в нашей жизни. Что бы
Вода играет большую роль в нашей жизни. Что бы делало человечество без воды, даже трудно представить. По-видимому, оно просто бы не существовало.
С водой на нашей планете связаны не только жизнь и климат, но и работа большинства отраслей народного хозяйства, особенно водного транспорта. Вода является богатейшим источником энергии – это гидроэнергия рек, энергия приливов, геотермальная и термоядерная энергия.
Именно благодаря воде в природе возникают интереснейшие и самые разнообразные явления, такие, как радуга, гало, сулой, венцы, «шепот звезд» и другие.
Некоторые люди связывают с ними различные суеверия и приметы. Но ученые разгадали и нашли объяснение этим загадочным явлениям природы. Причиной некоторых из них является вода, ее пары и лед.
Настоящая книга представляет собой серию очерков о физических свойствах воды и льда, а также о явлениях природы, которые с ними связаны.
Дата публикации:
7 сентября 2001 года
Текст издания:
Арабаджи Всеволод Исидорович. Загадки простой воды. М.:«Знание», 1973
|
Дата обновления: 18 января 2003 года |
|
Воде принадлежит огромная роль в природе. В самом деле, ведь именно море явилось первой ареной жизни на Земле. Растворенные в морской воде аммиак и углеводы в контакте с некоторыми минералами при достаточно высоком давлении и воздействии мощных электрических разрядов могли обеспечить образование белковых веществ, на основе которых в дальнейшем возникли простейшие организмы. По мнению К.Э. Циолковского, водная среда способствовала предохранению хрупких и несовершенных вначале организмов от механического повреждения. Суша и атмосфера стали впоследствии второй ареной жизни.
Можно сказать, что все живое состоит из воды и органических веществ. Без воды человек, например, мог бы прожить не более 2...3 дней, без питательных же веществ он может жить несколько недель. Для обеспечения нормального существования человек должен вводить в организм воды примерно в 2 раза больше по весу, чем питательных веществ.
Потеря организмом человека более 10% воды может привести к смерти. В среднем в организме растений и животных содержится более 50% воды, в теле медузы ее до 96, в водорослях 95...99, в спорах и семенах от 7 до 15%. В почве находится не менее 20% воды, в организме же человека вода составляет около 65% (в теле новорожденного до 75, у взрослого 60%). Разные части человеческого организма содержат неодинаковое количество воды: стекловидное тело глаза состоит из воды на 99%, в крови ее содержится 83, в жировой ткани 29, в скелете 22 и даже в зубной эмали 0,2%.
В первичной водной оболочке земного шара воды было гораздо меньше, чем теперь (не более 10% от общего количества воды в водоемах и реках в настоящее время). Дополнительное количество воды появилось впоследствии в результате освобождения воды, входящей в состав земных недр. По расчетам специалистов, в составе мантии Земли воды содержится в 10...12 раз больше, чем в Мировом океане. При средней глубине в 4 км Мировой океан покрывает около 71% поверхности планеты и содержит 97,6% известных нам мировых запасов свободной воды. Реки и озера содержат 0,3% мировых запасов свободной воды.
Большими хранилищами влаги являются и ледники, в них сосредоточено до 2,1% мировых запасов воды. Если бы все ледники растаяли, то уровень воды на Земле поднялся бы на 64 м и около 1/8 поверхности суши было бы затоплено водой. В эпоху оледенения Европы, Канады и Сибири толщина ледяного покрова в горных местностях достигала 2 км. В настоящее время вследствие потепления климата Земли постепенно отступают границы ледников. Это обусловливает медленное повышение уровня воды в океанах.
Около 86% водяного пара поступает в атмосферу за счет испарения с поверхности морей и океанов и только 14% за счет испарения с поверхности суши. В итоге в атмосфере концентрируется 0,0005% общего запаса свободной воды. Количество водяного пара в составе приземного воздуха изменчиво. При особо благоприятных условиях испарения с подстилающей поверхности оно может достигать 2%.
Несмотря на это, кинетическая энергия движения воды в морях составляет не более 2% от кинетической энергии воздушных течений. Происходит это потому, что более трети солнечного тепла, поглощаемого Землей, тратится на испарение и переходит в атмосферу. Кроме того, значительное количество энергии поступает в атмосферу за счет поглощения проходящего через нее солнечного излучения и отражения этого излучения от земной поверхности. Прошедшая же через водную поверхность лучистая энергия Солнца и небесного свода уменьшается в интенсивности наполовину уже в верхнем полуметре воды вследствие сильного поглощения в инфракрасной части спектра.
Очень большое значение в жизни природы имеет то обстоятельство, что наибольшая плотность у воды наблюдается при температуре 4°C. При охлаждении пресных водоемов зимой по мере понижения температуры поверхностных слоев более плотные массы воды опускаются вниз, а на их место поднимаются снизу теплые и менее плотные. Так происходит до тех пор, пока вода в глубинных слоях не достигнет температуры 4°C. При этом конвекция прекращается, так как внизу будет находиться более тяжелая вода. Дальнейшее охлаждение воды происходит только с поверхности, чем и объясняется образование льда в поверхностном слое водоемов. Благодаря этому подо льдом не прекращается жизнь.
