החומר היחיד בעולם שמתנפח בקור - עוד על ניסי המים

בכתבה הקודמת עמדנו על הנס המופלא של מציאות המים, העובדה המוזרה שהם בכלל נוזלים. מה שמעניין הוא, שאין למעשה כל סיבה שחומרים יתנהגו באופן מסוים, ינועו ויתרכבו בתרכובות מיוחדות, וישנו לפתע את התנהגותם בטפמפרטורות אחרות. עם זאת, המים הם הקיצוניים ביותר ברמת השינויים שלהם.

הנס המופלא של קיפאון המים:

כשהטמפרטורה יורדת, כל החומרים מתכווצים (המולוקולות נצמדות זו לזו), אך כשהחום עולה החומרים מתפשטים (המולקולות מתפזרות ומתרחקות זו מזו). למים לעומת זאת ישנה תכונה מיוחדת ומופלאה מאין כמותה כשהם מתקררים.

כמו כל החומרים בטבע, כשהמים נמצאים בטמפרטורת החדר ומתחילים להתקרר - נפחם קטן עם ירידת הטמפרטורה. הכל נראה צפוי עד שהטמפרטורה יורדת ל-4 מעלות צלזיוס בדיוק, אז מתרחשת לפתע תופעה מדהימה מאין כמותה: נפח המים מתחיל לגדול ולהתרחב במקום לקטון ולהתכווץ! בנקודת הקיפאון של אפס מעלות הופכים המים לקרח מוצק, והנפח שלהם עלה בתוספת של 10% אוויר. מסיבה זו בקבוק זכוכית מתפוצץ כשהוא קופא - המים שבו מתרחבים. תופעה מוזרה וחריגה זו מכונה בשם "האנומליה של המים".

כיצד "מעשה קסמים" זה מתרחש?

כאשר הטמפרטורה יורדת, מולקולות המים נבנות לפתע כטבעות בצורת משושה תלת-מימדי, ונקשרות זו לזו. המשושה הוא למעשה הצורה היציבה ביותר בכימיה, ובו-בעת עשירה בחלקים ריקים. כל גביש קרח מורכב ממולקולות רבות שבנויות כמשושים תלת-מימדיים, אשר שומרים על חללים ביניהם - הנותנים לקרח את נפחו. כך הקרח לוכד בתוכו אוויר.

גם אם לתופעה זו לא היתה כל משמעות מעשית, היא עדיין היתה מדהימה בשל מורכבותה, כמו בדוגמה של קוסם המראה לפנינו להטוט מרשים של כדורים הנעים לפתע במופתיות באוויר כאילו מעצמם. אלא שישנה מטרה חשובה מאוד להתנהגות המים בטמפרטורה הנמוכה מ-4 מעלות.

המים מתפשטים ומתרחבים כשהם קופאים, תופעה הגורמת לכך שצפיפותו של הקרח קטנה מזו של המים. לכן קרח צף על גבי המים, והקרחונים האדירים שבקטבים צפים בים; קרחונים אשר מתנוססים לגובה 300 מטרים, ושוקלים טונות רבות, צפים במים בקלילות, כאשר רובם - כשבע שמיניות מאורכם - שקועים תחת פני הים, אך למרות גודלם העצום אינם שוקעים לקרקעית.

ההשלכות לתופעה מדהימה זו הן מרחיקות לכת: בעונות הקרות, פני הים, הנהרות והאגמים הופכים לקרח ויוצרים שכבת מגן מסוככת מפני הקור לכל הדגים והיצורים הימיים החיים מתחתם. בזכות חוק טבע מופלא זה, הקרח צף על פני המים במקום לשקוע לתוכו.

