3. Вода

3. Вода
3.1. Общие сведения
Вода, из всех жидкостей окружающих человека, является самой необходимой для
жизнедеятельности нашего организма. Зарождение жизни на Земле и её развитие, так или
иначе, связано с водой. Другими словами, эта особая жидкость с достаточно простой на
первый взгляд (но только на первый) химической формулой H 2O сопровождает жизнь
человека от рождения и до самой его физической смерти [70].
Несмотря на то, что вода является основным «строительным материалом» на Земле, до
недавнего времени люди имели о ней самые примитивные представления. Правда и в наше, якобы просвещенное время, нельзя указать на человека, для которого вода перестала
быть объектом без тайн и интриги.
Детям, на уроках физики при объяснении всей сложности
характеристик воды принято рассказывать такую забавную
притчу о слоне [71].
Шестеро абсолютно незрячих людей решили на ощупь составить представление об этом своеобразном животном (Рис.
3.1). Первый ощупал бок слона и пришёл к заключению, что
слон − это неровная шершавая стена. Второй слепец исследовал ногу слона и решил, что слон это − столб. Третий из участников эксперимента погладил ухо слона и был уверен, что
слон это − большой веер. Четвёртый наткнулся на бивень, после чего пребывал в полной уверенности, что слон это − копьё. Пятому для исследования достался хвост, что стало основанием отождествить слона с верёвкой. Последний из Рис. 3.1. Притча о слоне
слепцов своими ладонями исследовал хобот и пришёл к однозначному выводу, что слон
это − змея.
Вместе с тем вода, как полагают учёные, появилась ещё на стадии уплотнения вследствие вихревого движения пылегазового облака. Предполагают, что вода присутствовала в
виде ледяной мелкодисперсной пыли. Исследования космического пространства подтвердили, что кислород и водород входят в первую шестёрку самых распространённых во
Вселенной веществ.
Молекулы воды обнаружены за пределами Солнечной систем. В созвездиях Кассиопеи
и Ориона астрономы радиофизическими методами обнаружили огромные облака, состоящие из молекул воды. Размеры этих облаков более чем в 40 раз превышают расстояние от
Земли до Солнца. Космические пришельцы, падающие на поверхность Земли, довольно
часто представляют собой огромные ледяные конгломераты смерзшейся воды, метана и
минеральных частиц.
В настоящее время укоренились шесть основных гипотез о происхождении воды, каждая из них, имея несомненное рациональное зерно, тем не менее, подобно притче о слоне,
имеет ограниченное применения, проливая свет на некоторые частности. Не имеют учёные в своём распоряжении универсальной теории происхождения воды, которая бы поставила точку в давнем споре приверженцев различных концепций.
Гипотезы о происхождении этой странной и самой загадочной жидкости на планете
так или иначе связаны с теориями происхождения самой Земли, которые на сколько разнообразны, на столько и недостаточно аргументированы.
85
Одна из гипотез происхождения воды основана на теории «горячего» происхождения
Земли, в соответствие с которой Земля в ранние периоды своего существования представляла собой раскалённый шар, который в соответствие с термодинамическими законами
уменьшал свою температуру за счёт излучения в окружающее пространство тепла. На определённой стадии охлаждения возникла, так называемая, первородная кора, в которой
наряду с другими химическими элементами, появились комбинации кислорода и водорода, среди которых была и вода.
Через трещины земной коры перегретый пар вырывался наружу, образуя начальное
поколение атмосферы в виде облачного покрова. При достижении критической температуры, пары воды конденсировались и выпадали на поверхность в виде обильных дождей.
По мнению сторонников этой гипотезы, именно ранние земные дожди стали источником
постоянного накопления жидкости на её поверхности. Таким образом, образовался Мировой океан.
Вторая гипотеза основана на теории «холодного» происхождения Земли, о которой говорилось выше. Вихревое движение пылегазового облака и гравитационное уплотнение
вещества, сопровождающееся нагревом, вызвали интенсивную вулканическую деятельность с выбросами большого количества паров, при конденсации которых образовалось
большое количество воды. Вода, таким образом, содержалась в первичном облаке, из которого конструировалась наша планета. В пользу этой схемы появления воды говорит
факт её присутствия в космических объектах, «небесных камнях» в объёмной концентрации дл 0,5%. При массе Земли МЗ ≅ 6⋅1024 кг, она должна содержать 3⋅1021 кг воды. А её в
современных масштабах планеты более чем в 200 раз меньше, т.е. всего ≅ 1,5⋅1019 кг. Если
принять обсуждаемую теорию, то огромное количество недостающей воды должно находиться под земной поверхностью.
