А) Капиллярность

Поверхность спокойной воды исключительно гладкая, блестящая. Она выровнена на молекулярном уровне. Только ветер может нарушить ее, да ещё турбулентное течение. На поверхности воды действует поверхностное натяжение. По всей поверхности натянута сеть молекул Н₂О, связанных между собой водородными связями. Эта сеть, как плёнка способствует сохранению воды в водоёме, сдерживает испарение. Только некоторые молекулы в броуновском движении имеют скорость достаточную для прорыва сквозь сеть поверхностного натяжения. Жук-водомер перемещается по этой сети. Лапки его не смачиваются водой. Вода способна смачивать большинство тел. Молекулы воды притягиваются к стеклу, к органическим тканям. Сеть поверхностного натяжения в сосуде с водой прогибается, удерживая висящие на ней молекулы воды в подобие того, как сеть гамака прогибается от собственного веса. Такая прогнутая (или выпуклая в не смачиваемом водой материале) поверхность воды называется мениском. Мениск удерживается притяжением крайних молекул воды к стенке сосуда. Сила притяжения зависит только от качества материала. Чем меньше расстояние между стенками сосуда, его диаметр, тем меньше масса воды, висящей на мениске на единицу его высоты. Потому в тонких капиллярах вода может подниматься выше, чем в более широких. Она поднимается на высоту до нескольких метров, теоретически до 10 м.

В стеблях и листьях растений имеются капилляры, по которым растворы от корня поднимаются до вершины растения; капилляр обеспечивает питание растения и его устойчивость (упругость). При недостатке воды растение становится мягким, увядает, при подаче воды может распрямиться снова. В древесных стволах также действуют капиллярные силы. Капиллярные сосуды имеются у человека и животных. Таким образом, через капиллярные свойства вода еще одним способом поддерживает жизнь растений и животных.

Капиллярная вода удерживается в глинистой и чернозёмной плодородной почве. В песчаной почве она удерживается в минимальном количестве. Капиллярная вода почвы является первоочередным питанием для корней растений. После исчерпания запаса капиллярной воды, растение начинает отбирать связанную воду от глинистых частиц. По капиллярам вода высоко поднимается к поверхности земли над уровнем грунтовых вод. В суглинистых грунтах этот подъём достигает 3-4 м. Это обеспечивает необходимую влажность в корнеобитаемом слое, но не даёт заболачивания. Болото возникает там, где уровень грунтовых вод выходит на поверхность. Там и крупные поры заполнены водой. Капиллярная же влага сочетается в почве с воздухом и не может выступать над поверхностью земли, а только увлажняет её.

Б) Теплофизические свойства воды и их экологическое значение.

Вещество H₂O (лед - вода - пар) обладает высокой удельной теплотой плавления и очень высокой удельной теплотой испарения. Чтобы получить из льда 1 г воды, требуется 80 калорий или 334 Джоуля тепловой энергии (рис. 3-4). Для последующего нагревания её на 1^о C требуется одна калория или 4,2 Дж/г. Для нагревания той же талой воды от 0 до 100^о C требуется 100 калорий. Последующее испарение 1 г воды требует 543 калории.

Рис. 3-4. График изменения температуры воды при нагревании с постоянной подачей теплоты.

В точке таяния 1 грамм воды поглощает без повышения температуры 332 Дж., а в точке испарения 1 грамм воды поглощает 2258 Дж., также без повышения температуры.

Таким образом, на границах фазовых переходов вода отбирает из окружающего пространства много теплоты при повышении температуры. При понижении температуры происходит обратное: конденсация водяного пара в капельки жидкости сопровождается выделением тепла 543 калорий на 1 г воды. Охлаждение воды сопровождается отдачей тепла из воды в количестве около 1 кал. на 1 г. и 1^о, а замерзание сопровождается выделением около 80 кал. на 1 г.

Это свойство воды позволяет ей регулировать климат и микроклимат на поверхности Земли. Во влажных районах климат мягче, без резких переходов между днем и ночью, между зимой и летом. В сухих и потому пустынных районах этот переход значительно резче. Говорят о морском и континентальном типах климата. Мягкий климат удобен не только людям и животным. Он необходим растениям, которые, будучи прикрепленными, не могут укрыться ни от холода, ни от зноя в отличие от животных и человека.

Интересно рассмотреть, как вода защищает растение в период весенних заморозков, когда температура воздуха в предутренние часы опускается до нуля и даже ниже. В сухом воздухе температура резко опускается, может перейти ноль и также опускаться в отрицательной области.

