Почему мы все живы?

Продолжаем раздел "Вода" и подраздел "Феномены" статьёй Почему мы все живы? Конечно, на этот вопрос можно ответить очень широко —

  • потому что на нас не упал метеорит,
  • потому что нас не завоевали инопланетяне-динозавры, 
  • потому что вся вода не испарилась
  • потому что ещё не наступил конец 2012 года…

Вот про воду мы сейчас и поговорим. 

Почему мы все живы? Да потому что… Нет, сначала коротко о том, кто такие эти интересные "все". В данном случае все — это действительно все: животные, растения, люди, бактерии, вирусы, грибы, и т.д. и т.п. — действительно все. А вот по поводу причин жизни — поговорим про лёд. 

Казалось бы, что может быть обычнее льда? В средней полосе Евразии, где зима длится несколько месяцев, на севере, где зима продолжается большую часть года, да и в южных горных районах снег и лед — привычные компоненты ландшафта.

Между тем необычен сам процесс образования льда. Посмотрим, например, как изменяется объем воды при переходе из жидкого состояния в твердое, то есть при замерзании. Это изменение происходит совсем не так, как у других известных нам веществ. Все они, кроме висмута и галлия, сжимаются, сокращают объем по мере охлаждения. При затвердевании их объем значительно уменьшается по сравнению с такой же массой расплава.

Их плотность в твердом состоянии соответственно становится выше, чем в жидком. При замерзании воды все происходит наоборот — плотность льда уменьшается, а объем увеличивается на 10% по сравнению с объемом, занимаемым той же массой воды.

Издавна люди знали это свойство льда. Не умея его объяснить, они, тем не менее, успешно им пользовались. Могучие постройки на севере Европы возводились из каменных монолитов, весящих сотни килограммов. Чтобы изготовить такие блоки, в скалах пробивали сравнительно неглубокие пазы или выбирали подходящие трещины. Перед наступлением зимних холодов их заливали водой, и образовавшийся лед выполнял роль взрывчатки. Так терпеливо, год за годом, люди дробили крепчайшие скалы, получали строительный материал, используя расширение воды при замерзании. Теперь наука может объяснить причину этого явления. Как видно из рисунка, изменение объема воды с понижением температуры идет своеобразно.

Изменение объёма воды с понижением температуры

Сначала вода ведет себя, как и многие другие жидкости: понемногу уплотняясь, уменьшает свой объем. Это наблюдается вплоть до 4°С (точнее — до 3,98°С). При этой температуре как будто бы наступает кризис. Дальнейшее охлаждение уже не уменьшает, а постепенно увеличивает объем. Плавность резко прерывается при 0°С, кривая переходит в отвесную прямую, объем скачком возрастает почти на 10%. Вода превращается в лед.

Очевидно, при 3,98°С тепловые помехи в образовании ассоциатов начинают ослабевать настолько, что появляется возможность некоторой структурной перестройки воды в льдоподобные каркасы. Молекулы взаимно упорядочиваются, местами складывается характерная для льда гексагональная структура1.

Эти процессы в жидкой воде как бы подготавливают полную структурную перестройку, и при 0°С она наступает: струящаяся вода становится льдом — кристаллическим твердым телом. Каждая молекула получает возможность соединиться водородными связями с четырьмя соседними. Поэтому в фазе льда вода образует ажурную конструкцию с «каналами» между фиксированными группами молекул воды.

Вероятно, со структурной перестройкой связано и еще одно своеобразное свойство воды — резкий скачок теплоемкости при фазовом переходе «вода — лед». Вода при 0°С имеет удельную теплоемкость 1,009. Удельная теплоемкость превратившейся в лед воды при этой же температуре вдвое ниже.

Благодаря особенности структурного перехода «вода — лед», в интервале 3,98…0°С природные водоемы достаточной глубины обычно не промерзают до дна. С наступлением зимних холодов верхние слои воды, охладившись примерно до +4°С и достигнув максимальной плотности, опускаются на дно водоема. Эти слои несут в глубины кислород и помогают равномерному распределению питательных примесей. На их место к поверхности поднимаются более теплые массы воды, уплотняются, остывая при контакте с приповерхностным воздухом, и, охладившись до +4°С, в свою очередь опускаются вглубь. Перемешивание идет до тех пор, пока циркуляция не исчерпается и водоем не покроется плавающим слоем льда. Лед надежно предохраняет глубины от сплошного промерзания — ведь его теплопроводность намного меньше, чем воды.

Таким образом, мы все живы потому, что лёд легче воды — иначе бы все водоёмы были бы изначально промёрзшими до самого дна.

И жизнь так и не успела бы зародиться. А если бы успела, то была бы совершенно иной 🙂

Почему мы все живы?

Источник: Вода, знакомая и загадочная. Леонид Кульский, Воля Даль, Людмила Ленчина.

One Comment

  1. А ещё мы живы потому что ещё не наступил конец декабря 2012 года 🙂
    Хотя, глядя на то, что делается в мире, то скорее бы он уже наступил…

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *