Svérázné vlastnosti vody, která zvyšuje svou hustotu jen do čtyř stupňů Celsia, umožňují, aby rybníky nezamrzaly odspoda. Led, který se tvoří na hladině, v zimních měsících umožňuje nejen bruslení nad tekutou vodou, ale funguje i jako izolace pro zachování života v její hloubce – včetně života ryb, které Češi loví pro svůj štědrovečerní stůl.
Anomálie vody umožňuje, aby byl na české Vánoce na stole kapr
Způsob zamrzání vody souvisí s takzvanou anomálií. Obvykle se v kapalině s klesající teplotou zvyšuje její hustota, u vody to ale platí jen do čtyř stupňů Celsia. Právě při této hodnotě dosahuje nejvyšší hustoty (jinými slovy je nejtěžší), při dalším poklesu teploty se ale hustota zase snižuje.
To je důvod, proč se studenější voda udrží na vrstvě s teplejší vodou, vlastně po ní plave. Zatímco pro jiné tekutiny platí, že jejich pevná podoba je těžší než kapalná, u vody tomu tak není. Proto také led na vodě plave – ať už jde o kostky ledu v limonádě, ledové kry na řekách a jezerech nebo ledovce na moři.
Bez anomálie vody by vodní plochy zamrzaly ode dna. Odtud by se pak led šířil vzhůru a postupně by mohl zasáhnout celý objem vody. Pro vodní živočichy by to znamenalo katastrofu. Například ryby v rybnících by zimu nejspíš vůbec nepřežily a české Vánoce by se musely obejít bez kapra. Led na povrchu totiž do jisté míry taky chrání hlubší vrstvy vody před rychlejším ochlazováním, působí tedy jako izolační vrstva.
- Pokud led při teplotě vzduchu pod nulou zatížíme dostatečným tlakem, bude tát, po odstranění tlaku opět zmrzne.
- Při klasickém experimentu demonstrujícím tento jev se používá blok ledu a přes něj se položí jemný drát (ideálně s vysokou tepelnou vodivostí, například měď) zatížený na obou stranách těžkým závažím. Vlivem tlaku led pod drátem taje, ten se tak „prokousává“ ledem dolů, ale jakmile se posune níž, nad drátem voda opět zmrzne (neboť led má teplotu pod 0 °C). Drát tak projde skrz ledem, aniž by se rozpadl na dva kusy.
- V přírodě se s regelací setkáváme například při pohybu ledovce z vyšší do nižší nadmořské výšky – led totiž tlačí na svůj spodní povrch, kde se tak sníží teplota tání. Po vzniklé vrstvičce vody pak led klouže.
Nad deset centimetrů
A jak tlustá vrstva ledu je potřeba, aby se po něm dalo chodit? Obecně platí, že by tloušťka měla být alespoň deset centimetrů. Pokud bychom chtěli na led vjet osobním autem, pak by byl žádoucí alespoň dvojnásobek.
Jezero Bajkal na Sibiři promrzá během dlouhé zimy dokonce až do metrové hloubky a pak se stává komunikací, která unese i těžká nákladní auta. To pro ně znamená výrazné zkrácení cesty ve srovnání s objížděním jezera po břehu.
Závislost teploty tání na tlaku
Mimochodem, ne vždy je jen samotná tloušťka ledu dostatečným parametrem pro posouzení nosnosti – pokud je led mléčně zabarven, obsahuje vzduchové bubliny, které snižují jeho pevnost a zvyšují tak riziko prolomení, v některých studiích se hovoří o třiceti až padesátiprocentním snížení nosnosti.
Jistotu pevnějšího ledu máme u tmavého a průzračného ledu. A je dobré taky myslet na to, že u řek, tedy u proudící vody, je doba potřebná k získaní dostatečné tloušťky ledu podstatně delší než u stojaté vody rybníků.
Anomálie vody – průběh hustoty s teplotou
Povrch ledu se chová podobně jako voda
Když už je ale led dostatečně mohutný, láká k bruslení. A tady se dostáváme k další zajímavé charakteristice ledu, a tou je jeho neobyčejná kluzkost. Ta se dá zdůvodnit malým třením (respektive nízkým koeficientem tření), které je řádově nižší než u ostatních pevných látek.
Kdysi si vědci mysleli, že bruslaři vytvořili vodní vrstvu roztavením povrchových vrstev ledu tlakem jejich tělesné hmotnosti, tedy pomocí regelace ledu. Šlo o to, že by pod tlakem nože brusle došlo k lokálnímu rozpuštění ledu, k čemuž přispěje i jisté tření mezi ledem a bruslí (při tření se uvolňuje teplo). Jinými slovy, mělo se za to, že bruslař klouže po velmi tenké vrstvě vody.
Ve skutečnosti je ale tlak bruslaře příliš malý, aby k regelaci ledu došlo. A navíc ta funguje jen při teplotách pod nulou, nikoliv nad ní, kdy lze ale taky bez problémů bruslit.
Nedávné studie však toto vysvětlení vyvrátily a nyní se má za to, že led je vždy kluzký, protože molekuly v jeho nejvyšší vrstvě se chovají skoro jako kapalná voda – nejsou totiž k sobě vázány tak silně jako molekuly ledu v hlubší vrstvě. Tento kvazi-kapalný stav pak působí onu kluzkost. Platí, že čím je teplota ledu blíž nule, tím je vrstva v tomto stavu tlustší.
Jak je vidět, i tak běžná věc jako led svým chováním občas překvapí i vědce a odborníky. A je možné, že se v tomto směru ještě dočkáme nějaké dalšího vysvětlení.
Klasické schéma regelace ledu