А.К.Ларионов Занимательная гидрогеология ©Издательство «Недра», 1979А ЧТО ВЫ ЗНАЕТЕ О ВОДЕ?Простая и странная, обыденная и загадочнаяСтруйка воды — такая привычная, такая повседневная, с ней никак не вяжутся определения «странная», «загадочная». Вода, которую мы каждый день пьем, в которой стираем, а дети пускают кораблики — что может быть более простым и ясным? Уже в школе мы узнаем: вода — это жидкость, образованная скоплением молекул, состоящих из двух атомов водорода и одного атома кислорода, короче «аш два о». Как будто бы все очень просто. Однако уже в прошлом веке начали обнаруживаться то одни, то другие факты, вызывающие удивление ученых. Это вещество, определяющее во многом жизнь на Земле, вело себя не так, как ведут соединения такого типа. Вода оказалась ларчиком, полным загадок. Так, А. Сент-Экзю-пери с присущей ему эмоциональностью воскликнул: «Вода, у тебя нет ни вкуса, ни запаха, тебя невозможно описать, тобой наслаждаются, не ведая, что ты такое!». Действительно, что ты такое, вода? Все вещества на Земле при охлаждении становятся плотней, а вода при охлаждении до 4 градусов по Цельсию ведет себя как все другие вещества, а затем, по мере падения температуры, плотность ее начинает уменьшаться.^ Рис. 1. Не правда ли странно меняется плотность воды при изменении температуры?а — изменение плотности воды; б — то же, других веществ В викторинах часто задают вопрос: почему лед плавает в воде? Все мы привыкли к тому, что твердое вещество тонет в своей жидкой фазе, как, например, металлы тонут в своих расплавах. Поэтому удивительно, что вода при охлаждении до температуры ниже 0° С, переходя в лед, уменьшает свою плотность, а ее объем увеличивается почти на 10% (рис. 1). Вот и причина, почему лед плавает в воде — он просто легче ее. Вода сжимается под давлением гораздо меньше, чем большинство других жидкостей. Ученые обнаружили, что при увеличении давления на 1 атм [В Международной системе единиц (СИ) 1 атм = 105 Па (паскалей)] при 0° С ее сжимаемость составляет ничтожную величину — 0,00005 доли начального объема. Вот почему только в придонных слоях океанических впадин на глубинах 7000 — 10000 м вода приобретает ощутимое уплотнение. А вот другое удивительное свойство: при нагревании воды до любой температуры нужно затратить гораздо больше тепла, чем это требуется для других веществ. Физики говорят, что она обладает самой высокой из всех известных твердых и жидких веществ «удельной теплоемкостью», то есть количеством тепла, необходимого для повышения температуры тела на 1° С. В связи с этой физической характеристикой нельзя не заметить, что и здесь вода имеет необычный нрав. Все вещества с ростом температуры увеличивают свою теплоемкость, а она вопреки всему в интервале от 0° до 35° С ее уменьшает.^ Рис. 2. Если растет давление, то увеличивается температура перехода в пар. Но после температуры 374,19С давление больше не влияет (в кружках давление в атмосферах)Возьмем, например, температуру кипения вещества, соответствующую переходу их из жидкости в газ. Здесь ученые обнаружили строгую закономерность, по которой точка такого перехода определяется химическим положением соединения. Соединения кислорода с водородом в связи с этим при всех условиях должны при 0° С быть газом, но это не так — вода при нормальных физических условиях переходит в газ (пар) только при 100° С. Вот еще одна интересная аномалия воды. На рис. 2 мы видим, что между давлением и температурой перехода веществ в пар существует достаточно четкая зависимость. Однако при температуре среды 374,15° С чистая вода, в отличие от других веществ, независимо от давления, всегда превращается в пар. Эту странную цифру назвали критической температурой чистой воды. Необычность воды наблюдается во всем. Если возьмем, например, две частицы, противоположно электрически заряженные, то в воздухе чаще всего они оказываются прочно соединенными друг с другом. Теперь давайте поместим их в воду. В большинстве случаев они мгновенно распадутся. Это объясняется тем, что в воде сила взаимодействия зарядов в 80 раз Меньше, чем в воздухе. Эта ее способность играет большую роль в развитии многих природных процессов. Но это не все. Далее следуют все новые и новые удивительные особенности воды. Так, обнаружилось, что мельчайшие водяные капельки замерзают не при 0° С, а при 35 — 40° С ниже нуля. Сейчас ученые объясняют многие особенности облаков содержанием при