Химический состав биосферы и уникальные свойства воды

Благодаря энергии гравитационного сжатия Земли и непрерывному поступлению солнечной энергии стало возможным образование упорядоченной структуры оболочек Земли и их глубокое разделение по элементному составу (рис. 2.12). Исследователь из соседней галактики, получивший образцы вещества из этих оболочек, сначала решит, что они взяты из разных миров.

Вещество биосферы — «живой оболочки Земли» состоит почти исключительно из углерода, водорода и кислорода (более 98 %) с небольшой примесью азота, кальция, калия, магния, кремния, фосфора и серы, которые наш воображаемый исследо-

БИОСФЕРА

НОС N Ся К » М; Р $ А1 N3 Бе Ті С1 В Аг Ке

ЛИТОСФЕРА

НОС N Са К Бі Р Б А1 N3 Ее Ті С1 В Аг Ке -ГИДРОСФЕРА

НО С N Ся К $і Р 8 А1 N8 Бе Ті С1 В Аг N6

= АТМОСФЕРА

х.

1

г

1 1 1 Г 1 Г 1 Г 1 Г 1 1 1

X

НО С N Ся К 8і М{ Р 8 А1 N8 Бе Ті СІ В Аі Ке

  • 1000000
  • 100000
  • 10000
  • 1000
  • 10
  • 1000000
  • 100000
  • 10000
  • 1000
  • 10
  • 1000000 [1] [2]

ватель сначала вполне мог счесть за случайное загрязнение пробы. Скорее всего, он решил бы, что имеет дело с формальдегидом (СН20) и его полимерами. При более подробном исследовании он сделает вывод, что имеет дело с веществом, состав которого приближённо определяется формулой Н296001480С!480N,6Р2S.

Состав литосферы совсем иной, углерода и водорода в ней сравнительно немного, а господствуют алюмосиликаты, то есть соединения типа KAlSi308 или CaAl2Si40!2, где калий и кальций могут быть заменены другими щелочными или щёлочноземельными металлами или железом.

Гидросфера — царство воды Н20, в которой содержится примерно 3,5 % растворённых солей, диссоциированных на положительные ионы Na+ (77 % всех катионов), К+ (1,7 %), Mg2+ (18 %) и Са2+ (3,3 %) и отрицательные ионы СГ (90,3 % всех анионов), SO2- (9,3 %) и НС03- (0,4 %).

Наконец, атмосфера — это смесь азота (77 %), кислорода (21 %), водяного пара (около 1 %), аргона (0,93 %) и углекислого газа (менее 0,05 %) с очень малой примесью других газов.

Узнав, что все пробы взяты из тесно взаимодействующих между собой оболочек одной планеты, исследователь обратил бы внимание, что ближе всего к составу биосферы материал гидросферы. Отсюда он сделал бы правильный вывод, что именно вода была той средой, где зародилось вещество биосферы. Действительно, появление жизни на Земле, образование и существование биосферы в целом стали возможными благодаря наличию жидкой воды и полностью зависят от уникальных свойств воды как одного из главных минералов Земли.

Воду считали простым элементом до тех пор, пока в 1781 — 1784 гг. Генри Кавендиш (Н. Cavendish, 1731 — 1810) не показал, что она образуется при сгорании водорода, и Антуан Лавуазье (Л. Lavoiser, 1743—1794) не определил её состав.

Вода бесцветна и прозрачна в тонких слоях и выглядит голубовато-зелёной (бирюзовой) в толстых. Благодаря этому фотосинтез может идти в достаточно глубоких слоях воды.

Молекулы воды сильно электрически поляризованы (рис. 2.13), и поэтому ей свойственны чрезвычайно мощное взаимное притяжение молекул, очень высокая диэлектрическая проницаемость, и она является уникальным и почти универсальным растворителем для солей. Её молекулы притягивают, окружают и отделяют ионы от кристаллов солей, образуя комплексы гидратированных ионов. Например, положительные ионы метал-

Структура молекулы воды и зависимость плотности льда и воды от температуры. Рядом с молекулой воды показан в том же масштабе отрезок длиной в 1 Ангстрем = 10“ м

Рис. 2.13. Структура молекулы воды и зависимость плотности льда и воды от температуры. Рядом с молекулой воды показан в том же масштабе отрезок длиной в 1 Ангстрем = 10“10 м

лов притягивают отрицательные («кислородные») концы молекул воды, создавая и удерживая вокруг себя слой из них не только в растворе, но даже и в кристаллах после выпаривания. Вода обладает очень сильным поверхностным натяжением и способностью подниматься по капиллярам. Всё это делает воду уникальным средством для транспортировки питательных веществ как внутри живых организмов, так и вне них.

Вода имеет парадоксальную зависимость плотности от температуры (рис. 2.13). Закон «все тела при нагревании расширяются» вблизи точки замерзания для неё неверен. Максимум плотности жидкой воды лежит при 4 °С. Более того, при замерзании, то есть переходе в кристаллическое состояние, вода не уменьшает, а почти на увеличивает свой объём. Благодаря этому образующийся на водоёмах лёд не опускается на дно, а остаётся на поверхности, предохраняя водоёмы от промерзания. Без этого свойства вся вода Земли, скорее всего, быстро собралась бы в полярные ледяные шапки, и жизнь стала бы невозможна.

Теплоёмкость воды 1 ккал кг1 К'1 = 4,19 кДж кг 1 К-1 (это и есть определение килокалории), её теплоты испарения (538,9 ккал кг-1 = 2256 кДж кг-1) и плавления (79,7 ккал кг-1 = = 333,7 кДж кг-1) очень велики. По этим параметрам вода превосходит почти все известные жидкости. Отсюда её способность накапливать и удерживать в скрытой форме огромные запасы энергии. Вследствие большой теплоёмкости воды океаны и моря, медленно накапливая и отдавая тепло, существенно уменьшают перепады температуры и смягчают климат планеты. Кроме того, вода смягчает температурные режимы почв, что весьма немаловажно для благополучия растительности.

Испаряясь с поверхности океанов, вода запасает энергию в виде теплоты парообразования и впоследствии отдаёт её при образовании облаков и выпадении осадков. Таким образом, климатообразующее влияние воды невозможно переоценить.

Очень большое поверхностное натяжение воды (только ртуть превосходит её по этому параметру), способствует её удержанию и подъёму по капиллярам в почве и тканях растений. Расширяясь при превращении в лед, вода разрушает материал горных пород. При понижении температуры вода в крупных порах и трещинах замерзает раньше, чем в мелких, поэтому из мелких пор вода выдавливается, а в более крупных образуются водяные линзы. Так вода инициирует превращение горных пород в частицы, слагающие почву. Земледельцам эта способность воды — рыхлить почву — давно известна, и на ней основано оставление грубо вспаханной земли в преддверии зимних морозов.

  • [1] 100000 10000 1000 100 10 1 1000000 100000 10000 1000 100 10
  • [2] Рис. 2.12. Относительное содержание элементов в наружных оболочках Земли. Столбики на диаграммах соответствуют количеству атомов элементов на миллион атомов вещества данной оболочки
 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >