ВОДНЫЙ БАЛАНС ЗЕМЛИ

Количественным воплощением круговоротов воды является водный баланс Земли, представляющий структуру и объемы его отдельных частей. Для условий закрытой термодинамической системы - постоянства общей водной массы на поверхности Земли и неизменной емкости океанических и морских впадин уравнения водного баланса для малых континентального (1) и океанического (2) круговоротов имеет вид:

Е₁= P₁+R и Е₂= P₂+R, где

Е₁ и Е₂ – испарение с поверхности суши и поверхности океана; P₁ и P₂ – осадки над континентами и океаном; R – речной, подземный и другие виды стока (ледниковый).

Для всего земного шара в целом существует один источник притока воды – атмосферные осадки и один источник ее расхода – испарение. За год меньше всего воды испаряется с поверхности Северного Ледовитого океана (75 мм), а больше всего – с северо-западной части Атлантики (3200 мм). Это связано со значительными различиями в количестве тепла, поступающего на поверхность океанов, и ветровых режимов над их акваториями. Наибольшее количество осадков получает экваториальная зона океана – в среднем 1600, а в отдельных случаях более 3200 мм в год. В тропических областях их количество составляет менее 50 мм в год.

По данным различных авторов ежегодно во влагообмене на нашей планете участвует от 517 до 577 тыс. км³ воды – всего 0,04% от ее общих запасов. При этом с поверхности морей и океанов испаряется 456-505, а с поверхности суши – 62-72 тыс. км³ воды. В виде осадков в океан возвращается 412-458, на сушу – 106-119 тыс. км³ влаги. Подземным путем (2.4 тыс. км³), из ледников (0.3 тыс. км³) и по рекам океан получает еще 44-47 тыс. км³ воды в год. Продолжительность полного цикла в системе океан – атмосфера, если его рассматривать как отношение объема воды в Мировом океане к скорости испарения с его поверхности, составляет 4000 лет.

Континентальный и морской круговороты обеспечивают довольно быстрое возобновление запаса пресных вод в атмосфере (8 дней), руслах рек (10-20 суток) и озерах (7-10 лет), в почве (один год). В океанах же вода обновляется за 3000 лет, подземные воды Земли до глубины 5 км - за 5000 лет, а для воды, законсервированной в виде ледникового льда этот цикл составляет по расчетам разных авторов 8-16 тыс. лет.

В середине ХХ века было высказано предположение о том, что наша планета является не замкнутой, а открытой термодинамической системой - «объем воды в океане не оставался одинаковым, а должен был нарастать от более ранней геологической эпохи к более поздней; именно нарастание, а не колебание объема то в сторону увеличения, то в сторону уменьшения количества воды – главный планетарный процесс эволюции водной массы океана»

Согласно современным представлениям, вода на Земле имеет внутрипланетарную природу. Она является продуктом эволюции протопланетарного вещества, выделившись из Земли в процессе разогрева, плавления и дифференциации (дегазации) ее мантии. Согласно мнению отечественных и американских ученых 1950-1970-х гг. объем такой, «изгнанной» из земных недр воды, может достигать 2-3 млрд. км³. По этим же оценкам основная масса гидросферы сформировалась к началу палеозоя (570 млн. л.н.), но постоянный приток мантийных вод продолжается и сегодня со скоростью 1 мм в 1000 лет. Запасы же воды в мантии и коре Земли по оценкам тех лет в 1000 раз превышают ее количество в гидросфере планеты (по современным оценкам – около 30 млрд. км³ , превышение составляет 25 раз). В базальтовых породах мантии, например, содержится 5-7% воды. После ее дегазации при вулканической деятельности, выветривании пород, выходе ювенильных вод из рассолов на дне океана, гидросфера может получать до 7% воды из недр планеты в виде водяного пара или в жидкой фазе. При этом также предполагалось, что столько же воды «должно уходить в космическое пространство в процессе фотолиза (см. рис.2.4). Таким образом, При таких условиях общее уравнение водного баланса Земли принимает вид:

P+R+T-E-F = N (N> 0), где

T - эндогенное поступление воды; F - потери воды на фотолиз (разложение в высоких слоях атмосферы молекул воды под действием солнечного излучения на более тяжелые молекулы кислорода, возвращающиеся в атмосферу и легкие молекулы водорода, уходящие в космос).

