Kitabı oku: «Кто есть кто в мире природы»

Г. П. Шалаева, Е. В. Ситникова, В. П. Ситников

Yazı tipi:

* * *

Вода

Что такое вода?

Когда ученые пытаются найти жизнь на других планетах, они часто задают вопрос: «А есть ли там вода?» Как мы знаем, без воды жизнь существовать не может.

Вода – это жидкость без вкуса, запаха, цвета, которая входит в состав всех живых существ. Она имеется в почве и в воздухе.

Живые организмы потребляют только ту пищу, которая растворена в воде. Живые ткани в основном состоят из воды.

Что входит в состав воды? Это простое соединение двух газов: очень легкого газа водорода и более тяжелого, активного газа кислорода.

При сгорании водорода в кислороде образуется вода. Но по своим характеристикам вода не похожа на составляющие ее элементы. Она обладает своими свойствами.

Вода, как и многие другие вещества, имеет три основных состояния: жидкое (обычное), твердое, называемое «лед», и газообразное, или «водяные пары». Состояние воды зависит от ее температуры.

При 0°С вода из жидкого переходит в твердое состояние, или замерзает. При температуре 100°С вода из жидкого переходит в газообразное состояние. Такой переход из видимого в невидимое состояние называется «испарение».

Если принести в теплую комнату кусок льда, он начинает таять. Если в комнате достаточно тепло, лужица воды, оставшаяся ото льда, вскоре исчезнет. Жидкость превратилась в пары воды.

При охлаждении вода увеличивается в объеме.

Вода в природе никогда не бывает чистой в прямом смысле этого понятия. Она содержит растворенные минеральные соли, газы, частицы микроорганизмов.

Может ли вода проводить звук?

Все звуки производятся очень быстрыми волновыми движениями, называемыми вибрацией. Вибрация – это источник звуков.

Звук от вибрирующего предмета достигает вашего уха при помощи среды, звукопроводящего вещества. Среда может быть твердой, жидкой и газообразной.

Звук, идущий от вибрирующего предмета к вашему уху, представляет собой волну. Предмет при своей вибрации надавливает на крохотные частички, находящиеся с ним рядом, частички сжимаются, спрессовываются вместе. Предмет отклоняется в другую сторону, давление на частички ослабевает.

Такие сжатия и ослабления давления создают звуковую волну.

Звук не просто передается таким же путем в воде, но скорость его в воде в 4 раза превышает скорость в воздухе. Звук распространяется в воздухе со скоростью 335 м/сек, а в воде со скоростью 1463 м/сек.

Проводимость звука в воде очень полезна для человека. Корабли и подводные лодки оснащены акустическим оборудованием для обнаружения местоположения судов.

Посылая звуковой сигнал подводным динамиком и получая ответный сигнал, как эхо со дна моря, можно узнать глубину воды под судном.

Посылая звуковые сигналы в горизонтальном направлении, можно определить нахождение соседнего судна или подводных скал. Можно определить направление и расстояние, на котором они находятся.

Откуда произошла «живая» и «мертвая» вода?

Во многих волшебных сказках погибшего героя часто оживляют с помощью живой и мертвой воды. При этом мертвая вода нужна для исцеления, поскольку с ее помощью срастается рассеченное тело, заживляются раны, а живая вода возвращает героя к жизни, вновь дает ему силу и молодость.

Исследователи долгое время не обращали внимание на сказочную воду и не считали ее предметом, достойным изучения. Однако еще в середине XIX века русский историк А. Афанасьев показал, что не только сказки, но и народные обряды четко различают живую и мертвую воду.

Мертвой водой люди называли талую воду, которая образуется при таянии снега или льда. Ее появление считали верным признаком весны. Однако ручьи, которые очищают землю от снега и всего, что скопилось в ней за зиму, еще не приносят жизни. Лишь после первых весенних дождей земля просыпается, появляется трава, начинают зеленеть деревья.

Следовательно, живая вода приходит на землю с неба. Вот почему ее наделяли свойствами, приближенными к свойствам, которые имеет напиток бессмертных богов.

Мертвая же вода уходит из мира людей под землю, в иной, враждебный человеку мир. Она отдает свою живительную силу земле и потому уже не может дать новую жизнь. Однако сохраняет свои волшебные свойства, может спасти человека от болезни. Не случайно вода из минеральных источников всегда считалась безжизненной, но никто никогда не сомневался в ее лечебных свойствах.

Первобытный человек всегда рассматривал воду как двойственную стихию, несущую и жизнь, и смерть. Водой из реки поливали посевы, но в реке люди тонули, наводнения смывали поля и деревни.

Вот откуда появились два таких противоположных сказочных образа водной стихии.

