רוב החומרים בכדור הארץ מצויים באחד משלושה מצבי צבירה: מוצק, נוזל או גז. בלחץ אטמוספרי קבוע, מצב הצבירה של החומר תלוי בטמפרטורה שלו בלבד, שהיא מדד לאנרגיה הפנימית של החלקיקים המרכיבים אותו; בעוד העלאת הטמפרטורה תגרום לחלקיקי החומר לרטוט ולנוע מהר יותר, הורדת הטמפרטורה תגרום להם להאט. עבור רוב החומרים, מסתדרות המולקולות באופן קומפקטי יותר במצב צבירה מוצק מאשר בנוזל. לכן, בעת מעבר מנוזל למוצק קטן לרוב נפח החומר. מים הם אחת הדוגמאות הבודדות לחומר שנפחו במצב מוצק גדול יותר מנפחו במצב נוזלי.
 
בעת קירור, נפחם של רוב הנוזלים בטבע קטן. לעומת זאת, חלק קטן מהנוזלים - המפורסם בהם הוא מים - דווקא מתרחבים בקירור מתחת לטמפרטורות מסוימות. בעוד נפחם של המים ירד בקירור לטמפרטורה של עד ארבע מעלות צלסיוס, אם נמשיך לקרר אותם מתחת לטמפרטורה זו, יתחיל נפחם לעלות. לא מאמינים? הציצו בפריזר. קוביות הקרח במגש שלכם תמיד "גולשות" מעט מעל לשפתו, נכון? הסיבה להתנהגות זו טמונה במבנה הזוויתי המיוחד של מולקולת המים.

בתיאור הקלאסי, כל אטום מורכב מגרעין בעל מטען חיובי המוקף באלקטרונים בעלי מטען שלילי. אך לא כל החומרים בטבע עשויים מאטומים בודדים. מים, למשל, היא מולקולה - שילוב של מספר אטומים המשתפים ביניהם את האלקטרונים שלהם. במקרה של מים, מתרכבים שני אטומי מימן עם אטום חמצן אחד ליצירת מין מבנה משולש בעל זווית ראש קבועה (פחות או יותר). אטום החמצן מקרב אליו מעט יותר את האלקטרונים המשותפים, וגורם לכך שבקצה האחד של המולקולה יתרכז מטען שלילי. בקצה השני, בשל ריחוק האלקטרונים, נוצר עודף של מטען חיובי. לפיכך, מודל טוב למולקולת המים מכונה "מודל הדיפול החשמלי"; מקלון שבקצהו האחד מטען חיובי ובקצהו השני מטען שלילי. במים, מאחר ואטום החמצן יחסית קטן, האלקטרונים המשותפים קרובים לגרעין ונמשכים אליו בחוזקה. במצב זה נשאר גרעין אטום המימן ללא אלקטרונים; מה שהופך את הדיפול החשמלי של מולקולת המים לחזק במיוחד. דיפול זה כה חזק עד שהוא גורם למים להישאר נוזליים בטמפרטורת החדר - זאת בניגוד למולקולות קטנות וקלות אחרות כמו פחמן דו חמצני, למשל.
 
במצבן הטבעי, נעות ורוטטות מולקולות מים הנמצאות בכוס במהירויות ובכיוונים שונים. כאשר מקררים את המים בכוס, יורדת האנרגיה של המולקולות המרכיבות אותם; הן נעות ורוטטות פחות ופחות. בשלב מסויים יורדת האנרגיה במידה כזו שהכוח החשמלי הפועל בין המולקולות (כוח בו מטענים זהים דוחים זה את זה ומטענים מנוגדים מושכים זה את זה) מכתיב את הצורה בה הן יקפאו. כעת, מסתדרות המולקולות ביניהן בצורה שאינה הקומפקטית ביותר.

בשל הכוחות החשמליים הפועלים בין המולקולות, תופס הסידור הזה מקום רב יותר מזה שתפסו מולקולות המים קודם לכן, במצבן הנוזלי. מסיבה זו יתפוס קרח נפח רב יותר ממים נוזליים.
 
ואיך זה קשור לחיים? ממדידות רבות אנו יודעים שכדור הארץ עבר מספר תקופות בהן פני השטח שלו היו מכוסים לגמרי בקרח. ישנם אפילו חוקרים הקוראים לעידנים אלו "כדור ארץ-שלג" ("Snowball Earth", באנגלית זה נשמע טוב יותר), בהם כל שטחו של כדור הארץ היה קפוא לגמרי [1]. כיצד שרדו החיים על פני כדור הארץ את עידני הקרח הללו, בהם היו כל המים קפואים במשך לפחות כמה עשרות-אלפי שנים? הסוד הוא באנומליה של המים.
 
כאשר חומרים "רגילים" - כמו לבה, למשל - מתמצקים, נפחם יורד. דמיינו אגם לבה שחלקו העליון מתקרר ומתמצק לסלעים. מה יקרה לסלעים? נפחם ירד, צפיפותם תעלה, והם ישקעו לתחתית האגם. עכשיו קחו אגם מים; באגם זה, מתקררים המים ליד השפה וקופאים גם הם, בדיוק כמו הלבה. בניגוד ללבה, נפחם של המים עולה, צפיפותם יורדת, והם צפים ומכסים את פני האגם; מתחת לשכבת הקרח המבודד נשארים מים נוזליים בטמפרטורה המאפשרת קיום חיים. טוב, זה רק אם אתם קוראים ל-להיות כלוא מתחת לשכבת קרח עבה במשך עשרות אלפי שנים חיים. בטח היו להם שם מסיבות משוגעות.

מקורות:

1. http://science.sciencemag.org/content/281/5381/1342.

קריאה נוספת:

1. פוסט שכתבנו בעבר על האנומליה של המים
2. פוסט בבלוג "חיידקים, נגיפים ושאר 'ירקות'" בנושא הישרדות חיים בקרח