Когда вода становится сильнее

Состояния воды в природе: условия перехода, необычные факты

Удивительная вода: Freepick

Известные человечеству состояния воды не ограничиваются тремя базовыми вариантами, о которых большинство слышало в школе. Как создать горячий лед или сухую воду? Возможно ли наблюдать воду сразу жидкой, твердой и газообразной? Как на эти и многие другие вопросы отвечает наука?

Три состояния воды в природе

Воду как прозрачную жидкость, у которой отсутствует запах и вкус, знают все. Но только ли такой она бывает? Прежде чем ответить на вопрос о том, каковы возможные агрегатные состояния воды, выясним, что такое агрегатное состояние.

В физике под этим понятием подразумевают состояние вещества, обусловленное определенной температурой и давлением. Науке известно:

• газообразное;
• твердое;
• жидкое состояние вещества.

При этом одно и то же вещество может менять свое состояние в зависимости от условий окружающей среды.

Хорошо известны три агрегатных состояния воды:

1. Твердое состояние воды (лед). В этом состоянии частички воды имеют друг с другом сильную взаимосвязь. Кубик льда хорошо сохраняет форму, он довольно прочный и твердый на ощупь.
2. Жидкое состояние. В нем частицы теряют строгую упорядоченность. Связи между ними разрушаются, а жидкость принимает форму того сосуда, в который она помещена. Однако молекулы все еще располагаются достаточно близко друг к другу.
3. Газообразное состояние воды (пар). В этом состоянии частички максимально беспорядочно двигаются, а расстояния между ними становятся очень большими.

Состояние воды прямо связано с температурой. Эта жидкость обладает уникальным свойством: свое жидкое состояние она сохраняет в широком диапазоне от 0 до 100 °С. В верхней точке начинается закипание с постепенным переходом в газообразную фазу. При снижении температуры ниже 0 °С происходит образование льда.

При этом в природе можно часто увидеть, как вода и лед соседствуют друг с другом, а в этом время над ними витает невидимый глазу водяной пар. Благодаря таким удивительным способностям воды происходит ее постоянный круговорот в природе.

Жидкое состояние воды: Freepick

Если рассматривать все три состояния воды, то жидкое остается одним из наиболее важных. Жидкая вода служит универсальным растворителем для множества других веществ, является основным компонентом организма человека и средой для протекания всех химических процессов.

Более того, именно у жидкой воды ученым удалось обнаружить дополнительные состояния — «обычная» и «аномальная» вода. Последняя образуется при температуре –63 °С и может находиться в одном из двух состояний:

• иметь низкую плотность при низком давлении;
• иметь высокую плотность при высоком давлении.

Две эти жидкости заметно различаются по свойствам, а их плотность отличается на 20%, поэтому они не могут смешиваться между собой. Как ученым удалось уловить эти состояния, ведь хорошо известно, что происходит с водой при замерзании: она переходит в твердую фазу — в лед?

Авторам исследования понадобились специальные приборы. С помощью инфракрасного лазера лед нагревали, при этом образовывалась жидкая вода с высокой плотностью, а давление сохраняли повышенным.

За этим процессом вели наблюдение рентгеновским лазером. Было замечено образование пузырьков «аномальной» воды. Появлялись они на крайне маленький промежуток времени: были видны до 3-х микросекунд.

Эти исследования доказали, что ученым еще далеко не все известно о воде, хотя мы и сталкиваемся с ней ежедневно и ежечасно. Ее свойства продолжают изучать и открывать новые грани.

Состояния воды: необычные факты

Твердое состояние воды (лед): Freepick

Ученым оказалось недостаточно трех агрегатных состояний воды, поэтому они изобрели целый ряд необычных вариантов и продолжают работать в этом направлении.

Лед VII (горячий лед)

Для обычного холодного льда используется обозначение «лед Ih». Когда при нормальном давлении снижается температура и вода замерзает, то атомы кислорода в ее молекулах образуют шестигранники.

Если же давление будет возрастать, то можно получить лед VII, атомы которого располагаются в виде куба. Он очень противоречив:

1. Этот лед горячий, так как формируется в необычных условиях.
2. На Земле он мог бы образоваться глубоко под мантией, в области высокого давления.
3. Но там и температура очень высока, из-за чего вода сразу же испаряется.

Ученым удалось создать такой лед в лаборатории. Кроме того, он был обнаружен в алмазах, которые нашли в недрах нашей планеты.