Полвека назад авторы такого заключения признавали, что «мы не можем привести каких-либо цифр, характеризующих соотношение между приходом воды из недр Земли и ее выносом в космическое пространство». Но в конце 1980-х гг. были обработаны результаты многолетнего морского глубоководного бурения (1968-1989 гг) американского судна «Гломар Челенджер» (600 скважин), обнаружившие в осадках и базальтах дна Атлантического, Индийского и Тихого океанов мелководные разновозрастные (от 140 до 5 млн. лет) образования на глубинах 300-1000 м ниже дна или 1800-5000 м ниже уровня моря (186 скважин), являющиеся «бесспорным свидетельствомграндиозного опускания дна этих океанов за прошедшие 70-140 млн. лет». Его рассчитанная скорость составила 0.605 мм/год,а так как катастрофического осушения континентов за это время не произошло, то автор оценок полагает, что в это время такой же была и скорость поступления эндогенных вод. Таким образом, получается, что за последние 60 млн. лет на поверхность планеты из ее недр поступило 2.2 млрд. км³ воды из которых 0.1 млрд. км³ ушел на увлажнение морских осадков и биосферы, а 0.5 млрд. км³ – разница с современным объемом гидросферы, как полагает В.В.Орленок, утрачена при фотолизе (7.2 км³/год).

Согласно гипотезе открытого гидрологического цикла, современный рост (1.5 мм/год) уровня вод Мирового океана определяется в основном не потеплением климата (таяние снегов и ледников) – этот фактор дает только 0.7 мм/год, а эндогенным поступлением воды с продуктами вулканизма и в других формах (0.78 мм/год или 37 км³). Указанные факторы, оказываясь по порядку ежегодного вклада в Мировой круговорот воды весьма незначительными, в геологическом масштабе времени оказываются определяющими при оценке общей направленности эволюции земной гидросферы.

Причина наблюдаемого сегодня роста уровня Мирового океана со скоростью 1.5 мм/год, что соответствует ежегодному увеличению объема его вод на 540 км³, с позиций гипотезы замкнутого гидрологического цикла состоит в сокращении водных запасов континентов – на 67% вследствие уменьшения массы ледников, 22% за счет падения уровня подземных вод и на 10% за счет сокращения объема вод бессточных озер.

2.1. АНОМАЛИИ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОДЫ И ИХ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ

В 1766 г. английский физик и химик Генри Кавендиш (1731-1810) впервые показал, что вода представляет собой не единый неделимый химический элемент, как ранее полагали многочисленные исследователи, а является соединением водорода с кислородом в определенных весовых соотношениях. Их величину установили несколько лет спустя в 1783 г. французские химик Антуан Лоран Лавуазье (1743-1794) и математик Жан Батист Мари Шарль Мёнье (1754-1793). С тех пор один из химических элементов, входящих в состав воды, обозначаемый как «Н», получил название «водород» – «Hydrogen» (от греч. hydro genes – порождающий воду).

На протяжении последующих более чем двухсот лет вплоть до наших дней ученые, пытавшиеся раскрыть тайны воды, убедились в том, что- свойства и поведение воды и сегодня все еще «не всегда до конца прогнозируемы». «Практически все свойства воды аномальны, а многие из них не подчиняются логике тех законов физики, которые управляют другими веществами».

Как ни странно, но благодаря именно аномальности физических и химических свойств воды на нашей планете возникла и существует уже более 3.5 млрд лет жизнь.

***

I. В отличие от «нормальных» растворов, при нагревании воды от 0 до +35⁰С ее удельная теплоемкость не растет, а уменьшается (рис.2.6). Только после 37°С она начинает «нормально» расти. У воды минимум удельной теплоемкости достигается при температуре +37°С.

 

Так как организм взрослого человека состоит на 80% из воды, то наличие этой её физической особенности определяет тот факт, что нормальная температура нашего тела - 36,6° и изменяется от 36 (наружные органы) до 38°С (внутренние органы), оставаясь постоянной в этих пределах.

Рис.2.6. Зависимость удельной теплоемкости воды и окиси железа от температуры. -

В отличие от окиси железа, при нагревании воды от 0 до 36,6° С ее удельная теплоемкость уменьшается и только потом растет как у «нормальных» жидкостей.

 

У других теплокровных млекопитающих пределы нормальных температур несколько шире - от 32 до 39°С. Именно при температуре тела 36,6°С человек и другие млекопитающие оказываются в состояние гомеостаза (равновесия) – могут совершать максимум работы при минимальных затратах энергии.

II. Теплоемкость воды в 5-30 раз выше, чем у других веществ (кроме водорода и аммиака) .

Благодаря этой аномалии:

· Нормальная температура тела человека, при отсутствии в организме воспалительных процессов, остается постоянной и в палящий зной и в лютый холод.

· При одинаковом потоке солнечной энергии вода нагревается в 5 раз медленнее, чем песок на пляже, но при этом она во столько же раз дольше, чем песок, сохраняет тепло. По этой причине в природе возникают переменные суточные – бризовые, и межсезонные – муссонные, ветры между сушей и морем.

· Зимний климат Скандинавии и северо-западных районов Европейской территории России, несмотря на их близость к Северному полюсу, очень мягкий. Единственный незамерзающий порт России за Полярным Кругом – Мурманск. Среднемесячная температура января здесь составляет –10⁰С, а в Верхоянске, лежащем значительно южнее по широте, но удаленного от теплых вод Атлантики, она ниже на 39⁰С (!).

·.Среднегодовая температура поверхности всего Мирового океана составляет 17.82⁰С – на 3.6⁰ выше, чем средняя температура воздуха у поверхности Земли.

· Средняя температура толщи вод Мирового океана (до 4000 м) в южном, более океаническом, полушарии на 2°С ниже, чем в северном, так как максимум солнечной радиации – «термический экватор», по причине ассиметричного расположения материков, проходит севернее географического экватора (рис.2.7).

Рис.2.7. Термический экватор Земли расположен севернее географического экватора по причине преобладания материков в северном полушарии.

· Объем льда в южном полушарии примерно в 9 раз больше, чем в северном. Его

толщина на Антарктическом континенте достигает 3.7 км, а запас (26.7 млн. км³)

составляет 76% от общего объема льда на нашей планете (35 млн. км³).

III). У водывысокая (80 кал/г) скрытая удельная теплота плавления. Благодаря такой физической особенности воды наша планета застрахована от климатических катастроф – затопления или замерзания после резких кратковременных (30-50 лет) потеплений и похолоданий, так как большой объем воды трудно быстро заморозить, а огромные ледники тают достаточно медленно (фото.2.1).

Фото. 2.1. Несмотря на сокращение ледников последние 30 лет, «Всемирный потоп» Земле не грозит благодаря высокой удельной теплоте плавления льда.

Таким образом, высокая удельная теплоемкость воды обеспечивает на нашей планете глобальную устойчивость климатических условий.

IV. В отличие от «нормальных» растворов, максимальная плотность воды наступает не при 0°С, а при 4⁰С (точнее 3.98⁰). Таким образом, плотность воды растет, а объем сокращается только при ее охлаждении от 100 до 4⁰С. При дальнейшем же охлаждении ее плотность уменьшается, а объем растет (рис.2.8).

Рис.2.8. Зависимость плотности воды и ртути от температуры. –

В отличие от «нормальных» веществ при охлаждении воды ниже 4°С ее плотность не растет, как, например, у ртути, а уменьшается.

Экологические последствия:

· Лед не тонет и спасает обитателей водоемов от замерзания.

· Замерзание воды происходит внезапно скачкообразно, при этом ее плотность резко снижается более, чем на 8%, а объем также резко возрастает примерно на 11%.

· В замкнутом пространстве избыточное давление, возникающее при замерзании (расширении объема) воды, может достигать гигантской величины – 2.5 тонны на квадратный сантиметр (!).

· При замерзании воды в трещинах горных массивов они, дробясь и измельчаясь, возвращаются в круговорот жизни – так формируются россыпные месторождения полезных ископаемых; твердые вещества и микроэлементы, содержащиеся в породах, растворяются в воде и входят в состав плодородных почв; рождаются специфические ландшафты и типы морских берегов.

· У нерадивых хозяев замерзшие водопроводные трубы и батареи водяного отопления, пивные бутылки, забытые в морозильнике, лопаются также по этой причине.

· При отсутствии центров кристаллизации в полной неподвижности вода может охлаждаться, не замерзая, до минус 70⁰С (!). Но при малейшем нарушении этих условий ее температура мгновенно повышается до 0⁰С и вода превращается в лед. При аналогичных идеальных условиях воду можно нагреть до 150⁰С без закипания, но в этом случае достаточно одного пузырька воздуха, чтобы температура воды понизилась до 100⁰С и она мгновенно вскипела.

 

V. Точки замерзания (0⁰С) и кипения (100⁰С) воды также оказываются аномальными – не соответствуют молекулярной массе.

 

Вода – Н₂О, относится к типу химических веществ, называемых «гидриды» - соединений элемента с водородом. Тем не менее, значения температуры замерзания и кипения воды не укладываются в закономерность, характерную для легких трехатомных молекул гидридов, аналогичных воде (H₂S, H₂Se, H₂Te). У этих газов точки кипения и замерзания понижаются по мере снижения относительной молекулярной массы. Вода – самый легкий из гидридов. Тем не менее, температура ее кипения и замерзания значительно выше, чем у других, более тяжелых гидридов (рис.2.9).

Рис.2.9. Зависимость величин температуры кипения и замерзания гидридов от их молекулярной массы. –

Если бы вода была «нормальной» материей, подобно своим родственным соединениям – «гомологам», трехатомным соединениям водорода, то ее точка замерзания, как самого маленького по массе гидрида составляла бы примерно минус 90⁰С, а кипения - около минус 75⁰С.

Благодаря этому свойству мы можем использовать воду в быту (готовить пищу), кататься на лыжах, играть в снежки и получать массу других удовольствий, связанных с общением с водой, при комфортной для нас температуре воздуха.

VI. Температура замерзания воды при росте давления до 2200 атм., в отличие от других веществ, не растет, а понижается (примерно на 1⁰С при росте давления на 130 атм). Дальнейший рост давления выше 2200 атм. сопровождается нормализацией поведения воды.

При давлении 500 атм. (глубина 5000 м) вода замерзает при минус 4⁰С, а при 2200 атм. – при минус 22⁰С. В водах Северного Ледовитого океана (Евразийская котловина), например, благодаря такому свойству, на глубине 4290 м (давление 430 атм.), вода, даже без учета эффекта растворенных в ней солей, не может гипотетически замерзнуть при минус 3⁰С. В океанских же водах вокруг Антарктиды - котловины Вальдивия (5872 м), Нокса (5455 м), Беллинсгаузена (6414 м), природа предусмотрела гипотетическое охлаждение без замерзания до температур минус 4-5⁰С.

Наличие этой физической аномалии у морской воды спасает жизнь многим обитателям морских глубин (фото.2.2) и, соответственно, обеспечивает возможность возрождения жизни на планете в случае гипотетического катастрофического похолодания (гибели всего живого на поверхности суши и океана) - наступления «ядерной зимы».

Фото.2.2. Обитатели больших глубин выживут даже в случае наступления на планете «ядерной зимы».

VII. Поверхностное натяжение. Пограничные молекулы любой жидкости способны самоуплотняться, образуя на поверхности пленку натяжения (фото.2.3).

 

Рис.2.3. Когезия - способность самоуплотняться, образуя плотную пленку поверхностного натяжения - одно из удивительных физических свойств воды

 

Такое явление называется когезия (лат. cohaesus – связанный, сцепленный). Самая плотная пленка поверхностного натяжения - у ртути. Чтобы ее разорвать нужно приложить усилие 500 дин/см. А вот на втором месте по этому показателю среди жидкостей стоит вода (72 дин/см). У спирта, ацетона, бензина величины поверхностного натяжения (22, 24 и 29 дин/см соответственно) почти в три раза ниже, чем у воды.

Последствия:

· Вода может удерживать на своей поверхности тела в 8 раз (!) тяжелее себя.

· Для разрыва столбика чистой воды диаметром 2.5 см нужно приложить усилие 95 тонн (!). Прочность же столбика реальной (не совсем чистой) воды сечением всего 6.5 см² равна прочности стали – для его разрыва, нужно приложить усилие в 1 тонну (!).

 

VIII. Прилипание. Способность воды вопреки силам гравитации, подниматься вверх без видимой причины по капиллярам (узким стеклянным трубкам) называется адгезия (лат. adhaesio – прилипание). Молекулы воды не только самоуплотняются в пограничном с воздухом слое, но и смачивают стекло капилляра, прилипая к его поверхности и образуя известный нам вогнутый мениск (от греч. mēnískos — полумесяц) (рис..2.10).

Рис.2.10. Адгезия - способность воды прилипать к стенкам из стекла - определяет «вогнутость» ее мениска в капилляре.

 

Ртуть – несмачивающая жидкость, свойством прилипания не обладает, поэтому мениск у ртутных термометров не вогнутый, а выпуклый.

Экологические последствия:

· При температуре 15°С высота капиллярного подъема в крупном песке в течение 5-10 суток может составить 2 м., а в глине – 12 метров за 16 месяцев. Аридные (засушливые) зоны, таким образом, обеспечиваются грунтовыми водами.

· По капиллярам корней и стволов растения и деревья получают воду из почвы (фото.2.4).

· Некоторые ящерицы пьют воду не ртом, а через поверхность кожи, состоящую из множества капилляров (фото.2.5).

 

Фото.2.4. Гигантские (до 110 м) секвои растут благодаря «адгезии»

Рис.2.5. Ящерица молох или «колючий дьявол» впитывает воду системой мелких кожных складок и за счет капиллярной активности направляет ее в рот.

IX. Динамическая вязкость (внутреннее трение). У воды изменение вязкости при изменениях условий среды также отличается от других жидкостей. При повышении температуры от 0 до 100°С этот показатель снижается более, чем в 6 раз (у ртути – всего в 1.4 раза), а вязкость водяного пара в 180 раз меньше, чем у воды при той же температуре.

Повышение давления при температурах ниже 30⁰С, опять же - в отличие от “нормальной” материи, уменьшает вязкость воды и увеличивает ее при температурах выше 30⁰.

Последствия: Это качество определяет способность (скорость) фильтрации жидкости через пористые среды. Особенную важность оно приобретает в пустынях и в процессе мобилизации вод литосферы.

 

X). Поведение в магнитном поле. Еще в XIII в. алхимики догадывались, что магнитное поле каким-то непонятным образом влияет на свойства воды. Роль этого фактора в ее жизни подвергалась учеными сомнению вплоть до 30-х гг. ХХ в., когда во Флоренции итальянец Джорджио Пиккарди после 10 лет ежедневных экспериментов доказал, что в воде скорость оседания мельчайших твердых частиц зависит от состояния Солнца - интенсивности электромагнитного излучения нашего светила. Этот вывод был подтвержден результатами более 250 тысяч (!) аналогичных экспериментов, проведенных параллельно в разных странах мира.

Последствия:

· В 1945 г. бельгийский инженер Т.Вермайерн нашел первое практическое применение для этого явления – предложил предохранять паровые котлы от накопления в них накипи путем намагничивания воды.

· Бетон в намагниченной воде затвердевает не за 28, а за 7 дней, при одновременном росте его прочности на 45% и на 16% сокращается расход цемента.

· Процесс коагуляции (скорость слипания мелких частиц) в такой воде ускоряется на 20-90%, ускоряются и усиливаются ее адсорбционные способности (уплотнение частиц активных веществ на твердых поверхностях и на границе вода-воздух), в 10-100 раз быстрее растворяются твердые тела и газы, а минеральные частицы слипаются в 2-4 раза быстрее. Объяснение природы этих чудес пока остается на уровне гипотез.

 

2.2. ПРИЧИНЫ АНОМАЛИЙ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОДЫ: СТРОЕНИЕ, СТРУКТУРА И ГЕОМЕТРИЯ МОЛЕКУЛЫ ВОДЫ.

Одно из объяснений такого аномального поведении воды уходит в дебри ее молекулярного строения. Даже в самой популярной форме звучит оно сегодня следующим, таинственным образом. Вода не подчиняется логике законов физики, которым следуют другие вещества «из-за свойств атомов кислорода и водорода, из-за их структурного расположения в молекуле, из-за определенного поведения электронов в молекуле...». Если конкретизировать эти заключения, то выяснится, что в нормальных условиях простая молекула H₂O, состоящая из одного атома кислорода и двух атомов водорода представляет собой газ (рис.2.11).

Рис.2.11. Простая молекула Н₂О представляет собой пар. С помощью водородных связей (точки) простые молекулы Н₂О способны объединяться в группы.

 

Быть воде – водой позволяет уникальное свойство этих трехатомных молекул в процессе физического взаимодействия объединяться в группы с помощью водородных связей,возникающих в результате электростатического взаимодействия между отрицательным зарядом кислорода одной молекулы воды и частичным положительным зарядом водорода соседней молекулы (точки на рис.2.8). Такие же связи, кстати, существуют и у других соединений водорода - в большинстве биологических молекул, например, углеводов, белков, нуклеиновых кислот..

Группы молекул Н₂О, объединяются, таким образом, посредством водородных связей в более крупную молекулу - кластер (H₂O)Х, не теряя в этом ансамбле своей индивидуальности (рис.2.12.). Величина Х может меняться от 3 до 6. Вода, таким образом,является сложным химическим веществом.Она состоит из повторяющихся кластеров, содержащих от 3 до 6 одиночных молекул H₂O. Действительная формула воды имеет вид среднего между Н₆О₃ и Н₁₂О₆. Устойчивость «сцепки» отдельных молекул воды в кластере обеспечивают водородные связи, которые между молекулами Н₂О в 24 раза слабее, чем связи между атомами кислорода и водорода в самой молекуле Н₂О.

Рис.2.12. Кластеры (синий) – сложные комплексы молекул Н₂О, скрепленных между собой внутри комплекса водородными связями.

 

Они начинают распадаться при температуре 100°С и полностью разрушаются при нагревании водяного пара до 600°С. Тем не менее, единой модели структуры воды пока не существует.

В 1933 г. английские ученые Дж. Бернал и Фаулер предложили первую теорию о тетраэдической структуре воды. Согласно ее положениям каждая молекула Н₂О может одновременно образовывать четыре водородные связи с другими простыми молекулами под строго определенными углами, равными 109,47°, направленных к вершинам тетраэдра (рис.2.13а). Это не позволяет такому кластеру при замерзании создавать плотную структуру и лед менее плотный, чем жидкая вода. При этом в структурах льда этот тетраэдр оказывается правильным (рис.2.13б).

Рис.2.13. Гипотетическая схема модели структуры льда

(а – тетраэдры; б – положение молекул воды в структуре льда:

1 – атом кислорода, 2 – атом водорода, 3 – водородные связи).

 

У жидкой воды, кроме тетраэдрических, могут быть и другие формы водородных связей,например, додекаэдров – двенадцатигранников (рис.2.14).

Рис.2.14. Возможные варианты форм водородных связей в молекуле воды.

При таянии льда - переходе его в воду, тетраэдры начинают распадаться, но в каком количестве и с какой скоростью – пока неизвестно. По мнению разных ученых при плавлении льда разрывается от 11 до 50% водородных связей, а некоторые полагают, что таких разрывов не происходит вообще.

Чистая вода, таким образом, в любых агрегатных состояниях оказывается практически мало изученной чрезвычайно гибкой, изменчивой равновесной структурной смесью пара, льда и жидкости. Факт существования в реальных термодинамических условиях Земли вещества одновременно в трех фазах, чутко реагирующего на малейшие изменения давления, температуры и магнитных полей, свидетельствует о необычайной сложности его природы. Известный геофизик, океанолог академик В.В.Шулейкин (1885-1979) отмечал, что «Среди всех веществ, изучаемых физиками и физико-химиками, вода во многих отношениях является самым трудным».

В этой связи становится понятным заключение некоторых исследователей о том, что: «К сожалению, науки о воде не могут похвастаться большими успехами в разгадке особенностей структуры воды. До настоящего времени мы обладаем на этот счет лишь более или менее правдоподобными гипотезами, еще далекими от превращения их в общепринятую теорию воды, которая объяснила бы все ее аномальные особенности и более чем странное поведение».

Так называемые сложные ассоциированные молекулы пара (Н₂О), воды (Н₂О)₂ и льда (Н₂О)₃, находятся в описанных кластерах в подвижном равновесии. В воде, иными словами, все время происходит переход молекул чисто воды в молекулы льда и наоборот, при этом их соотношение при каждой температуре всегда остается постоянным. Другое дело, что многочисленные конкретные схемы строения этих молекул все еще остаются гипотетическими (см. рис.2.14), так как возможности прямого наблюдения кластеров ограничены и экспериментаторы «компенсируют аппаратурные недостатки интуицией и теоретическими построениями». Разделить же кластер на отдельные молекулы, по мнению современных ученых, невозможно – «простая» вода «не торопится раскрывать свои внутренние секреты».

Экологические последствия кластерного строения воды:

· Если бы вода при испарении оставалась в виде кластера, содержащего несколько молекул Н₂О, то водяной пар был бы значительно тяжелее воздуха, состоящего в основном из молекул азота и кислорода. В результате, наша планета оказалась бы в условиях постоянного густого тумана вряд ли пригодных для жизни. Но при испарении кластеры воды распадаются и она превращается в простой легкий газ Н₂О, который насыщает земную атмосферу.

· Не менее полезным для природы оказывается многоликость воды и с точки зрения ее гигиены. Физикам известно, что, при образовании кристаллов, вещества самоочищаются, вытесняя из кристаллической решетки «все лишние» примеси. То же происходит и с водой. После ее замерзания «грязь» остается в воздухе и жидкости. Даже в покрытом смогом небе, грязной луже или соленом море снежинки блестят белизной, льдинки оказываются прозрачными, а айсберги - химически чистыми

· Кластерное строение воды спасает планету еще от одного ненастья – сезонных наводнений и повышений уровня Мирового океана. Лед и снег, обладая высокой отражательной способностью, предохраняют полярные области Земли от чрезмерного перегрева и, соответственно, катастрофического сезонного таяния ледников.

· С позиции кластеров легко объяснить также аномалии плотности и объема воды. При охлаждении ее сложной молекулы параллельно идут два процесса: нормальный - уменьшение объема за счет сокращения амплитуды колебания атомов молекул воды и аномальный - его увеличение за счет образования больших, менее плотных ледяных молекул. До температуры 4⁰С преобладает первый процесс, а ниже - второй. В момент сравнивания их интенсивности, т.е. при 4⁰С, мы получаем максимальную плотность воды. При образовании льда (замерзании) резко увеличивается количество ледяных молекул и плотность воды также резко снижается.

· Аналогичным образом обстоят дела и с аномалиями теплоемкости. При нагревании воды до 30⁰С интенсивность процесса образования легких ледяных молекул снижается и теплоемкость воды уменьшается. Выше этой температуры начинает преобладать “нормальный” процесс образования молекул воды и соответственно возрастает ее теплоемкость.

· При повышении давления температура плавления твердых тел, как известно, понижается. В молекулярной смеси вода-лед, при температурах ниже 30⁰С рост давления активизирует процесс преобразования ледяных молекул в водяные, что сопровождается “ненормальным” уменьшением вязкости воды. После 30⁰, когда ледяные молекулы практически все “растаяли”, среди водяных молекул начинается “нормальный” процесс роста вязкости от повышения давления.

Справедливости ради отметим, что такое объяснение “неправильности” изменения физических свойств воды при изменении температуры и давления оказывается не единственным. В 1930-е – 1960-е гг. учеными было высказано много гипотез строения воды. Тем не менее, всех их объединяет то, что вода признается сложной равновесной смесью молекул различных структурных форм. Так что, как видите, не проста наша водица, ох как не проста!