Что такое вода?

  Вода может существовать в жидком, твердом и газообраз­ном состояниях. В каждом из этих состояний она обладает другими свойствами, которые объясняются особенностями строения ее молекулы (рисунок 6.1).

Вода — жидкость

  Очевидно, что вода - это текучая субстанция. Но то же са­мое справедливо и по отношению к воздуху в атмосфере. Жидкая вода отличается от воздуха тем, что поведение ее отдельной молекулы во многом определяется влиянием всех соседних с ней молекул. В противоположность этому моле­кула атмосферного газа находится в случайном движении и влияние соседних молекул проявляется только при ее столк­новениях с ними. Молекула воды постоянно «ощущает» присутствие соседних молекул, и этой особенностью опреде­ляются два важных свойства воды, находящейся в жидком состоянии.

Молекула воды

Рисунок 6.1. Молекула воды

  Если бы мы могли разглядеть молекулу воды, то увидели бы нечто похожее на изображенную на рисунке картинку: два атома водоро­да Н, тесно связанные с одним атомом кислорода О. Молекулярная масса воды 18, из них 16 единиц дает кислород, а 2 — водород. Размер молекулы определяется средним расстоянием между ядра­ми О и Н и составляет примерно 0,1 ммкм (10-10 м).

  Почему природа избрала именно такую конструкцию — один О и два Н? Дело в том, что ни атомы кислорода, ни атомы водо­рода не ведут себя как отдельные объекты. Каждый из них стре­мится соединиться с другими атомами. О и Н, как и все атомы во­обще, состоят из ядер, содержащих плотно упакованные нейтроны и протоны, и обращающихся вокруг них электронов. Именно рас­положение электронов на внешних оболочках (орбиталях) атома определяет, как этот атом взаимодействует с другими атомами. Атом кислорода содержит восемь электронов, атом водорода — только один.

  Представить себе, как соединяются в пространстве атомы кис­лорода и водорода, можно следующим образом. Центральное ме­сто занимает тяжелое ядро атома кислорода: два его электрона об­разуют тесно связанную пару на внутренней оболочке, а остальные шесть электронов занимают внешнюю оболочку. В соответствии с правилами заполнения электронных оболочек она более устойчива, когда заполнена восемью электронами; поэтому атому кислорода не хватает двух электронов для того, чтобы находиться в наиболее предпочтительном для себя состоянии. Каждый атом водорода также нуждается в одном электроне, который мог бы составить пару его единственному электрону. Соединяясь, два атома водоро­да и один атом кислорода обобществляют свои электроны, образуя весьма устойчивую молекулу; иными словами, образующаяся моле­кула с общими электронами идеально удовлетворяет правилу за­полнения электронных оболочек.

  Хотя обобществление электронов дает физически устойчивую молекулу, электрическое поле вокруг нее оказывается неоднород­ным. Если, находясь в атоме водорода, его электрон нейтрализует положительно заряженный протон в ядре, то в молекуле воды он часть своего времени находится в оболочке атома кислорода. В ре­зультате вблизи ядер атомов водорода возникают положительные заряды. Аналогичным образом у кислородного конца молекулы должен существовать отрицательный заряд. Расположенные по разные стороны заряды образуют так называемый электрический диполь. С ним связаны многие уникальные свойства воды. Напри­мер, если поместить воду во внешнее электрическое поле, молеку­лы воды выстроятся так, что их дипольные моменты будут ориен­тированы вдоль поля; этим объясняется то, что вода обладает большой диэлектрической проницаемостью — около 80 (для срав­нения — диэлектрическая проницаемость вакуума равна 1). Следо­вательно, в воде два любых заряда притягиваются друг к другу в 80 раз слабее, чем в вакууме. Благодаря этому вода является ис­ключительно сильным растворителем, и потому от нее так сильно зависит жизнь на Земле.

