Читаем Вода онлайн бесплатно

В истории нашей планеты вода имеет исключительно важное значение. Пожалуй, никакое другое вещество не может сравниться с водой по своему влиянию на ход тех величайших изменений, которые претерпела Земля за многие сотни миллионов лет своего существования.

Не менее важна роль воды и для жизни растительного и животного мира Земли. Вода может существовать без всякого участия жизни, но жизнь без воды невозможна. Уже один этот факт дал право нашим предкам утверждать, что вода появилась на Земле раньше, чем зародилась жизнь.

Вода — одно из немногих веществ, которое может в земных условиях находиться во всех трёх физических состояниях: твёрдом, жидком и газообразном.

Благодаря повседневному обращению с водой мы так привыкли к ней и к её разнообразным проявлениям в природе, что часто не замечаем целого ряда её отличительных свойств. А ведь именно этим свойствам мы обязаны тем, что наши озёра и реки не промерзают зимой до дна, что сильные весенние паводки сравнительно редки, что, замерзая, вода может производить большие разрушения и т. д. Многие привычные нам явления природы связаны именно с особенностями воды.

Велика роль воды и в технике. Невозможно представить такую отрасль промышленности, где бы в том или другом виде не применялась вода. Вода служит источником энергии. Вода переносит тепло. Вода используется как прекрасный растворитель для многих веществ. Вода является той средой, в которой протекает огромное количество различных химических процессов.

Об этом и будет здесь рассказано.

Взгляните на глобус. Сразу бросается в глаза, что большая площадь его окрашена в голубовато-зелёный цвет. Это — моря и океаны земного шара. Только 29 процентов, то есть меньше трети его общей площади, занимают материки и острова; остальные две трети поверхности Земли, точнее 71 процент, покрывают океаны, моря и озёра.

Общее количество воды, наполняющей океаны и моря Земли, огромно. Если бы можно было собрать эту воду в одну каплю, то диаметр этой «капли» равнялся бы почти полутора тысячам километров.

Самый глубокий океан Земли — Тихий; его наибольшая глубина равна приблизительно 10, 8 километра. Средняя глубина океанов 3800 метров. Нетрудно подсчитать, что если бы вода была распределена по всей поверхности Земли равномерно, то весь земной шар был бы покрыт водным слоем толщиной около 2700 метров.

Примерно одну пятидесятую часть суши (около 27 миллионов квадратных километров площади) занимают озёра с пресными и солёными водами. Во всех озёрах нашей планеты воды в 5 тысяч раз меньше, чем в океанах и морях. По количеству озёр на первом месте в мире стоит Советский Союз, — озёр у нас насчитываются тысячи. Среди них самое большое солёное озеро — Каспийское; его площадь больше 400 тысяч квадратных километров.

Из озёр с пресными водами самые большие: Ладожское, Онежское, Байкал, Балхаш, Иссык-Куль; взятые вместе они занимают площадь более полумиллиона квадратных километров.

Есть на земном шаре места с огромным количеством пресных озёр, например север Европейской части СССР, Финляндия, Скандинавия. Более половины всей площади Норвегии занято озёрами.

Источниками озёрных вод являются главным образом атмосферные осадки, непосредственно падающие в озёра или приносимые в них реками и ручьями. Особенно чисты воды горных озёр; они питаются водой, которая образуется при таянии снегов и ледников.

Воды в реках Земли примерно в три раза больше, чем в озёрах. По числу и протяжённости рек Советский Союз также занимает первое место в мире.

Наша Волга — крупнейшая река Европы. Около 1080 рек, речек, протоков и озёр питают её бассейн (на рисунке 1 многих из них нет). Почти 250 кубических километров воды приносит Волга ежегодно в Каспийское море. Длина Волги равна 3694 километрам.

Рис. 1. Волга с притоками.

Ещё более мощные реки несут свои воды по Сибири в Северный Ледовитый океан. Это величайшие реки земного шара: Обь (длина её около 5200 километров), Енисей (4010 километров) и Лена (5014 километров). Общая протяжённость рек нашей Родины исчисляется миллионами километров.

Вода находится не только на поверхности нашей планеты. Огромные массы воды странствуют в атмосфере в виде пара, снежинок или водяных капель.

В нижнем слое атмосферы — тропосфере (до высоты 10–15 километров) вода есть всегда. В более высоких слоях воды уже нет.

Много воды заключено и в недрах Земли. Это так называемые подземные воды.

По количеству подземные воды стоят на втором месте, вслед за водами океанов и морей. Выдающийся русский учёный академик В. И. Вернадский писал: «Мы не знаем в природе ни одного твёрдого тела, которое бы в своём составе не заключало воды». И это действительно так.

