Путешествие капли
Великая путешественницаНалей в стакан воды из-под крана и внимательно посмотри на неё. Ты не увидишь ничего особенного: у воды нет вкуса и запаха, она бесцветна и плюхается от любого движения. Но в этом же стакане ты увидишь великую путешественницу, которая побывала во всех уголках нашей планеты, даже в тех, где ещё не ступала нога человека.
Да-да, не удивляйся! В стакане наверняка есть вода, которая когда-то давно или совсем недавно пролилась тропическим дождём над лесами Бразилии, носилась снежной вьюгой над бесконечными сибирскими просторами, с рёвом неслась в горных реках Гималаев, сияла в лучах низкого солнца в ледниках Антарктиды, блестела радугой у тебя над головой, впитывалась корнями огромных африканских баобабов...
А теперь эта вода — у тебя в руках. Но скоро она вновь окажется на свободе и отправится в большое путешествие, чтобы в какой-нибудь момент опять вернуться к тебе.
Почему вода обладает такой способностью? Как она проделывает эти путешествия и умудряется сохраниться в первозданном виде? Сейчас ты узнаешь об этом и убедишься, что вода — одно из самых удивительных веществ в мире.
Гидросфера
Вся вода на Земле образует особую оболочку — гидросферу. Гидросфера состоит из многих частей: Мирового океана, поверхностных вод и ледников, подземных вод, водяного пара атмосферы, влаги почвы и воды в живых организмах (растениях и животных). Всего в гидросфере 1,39 миллиарда кубических километров воды или 1,39 квинтиллиона тонн — это число с 19 нулями!
Что такое Мировой океан? Это вся вода, омывающая материки — океаны, моря, заливы, проливы и т.д. Больше всего воды содержится в четырёх океанах — Тихом, Атлантическом, Индийском и Северном Ледовитом.
В Мировом океане сосредоточена почти вся вода гидросферы Земли — около 94 %. Много воды находится под землёй — почти 4,4 %. Немного меньше воды заковано в ледники — около 1,6 %. А что же остаётся на долю поверхностных вод? Всего 0,02 %! Так что реки, озёра, болота и другие водоёмы, которые мы видим чаще всего, содержат только лишь две сотые части всей воды на Земле! И ещё около тысячной доли воды содержится в атмосфере в виде пара.
Проводим опыт. Налей в чайник или кастрюлю ровно 1 литр воды. Теперь с помощью мерного стаканчика или ложки отлей в отдельные стаканы 44 и 16 миллилитров воды. И отчерпни немного чайной ложкой, оставив воду на её донышке. Так ты увидишь соотношение воды в гидросфере: в кастрюле останется около 940 миллилитров — это вода Мирового океана, 44 и 16 миллилитров — это подземная вода и ледники. А то, что осталось на дне ложки — вода рек, озёр и болот!
Три состояния воды
Какой бывает вода? Сейчас в стакане ты видишь жидкую воду — она принимает форму того сосуда, в который налита, легко переливается из одного места в другое, разбивается на отдельные капли и вообще очень подвижна.
А если ты откроешь морозилку в холодильнике, то увидишь воду в другом состоянии — в виде льда. Лёд твёрдый и крепкий, он имеет ту форму, которую получила вода при замерзании, и очень часто лёд ведёт себя как настоящий камень. Но если сейчас за твоим окном зима, то ты и без холодильника видишь лёд в виде снега. Ведь снег состоит из множества снежинок — частичек льда самой замысловатой формы.
И вокруг тебя, прямо в этой комнате, всегда присутствует водяной пар. Да, он невидим! Конечно, тебе часто приходилось видеть пар над кипящим чайником или кастрюлей. Это тоже вода, но не пар, а туман. Сначала из чайника выходит пар, он охлаждается и превращается в туман, который мы видим как белое облачко. Убедиться, что пар прозрачен, легко: если у тебя стеклянный чайник, то ты заметишь, что над поверхностью бурлящей воды нет никакого пара, а горячее белое облачко возникает на некотором расстоянии от носика чайника.