Может ли вода течь в гору?

Если вы выпустите книгу из рук, она неизбежно упадет на пол. «Виновата» в этом сила тяжести, которая притягивает все без исключения объекты к центру Земли. А подняв упавшую книгу, вы заметите, что ее внешний вид нисколько не изменился. Она – твердая, а твердые предметы сохраняют свою первоначальную форму. Если, конечно, не прикладывать к ним какую-либо специальную силу. Теперь представьте себе, что упала не книга, а стакан с водой.

Вода выплеснется и в беспорядке растечется. В самом деле, жидкость собственной формы не имеет. Она лишь занимает тот объем, ту форму, в которую налита. Все та же сила тяжести заставляет ее стремиться к самой низкой точке. Одним словом, где вода – там самое низкое место. Почему реки впадают в море? Просто уровень воды в морях ниже. Любая река как бы наклонена к тому морю, в которое она впадает.

Конечно, в обычном состоянии вода не сможет подниматься по склону, тем не менее инженерам удалось заставить ее пересекать горные перевалы. Для этого оказалось достаточным… поместить воду в трубы. Именно так! Вода, бегущая в трубе со склона, давит на массы воды в трубе, поднимающейся в гору. И они, эти тысячи тонн воды, текут вверх! Правда, выше головы не прыгнешь: вода не поднимется выше своего первоначального уровня – высоты первой горы, с которой стекает. Но ведь мы уже доказали вам, что нет ничего невозможного, не правда ли? Человек всегда найдет возможность сделать ту точку, из которой вытекает вода, самой высокой, и тогда никакие перевалы ему не страшны!

Сколько лет воде?

Нашей воде 300 000 миллионов лет. Все та же некогда возникшая на Земле вода «используется» снова и снова. Это получается благодаря непрерывному циклу, который называется круговоротом воды в природе.

Жар Солнца превращает воду морей и океанов в водяной пар. Ветер разносит его по всей Земле. Постепенно пар остывает и выпадает на Землю в виде дождя. Реки несут воду обратно в моря. Таким образом, количество воды на Земле остается неизменным. Дождь из тучи насыщает на земле источники, которые стекают в реки и моря… И все повторяется сначала. Дождевые потоки размывают почву, способствуя ее эрозии (разрушению). Но дождь – явление естественное и поэтому полезное, ведь без него не было бы растительности. К сожалению, сильные дожди иногда вызывают наводнения. Так, 25 октября 1822 года в Генуе (Италия) за один день выпал 81 сантиметр осадков! Представляете, что это был за дождь? А вот в засушливой Индии – наоборот: жители с нетерпением ждут летних муссонов (ветров, которые меняют свое направление в зависимости от времени года), приносящих благодатные дожди.

Что такое жесткая вода?

Вода, как мы знаем, – это соединение двух газов. Она состоит из водорода, очень легкого газа, и кислорода, более тяжелого и активного газа. Вода существует в трех состояниях: как жидкость, как твердое тело (лед) и как газ (водяной пар).

Но когда мы обсуждаем различные качества воды, мы обнаруживаем, что вода, существующая в природе, никогда не бывает совершенно чистой. Она содержит растворенные в ней минеральные соли, газы и живые организмы. Мы очень редко имеем дело с просто «водой». Например, химически чистая вода безвкусная. Но все мы знаем, что у воды всегда есть какой-то привкус. Отчасти этот привкус дает присутствие в воде определенных примесей. Капли дождя, проходя через атмосферу, забирают из нее некоторые газы, через которые они проходят.

Наиболее важный из этих газов – кислород, который позволяет живым организмам существовать под водой. Двуокись углерода (угольная кислота) – другой важный газ в составе воды. Его наличие в растворе воды делает воду способной размывать известняковые породы и образовывать пещеры и впадины.

Действие угольной кислоты в воде растворяет известь и карбонаты магния, которые делают воду «жесткой». Жесткая вода не дает хорошую мыльную пену. Если ее вскипятить, то внутри чайника останется известковый налет.

Кроме газов природная вода содержит растворенные в ней соли. Речная и озерная вода содержат также неорганические частицы, которые просто плавают по воде.

Вода существует на Земле в рамках большого круговорота. В ходе этого круговорота вода и меняет свои свойства, такие как жесткость и тому подобные.

Как измеряют прозрачность воды?

Чтобы оценить прозрачность воды люди вот уже сто с лишним лет пользуются диском Секки. Это белый металлический круг, имеющий в диаметре 30 сантиметров. Судно выходит на точку замера, и с борта в воду опускается диск. Единственное условие: он должен находиться в горизонтальном положении. Глубина, на которой диск Секки был виден в последний раз, и есть прозрачность воды. Говорят: прозрачность озера (моря, океана, реки) в этом месте составляет столько-то метров.

