢？

水在0℃时密度最大，意味着水的密度随着温度的降低而增大。秋冬季节，外界气温低于水温，密度较小的上层水与低温空气接触后变冷，密度增大而降到底部。不难想象，表层的冷水与下层的温水持续发生对流后，表层的水总是水体中温度最高的。这意味着表层水与空气之间始终保持着最大的温差，整个水体以最快的速度向外界释放着能量，直到整个水体与外界温度一致时，这种对流才会停止。当外界气温降到0℃以下时，不难想象，整个水体会形成0℃的冰。

再来看看水体变成冰后，在春夏季节熔化的情景。阳光的照射会使冰的表面迅速升温，冰就开始熔化成水。刚熔化的水的温度是0℃，而0℃的水密度最大，因此就停留在未熔化的冰的表面，冰块的上表层形成一个不会进行对流的水层，水体以最慢的速度从外界吸收能量，这样很有可能一个夏天过去了，湖泊上卻只有浅浅的水层，下面则是千年不化的冰层。与此相反，水在4℃密度最大则明显地促进融冰。这表现在与冰层相邻的为0℃的高温水层，而与高温空气相邻的为0℃的低温水，持续的热交换使水体以最大的速度从外界吸收热量。可见，水在4℃时密度最大，可让水放热慢，吸热快。

假如水在0℃密度最大，这种水放热快，吸热慢，水体在一年之内放出的热量极有可能大于其吸收的热量，表现为整个水体热量的负积累。年复一年，水体的总温度就越来越低，直至整体结冰，生态系统注定会面目全非，很多动植物将不复存在，或者可能从来就不会出现。但不可否认的是，物种的进化是“天择”的过程，适者生存意味着截然不同的物种将存留下来。这很可能会出现一个与现今完全不同的生物圈，在那个生物圈中人处于什么位置，甚至会不会有人都将是未知数。

编辑/张烨