Всеволод Арабаджи - Загадки простой воды

• Название: Загадки простой воды
• Автор: Всеволод Арабаджи
• Жанр: Прочая научная литература

Вода играет большую роль в нашей жизни. Что бы делало человечество без воды, даже трудно представить. По-видимому, оно просто бы не существовало.

С водой на нашей планете связаны не только жизнь и климат, но и работа большинства отраслей народного хозяйства, особенно водного транспорта. Вода является богатейшим источником энергии – это гидроэнергия рек, энергия приливов, геотермальная и термоядерная энергия. 

Именно благодаря воде в природе возникают интереснейшие и самые разнообразные явления, такие, как радуга, гало, сулой, венцы, «шепот звезд» и другие. 

Некоторые люди связывают с ними различные суеверия и приметы. Но ученые разгадали и нашли объяснение этим загадочным явлениям природы. Причиной некоторых из них является вода, ее пары и лед. 

Настоящая книга представляет собой серию очерков о физических свойствах воды и льда, а также о явлениях природы, которые с ними связаны.

---

Иногда на фоне светлых перистых облаков можно видеть и баллистическую волну, возникающую в передней части летящего со сверхзвуковой скоростью самолета, Волна имеет вид темной полудуги с резко очерченным передним краем. Тыльная часть волны постепенно сливается с фоном облаков. За первой волной может следовать более слабая вторая. Длительность наблюдения явления достигает 10 сек. При пролете через атмосферу крупных метеоритов видимые баллистические волны пока отмечены не были.

В головах комет нередко наблюдаются равномерно расширяющиеся круговые полосы (галосы). Скорость их распространения в верхнем пределе достигает нескольких километров в секунду. Наблюдениями установлено образование следующих друг за другом концентрических галосов с центром чаще всего (но не всегда) в ядре кометы. Расположенные в плоскости галактического экватора, рукава Галактики также состоят из последовательности сгущений и разрежений, но уже в межзвездной среде – нейтральном водороде. Оба явления возникают в результате распространения в космическом пространстве ударных волн и имеют общие черты с развитием ударных волн в земной атмосфере.

Осмос

Если разделить воду и водный раствор какого-либо вещества пленкой (мембраной) животного или растительного происхождения, через нее будет происходить односторонняя диффузия растворителя к растворенному веществу. Когда такая пленка разделяет два раствора различной концентрации, растворитель переходит от раствора с меньшей концентрацией к раствору с большей концентрацией. Проникновение растворителя к растворенному веществу через полупроницаемую перегородку получило название осмоса (греческое «толчок», «давление»). За счет ударов тех молекул, которые не пропускаются мембраной, возникает одностороннее давление на мембрану – осмотическое давление. Всасывающее действие мембраны может быть скомпенсировано избытком гидростатического давления со стороны более концентрированного раствора.

Явление осмоса открыто в 1805 году русским академиком Г.Ф. Парротом. Голландский химик Я.Г. Вант-Гофф установил, что при постоянной температуре осмотическое давление возрастает пропорционально концентрации растворенного вещества, с повышением же температуры давление растет пропорционально первой степени температуры.

Осмосом объясняется «оживление» увядших цветов в воде, набухание семян, прорастание растений сквозь асфальтовое покрытие дорог и тротуаров. Если подрезать стебель растения у земли, можно наблюдать выделение из него соков под влиянием осмотического давления. Вместе с соками при этом выделяется и поступающая через корни вода («плач» растений).

В организме людей осмотическое давление составляет около 8 атм, у млекопитающих оно меняется в пределах 7,5...9 атм, а у костистых рыб – в диапазоне от 10 до 15 атм. У луговых растений осмотическое давление поддерживается на уровне 5...10 атм, у солончаковых и пустынных – на уровне 60...80, иногда до 100 атм, а у семян при небольшой влажности приближается к 400 атм.

В эпоху построения египетских пирамид не существовало взрывчатых веществ. Для отвала скальных пород египтяне использовали явление осмоса. С этой целью в скале делалось отверстие, куда забивался деревянный клин. При поливании водой клин постепенно разбухал и раздвигал скальные стенки. Так производился отвал породы. После этого крупные куски известняка на катках и полозьях перевозили к месту построения пирамид.

В последнее время осмос стали применять и при очистке сточных вод. Для этого резервуар со сточными водами отделяется от чистой воды полупроницаемой мембраной. Накладывая на такую систему давление, противоположное осмотическому, которое не только компенсирует осмотическое давление, но и значительно превышает его, заставляют молекулы растворителя проходить через полупроницаемую перегородку не в направлении разбавления раствора (обычном направлении осмоса), а в противоположном направлении. При этом растворитель (вода) уходит из растворенного вещества, и сточные воды постепенно очищаются.