низкой температуре не кристалликов льда, а мельчайших капелек жидкой воды. Советский ученый Б. В. Дерягин обнаружил на поверхности кристаллов кварца совсем удивительную воду, которая начинает кипеть только при температуре 300° С и оказывается на 40% более плотной, чем природная. В 50-х годах нашего столетия в Нидерландах был получен патент на новый метод борьбы с накипью в паровых котлах. Думаю, что читатель, по-видимому, слышал об этом неприятном явлении в котлах. Во время кипения на их стенках толстым слоем накапливаются выпадающие из воды соли, при этом работа котла резко ухудшается. Приходится значительно увеличивать количество топлива для доведения воды до кипения. Почти двести лет шла борьба с накипью, но успехи были минимальные и вдруг появилось очень простое средство — воду, идущую в котел, стали пропускать между полюсами постоянного магнита. Произошло буквально чудо — накип- перестала образовываться. Так родилась новая разновидность — «магнитная вода» (рис. 3). ^ Рис. 3. Вода пропускается через систему постоянных магнитов Многие ученые и инженеры бросились изучать этот феномен. Обнаружилось много интересного: бетон, затворенный на ней, приобретает ббльшую прочность, изменяется способность растворов к кристаллизации. Укладываемые гидравлическим способом дамбы и плотины из пульпы (вода с песком), пропущенной через постоянное магнитное поле, оказываются прочнее, а время их укладки значительно сокращается. Эта новая разновидность воды находит все более широкое применение в строительстве, химическом, керамическом, горно-обогатительном и других производствах. Эксперименты, проведенные в Волжском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации, показали, что использование для полива магнитной воды повышает урожай. В настоящее время применение магнитных вод значительно расширилось. С их помощью улучшили качество синтетического каучука, повысили интенсивность очистки промышленных стоков и т. д. Установлено, что прохождение воды в сравнительно слабом магнитном поле, создаваемом постоянными магнитами, вызывает изменение многих ее свойств: плотности, электропроводности, способности к растворению солей, скорости оседания в ней твердых частиц и др. Поразительна «магнитная память» воды: новоприобретенные свойства сохраняются в течение суток. Справедливости ради отметим, что имеется целый ряд специалистов, скептически относящихся к магнитной воде. Но практика показала ее удивительные особенности и поставила магнитную воду в ряд эффективных средств для повышения производительности предприятий и улучшения качества выпускаемых ими товаров. Не менее удивительными свойствами обладает весенняя талая вода. Как показали Б. Родимов и И. Торопцев, этот вид воды благоприятно воздействует на живые организмы и растения. Опять загадка. Почему магнитная и талая вода обладают столь необычными свойствами? Природные воды также разнообразны. Они различны по своим особенностям, свойствам и составу. Природные воды содержат почти все элементы периодической системы Д. И. Менделеева. В число их входит золото. В тонне морской воды его содержание составляет 0,000004 г. Особый интерес у ученых вызывает тяжелая вода, в которой обыкновенный водород заменен его изотопом — дейтерием. Она встречается в виде небольшой примеси к природным водам. Так, в море на каждые 5600 м3 обычной воды приходится кубический метр ее тяжелой разновидности. Все свойства ее отличаются от обычной воды: она более плотная, обладает более высокой вязкостью, температура ее замерзания 3,8° С. Есть сведения о влиянии ее на здоровье людей. Значительно реже в природе встречается тритиевая вода, в которой водород замещен другим его изотопом — тритием. Довольно распространена сверхтяжелая вода, в которой обыкновенный кислород замещен его изотопами. Эта разновидность отличается более высокой плотностью (выше на 11,3%). а в остальном она похожа на обычную воду. Интересно, что чистая вода в спокойном состоянии легко переохлаждается, оставаясь жидкой до минус 33° С или может быть перегрета до 200° С. Это ее свойство широко используют в промышленности. Можно и далее продолжить перечисление особых свойств и необычного поведения этой удивительной жидкости, сделавшей возможной жизнь на Земле. С одной стороны, вода — наиболее изученное вещество, а с другой... Предоставим слово крупному ученому — знатоку воды — академику Б. А. Дерягину. В одной из своих работ он отмечает: «Чистая прозрачная вода родников и водоемов при всей своей распространенности остается все еще загадкой для химиков». Вода постепенно раскрывает свои тайны Странности воды обращали на себя внимание давно. Десятки ученых в разных странах ломали головы над загадками ее поведения, и их труды не пропали даром. Теперь можно сказать, что мы знаем о воде достаточно много, хотя далеко не все. Оказалось, что в основе всех ее неожиданных свойств лежит особое строение молекулы. На первый взгляд, она элементарно проста: один атом кислорода и соединенные с ним два атома водорода. Однако молекула воды имеет единственную строгую конструкцию. С обеих сторон атом кислорода соединен атомными связями с двумя атомами водорода, образующими между собой угол 105°. Схема молекулы воды показана на рис. 4. Получается, что молекула имеет одну сторону кислородную, а другую — водородную. В результате на кислородном конце вследствие неполного уравновешивания электронов всегда возникает отрицательный заряд, а на водородном — положительный. Таким образом, молекула воды имеет два полюса, заряженных противоположно. Ученые назвали ее активным диполем («ди» — два). Этот особый активный диполь ведет к образованию прочных связей между молекулами, где плюсовая (положительная) сторона соединяется с минусовой (отрицательной). Для разрыва этой связи требуется весьма значительная энергия. Вот почему вода при обычных условиях жидкость, а для ее испарения необходима затрата огромной энергии. Вскоре было открыто, что молекулы воды соединяются еще дополнительными связями, получившими название водородных. Они появляются потому, что электроны, входящие в состав атома водорода, не удовлетворяются только взаимодействием со своим атомом кислорода, а стремятся воздействовать на соседние кислородные атомы. Водородные связи — это, иными словами, экспансия электронов водородных атомов. В результате молекулы воды оказываются прочно связанными друг с другом. Внутри водной массы возникает давление, достигающее 15 — 20 тыс. атм. Вот и объяснение, почему вода практически несжимаема. ^ Рис. 4. Так устроена молекула воды (О — атом кислорода, Н — атом водорода) Но это еще не все. Молекулы воды стремятся расположиться в определенном порядке или, по-иному, — образовать структуры. Правда, тепловые движения стараются противодействовать этому. Они заставляют молекулы непрерывно двигаться, нарушают порядок их размещения. Работами многих исследователей установлено одно удивительное обстоятельство — внутренняя структура воды оказывается очень близкой структуре льда. Здесь каждая молекула воды окружена четырьмя другими молекулами воды. Между ними имеются пустоты. Чем их больше, тем меньше плотность льда и воды. При расплавлении льда эта структура начинает изменяться, количество пустот уменьшается, и плотность воды возрастает. Вот и объяснение, почему уменьшается плотность воды при охлаждении. Было выяснено, что на структуру воды влияет многое: содержание растворенных- веществ, наличие нерастворимых соединений, формы занимаемого водой объема и другие факторы. Все эти особенности порождают разнообразие структуры воды. Ученые объясняют многие странности воды ее структурными особенностями. Работами Б. А. Дерягина и других исследователей обнаружено существование очень странной аномалии воды в тонких капиллярах диаметром менее 0,001 мм. У нее во всем интервале температур коэффициент трения остается постоянным, что не присуще обычной воде. Да и плотность ее на 40% выше, чем у обычной воды. Б. А. Дерягин назвал эту сверхплотную воду водой II. Ученые спорят о причинах появления подобной воды. Природа ее остается пока неясной. Можно ожидать, что в земной коре, в глинистых породах с тончайшими порами, эта вода II имеет широкое распространение. А как решается загадка «магнитной» воды, о которой мы рассказывали в предыдущем разделе? И здесь идут поиски. Предпринимаются попытки объяснения этого феномена с позиций особой структуры воды. Ученые Казанского университета считают, что в магнитном поле изменяется ориентация ядерных спинов (вращения) водорода в молекуле воды, т. е. причина здесь кроется в тонких изменениях в молекуле воды, происходящих на атомном уровне. О. И. Мартынова, Б. Т. Чугаева и Е. А. Леонтьева объясняют особенности «магнитной» воды присутствием в природных растворах окислов железа и их гидратов. Намагничивание последних и обусловливает ее особые свойства. Идет научный спор, который должен привести к решению этой задачи. Ученые ищут и находят. Постоянно расшифровываются одна за другой загадки воды. И недалеко то время, когда все ее тайны будут раскрыты.^ Тайна рождения воды Уже в глубокой древности люди отводили воде одно из главных мест. В древнеегипетских папирусах прохладная вода рассматривается как первооснова всего на Земле. Индийские мудрецы Джабали, Бхагури, Пурандра 5000 лет назад считали, что все в мире состоит из четырех элементов: воды, огня, воздуха и земли. Прошли тысячелетия, и один из крупнейших древнегреческих философов Фалес (624 — 547 годы н. э.) развил дальше учение египтян о воде. Он провозгласил: «Все возникает из воды и все в нее превращается». Древние народы были уверены, что мир, в котором они живут, вечен и дан им богами. Греческие философы школы Фа-леса пришли к выводу, что «в беспредельном заключается всяческая причина всеобщего возникновения и уничтожения». В этих процессах возникновения миров они главную роль отводили воде. Более сложной была система древнегреческого философа Гераклита, который считал, что «вода живет воздуха смертью, а земля смертью воды». Эти ростки материалистических представлений в средние века были подавлены церковниками, которые проповедовали, что Земля, свет, вода, суша и все живое — творение бога. Откуда же появилась на Земле вода? Где источник колоссальных количеств ее, покрывших 2/3 поверхности планеты? Человек уже в глубокой древности задавал себе эти вопросы. Ясно одно, что вода появилась на Земле давно, значительно раньше возникновения первой жизни. Ее рождение связано с ранним детством планеты. Поэтому трудно отделить поставленные вопросы от главной фундаментальной проблемы: как образовались Солнечная система и Земля? Можно предполагать, что первые шаги нашей планеты, затерянной в бесконечном космическом пространстве, сопровождались появлением каких-то форм воды. Однако свидетелей нет, и на нашу долю остаются лишь предположения (гипотезы). Быстрое развитие науки отбросило церковные догмы и фантастические представления. Первая научная гипотеза о происхождении Земли появилась в XVIII веке. Ученые Кант и Лаплас на основе накопившихся к тому времени фактов создали стройную систему взглядов, по которой наша планета, Солнце и вообще вся Солнечная система образовались в результате сгущения первичной раскаленной туманности. Формирование планет произошло в результате охлаждения и процессов взаимопритяжения и сгущения вещества в туманности. Церковь обрушилась на эту гипотезу и ее авторов. Все же наука победила, и гипотеза Канта и Лапласа более 100 лет безраздельно пользовалась признанием ученых. Время шло, появлялись все новые и новые факты, противоречащие взглядам Канта и Лапласа. Возникли новые гипотезы. Среди них особое место заняли представления академика О. Ю. Шмидта. Он полагал, что на пути Солнца встретилось холодное облако пыли и газов. При выходе из этого облака Солнце захватило большую массу пылевого материала. В результате гравитационных процессов и движения вокруг Солнца в ней постепенно сформировались планеты нашей системы. Однако и эта гипотеза многого не объясняет. Вернемся к происхождению воды. Сейчас стало известно, что вода пользуется широким распространением в космосе. В галактике, в состав которой входит Солнечная система, обнаружены грандиозные скопления воды — обширные водяные облака. Поперечник подобных образований достигает многих сотен миллионов километров. Все чаще обнаруживается присутствие воды в составе планет, звезд и комет. Она оставила глубокие следы на поверхности Марса (рис. 5). Наконец, вода входит в состав многих пород, распространенных в космосе, и, в частности, обнаруженных на Луне. В настоящее время наибольшим распространением пользуются следующие схемы возникновения на Земле современного водного покрова. Если принять за основу гипотезу Канта и Лапласа, то в самом начале Земля состояла из раскаленного вещества. На каком-то этапе ее охлаждения из водорода и кислорода начали образовываться молекулы воды. Выпадающие из расплавленной массы минералы частично включали ее в свой состав. Частично молекулы воды задерживались в конце кристаллизации под давлением в виде растворов.^ Рис. 5. Разве это не следы реки на Марсе? (Фото космической станции «Маринер») Возьмем кусок гранита и попробуем нагреть его до температуры 1050° С. Сразу обнаружится, что при этом выделятся газы, объем которых во много раз превосходит объем взятого камня. Большая часть выделившихся газов будет представлять собой водяные пары. Это наглядно подтверждает сказанное. Но пойдем далее. Одновременно с этими процессами над твердой оболочкой начала формироваться атмосфера. Над поверхностью носились багряные тучи, содержащие массу паров воды. По мере охлаждения наступило перенасыщение ими атмосферы, и образовавшаяся из них вода устремилась бесконечными потоками вниз. Сначала падающие на земную поверхность воды моментально испарялись, а затем постепенно стали накапливаться, образуя поверхностный океан. Вода была горячей и местами даже вскипала. Этот «всемирный потоп» длился долго — миллионы лет. Несколько другая картина представляется, если взять за основу гипотезу О. Ю. Шмидта, считавшего, что Земля — результат сгущения холодного газово-пылевого облака. Установлено, что падающие на Землю каменные метеориты содержат до 1% воды. Вначале Земля не имела никакой атмосферы. Последняя появилась путем выделения газов из недр уплотняющего пылево-газового сгустка. Постоянный подогрев его, вызванный уплотнением и выделением тепла при распаде радиоактивных элементов, привел около 5 млрд. лет назад к расплавлению твердых частиц. При этом стало выделяться много газов и паров воды. Они поднимались вверх, образуя атмосферу и первозданный океан. Последний образовал почти сплошное водное покрытие Земли. Под действием глубинного тепла он испарялся, и появились густые облака, похожие на облачный покров современной Венеры. Если первая «глубинная вода», выделявшаяся из пород, была соленая, то выпадавшие дожди дали начало пресной воде. Вначале воды было значительно меньше, не более 10 — 15% современного количества, но впоследствии оно непрерывно росло. Какая же схема образования воды верна? Пока трудно сказать. Интересную работу выполнил В. И. Феронский, исследовавший содержание изотопа кислорода 18О в океанских водах и в древнейших породах Земли: гранитах и базальтах. Можно полагать, если вода образовалась, по гипотезе О. Ю. Шмидта, из холодного пылевого облака, то содержания этого изотопа в океанских водах и гранитах должны быть близкими. Проведенные эксперименты, однако, показали, что породы содержат значительно большие количества18O. Это позволило В. И. Фе-ронскому сделать вывод, что «вода не могла образоваться за счет выхода ее из глубоких недр Земли». Спор продолжается. Будем надеяться, что наука разрешит эту вековечную загадку рождения Земли и воды.^ Вода и жизнь ...По раскаленному песку еле движется человек. Он часто останавливается, пытаясь проглотить слюну. Но рот сухой, губы потрескались, горло схватывают спазмы. Человек опять пытается идти, но ноги его не держат. Тогда, упав, он все же пытается подняться и хотя бы на четвереньках, но движется вперед — туда, где в дымке видно озеро, плещется вода — мираж пустыни. Наконец, хрипло вскрикнув, падает и лежит недвижимый. Три дня человек не пил воды. В его умирающем мозгу проносятся галлюцинации. Вот брызжет фонтан, плещутся воды реки. Но кругом песок, песок и жестокое палящее солнце, человек погибает. Никто еще не смог прожить без воды в пустыне более трех дней... Люди могут голодать неделями, но без воды они не проживут двух-трех дней... Животные и растения в значительной мере состоят из воды. Она является важнейшей составной частью живой клетки. Содержание воды в растениях и животных колеблется от 50 до 99% (рис. 6). Блестящим примером роли воды в организме может служить сам человек. В младенческом возрасте ее количество в нашем теле достигает 86%. По мере роста организма содержание воды все более уменьшается. У взрослого оно не превосходит 60%. Как видно, одним из элементов старения человека является обезвоживание его тканей. Особенно много воды в крови — 90%, а стекловидное тело глаза содержит ее даже 96 — 99%.^ Рис. 6. Слон, медведь, тигр и другие млекопитающие содержат около 60% воды При водном голодании вначале возникает чувство сильной жажды, а затем люди впадают в полуобморочное состояние. Дальнейшее уменьшение содержания воды на 11 — 12% от массы тела (потеря примерно 6 — 8 л) ведет к катастрофической гибели клеток, нарушению обмена веществ, замедлению окислительных процессов и неминуемой смерти. Несколько меньше воды в растениях. В семенах ее не более 10 — 15%, а в лиственных деревьях — клене, березе, тополе — от 40 до 75%- В водорослях содержание воды достигает 99%. «Вода — это жизнь». Это изречение можно услышать и в Средней Азии, и у народов Аравии, Северной Африки. Действительно, пустыня безжизненна, но достаточно появиться воде, как жизнь расцветает во всем своем великолепии, и вот вместо пустыни — зеленый оазис. Многие века в пустыне идет борьба за воду. Иногда она становится кровавой и жестокой. Сейчас пустыни наступают, территории, занятые ими, растут с каждым годом. В Советском Союзе после победы Октябрьской революции началась планомерная борьба с пустынями. Исчезла с лица земли Голодная степь, превратившаяся в цветущий оазис, построен Каракумский канал, давший жизнь десяткам новых оазисов. Ученые уже давно пришли к выводу, что все многообразие жизни на Земле стало возможным только благодаря появлению чудесного дара природы — воды. Палеонтология — наука об истории развития живого и растительного мира — сумела установить, что первые живые существа на нашей планете зародились и развились в морях и океанах. К. Э. Циолковский высказал мнение, что вода способствовала развитию и сохранению от повреждения первых организмов. Прошли многие сотни миллионов лет до того момента, когда первые обитатели моря, пугливо озираясь, выбрались на сушу. Много, очень много времени потребовалось, чтобы они смогли приспособиться к жизни на материках. Это было связано с тем, что благоприятные условия для живых организмов на континентах возникли на миллиард лет позже, чем в океанах и морях. До сих пор население суши носит следы связи его с морскими просторами. Венец создания природы — человек — имеет в организме ряд черт, присущих морским животным. В первые месяцы внутриутробного развития у него даже появляются жабры. Таким образом, жизнь и вода теснейшим образом связаны друг с другом. Жизнь на Земле стала возможной только потому, что на нашей планете появилось изумительное неповторимое вещество — вода во всем ее многообразии форм и видов.^ Вода и цивилизация Блестящий город Фивы, грандиозные пирамиды, высокая культура — это могучее древнеегипетское государство. Его отделяет от нашего времени 3 — 5 тысячелетий. Почему именно здесь возникла невиданная по тем временам цивилизация? Главной причиной является могучий Нил и образованная им плодородная долина. Жаркий климат, соединенный с водой, сделал чудеса. Изумительные города с удивительными дворцами, храмами, дорогами, с неповторимой библиотекой Ашурбанинала — все это зародилось 3000 — 5000 лет назад в другой колыбели цивилизации — в междуречье Тигра и Ефрата. Многие ученые считают, что шумеры, а затем ассирийцы и вавилоняне создали древнейшие цивилизации на нашей планете. Здесь снова многоводные реки и созданные ими плодородные долины. Древнейшая индийская цивилизация — Мохенжо-Даро — возникла 5000 лет назад в долире р. Инд. А когда река изменила русло и воцарилась пустыня, эта цивилизация погибла. Теперь давайте посмотрим на карту мира. Практически все столицы -государств и крупные города расположены либо на берегу моря или океана, либо у реки или озера. Действительно: Москва стоит на реке Москве, Париж на реке Сене, Лондон — на реке Темзе и т. д.^ Рис. 7. Количество воды, приходящееся в городах на одного жителя в год (в литрах)Конечно, это не случайно. Люди стремились селиться там, где прежде всего была вода. Она им необходима не только для бытовых нужд, но и как защита от нападения неприятеля (даже крепости окружались рвами, заполненными водой) и, наконец, как удобный путь для сообщения и торговли с соседями. Однако, если повнимательнее вглядеться в карту, то обнаружатся тысячи средних и малых населенных пунктов и даже крупных городов (например, Ашхабад), около которых нет ни озер, ни рек, ни морей. Правда, к Ашхабаду за последнее время подвели Каракумский канал. Все эти города и селения получают необходимую им воду из подземных источников. Более того, многие города, стоящие на берегу рек (например, Москва, Харьков и др.) также частично берут питьевую воду из-под земли. Вряд ли развилась бы современная цивилизация без воды. Действительно, возросло потребление (особенно в городах) воды для бытовых и производственных нужд. В настоящее время суточный расход на душу населения в крупных центрах приближается к 500 л. Городу с населением в 1 млн. человек требуется до 0,5 млрд. литров в день пресной воды (рис. 7). Создание крупных производств стало возможным только за счет использования больших количеств воды. Так, для получения одной тонны стали требуется 30 т воды, для выработки одной тонны синтетического волокна необходимо затратить 5000 т воды. Еще больше ее требуется для выделки тонны хлопка (8000 т).