Водата е навсякъде на Земята

Водата е практически навсякъде на Земята. Нещо повече, тя е единствената позната субстанция, която естествено може да съществува като газ, течност и твърдо вещество в относително малкия диапазон от температури и налягания на въздуха, съществуващи на земната повърхност.

Цялото водното съдържание на Земята е около 1,39 милиарда кубически километра, като по-голямата част от него, около 96,5%, се намира в Световния океан. От останалото, приблизително 1,7% се съхраняват в полярните ледени шапки, ледниците и постоянния сняг, а други 1,7% се съхраняват като подземни води, езера, реки, потоци и почвена влага. Само хилядна от 1% от водата на Земята съществува като водна пара в атмосферата.
Особено трудно се правят оценки на подземните води и те варират в широки граници. (Стойността в таблицата по-долу е най-високия край на диапазона.) Подземните води могат да съставляват от приблизително 22 до 30% прясна вода.

Къде се крие тайнствената подземна вода?

Как замразяване на сладолед постави науката в гореща вода

Водата е едновременно изключително позната, съставлява почти две трети от нашите тела и обхваща три четвърти от планетата, но е и изключително тайнствена. Въпреки че я познавате толкова добре, много от нейните свойства ще ви изненадат напълно. Други са толкова странни, че все още не намират научно обяснение.

Разпръскването на вода в мразовития въздух моментално я превръща в сняг. Това може да се прави (от пълнолетни, защото е опасно!) в много студени зимни дни единствено с гореща вода. Дължи се на ефекта на Мпемба. Хората го намират за вдъхновяващо и стимулиращо. В северното полукълбо на Земята само чакат да нахлуе студена вълна! Има куп видеоклипове със "снежния" ефект на Мпемба, но и много злополуки с изгаряния при опасния опит. Наричат го "сензация в социалните мрежи".

Не изглежда логично, но когато искате да замразите водата си по-бързо, първо я загрейте. Горещата вода (понякога) замръзва по-бързо от студената. Физиците не могат да обяснят случващото се със закона на Нютон за охлаждане, според който скоростта, с която едно физично тяло (предмет) се охлажда, е пропорционална на разликата в температурата между това тяло и неговата среда.

Едновременно странен и противоречив, феноментът е обект на научно аргументиране вече 50 години, докато учените се борят да го обяснят. През 1969 г. Mpemba и Osborne публикуват резултати от експеримент, станал известен като "ефект на Мпемба". Експериментът показва, че времето за започване на замразяване на вода е най-дълго, ако тя е с начална температура от 25 °C и е много по-кратко при около 90 °C. Така се поставя на общественото внимание странното явление. То е забелязано 6 години по-рано от тогава 13 годишния Ерасто Мпемба по време на училищни занимания за правене на сладолед. Неговото любопитство към факта, че по-топлата смес за сладолед замръзва по-бързо от студената предизвиква продължаващия десетилетия разгорещен научен дебат, който не показва признаци на охлаждане.

Ученикът от Танзания Ерасто Мпемба...           и възрастният Ерасто Мпемба

 

Този позабравен дотогава ефект е описан в IV в. пр. Хр. от Аристотел: "Фактът, че водата е била топла, допринася за бързото й замръзване: защото така се охлажда по-бързо". Ранни модерни учени като Франсис Бейкън и Рене Декарт също потвърждават: "леко хладната вода замръзва по-лесно от тази, която е съвсем студена" и "от опит може да се види, че водата, която дълго време се държи на огън, замръзва по-бързо от друга".

Ефектът на Мпемба не може просто да бъде пренебрегнат. През 2012 г. Кралското общество по химия (RSC) организира конкурс за обясняващи го публикации. Победителят Никола Брегович предлага две причини за ефекта: по-студената проба се охлажда, а не замръзва и засилената конвекция в по-топлата проба ускорява охлаждането.

За съжаление, нито едно от предложените обяснения не е достатъчно убедително, за да въздейства на скептичните учени. Точният процес, който позволява горещата вода да се охлажда по-бързо от по-студената остава мистерия. Предмет на множество статии в международни научни списания, той няма общоприето обяснение. Съществуват разногласия относно параметрите, необходими за постигането на ефекта и относно неговата теоретична основа.

През 2016 г. Burridge и Linden определят като критерий времето за достигане на 0 °C и след експерименти заявяват: "Ние заключаваме, донякъде тъжно, че няма доказателства в подкрепа на смислените наблюдения на ефекта на Мпемба".

Но това дори не е правилния параметър за измерване, тъй като в много случаи водата няма да замръзне в така наречената точка на замръзване (0 °C). Също така кога нещо се смята за замразено? Когато се образуват първите ледени кристали, или когато течността в даден контейнер е напълно замразена? Замразяването не е момент във времето, а процес.

Експериментите с ефект на Мпемба могат да дадат напълно различни резултати, дори когато процедурите се повтарят при точно същите условия. Според авторитетното издание World Physics "дори ако ефектът на Мпемба е реален (ако горещата вода понякога замръзва по-бързо от студената) не е ясно дали обяснението ще бъде тривиално или просветяващо". Вероятно само множество от разнопосочни експерименти може да обясни защо явлението не е разбрано.

Водата е своеобразно вещество и много неща се случват, когато замръзва. Зародишът на ледените кристали, свръхохлаждането и изпаряването могат да повлияят на поведението на топлата и студената вода. Изглежда, че поради всички различни променливи, фините вариации в експерименталната техника могат да доведат до огромни разлики в наблюдаваните резултати. Условията, влияещи върху ефекта, очевидно са много трудни за контрол.

Въпреки това, през 2017 г. две изследователски групи самостоятелно и едновременно откриха теоретични доказателства за ефекта на Мпемба и също така предсказаха нов "обратен" ефект на Мпемба, при който студената вода може дори да се нагрее по-бързо от топлата вода.

Разбирането на същинската причина за ефекта на Мпемба при замразяване на вода все още е интересен открит проблем, който може да включва подробни познания за образуването на водородни връзки и движения (хидродинамични токове) по време на охлаждането.

Необичайните водородни връзки между молекулите на водата са по-слаби от ковалентните връзки, съединяващи в една молекула водородните и кислородните атоми. Водородните връзки се разпадат, когато водата се загрява. Водните молекули след това образуват фрагменти и се подреждат в кристалната структура на леда, като започват процеса на замразяване. Тъй като студена вода трябва първо да разбие тези слаби водородни връзки преди замразяването да започне, има смисъл, че горещата вода ще замръзва преди студената. Това е една от хипотезите.

Докато ефектът остава загадка, учените ще продължават да търсят обяснение. Знанието как работи ефектът може да бъде важно, например за промишлени приложения, където трябва да се охладят големи количества течности. Първо го загряваш и после го охлаждаш или направо го охлаждаш? Ефектът на Мпемба е много по-значим от това просто да обясни поведението на водата.

Откъде се е появила водата?

Преди да разберем откъде се е появила водата на Земята, ние трябва да разберем откъде идва тя във Вселената.

Водната молекула се състои от атом кислород и два атома водород. Но в началото нямало нищо, нито молекули, нито атоми.

Разширяването на нашата Вселена е започнало преди около 13,7 милиарда години с Големия взрив. Големия взрив е космологична научна теория, описваща ранното развитие на Вселената, от момента, когато тя е била много малка, според някои учени дори точка (сингулярност), даваща начало на пространството и времето.

Химичните елементи, които познаваме днес, не съществували. В тази изначална Вселена температурата била толкова висока, че имало само „супа“ от елементарни частици: фотони, неутрино, кварки, лептони (включително електрони) и свързаните с тях античастици.

С разширението и охлаждането на Вселената от по един положително зареден протон (в ядрото) и отрицателно зареден електрон (в обвивката) са се образували водородните атоми. Макар, че се появили и съдържащи повече частици атоми, те били много по-малко - на елемента хелий, дори съвсем мъничко - на елемента литий.
Започнали да господстват силите на гравитацията. В тази епоха се формирали галактики, а след тях и първите звезди. Под налягането на собствената си маса, водородът силно се вплътнявал, звездите силно се нагрявали и се включвал механизмът на термоядрен синтез, в хода на който се съединяват две атомни ядра и се отделя енергия.

От водорода и хелия в резултат на термоядрения синтез се появили някои нови сравнително леки химични елементи, сред които и много кислород (ядра с осем протона).

Водородът (H) е най-разпространеното химично вещество във Вселената.

Освен че го има във въздуха, кислородът (O) е най-изобилния по маса химичен елемент в земната кора, океан и биосфера. Той е и третия най-често срещан елемент във Вселената, след водорода и хелия (He).

Появата и превръщането на водорода и хелия в други химични елементи става благодарение на редки по своята природа космични явления и квантови процеси. Вероятността за всяко от звената на тази дълга верига случайности е много малка.

Ако характерът на протичане на всеки от физичните процеси се измени дори съвсем леко, то нашата Вселена днес би изглеждала различно, а човекът най-вероятно изобщо не би се родил.

Понякога учените използват израза "фина настройка на Вселената", в основата на който лежи идеята, че съществуването на химични елементи, вода и живот на първо място зависи от такива явления като термоядрения синтез, протичащ в звездите не произволно, а по строго определен начин.

Вода

Здравейте, скъпи ученици от 4б!

Тук ще намирате интересни неща за водата, главно за подземните води.

Очаквам Вашите въпроси.

Съобщавайте ми какво Ви е интересно, за да Ви добавям информация в тази насока.

В крайна сметка Вие ще си изберете какво ще използвате за Вашето представяне!

Успех!

Гледано от космоса, една от най-забележителните черти на нашата родна планета е водата, както в течни, така и в замразени форми. Както знаем, водата покрива около 75% от земната повърхност. Геоложките доказателства сочат, че през последните 4 милиарда години на Земята вероятно са циркулирали огромни количества вода, а това е по-голямата част от нейното съществуване. Смята се, че първоначално попаднала на повърхността като пара чрез емисии на газове от древни вулкани, водата е жизненоважна субстанция, която отличава Земята от останалите планети в нашата Слънчева система. По-специално, водата изглежда е необходима съставка за развитието и поддържането на живота.