假定水的密度在0℃最大

假定水的密度在0℃最大 假定水的密度在0?最大 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，惟独水例外[1]。液态水的密度在4?最大。在温度高于4?时，水的密度的确是随着温度的降低而增加，但是在0,4?的范围内，水的密度却随着温度降低而减小，直至冰点。正是这个特性使得4?的水下沉，水体从面至底部形成由低到高的温度梯度抑制对流，我们才能在寒冬看到淡水湖泊表面的冰层之下却是液态的水，而湖泊的底部是稳定的4?水域供鱼类等水生生物安度严寒。可以说水的这一特性是淡水水生生物在严冬得以生存的基本保障。 水分子的独特的结构决定了这种反常的物理性质。水的微观结构中，任何相邻的直接通过氢键相连的两个氧原子之间距离都接近于0.28nm，但是距离最近的两个非相邻氧原子的间距则存在着较大的变化。这导致液态水中同时存在两种结构:ES(expanded structure)和CS(collapsed structure)[1，2]。ES中此间距为0.45nm，故呈ES结构的水的密度较小。CS中这个距离随着氢键的弯曲变成了0.35nm，显然原子的排列更为紧凑，密度较大。冰中不存在密度较大的CS。当温度由冰点逐渐升高时，水中同时存在两种截然相反的作用力。一方面，越来越多的ES结构塌陷转变为CS，促使水密度增大。另一方面，升温带来的热膨胀又倾向于使水的密度减小。在温度处于0??4?之间时，结构的塌陷起主导作用，故表现为水的密度随温度的升高而增大[3]。4?是两种作用的平衡点，当温度高于此时，水密度由于热膨胀而随温度的升高而减小。 假如水在0?时密度才最大，将会是怎样一种情况呢,水在0? 时密度最大即意味着水的密度随着温度的下降而上升。首先我们来看看水体在秋冬的降温过程。水体降温时，外界气温低于水温。温度较高而密度较小的上层水与低温空气接触后变冷，密度随之增大，而流体中密度较大的组分会由于重力作用沉降到底部。这样就不难想象，表层的冷水与下层的温水之间会持续发生对流，与冷空气相接触的水始终是水体中温度最高的。这就意味着表层水与空气之间保持始终保持最大的温差，整个水体以最快的速度向外界释放着能量，即随着气温的降低，水体以最快的速度降温,直到整个水体与外界温度一致时，这种对流才会停止。此时，整个水体为与外界温度相等的等温体。当外界气温降到0?以下时，不难想象，水体会倾向于形成0?的等温体。在这个等温体形成之前，温度高于0?的水不断通过对流跑到表面来，表面不会结冰。而一旦这个0?的等温体形成，它就像一种超饱和溶液，在继续失去热量后会从水的表 面到湖泊底部以极快的速度结成一整块的冰。而现实中的水在4?时密度最大就杜绝了这种迅速结冰的可能性。当温度降至4?以下时，4?的水密度最大降到水底，表层的水温度降低后由于密度减小而停留在表面。这样，自上向下形成一个由低到高的温度梯度(同时也是密度梯度)。这会有效的阻止对流的发生，降低水体的散热速度，使水体倾向于形成4?的等温体。即便表层的水温降到0?凝固，水体的下层仍然可以是温暖的4?的水域供水生生物安度严冬。而且冰盖本身还有一定的隔热作用。可以说，水在4?密度最大保证了水体在气温降低时最大限度的保存热量。 让我们再来看看这样形成的冰在春、夏天融化的情景。阳光的照射会使冰的表面迅速升温，冰就开始融化成水。但由于刚融化的水的温度是0?，而0?的水密度最大，因此就停留在未融化的冰的表面不会上升到水的表面来，这样冰块的上表层迅速根据密度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，湖泊上却只有浅浅的水层，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4?的高温水层，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，4?最大的水是放热慢，吸热快。而0?最大的水则恰恰相反，放热快，吸热慢。这样便极有可能一年下来，水体放出的热量大于其吸收的热量，表现为整个水体热量的负积累。年复一年，水体温度越来越低，直至整体结冰。 这样的局面对于地球的生物来说是极为不利的。首先，迅速结冰对大型水生生物的打击注定是致命的。无论是凭借运动捕食的动物还是依靠根吸收养分的植物都不得不面对一场突然降临的食物危机。更关键的是，低于0?的环境温度会导致细胞内出现冰晶，破坏细胞膜和各种细胞器的结构，最终导致个体的死亡[4]。缺少了从生产者到消费者的大型生物，就算少量微生物及浮游生物可以借助于细胞内特殊化学组分或形成芽孢等休眠结构来适应极端寒冷的环境，淡水生态系统也必定无可挽回的陷入沉寂。其次，两栖类等对淡水依赖性极强的生物也会受到极大的影响。两栖纲[5,6]现存三个目:无足目数量极少，地下穴居;有尾目数量也不多，但多数种类终生水生;无尾目是两栖动物的主体，幼体水生，成体陆生。除少数种类外，两栖动物大多在淡水中进行体外受精，幼体在水中生长。成体虽已登陆，但由于其皮肤裸露，表皮轻微的角质化只能在一定程度上防止水分的蒸发，无法从根本上解决失水的问题，因而只能在潮湿的环境中生活，不能长时间离开水源。而且两栖动物不具备海生动物的排盐保水的功能，无法适应海洋的高渗环境，只能依赖淡水而生存。显然，0? 水的密度最大对两栖动物的打击是极大的，尤其 是对有尾目和无尾目的成员。一方面，迅速结冰导致绝大多数淡水生物的死亡，两栖动物很难从水体中得到足够的食物。另一方面，冰融化速度的减慢导致淡水水域的缩小，两栖动物幼体的生存空间也大幅度减小。此外，冰期延长带来的气候变化也会给两栖动物成体的生存带来巨大的威胁。冰冻会间接导致气候的变冷与干燥，这与两栖类赖以生存的温暖潮湿环境明显格格不入。综合上述各因素，两栖动物的数量定会锐减。而两栖动物在食物链中大多处于下层，它们的消失对广大的其它陆生生物产生的影响又该如何估价, 假如水在0? 密度最大，现在的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。适者生存意味着在截然不同的环境下，会有截然不同的物种存留下来。这样便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。