Итак, вода бывает жидкой, твёрдой и газообразной. Это — три агрегатных состояния вещества. Вода остаётся жидкой при температурах от 0 до 100 градусов. Если температура опускается ниже ноля, то вода замерзает, превращается в лёд. А если температура повышается выше 100 градусов, то вода испаряется, превращаясь в пар.
Правда, вода испаряется при любой температуре, поэтому сохнет бельё после стирки, а оставленная на несколько дней вода в стакане исчезает. Чем теплее, тем быстрее происходит испарение. Вода испаряется и на морозе, но очень медленно: за неделю корка льда может уменьшиться на 1 — 1,5 миллиметра. При комнатной температуре за ту же неделю может полностью испариться вода в небольшой кружке. А вся вода из чайника или кастрюли может выкипеть за 20 — 30 минут.
Благодаря тому, что вода так легко превращается в лёд и пар, она способна совершать самые удивительные путешествия по всей Земле. И это путешествие называется круговоротом воды в природе.
Проводим опыт. Заморозь лёд, а затем брось его в кипящую воду в кастрюле. Лёд очень скоро растает. Поставь над кипящим чайником или кастрюлей металлический предмет — на нём образуются капли воды. Так ты увидишь все три агрегатных состояния воды и их превращения. Делай опыт осторожно или попроси помочь взрослых, вода и пар очень горячие!
Круговорот воды в природе
Круговорот воды в природе — это процесс циклического перемещения воды по Земному шару. Циклическое перемещение означает, что вода движется как бы по кругу, начиная и завершая своё путешествие в одном и том же месте. Но это путешествие никогда не прекращается, поэтому трудно понять, где у него начало, а где конец. Но для удобства мы можем сами придумать, где начинается путь воды — пусть это будет океан.
А почему вода участвует в круговороте? Ведь она не может сама «решить», что хочет начать путешествовать! Безостановочно двигаться воду заставляет тепло Солнца и сила притяжения (гравитация) Земли. Как это происходит — ты скоро узнаешь.
Но сразу скажем, что круговорот воды в природе бывает большим и малым. Большой круговорот охватывает всю Землю, а малый — только некоторые участки суши и океанов, поэтому часто его называют океаническим.
Начало путешествия — моря и океаны
Мы с тобой над поверхностью океана, на многие сотни и даже тысячи километров вокруг — одна вода! Океаны занимают около 71% поверхности Земли — в два с лишним раза больше, чем суши. Поэтому нашу планету можно было бы назвать Океаном, а не Землёй!
Над океаном жарко светит солнце, из-за этого вода постоянно испаряется. Моря и океаны большие, поэтому испарение с них происходит очень активно. За год с поверхности Мирового океана испаряется около 440 тысяч кубических километров воды. Такую величину даже представить сложно!
Если бы вся вода после испарения бесследно исчезала бы, то за год уровень океанов снижался бы на 1 метр. Это кажется немного, и океаны вряд ли испарятся совсем. Но не спеши с выводами! Средняя глубина Мирового океана составляет 3700 метров, поэтому вся вода на Земле испарилась бы примерно за 3700 лет. А вода из самых глубоких частей океанов, например из Марианской впадины в Тихом океане глубиной более 11 км, испарилась бы за 11000 лет. В истории Земли, которой больше 4,5 миллиардов лет, это ничто!
А куда же девается испарившаяся вода? Она заполняет атмосферу — воздушную оболочку, окружающую нашу планету. Так что воздух всегда содержит в себе воду, хотя и в виде пара.
Пар видимый и невидимый
Водяной пар движется вместе с воздухом. Если воздух перемещается горизонтально в виде ветров, то и пар вместе с ним. А когда нагретый солнцем воздух поднимается вверх, то от него не отстаёт и пар. Почему воздух при нагревании поднимается? Потому что при повышении температуры все вещества расширяются и становятся менее плотными, будто теряют в весе. Поэтому нагретый воздух вместе с водяным паром поднимается ввысь, а его место занимает более холодный соседний воздух — так, между прочим, образуются ветры.
Но тебе, наверное, уже известно, что на высоте холоднее, чем внизу. И в какой-то момент становится так холодно, что вода уже не может существовать в виде пара — она начинает конденсироваться, вновь превращаться в жидкую воду и собираться в капельки. Эти капли постепенно увеличиваются и становятся видимыми — так образуются облака.
Облака начинают образовываться на высоте от 400 до 1500 метров. Конечно, иногда бывает холоднее, и облака возникают очень низко — на высоте всего 200 метров. А иногда бывает теплее, поэтому облака образуются выше обычного — на высоте 2 километра и выше.
В облаках переносится очень много воды, и именно благодаря облакам она совершает своё далёкое путешествие. Но очень часто облака выпадают дождями над тем же океаном, над которым образовались — это и есть малый круговорот воды в природе. Также к малому круговороту относится и циркуляция воды, которая испарилась над поверхностью суши, но пролилась дождями в соседнем море или океане.
Очень часто облака преодолевают многие тысячи километров прежде, чем пролиться дождями или выпасть снегопадом в какой-нибудь далёкой стране. И обычно вода в форме облаков «живёт» недолго — от нескольких часов до 8 — 10 дней.
С неба на землю
Не каждое облако становится причиной дождя или снегопада. Очень многие облака появляются и бесследно разрушаются. Есть даже облака, которые так и называются — облака хорошей погоды. Они образуются в жаркий летний день из-за того, что с поверхности земли испаряется очень много влаги. Эти облака очень большие и высокие, они похожи на белоснежные горы и на огромные замки. Несколько часов они двигаются над землей, а как наступает вечер — растворяются и исчезают, оставляя после себя прозрачное синее небо, на котором загораются первые яркие звезды.
Но когда в облаке собирается очень много воды, то она больше не может оставаться на такой высоте. Водяные капельки слипаются, но ещё больше воды замерзает, превращаясь в небольшие градинки. А крупные капли и льдинки уже не могут удерживаться в воздухе поднимающимися от земли воздушными потоками — они становятся для этого слишком тяжёлыми. С этого момента в силу вступает гравитация Земли: под её действием капли и льдинки начинают падать вниз — так начинается дождь.
Обычно льдинки успевают растаять по пути к поверхности, поэтому чаще всего летом идет дождь. Но иногда складываются такие условия, при которых льдинки не успевают растаять — так выпадает град. А зимой вода уже в облаках замерзает и превращается в снежинки самых замысловатых форм — так выпадает снег.
Часто во время или после дождя на небе появляется радуга — она тоже образуется из-за воды! Пока идёт дождь и какое-то время после него в воздухе скапливаются и медленно снижаются мелкие капли — размером не больше 1 — 2 миллиметров. Солнечный свет рассеивается на этих каплях, образуя цветную дугу — радугу.
Вода в форме дождя или снега из облаков выпадает на поверхность земли. И здесь её путешествие может продолжаться многими путями.
Проводим опыт. В солнечный день радугу можно увидеть и без дождя. Возьми пульверизатор, встань спиной к солнцу и быстро распыляй воду на расстоянии вытянутой руки. Так ты прямо перед собой сможешь увидеть небольшую радугу.
Вода на земле…
Земная поверхность очень разнообразна, на ней есть равнины и горы разной высоты, где-то шумят леса, а где-то раскинулись пустыни и степи без единого деревца на многие километры вокруг. Повсюду мы встречаем ручьи, речушки и реки, озёра и даже крупные моря. Дождь и снег не выбирают, куда им выпасть, поэтому вода из облаков может оказаться где угодно.
Вот капли дождя начали капать на деревья и траву, они стекают вниз и впитываются почвой. Каков дальнейший путь этой воды? Какая-то часть влаги из почвы быстро впитывается растениями — корни трав, кустов и деревьев жадно впитывают воду, она двигается по стеблю, даёт растениям жизнь. Какая-то часть воды очень надолго задерживается внутри растения, заполняя его клетки. А какая-то часть испаряется листьями. Да-да, вода снова превращается в пар и отправляется в новое путешествие!
Ещё часть воды испаряется непосредственно с поверхности земли. Правда, над сушей испаряется примерно в 5 раз меньше воды, чем над океанами. Ведь в океанах вода превращается в пар не только под действием солнечного тепла, но и под воздействием ветра, который приводит к образованию волн, разбивает их на мелкие капли и ускоряет испарение.
Тебе приходилось видеть, как во время дождя образуются ручьи, которые в ливень могут даже затапливать целые улицы? В городах эти водные потоки поступают в ливневую канализацию, а через неё — в соседние озёра и реки. Много дождевой воды сразу оказывается в реках, отчего они могут даже выходить из своих берегов, вызывая затопления.
Некоторые реки впадают в озёра, которые не имеют стоков. Но такие озёра всё же не увеличиваются в размерах, ведь вода в них тоже испаряется и вновь отправляется в путешествие.
Но большинство рек ожидает совсем другая судьба: они под действием гравитации стекают по уклонам, всегда имеющимся на поверхности Земли, и сливаются друг с другом — так постепенно образуются всё более и более крупные реки. И, наконец, все крупные реки достигают побережий, и воды этих рек огромными потоками вливаются в океаны!
Поэтому вода, начав своё путешествие над поверхностью океана и пролившись дождями над сушей, через несколько дней или недель вновь оказывается в океане.
…и под землёй
Очень много влаги, выпавшей на землю дождём или снегом, впитывается почвой и проникает в более глубокие слои. Вода легко просачивается через плодородный слой почвы и песок, но её может задержать глина или каменистые горные породы. Так образуются водоносные слои грунта, причём воды в них может быть так много, что её хватает для сбора в колодцах и образования целых подземных рек.
Подземная вода тоже находится в безостановочном движении. Очень часто водонепроницаемые слои грунта имеют уклон, поэтому вода начинает как бы стекать по ним. И в какой-то момент вода достигает таких непроницаемых слоёв, где она начинает скапливаться — часто это происходит на глубине десятки и сотни метров, а иногда и до километра. И если к такому подземному озеру пробурить скважину, то вода из неё будет вытекать с большим напором, может даже в виде фонтана — так образуется артезианский колодец (или артезианская скважина). Вода в артезианских скважинах всегда очень чистая и холодная, этой воды может хватать для водоснабжения деревень и сёл, а иногда и небольших городов.
Нередко подземная вода находит выход на поверхность в виде родников или ключей — небольшой поток студёной воды бьёт из-под земли, давая начало ручью. Такие ручейки текут вниз по склонам, сливаются друг с другом и образуют реки. Малые речушки несут свои воды к большим рекам, а большие реки всегда впадают… снова в океаны!
Но подземная вода может попадать в океан и не только через родники: нередко она сразу проникает в небольшие или крупные реки или озёра, а затем уже известным тебе путём попадает в океан.
В некоторых местах подземная вода проникает очень глубоко. Сквозь рыхлую почву и камни она спускается всё ниже и ниже. А тебе должно быть известно, что с увеличением глубины растёт температура — примерно на 2,5 — 3 градуса каждые 100 метров. Обычно на глубине 1 километр температура достигает 30 — 40 градусов, но на Земле есть места, где уже на 3-километровой глубине температура достигает 100 градусов! Такие места расположены у вулканов и в зонах, где часто происходят землетрясения (зонах сейсмической активности).
В таких местах подземная вода испаряется и по порам и трещинам поднимается вверх, но в какой-то момент вновь охлаждается, конденсируется, превращаясь в воду, и опять стекает вниз. Так возникает своеобразный подземный круговорот воды. Но если вода под землёй закипает, то она под высоким давлением вырывается на поверхность в виде фонтана — так образуются гейзеры.
Но в конечном итоге вода, выпавшая дождями и снегами на поверхность земли, вновь оказывается там, где она родилась — в морях и океанах.
Проводим опыт. Песок хорошо фильтрует и очищает воду. Разрежь пластиковую бутылку на две половины — верхнюю и нижнюю. На горлышко бутылки натяни неплотную ткань или марлю, и вставь эту часть бутылки в нижнюю вверх ногами — как воронку. Насыпь в получившуюся воронку чистый песок слоем несколько сантиметров. Заранее подготовь немного грязной воды — раствори в ней комок почвы или краску. Теперь медленно наливай воду в воронку с песком — ты увидишь, как снизу вытекает прозрачная вода. Пить эту воду нельзя, так как небольшой слой песка очищает недостаточно хорошо!
Неподвижная вода
А что происходит, когда на дворе стоит зима? На морозе вода превращается в снег, который может тихо падать, покрывая дома, деревья, землю и даже тебя мягкими снежинками, а может и виться злой вьюгой, заставляя людей и животных прятаться по домам. Снег испаряется очень медленно, а еще он может долго лежать на земле почти в неизменном виде. Например, в наших условиях снег сохраняется почти полгода: выпадает осенью и медленно тает весной, снова превращаясь в воду. Весенние ручьи несут воду в соседние реки, которые, как ты уже знаешь, в конечном итоге впадают в океаны.
Но в горах или полярных районах — в Арктике и Антарктике — ситуация совсем другая. Выпадая в горах, снег откладывается в очень плотный и долговечный покров либо становится частью ледников. Ледник — это будто огромная ледовая река, которая лениво движется с горы вниз, постепенно разрушается, тает. В горах почти всегда холодно, поэтому вода остается закованной в снег очень надолго: иногда на 2 — 5 лет, а иногда на многие сотни лет!
Но снежные шапки гор и ледники рано или поздно тают — эта вода стекает вниз в виде бурных горных рек, часто такие реки совсем небольшие, но они дают начало крупным, полноводным равнинным рекам. В горах рождаются такие великие и знаменитые реки, как Нил, Инд и Ганг, Обь (она сливается из рек Бия и Катунь, берущих начало в горах Алтая), Амазонка, Кубань, Рейн, Янцзы и многие другие. А дальнейший путь рек тебе уже известен: все они впадают в океаны.
Вечная мерзлота в полярных регионах может существовать несколько тысяч лет. А ледяной покров Антарктиды в неизменном виде существует десятки тысяч лет! Да, весь этот лёд находится в постоянном движении, из-за перепадов температур он может подтаивать и вновь замерзать, часть воды с поверхности всегда испаряется даже в самые страшные морозы. Какая-то часть льда тает в самом низу, на подошве ледового покрова, из-за высокого давления и движения. Но основная масса льда остаётся почти неизменной, и поэтому учёные даже исследуют её, берут пробы, чтобы узнать, какими много тысяч лет назад были воздух и вода нашей планеты, и какие на ней обитали микроорганизмы.
Проводим опыт. Этот опыт нужно проводить зимой. Намочи и слегка выжми небольшую тряпочку, повесь её сушиться на улице, например — на балконе. Через один или два дня сними тряпочку — она будет казаться замёрзшей. Но вскоре она нагреется, и ты увидишь, что тряпочка совершенно сухая. Если хорошо намочить тряпочку, то она будет сохнуть несколько дней или даже больше недели.
Вода, закованная в камне
Ещё на Земле есть вода, почти не участвующая в круговороте, потому что она находится... в камне! Эта вода называется связанной, она входит в состав различных минералов и горных пород. Например, связанную воду содержит гипс, опал, минералы лимонит, вермикулит и многие другие.
В каких-то случаях связанная вода может легко испариться при нагревании или при другом воздействии. Но вода, которая находится в кристаллической решётке минералов, не может испариться или иным путём покинуть эту решетку. Такая вода остается внутри камней почти вечно — иногда по много миллионов лет!
Существует ещё очень много веществ, которые при высоком давлении и низких температурах могут присоединяться к молекулам воды — такие соединения называются гидратами. Способностью связываться с водой обладают некоторые газы, в том числе горючий газ метан. Большое количество гидратов метана содержится под поверхностью океанов. Их можно даже добывать и использовать по самому разному назначению.
Круг замкнулся
Как видишь, почти вся вода, испарившись с поверхности океана и проделав самые замысловатые путешествия, вновь попадает в океан. Этот путь может быть коротким, а может быть и длинным, занимать целые тысячелетия. В самих океанах вода тоже не остается неподвижной — она перемещается вместе с поверхностными и глубинными течениями, её используют обитатели воды, из-за температуры и гравитации она может опускаться ниже и подниматься выше.