Вертикальное перемешивание морской воды осуществляется за счет действия ветра, приливов и изменения плотности по высоте. Ветровое перемешивание воды происходит в направлении сверху вниз, приливное – снизу вверх. Плотностное перемешивание возникает за счет охлаждения поверхностных вод. Ветровое и приливное перемешивания распространяются на глубину до 50 м, на больших глубинах может сказываться действие только плотностного перемешивания.
Интенсивность перемешивания придонных и поверхностных вод способствует их освежению, обогащению кислородом и питательными веществами, необходимыми для развития жизни. Растворенный в воде воздух всегда более богат кислородом, чем воздух атмосферный. Имеющийся в воде кислород оказывает благотворное влияние на развитие в ней жизненных процессов.
За счет повышенного количества кислорода в растворенном воздухе погруженные в воду металлы усиленно подвергаются разрушению (коррозии).
При замерзании чистая вода расширяется почти на 10%, у морского льда изменение объема происходит на меньшую величину. Поскольку вода при замерзании расширяется, увеличение внешнего давления понижает температуру ее замерзания; температура плавления льда, наоборот, повышается с давлением. В лабораторных условиях при давлении более 40 тыс. атмосфер можно получить лед, который будет плавиться при температуре 175°C. Теплоемкость и теплота плавления льда уменьшаются с температурой, теплопроводность же почти не зависит от температуры. Когда толщина льда на поверхности водоема достигает 15 см, он становится надежным теплоизолятором между водой и воздухом.
Морская вода замерзает при температуре – 1,91°C. При дальнейшем понижении температуры до – 8,2°C начинается осаждение сернокислого натрия, и только при температуре – 23°C из раствора выпадает хлористый натрий. Так как часть рассола при кристаллизации уходит изо льда, соленость его меньше солености морской воды. Многолетний морской лед настолько опресняется, что из него можно получать питьевую воду. Температура максимальной плотности морской воды ниже температуры замерзания. Это является причиной довольно интенсивной конвекции, охватывающей значительную толщу морской воды и затрудняющей замерзание. Теплоемкость морской воды стоит на третьем месте после теплоемкости водорода и жидкого аммиака.
Иногда вода замерзает при положительной температуре. Такое явление наблюдается в трубопроводах и почвенных капиллярах. В трубопроводах вода может замерзнуть при температуре +20°C. Объясняется это присутствием в воде метана. Поскольку молекулы метана занимают примерно в 2 раза больший объем, чем молекулы воды, они «расталкивают» молекулы воды, увеличивают расстояние между ними, что приводит к понижению внутреннего давления и повышению температуры замерзания. В почвенной влаге аналогичную роль выполняют молекулы белка.
За счет влияния белковых молекул температура замерзания воды в почвенных капиллярах может возрасти до +4,4°C.
Снежинки, как правило, бывают в виде шести- и двенадцатилучевых звездочек, шестиугольных пластинок, шестигранных призм. При понижении температуры воздуха уменьшаются размеры образующихся кристаллов и возрастает разнообразие их форм. Особенности роста кристаллов в воздухе связаны с наличием в нем водяного пара.
Все знают, что сода в море соленая. Это зависит от концентрации растворенных в ней солей, но не всем известно, что в разных морях и океанах соленость воды неодинакова. Средняя соленость вод океана составляет 35%; соленость морской воды может изменяться от нуля вблизи мест впадения крупных рек до 40% в тропических морях. Вода для питья должна содержать менее 0,05% растворенных солей. Растения погибают при наличии в поливной воде в виде примеси более 0,25% солей.
Существующие в природе жидкости можно разделить на нормальные и ассоциированные. Нормальными называются те жидкости, у которых молекулы не объединяются в группы (ассоциации). Жидкости, не подчиняющиеся этому условию, называются ассоциированными. Вода принадлежит к числу ассоциированных жидкостей. Если бы вода была неассоциированной жидкостью, температура плавления льда в нормальных условиях была бы +1,43°C, а температура кипения воды 103°C. Как правило, теплоемкость жидкостей с температурой растет, но у воды с приближением к температуре +35°C теплоемкость после роста спадает до минимума, а затем снова переходит к монотонному росту. Происходит это из-за того, что при такой температуре разрушаются молекулярные ассоциации. Чем проще молекулярная структура, тем меньше теплоемкость вещества. Температура наибольшей плотности воды понижается с увеличением давления и при давлении 150 атмосфер достигает 0,7°C. Это также объясняется изменением структуры молекулярных ассоциаций.
Среди существующих в природе жидкостей вода обладает наибольшей теплоемкостью. Это предопределяет большое ее влияние на климат.
Основным терморегулятором климата являются воды океанов и морей: накапливая тепло летом, они отдают его зимой. Отсутствие водоемов на местности обычно приводит к образованию резко континентального климата. Благодаря влиянию океанов на значительной части земного шара обеспечивается перевес осадков на суше над испарением, и организмы растений и животных получают нужное им для жизни количество воды. Водная и воздушная оболочки земного шара постоянно обмениваются углекислотой с горными породами, растительным и животным миром, что также способствует стабилизации климата.
Известно, что молекулы, находящиеся на поверхности жидкости, имеют избыток потенциальной энергии и поэтому стремятся втянуться внутрь так, что при этом на поверхности остается минимальное количество молекул. За счет этого вдоль поверхности жидкости всегда действует сила, стремящаяся сократить поверхность. Это явление в физике получило название поверхностного натяжения жидкости.
Среди существующих в природе жидкостей поверхностное натяжение воды уступает только ртути. С поверхностным натяжением воды связано ее сильное смачивающее действие (способность «прилипать» к поверхности многих твердых тел). Кроме того, вода является универсальным растворителем. Теплота ее испарения выше теплоты испарения любых других жидкостей, а теплота кристаллизации уступает лишь аммиаку.
В природе существует шесть изотопов кислорода. Три из них радиоактивны. Стабильными изотопами являются О16, О17 и О18. При испарении в водяной пар в основном переходит изотоп О16, неиспарившаяся же вода обогащается изотопами О17 и О18. В водах морей и океанов отношение О18 к О16 больше, чем в водах рек. В раковинах животных тяжелые изотопы кислорода встречаются чаще, чем в воде. Содержание изотопа О18 в атмосферном воздухе зависит от температуры. Чем выше температура воздуха, тем больше воды испаряется и тем большее количество О18 переходит в атмосферу. В период оледенений планеты содержание изотопа О18 в атмосфере было минимальным.
Как известно, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
В составе обычной воды H2O имеется небольшое количество тяжелой воды D2O и совсем незначительное количество сверхтяжелой воды T2O. В молекулу тяжелой воды вместо обыкновенного водорода H – протия входит его тяжелый изотоп D – дейтерий, в состав молекулы сверхтяжелой воды входит еще более тяжелый изотоп водорода Т – тритий. В природной воде на 1 000 молекул H2O приходится две молекулы D2O и на одну молекулу T2O – 1019 молекул H2O.
Тяжелая вода D2O бесцветна, не имеет ни запаха, ни вкуса и живыми организмами не усваивается. Температура ее замерзания 3,8°C, температура кипения 101,42°C и температура наибольшей плотности 11,6°C. По гигроскопичности тяжелая вода близка к серной кислоте. Ее плотность на 10% больше плотности природной воды, а вязкость превышает вязкость природной воды на 20%. Растворимость солей в тяжелой воде примерно на 10% меньше, чем в обычной воде. Поскольку D2O испаряется медленнее легкой воды, в тропических морях и озерах ее больше, чем в водоемах полярных широт.
Комбинируя различные сочетания изотопов водорода и стабильных изотопов кислорода, можно получить следующие разновидности молекул воды: H2O16, H2O17, H2O18, HDO16, HDO17, HDO18, D2O16, D2O17, D2O18, T2O16, T2O17, T2O18, THO16, THO17, THO18, TDO16, TDO17, TDO18. Если же использовать и нестабильные изотопы кислорода O14, O15 и O19, то всего можно получить 36 разновидностей воды. В природе чаще встречаются молекулы воды, построенные из наиболее распространенных изотопов. Молекул H2O16 в природной воде содержится 99,73%, молекул H2O18...0,2% и молекул H2O17...0,04%.
Рассмотрим некоторые наиболее важные оптические свойства воды и льда. Не все знают, что вода прозрачна только для видимых лучей и сильно поглощает инфракрасную радиацию. Поэтому на инфракрасных фотографиях водная поверхность всегда получается черной. При прохождении света через слой морской воды толщиной в 0,5 м поглощаются только инфракрасные лучи, ниже поглощаются последовательно красные, желтые, а затем и сине-зеленые тона.
По наблюдениям из батискафа человеческий глаз может обнаружить присутствие солнечного света на глубине до 600...700 м. Эталоном прозрачности воды является Саргассово море. Белый диск в этом море виден на глубине до 66,5 м. Дальность видимости снизу вверх в приповерхностном слое моря составляет около 100 м.
Не весь солнечный свет поглощается водой. Вода отражает 5% солнечных лучей, в то время как снег – около 85%. Под лед океана проникает только 2% солнечного света.
Синий цвет чистой океанской воды объясняется избирательным поглощением и рассеянием света в воде. В условиях диффузного освещения морской поверхности вследствие преобладания при этом отраженного света море выглядит более серым. При наличии ряби и волнения насыщенность цвета увеличивается (с подветренной стороны более, чем с наветренной).
Существенную роль в жизни растений играют оптические свойства водяного пара. Дело в том, что водяной пар сильно поглощает инфракрасные лучи с длиной волны от 5,5 до 7 микрон, что важно для предохранения почвы от заморозков. Еще более действенным средством от заморозков является выпадение росы и образование тумана: конденсация влаги сопровождается выделением большого количества тепла, задерживающего дальнейшее охлаждение почвы.
Зная физические свойства воды и льда, человек давно использует их в своей практической деятельности. Так, например, иногда применяется прокладка голых электрических проводов прямо по льду, так как электропроводность сухого льда и снега весьма мала. Она во много раз меньше электропроводности воды. Различные примеси оказывают значительное влияние на электропроводность воды и почти не изменяют электропроводности льда. Электропроводность химически чистой воды обусловлена частичной диссоциацией молекулы воды на ионы H+ и OH–. Основное значение для электропроводности и воды и льда имеют перемещения ионов H+ («протонные перескоки»). Электропроводность химически чистой воды при 18°C равна 3,8·10–8 Ом–1·см–1 а электропроводность морской воды около 5·10–2 Ом–1·см–1.
Электропроводность пресной природной воды может быть 1 000 раз меньше, чем морской. Это объясняется тем, что в воде морей и океанов растворено большее количество солей, чем в речной воде.
Существенную характеристику электрических свойств вещества дает относительная диэлектрическая проницаемость. У воды она имеет величину в пределах 79...81, у льда 3,26, у водяного пара 1,00705.
Без воды не было бы на Земле ни жизни, ни производства.
Судьбы и нравы рек
В нашей стране насчитывается около 3 млн рек, ручьев, каналов и пересыхающих водотоков общей протяженностью до 10 млн км. Среди них более 2,5 млн самых малых рек длиной менее 10 км, затем идут реки длиной 10...20 км (их примерно 113500). Рек протяженностью 25...100 км около 32 450, число рек длиной от 100 до 500 км составляет 3852. Большие реки имеют длину 500...1 000 км, их 198, рек длиной более 1 000 км на территории нашей страны 77.
Рельеф нашей планеты сложился 120...130 млн лет тому назад. Основные реки европейской части нашей страны – Волга, Кама, Днепр и Дон – существовали уже в мезозое. Если судить о величине реки по размерам ее долины, можно полагать, что в доледниковый период самой крупной рекой на территории европейской части Советского Союза был Дон. Интересно, что 6...8 тыс. лет тому назад Кама и Вятка были притоками Северной Двины. Отступавший ледник преградил им путь на север, и они проложили себе новые русла в бассейн Волги. Отступавший ледник изменил и течение реки Пинеги, направив ее в Северную Двину (до этого Пинега по долине теперешнего Кулоя сбрасывала свои воды в Мезенскую губу Белого моря).
Обычно притоки рек текут в направлении, близком к направлению основной реки, однако встречаются и такие притоки, которые на значительном расстоянии текут в направлении, противоположном основному потоку, например приток Волги река Свияга Объясняется это тем, что Волга и Свияга на участке до слияния разделены водоразделом. На некоторых реках долины притоков ориентированы даже навстречу течению воды в основной реке.
Это указывает на то, что в прошлом направление стока в основной реке было диаметрально противоположным. В Монголии подобную картину можно наблюдать в верховьях реки Хары, впадающей в Орхон – главный приток Селенги.
Есть на Земле реки, которые существуют в засушливых местах только во время сильных ливней по 2...3 часа за 3...4 года. За короткое время они сбрасывают большое количество воды и образуют короткие и глубоко врезанные в местность долины (вади). Такие реки типичны для побережья Красного моря. В Средней Азии многие реки (Зеравшан, Сох, Исфара, Чу, Мургаб) по пути своего движения постепенно расходуют весь запас воды и поэтому никуда не впадают.
Если бросить взгляд на земную поверхность с высоты птичьего полета, нельзя не удивиться необычайной извилистости речных русел. Встречая сложные условия рельефа, воды рек устремляются к наиболее низкому уровню силы тяжести на земной поверхности. В результате преодоления речным потоком сопротивления движению и возникают извилины речных русел, называемые излучинами. По имени реки Меандр в Малой Азии, где регулярные извилины весьма четко выражены, излучины рек стали называть меандрами (ныне река Меандр называется Большой Мендерес). Излучины Меандра дали имя и одному из древнейших греческих орнаментов (прямоугольные изломы прямой линии и их разнообразные сочетания). Небольшая река Пьяна в Горьковской области настолько прихотливо меандрирует, что в месте своего впадения в Суру оказывается значительно ближе к истоку, чем в среднем течении.
В верхнем течении воды рек имеют большую скорость и поэтому сильнее размывают грунт. Для нижнего течения рек вблизи мест их впадения в водоемы характерны процессы отложения размытого грунта. В связи с этим представляет интерес вопрос о местоположении озера Лобнор в Китае. Дело в том, что это озеро на картах различных эпох изображено в разных местах, весьма удаленных друг от друга. Некоторое время тому назад это было загадкой для ученых. Теперь все разъяснилось. Оказывается, что две реки, питающие озеро Лобнор, несут так много ила, что вследствие значительного его отложения могут сами себя запрудить и начать затем движение в новом направлении.
Именно этим и объясняется различное местоположение озера Лобнор.
Образуемые ветром песчаные наносы также могут перекрыть русло небольшой реки и заставить ее течь в новом направлении. Так, в Монголии был перекрыт путь реки Мухур-Хунгуя к Хунгую, в результате чего возникло озеро Харанур.
Много ила несут с собой и воды китайской реки Хуанхэ, название которой в переводе означает «желтая река». В результате интенсивного процесса отложения ила в нижнем течении реки за несколько тысячелетий ее ложе поднялось выше уровня окружающей местности в некоторых участках до 8...10 м. Поэтому население Китая для предохранения местности от затопления издавна строит на берегах Хуанхэ специальные гидротехнические сооружения. В Советском Союзе подобные условия отложения наносов имеют место в нижнем течении реки Куры на Кавказе. Годовой сток взвешенных наносов Куры составляет 36,3 млн тонн. В этом отношении равнинная река Волга уступает Куре – годовой сток ее наносов не превышает 25,5 млн тонн.
Перед впадением в водоемы течение рек замедляется, и реки обычно разливаются, образуя довольно широкие многорукавные устья (дельты). Дельта Волги возникла в существовавшем ранее мелководном заливе Каспия. Она соединяется с морем почти 800 устьями. Самая большая дельта планеты – Бенгальская в Юго-Восточной Азии между полуостровами Индостан и Индокитай. Она образовалась в результате объединения дельт трех рек – Ганга, Брахмапутры и Мегхни. Длина ее составляет около 400 км при площади до 80 тыс. км2.
