Пожалуй, нет на Земле более распространенного и в то же время более загадочного вещества, чем вода в жидком и твердом состояниях. Достаточно вспомнить, что все живое вышло из воды и состоит в основном из нее; почти три четверти поверхности Земли покрыты водой и льдом, а значительная часть северных территорий суши представляет собой вечную мерзлоту. Чтобы наглядно представить себе суммарное количество льда на нашей планете, заметим, что в случае его таяния вода в Мировом океане поднимется более чем на 50 м, что приведет к затоплению гигантских территорий суши на всем земном шаре. Во Вселенной, в том числе и в Солнечной системе, обнаружены огромные массы льда. Нет ни одного мало-мальски существенного производства, бытовой деятельности человека, в которых не использовалась бы вода. Тем не менее после многочисленных успехов физики и физико-химш воды последних лет вряд ли можно утверждать, что свойства этого простого вещества понятны и прогнозируемы до конца. Предлагаю познакомиться с современными представлениями о важнейших физических свойствах воды и льда в естественных условиях и их использовании на практике.
Вода — вероятно, наиболее изученное вещество. Основы современного понимания физики воды заложили около 200 лет назад Генри Кавен-диш и Антуан Лавуазье, обнаружившие, что вода — это не простой химический элемент, как считали средневековые алхимики, а соединение кислорода и водорода в определенном соотношении. Собственно, название свое водород — рождающий воду — получил только после этого открытия, и вода приобрела современное химическое обозначение, известное теперь каждому школьнику, — Н20. Итак, молекула Н20 построена из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Мы не будем подробно описывать всю историю исследований, отметим лишь то, что устройство молекул воды в настоящее время известно очень точно. Атомы водорода и атом кислорода занимают положения в вершинах равнобедренного тре-. угольника с углом в вершине, занятой кислородом. Известны размеры и углы этой конструкции. Поскольку атомы состоят из положительных и отрицательных частиц (ядер и электронов), такое расположение атомов и существенно большее количество электронов у кислорода (и больший положительный заряд его ядра) приводят к тому, что молекула воды становится похожа на маленький «магнит». Поскольку таких «магнитов» даже в капле воды очень много, то оказывается, что многие из них притягиваются разноименными концами. При этом следует учесть, что, поскольку атомов водорода два, а атом кислорода оттягивает на себя заряд с каждого из водородных атомов, молекула воды способна образовать четыре связи с соседними аналогичными молекулами. Такая связь между молекулами называется водородной. Она встречается в природе очень часто: например, в спиртах и водно-спиртовых растворах, в любой биологической системе. Попробуем разобраться, что происходит, когда скапливается много молекул воды в одном месте..
Представим, что мы поместили рядом с одной молекулой другую, потом еще одну — постепенно мы получим аккуратную пространственную структуру, как будто собранную из детского конструктора. Получается, что каждая молекула воды окружена четырьмя другими, а симметрия такого пространственного расположения такая же, как у правильного шестиугольника. При этом хорошо видно, что расположение молекул не очень плотное — много пустого места. Молекулы воды, расположенные таким образом, и есть хорошо знакомый каждому лед. Отметим, что фиксированные положения в структуре льда занимают только атомы кислорода.
Два атома водорода могут занимать различные положения на четырех связях молекулы воды с другими соседями. Отмеченная выше симметрия решетки приводит к тому, что кристаллики, растущие свободно (например, снежинки), имеют шестилуче-вую форму. Итак, получилась ажурная конструкция из молекул воды, соединенных водородными связями. Давайте разберемся, что будет происходить, если мы станем нагревать ее. Сразу стоит понять, что такое нагревать? Ведь сейчас мы рассуждаем о поведении микроскопических частиц — а к ним общепринятое понятие температуры (тепла) применить не получится. Оказывается, что тепло — это такие же электромагнитные колебания, как свет или радиоволны, но просто другой частоты. Начинаем нагревать «Лего-лед», то есть периодически воздействовать на заряды молекул, например, поместив конструкцию в ведро и потряхивая его. Если сила колебаний не очень велика, то ничего не происходит. При ее увеличении крайние (находящиеся у стенок молекулы) отламываются от общей решетки (ведь у них не четыре, а две-три связи). В такой ситуации большая конструкция болтается в ведре, и у стенок имеется небольшой слой свободных молекул. Если трясти еще сильнее, в некоторый момент вся решетка развалится на куски поменьше, при этом, поскольку начальная конструкция была весьма пустотелой, объем занимаемый «обломками» будет меньше (сравните рисунки).
Несмотря на то, что разрушено всего чуть более десятой части водородных связей, обломки начальной решетки ведут себя уже не как твердое тело, а как жидкость, мы даже можем «вылить» их из ведра. Попробуем потрясти еще сильнее. Из-за того что молекулы и «обломки» решетки двигаются все быстрее, расстояния между ними в среднем увеличиваются — уровень «жидкости» в ведре чуть-чуть повышается. Если трясти ведро еще сильнее, отдельные молекулы начнут вылетать из него, а, продолжив это нелегкое физическое упражнение, можно добиться того, что в ведре не останется ни одной молекулы, А теперь вернемся в начало нашей забавы с конструктором и вспомним, что в реальности молекул воды очень много и они крайне малы по величине. Проследив всю цепочку рассуждений, мы поймем, что описали процесс нагревания и таяния льда, а затем нагревания и испарения воды.