Во влажном воздухе на некотором уровне температуры, называемым в физике “точкой росы,” начинается конденсация водяного пара с выделением 543 калорий с грамма росы. Воздух при этом обогревается, падение температуры его замедляется (рис. 3-5).

Рис. 3-5. Ход температуры над почвой при заморозке в сухом (1) и влажном (2) воздухе в ночные и утренние часы.

Если она все-таки достигнет 0^ОC, то происходит образование инея, когда конденсируемые молекулы воды сразу образуют кристаллы льда. При этом выделяется еще 80 калорий на 1 г. воды. Охлаждение опять замедляется. Иней садится на растения, как и роса, и обогревает непосредственно листья и стебли. Но вот взошло Солнце. Лучи его не только освещают, но и несут тепловую энергию. Кожа наша хорошо ощущает теплоту апрельских и майских солнечных лучей восходящего солнца. Для переохлажденных растений при отрицательных температурах воздуха обогрев первыми солнечными лучами опасен, т.к. резкое расширение тканей на поверхности листа может привести к разрыву тканей, разрыву капилляров и последующему увяданию. Растения в этот момент получают солнечные ожоги.

От ожогов растения защищает вода. Иней на листе начинает таять, забирая тепло. Он превращается в росу, которая, испаряясь, отбирает еще более тепла. Кто ходил босиком по росе, тот знает, какая она холодная. Это для того, чтобы тонкие ткани травянистых растений и цветов не прогрелись при восходе солнца. Таким образом, сверкающая на траве роса не только украшает растения, но она и обогревает их, как это ни странно человеку, ощущающему холод росы. Но голая почва еще холодней.

Другой экологический аспект высокой удельной теплоты замерзания и испарения воды видим в климатической аномалии хода среднесуточных температур в течение года, что особенно существенно весной. Например, для Москвы ход среднесуточных температур не совпадает с ходом интенсивности солнечной инсоляции. Как видно из приведенных ниже значений температур, при средней инсоляции в марте средняя суточная температура воздуха -4,7градусов. При такой же инсоляции в сентябре средняя суточная температура воздуха +10,6 градусов. Минимум температур смещен на январь, хотя минимум освещенности падает на 22 декабря.

Таблица 3-1

Средние месячные климатические характеристики для Москвы.

Месяцы 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Средне-

суточные -10,2 -9,6 -4,7 +4,0 11,6 15,8 18,1 16,2 10,6 4,2 -2,2 -7,6

температуры,

t C

Инсоляция ср. max ср. min

22.03 22.06 22.09 22.12

Самое холодное время зимы, Крещенские морозы почти на месяц позже, самого тёмного дня. В целом наиболее морозный период продолжается от Никольских (19 декабря) до Афанасьевских (10 февраля) и Сретенских (15 февраля) морозов. В связи с этим есть пословица: «Спиридон – Солнцеворот: солнце на лето, зима на мороз».

Минимум инсоляции близок к празднику святителя Спиридония Тримифунтского (25 декабря по гражданскому григорианскому календарю). По пословице: “ Спиридон – Солнцеворот: солнце на лето, зима на мороз” в это время начинаются сильные морозы. Январское и февральское солнце уже теплее ноябрьского и декабрьского. Смещение хода температур относительно хода инсоляции вызвано отдачей в атмосферу тепла водой рек и водоемов, охлаждаемой и замораживаемой при ноябрьском и декабрьском снижении температур воздуха. К середине декабря в России устанавливались ледовые дороги. По пословице: ”Савва мосты мостит (16 декабря), Никола гвоздем гвоздит(19 декабря)”. Последнее, я думаю, имеются в виду громкие разрывы льда при сильных Никольских морозах. Эти разрывы вызваны увеличением плотности льда при охлаждении и сокращением длины ледяного покрова.

Весеннее равноденствие – 22 марта могло бы быть концом холодного периода. Но холода у нас затягиваются на апрель, поскольку поток солнечного весеннего тепла отбирается на снеготаяние и прямое испарение снега (сублимация). В бесснежных пустынных районах Центральной Азии от Монголии до Каспия и от Арала до Персидского залива, где автору приходилось работать, смещения хода температур относительно хода инсоляции нет.

В Европейской части России задержка весны до конца снеготаяния обеспечивает резкий всплеск тепла в мае. С марта по май в Москве температура воздуха в среднем возрастает на 16,3 C, а далее с мая по июль только на 6,5 C. Устойчивая теплая погода, распускание почек и цветения отодвигается до момента длинных суток и высокого солнцестояния, до периода с минимальным риском заморозков. Тем самым сберегаются от обмораживания молодая зелень и цветы.

В) Изменение плотности воды от температуры и его экологическое значение.