אם מים היו מתנהגים כשאר החומרים בטבע ומתכווצים בקור, היה הדבר גורם לשכבות כבדות של קרח לשקוע לתוך הים בזו אחר זו, עד לקרקעית, שכבות המים העליונות היו קופאות ושוקעות, עד שכל הימות והנהרות והאגמים היו קופאים מקרקעיתם ועד ראשם - ומקפיאים למוות את כל הדגה והחיים בתוכם. כל ים הקרח הצפוני היה הופך לגוש כבד ומוצק של קרח. מלבד השואה הימית, כמויות הקרח האדירות הללו היו נמסות במהרה בימות הקיץ החמים, וגורמים לתנודות מסוכנות בגובה פני הים. גם האגמים, הנחלים והנהרות היו מפשירים, וגורמים לזרמי מים אדירים שמציפים את הארץ. אלמלא חוק מופלא זה, וצריך לומר נס, היה משתנה העולם לבלי היכר.

האקולוגיה הימית היתה נהרסת, אך במצב כזה, גם בני אדם לא היו מסוגלים לשרוד את החורפים בארצות הקרות, ולא היו כיום מדינות באירופה, לא את רוסיה או ארצות הברית. בני האדם היו נאלצים להצטופף כחרקים באזורים הטרופיים החמים, ונלחמים ביניהם על שטחי מחייה קטנים.

זאת ועוד, כל הצמחייה שעל פני הארץ היתה נהרסת כליל ברוב כדור הארץ. אם הקרח היה מתכווץ, הוא היה מקפיא את העצים ומונע מהם קבלת חמצן - חונק אותם למוות, וכן מרסק את כל הפרחים והצמחייה העדינה בשל כובדו. כך היה הופך חצי מעולמנו לשממה מדברית!

אך בזכות האנומליה של המים, השלג הנו חומר בידוד מעולה: מאחר ששבבי הקרח לוכדים בתוכם אוויר, הם הופכים לשלג דק המכסה את כל העצים והצמחייה כסמיכה אוורירית בחורף, השומר עליהם מהקור והרוחות הקרות עד בוא האביב, ובו בעת מספק להם חמצן. בשעה שהטמפרטורה בחורף מסוגלת לרדת ל-10 עד 30 מעלות מתחת לאפס, נשמרת הצמחייה שמתחתיה כמו הדגים שבים.

כשהטמפרטורה חוזרת לעלות בימי האביב, במקום לגלות צמחייה נבולה ומתה שקפאה בימות החורף הקרים - השלג מגלה תחתיו צמחייה ירוקה חיה ונושמת! הרי זה אחד מפלאי הבריאה הגדולים ביותר של עולמנו, המאפשר הן את חיי הדגה העשירים, הן את חיי הצמחייה והעצים - האקולוגיה של הטבע, ובראשו את איכלוס העולם כולו ושימושו בידי האדם.

במקום להשמידם, הקרח מגן על היצורים החיים שמתחתיו. אקולוגיה ימית שלמה מתקיימת מתחת לפני ימים ואגמים קפואים למראה, אפילו כאשר הטמפרטורה באטמוספירה יורדת עד עשרות מעלות מתחת לאפס.

הקרח מהווה שכבה מבודדת לחיים, אך גם למים הנוזלים מתחתיהם - טמפרטורת המים מתחת לקרח תהיה תמיד מעל לאפס, ולכן ישארו נוזלים. בני אדם שגרים בארצות הקרות יכולים לשבור את הקרח וכך לשתות ולהשקות את הצומח, או לדוג דגים מתחת לקרח (כפי שהאסקימואים נוהגים).

אין זה המקום להרחיב בעוד פלא מופלא, אך מעניין לציין כי הדגים בקוטג הצפוני מוגנים מהקור בזכות מנגנון נוסף שהקב"ה טבע בגופם - חלבון מיוחד בדמם מונע יצירת גבישי קרח מזעריים, אשר היו מסוגלים ליצור פקקי קרח מיקרוסקופיים בכלי הדם שלהם ולגרום ל"סתימות".

בכתבה הבאה והאחרונה בסדרה זו, נעסוק בעז"ה בסודו השלישי המופלא של המים: נס המים המרחפים מעל ראשינו בצורת עננים.