А при какой температуре замерзает вода? Казалось бы, ответ очевиден — конечно, при той же, при которой тает лед. Однако не все так просто. Вода в основном тает при 0°С, но в зависимости от чистоты воды точка замерзания может оказаться и ниже. Хорошо очищенную воду В\’лабораторных условиях можно Переохладить (то есть охладить ниже точки таяния льда, и она при этом не замерзнет) почти до -40°С. Хотя, справедливости ради, стоит отметить, что подобная ситуация очень редко встречается в природе. При охлаждении воды кое-где образуются мельчайшие островки льда, которые быстро исчезают, если температура выше точки замерзания. Когда достигнута температура замерзания, такие островки увеличиваются и неуклонно продолжают расти, так как дальнейшее замораживание приводит к понижению свободной энергии системы. В чистой воде размер стровков достигает критического значения при -40°С. Наличие примесей уменьшает величину критического размера ледяных островков, поэтому вода замерзает при более высоких температурах (но ниже 0°С).
Используя это, хотя и сильно приближенное, но весьма наглядное рассуждение, можно объяснить многие удивительные (аномальные) свойства льда и воды.
Плотность воды больше плотности льда, поэтому лед плавает в воде. Максимальную плотность вода имеет при температуре ч-4°С, в результате осенью при замерзании водоема, как только вся толща воды в озере остужается до такой температуры, верхний слой, продолжающий охлаждаться, становится легче, чем вода нижних слоев. Холодная и легкая «верхняя» вода плавает над более теплой, а следовательно, более тяжелой, глубинной. Перемешивание слоев происходит очень медленно, поэтому верхний слой воды, а затем и лед не дают озеру промерзнуть, и зимой температура в глубине озера держится в пределах от +1° до н-4°. До дна же промерзают лишь мелкие озера, да и то в очень сильный мороз. Если же происходит интенсивное перемешивание больших масс воды, то водоем может вообще не замерзать (что наблюдается, например, на Енисее, не замерзающем даже в 30-градусные морозы на десятки километров ниже по течению от Красноярской ГЭС). Осенью первыми покрываются льдом мелкие озерки, затем — прибрежные воды и неглубокие заливы озер. Замерзание водоемов происходит от берегов. Глубокие места могут оставаться свободными ото льда еще не один месяц после того, как прибрежные участки уже покрылись им, поскольку охлаждение нижних слоев идет очень медленно, а если они интенсивно перемешиваются глубинным течением (например, водосбросом искусственной или естественной плотины), то поверхность водоема в этой части может совсем не замерзнуть даже в сильный мороз.
Скорость увеличения толщины поверхностного льда можно очень приближенно оценить в 2 мм на 1 градус мороза в сутки, однако следует помнить, что подобный расчет применим только к неглубоким, спокойным озерам в тихую, безветренную погоду и при чистой, незаснеженной поверхности льда. Таким образом, первый чистый лед на прудах за одну морозную (~10°С) ночь (12 часов) нарастает примерно на 1 см.
В крупных озерах и реках большая масса воды на глубоких участках замедляет, а иногда вообще делает невозможным замерзание. Поэтому нужно быть очень осторожным при оценке несущей способности льда, когда делают ее на основании наблюдений около берега. Особенно внимательным следует быть при довольно обычной погодной ситуации, когда молодой прозрачный лед толщиной около 1 см укрывается неглубоким снегом. Даже небольшой снежный покров замедляет нарастание льда, прекращает его полностью, а иногда приводит к уменьшению толщины в местах течения воды, несмотря на устойчивую морозную погоду, Если же снегопад достаточно силен и сопровождается ветром, то неравномерный толстый снежный покров давит на поверхность льда и растрескивает его снизу, что приводит к появлению вертикальных трещин, в которые проникает переохлажденная вода, и если она просачивается наверх, под снег, то лед может местами подтаять, а под снегом вы этого не увидите. Такая ситуация возможна около береговых обрывов, в местах, где есть подводные источники. Весной это обернется другой опасностью — вода, которая вытекла на лед и пропитала снег, замерзая, образует рыхлый лед, несущая способность которого вдвое-втрое меньше, несмотря на значительную толщину. Еще неприятней может оказаться ситуация на заболоченных водоемах — растения и их корни, задерживая снег и теплоизолируя поверхность, могут привести к тому, что надежное ледяное покрытие при приближении к берегу окажется слишком тонким и проломится.
Какова же безопасная толщина льда? Однозначного достоверного ответа на этот вопрос, к сожалению, нет. Считается, что прозрачный озерный лед толщиной более 5 см надежно выдерживает человека. Но это в идеальных условиях. В межсезонье, когда ночные морозы сменяются солнечным теплым днем, растрескавшийся лед, пронизанный вертикальными трещинами и пропитанный водой, может подвести даже при вчетверо большей толщине. Особенно внимательно нужно относиться к местам, укрытым сугробами, и участкам рек с резко меняющимся профилем дна и берегов. Часто течение истончает ледяной покров у мысов каменных островов, опор мостов (где заметное влияние оказывает еще и нагревание солнцем бетонных и металлических конструкций).