Почвенный слой, покрывающий почти всю поверхность суши, в той или иной степени пропитан водой. Содержание воды в почве может колебаться от одного до 70 и больше процентов, но чаще всего встречаются почвы, увлажнённые до 15–25 процентов. Это означает, что по весу примерно одну пятую часть почвы составляет вода.

Вода собирается в пустотах и в мельчайших, невидимых глазом трещинах горных пород. В некоторых породах эти трещины могут составлять половину общего объёма породы, а в других, как например в граните, — всего лишь пол процента. Кроме того вода связана со многими минералами в прочные соединения и сохраняется в них в течение тысячелетий.

Вода проникает и в глубокие слои земной коры. Вода может присутствовать всюду, где есть такие условия, — температура и давление, при которых возможно существование воды. Благодаря огромным давлениям на больших глубинах вода может оставаться жидкой и при высоких температурах — до трёхсот с лишним градусов, а в растворах, которые она образует при соприкосновении с различными породами, до 400 градусов и выше. Нижней границей существования подземных вод считается приблизительно глубина в 13–14 километров. В ещё более глубоких слоях вода может находиться в виде паров. На глубинах 55–60 километров, где давление достигает 30 тысяч атмосфер, пары воды уже не существуют. Здесь вода находится в каком-то особом состоянии, о котором у нас нет пока точных представлений.

Таким образом в слое на 10–15 километров выше и километров на 50 ниже поверхности Земли вода существует во всех физических состояниях: твёрдом, жидком и газообразном.

Вода морей, атмосферная вода и подземная не живут обособленной друг от друга жизнью. В природе беспрерывно совершаются процессы, которые сопровождаются переносом огромных количеств воды из атмосферы на поверхность и в недра Земли, и обратно. С замечательным круговоротом, который совершает вода в природе, мы и познакомимся в следующем разделе.

Вода — очень подвижная жидкость. Кроме того, в земных условиях она легко переходит из одного состояния в другое: испаряется, замерзает, плавится. Именно поэтому вода — вечный путешественник.

С поверхности рек, озёр, морей в любое время года в воздух непрерывно поднимаются невидимые водяные пары. Подхваченные ветром, они рассеиваются в безбрежном воздушном океане.

Чем выше температура воздуха, тем больше в нём может быть воды в виде пара. Однако количество водяных паров в воздухе не может расти безгранично: при любой температуре всегда наступает такой момент, когда воздух насыщается водяными парами. При 20 градусах мороза, например, в одном кубическом метре насыщенного водяными парами воздуха содержится 1 грамм паров, при нуле градусов — 5 граммов, а при 20 градусах тепла — 17 граммов.

Если в насыщенный воздух продолжают поступать водяные пары, то начинается сгущение или конденсация пара в кристаллики или в капельки воды. То же самое произойдёт, если насыщенный при определённой температуре водяными парами воздух станет остывать, — пар сгущается, и образуется облако.

Капельки воды, образующие облака, очень малы — диаметр их не превышает тысячной доли сантиметра (из одного куб. см воды их могут получиться миллиарды). Такие маленькие капельки легко удерживаются в воздухе. Этим и объясняется, почему облако, несущее иногда тонны воды, может долго находиться в атмосфере.

Но вот облако поднимается на такую высоту, что капли, находящиеся в его вершине, замерзают. Образовавшиеся кристаллики льда легко обволакиваются другими капельками и становятся тяжёлыми. Они уже не могут держаться в воздухе и быстро падают вниз. Если на пути встречаются тёплые слои воздуха, кристаллики тают, и образуются дождевые капли. Если же температура воздуха низка, идёт снег^[1]).

Выпавший зимой снег в массе своей лежит до весны, пока яркие солнечные лучи не превратят его в шумные, быстро бегущие ручьи. Тысячи ручьёв, собираясь вместе, бегут к реке. Начинается весенний паводок. Бывают годы, когда снег стаивает в несколько дней. Тогда особенно сильно разливаются реки. Маленькие, часто пересыхающие в сухое летнее время речушки превращаются в бурные, грозные по своей силе потоки. А большие реки, выходя из берегов, разливаются на десятки километров.

Не вся вода, выпавшая на землю в виде осадков, уносится реками в моря. Часть её снова испаряется, а часть просачивается сквозь почву. Достигая водонепроницаемого слоя (например, слоя глины, гранита, мрамора), она течёт по его скату (рис. 2). Некоторая часть подземных вод снова быстро находит выход к поверхности земли; тогда появляются холодные ключи. Их воды, вливаясь в ручьи и реки, заново начинают свой путь по земле, а испаряясь — в атмосфере. Другая же часть просочившихся сквозь почву вод проникает по трещинам пород всё глубже и глубже в недра земли. Достигнув слоев с высокой температурой, вода превращается в пар; пар поднимается вверх, снова сгущается в воду, чтобы опять начать свой подземный круговорот, или же выходит на поверхность в виде горячих источников.

