Унікальні властивості води, дуже важливі для живих організмів, виявляються в своєрідному, майже винятковому поведінці води поблизу точки замерзання.
1. Щільність при to = + 4oC.
Загальновідомо, що з пониженням температури щільність більшості речовин зростає, а обсяг, яку він обіймав одиницею маси, відповідно зменшується. Та ж закономірність властива і воді, якщо її поступово охолоджувати ... але до температури (точніше, + 3,98oC). Подальше охолодження в інтервалі + 4o ... 0оC викликає її розширення.

Таким унікальним властивістю володіють далеко не всі речовини. Це (і інші властивості води) дозволило герою Андрія Бітова сказати:
"Вода! - ось що викриває у творенні творця, в творця - художника. Як там вона розширюється і стискається, кипить і замерзає єдиним і суперечливим способом з усіх рідин? ... З води і вийшла життя, що всім відомо. Так от не життя дивна, а - вода! Вона є подвиг творця, преступившего гармонію в ім'я життя. Не нам собі уявляти, чого це йому коштувало. Ось що він воістину створив! Воду ... від її краплі до нас з тобою меншу відстань, ніж від неживої матерії до води. Еволюція - це всього лише роман з неминучою розв'язкою; можливо, м и і закриємо всю книгу ... "
А. Бітов. Людина в пейзажі // "Новий світ" № 3, 1987

В результаті в водоймах взимку більш охолоджена вода, як менш щільна, піднімається вгору, а в придонному шарі зберігається температура + 4oC. Це забезпечує можливість нормального перенесення холодного сезону для водних організмів, у першу чергу - пойкілотермних жівотних.Впрочем, це ж ускладнює перемішування шарів води і надходження мінерального живлення в поверхневі шари (через що продуктивність океану істотно нижче продуктивності суші).

2. Лід має меншу щільність, ніж вода.
Більшість речовин в твердому стані мають б о більшу щільність, ніж в рідкому, а отже, тонуть, як, наприклад, твердий бензол в рідкому. Вода ж, замерзаючи, розширюється (як вісмут і срібло, ще два винятки). (Розгляньте це на графіку вище.) Причина такої аномалії в тому, що в кристалічній структурі льоду молекули як би "тримають" один одного на відстані витягнутої руки. У рідкому ж стані молекули води швидше нагадують пасажирів міського транспорту в "годину пік".
Питання 1. Порівняйте структуру льоду (праворуч) і води (зліва). Зверніть увагу на відмінність в щільності (кількості молекул в одиниці об'єму) і шестипроменеву симетрію, властиву кристалу льоду. Чи є якась впорядкованість, закономірність в розташуванні молекул води в рідкому стані?
Про особливий "льоді-9" з роману К. Воннегута "Колиска для кішки" см. тут .

для водних організмів меншої щільності льоду очевидно: якби лід був важчим за воду, він опускався б на дно, і водойма промерзав б повністю. Оскільки лід плаває на поверхні (а охолоджена вода з to = + 4o ... 0оC також не опускається вниз через меншу щільність), у воді зберігаються сприятливі (або хоча б терпимі, в межах толерантності) умови для живих організмів. Питання 2. Подумайте, в яких випадках властивість льоду мати обсяг більший, ніж у такої ж кількості води, шкідливо для живих організмів? Чим шкідливе? Як живі організми виходять з положення? (Підказка: ключовий термін для відповіді на третю частину питання - кріопротектори). UPD. Стаття Джірла Уолкера "Незвичайні фігури, що з'являються в замерзає воді і плавкими льоду" ( "В світі науки", рубрика "Наука навколо нас", 1986, № 9, с. 84: справа - рис. Зі статті - фігури Тиндаля в льоду).
крижані квіти (Незвичайне арктичне явище утворення кристалів заввишки в декілька сантиметрів на тонкому льоду, зліва , стаття англійською ).

бурульки
Зліва - фото зі статті A.SH. Chen і SW Morris (Університет Торонто, Канада), які показали, що складчастість у бурульок обумовлена ​​присутністю і концентрацією солей ( текст , абстракт , відео ).
Цікаво, що бурульки досить часто утворюють гауссіану - криву нормального розподілу (Праворуч - фотографія сусідського балкона і звідси ).

3. Сніжинки

Уважне знайомство з молекулярною структурою кристала льоду дозволяє відповісти і на цікавило з дитинства питання: чому сніжинки шестипроменеві?
Історії вивчення сніжинок присвячена стаття в англомовній Вікіпедії. Першими придивилися до сніжинкам китайці в 150 році до н.е. Вперше докладно гексагональную структуру сніжинки описав Йоганн Кеплер у праці Strenaseu De Nive Sexangula в 1611 році.
Першим фотографувати сніжинки навчився Вілсон Бентлі (Wilson Bentley) в 1885 році, він сфотографував близько 5000 сніжинок (рисунок ліворуч на синьому тлі - з його фотографій , стаття про нього, книга Snowflakes: a Chapter from the Book of Nature , 1863).
Найбільша сніжинка зафіксована в 1887 році і була 38 см в діаметрі ( стаття ).

За записи в блозі progenes "Про сніжинки" .

анімація справа звідси , сайт SnowCrystals .com, автор Kenneth G. Libbrecht .
Комп'ютерного моделювання сніжинок присвячений сайт Gravner-Griffeath Snowfakes (Наприклад, слайд шоу ).
Про фрактальних структурах, прикладом яких можуть служити і сніжинки, а також морозні візерунки на склі, см. тут .

Діаграма залежності форм сніжинок від температури і насиченості водяної пари (в г / м3) - справа, по NewScientist . Див. Також розробку для школярів Snowstorms на сайті NASA , в т.ч. діаграму :
Питання 3 (проектне завдання). 3-1. Дочекайтеся снігопаду і підрахуйте кількість сніжинок різних типів, зафіксувавши при цьому погодні умови, в яких проводилося дослідження (можна перевести інструкцію по проведенню спостережень і таблицю для підрахунку типів сніжинок ).
3-2. Створіть дерево типів сніжинок за матеріалами сайту A Guide to Snowflakes . Пор. дерево визначення рослин , филогенетические дерева і кладистики ).