Но больше всего «путешествует» вода, расположенная в поверхностном слое морей и океанов — она легко испаряется, превращается в облака и выпадает дождями. А вода, расположенная на дне океанов, может оставаться почти неподвижной на протяжении десятков, сотен и даже тысяч лет. Какая-то часть воды просачивается в грунт под океанами, но всё же основная масса «ждёт», когда какие-нибудь случайные процессы вынесут её на поверхность и отправят в бесконечное путешествие.
Вода питьевая и техническая
Так откуда же взялась вода, которая сейчас налита в стакане? Теперь ты можешь легко ответить: эта вода побывала в каждом уголке Земного шара, даже в пустыне, где, казалось бы, совсем нет воды. Проделав большое путешествие, вода оказалась в реке или водоносных слоях грунта, откуда она взята для подачи в водопровод твоего города, посёлка или села.
Но почти никакую воду нельзя сразу пить! Всякая вода содержит в себе различные загрязнения и микроорганизмы, которые могут быть опасными для здоровья. Поэтому прежде, чем попасть в водопровод, вода тщательно очищается. Это делается на специальных водоочистных сооружениях. И только после полной очистки и проверки вода подаётся в водопровод, по трубам движется к твоему дому, затем поднимается на нужный этаж, ты открываешь кран — и поток прозрачной, чистой и вкусной воды наполняет стакан.
Лишь в некоторых случаях воду можно пить без подготовки, например — из родников и артезианских скважин. Но даже и из родника воду лучше не пить без особой необходимости!
Не всегда воду подготавливают так тщательно, как для водопровода. Например, вода в радиаторах отопления у тебя дома называется технической — она очищена, но пить её всё же нельзя. Техническая вода используется и во многих других случаях, на заводах и в различной технике. Эта вода тоже совершает своеобразный круговорот, постоянно двигаясь в трубах по кругу и почти не контактируя с окружающей средой.
Вода и человек
Вода играет очень важную роль в жизни человека. Ведь вода — это основа жизни! Твоё тело на 65% состоит из воды, в теле рыб воды может быть до 80%, многие растения состоят из воды на 85%, а тело медузы почти полностью построено из воды — на 95%!
Но вода важна не только для жизни, но и для различной деятельности человека. Без воды невозможно представить сельское хозяйство, очень многие отрасли промышленности, технику, химию и другие науки. Можно даже сказать, что вся современная цивилизация возникла, когда человек решил обуздать водную стихию. Ведь все древнейшие цивилизации — египетская, месопотамская, китайская и индийская — начали свой путь, поставив целью хозяйственное использование воды крупных рек: Нила в Древнем Египте, Тигра и Евфрата в Месопотамии, Хуанхэ в Древнем Китае и Инда в Древней Индии. А сейчас на реках строятся гидроэлектростанции (ГЭС), вода служит переносчиком тепла в тепловых электростанциях (ТЭС) и даже в самых современных атомных электростанциях (АЭС). Без воды невозможно представить производство пищи, различных химических веществ, удобрений, бумаги и многого-многого другого.
Но, к сожалению, человек не только использует воду, но ещё и загрязняет её. Очень много рек, озёр и даже морей пострадало от действия человека, заметно загрязнение и земных океанов. Даже в дождевой воде, которая всегда считалась самой чистой, учёные находят частицы загрязнений. Проблему загрязнения воды человек осознал давно, поэтому предпринимаются усилия для того, чтобы снизить загрязнение или совсем устранить его. Давно запрещён слив заводских отходов в реки и другие водоёмы без полной очистки. Во многих странах созданы специальные службы, которые следят за чистотой рек и озёр. А многие люди участвуют в очистке загрязнённых водоёмов и спасении их обитателей. На этом пути сделано уже немало, поэтому можно не сомневаться, что в будущем в нашем мире вся вода будет чистой и безопасной.
И эта вода будет путешествовать по планете, совершая бесконечный круговорот, питая жизнь и помогая человеку развиваться.