  1. Вода практически несжимаема. В качестве единицы давления при изучении океанов используется бар; 1 бар определяется как вес столба атмосферного воздуха с единич­ной площадью сечения (для стандартного состава воздуха давление на уровне моря равно 1,013 бар, или 1013 мбар). Ниже поверхности моря давление быстро растет с глубиной вследствие высокой плотности морской воды (в тысячу раз превышающей плотность воздуха). На глубине 10 м оно со­ставляет 2 бар (1 бар дает вышележащая атмосфера, а еще 1 бар — вес столба воды от поверхности до глубины 10 м), на глубине 20 м - 3 бар и т. д. У дна моря на типичной абиссальной равнине, которая располагается на глубине 4000 м, давление равно приблизительно 401 бар. Но, не­смотря на очень высокое давление в глубинах океана, океан­ская вода сжимается незначительно. Иначе говоря, объем, занимаемый данным числом молекул воды, очень мало из­меняется при увеличении давления. Это сопротивление во­ды изменению объема означает ее малую сжимаемость — свойство, обязанное тому, как природа сконструировала мо­лекулу Н20. При изменении давления на 1 мбар на поверх­ности моря соответствующее изменение высоты 4000-го столба воды составит всего лишь 0,01 м (0,00025%); если бы Земля лишилась всей своей атмосферы, уровень воды поднялся бы лишь на 10 м. Из всего сказанного мы заклю­чаем, что изменения плотности морской воды, обусловлен­ные давлением, оказывают пренебрежимо малое влияние на вертикальные движения волы в океанах. Предположим, на­пример, что мы опустили батометр для отбора проб воды на глубину 4000 м, закрыли клапаны, чтобы вода не выли­валась, и подняли батометр на палубу. Увеличение объема заключенной в него воды будет пренебрежимо малым. (Ко­му это на руку — так это океанологам! Отбор проб сжимае­мой жидкости с больших глубин, т.е. под большим давле­нием, был бы трудной, дорогостоящей и небезопасной про­цедурой.) Рассмотрим теперь для сравнения расширение та­кого газа, как гелий, в воздушном шаре, поднимающемся с поверхности Земли. На высоте 5 км атмосферное давление вдвое меньше, чем на уровне моря, и при прочих равных ус­ловиях объем газа внутри шара на этой высоте удвоится. Вывод очевиден: океанологи могут пренебрегать расшире­нием и сжатием морской воды, испытывающей значитель­ные перемещения по вертикали (что характерно, например, для районов апвеллинга).

  При сжатии воздуха его температура возрастает. В зем­ной атмосфере температура воздуха на уровне моря пример­но на 10 °С выше, чем на высоте 1 км. Почти несжимаемая океанская вода ведет себя совершенно иначе. Хотя давление в столбе воды быстро возрастает с глубиной, связанное с этим повышение температуры воды невелико — примерно 0,1 °С на 1 км глубины. Если бы вода вела себя в этом от­ношении подобно воздуху, обитающие у дна океана живые организмы просто сварились бы в горячей воде.

  Вследствие малой сжимаемости воды звуковые волны могут распространяться в ней с большой скоростью и почти без затухания. Колебания давления в звуковой волне распро­страняются со скоростью около 1500 м/с, т. е. примерно в пять раз быстрее, чем в воздухе. Кроме того, звук может распространяться в океанах на большие расстояния; не слу­чайно многие обитатели моря используют для коммуника­ции акустический канал. Мы все наслышаны о недавних от­крытиях, касающихся «разговора» китов и дельфинов. Дру­гой особенностью поведения морских животных, которая, по-видимому, тесно связана со способностью звуковых волн быстро и легко распространяться в морской воде, является объединение многих видов рыб в косяки. Каждая отдельная рыба ощущает изменения давления, возникающие при пово­роте соседней рыбы, и поворачивает в ту же сторону. Быст­рое распространение информации через весь косяк приводит к тому, что он почти как одно целое изменяет направление своего движения.

