Не менее важную роль играют и спутниковые «медицинские» карты климатических изменений, ведь еще в глубокой древности было замечено влияние климата и погоды на течение многих, особенно сердечно-сосудистых, заболеваний. Впрочем, каждый из нас может привести множество примеров в подтверждение того, как меняется самочувствие при резком похолодании или, скажем, перед грозой.
Живая и мертвая, тяжелая и легкая
Вода – самое распространенное и в то же время самое ценное «ископаемое минеральное вещество» на нашей планете со столь на первый взгляд простым химическим строением и столь непростыми свойствами. В отличие от других аналогичных соединений вода имеет много аномалий. К ним относятся необычно высокая температура кипения и теплота парообразования. Вода характеризуется высокой теплоемкостью, которая позволяет использовать ее в качестве теплоносителя в теплоэнергетических установках. В природе это свойство проявляется в смягчении климата вблизи больших водоемов. Необычно высокое поверхностное натяжение воды обусловило ее хорошую способность смачивать поверхности твердых тел и проявлять капиллярные свойства, т. е. способность подниматься вверх по порам и трещинам пород и материалов вопреки земному притяжению.
Вспомним, какую большую роль играет гидросфера в формировании поверхности нашей планеты. Но кроме всесокрушающих водных потоков здесь действует еще и «физика фазовых превращений», ведь именно свойство воды увеличиваться в объеме при замерзании ведет к разрушению горных пород. Попадая в мельчайшие трещины скал и там замерзая, вода действует подобно взрывчатому веществу: образующемуся льду тесно в небольших трещинах и он разрушает камень.
Почему вода жидкая? Почему она может течь, литься, капать? Все дело в ее структуре. Жидкость – промежуточное состояние, в котором вещество уже лишено строгой упорядоченности твердого кристалла, но полного хаоса, присущего газообразному состоянию, в его структуре еще нет. В жидкостях соблюдается лишь ближний порядок: на небольших расстояниях частицы расположены более или менее «стройно», но по мере их удаления друг от друга этот порядок исчезает. Средние расстояния между частицами этого ближнего порядка задаются силами межатомного или межмолекулярного взаимодействия. В воде, например, атомы водорода одной молекулы притягиваются к атомам кислорода другой и т. д. Именно эта чрезвычайно развитая сеть водородных связей и придает воде многие поистине уникальные свойства, позволяя, в частности, говорить, что структура этой жидкости в чем-то сродни структуре кристалла.
Ученые выяснили, что если в свободном объеме вода как бы сама себе задает структуру, то при соприкосновении с твердой поверхностью структура последней начинает «навязываться» граничащему с ней слою жидкости толщиной от 10 до 100 ангстрем (ангстрем равен одной десятимиллионной доле сантиметра). Коль скоро структура этого граничного слоя воды оказывается измененной, иными становятся и его физико-химические свойства, в частности вязкость и способность растворять вещества.
Граничный слой воды с измененными свойствами существует, естественно, лишь в зоне, близкой к твердой поверхности. Однако представим, что вода находится в очень тонком капилляре – тоньше самого граничного слоя. И тогда окажется, что вся жидкость в капилляре уже не та, какой она была в свободном объеме. То же самое произойдет, если жидкостью пропитать какое-либо пористое вещество. Но ведь пористые вещества, пропитанные жидкостями, встречаются буквально на каждом шагу. Это и почва, и различные строительные материалы. И во всех этих пористых материалах вода, как выяснилось, имеет вовсе не те свойства, каких от нее следовало бы ожидать.
Газовая камера для опреснения морской воды
Одна из серьезнейших проблем, стоящих перед человечеством, – дефицит пресной воды. В разработке экономических методов опреснения морской воды российские специалисты достигли значительных успехов. В частности, среди этих методов весьма перспективным оказалось использование так называемых мембранных фильтров. Суть проста: морская вода продавливается сквозь мембрану, не пропускающую растворенные соли. И в этом «сите», способном отделять ионы от молекул воды, главную роль играют как раз особые свойства граничного слоя.
Французские гидрофизики предложили оригинальный способ за несколько минут перевести воду в твердое состояние, не меняя ее химического состава. С помощью открытого ими полимера можно получить воду, напоминающую по структуре затвердевшее желе.
Такое желе, названное акваблок, не испаряется даже при сравнительно высокой температуре воздуха. Его можно использовать для водоснабжения в засушливых и пустынных районах Африки. Срок хранения акваблока не ограничен. Достаточно добавить немного воды – и желе сразу перейдет в жидкое состояние. Перевозить же акваблоки можно даже самосвалами.
Для получения желе не требуется специального оборудования, нужно только достаточно дешевое пылеобразное вещество, представляющее собой пока еще ноу-хау изобретателей. Одного килограмма подобного акваконсерванта хватает для превращения в желе около 500 лит ров воды.
Сейчас гидрофизики работают над сгущением жидкого топлива, например нефти, бензина и керосина. Очень интересно и предложение «сгущать» загрязненную промышленную воду с высоким содержанием токсичных веществ.
Тяжелая вода имеет ту же химическую формулу, что и обычная, но вместо атомов обычного легкого изотопа водорода протия она содержит два атома тяжелого изотопа водорода – дейтерия
Следующей по распространению и популярности в природе следует тяжелая вода, также имеющая несколько названий: дейтериевая или тяжеловодородная вода, а также оксид дейтерия. Внешне тяжелая вода выглядит совершенно так же, как и обычная, представляя собой бесцветную жидкость без вкуса и запаха.
Еще выделяют полутяжелую воду, известную также под названиями монодейтериевая вода, гидроксид дейтерия, у которой только один атом водорода замещен дейтерием.
Существует еще и сверхтяжелая вода, в молекулах которой атомы водорода замещены атомами трития. Тритий является радиоактивным изотопом водорода, возникающим в ядерных реакциях, иногда его называют сверхтяжелым водородом. Ядро трития состоит из протона и двух нейтронов. В природе этот элемент образуется в верхних слоях атмосферы при соударении частиц космического излучения с ядрами воздушной среды. В чистой форме тритиевая вода называется окисью трития или супертяжелой водой. Тритиевая вода содержится в обычной воде, однако распределяется неравномерно. Например, в водоемах материков ее больше, чем в океанах, а в океанских водах возле полюсов больше, чем возле экватора.
Тритиевую воду часто используют как меченое соединение для исследования водного обмена.
Различается вода и по изотопному составу кислорода. Всего же насчитывается не менее 18 ее изотопных разновидностей. Тяжелая вода – обязательный спутник воды обыкновенной, но содержание ее в природных водах определяется таким соотношением: 1 часть тяжелой воды на 6800 частей нормальной. Это очень и очень немного, так что нам нечего опасаться. Впрочем, некоторые опытные данные, требующие, правда, дальнейшей проверки, говорят, что было бы еще лучше для нас и для всего живого, если бы тяжелой воды в обыкновенной содержалось еще меньше. Сейчас уже надежно установлено, что тяжелая вода в больших дозах вызывает гибель организмов, в меньших – действует угнетающе. Тут уж перед нами действительно мертвая вода – без всяких кавычек.
Если мы откроем водопроводный кран и наполним чайник, то там будет не однородная вода, а ее смесь. При этом дейтериевых вкраплений окажется очень немного – примерно 150 граммов на тонну. Получается, что тяжелая вода есть повсюду – в каждой капле! Проблема в том, как ее добыть. Во всем мире ее добыча связана с огромными затратами энергии и очень сложным оборудованием.
Однако некоторые гидрологи уже давно высказывают предположение о том, что на нашей планете возможны природные условия, в которых протиевая и дейтериевая воды расслаиваются друг от друга, так что образуются области с высокой концентрацией оксида и гидроксида дейтерия. Где же следует искать «залежи» тяжелой воды? Предложений много, но реальных среди них единицы: в полярных водах, при речном ледоставе и ледоходе, а также в подземных водах глубочайших пещер.
Между прочим, тяжелая вода пока еще не обнаружена вне Земли, и вполне возможно, что, как и жизнь, она представляет собой сугубо земное явление. Собственно говоря, ничего необычного в этом нет, ведь дейтерий образуется из протия вследствие захвата им нейтрона космического излучения. Так что Мировой океан, ледники и атмосферная влага являются естественными источниками этой странной фракции водной среды.
Общий план поисков гидрологами тяжелой воды включает в основном измерения плотности жидкости, ведь ее разница с обыкновенной водой довольно существенна. Вторым критерием поиска является анализ агрегатного состояния, т. е. процессов застывания и таяния. Существует даже гипотеза «вымораживания» небольших ледников из тяжелой воды в высоких широтах нашей планеты. Но существует и противоположное мнение о том, что воды высоких широт, наоборот, бедны дейтерием. Поводом к этому стали широкомасштабные исследования системы Великих озер на границе Канады и США. Обнаружились пониженное содержание оксида и гидроксида дейтерия, а также сезонные колебания их концентрации, – так, в зимний период парциальное содержание тяжелой воды резко падало. Эти отклонения от нормы связывались с особенностями распределения атмосферных осадков, которые, как принято предполагать, разносят дейтерий по планете.
Сторонники поиска высокоширотных месторождений тяжелой воды аргументированно возражают на доводы американских ученых: если учесть, что через центры кристаллизации в северных реках за короткое время проходят сотни и тысячи кубометров воды, из которых намораживается в лед тысячная доля процента, то и этого будет достаточно, чтобы строить схемы образования «дейтериевых ледников». Более того, энтузиасты приполярной тяжелой воды указывают, что именно присутствием таких концентраций можно объяснить тот доказанный факт, что зимой в северных водоемах процентное содержание дейтерия заметно уменьшается. Да и полярные воды, как показывают пробы, тоже бедны дейтерием, и в Арктике, вполне вероятно, есть районы, где плавают в основном только льдины, обогащенные дейтерием, – ведь рыхлый донный лед появляется первым и тает последним.