Во время половодья количество воды в реках может увеличиваться от 2 до 50 раз в сравнении с мелководьем.
Плывущие по реке бревна прибиваются при половодье к берегу, в то время как при мелководье они плывут посередине реки. Происходит это потому, что в половодье, когда русло несет много воды, большая часть ее проходит посередине потока, где трение в меньшей мере замедляет скорость ее движения. В результате уровень воды здесь будет выше, чем у берегов (на Миссисипи, например, это превышение уровня составляет около 1 м).
Благодаря этому в реке возникает движение воды от середины русла к берегам, которое и увлекает за собой бревна. При мелководье уровень воды посередине реки будет ниже, чем у берегов. В этом случае в реке возникает движение воды в направлении от берегов к центру, и плывущие по реке бревна будут держаться середины реки.
Движение воды в реках не всегда происходит от истоков к устьям. Иногда возникают такие условия, которые могут быть причиной обратных течений. Это бывает, например, на Сухоне, на притоке Днепра Припяти, на притоке Москвы-реки Пахре и на многих других реках. Причина явления может заключаться в том, что один из притоков реки весной раньше вскрывается ото льда. Его обильные воды могут настолько поднять уровень воды в реке, что она потечет вспять. Дело может сложиться и по-другому. Во время весеннего половодья по реке проносятся огромные массы воды. При встрече с притоком избыток этой воды может устремиться по нему вверх к истокам. В связи с этим стоит упомянуть об историческом эпизоде, имевшем место в XII веке в вольном городе Новгороде. Недовольное своим епископом Иоанном, население города решило его изгнать. Епископа посадили на плот и пустили плот по течению. Горожане рассчитывали, что течением реки плот будет унесен в Ладожское озеро, а оттуда попадет в Балтийское море. Но как только плот вышел на середину реки, его понесло к истоку Волхова – озеру Ильмень. Религиозное население Новгорода восприняло это как ниспослание богом «прощения» епископу. В действительности же при этом происходило движение воды в реке вспять, что наблюдается в природе не так уж редко.
При слиянии рек Оки и Волги у города Горького за счет того, что время половодья у этих рек не совпадает по времени (Ока более «южная» река и половодье на ней начинается раньше) происходит подпор и задержка течения той реки, на которой половодье еще не наступило (сток Оки и Волги в этом месте примерно одинаков).
От Алтая до берегов Северного Ледовитого океана на протяжении более 5 тыс. км несет свои воды Обь.
Весной, когда в верховьях Оби лед уже растаял, в нижнем течении река еще скована льдом, задерживающим движение талых вод. Поэтому весной в нижнем течении Обь разливается особенно сильно.
Движение вод реки вспять возможно и по другим причинам. В 1722 году солдаты португальской армии поднимались на лодке против течения по реке Риу-Негру (приток Амазонки). Неожиданно для себя они вдруг заметили, что лодка стала двигаться «против течения» без помощи весел. На самом деле в этом месте река разделилась на два потока и один из них направился для слияния с рекой, принадлежащей другой системе. Явление это в гидрологии называется бифуркацией.
В 1822 году был построен качал, соединивший приток Южной Кельтмы Джурич с Северной Кельтмой – притоком Вычегды. Из-за мелководья канал вскоре был заброшен, но Джурич по-прежнему в верхнем течении отдает часть своих вод через полузаросший канал в Вычегду и далее в Белое море, в нижнем же течении воды Джурича через Южную Кельтму, Каму и Волгу направляются к Каспийскому морю.
Наряду с наземными существуют и подземные реки. Иногда же наземные реки становятся подземными. На Южном Урале есть река Сим, которая сумела протаранить гору. Воды этой реки подходят к горе и скрываются где-то под нею. Реку можно обнаружить снова, только перевалив через гору. В Западной Грузии одна из рек до ухода под землю имеет одно название, после же выхода из-под земли уже в другом месте она называется по-другому. До исследования этой реки считалось, что в одном месте она уходит под землю, в другом же месте выходит из-под земли совершенно независимый от нее поток. Опыт, однако, показал, что это не так. Уральская река Вишера имеет три притока, ныряющие под землю, – Язьву, Вижай и Большую Ваю. На одном из участков Большая Вая совсем близко подходит к Вишере, но не сливается с ней, а ныряет под нее и вновь появляется на земной поверхности уже на другом – левом берегу Вишеры. Происходит это потому, что известняки растворяются подземными водами, и под землей образуются пещеры и целые туннели.
В эти пещеры и ныряют наземные реки.
В некоторых местах на земной поверхности наблюдается периодическое вытекание воды из подземных хранилищ – так называемые перемежающиеся источники. Они то бурно изливаются, то пересыхают, чтобы через некоторое время воспрянуть вновь. Их деятельность связана с выпадением дождей в данной местности. По принципу действия перемежающийся источник представляет собой подземный сифон.
Плотины на реках создают настолько большой подъем воды, что в прилежащем к водохранилищу районе прекращается сток в реку подземных вод и возникает фильтрация воды в направлении от водохранилища. На водохранилищах с высокими плотинами давление на дно может достигать нескольких десятков атмосфер. В результате фильтрации уровень подземных вод выше и ниже плотины поднимается. Из скважин, расположенных ниже плотины, может наблюдаться фонтанирование воды.