  2. Вода — вязкая жидкость, хотя ее коэффициент вязко­сти очень мал (см. таблицу 6.1). Движение отдельных молекул воды зависит от наличия и влияния соседних молекул, так­же находящихся в движении. Из-за этого возникает своего рода сопротивление трения, другое название которого — вязкость. Некоторые жидкости, например автотракторное масло, имеют большую вязкость. Однако для движений в масштабах, много больших длины свободного пробега мо­лекулы, вязкость может быть иной. Динамика океанических круговоротов и течений зависит от «вязкого сопротивле­ния», которое очень невелико.

 Таблица 6.1. Физические свойства воды, важные для океанологии

Свойство Характеристика Отношение к океанологии

1 группа: свойства, влияющие на земной климат и океанскую биосферу

 Удельная теплоемкость  1 кал тепла изменяет температуру 1 г чистой воды на 1 °С; выше, чем у других широко распространенных в природе веществ  Обладая способностью поглощать и высвобождать боль­шое количество тепловой энергии, вода смягчает резкие ко­лебания климата на Земле. Благодаря этому же свойству температура в океане изменяется в узких пределах и боль­шинство морских организмов являются холоднокровными
 Скрытая теплота парообразования  1 г нагретой до кипения чистой воды нужно сообщить 540 кал, чтобы пре­вратить ее в пар

 Из-за того что это огромное количество тепла является принадлежностью воды в парообразной фазе, перенос пара в атмосфере играет определяющую роль в переносе в по­лярные районы избытка тепла, образующегося при погло­щении солнечной радиации в тропиках. Процесс высво­бождения этого скрытого тепла обеспечивает энергию для образования тропических циклонов, тайфунов и ураганов

 Скрытая теплота плавления

 Чтобы превратиться в лед, 1 г чистой воды при точке замерзания должен потерять 80 кал

 Когда океанические течения выносят лед из полярных об­ластей, теплота плавления «остается» на месте. По этой причине лед играет важную роль в концентрации тепловой энергии, переносимой вокруг земного шара. Что касается биосферы, то ледяная поверхность служит «крышей» и «полом» для самых разных организмов — от птиц до моржей

 Теплопроводность

 Наибольшая среди всех широко рас­пространенных в природе жидкостей  На молекулярном уровне тепло передается через воду при­мерно в сто раз быстрее, чем соли. Эта разница в скорости обеспечивает существование уникального механизма пере­мешивания, называемого двойной диффузией, благодаря которому массы воды в толще океана обмениваются теп­лом и солями
 II группа: свойства, важные для химических и биологических процессов
 Растворяющая способность и элект­рическая прочность

 Молекула воды является диполем, ко­торый способствует диссоциации многих соединений. Ее высокая элект­рическая прочность дает возмож­ность отдельным элементам сущест­вовать в свободном виде