Сухая вода

Ее получают путем смешивания обычной воды и двуокиси кремния. Несмотря на то что жидкости в ней 25%, она является сухим веществом. Сахарообразные крупинки внутри содержат воду, а сверху покрыты оксидом кремния.

Сухую воду создали в 1968 для нужд косметологии. Затем о ней забыли, а сейчас рассматривают варианты использования для поглощения углекислого газа, чтобы хранить и транспортировать химикаты.

Сверхзвуковой лед

Этот лед также называют льдом XVIII. Он образуется при очень сильном повышении давления и температурных показателей — до тысяч градусов и миллионов атмосфер. В горячем плотном и черном на виде веществе узнать лед очень трудно.

Получить его экспериментально удалось совсем недавно с применением мощных лазеров, которые создавали ударные волны, мгновенно повышая температуру и давление. При этом происходило разделение атомов водорода и кислорода с параллельным образованием твердых кристаллов.

Сверхкритическая вода

Вода может стать такой из газообразного состояния. Это очень странный пар, который нельзя назвать газом. Образование такой воды происходит при 373 °С и давлении 220 бар. Снова жидкой она уже стать не может. Такая вода способна проходить сквозь твердые вещества, как газы, и быть растворителем подобно жидкости.

Аморфный лед

Этот лед получается при мгновенном охлаждении воды, когда молекулы не кристаллизуются, как следует. Получается своеобразное стекло — очень медленно движущаяся жидкость.

На нашей планете аморфный лед встречается редко, а вот на просторах Вселенной вода часто существует в этом состоянии.

Тройная точка воды

В этой точке вещество одновременно существует как твердое, жидкое и газообразное. Такое специфическое равновесие достигается путем сочетания показаний давления и температуры. Для воды они составляют 0,01 °С и 0,0060366 атмосфер.

Эта точка применяется, когда определяется температура по Кельвину, калибруются термометры и определяются тройные точки для других жидкостей. Из тройной точки воду можно перевести в любое из ее возможных агрегатных состояний.

Горящий лед

Это не чистая вода, а сочетание воды и метана, которое способно гореть, словно бумага. Такой лед образуется в результате естественных процессов в океанских глубинах, в зонах вечной мерзлоты, может засорить нефтепровод или газопровод.

При его формировании вначале замораживается метан, который постепенно покрывает настоящий лед. Ученые рассматривают его как чистый и экологичный источник топлива.

Таковы обычные и нестандартные состояния воды. Природа отменно поработала, чтобы создать такое чудо, но и ученые не остались в стороне. Они до сих пор работают над получением воды в уникальных состояниях.

Узнавайте обо всем первыми

Подпишитесь и узнавайте о свежих новостях Казахстана, фото, видео и других эксклюзивах.

Источник

Зачем сёрферу знать, как работают приливы

Чтобы научиться хорошо серфить, каждый сёрфер должен уметь понимать океан. Он должен знать, что такое свелл, откуда берутся волны, как на них влияет ветер и многое другое. Среди таких знаний, в том числе, находятся знание о приливах с отливами. Чтобы кататься в лучшее время на лучших волнах, нужно разобраться, каким образом прилив может изменить волны, какой уровень воды идеально подойдёт для определённого спота и в какое время стоит ожидать этот уровень.
В этой статье мы разберёмся, что такое приливы и отливы, откуда они берутся, какие бывают, что влияет на уровень прилива, и как определить, в какое время какой уровень воды стоит ожидать. Ну а в конце мы напишем, какую практическую ценность для сёрфера имеют приливы.

Причина

Главной причиной того, что уровень воды каждый день в мировом океане то повышается, то понижается, является гравитация. В первую очередь, это гравитация Луны. Так как Луна находится ближе всего к Земле среди всех остальных небесных тел, её влияние самое большое. На втором месте находится Солнце. И, хоть оно находится гораздо дальше от нас, чем Луна, притяжение Cолнца всё равно ощущается, так как оно значительно больше по размеру любой планеты в Солнечной системе.
Однако, сила гравитации Cолнца по отношению к Земле составляет лишь 46 процентов от лунной. Кстати, есть ещё одно небесное тело, гравитация которого влияет на землю, это Венера! Да-да, однако, сила её притяжения составляет лишь 0.001% от силы Солнечной гравитации.

Силу притяжения Луны и Солнца называют приливной силой. Она не достаточно велика, чтобы действовать на твёрдые тела (хотя и их Луна способна растягивать до 30см!), однако, значительному её влиянию поддаётся вода в Мировом Океане, жидкое состояние которой позволяет уровню воды изменяться на несколько метров.

Время приливов и отливов

Время обращения Луны вокруг Земли — лунные сутки — составляет примерно 24 часа 50 минут. В большинстве мест на Земле полудневной прилив, то есть за лунные сутки мы имеем два прилива, два отлива. Так как лунные сутки длинней земных, то каждый день время приливов и отливов смещается. Однако, есть несколько мест на Земле, где за сутки вода приливает только один раз. Такими местами являются Южно-китайское море, Мексиканский залив и другие.

Сизигийный и квадратурный приливы

Многие, кто бывал на океане больше двух недель замечали, что в одни дни отлив может быть очень сильным, а в другие — не так заметен. Дело в том, что в зависимости от того, в какой фазе сейчас находится Луна, перепад между максимальной и минимальной водой может различаться.

Во время полной и новой Луны, то есть когда Солнце, Луна и Земля встают в одну линию, перепад максимальный. Такой прилив называется «сизигийный». Данное явление происходит потому, что приливные силы Солнца и Луны складываются.
А во время первой и третьей четверти лунного цикла, то есть когда Луна освещается Солнцем наполовину, перепад воды будет минимальный. Это явление называется квадратурным приливом.

Также на высоту прилива влияет ещё и траектория движения Луны и Солнца. Дело в том, что Луна двигается вокруг Земли не по кругу, а по эллипсу. Поэтому, в одно время Луна находится ближе к Земле, в другое — дальше. Когда сизигийный отлив выпадает на период, когда Луна находится в ближайшей к Земле точке (это происходит раз в 7,5 лунных циклов), наблюдается очень высокий прилив.

Если же во время сизигийного прилива ещё и Земля приближается максимально близко к Солнцу (её орбита тоже выглядит как эллипс), тогда прилив будет ещё выше. Это происходит каждые 18,6 лет.

Откуда второй прилив

Вы можете спросить, если Луна притягивает воду только с одной стороны, тогда почему приливов и отливов в сутки два, с одной и с другой стороны планеты?

Честно говоря, этот вопрос не давал мне покоя, до тех пор пока я не прочитал замечательную книгу Surf Science автора Tony Butt.

Второй прилив появляется из-за двух факторов. Первый — разница в силе притяжения Луны между одной стороной Земли и другой. Второй — центробежная сила, возникающая во время вращения Земли.

С первым фактором, мне кажется, должно быть всё понятно сразу. Луна находится ближе к одной стороне Земли, чем к другой. Логично предположить, что сила гравитации будет различаться. Так оно и есть. Если мы возьмём силу гравитации Луны в центре Земли за основу, то тогда на её поверхности, ближайшей к Луне, сила гравитации нашего спутника будет на 3.4% больше, чем в центре, и слабее на 3.2% с противоположной стороны нашей планеты.

Теперь поговорим про второй фактор. Что за центробежная сила и откуда она берется. Выше я упоминал о вращении Земли, но имел ввиду не её вращение вокруг собственной оси, но вращение вокруг Луны.
Большинство из нас знает со школы, что Луна вращается вокруг Земли. Но, на самом деле, они обе вращаются вокруг общего центра своих масс, который находится на расстоянии 4.5 тысяч километров от центра Земли. То есть, этот центр находится внутри радиуса Земли, который составляет чуть больше 6.3 тысячи километров. Следовательно, Земля и Луна вращаются вокруг этого центра с одинаковой скоростью.

Представьте, что вы надели резинку для волос на карандаш и начали крутить её. Резинка вытянется поперёк движения. Примерно то же самое происходит и с водой на Земле. Благодаря этому вращению Земли вокруг Луны, возникает центробежная сила, которая оттягивает воду океана с Земли.

Взгляните на рисунок ниже. Синими стрелками показана сила притяжения Луны. Красными — центробежная сила. Пурпурные стрелки показывают направление действия сил, сложенных вместе.

Почему в разных местах Земли высота прилива различается

Если вы бывали на побережьях в разных странах, возможно вы замечали, что где-то отлив заметен очень сильно, например, на Бали, а где-то уровень воды во время полной и малой воды почти не отличается, например на Мальдивах.
Теперь мы знаем, что сила гравитации ни Луны, ни Солнца значительно не изменяются, то есть в одном месте на поверхности планеты максимальный прилив и минимальный отлив будут всегда примерно одинаковыми. Однако, при всём этом, где-то высота отлива составляет пол-метра, где-то три, а где-то и целых шестнадцать (это место называется Залив Фанди в Канаде — на фото ниже).

