ВОДА - ЭТО ЖИЗНЬ !
В жизни людей вода занимает особое место. Вместе с землей и воздухом она окружает человека, сопровождает его на протяжении всей жизни и порой даже не привлекает особого внимания. Вода существует - и этого вполне достаточно. Для проживающего в городах цивилизованного человека очень часто общение с субстанцией, покрывающей более половины поверхности планеты, осуществляется через водопроводный кран на кухне или в ванной комнате. И только в экстремальных ситуациях - отключение водопровода, прорыв системы отопления - или во время отдыха с выездом на водный объект мы начинаем ценить воду как одно из основных условий жизни на Земле.
До середины 18 века, по историческим меркам еще совсем недавно, вода считалась простым и неделимым веществом. И только в 1783 г. выдающийся французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743-1794) на основании опытов по изучению состава воды установил, что она имеет сложное строение: в ее состав входят водород и кислород. Наверное, он был первым, кто сознательно из кислорода и водорода синтезировал воду. Сегодня каждый школьник знает, что формула воды - Н2О, что она состоит из водорода и кислорода, замерзает при 0 и кипит при 100°С. Однако так было не всегда.
Многие выдающиеся ученые прошлого пытались разгадать природу воды. В дошедших до нашего времени представлениях античных философов о строении мира вода, наряду с такими стихиями, как земля, воздух и огонь, составляет основу мироздания. Греческий философ и ученый Аристотель (384-322 г. до н.э.), сочинения которого охватывали почти все существовавшие в то время науки, в своей космогонической теории подлунного мира в качестве основных элементов этого мира называл землю, воду, воздух и огонь. Аристотель связывал основные стихии с их свойствами. Вода при испарении превращается в пар (воздух), а при охлаждении - в иней (земля). Аристотель также считал, что все стихии - элементы пронизаны пятой стихией - эфиром, «квинтесенцией». Такой взгляд на воду как на элемент, соединяющий два качества - холодное и влажное, просуществовал почти до середины 17 века. И даже создатель паровой машины Джеймс Уатт (1736-1819) в течение многих лет считал, что водяной пар и воздух - это одна и та же субстанция. Известный английский ученый Роберт Бойль (1627-1691) на основании проведенных опытов пришел к выводу о сложном строении воды и ее образовании при сгорани многих веществ, но загадка ее состава была не разгадана. В процессе познания окружающего мира английский ученый Генри Кавендиш (1731-1810) в 1781 г. экспериментально доказал, что вода образуется при сжигании «горючего воздуха» - водорода. Кавендиш открыл водород, описал его свойства и вплотную подошел к открытию состава воды. И вот в июне 1783 г. Лавуазье, в присутствии французских ученых, из кислорода и водорода получает около 2,5 г. воды. Одна из загадок этой стихии разгадана. В 19 и 20 веках продолжается изучение этого загадочного вещества и открытие его свойств.
В 1931 г. американский физик Гарольд Юри (1893-1981) теоретически обосновал и практически получил тяжелую воду - окись дейтерия. Это открытие принесло ему в 1934 г. Нобелевскую премию. В течение нескольких лет были изучены некоторые свойства тяжелой воды. Она действительно тяжелее обычной, замерзает при 3,8, кипит - при 101,4°С. Тяжелая вода присутствует повсеместно, однако ее содержание различно в различных водных объектах. В каждой тонне речной воды в среднем присутствует около 250 г тяжелой воды в составе обычной.
Тяжелая вода неразрывно связана с проблемами ядерной энергетики. Она используется в ядерных реакторах в качестве замедлителей нейтронов. Ученые всего мира рассчитывают на успех в области управляемого ядерного синтеза. В этом случае человечество получает неиссякаемый источник энергии - Мировой океан с содержащимися в нем атомами «тяжелого водорода». В военной области открытие тяжелой воды привело к созданию эффективнейшего оружия устрашения: Была создана, испытана и поставлена на вооружение некоторых стран водородная бомба. И это тоже один из парадоксов природы: вода, порождающая жизнь, - и бомба, уничтожающая жизнь и порождающая воду (водородная).Возникновение Вселенной, образование солнечной системы, формирование в этой системе планет - вот вопросы, ответы на которые во все времена были, есть и будут достаточно условными. Возникновение жизни на Земле, существование ее за пределами Земли - на эти и другие вопросы религия и наука дают взаимно исключающие друг друга объяснения. Вселенная, Земля, жизнь - на эти загадки природы нет ответа.