Где вода теплее?

Термический режим поверхностного слоя воды в морях и океанах обусловлен географическим положением акватории, метеорологическими условиями и течениями. Значительное влияние на температуру воды в морях и океанах оказывают также рельеф дна и сток пресных вод. В прибрежных и мелководных участках температура значительно выше, чем над большими глубинами. Термический экватор (область наиболее высоких температур) в морях и океанах смещен в Северное полушарие.

Наиболее высокая температура поверхностного слоя воды – до 32,8°C – наблюдается в августе в Мексиканском заливе, Флоридском проливе и в южной части Красного моря. В Красном море в августе предельно высокая температура удерживается более длительно, чем в других местах (повторяемость 60%). В Советском Союзе наиболее высокая температура (до 37,2°C) отмечена в Каспийском море, в районе Бирючьей косы. В Аральском море (в районе Актумсука) максимальная температура достигает 32,4°C, в Азовском (у Таганрога) 32°C, в Черном (у Николаева) 31,2°C, в Японском (в бухте Угловой) 31,2°C, в Охотском (у острова Байдукова) 25,9°C и в Беринговом (у Петропавловска) 22,2°C.

На термический режим рек, особенно небольших, значительное влияние оказывает климат окружающей местности. Поэтому температура воды в реках в низких широтах может быть значительно выше, чем в морях и океанах. Наивысшая температура поверхностного слоя воды в реках нашей страны отмечена на реке Таирсу (приток Аму-Дарьи) у кишлака Шахбур (до 45,2°C). На реке Тилигул в Одесской области, которая впадает в лиман Тилигульский, у села Ново-Украинка была зарегистрирована температура 39,4°C. В большинстве случаев предельно высокие температуры воды в реках наблюдаются в течение одного дня. Однако повышенные температуры держатся дольше. Так, на реках Ичгул и Кубань температура выше 25°C держится до 20 дней, на Северном Донце до 30 дней, а на реках Туркмении и бассейна Аму-Дарьи 50...60 дней.

Используя разницу в температуре поверхностных и глубинных вод, можно из природных вод извлекать тепло и перерабатывать его на электростанциях в электроэнергию. Первая станция такого типа мощностью в 14 тыс. киловатт работает в Абиджане (Африка, Берег Слоновой Кости). Холодную воду она получает из моря с глубины 500 м. Разность температур поверхностных и глубинных вод составляет здесь 10...15°C.

Воды открытых водоемов имеют температуру, достаточную для испарения жидкостей с низкой температурой кипения. Температура пара легко кипящей жидкости может быть повышена за счет сжатия его в замкнутом резервуаре с помощью компрессора. Во время первой мировой войны, когда в Швейцарию не подвозился уголь, получаемый таким образом пар было экономически выгодно использовать для подогрева воды в системах отопления.

Морозные узоры на окнах

Ледяные узоры на окнах представляют собой редкое по красоте зрелище. Среди многих видов морозных узоров чаще других встречаются дендриты (древовидные образования) и трихиты (волокнистые формы).

Характер кристаллизации воды на стекле во многом зависит от условий охлаждения. При охлаждении от 0 до – 6°C и небольшой исходной упругости водяного пара на поверхности оконного стекла отлагается однородный слой непрозрачного, рыхлого льда. Для начального образования тонкого слоя такого льда в качестве затравок кристаллизации известную роль могут играть дефекты структуры поверхности, царапины. Однако в ходе дальнейшего развития процесса эти влияния полностью перекрываются общей картиной осаждения льда по всей охлаждающейся поверхности.

Если охлаждение поверхности оконного стекла начинается при положительной температуре и более высокой относительной влажности и в процессе охлаждения проходится точка росы, то на охлаждающейся поверхности сначала отлагается пленка воды, которая уже при отрицательных температурах закристаллизовывается в виде дендритов. Чаще дендритная кристаллизация начинается с нижней части оконного стекла, где вследствие действия силы тяжести накапливается большее количество воды. Размеры дендритных кристаллов зависят от имеющегося для их образования материала. В нижней части окна, где пленка воды толще, дендриты обычно имеют большие размеры По мере перехода к верхней части окна размеры дендритов уменьшаются, В случае равномерной увлажненности стекла размеры дендритов примерно одинаковы. Дальнейшее охлаждение способствует отложению между дендритами, а затем и на дендритах тонких слоев пушистого льда. Быстрые и значительные по величине переохлаждения дают мелкомасштабную дендритную кристаллизацию. При недостатке влаги на стекле нарушается сплошной характер кристаллизации: дендриты растут островками, их формы менее резко выражены, а размеры уменьшены в сравнении с нормальными условиями.