Причина этому — рельеф дна. Прилив можно рассматривать как огромную волну. Если вспомнить о том, откуда возникает волна, — она начинает подниматься, когда глубина становится меньше определённой отметки, — тогда становится всё понятней. Соответственно, высота прилива зависит от глубины океана. Чем меньше глубина, тем «выше» становится приливная волна, и тем больше становится перепад между максимальной водой и минимальной. Если бы на нашей планете не было бы суши, тогда вокруг планеты двигалось бы только две приливные волны. Однако, из-за континентов и сложной формы дна океанов, приливных волн больше.

Взгляните на карту. На ней цветом выделены места с различной высотой прилива, где тёмно-красный — максимальная высота, голубой — минимальная. Точки, где сходятся белые линии, называются амфидромическими. В них перепад между приливом и отливом нулевой. Чем дальше от этой точки, тем выше будет амплитуда колебания прилива. Рядом с этими точками можно увидеть чёрную стрелку, она показывает, в какую сторону двигается приливная волна. Белыми линиями очерчены зоны, где прилив находится в одной фазе, между каждой линией разница чуть больше часа. Вокруг каждой точки двенадцать таких фаз. Время прохождения приливной волны через все эти зоны равно половине лунных суток.

Как определить высоту и время прилива

Всё вышеописанное может показаться слишком сложным, для того, чтобы все эти движения описать математическими формулами. Это действительно сложно, но возможно. Благодаря этим формулам, высоту прилива и отлива можно просчитать на многие годы вперёд. В каждом порту можно найти специальные таблицы или графики, которые называются тайд-чартами. Ниже вы найдёте два вида тайд-чартов.

В первом варианте по горизонтальной оси отмечаются дни месяца, по вертикальной — часы в сутках. На пересечениях столбцов находятся данные об уровне воды в этот конкретный день и конкретный час.

Второй вариант взят с сайта сёрф-прогнозов magicseaweed.com, который знаком всем сёрферам. Здесь прилив показан графиком, рядом с которым указывается время максимальной и минимальной воды.

Зачем это знать сёрферам

Сёрферам информация об уровне воды в океане или море нужна для того, чтобы понимать, будет ли работать нужный спот в то или иное время и как он будет это делать. Характер волны зависит от глубины воды на споте. Чем она больше, тем более пологой и медленной становится волна. Чем меньше глубина — тем волна более резкая, быстрая. Соответственно, в местах, где приливы с отливами заметны, характер волны на споте будет довольно сильно изменяться в зависимости от уровня воды. Таким образом некоторые волны могут работать только на отливе, потому что там слишком глубоко, чтобы волна вставала на приливе, а какие-то — только на приливе, потому что там слишком мелко.

Взять например спот Кудета на Бали. При среднем уровне свелла, здесь можно нормально посерфить только когда уровень воды будет меньше 1 метра. При этом лучшие волны будут на минимальной воде в сизигийный отлив. На максимальной воде волна вообще перестаёт там вставать.

А вот на Филиппинах, на острове Сиаргао, на споте Клауд 9, когда воды много, волна всё равно остаётся резкой и даже слегка потрубливает. А когда вода отливает, глубина становится по пояс, и тогда волна начинает очень сильно трубить, становится супер-быстрой и опасной.

Поэтому, если вы собираетесь покататься на новом споте, предварительно узнайте о том, при каком уровне воды там лучшие волны. Эту информацию можно узнать в интернете на одном из многочисленных сайтов с описаниями спотов, или узнать на берегу у бывалых сёрферов.

Ещё один фактор, на который влияют приливы и отливы — это течения. Чем больше перепад воды, тем быстрее она приходит и уходит, то есть течения становятся сильнее. При этом, максимальная скорость течений приходится на середину периода между отливом и приливом. То есть, если сегодня минимальная вода в 12 часов дня, а максимальная в 6, то в промежуток между 2 и 4 часами дня вода будет отливать быстрее всего и скорость течения будет выше. А во время пересменки движения воды, то есть в 12 или 6 часов, течение замедляется.

Кроме того, существует поверье, что волны во время повышения уровня воды становятся лучше. Мол, движение воды во время прилива направлено в ту же сторону, что и волны, и поэтому они более ровные. И наоборот, при отливающей воде волны становятся хуже. Никаких достоверных научных данных, подтверждающих этот факт нет, однако, зачастую, волны действительно лучше на приливающей воде.

Надеюсь, что эта статья оказалась полезной для вас, что вы узнали немного нового и что эта информация поможет выбирать вам время с лучшими волнами!

Источник