 Морская вода представляет собой «решетку» из молекул воды с многочисленными сольватированными ионами и неорганическими комплексами. С точки зрения биологов, морская вода со всеми растворенными в ней веществами — это питательный «бульон» для микроскопических орга­низмов, растительных и животных
 Поверхностное натяжение  Наибольшее среди всех распростра­ненных в природе жидкостей  Из-за того что большинство морских растений и многие из морских животных (простейшие) представляют собой одноклеточные организмы, взвешенные в морской воде, они потребляют нужные им химические вещества через мембрану, которая отделяет ткани тела от окружающего их «бульона»; поверхностное натяжение воды существенно влияет на эти процессы
 Прозрачность и показатель преломле­ния  Вследствие высокой электрической прочности вода легко поглощает элек­тромагнитное излучение на всех дли­нах волн, за исключением видимого диапазона  Окно прозрачности воды попадает на длины волн, соответ­ствующие зелено-голубому свету, т. е. те, которые отвеча­ют пику в спектре излучения Солнца. Поэтому растения в океанах могут обитать примерно до 100-м глубины. Кроме того, некоторые морские организмы выработали способ­ность к биолюминесценции в этом же окне прозрачности, а их глаза приобрели наибольшую чувствительность по отно­шению к этому же зелено-голубому свету
 III группа: свойства, важные для физических, геологических и биологических процессов
 Плотность  Плотность морской воды изменяется обратно пропорционально темпера­туре и прямо пропорционально содер­жанию солей  В такой жидкой среде, как вода, даже очень небольшие ва­риации плотности могут порождать и поддерживать очень сильные течения. Это создает серьезные трудности для океанологов, которые, для того чтобы рассчитывать океа­нические течения, должны измерять температуру и соле­ность с высокой степенью точности. С точки зрения биолога, плотность воды настолько высока, что морские организмы не тонут в ней; растения не тратят много энер­гии, чтобы шевелить своими отростками, а животные — чтобы двигать конечностями. С точки зрения геолога, плотность воды достаточно высока, чтобы песок и ил мо­гли в ней находиться во взвешенном состоянии и перено­ситься на большие расстояния
 Сжимаемость (степень уменьшения объема воды при увеличении давле­ния)  Вода имеет небольшую сжимаемость; при изменении атмосферного давле­ния на уровне моря на 1 мбар столб океанской воды средней глубины из­меняет свою высоту на 1 см  Для океанологов это свойство важно в чисто практическом смысле: проба воды, поднятая с большой глубины, не ра­зорвет батометр и не нанесет увечья команде. Другое следствие то, что вода легко передает звук (колебания дав­ления) на большие расстояния; поэтому звук является важ­ным средством коммуникации для разнообразных морских организмов
 Вязкость (способность воды сопро­тивляться изменению формы)  Имея небольшую вязкость, вода с лег­костью турбулизуется  Волны в океанах могут переносить энергию на расстояния в тысячи километров, теряя на трение незначительную ее часть. Морские обитатели могут двигаться в воде без осо­бых затрат энергии; вязкость становится существенной по­мехой лишь при очень малых их размерах. Одноклеточные растения в море проводят свою жизнь практически во взве­шенном состоянии, так как для них вода представляет со­бой очень вязкую среду

  Чтобы понять, при каких размерах тела вязкое сопро­тивление становится существенным, рассмотрим копеподу, длина которой составляет в среднем 2 мм. В таких масшта­бах вязкость невелика и копепода может двигаться без осо­бых затруднений. Но фитопланктон, которым питается ко­пепода, настолько мал, что для пищевого поведения копеподы вязкость воды становится существенным фактором (сравнить размеры копеподы и фитопланктона можно с по­мощью рисунка 2.3). Расстояния между щетинками на конечно­сти копеподы, с помощью которых она питается, равны лишь нескольким микронам — всего в несколько тысяч раз больше молекулы воды. Таким образом, копепода «добыва­ет» питание из вязкой жидкости! Иными словами, микро­скопический фитопланктон «ощущает» океан как чрезвычай­но вязкую жидкость, в которую он очень медленно погру­жается. В действительности у фитопланктона часто наблю­даются волосяные выросты, с помощью которых он может дольше находиться в «подвешенном» состоянии, противо­действуя силе тяжести (см. рисунок 9.9).

Вода также — твердое вещество или газ

  Вода — необычная жидкость в том смысле, что в существу­ющих на Земле климатических условиях она также доста­точно часто встречается в твердом и газообразном состоя­ниях.