В развитии нашей страны речные пути сыграли не меньшую роль, чем морские в истории таких государств, как Англия, Португалия и Испания. Разливы Нила имели определяющее влияние на жизнь Древнего Египта. В связи с необходимостью регулировать движение альпийских водных потоков возникла очень важная для преобразования природы наука гидродинамика. Гидроэнергия рек обеспечила развитие мануфактур в период зарождения промышленности. В наше время энергоресурсы рек обеспечивают не только развитие отдельных экономических районов, но даже и целых государств, таких, как Норвегия и Швейцария.
Единовременный запас воды всех рек планеты составляет 1 200 км3, при годовом стоке в океан около 36 000 км3. Около 5% стока рек за год идет на нужды людей, в основном на орошение полей. Учитывая рост населения земного шара и возрастающие потребности промышленности в пресной воде, некоторые ученые считают, что может наступить время, когда нехватка воды будет сдерживать дальнейшее развитие общества. Поэтому нужно рационально использовать этот резерв планеты и сохранять его для будущего.
Плавание тел и закон Архимеда
Открытие основного закона гидростатики – одно из крупнейших завоеваний античной науки.
Чтобы оценить значение открытия, рассмотрим примеры проявления и использования этого закона в природе, широко известного как закон Архимеда.
Воды южных морей имеют более высокую соленость и плотность, чем воды арктического бассейна. Поэтому в Арктике нередки случаи, когда воды теплых течений опускаются под холодные воды северных широт. Например, в районе севернее Шпицбергена теплое южное течение опускается под холодные воды Ледовитого океана. Подобным же образом теплое течение Жаннетты, выходя из Берингова пролива, проходит под водами Арктики и выходит на поверхность лишь у берегов Северной Америки. Различная соленость вод имеет большое значение для возникновения течений и в южных широтах. В Мраморном море вода более соленая и быстрее испаряется, чем в Черном. Поэтому через Босфор в придонных слоях вода протекает из Мраморного моря в Черное, в поверхностных же слоях имеет место противоположное течение.
Подземные реки могут иметь выход не только на земную поверхность, но и на дно моря. Будучи более легкими, воды этих рек в неглубоком море могут подниматься до его поверхности, практически не смешиваясь с соленой водой. Подобные выходы пресных вод в открытом море имеются вблизи Марокканского побережья Атлантического океана (у Агадира) и в Коринфском заливе Ионического моря – вблизи Коринфа.
Поскольку средняя плотность тела рыб близка к плотности воды, их вес вблизи основных горизонтов жизнедеятельности достаточно хорошо уравновешивается выталкивающей силой по закону Архимеда. Благодаря ритмичной работе мышц рыба может отталкиваться от воды и таким образом перемещаться. При этом по ее телу в направлении от головы к хвосту с возрастающей амплитудой пробегает плоская или винтообразная упругая волна. Скорость распространения этой волны превышает быстроту перемещения рыбы. За счет ритмичного отталкивания от воды при распространении по телу упругой волны и осуществляется плавание рыб. К помощи плавников рыбы прибегают только для поддержания равновесия и при медленных перемещениях.
Такие обитатели морей, как осьминог, каракатица, моллюск сальпа, при перемещении используют принцип реактивного движения – они втягивают воду в специальные мускулистые мешки своего тела, а затем выталкивают ее наружу. Благодаря этому животные получают возможность перемещаться в направлении, противоположном выбрасываемой струе. А веслоногие, например черепахи, плавают, отталкиваясь от воды ногами.
Мелкие рыбы обычно движутся стаями. К этому их принуждает то обстоятельство, что при увеличении скорости движения близко расположенных тел по закону Бернулли понижается давление в пространстве между ними. Давление между каждыми двумя соседними рыбами в рыбьем косяке будет меньше, чем в среде, не возмущенной движением рыбьей стаи. В этом случае рыбы будут испытывать небольшую прижимающую их друг к другу силу и двигаться вместе. Если бы рыбы в косяке не подчинялись действию гидродинамических сил, они затрачивали бы больше энергии для своего перемещения.
В Средиземном море, у берегов Египта, водится удивительная рыба фагак. Приближение опасности заставляет фагака быстро заглатывать воду. При этом в пищеводе рыбы происходит бурное разложение продуктов питания с выделением значительного количества газов. Газы заполняют не только действующую полость пищевода, но и имеющийся при ней слепой вырост. В результате тело фагака сильно раздувается, и, в соответствии с законом Архимеда, он быстро всплывает на поверхность водоема. Здесь он плавает, повиснув вверх брюхом, пока выделившиеся в его организме газы не улетучатся. После этого сила тяжести опускает его на дно водоема, где он укрывается среди придонных водорослей.
Живущий в тропических морях моллюск наутилус может быстро всплывать и вновь опускаться на дно. Моллюск этот живет в закрученной спиралью раковине. Когда ему нужно подняться или опуститься, он изменяет объем внутренних полостей в своем организме.
У широко распространенного в Европе водяного паука, обитающего в стоячих или слабо проточных водах, поверхность брюшка не смачивается водой.
Уходя в глубину, он уносит с собой приставшую к брюшку воздушную оболочку, которая придает ему запас плавучести и помогает возвращению на поверхность.
Произрастающий в дельте Волги вблизи Астрахани чилим (водяной орех) после цветения дает под водой тяжелые плоды. Эти плоды настолько тяжелы, что вполне могут увлечь на дно все растение. Однако в это время у чилима, растущего в глубокой воде, на черешках листьев возникают вздутия, придающие ему необходимую подъемную силу, и он не тонет.
