ทำไมน้ำร้อนถึงหนาแน่นน้อยกว่าน้ำเย็น?

น้ำร้อนและน้ำเย็นเป็นรูปแบบของเหลวของ H2O แต่มีความหนาแน่นต่างกันเนื่องจากผลกระทบของความร้อนต่อโมเลกุลของน้ำ แม้ว่าความหนาแน่นจะแตกต่างกันเล็กน้อย แต่ก็ส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ เช่น กระแสน้ำในมหาสมุทร ซึ่งกระแสน้ำอุ่นมักจะลอยขึ้นเหนือกระแสน้ำที่เย็น

น้ำเย็นจะหนาแน่นกว่าน้ำอุ่นเสมอ การเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นมีจำนวนประมาณ 4 ในสิบของหนึ่งเปอร์เซ็นต์ระหว่างจุดเยือกแข็งที่ใกล้ถึงจุดเยือกแข็งและ 30 องศาเซลเซียส (86 องศาฟาเรนไฮต์) แม้ว่าจะมีขนาดเล็ก แต่ความแตกต่างทำให้น้ำอุ่นสามารถ "ลอย" บนน้ำเย็นได้ ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นทุกวันในมหาสมุทรของโลก

สาเหตุที่น้ำอุ่นมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำเย็นก็คือความร้อนนั่นเอง เมื่อความร้อนถูกนำเข้าสู่น้ำ (จากแหล่งกำเนิดเช่นดวงอาทิตย์) โมเลกุลของมันจะตื่นเต้นด้วยพลังงาน พวกมันเริ่มเคลื่อนที่เร็วขึ้น ดังนั้นเมื่อชนกัน พวกมันก็จะกระเด้งห่างออกไป ช่องว่างที่เพิ่มขึ้นระหว่างโมเลกุลที่เคลื่อนที่เร็วจะลดความหนาแน่นลง

น้ำเย็นมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำร้อนเนื่องจากโมเลกุลของน้ำมีความเฉื่อยมากกว่า การสั่นสะเทือนและการเคลื่อนไหวจะช้าลงและกระฉับกระเฉงน้อยลง โมเลกุลจะกระเด้งและกระแทกกันน้อยลง จึงสามารถรวมเข้าด้วยกันในพื้นที่ที่เล็กกว่าได้ เนื่องจากถูกอัดแน่นมากขึ้น ความหนาแน่นของน้ำจึงมากขึ้น

เนื่องจากน้ำอุ่นมีความหนาแน่นน้อยกว่า เมื่อน้ำอุ่นและน้ำเย็นมาบรรจบกัน น้ำอุ่นจะลอยขึ้นสู่ยอด นักวิทยาศาสตร์เรียกสิ่งนี้ว่า "การพาความร้อน" กระบวนการนี้บางครั้งทำให้เกิดวัฏจักรที่ทำให้น้ำที่ผิวทะเลสาบได้รับความร้อน ในเวลากลางวัน จากนั้นจะเย็นตัวลงและจมลงในตอนกลางคืน ทำให้เกิดการไหลเวียนที่ช้าและต่อเนื่องจากส่วนลึกสู่พื้นผิวและด้านหลัง อีกครั้ง

มวลของน้ำอุ่นขึ้นเหนือน้ำเย็นในมหาสมุทรโลก เมื่อได้รับกระแสน้ำ น้ำอุ่นในเขตร้อนจะถูกส่งไปยังเสาในลักษณะที่เคลื่อนไหวเหมือนสายพานลำเลียง โดยมีน้ำเย็นอยู่ข้างใต้ การแบ่งอุณหภูมิเรียกว่าเทอร์โมไคลม์ กระแสน้ำกัลฟ์สตรีมเป็นตัวอย่างหนึ่งของปรากฏการณ์นี้ และวัฏจักรของการเพิ่มน้ำอุ่นในเขตร้อนก็ส่งผลกระทบต่อสภาพอากาศในพื้นที่กว้างใหญ่เช่นกัน ตัวอย่างเช่น ลอนดอนไม่หนาวเท่าคาลการี แม้ว่าจะเป็นละติจูดเดียวกัน เนื่องจากได้ประโยชน์จากกระแสน้ำกัลฟ์สตรีม น้ำทะเลไม่ได้เคลื่อนไหวอย่างสงบเสมอไป บางครั้งเมื่อน้ำร้อนและน้ำเย็น (และมวลอากาศ) มาบรรจบกัน ผลลัพธ์ก็คือพายุหรือแม้แต่พายุเฮอริเคน