InfoRadar
Мазмұны
Заттардың басым бөлігі қатты күйінде өзінің сұйық нысанынан ауыр болады — темір балқыған металда батады, балауыз сұйық парафинге батады, тас кез келген ерітіндінің түбіне кетеді. Осы тұрғыдан алғанда су айқын ерекше жағдай болып табылады: оның қатты нысаны — мұз — батып қана қоймай, сұйықтықтың бетінде сенімді ұсталады. Таныс логиканың бұл сыртқы бұзылуының молекулалық су құрылысына тамыр жайған қатаң физикалық түсіндірмесі бар. Мұздың жүзгіштік феномені — табиғаттың курьезі емес, онсыз Жердегі тіршілік қазіргі түрінде мүмкін болмайтын терең ішкі логиканың салдары.
Заттар неліктен батады немесе қалқиды
Мұздың мінез-құлқын түсіндірмес бұрын, жүзгіштіктің жалпы принципін түсіну қажет. Сұйықтыққа орналастырылған кез келген дене екі бәсекелес әсерге ұшырайды — ауырлық күші мен Архимед күші.
Жүзгіштіктің физикасы бірнеше қарапайым принциппен анықталады:
- ауырлық күші денені төмен тартады, және оның шамасы нысанның массасына байланысты;
- Архимед күші жоғары бағытталған және батырылған дене ығыстырған сұйықтықтың салмағына тең;
- егер дене сұйықтықтан тығызырақ болса, ол батады — ауырлық күші ығыстыруды жеңеді;
- егер дене сұйықтықтан жеңілірек болса, ол қалқиды — Архимед күші дененің салмағынан артады;
- тығыздығы тең болса дене кез келген тереңдікте аспалы күйде болады.
Осылайша, негізгі параметр дәл тығыздық болып табылады — заттың көлем бірлігіне келетін массасы. Мұз қалқиды, өйткені оның тығыздығы сұйық судың тығыздығынан аз, — және міне, дәл осы неліктен болатыны.
Судың молекулалық құрылымы және қату аномалиясы
Мұздың жүзгіштігінің жауабы молекулалық деңгейде жасырынған. Су молекуласы бір оттегі атомы мен екі сутегі атомынан тұрады, және бұл молекуланың ерекше геометриясы арқасында көршілес молекулалар арасында сутектік байланыстар пайда болады — бір молекуланың ішінара теріс зарядталған оттегі мен екіншісінің ішінара оң зарядталған сутегі атомдары арасындағы тартылыс.
Сұйық суда бұл байланыстар үздіксіз үзіліп, қайта құрылады. Молекулалар үздіксіз хаотикалық қозғалыста болады, және олардың арасындағы сутектік байланыстар орта есеппен небары шамамен үш пикосекунд өмір сүреді. Осы динамиканың арқасында молекулалар жеткілікті тығыз орналасады — сұйық судың тығыздығы төрт Цельсий градусында шамамен кубометрге 1 000 килограмм болатын ең жоғары мәніне жетеді.
Қату кезінде принципті түрде өзгеше нәрсе болады. Температура нөл Цельсий градусына дейін түскенде молекулалардың жылулық қозғалысы баяулайды, сондықтан сутектік байланыстар тұрақты сипатқа ие болады. Молекулалар дұрыс кристалдық тор құрылымына — әрбір молекула төрт көршісімен төрт сутектік байланыс түзетін алтыбұрышты құрылымға — орналасады. Бұл алтыбұрышты тор сұйық судың реттелмеген құрылымынан едәуір «кеңістікті» — молекулалар арасында сұйық күйінде болмаған бостықтар пайда болады.
Дәл мұздың кристалдық торындағы осы бостықтар оның аз тығыздығының физикалық себебі болып табылады. Нөл градустағы мұздың тығыздығы шамамен кубометрге 917 килограмм — сол температурадағы сұйық судың тығыздығынан шамамен тоғыз пайызға аз. Дәл осы айырмашылық жүзгіштікті қамтамасыз етеді.
Табиғат пен тіршілік үшін салдарлар
Жай ғана физикалық факт болып көрінгенімен — алайда оның планетаның биосферасы үшін салдары орасан зор. Егер мұз батса, Жердегі тіршіліктің тарихы мүлде өзге жолмен жүруі мүмкін еді.
Мұздың батуы жағдайында су қоймаларына не болатынын қарастырайық.
