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.

---

В 1551 г. после длительной осады войсками императора Карла V немецкого города Магдебурга в небе над городом вдруг появилось гало с ложными солнцами. Среди осаждавших это вызвало переполох. Они восприняли гало как «небесное знамение». Решив, что в защиту осажденных выступил сам бог, Карл V приказал снять осаду города. История сохранила немало и других примеров подобного рода. Все они – убедительное свидетельство того, что невежество делает человека рабом природы, заставляет его преклоняться перед ее слепыми силами.

Радиоактивность вод суши и океана

Согласно приблизительным оценкам возраст Земли составляет около 6 млрд лет. Около 2 млрд лет тому назад на Земле зародилась жизнь. Существует мнение, что задержка в развитии жизни на Земле могла произойти из-за высокого уровня радиации, который господствовал на планете вскоре после ее возникновения, вследствие чего живые организмы появились лишь после значительного уменьшения радиоактивности земной коры и атмосферы.

Воды Мирового океана содержат миллиарды тонн калия, рубидия, урана, тория и радия. Естественная радиоактивность вод суши и океана в основном обусловлена радиоактивным изотопом калия (К40). Количество радия в поверхностных водах океана составляет около 0,4·10–10%. В глубоководных осадках центральных частей океанов радия значительно больше, чем должно быть по условиям равновесия с имеющимся в осадках ураном. Воды природных источников содержат урана от 5·10–7 до3·10–5 г/л. В северных реках урана несколько меньше, в южных – больше. В бессточных водоемах засушливых районов концентрация урана может возрасти до 4·10–2 г/л. Радиоактивность речной воды оценивается величиной порядка 10–12 Кюри/л, озерной 10–11 Кюри/л и морской 10–10 Кюри/л, в то время как радиоактивность атмосферного воздуха составляет примерно 10–16 Кюри/см3 и радиоактивность атмосферных осадков у поверхности Земли около 2·10–11 Кюри/г (сохраняется радиоактивность осадков в течение нескольких часов, причем снег более радиоактивен, чем дождь). Выпадение осадков способствует очищению атмосферы от радиоактивных загрязнений. Наибольшее количество радиоактивных веществ содержат туманы и морось.

В высоких слоях атмосферы, при бомбардировке ядер водорода космическими лучами, образуется тяжелый изотоп водорода – радиоактивный тритий, который затем входит в состав сверхтяжелой воды Т2О и вместе с осадками попадает на земную поверхность. Общее количество трития в водах Мирового океана составляет около 800 г, период его полураспада 12,2 года. Концентрация трития уменьшается с приближением к экватору. Когда в водах одного из подземных источников провинции Шампань (Франция) тритий не был обнаружен, ученые пришли к выводу, что в этот источник не попадала влага из атмосферы. В океанических водах трития меньше, чем в водах суши. Это обстоятельство использовано для решения вопроса о том, какая часть атмосферных осадков образовалась за счет испарения воды с поверхности океана и какая – за счет испарения вод суши. Разновидности тритиевой воды HTO, DTO и Т2О применяются в качестве радиоактивных индикаторов влагонепроницаемости вещества.

В человеческом организме имеется около 3 10–3 г радиоактивного калия и 6 10–9 г радия. За счет этих веществ в теле человека ежесекундно происходит 6 тысяч бета-распадов и 220 альфа-распадов. Кроме того, в результате воздействия космических лучей в организме человека возникают искусственные радиоэлементы. Только благодаря радиоактивному углероду С14 происходит 2 500 бета-распадов в секунду дополнительно. В общем итоге в теле человека ежесекундно происходит 10 000 актов распада. Поскольку окружающий нас воздух, вода и горные породы радиоактивны, человеческий организм по уровню своей радиоактивности приспособился к радиационному фону окружающей среды.

Геотермальные воды

При перемещении в направлении к центру Земли температура в верхних слоях земной коры возрастает в среднем на 1°C на каждые 100 м (геотермическая ступень). В более древних слоях геотермическая ступень меньше средней величины, в молодых изверженных породах она превышает среднее значение. Если бы геотермальная ступень определяла изменение температуры на всех глубинах, то в центре Земли температура была бы 200 000°C. Однако анализ наблюдений над лавой при вулканических извержениях и сейсмические исследования приводят к выводу, что в центре Земли температура должна быть всего лишь около 2000...5000°C. Следовательно, геотермическая ступень с глубиной должна уменьшаться.

Разогрев земной коры происходит за счет радиоактивного распада радия, урана, тория и калия, которые распределены в ней неравномерно: граниты содержат больше радиоактивных веществ, чем расположенные ниже базальты. Слой повышенной радиоактивности земной коры имеет толщину в несколько километров. Поскольку с глубиной возрастает теплопроводность и уменьшается геотермическая ступень, тепло накапливается и разогревает внутренние слои планеты.

В Симплонском туннеле уже на глубине 2 135 м за счет повышенного содержания радиоактивных веществ горные породы имеют температуру 53°C. В золотых рудниках Колара на юге Индии на глубине 3 км температура пород достигает 65°C. Имеющаяся в земной коре вода разогревается горными породами и может переносить тепло в более высокие горизонты. Например, в долине Паужетки (Камчатка) вода с температурой 200°C подходит к поверхности земли на расстояние в 100...300 м. На глубине более 13...14 км вода переходит в пар. При температурах и давлениях, господствующих ниже 60 км, молекулы воды существовать уже не могут.

Геотермальными называются выделяющиеся из недр Земли воды с температурой выше 20°C. В большинстве случаев они имеют температуру от 40 до 100°C. Наибольшая температура поступающей к земной поверхности геотермальной воды может достигать 300°C, а температура пара доходить до 600°C.

Геотермальные воды с температурой 20...40°C используют для лечебных целей, а с температурой 40...60°C для выращивания растений в парниках. Для технологических целей и отопления наиболее пригодны воды с температурой 40...100°C. Получение электрической энергии осуществляется с помощью геотермальных вод и пара наиболее высоких параметров. В ряде мест на геотермальной энергии работают промышленные холодильные установки. Извлекаемые из минеральных вод соли находят широкое применение в химической промышленности. Как моющее средство геотермальные воды употребляются на шерстомойках и камвольных предприятиях.

Несмотря на то, что каждый квадратный сантиметр земной поверхности в течение года получает от Солнца 68 килокалорий тепла, в то время как из недр Земли к ней за то же время поступает лишь 40 калорий, полная энергия геотермальных вод земной коры во много раз превышает энергию всех видов ископаемого топлива.

В нашей стране на Камчатке построены и работают две геотермальные электростанции – на реке Паужетке и на Паратунских источниках. Мощность Паужетской электростанции составляет 5 тыс. киловатт ив дальнейшем может быть доведена до 70 тыс. киловатт. В недалеком будущем войдут в строй геотермальные электростанции в районе Махачкалы и около Южно-Курильска. Кроме нашей страны, геотермальные электростанции имеются в Италии, Новой Зеландии, Мексике, Конго, США (Калифорния), Японии и Исландии. Общая мощность всех геотермальных электростанций мира превышает 700 тыс. киловатт.

Поскольку для получения электрической энергии на геотермальных электростанциях используется даровое тепло Земли, они вырабатывают более дешевую энергию, чем энергия тепловых, атомных и гидроэлектростанций. Если принять при этом во внимание и большие запасы геотермальной энергии в земной коре, можно утверждать, что геотермальной энергетике принадлежит большое будущее.