Существующие методы изучения Космоса и Земли позволяют получить сведения о распределении химических веществ в бескрайних просторах Вселенной. Большая часть звездных систем и космических пылевых облаков состоит из водорода, на Земле же основным химическим веществом, составляющим около 50% ее массы, является кислород. Водорода на Земле тоже хватает - в связанном состоянии он составляет около 1% массы. Этого вполне достаточно, чтобы большая часть поверхности Земли оказалась покрытой водой. Наукой доказано, что вода есть и в Космосе, и на Земле. На Земле вода и жизнь неразделимы. О взаимоотношении воды и жизни в Космосе ничего не известно. Вода и, следовательно, жизнь на Земле - соединение космического и земного начал. Можно изучить все физические и химические свойства воды, ее распределение в близлежащем космическом пространстве, однако тайна возникновения жизни, тайна воды как основы существования живых организмов никогда не будет раскрыта. Вода навсегда останется для нас загадочным веществом.Земля - одна из девяти планет Солнечной системы, и, как известно, только на Земле сложились такие удивительные условия, при которых стало возможным возникновение и развитие живых организмов. Тайна возникновения жизни так же затеряна в прошлом, как и тайна возникновения Солнца и планет, всей Вселенной. Известно только, что возникновение и развитие жизни на нашей планете было бы невозможно без солнечных лучей, согревающих наружную оболочку Земли, без тонкого слоя газовой атмосферы и без огромного количества химического вещества, называемого водой.
Солнце на протяжении огромного исторического периода согревает поверхность Земли, обеспечивая такую температуру, при которой вода находится в жидком состоянии. Средняя температура поверхностного слоя Мирового океана имеет температуру 17,4°С. Химический состав атмосферы Земли в разные исторические эпохи был различным, однако он всегда обеспечивал определенное атмосферное давление, препятствующее испарению воды в космическое пространство. Атмосфера создает также определенный парниковый эффект, вызывающий минимальные колебания температуры поверхности Земли в условиях смены дня и ночи.Имеющаяся на Земле вода образует гидросферу. Состав ее приведен в табл.1.
Таблица 1.1 Состав гидросферы Земли (по А. Е. Ферсману)
Кислород О Водород Н Хлор Cl Натрий Na Азот N Магний Mg Сера S Как видно из таблицы, основную часть гидросферы составляет кислород. Этот элемент, не очень широко распространенный во Вселенной, явился той основой, на которой развивается живая и неживая материя на Земле. Этот элемент составляет основную часть не только гидросферы, но и земной коры, в которой его содержание доходит почти до 45%. В жизни живых организмов кислород играет значительную роль. Большая часть из них состоит из воды, почти 90% которой - кислород. Он входит в состав костей скелета, основных белков и аминокислот крови, обеспечивает дыхание и протекание окислительных процессов в клетках организмов, а также вывод из организмов продуктов распада органических веществ. Жизнь без кислорода, как и без воды, невозможна.
Запасы воды на земле огромны. Она находится в морях и океанах, в материковых ледниках и полярных льдах, в пресных водах озер, рек и болот. Значительные количества воды содержатся в атмосфере воздуха и горных породах, в живых организмах. Объем гидросферы громаден - 1370 млн. куб. км, что составляет 1/800 объема планеты Земля.
Этот объем распределяется следующим образом:
- мировой океан - 1120 млн. куб. км;
- толща земной коры - 200 млн. куб. км;
- материковые ледники и ледники приполярных областей - 30 млн. куб. км;
- реки, озера и болота - 4 млн. куб. км;
- атмосфера - 12 тыс. куб. км.
Количество воды в гидросфере практически постоянно. Одним из источников поступления воды в гидросферу являются ювенильные воды, попадающие на Землю в результате извержения вулканов. Однако это всего 0,25 куб. км в год. Расход воды также невелик и связан с разложением ее паров под действием солнечного излучения и улетучиванием их в мировое пространство.
Наряду с большим объемом, вода на Земле занимает громадные площади. Площадь поверхности Мирового океана составляет около 360 млн. кв. км, это почти в 2,5 раза больше площади поверхности суши (149 млн. кв. км)На поверхности Земли имеются реки, озера, болота, ледники и снега. В толще земной коры текут подземные реки, располагаются подземные озера. Вся вода находится в постоянном движении.Источником движения воды на Земле является энергия Солнца. Солнечные лучи падают на поверхность Земли, передают свою энергию воде и нагревают ее, превращая в пар. В среднем каждый час с одного квадратного метра водной поверхности испаряется один килограмм воды. Теоретически за 1000 лет почти вся вода Мирового океана может побывать в виде пара. Природная паровая машина планеты создает огромные объемы атмосферной воды, переносит их на значительные расстояния и изливает на Землю в виде атмосферных осадков.
Атмосферные осадки попадают в реки, которые несут свои воды в Мировой океан. Так осуществляется круговорот воды в природе. Различают малый и большой круговорот (рис.1.1). Малый круговорот связан с выпадением осадков в Мировой океан, большой круговорот - в виде осадков на суше. Ежегодно на сушу выпадает около 100 тыс. куб. км воды. Эти воды пополняют реки и озера, проникают в горные породы. Часть этих вод возвращается в моря и океаны, часть испаряется, а часть используется растениями и живыми организмами для питания и роста, т. е. для доставки питательных веществ из почвы к клеткам, а также для регулирования своей температуры. При этом происходит испарение воды в атмосферу. Этот процесс называется транспирацией. Зеленый покров планеты доставляет в атмосферу огромные количества воды.
Значительное количество воды человек использует в своей повседневной жизни. Использованные воды, как правило, загрязнены, и если они не проходят специальной очистки, то загрязняют и природные воды - реки, озера, подземные воды.
Загрязненные природные воды ухудшают экологическую ситуацию в биогеоценозе, ведут к гибели существующих природных форм, ставят под сомнение возможность выживания различных форм высших организмов, в том числе и человека. В условиях повсеместного загрязнения окружающей среды, в том числе ухудшения качества природных вод, одной из актуальнейших проблем выживания человечества становится проблема обеспечения людей питьевой водой высокого качества.
Человек не может жить без воды. Его тело на 70%, кровь - на 90%, мышцы - на 755 состоят из воды. В костях человека содержится около 25% воды. Без пищи человек может прожить 2-3 месяца, а без воды погибает через неделю. Обезвоживание организма ведет к тому, что все биохимические процессы, протекающие в отсутствие влаги, ведут к необратимым изменениям во всех органах.
С водой в организм человека поступают минеральные вещества, вода обеспечивает движение всех материальных и энергетических потоков в теле человека, и даже температура тела регулируется при помощи воды. Известны случаи, когда спасшиеся при кораблекрушении люди без пресной воды в течение нескольких часов сходили с ума от одного страха умереть от жажды. Вода - это жизнь. Химический состав крови человека очень близок к химическому составу вод Мирового океана. В то же время отсутствие в питьевой воде основных минеральных солей приводит к нарушению водно-солевого баланса организма, что вызывает различные заболевания. Оптимальный уровень содержания солей в питьевой воде составляет от 200 до 500 мг/л. Суточная потребность организма в воде питьевого качества - от 1,5 до 2,0 л. При тяжелой физической работе и высокой температуре воздуха потребность в воде, как правило, увеличивается. Примерный перечень основных минеральных веществ, которые должны присутствовать в питьевой воде, приведен в табл. 1.2. Эти нормативы разработаны для питьевой воды, используемой на судах и кораблях Военно-морского флота России. Минерализация опресненной морской воды производится либо путем введения в нее химических веществ, либо путем смешения морской и опресненной воды.Таблица 1.2 Химический состав питьевой воды
Помимо питья, человек использует воду в лечебных и гигиенических целях. Для внутреннего и наружного применения (бани, сауны, бассейны) широко используются также лечебные минеральные воды.
Рассмотрим, чем лечебные и минеральные воды отличаются от пресных. К минеральным относятся воды, содержащие более 1 г/л солей. К лечебным минеральным относятся воды:
- содержащие газы в концентрациях: диоксид углерода СО2 - более 0,75 г/л, сероводород Н2S - более 10 мг/л, радон - более 50 ед. Махе/л;
- радиоактивные;
- с повышенной температурой (субтермальные - 20-37°С, термальные - 37-42°С, гипертермальные - более 42°С).
Лечебные минеральные воды, по сравнению с пресными, содержат дополнительные примеси. Использование таких вод для наружного и внутреннего применения без рекомендации врача недопустимо.
Воды, используемые при водных процедурах, должны соответствовать требованиям, предъявляемым к питьевой воде, или, по крайней мере, быть безопасными в санитарно-гигиеническом отношении.
Используемая для питьевых и хозяйственно-бытовых целей вода должна быть свободной от загрязнений, которые могут быть привнесены в них природными и антропогенными факторами. Природные факторы загрязнения воды связаны с ее высокой растворяющей способностью и составом залегающих горных пород. К антропогенным факторам относятся сточные воды (использованные на коммунально-бытовые цели, на нужды промышленности и сельского хозяйства, энергетики и транспорта), а также газовые выбросы, твердые и жидкие отходы.Из книги "Чистая вода"
Миклашевский Н.В.
Королькова С.В.