Всем известна поразительная прозрачность вод озера Байкал. Однако оказывается, что есть на Земле еще более чистые и прозрачные водоемы. Так, по последним данным (а они получены в 1986 году), самым прозрачным морем планеты является море Уэдделла, которое омывает берега Антарктиды. Белый диск Секки, брошенный в воду в точке с координатами 7 градусов, 28,6 минуты южной широты и 15 градусов, 2,5 минуты западной долготы, оставался видимым до глубины 79 метров! А окружающие воды дали прозрачность не менее 70 метров. Между прочим, это уникальный результат: ведь по всем расчетам диск даже в дистиллированной воде должен исчезнуть из поля зрения на глубине 80 метров. Выходит, вода моря Уэдделла кристально чиста?

Так, да не так. Летом в воде появляются водоросли и микроорганизмы, и прозрачность значительно снижается. Так что все подобные измерения демонстрируют прозрачность (и, в некоторой степени, чистоту) только весенней воды.

Как ни странно, одним из самых прозрачных морей (помимо холодного моря Уэдделла) является теплое и очень обжитое человеком Средиземное. 53 метра – такую глубину прозрачности в его водах показал диск Секки. Было это в 1985 году. Увы, с каждым годом повторять этот результат морю становится все труднее и труднее. Слишком сильно загрязняет его человек.

Куда исчезает вода, когда она высыхает?

Выглянув на улицу или посмотрев на дорогу, вы увидели там лужу. Один час яркого солнечного света – и вода исчезает! Или, например, вывешенное на веревке белье высыхает к концу дня. Куда исчезает вода?

Мы говорим, что вода испаряется. Но что это значит? Испарение – это процесс, при котором жидкость на воздухе быстро становится газом или паром. Многие жидкости испаряются очень быстро, гораздо быстрее, чем вода. Это относится к алкоголю, бензину, нашатырному спирту. Некоторые жидкости, например ртуть, испаряются очень медленно.

Из-за чего происходит испарение? Насколько мы знаем, каждое вещество состоит из молекул. Две силы оказывают воздействие на эти молекулы. Одна из них – сцепление, которое притягивает их друг к другу. Другая – это тепловое движение отдельных молекул, которое заставляет их разлетаться.

Если сила сцепления выше, вещество остается в твердом состоянии. Если же тепловое движение настолько сильно, что оно превосходит сцепление, то вещество становится или является газом. Если две силы примерно уравновешены, тогда мы имеем жидкость.

Вода, конечно, является жидкостью. Но на поверхности жидкости есть молекулы, которые движутся настолько быстро, что преодолевают силу сцепления и улетают в пространство. Процесс вылета молекул и называется испарением.

Почему вода испаряется быстрее, когда она находится на солнце или нагревается? Чем выше температура, тем интенсивнее тепловое движение в жидкости. Это значит, что все большее количество молекул набирает достаточную скорость, чтобы улететь. Когда улетают самые быстрые молекулы, скорость оставшихся молекул в среднем замедляется. Поэтому оставшаяся жидкость охлаждается за счет испарения.

Так что, когда вода высыхает, это означает, что она превратилась в газ или пар и стала частью воздуха.

Какие бывают источники воды?

Источники питаются атмосферными осадками. Дождевая вода просачивается сквозь землю, стекает вниз и, наконец, находит выход либо на склоне холма, либо у подножия горы.

Подземные воды очень обильны: они образуют огромные бассейны. Источники же – это как бы сливные отверстия из подобных подземных резервуаров. Состав воды зависит от того, какие породы она встречает на своем пути. Различают минеральные и термальные (с температурой воды свыше 20°С) источники. В некоторых реках вода просачивается через дно и, скапливаясь в одном месте, вновь выходит на поверхность. Такие источники называются карстовыми.

Почему вода гасит огонь?

На столь простой вопрос не всегда умеют правильно ответить, поэтому постараемся объяснить, в чем тут дело.

Во-первых, прикасаясь к горящему предмету, вода превращается в пар, отнимая при этом много теплоты у горящего тела; чтобы превратить крутой кипяток в пар, нужно в 5 раз больше теплоты, чем для нагревания того же количества холодной воды до 100°С.

Во-вторых, пары, образующиеся при этом, занимают объем, в сотни раз больший, чем породившая их вода; окружая горящее тело, пары оттесняют воздух, а без воздуха горение невозможно.

Чтобы увеличить огнегасительную силу воды, иногда примешивают к ней… порох! Это может показаться странным, однако это вполне разумно: порох быстро сгорает, выделяя большое количество негорючих газов, которые, окружая собой горящие предметы, затрудняют горение.