Известно, что наибольшие по размерам животные нашей планеты живут в воде. Закон Архимеда способствует тому, чтобы они не были раздавлены весом своего тела. В наше время самым крупным животным является кит, длина его может достигать 30 м. В мезозое крупнейшими были динозавры и среди них атлантозавр, длина тела которого составляла около 60 м.
Так как тела обитателей морей и рек содержат в своем составе много воды, давление в организме этих животных и в окружающей среде легко выравнивается. У рыб с плавательным пузырем такое уравнивание происходит лишь в сферах их постоянной жизнедеятельности. При быстром подъеме из области больших глубин на поверхность водоема плавательный пузырь рыб под действием высокого внутреннего давления выдавливается наружу, что приводит к их гибели.
В Мертвом море за счет большого количества растворенных солей (более 27% по весу) плотность воды достигает 1,16 г/см3. Купаясь в этом море, человек очень мало погружается в воду, находясь как бы на поверхности, поскольку средняя плотность тела человека меньше плотности воды. В нашей стране еще более высокая плотность воды наблюдается в заливе Кара-Богаз-Гол на Каспии и в озере Эльтон.
Для жизни под водой человек совершенно не приспособлен. На глубине 20 м под действием внешнего давления у него могут лопнуть барабанные перепонки. Опуститься же на глубину более 70 м без специального костюма человеку совершенно невозможно. (Правда, натренированные пловцы на очень короткое время опускаются под воду на глубину до 51 м).
В человеческом организме в полости живота давление немного превышает атмосферное, в полости груди, наоборот, меньше атмосферного. Если человек, находясь неглубоко под водой, попытается дышать через узкую трубочку (тростинку или соломинку), то он может непродолжительное время это делать только при толщине находящегося над ним слоя воды менее 1 м. Дополнительное давление на человеческий организм столба воды в 1 м и более быстро приводит к полному прекращению дыхания и кровообращения. При этом кровь переполняет сердце, а брюшная полость и ноги почти совершенно обескровливаются. В процессе же ныряния жизнедеятельность человека существенным образом не нарушается, поскольку в этом случае он набирает в легкие дополнительное количество воздуха, которое помогает ему уравновешивать давление воды на его организм.
Известный русский адмирал М.П. Лазарев неоднократно показывал матросам во время плаваний следующий любопытный опыт с бутылкой. С помощью свинцового груза порожнюю закупоренную бутылку матросы опускали под воду на глубину до 430 м. После ее подъема на палубу они с удивлением убеждались, что бутылка заполнена глубинной водой и плотно закрыта пробкой, причем верх и низ пробки поменялись местами. Это происходило за счет давления воды, которое, в соответствии с законами гидродинамики, на глубине 430 м имеет вполне достаточную для этого величину. Опыт Лазарева представляет собой яркую демонстрацию действия давления воды на больших глубинах. Это позволяет лучше понять действие давления воды и на человеческий организм.
Многим, наверное, не раз приходилось наблюдать ледоход на реках. Еще более грандиозное зрелище представляют собой айсберги – «плавучие ледяные горы» больших размеров. Айсберги – это массы материкового льда, оторвавшиеся от ледника или ледового барьера и плавающие в полярных морях и прилегающих к ним акваториях.
Средняя высота надводной части айсберга нередко достигает 50...70 м, максимальное ее значение приближается к 450 м.
Наибольшая длина подводной части может доходить до 130 км. Объем надводной части айсберга составляет небольшую часть его полного объема.
Перемещаясь в более теплые воды, айсберг оплавляется снизу, в результате чего центр тяжести его перемещается выше центра, к которому приложено выталкивающее действие воды. Такой айсберг теряет равновесие и с шумом переворачивается.
При спокойном море и отсутствии ветра айсберг с подтаявшей нижней частью начинает раскачиваться, что является признаком предстоящего переворачивания. Когда айсберг находится в состоянии неустойчивого равновесия, даже работа машин находящегося поблизости корабля может дать толчок к переворачиванию.
Таяние айсбергов на южной границе северных морей вызывает некоторое понижение солености воды. В этом же районе в процессе таяния айсберги сбрасывают на дно морей захваченные ими части морен, а иногда и довольно крупные куски скал.
В средней полосе Советского Союза имеются следы подобной деятельности айсбергов, относящиеся к периоду, когда территория нашей страны была дном моря. Аналогично происходит вынос окатанной гальки на дно арктического бассейна. Примерзая ко льду у берегов, галька вместе с льдинами уносится впоследствии в океан и опускается на его дно после таяния льда.
В некоторых реках при быстром течении за счет интенсивного перемешивания воды происходит переохлаждение отдельных участков дна. При этом переохлажденный участок дна покрывается льдом внутриводного и отчасти поверхностного происхождения. Иногда донный лед занимает значительную часть сечения реки. Тогда река выходит из берегов, и становится возможным наводнение.
Так как подъемная сила льда пропорциональна его объему, а сила сцепления с ложем реки пропорциональна поверхности, то при отложении достаточно большого количества льда на дне он может преодолеть сцепление с ложем и всплыть на поверхность. Поднявшаяся на поверхность губчатая масса донного льда обычно содержит различные включения: камни, песок, а иногда и затонувшие якоря вместе с якорными цепями.
Донный лед может возникать не только на реках, но и в неглубоких местах морей и озер (вблизи берегов), где переохлаждение достигает дна водоема. В этом случае всплывающий лед поднимает на поверхность придонные водоросли.
