نحن نستهلك الماء، ونمارس فيه الأنشطة المائية، ونستخدمه في التطهير، ونستخدمه في خفض درجات الحرارة. ونظراً لانتشاره في كل مكان، يتجاهل العديد من الأفراد خصائص الماء عند مقارنته بمواد أخرى. عندما نضيف مكعباً أو اثنين من مكعبات الثلج إلى مشروبنا خلال المواسم الأكثر دفئاً، فإننا نلاحظ بقاءه واقفاً على قدميه فوق السائل داخل كأسنا دون مزيد من التفكير. ومع ذلك، قد يتساءل المرء لماذا يُظهر الجليد هذا السلوك، والأهم من ذلك، لماذا يمر الماء بمرحلة انتقالية من السائل إلى الصلب بدءاً من السطح إلى الأسفل، على عكس معظم المواد الأخرى التي تتصلب من الأسفل إلى الأعلى؟
يتجمد الماء من الأعلى إلى الأسفل، وهو ما يسمح للجليد بالطفو، بسبب خاصية غريبة تتعلق بكيفية سلوك كثافة الماء عند انخفاض درجات الحرارة. الكثافة هي كتلة وحدة الحجم من مادة مادية؛ إنه في الأساس مقياس لمدى تقارب ذرات وجزيئات المادة. بالنسبة لمعظم المُرَكَّبات، يؤدي انخفاض درجات الحرارة إلى تقلص حجم المركب بينما تزداد كثافته، حيث تصبح الذرات والجزيئات متقاربة معاً بشكل أوثق. على سبيل المثال، يصعد جيب من الهواء الدافئ ويتوسع؛ لأنه أقل كثافة من الهواء البارد المحيط به. وعلى العكس من ذلك، ينزل جيب من الهواء البارد وينكمش، ويصبح أكثر إحكاماً وكثافة قليلاً عند سقوطه. يتصرف الماء بشكل مشابه ولكن فقط عند درجة حرارة معينة. ستزداد كثافة مياه التبريد حتى تصل درجة حرارة الماء إلى 4 درجات مئوية (39.2 درجة فهرنهايت). إذا استمر الماء في البرودة، ستبدأ كثافته في الزيادة مرة أخرى، وسوف يتمدد الماء (الآن في حالته الصلبة). وهذه الخاصية للمياه هي التي تسمح للثلج بحفر شقوق مفتوحة في الأرصفة والصخور وتتسبب في انفجار علب وزجاجات المشروبات الغازية في الثلاجة.
عند 4 درجات مئوية، يبقى الماء في حالته السائلة. وفي المسطحات المائية مثل البحيرات والأنهار، يبرد هذا الماء السائل على السطح، وتزداد كثافته، ثم يغوص. عندما تقترب درجة حرارة الماء من نقطة التجمد (0 درجة مئوية [32 درجة فهرنهايت])، فإنه يصبح أقل كثافة مقارنة بالمياه المحيطة، مما يؤدي إلى صعوده إلى الطبقات العليا من عمود الماء. إذا تجمدت المياه من الأسفل إلى الأعلى في بحيرة أو نهر، فسيكون لذلك آثار بيئية كبيرة. سوف تتصلب المسطحات المائية الضحلة تمامًا. وما لم تمتلك النباتات والحيوانات وأشكال الحياة الأخرى تكيفات تمنع أنسجتها من التجمد، فسوف تهلك. في البحيرات الأكثر اتساعًا، قد تؤدي طبقة الجليد والطين في القاع إلى تبريد المياه المغطاة، مما قد يؤدي إلى تباطؤ معدلات التمثيل الغذائي ونمو الكائنات الحية التي استمرت في الأجزاء السائلة أعلاه. في ظل هذه الظروف، سيتغير مظهر الأرض بشكل ملحوظ؛ وستكون مناطقها القطبية خالية من الحياة تقريبًا، وستواجه الكائنات الحية في خطوط العرض الوسطى سنويًا تحدي الوصول إلى الماء السائل في الموائل التي أصبحت متصلبة.