В модификации второй гипотезы предполагается, что на стадии разогрева планеты на
глубинах 50 − 70 км из ионов водорода и кислорода в условиях высоких температур и
давлений возник водяной пар, который просачивался через верхние слои мантии в земную
кору. Перемещение пара по толщине коры при более меньших температурах, способствовало протеканию химических реакций, т.е. минерализации воды. Горячая вода растворяла
кислоты и щёлочи, превращаясь в рассол. Если принять эту гипотезу, то на глубине 15 −
20 км над поверхностью гранитного пояса должен присутствовать слой рассола. Сторонники этой теории напоминают об имеющем место экспериментальном факте скачкообразного изменения скорости звука с глубиной (Рис. 2. 12), что говорит о возможности присутствия жидкого слоя. На мельничное колесо этой теории льёт воду и обнаруженный
дрейф материков, которые «плывут» в этой глубокой прослойке воды, которая в данном
случае исполняет роль смазки.
Английский астроном Хойл в 1972 г., на основе анализа данных космических исследований выдвинул гипотезу основанную на особенностях происхождения Солнечной системы. Конденсация протопланетного облака происходила таким образом, что на разных расстояниях от Солнца установился градиент температуры. В окрестностях центра системы
температуры были таковыми, что конденсировались тугоплавкие вещества. В периферийных областях температура была относительно низкой, порядка 350 К, что достаточно для
конденсации паров воды. Предполагается именно этим объяснять «ледяную природу» периферийных планет − гигантов, Урана, Нептуна и Плутона. Причём при формировании
планет − гигантов наблюдалось гравитационное выталкивание ледяных глыб в область
внутренних планет, которые не успев расплавиться под действием солнечных лучей, попадали на поверхность Земли и других планет. «Ледяные дожди» были более интенсивными на Марсе и более скудными на Венере. Приведенные Хойлом выкладки, не исключают образование океанов и морей на Земле, как следствие «ледяных дождей» в течение
нескольких миллионов лет.
Пятая гипотеза предполагает, что вода в верхних слоях атмосферы образовалась при
бомбардировке космическими частицами, среди которых присутствуют в немалых коли86
чествах протоны, т.е. ионизированные атомы водорода. Ядра водорода при движении в
атмосфере захватывают электроны, превращаясь в атомарный водород, которые по известной схеме вступают в реакцию с атомами кислорода. Оценочные расчёты показали,
что этот источник мог дать около 1,5 т воды в год. По планетарным меркам эта масса не
представляется существенной, однако, если процесс рассматривать в течение 5 − 7 млрд.
лет, то этих постоянных поступлений воды соизмеримо с общими её запасами на планете.
Шестая гипотеза возникла совсем недавно. Основанием к тому было появление уточнённых данных о постоянном расширении Земли со скоростью, примерно 1 см в год. Причём, например, Москва и Санкт − Петербург удаляются от неподвижного Гамбурга, находящегося в центре Европы на восток. Судя по этой, совсем не большой по абсолютной величине скорости расширения, наша планета 300 млн. лет назад радиус Земли был практически в два раза меньше теперешнего. Долгое время причины расширения были не вполне
ясны. Оказалось всё дело в самом распространённом химическом элементе во Вселенной
− водороде. Земля, так же как и вся, известная человеку Вселенная, на 98% состоит из водорода, который, наряду с металлами, был в составе протооблака, послужившего «строительным материалом» Солнца, Земли и всех остальных планет.
Как установили учёные, водород в больших количествах может поглощаться металлами, при этом их объём уменьшается. Вот такое, не совсем воспринимаемое без специальной подготовки свойство. В лабораторных условиях было получено, что при атмосферном
давлении щелочные металлы при поглощении водорода способны сократить свой объём
более чем в 1,5 раза, а вот железо и никель уменьшали свой объём не так заметно.
При гравитационном сжатии протооблака давление и температура в его недрах росли,
что условия растворения водорода делало более благоприятными. В некоторый момент
времени концентрация водорода в металлах стала критической, поглощение прекратилось,
а температура и давление продолжали увеличиваться. Начался обратный процесс − выделение водорода из металлов. Разрушение металловодородных соединений, т.е. дегазация
водорода сопровождалась значительным увеличением объёма металлического ядра, при
этом земная кора претерпела многочисленные разрушения. Попадая из ядра в менее заглублённые слои Земли, водород захватывал атомы кислорода, что и привело к возникновению молекул воды в виде пара. Конденсация паров, в конечном счёте, привела к заполнению разломов земной коры. Возникли океаны.
Все приведенные выше гипотезы имеют право на жизнь, потому что в их основе лежат
вполне вероятные физические и химические процессы, не противоречащие известным человечеству законам. Говорить же о приоритете какой-нибудь из них над остальными, оснований, практически, нет. Касаемо происхождения воды, так же как и в притче о слоне, −
всё только начинается. Формулировка единой теории возникновения земной воды, наверное, может появиться только в том случае, если информации об этой таинственной жидкости станет достаточно для выяснения её всех физических, химических и иных индивидуальных свойств.