Искусно используют закон Архимеда подводники. Если подводная лодка плывет между слоями воды с разной температурой, ее балласт подбирают таким образом, чтобы обеспечить небольшую перегрузку для теплого слоя и недогрузку для холодного. В этом случае лодка лежит на холодном слое, не нуждаясь в специальных мерах для поддержания равновесия. Для батискафа с небольшой отрицательной плавучестью слой более плотной воды может играть роль уравновешивающего «жидкого грунта».
При переходе подводной лодки из морских глубин в устье реки, подводники тщательно следят за расстоянием между лодкой и дном, так как в пресной воде выталкивающая сила Архимеда меньше, чем в морской, и при недосмотре со стороны экипажа лодка может сесть на илистый грунт речного устья.
Очень большое значение закон Архимеда имеет в технике бурения. Буровая колонна для бурения глубоких скважин уже на глубине 5 км в воздухе имела бы вес 226 тонн. Однако в промывочной жидкости плотностью 2 г/см3 в соответствии с законом Архимеда вес буровой колонны будет сильно уменьшен. Алюминиевые трубы «теряют» в весе в этих условиях до 50%. Подбором промывочной жидкости можно намного уменьшить вес буровой колонны. Это в огромной степени способствует успеху бурения.
Используя законы гидростатики, человек все полнее познает условия жизни в водной среде и все больше подчиняет водную стихию своей власти.
Рифели
Рифели – это знаки мелкой волновой ряби. Они существуют на Земле со времени появления сыпучих сред – песка и снега. Их отпечатки встречаются в древних геологических пластах (иногда вместе со следами динозавров). Первые научные наблюдения над рифелями были сделаны Леонардо да Винчи.
В пустынях расстояние между соседними гребнями волновой ряби изменяется в пределах от 1 до 12 см (чаще 3...8 см) при глубине впадин между гребнями в среднем 0,3...1 см.
Размеры находящихся на рифелях песчинок составляют 0,3...0,05 мм. Средняя высота подъема переносимых ветром песчинок обычно 10...20 см, выше 1 м песчинки поднимаются редко.
Для подводных рифелей, которые образуются в прибрежной зоне морей и рек, расстояние между соседними гребнями находится в пределах 5...30 см (чаще 6...12 см) при глубине впадин 0,5...5 см. На илистом дне расстояние между соседними гребнями ряби может уменьшиться до 0,5 см. В среднем течении Волги отлагающиеся на дне песчинки в основном имеют размеры 0,5...0,005 мм (весь диапазон отложений от 2 до 0,001 мм). Подводные рифели могут возникать сразу после начала движения наиболее мелкого песка, когда скорость потока достигает лишь 0,25 м/сек, при скорости 0,46 м/сек картина подводной волновой ряби получает полное развитие. По достижении потоком скорости 0,75...0,8 м/сек подводные рифели полностью размываются и исчезают. По некоторым данным размывание рнфелей может начаться уже при скорости потока 0,46 м/сек.
На поверхности снежного покрова среднее расстояние между соседними гребнями ряби находится в пределах 5...40 см при глубине впадин 1...20 см. В этом случае рифели образуются как при переносе воздушным потоком сухого мелкозернистого снега с размером зерен 0,2...0,4 мм, так и при осаждении из послеметельных потоков столбиков льда, пластинок и различных продуктов разрушения ледяных кристаллов размером 0,1...0,15 мм. При скорости ветра менее 2 м/сек на высоте 5 см над поверхностью снежного покрова переноса снежинок не происходит. Опыт показывает, что снежная рябь образуется после примерно часовой работы потока.
За счет влияния взвесенесущего потока рифели всех видов приобретают асимметричный профиль: в направлении потока гребни имеют более крутой склон, чем в противоположном направлении. На больших глубинах на дне морей, где течения сказываются в меньшей мере, рифели имеют симметричный профиль. После образования рифели могут оказывать обратное влияние на пограничный поток, усиливая его волновой характер и способствуя сортировке отложений по степени крупности.
Более крупные частицы откладываются на гребнях, а более мелкие – в углублениях. С увеличением скорости потока расстояние между соседними гребнями рифелей возрастает, особенно на поверхности снега.
Существует мнение, что рифели образуются за счет пульсаций содержания твердой взвеси во взвесенесущем потоке. В метелевых потоках наблюдаются крупномасштабные пульсации концентрации твердой фазы с частотой 0,3...1 Гц и пульсации меньшего масштаба с частотой до 5 Гц. Эти пульсации вызываются периодическими перенасыщениями и недонасыщениями двухфазного потока в связи с колебаниями его несущей способности. Пульсации водного придонного потока происходят с частотой 5...10 Гц, иногда до 20 Гц.
Поскольку турбулентные пульсации совершаются беспорядочно, они не могут дать фиксированной на свободной поверхности мелкодисперсной сыпучей среды регулярной картины мелкой волновой ряби. Явление можно объяснить приповерхностной конвекцией. Если концентрация твердой взвеси в различных участках пограничного слоя неодинакова, то благодаря диффузии с течением времени будет происходить выравнивание концентраций. Потоки выравнивания концентраций замыкаются в ячейки конвекции, которые за счет частичного отложения взвеси или захвата мелкозернистого материала с граничной поверхности и образуют гребни и впадины рифелей.
