|
|
|
Свойства воды |
Вода как растворитель |
Вода как среда
обитания |
|
Уникальные свойства воды, очень важные
для живых организмов, проявляются в своеобразном, почти
исключительном поведении воды вблизи точки замерзания.
 1.
Максимальная плотность при to
= + 4oC.
Общеизвестно, что с понижением температуры плотность
большинства веществ возрастает, а объем, занимаемый единицей массы,
соответственно уменьшается. Та же закономерность присуща и воде,
если ее постепенно охлаждать... но до температуры (точнее, +
3,98oC). Дальнейшее охлаждение в интервале + 4o
... 0оC вызывает ее расширение.
Таким
уникальным свойством обладают очень немногие вещества. Это (и другие
свойства воды) позволило герою Андрея Битова сказать:
"Вода! - вот что изобличает в творении творца, в творце - художника.
Как там она расширяется и сжимается, кипит и замерзает единственным
и противоречивейшим способом из всех жидкостей? ... Из воды и вышла
жизнь, что всем известно. Так вот не жизнь изумительна, а - вода!
Она есть подвиг творца, преступившего гармонию во имя жизни. Не нам
себе представлять, чего это ему стоило. Вот что он воистину создал!
Воду... От ее капли до нас с тобой меньшее расстояние, чем от
неживой материи до воды. Эволюция - это всего лишь роман с
неизбежной развязкой; возможно, мы и закроем всю книгу... "
А. Битов.
Человек в пейзаже // "Новый мир" № 3, 1987 |
 В результате в
водоемах зимой более охлажденная вода, как менее плотная,
поднимается вверх, а в придонном слое сохраняется температура
+ 4oC. Это обеспечивает возможность нормального
перенесения холодного сезона для водных организмов, в первую очередь
- пойкилотермных животных. Впрочем, это же
затрудняет перемешивание слоев воды и
поступление минерального питания в поверхностные
слои (из-за чего продуктивность океана
существенно ниже продуктивности суши).
2. Лед имеет меньшую плотность,
чем вода.
Большинство веществ в твердом состоянии имеют большую
плотность, чем в жидком, а следовательно, тонут, как, например,
твердый бензол в жидком. Вода же, замерзая, расширяется (как висмут
и серебро, еще два исключения). (Рассмотрите
это на графике выше.) Причина такой аномалии в том, что в
кристаллической структуре льда молекулы как бы "держат" друг друга
на расстоянии вытянутой руки.
В жидком же состоянии молекулы воды скорее напоминают
пассажиров городского транспорта в "час пик".
 
Вопрос 1.
Сравните структуру льда (справа) и воды (слева). Обратите
внимание на различие в плотности (количестве молекул в единице
объема) и шестилучевую симметрию, присущую кристаллу льда. Есть
ли какая-то упорядоченность, закономерность в расположении
молекул воды в жидком состоянии?
Об особом "Льде-9" из романа К.Воннегута
"Колыбелька для кошки" см.
тут. |
|
Значение для
водных организмов
меньшей плотности льда очевидно: если
бы лед был тяжелее воды, он опускался бы на дно,
и водоем промерзал бы полностью. Т.к. лед
плавает на поверхности (а охлажденная вода с to
= + 4o
... 0оC также не опускается вниз
из-за меньшей плотности), в воде сохраняются
благоприятные (или хотя бы терпимые, в пределах
толерантности) условия для живых организмов.
|
|
Вопрос 2.
Подумайте, в каких случаях свойство льда иметь
объем больший, чем у такого же количества воды,
вредно для живых организмов? Чем
вредно? Как
живые организмы выходят из положения?
(Подсказка: ключевой термин для ответа на третью
часть вопроса - криопротекторы). |
  UPD.
Статья Джирла Уолкера 
"Необычные фигуры,
появляющиеся в замерзающей воде и плавящемся
льду" ("В мире науки", рубрика "Наука
вокруг нас", 1986, № 9, с. 84:
справа - рис. из статьи - фигуры Тиндаля во льду).
Ледяные цветы (необычное
арктическое явление образования кристаллов
высотой в несколько сантиметров на тонком льду,
слева,
статья на английском). |
|
  Сосульки
 Слева - фото из статьи A.SH. Chen и S.W. Morris
(Университет Торонто, Канада), показавших, что складчатость у
сосулек обусловлена присутствием и концентрацией солей (
текст,
абстракт,
видео).
Интересно, что сосульки довольно часто образуют гауссиану - кривую нормального
распределения (справа - фотография соседского балкона
и
отсюда). |
|
3. Снежинки |
 Внимательное знакомство с молекулярной структурой кристалла льда
позволяет ответить и на интересовавший с детства вопрос: почему
снежинки шестилучевые?
 Истории
изучения снежинок посвящена
статья в англоязычной Википедии. Первыми присмотрелись к
снежинкам китайцы в 150 году до н.э. Впервые обстоятельно гексагональную
структуру снежинки описал Иоганн Кеплер в труде
Strenaseu De Nive Sexangula в 1611 году.
Первым фотографировать снежинки научился
Уилсон Бентли (Wilson Bentley) в 1885 году, он сфотографировал
около 5000 снежинок (рисунок слева на синем фоне - с его
фотографий,
статья о нем, книга
Snowflakes: a Chapter from the Book of Nature, 1863).
Самая
большая снежинка зафиксирована в 1887 году и была 38 см в диаметре (статья).
По записи в блоге  progenes
"Про снежинки".
 Анимация
справа
отсюда, сайт
SnowCrystals.com, автор
Kenneth G.
Libbrecht.
Компьютерному моделированию снежинок посвящен сайт
Gravner-Griffeath Snowfakes (например, слайд-шоу).
О фрактальных структурах, примером которых
могут служить и снежинки, а также морозные узоры на стеклах, см.
тут. |
|
 Диаграмма
зависимости форм снежинок от температуры и насыщенности водяных паров (в
г/м3) - справа, по
NewScientist. См. также разработку для школьников
Snowstorms на сайте
NASA, в т. ч.
диаграмму:
Вопрос 3 (проектное задание).
3-1.
Дождитесь снегопада и подсчитайте количество снежинок разных типов,
зафиксировав при этом погодные условия, в которых проводилось
исследование (можно перевести
инструкцию по проведению наблюдений и
таблицу для подсчета типов снежинок).
3-2.
Создайте дерево типов снежинок по материалам сайта
A Guide to Snowflakes.
Ср. дерево
определения растений,
филогенетические деревья и
кладистика). |
| |
|
   |
|