  Фазовые состояния воды. Фазовые превращения чистой во­ды можно проиллюстрировать на так называемой фазовой диаграмме (рисунок 6.2). При давлении 1 бар (типичное давле­ние на уровне моря) вода в зависимости от температуры может существовать во всех трех состояниях. Используемая в настоящее время шкала Цельсия определяется по крайним точкам — точке замерзания (0 °С) и точке кипения (100 °С) чистой воды при нормальном атмосферном давлении на уровне моря. Разбиение шкалы Цельсия на 100 интервалов (градусов) — чистая условность; для этого можно было вы­брать любое другое число. В то же время выбор жидкой во­ды как среды, внутренние свойства которой должны быть стандартными при температурных измерениях на всем зем­ном шаре, был сделан мудро: вода имеется повсюду, а уро­вень моря можно определить в любой точке земного шара.

Рисунок 6.2. Фазовая диаграмма для чистой воды.

Фазовая диаграмма для чистой воды

На уровне моря вода в зависимости от температуры может су­ществовать в любом из трех состояний: в виде льда, жидкости или пара. Чтобы молекула Н20 могла перейти из одного состояния в другое, ее внутренняя энергия должна существенно измениться. На­пример: I) Чтобы перейти из твердого состояния в жидкое (точка с), каждый грамм Н,0 должен поглотить 80 кал. 2) Для перехода из жидкого состояния в газообразное (точка а) каждый грамм ки­пящей воды должен поглотить приблизительно 540 кал. 3) Чтобы испарить 1 г воды, находящейся при обычной температуре моря (точка Ь), нужно затратить те же 540 кал плюс некоторое добавоч­ное количество тепла. Эта так называемая полная теплота парооб­разования рассчитывается по формуле: Теплота парообразования (кал) = 596 - 0,52 х температура (°С).

  Вода не переходит из одного состояния в другое просто так. Каждый переход облагается «пошлиной» в виде затрат тепловой энергии; общепринятой единицей для измерения тепловой энергии является калория. Чтобы превратить воду в пар, нужно сообщить ей определенное количество калорий тепла; чтобы превратить пар в жидкость, от него нужно от­нять столько же калорий. Точнее, количество калорий зави­сит от того, при каких давлении и температуре происходит изменение состояния; вот почему для объяснения этого ос­новного свойства воды используется фазовая диаграмма.

  Переход из жидкого состояния в пар — теплота парообра­зования. Например, при нормальном атмосферном давлении и температуре 20 °С (точка b на рисунке 6.2) для испарения 1 г Н20 требуется 585,6 кал. Это довольно ощутимая величина: ее хватило бы на то, чтобы повысить температуру чашечки чая на 6 °С. С поверхности Мирового океана ежегодно испа­ряется слой воды толщиной примерно 1,2 м. Подробнее мы поговорим об этом в следующих разделах.

  Переход из жидкого состояния в твердое — теплота плавле­ния. При температуре замерзания 1 г воды должен поте­рять около 80 кал, чтобы превратиться в кристаллический твердый лед (точка с на рисунке 6.2). Вода в твердом состоя­нии также играет важную роль в земной экосистеме. Во-первых, ледяной покров изолирует поверхностные воды океана от атмосферы. Вследствие этого океаны получают меньше солнечной радиации, поскольку значительная часть ее отражается ледяной поверхностью; меньше тепла и ухо­дит из океанов, поскольку последний изолирован от атмо­сферы. Во-вторых, при образовании морского льда большая часть солей, растворенных в морской воде, переходит в ле­жащую ниже жидкость, плотность которой в результате увеличивается. Этот процесс может продолжаться, пока «струи» очень холодной и очень соленой воды не начинают погружаться в глубину. Такое часто случается в Южном по­лушарии, где льдом, образующимся вокруг Антарктиды, зимой покрыто 8% поверхности океана (летом лед тает и площадь ледяного покрова уменьшается до 1%). В масшта­бе всех океанов сезонные изменения ледяного покрова про­исходят на площади около 18 000 000 км2, причем ежегодно замерзает и тает около 18 000 км3 воды. Тепло, то высво­бождаемое, то поглощаемое в процессе образования и тая­ния льда в Южном океане, дает существенный вклад в гло­бальный тепловой бюджет океанов.