מים מתפשטים כאשר הם קופאים ועל כן אנו מניחים, בטעות, שכאשר הם מפשירים וגודלם קטן, גובה פני המים יורד. לחלופין, בגלל שחלק מהקרח צף מעל המים, אנו חושבים שכאשר הקרח מפשיר פני המים יעלו. למעשה, על פי עיקרון ארכימדס, אין זה נכון כלל וכלל.
נסביר תחילה מהי ציפה: ציפה היא למעשה היכולת של גוף לצוף בנוזל. דבר זה מתרחש אם הגוף הוא פחות צפוף מסביבת הנוזל שבה הוא שרוי. כוח ציפה, כלפי מעלה, פועל על גוף שנמצא בתווך כלשהו (נוזל או גז). כוח זה שווה למשקלו של תווך בעל נפח זהה. הגוף שנמצא בתוך התווך "דוחק" חלק מהתווך בנפח זהה לשלו. הן לגוף הדוחק והן לתווך הנדחק יש צפיפות, המתבטאת ביחס בין המסה לנפח. מכאן נובע שאם צפיפותו של הגוף קטנה מצפיפותו של התווך אזי הגוף יצוף (כי כוח הציפה שווה למשקל התווך שנדחה והוא גדול יותר ממשקל הגוף), ואם להפך - הוא ישקע.
אגב, אנו רגילים לחשוב שהציפה על-פני המים תלויה בעיקר במשקל. אולם אנו ערים לעובדה שאדם שמן צף בקלות רבה יותר מאדם רזה. אך כפי שהסברנו, בציפה לא המשקל קובע אלא מה שקובע הינו למעשה היחס בין מסת הגוף לבין נפחו.
כאשר קוביית קרח, או קרחון שהוא קוביית קרח ענקית, צף במים, אז על פי הגדרה משקל קוביית הקרח זהה בדיוק לכח הציפה, אשר שווה למשקל המים שנדחו. כאשר הקרח מותך לנוזל, הנפח שלו משתנה אך משקלו נשמר (חוק שימור המסה). למים שנוצרו מהפשרה של קוביית הקרח יש בדיוק אותו משקל כמו של המים שנדחו ע"י קוביית הקרח כאשר היא היתה קפואה—על כן, הנפח של המים מהקרח שהותך מתאים בדיוק לנפח הדחוי—וגובה המים נשאר למעשה אותו הדבר.
חשוב להדגיש כי טיעון זה תקף רק אם קוביית הקרח הינה עשויה מאותו נוזל שבו היא שרויה (המים). זה נכון, לדוגמא, עבור הקרח הארקטי הצף בקוטב הצפוני שעשוי ממי-ים קפואים. אולם, אין הדבר נכון עבור קרחונים יבשתיים ( glaciers) באנטארטיקה, שהם בלוקים של מי קרח מתוקים מהיבשת שצפים בים שמימיו מלוחים. במקרה זה, עלינו גם לקחת בחשבון שהמים המלוחים דחוסים יותר מאשר המים המתוקים. (כידוע, קרחון יבשתי הוא למעשה נהר קרח שנוצר משכבות דחוסות של שלג ואשר נע באיטיות כתוצאה מכוח הכבידה).
הקרחונים העשויים מים מתוקים שוקלים בדיוק כמשקל המים המלוחים הדחויים, אך בגלל השוני בצפיפות, נפח של מים-מתוקים שנמסו יהיה קצת יותר גדול מאשר נפח המים המלוחים הדחויים. מכאן אנו מסיקים, שבמצב עניינים שכזה שבו קרחונים מפשירים, מפלס המים יעלה, על אף שההבדל הינו קטן מאוד. (אם הקרח מפשיר בעקבות עלייה בטמפרטורה של המים, אז מפלס המים עלול לעלות בגלל התפשטות תרמית—הקשורה, אך לא בגלל, הפשרת הקרח). זוהי בעיית מפתח בהתחממות כדור הארץ: קרח שכיסה יבשת כמו אנטארטיקה וגרינלנד מפשיר ומתווסף לגובה הים.
אם הציפה היא כזו שהגוף הצף דוחה נפח מים הזהים למשקלו שלו, אז מדוע לדאוג על הקרחונים-ימיים (icebergs), שמפשירים מהתחממות הארץ, אם הם למעשה אינם גורמים לעליית מפלס הים? נכון הדבר שקרחונים יותכו לנפח של המים שהם דוחים ועל כן לא יעלו את מפלס הים. אולם, הדאגה היא לא עבור קרחונים נמסים אלא עבור קרחונים יבשתיים ( glaciers) שמפשירים. כפי שציינו, קרחונים יבשתיים הם על האדמה ועל כן הם לא מותכים לנפח שהיה דחוי מלכתחילה אלא תורמים למפלס האוקיינוסים כאשר הם זולגים לאוקיינוסים. קצותיו של הקרחון היבשתי מתמוססים, והמים זורמים מהם אל הים, עם שברי קרחונים גדולים שניתקו מהקרחון היבשתי.
מאת: חיים ברק
המחלקה לפיזיקה של חלקיקים ואסטרופיזיקה
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.