Why does ice float on water? The 9% that keeps lakes alive in winter

Drop an ice cube into a glass and it bobs. Drop a lump of solid candle wax into melted wax and it sinks. Almost every substance on Earth behaves like the wax — the solid form is denser than the liquid, so it goes down. Water is the famous exception, and that exception is the reason fish are still alive under a frozen lake.

When water cools, it contracts like anything else, but only down to about 4°C. That is where liquid water reaches its maximum density. Cool it further and it starts to expand again. At 0°C it freezes, and the molecules lock into an open hexagonal lattice with gaps built into it. Those gaps make ice roughly 9 percent less dense than the water it came from — about 917 kilograms per cubic metre against 1,000. Less dense means it floats, with about nine tenths of its bulk hidden below the surface. That is why only the tip of an iceberg shows.

The consequence scales up. A lake in a Japanese winter freezes from the top down, not the bottom up. The sheet of ice acts as a lid that slows heat escaping, and the water underneath settles at around 4°C — cold, but liquid. Fish, insect larvae and water plants pass the winter in that layer. If ice sank instead, lakes and shallow seas would freeze solid from the floor upward each year, and life as we know it would have had a much harder start.

This story is written at six Japanese school-grade levels. The Grade 1 version uses only first-grade kanji; the Grade 6 version reaches sixth-grade words such as 密度 and 存在. Pick the level that matches what you already know and read it in real Japanese, with furigana and a sentence-by-sentence translation beside it.

Thả viên đá vào ly, nó nổi. Thả cục sáp nến đã đông vào sáp đang chảy, nó chìm. Gần như mọi chất trên Trái Đất đều xử sự như cục sáp kia — thể rắn đặc hơn thể lỏng nên nó đi xuống. Nước là ngoại lệ nổi tiếng, và chính cái ngoại lệ đó là lý do đàn cá vẫn sống dưới mặt hồ đóng băng.

Nước lạnh đi thì co lại như mọi thứ khác, nhưng chỉ co tới khoảng 4°C. Đó là điểm nước lỏng đặc nhất. Lạnh hơn nữa, nó bắt đầu nở ra trở lại. Tới 0°C nước đóng băng, các phân tử khoá vào một mạng lục giác rỗng, có sẵn khe hở bên trong. Chính những khe đó khiến băng nhẹ hơn nước chừng 9 phần trăm — khoảng 917 kilogam mỗi mét khối so với 1.000. Nhẹ hơn nghĩa là nổi, với chừng chín phần mười khối băng nằm khuất dưới mặt nước. Vì thế tảng băng trôi chỉ ló ra có cái chóp.

Hệ quả được nhân lên ở quy mô lớn. Mùa đông Nhật Bản, hồ đóng băng từ trên xuống chứ không phải từ dưới lên. Lớp băng thành cái nắp làm nhiệt thoát chậm lại, còn nước bên dưới ổn định quanh 4°C — lạnh, nhưng vẫn lỏng. Cá, ấu trùng côn trùng và rong nước qua đông trong lớp nước ấy. Nếu băng chìm, hồ và biển nông sẽ đóng cứng từ đáy lên mỗi năm, và sự sống như ta biết đã có một khởi đầu khó khăn hơn nhiều.

Câu chuyện này được viết ở sáu cấp lớp tiếng Nhật. Bản lớp 1 chỉ dùng kanji lớp 1; bản lớp 6 chạm tới những từ lớp 6 như 密度 và 存在. Chọn cấp khớp với vốn chữ bạn đã có rồi đọc bằng tiếng Nhật thật, có furigana và bản dịch từng câu bên cạnh.