Mengapakah Ais Terapung di Atas Air?

Masukkan seketul kiub ais ke dalam segelas air dan sebahagiannya akan muncul di atas permukaan. Pemerhatian mudah ini mendedahkan sifat air yang luar biasa: apabila air biasa membeku pada tekanan atmosfera, struktur pepejalnya mengambil lebih banyak ruang bagi jisim yang sama. USGS menyatakan bahawa ketumpatan ais berkurang kira-kira 9% apabila air membeku.

Terapung ditentukan oleh ketumpatan dan daya apungan

Ketumpatan ditakrifkan sebagai jisim per unit isi padu, iaitu ρ = m/V, dengan ρ ialah ketumpatan, m jisim dan V isi padu. Apabila sesuatu objek berada di dalam air, tekanan air menghasilkan daya paduan ke atas yang dipanggil daya apungan. Menurut prinsip Archimedes, magnitud daya apungan sama dengan berat bendalir yang disesarkan. Ais yang terapung mencapai keseimbangan apabila daya apungan sama dengan berat ais.

Oleh sebab ais biasa kurang tumpat daripada air cecair, ia hanya perlu menenggelamkan sebahagian isi padunya untuk menyesarkan air yang beratnya sama dengan beratnya sendiri. USGS menerangkan bahawa ketumpatan ais biasa kira-kira 90% daripada ketumpatan air cecair, walaupun nilai sebenar bergantung pada suhu, tekanan dan kandungan udara atau bendasing dalam ais. Inilah sebabnya sebahagian besar bongkah ais yang terapung berada di bawah permukaan, bukan di atasnya.

Mengapa ketumpatan berkurang apabila air membeku?

Molekul air terdiri daripada dua atom hidrogen dan satu atom oksigen. Pengagihan cas dalam molekul menyebabkan molekul air berinteraksi antara satu sama lain, termasuk melalui ikatan hidrogen. Dalam air cecair, rangkaian ikatan hidrogen sentiasa berubah. Molekul mempunyai kebebasan susunan yang lebih besar dan, secara purata, boleh menghuni ruang dengan lebih rapat berbanding struktur ais biasa. Apabila air membeku menjadi ais biasa pada tekanan atmosfera, molekul tersusun dalam rangkaian kristal yang mempunyai lebih banyak ruang terbuka.

IAPWS menerangkan bahawa struktur pepejal ais mempunyai ruang terbuka tambahan berbanding struktur air cecair, dan struktur terbuka inilah yang menjadikan ais kurang tumpat sehingga terapung. Oleh itu, penerangan bahawa "molekul air mengembang apabila membeku" tidak tepat. Molekul H₂O tidak perlu membesar. Yang berubah ialah susunan molekul.

Air paling tumpat bukan pada takat beku

Keanehan air tidak berhenti pada perbezaan antara ais dengan cecair. Bagi air tulen berhampiran tekanan atmosfera, ketumpatan mencapai maksimum sekitar 4 °C, bukannya tepat pada takat beku. USGS memberikan nilai sekitar 0.99984 g/mL pada 4 °C dalam satu jadualnya dan menerangkan bahawa air pada suhu sekitar ini lebih tumpat daripada air yang lebih hampir kepada 0 °C.

Apabila air disejukkan dari suhu bilik menuju kira-kira 4 °C, kecenderungan biasa penyejukan untuk meningkatkan ketumpatan mendominasi. Apabila suhu terus menurun menghampiri takat beku, kecenderungan molekul air membentuk susunan yang lebih terbuka seperti dalam ais menjadi semakin ketara. IAPWS menerangkan persaingan antara dua kecenderungan ini sebagai asal maksimum ketumpatan air sekitar 4 °C. Maka hubungan antara suhu dengan ketumpatan air tidak berupa garis lurus yang mudah.

Mengapa tasik membeku dari atas?

Sifat ini mempunyai akibat besar dalam perairan tawar di kawasan sejuk. Apabila permukaan tasik menyejuk, air yang menjadi lebih tumpat cenderung tenggelam dan bercampur dengan air di bawahnya. Namun apabila suhu air permukaan turun di bawah suhu ketumpatan maksimum, iaitu kira-kira 4 °C, air itu menjadi kurang tumpat dan cenderung kekal berhampiran permukaan. Apabila akhirnya membeku, ais yang terbentuk lebih ringan bagi isi padu yang sama lalu terapung, dan lapisan ais itu kemudian memisahkan air di bawahnya daripada udara sejuk secara langsung.

USGS menyatakan bahawa jika air berkelakuan seperti kebanyakan bahan dan ais tenggelam, tasik boleh cenderung membeku dari bawah ke atas dan sesetengah badan air mungkin membeku dengan jauh lebih menyeluruh. Namun kita tidak patut menyimpulkan bahawa air di bawah ais sentiasa tepat 4 °C, kerana tasik sebenar dipengaruhi kedalaman, angin, aliran, saliniti, pemindahan haba dan keadaan setempat.

Adakah "ais sentiasa terapung" satu hukum tanpa pengecualian?

Tidak. Pernyataan yang tepat ialah ais air biasa terapung dalam air biasa di bawah keadaan lazim kerana ketumpatannya lebih rendah. USGS memberikan satu contoh yang menguji generalisasi ini: "air berat" mengandungi lebih banyak deuterium, iaitu isotop hidrogen yang mempunyai neutron tambahan, dan ais daripada air berat boleh menjadi lebih tumpat daripada air biasa lalu tenggelam di dalamnya.