Откуда добывают подземную воду?

Чтобы добыть воду, люди с древних времен и по сей день роют колодцы. По форме они напоминают собой вертикальный продолговатый сруб. Глубина обычного колодца не превышает 20 метров. Этого достаточно, чтобы дойти до насыщенного водой слоя песка.

Ниже песчаного слоя располагаются глинистые пласты, которые не позволяют воде уходить глубже. Просачивавшаяся с поверхности дождевая вода скапливается. Проходя сквозь многометровую толщу, вода очищается от большинства примесей и становится пригодной для питья.

Правда, водоносные пески имеют низкую водоотдачу. Поэтому в деревнях даже на одной улице выкапывают несколько колодцев. Бывает и так, что колодец истощается, и тогда приходится выкапывать новый.

Развитие техники позволило искать воду на больших глубинах. Впервые такой колодец появился во французской провинции Артуа (по-латыни – Artesium), поэтому способ бурения и сами колодцы называются «артезианскими». Глубина артезианского колодца колеблется от нескольких десятков до 100–120 метров. Источником воды являются «водяные линзы» – подземные полости, в которых вода накапливалась в течение многих веков. Ученые установили, что водяные линзы образуются в результате передвижения подземных пород. Оно происходит далеко не везде.

Водяные линзы образуются между глиняными или известняковыми пластами. Глина и известняк не только удерживают влагу, но и влияют на ее состав: вода в линзах чище, чем в верхних слоях земли. Кроме того, средний объем линзы составляет несколько десятков тысяч кубометров. Поэтому даже одного артезианского колодца достаточно для снабжения водой небольшого поселка.

Бывает так, что вода в артезианской линзе испытывает сильное внутреннее давление и при бурении скважины поднимается на поверхность земли самотеком. В этом случае артезианский колодец не нуждается в насосном оборудовании.

Чтобы найти водоносную линзу, проводятся специальные геологические исследования.

Известняковые линзы встречаются чаще, чем глиняные, но они находятся на большей глубине, которая может составлять от 130 метров до 250. Поэтому воду из известняковой линзы выкачивают насосом.

Известняковые линзы иногда преподносят приятные сюрпризы: при бурении в них обнаруживают минеральную воду. В обычной воде количество солей не превышает 5 миллиграммов на литр. Вода с более высоким содержанием солей, от 5 до 10 миллиграммов на литр, называется минеральной и используется в лечебных целях.

Иногда для получения пригодной для питья воды скважину приходится переносить. Чаще питьевую воду получают, продолжая бурение и увеличивая длину скважины. Бывает и так, что при рытье скважин наталкиваются на несколько водоносных слоев, лежащих на разных глубинах. В одном из них вода может быть минеральной, а в другом – обычной. Как правило, в известняковых линзах содержатся большие запасы воды.

В последние годы в поисках воды бур уходит все глубже, достигая подземных морей. Правда, находятся они на глубине от одного до нескольких километров. Но запасы воды в них практически неисчерпаемы. Чтобы добраться до такого моря и поднять из него воду на поверхность, требуется дорогостоящее современное оборудование. Впервые промышленная добыча глубоких подземных вод началась в Африке и Саудовской Аравии. Но со временем ее развернут и в других районах мира; уже сейчас водами подземного моря снабжаются некоторые населенные пункты в Средней Азии.

Есть ли жизнь в кипятке?

До последнего времени считалось, что в кипящей воде погибают все, даже самые стойкие бактерии, но природа, как всегда, опровергла и это убеждение. На дне Тихого океана обнаружены сверхгорячие источники с температурой воды от 250 до 400 °С, и оказалось, что в этом кипятке прекрасно себя чувствуют живые организмы: бактерии, гигантские черви, различные моллюски и даже некоторые виды крабов.

Это открытие казалось невероятным. Достаточно вспомнить, что большая часть растений и животных погибает при температуре организма свыше 40°С, а большинство бактерий – при температуре 70°С. Лишь очень немногие бактерии способны выжить при 85°С, а самыми стойкими всегда считались бактерии, обитающие в серных источниках. Они могли существовать при температуре до 105°С. Но это уже был предел.

Оказывается, в природе предела нет, а есть непознанное или еще не обнаруженное, как это случилось с термостойкими живыми организмами на дне океана. Более того, когда кипяток, поднятый для анализа со дна океана, немного остыл (примерно до 80°С) бактерии, живущие в нем, перестали размножаться, очевидно из-за холода.

Французский ученый Л. Тома назвал живущие в кипятке существа еще одним из чудес света в современной биологии. Таким образом, обнаружена еще одна загадка природы, которая заставляет пересмотреть прежние представления относительно того, в каких условиях и как может развиваться жизнь.