Рис. 2. Достигая слоя глины, вода течёт по его скату.

Проследить весь путь, совершаемый водой в природе, трудно, во-первых, из-за его чрезвычайной сложности, а во-вторых, благодаря многообразию тех условий, в которых может находиться в природе вода. Если бы можно было последовать за частицей воды всюду, где она только бывает, то мы совершили бы одну из самых увлекательных экскурсий, какие только можно себе представить. И, выпивая стакан воды, мы с полным основанием можем думать, что эта вода в своё время могла блестеть в лучах зари на вершине Эльбруса, мчаться в струе горной речки, качаться в волне Чёрного моря, сверкать в радуге над Москвой, носиться с вьюгой над ледяными просторами Арктики или быть жадно впитанной из почвы корнями сибирской сосны.

Количество воды, участвующей в круговороте, общий контур которого мы только что наметили, поистине грандиозно. Достаточно сказать, что за один год в воздух поднимается около 400 тысяч кубических километров воды в виде пара. Мы уже знаем, что площадь суши почти в три раза меньше площади океана. Казалось бы, что и испарение воды с суши должно быть в несколько раз меньше, чем с поверхности водоёмов. Но если учесть, что вода испаряется и растительным покровом и что общая поверхность листьев в десятки раз превосходит площадь занимаемой растениями земли, то как будто очевидно, что суша должна испарять воды не меньше, чем водоёмы. В действительности же испарение с суши едва составляет одну пятую часть всей поступающей в атмосферу воды. Объясняется это тем, что испарение в водных бассейнах происходит не со спокойной, ровной поверхности; оно ускорено действием ветров, вызывающих образование волн и брызг.

Однако не вся вода одинаково интенсивно участвует в круговороте. Нижние холодные слои воды морей и океанов, представляющие собой спокойную массу, не принимают почти никакого участия в круговороте воды. На многие тысячелетия остаётся неподвижной и та часть воды, которая при формировании земной коры была включена как химическая составная часть в различные минералы или заполнила пустоты в горных породах. Эта вода освобождается лишь постепенно, благодаря геологическим изменениям и деятельности самого человека.

Мы познакомились с водой нашей планеты и проследили за её движением в природе. Теперь посмотрим, что представляет собой вода.

В жизни человека, как и в жизни всякого другого существа, вода играет громадную роль. Вода нужна для питья и для приготовления пищи, вода нужна для мытья. Давно человек понял и то, что вода необходима для его полей. Поэтому нет ничего удивительного, что ещё древние народы, жившие тысячелетия до нас, смотрели на воду как на особое вещество, первооснову всего существующего.

«Вода как жидкое, подвижное, всепроникающее, явилась началом всего» — учил около двух с половиной тысяч лет назад «греческий мудрец Фалес Милетский. Лет двести спустя крупнейший философ древнего мира Аристотель насчитывал уже несколько таких первооснов, „основных элементов“ мира, но среди них была и вода.

В высказываниях древних греков, какими бы эти высказывания ни казались нам сейчас по-детски наивными, уже отражалось глубокое понимание значения воды во всех явлениях природы и в жизни человека.

Прошло около 20 веков. Само понятие „элемент“ существенно изменилось. Химическим элементом стали считать простое вещество, которое уже не может быть разложено далее на более простые вещества. Число элементов всё увеличивалось и увеличивалось. В списке этих элементов опять значилась вода.

И этому были причины. Ведь учёные того времени, наблюдая различные явления, в которых участвует вода, никогда не замечали, чтобы она изменялась химически. На глазах их она затвердевала в лёд, но лёд при таянии давал ту же воду. Вода нагревалась до кипения и испарялась, но, охлаждаясь, пары снова собирались в капли воды. Вода как вещество оставалась во всех процессах „самой собой“ и её считали неразложимым, простым веществом.

Только в конце восемнадцатого столетия было сделано важное открытие, что вода есть сложное вещество: вода была получена искусственным путём, при сжигании газа водорода в кислороде. Этим было доказано, что вода состоит из водорода и кислорода.

Приблизительно в это же время сложный состав воды удалось доказать и обратным путём — разложением воды на составные части. Это сделал французский учёный Лавуазье. Через раскалённый ружейный ствол он пропускал пары воды. От действия высокой температуры вода разлагалась. Кислород соединялся с железом, и на внутренней поверхности ствола появлялась окалина (соединение железа с кислородом), а из ствола выходил газ водород.

А несколькими годами позже вода впервые была разложена на её составные части электрическим током. Этим путём было точно установлено, что в воде по весу находится 11,11 процента водорода и 88,89 процента кислорода, причём водорода выделяется из воды по объёму в два раза больше, чем кислорода.