^ Рис. 8. Потребность в воде на Украине в 1980 году (в км3)Города и села стали крупными потребителями электроэнергии. Значительную часть ее получают путем использования водных потоков. Крупнейшая в мире Красноярская гидроэлектростанция дает б млн. кВт, а скоро войдет в строй еще более мощная Саяно-Шушенская ГЭС. Почти четверть всей электроэнергии в нашей стране дает вода. Много воды требует сельское хозяйство. Без достаточного полива огородных и садовых культур, плоды которых состоят на 80 — 95% из воды, нельзя вырастить хорошего урожая. Это особенно хорошо знают любители садово-огородных участков. Много воды потребляют лиственные растения: береза, клен, ива и др. Толщина слоя воды, необходимой для их произрастания в течение года, достигает 1,5 — 1,6 м. Многие едят хлеб, не подозревая, что выращивание одного килограмма пшеничного зерна требует 800 кг воды. Немало воды потребляется в животноводстве. Например, для одной коровы в сутки требуется 10 — 12 ведер воды. Вода необходима для сотен других нужд: наполнения гребных каналов, спортивных бассейнов, охлаждения механизмов, заливки в радиаторы автомашин, стирки белья, мойки улиц и многих других целей. На рис. 8 показано, сколько воды потребуется для одной только УССР в 1980 году. Можно утверждать, что современная цивилизация не может существовать без достаточных количеств воды.^ ВОДЫ ТАК МНОГО И ТАК МАЛО Видимая и невидимаяПо преданию, в далекие времена Харуна ар-Рашида, могущественного халифа Багдада, выпал страшный год, когда на землю не упала ни одна капля воды. Все задыхались от жары. Животные и люди падали на улицах от жажды. Могучая река Тигр превратилась в зловонный ручеек, несущий людям болезни. Тогда Харун ар-Рашид призвал своего верного везиря Мас-рура и приказал ему: «Найди мудреца, который даст совет, как спасти Багдад». «Слушаю и повинуюсь, о, повелитель правоверных!» — ответил Масрур. Прошел день, другой, и Масрур вступил в покои халифа вместе с человеком с длинной белой бородой. Человек пал на колени перед великим халифом и сказал: «О, повелитель правоверных, прикажи вырыть глубокую яму на том месте, где ты стоишь, и Багдад будет спасен». Рыли день, рыли два, три, на четвертый из ямы ударил мощный фонтан кристально чистой холодной воды. Эта легенда рассказывает о нахождении источника подземной воды, невидимого для нас, но крайне важного для человечества. Вода окружает человека, сопровождает его всю жизнь. Она падает каплями из проносящейся грозовой тучи, журчит в ручейках, низвергается потоками в водопадах, сплошной массой движется в реках, радует наш глаз в озерах, морях и океанах, сползает ледниками с гор. Это все вода видимая. Однако часть ее недоступна глазу. Разве можем мы увидеть воду в камне или водяные пары в теплый летний день? Особое место занимает не видимая нами вода в толще Земли, о которой уже говорилось в восточной легенде. Ее мы видим только в колодце или ключе, выбивающемся из берегового откоса. В одной сказке легендарный король, собираясь отдать руку своей дочери, объявляет конкурс, в котором задается ряд хитроумных вопросов, в том числе такой: «Что везде?». Среди всех претендентов находится лишь один, ответивший: — «Вода. Так как она в воздухе, на земле и внутри ее». Современная наука подтвердила эту народную мудрость. Академик В. И. Вернадский говорил, что вода вездесущая, так как не только образует поверхностные скопления, но и входит в состав всех минералов и горных пород. Мы хорошо знаем, что вода многолика: она и пар, и снег, и жидкость, и лед. Больше всего жидкой воды, конечно, в океанах и морях. Здесь ее количество достигает 1370 млн. км3. Чтобы представить эту громадную массу воды, допустим, что мы сделали из этой воды столб, в котором площадь основания будет равна 1 км2. Высота такого столба составит более чем девятикратное расстояние от Земли до Солнца. Второе место занимает масса невидимой воды в земной коре и частично в мантии. Здесь ее содержится около 1300 млн. км3. Это всего на 70 млн. км3 меньше, чем в океанах. Следует заметить, что количество подземной воды пока точно не известно, поэтому приведенная цифра может оказаться заниженной. Если из этого количества воды сделать столб, аналогичный океанскому, то его высота