- Көлдер мен өзендер қыс кезінде түбіне дейін қатып қалар еді. Бетте пайда болатын мұз төмен батар еді, және жаңа қабаттар жоғарыдан үздіксіз мұздай беретін еді. Бірнеше суық қыстың ішінде қоңыржай климаттың престі су қоймаларының басым бөлігі беттен түбіне дейін монолитті мұз кесектеріне айналар еді.
- Мұндай жағдайларда су асты тіршілігі іс жүзінде мүмкін болмас еді. Балықтар, шаяндар, балдырлар және тұщы сулардың барлық басқа тұрғындары толық мұздаудан жойылар еді. Әрбір қыстан кейін экожүйелерді қалпына келтіру іс жүзінде нөлден бастауды қажет ететін еді, бұл күрделі су қауымдастықтарын тіршілікке жарамсыз ете түсер еді.
- Нақты мұз су қоймасының бетінде оның астындағы суды одан әрі суынудан қорғайтын оқшаулағыш қақпақ түзеді. Мұздақ қабат жылу өткізгіштігі төмен және су қоймасын іс жүзінде «орайды», мұздың астындағы су температурасын максималды тығыздық температурасы — төрт Цельсий градусы — маңайында ұстап тұрады. Дәл осының арқасында балықтар мен басқа су организмдері қатпаған су қабатында қыстан аман өтеді.
- Беттегі мұз альбедо механизмі арқылы жаһандық климатта маңызды рөл атқарады. Мұздықтар мен мұздық қақпақтардың ақ беті күн сәулесінің едәуір үлесін ғарышқа қайтарып шағылыстырып, планетаның қызып кетуін болдырмайды. Егер мұз батса, полярлық аймақтар тұрақты мұздық жамылғыдан айырылар еді, және Жердегі климаттық жағдайлар принципті түрде өзгеше болар еді.
Осылайша, мұздың жүзгіштігі — жай қызықты физикалық факт ғана емес, планетамыздағы тіршілікті қолдаудың іргелі механизмдерінің бірі.
Сол себептен туындайтын судың басқа аномалиялары
Судың молекулалық құрылымы мұздың жүзгіштігін ғана тудырмайды — ол осы заттың бірқатар ерекше қасиеттеріне жауапты. Олардың барлығы кристалдық мұз торын сұйықтықтан аз тығыз ететін сол сутектік байланыстар жүйесінің салдарлары болып табылады.
Ең маңызды аномалиялардың арасында мыналар бөлінеді:
- судың максималды тығыздығы нөл градусқа емес, төртке жетеді — бұл нөлден төртке дейін суыған кезде судың қайтадан кеңейетінін білдіреді, бұл заттардың басым бөлігіне нетипті;
- судың аномальды жоғары жылу сыйымдылығы мұхиттарға орасан зор мөлшерде жылу энергиясын сіңіруге және жинақтауға мүмкіндік береді, жағалаудағы аймақтардың климатын жұмсартады;
- жоғары беттік керілу сол сутектік байланыстармен туындайды және жәндіктерге су бетімен жүруге, ал тамырлы өсімдіктерге ауырлық күшіне қарсы суды ондаған метрге көтеруге мүмкіндік береді;
- су сол геометриямен туындаған молекулалардың полярлылығы арқасында дәл әмбебап еріткіш болып табылады, ол сутектік байланыстарды да тудырады.
Бұл қасиеттердің барлығы өзара байланысты және бір көзден — H₂O молекуласының бірегей құрылысынан — шығады. Дәл осы молекулада бізге белгілі нысандағы тіршілік мүмкін болмайтын процестердің басым бөлігінің физикалық негізі жатыр.
Мұздың жүзгіштігі — табиғаттың еркі де, ережелерден кездейсоқ ерекше жағдай да емес, судың тереңінен ойластырылған молекулалық құрылысының заңды нәтижесі. Жердегі ең кең таралған заттың қатты нысаны оның сұйық нысанынан жеңілірек болатындығы тіршіліктің пайда болуы мен сақталуының өте маңызды шарты болып шықты. Суы «қалыпты» — басқа сұйықтықтардың басым бөлігіндей — ұстанатын планеталар күрделі организмдердің тіршілік етуіне салыстырмалы түрде аз жарамды болар еді. Осы тұрғыдан алғанда мұздың ерекше мінез-құлқы Жердегі жағдайлардың тіршілік үшін ерекше қолайлы болып шыққандығының дәлелдерінің бірі болып табылады.