Что же известно в наше время о воде, кроме того, что гидросфера − океаны, моря, реки, озёра, болота и атмосферная влага содержат в общей сложности 1,385⋅109 км3 воды,
что составляет 1,4⋅1019 т. Три четверти поверхности Земли покрыто водой. Космические
снимки Земли показывают, что она выглядит как сплошная вода с незначительными по
площади вкраплениями материков.
До XIX века учёные не предполагали, что вода представляет собой химическое соединение. Воду считали химическим элементом, таким как мель, натрий или аргон. Только в
1805 году немецкий естествоиспытатель Александр Гумбольдт (1769 − 1859) и Французский физик Жозеф Луи Гей-Люссак (1778 − 1850) установили, что вода состоит из молекул, каждая из которых содержит два атома водорода и один кислорода. Более ста лет после этого исследователи и инженеры считали, что единственно возможным стабильным
химическим образованием является жидкость с химической формулой H2O. В 1932 г. выяснилось, что в качестве атомарного водорода в состав молекулы воды может входить
87
изотоп − дейтерий. Такая вода получила название − тяжёлая вода. Молекулярный вес тяжёлой воды оказался на две единицы больше, другими словами, жидкость имела молярный вес не 18⋅10 − 3 кг/моль, а 20⋅10 − 3 кг/моль.
В соответствие с геохимической моделью строения земная кора представляется в виде
окисленных пород, так называемым, кислородным каркасом планеты [72]. На рис. 3.2 показана схема такой модели.
Рис. 3.2. Геохимическая модель Земли [72]
Ядро Земли, в соответствие с этой моделью, состоит из гидридов металлов, включая и
карбид железа. Зоны с высокими значениями давления и температур выделяют среди прочих веществ водород и углеводороды, которые, поднимаясь к поверхности, взаимодействуют с окисленными породами, образуя углекислый газ и пары воды, выбрасываемые в
атмосферу через жерла вулканов и разломы земной коры.
88
По данным академика Семененко Н.П. за геологическую историю существования Земли на поверхность было выброшено ≅ 3,4⋅109 км3 воды. Частично, около третьи общего
количества воды испарилось с поверхности в атмосферу, где произошла фотодиссоциация
молекул на водород и кислород. Оставшаяся на поверхности вода образовала гидросферу,
а испарившаяся − атмосферу. Помимо паров воды и углерода на поверхность из области
внутренних слоёв выделялись соединения фосфора, серы, кислорода и азота. Гидросфера,
таким образом, представляла собой водную основу, насыщенную различными веществами, составившими в последствие основу первых неорганических соединений из которых
возникла жизнь.
По мнению академика И.А Опарина: «Именно вода гидросферы явилась той обязательной, незаменимой средой, в которой происходило формирование наиболее сложных органических соединений, послуживших в дальнейшем материалом для построения тел живых существ. Вода и сейчас является наипростейшим, но количественно преобладающим химическим компонентом «живой материи» − всей совокупности организмов, населяющих нашу планету».
Чтобы подсчитать количество воды на планете, учёные объявили десятилетнюю гидрологическую научную программу, результатом которой стал развёрнутый отчёт «Мировые водные ресурсы и водный баланс земного шара». Проведенные исследования и оценки
подтвердили, что гидросфера (океаны, моря, озёра, реки, болота, атмосфера) содержит в общей
сложности 1,385⋅109 км3 воды, которая покрывает три четверти всей площади планеты.
Подтвердилось так же, что объём доступной пресной воды в общей массе не велик,
всего ≅ 2,25% от общего объёма гидросферы. Вода океанов и морей (≅ 97,75%), которую в
естественном виде употреблять для питья и сельскохозяйственных технологий нельзя, даже в технических конструкциях морская солёная вода имеет ограниченное применение.
Половина общего количества пресных вод ≅ 24⋅106 км3 присутствует на Земле в виде
ледяного покрова Антарктиды, Арктики, Гренландии и ледяных и снежных шапок горных
вершин. В земной коре скрыто 23,4⋅106 км3 воды. Таким образом, объём сравнительно
доступной пресной воды исчисляется не миллионами, а тысячами кубических километров.
Более всего пресной воды находится в объёмах озёр ≅ 1,76⋅105 км3, на втором месте
находятся запасы воды в болотах − 1,03⋅104 км3, в реках сосредоточено ≅ 2,12⋅103 км3. Остальная пресная вода находится в атмосфере.
Вода, как самый распространённый вид природного сырья не стала исключением в
общей стратегии природопользования. Действительно, воды на Земле, если смотреть с поверхности Луны − много, а если начало системы отсчёта переместить на Землю, то впечатление поменяется. Но об этом немного позже. Далее же покажем, что вода не так проста, как кажется, будучи налитой, в стакан перед употреблением.
89