также составит приличную величину — 8,6 расстояния от Земли до Солнца. В твердом виде вода образует ледники. Основная масса их сосредоточена в Арктике и Антарктике. Общее количество льда на Земле колеблется от 25 до 27 млн. км3. Именно в них и содержатся основные количества пресной воды. Здесь сосредоточено 84% ее. Это делает айсберги ценнейшими источниками питьевой воды. Появились даже предложения о транспортировке их по океанам в засушливые районы. Нашлись предприимчивые, но недостаточно честные люди и разработали практический проект переброски крупного айсберга из Антарктиды в Персидский залив. Однако это оказалось жульнической операцией. Но неудача этого мероприятия не уничтожает самой идеи использования айсбергов как источников питьевой воды.^ Рис. 9. Где и сколько воды на ЗемлеВ воздушной оболочке Земли вода больше всего распространена в виде пара. Но много ее и в жидком, и в твердом состояниях. Однако общее количество воды в атмосфере невелико и не превосходит 15 тыс. км3. Еще один источник воды — озера. В СССР их более 300 000. Среди них крупнейшее озеро мира Каспий, самое глубокое Байкал и такие, как Балхаш, Ладожское, Онежское и др. В США среди крупных озера Верхнее, Мичиган, Гурон, Эри; в Перу — Титикака, в Кении — Виктория. Озера занимают на земле площадь 2,7 млн. км2. Но общее количество воды в них не превышает 230 тыс. км3. А ведь ещё есть вода в живых организмах, растениях и горных породах. Оценить это количество оказывается довольно сложно, да и необходимости в таком подсчете пока нет (рис. 9). В настоящей книге мы попытаемся познакомить широкий круг читателей с водами, сосредоточенными в земной коре. Их преимущества для человечества очевидны, прежде всего, в них содержится более 15% запасов всех пресных вод, и они у нас буквально под ногами. Подземные воды изучаются особой наукой — гидрогеологией (наука о водах под землей), являющейся молодым разделом геологического цикла знаний.«Вечное» движениеПоразительна способность воды постоянно стремиться к движению. Она движется в стакане, в реке, в море, под землей, в атмосфере. Причин такой подвижности очень много: здесь и разность температур, и воздействие тяжести, и механическое (негравитационное), и ветровое, и физико-химическое (влияние разности содержания солей, ионного состава) воздействие и т. д. Если вода находит малейшее отверстие в сосуде, она немедленно устремляется просочиться через него. Способы передвижения воды также разнообразны. Она может двигаться крупными потоками, мельчайшими каплями и айсбергами, по капиллярам и в виде микроскопических пленок. Все пути и способы хороши для воды, ей лишь бы только двигаться. Она плавно скользит в речном потоке, бурно низвергается водопадом с горной кручи, бьет волной о берег, стремительно несется в облаках, образует потоки ливня, рвется из котла в виде пара или тонкой струйкой выходит из кипящего чайника. Вода — непоседа, она все время стремится менять свое положение. Можно говорить о великом круговороте ее в природе. Бесконечны пространства морей и океанов. С их поверхности происходит непрерывное испарение воды и образование пара. Ученые подсчитали, что над океанами образуется 86% водяного пара, находящегося в атмосфере. Гораздо меньше поступает его с континентов — около 14%. Пар собирается в воздухе, образуя облака, из которых время от времени вода выпадает дождем или снегом обратно на поверхность материков и океанов. На суше дождевые воды образуют струйки, ручейки, реки, а в горах ледники. В конечном счете часть воды снова возвращается в моря и океаны. Другая часть дождевой воды просачивается в породы, слагающие поверхность земной коры, и уже далее движется в ее недрах. На рис. 10 показаны главные пути круговорота воды в природе. Это, конечно, только схема. Она не может показать того, в действительности, сложного пути, который проходит вода в своем стремлении к вечному круговороту. К примеру, немалая роль принадлежит растениям, животному миру и в особенности человеку. Они захватывают и консервируют определенную часть воды, выводя ее временно из круговорота. Для человечества очень важно знать, сколько воды перемещается в течение года разными путями. Сколько воды используется, выпадает осадками, перемещается реками, просачивается в землю? Все это стремятся установить ученые. Они, как бухгалтеры, скрупулезно подсчитывают приход и расход воды для выяснения общего баланса водных масс.