Плотность всякого вещества, точнее, почти всякого, увеличивается при охлаждении. Происходит сжатие тела. Известный пример – тепловые швы на железнодорожных рельсах. Они исключают разрывы рельсов при охлаждении и сжатии стали в зимнее время, а так же исключают изгибы их при разогреве и расширении летом. Щели между рельсами расширяются зимой и почти закрываются летом. Приведенный ниже график (рис. 3-6) изменения плотности воды и льда показывает, что это вещество не подчиняется общему закону.

Рис. 3-6 График зависимости плотности воды от температуры

При снижении температуры воды от +10 C до 3,98^о C плотность ее возрастает на 0,0003г/см³ или на 300 г/м³. При снижении температуры от 3,98^о C до нуля плотность воды вопреки общему закону не возрастает, а снижается. При кристаллизации льда происходит резкое снижение плотности до 0,9168 г/см3.

При охлаждении льда восстанавливается общий закон природы. Плотность льда возрастает по мере охлаждения. Объем льда при этом сокращается. Своеобразная закономерность реализуется путем роста жидких кристаллов воды и при дальнейшем снижении температуры твердых кристаллов льда с изменением межмолекулярного пространства в жидких и твердых кристаллах.

Какое это имеет экологическое значение?

Рассмотрим водоем в умеренном и холодном климате. Зимой для сохранения жизни гидробионтов в воде на ее поверхности образуется лед, теплопроводность которого меньше теплопроводности воды. Лед не тонет только благодаря тому, что он легче воды. При нормальном для всех веществ ходе изменения плотности от температуры лед должен был бы тонуть, а водоем полностью промерзнуть за зиму. Но лёд вопреки общему закону природы легче воды и он плавает. На лед выпадает снег (тот же лед, но другой плотности), который в силу пористости имеет идеальные теплоизоляционные свойства. Лед и снег укрывают водоем от зимней стужи.

Подо льдом температура воды постепенно нарастает (рис. 3-7) к дну водоёма.

Рис. 3-7. Температура воды подо льдом в водоёме.

Подо льдом удерживаются слои воды с температурой от +1 до +3 C. Плотность воды сверху вниз нарастает, поэтому слой +1 плавает на слое +2 и так далее. На контакте со льдом находится самый лёгкий слой воды с нулевой температурой. В застойном водоеме он неподвижен и потому лед не тает, а намерзает, превращая водные преграды в гладкие дороги для миграции наземных животных и дороги для людей.

Но вернемся под воду. При температуре +4 C вода приобретает максимальную плотность и падает на дно, где находится более теплая и более легкая вода. Теплые воды вытесняются вверх. Таким образом, осуществляется конвективное перемешивание, которое обеспечивает положительные температуры в зоне обитания гидробионтов при сохранении низких температур непосредственно на границе лед-вода.

Какое значение имеет повышение плотности льда при снижении температур?

При охлаждении лед сжимается. Слой его трескается, иногда со страшным шумом наподобие выстрела. Такое происходит на великих сибирских реках, где температура воздуха опускается ниже 40 C, а лед имеет толщину много более 1 м и даже 2-х метров. Через трещины на поверхность льда выдавливается вода. Через трещины в подледное пространство мигрирует атмосферный кислород, растворяемый в изливающейся воде. Таким образом, растрескивание льда в какой-то мере предупреждает заморы рыбы.

Другой экологический аспект расширения воды при замерзании и сокращения объема льда проявляется при выветривании горных пород. Дробление их осуществляется водой, замерзающей в микротрещинах. Выветриванием извлекаются из глубинных пород микроэлементы, необходимые растениям и животным, подготовляются обновляемые тектоническими движениями участки земной коры к формированию почвы и первичной сукцессии, то есть к образованию экосистем на обновленных участках. В стабильных наземных экосистемах замерзание почвенной влаги приводит к пучению, то есть морозному расширению грунтов. При этом они разрыхляются, в них образуются поры, в которых в тёплое время года будут вода и воздух для питания корней растений.

Итак, вода по физическим, физико-химическим и химическим свойствам – вещество из ряда вон выходящее. Она приспособлена для выполнения многих экологически значительных функций. Некоторые из них мы рассмотрели, но многих не имеем возможности коснуться.

Контрольные вопросы по теме лекции 3.

1. Строение молекулы воды и его экологическое значение.
2. Межмолекулярные связи в воде и их экологическое значение.
3. Химические и физико-химические свойства воды и их экологическое значение.
4. Капиллярность и её значение для растений, почв и грунтов.
5. Удельная теплота испарения и конденсации воды и их экологическое значение.
6. График изменения плотности воды и льда в зависимости от температуры и его экологическое значение.

Поиск по сайту: