Молекулярный состав воды.
В чистом виде он без запаха, почти без цвета и вкуса. Он находится в вашем теле, в еде, которую вы едите, и в напитках, которые вы пьете. Вы используете его для мытья себя, своей одежды, посуды, машины и всего остального, что вас окружает. На нем можно путешествовать или прыгать, чтобы освежиться в жаркие летние дни. Многие из продуктов, которые вы используете каждый день, содержат или были изготовлены с его использованием. Все формы жизни нуждаются в этом, и если они не получают его в достаточном количестве, они умирают. Вокруг этого возникли политические споры. В некоторых местах это ценные вещи, и их невероятно сложно достать. В других случаях его невероятно легко достать, а потом растратить. Какая субстанция более необходима для нашего существования, чем любая другая? Вода.
По сути, вода - это молекула с одним атомом кислорода и двумя атомами водорода, связанными вместе электронами. Это V-образная полярная молекула, что означает, что она заряжена положительно около атомов водорода и отрицательно около атома кислорода. Молекулы воды естественным образом притягиваются и прилипают друг к другу из-за этой полярности, образуя водородную связь. Эта водородная связь является причиной многих особых свойств воды, таких как тот факт, что она более плотная в жидком состоянии, чем в твердом (лед плавает на воде). Позже мы подробнее рассмотрим эти особые свойства.
Вода - единственное вещество, которое встречается в природе в виде твердого вещества (лед), жидкости и газа (водяной пар). Он покрывает около 70 процентов Земли, в общей сложности примерно 332,5 миллиона кубических миль (1386 миллионов кубических километров). Если вы знакомы со строками «Вода, вода, везде, ни капли для питья» из стихотворения «Иней древнего мореплавателя», вы поймете, что большая часть этой воды - 97 процентов ее - нельзя пить, потому что это соленая вода (см. иллюстрацию на следующей странице). Только 3 процента мировых запасов воды - это пресная вода, из которых 77 процентов - замороженные. Из 23 процентов, которые не заморожены, только половина доступна для снабжения всех растений, животных и людей на Земле всей водой, необходимой им для выживания.
Итак, вода - это довольно просто, не так ли? На самом деле, есть много вещей, которые ученые до сих пор не понимают. И проблема обеспечения достаточного количества чистой питьевой воды для всех и всех, кто в ней нуждается, совсем не проста. В этой статье мы рассмотрим некоторые из этих проблем. Мы также узнаем, что именно растения, животные и люди делают с водой, и узнаем больше о том, что делает воду такой особенной.
СОДЕРЖАНИЕ
- Мировое водоснабжение
- Водное регулирование
- Потребление воды человеком
- Очистка воды
- Потребление воды растениями и животными
- Круговорот воды
- Свойства воды
Мировое водоснабжение
Откуда у нас вода?
В новостях часто обсуждают истощение запасов воды в мире, но это не совсем так. Количество воды не уменьшается, но потребность в ней неуклонно растет. Некоторые ученые считают, что население мира, которое в настоящее время составляет 6 миллиардов человек, к 2050 году увеличится вдвое. Кроме того, количество чистой и пригодной для питья воды неуклонно сокращается из-за загрязнения.
Для многих людей в промышленно развитых странах получить воду так же просто, как открыть кран, и это довольно недорого. Но пресная вода неравномерно распределена по всему миру. Более половины мировых запасов воды сосредоточено всего в девяти странах: США, Канаде, Колумбии, Бразилии, Демократической Республике Конго, России, Индии, Китае и Индонезии. Очевидно, что городские районы больше нуждаются в воде, помимо питьевой и санитарии. Но перенаселенность в неразвитых странах означает, что многие люди не понимают даже основ.
Большая часть пресной воды в мире - около 2,4 миллиона кубических миль (10 миллионов кубических километров) - содержится в подземных водоносных горизонтах . Остальное происходит от:
- Осадки (после учета испарения): 28 500 кубических миль (119 000 кубических километров)
- Искусственные резервуары: 1200 кубических миль (5000 кубических км)
- Озера: 21 830 куб. Миль (91 000 куб. Км)
- Реки: 509 кубических миль (2120 кубических км)
В некоторых странах не хватает чистой воды для своего быстро растущего населения, и они не могут позволить себе инфраструктуру, необходимую для ее очистки и транспортировки. Например, большинство людей в городах Китая страдают от нехватки воды, а большая часть подземных вод, озер и рек Китая загрязнены. Около 700 миллионов китайцев имеют доступ только к питьевой воде, не соответствующей стандартам, установленным Всемирной организацией здравоохранения.
Страны Ближнего Востока используют наименьшее количество воды на человека, потому что естественных источников пресной воды очень мало. Напротив, потребление воды в Соединенных Штатах выше, чем в любой другой стране: около 60 000 кубических футов (1700 кубических метров) воды на человека в 2002 г. Но даже в Соединенных Штатах есть штаты и регионы, в которых не хватает воды для снабжения своего населения. Прибрежные районы Флориды имеют так много соленой воды, что к ним приходится подавать пресную воду из внутренних районов, что привело к политическим спорам по поводу контроля над водоснабжением.
Водное регулирование
На этом аэрофотоснимке показан ущерб Аральскому морю в результате отвода воды.
Во многих областях вода регулируется и распределяется правительствами. В Соединенных Штатах это регулируется Законом о безопасной питьевой воде. Однако государственный контроль не всегда отвечает интересам всех людей. В 1930-х годах для орошения хлопковых полей советское правительство создало каналы для отвода рек, питающих Аральское море (между Казахстаном и Узбекистаном). В результате площадь поверхности моря сократилась более чем на 50 процентов, а его объем - на 80 процентов за последние 50 лет. Его соленость увеличилась, и он стал загрязнен пестицидами, стоками удобрений и промышленными отходами. Исчезновение моря означало упадок промышленного рыболовства, что привело к обнищанию региона. Загрязняющие вещества с обнаженного морского дна были обнаружены в крови антарктических пингвинов.
Некоторые регионы приватизировали систему водоснабжения, что часто приводило к конфликтам. В конце 1980-х годов Великобритания продала свои водные советы (государственные организации водоснабжения) частным компаниям, которые улучшили инфраструктуру. Многие люди были возмущены тем, что компании могли получить прибыль от такой элементарной потребности, особенно когда люди, которые не могли оплачивать свои счета, подвергались суровым штрафам. Позднее проблема была решена законодательно.
В 2000 и 2005 годах демонстранты вышли на улицы Боливии в знак протеста против приватизации системы водоснабжения. Когда иностранные компании захватили систему водоснабжения Боливии, стоимость воды стала слишком высокой для бедных. В городе Эль-Альто «стоимость подключения к водопроводу и канализации превышала доход за полгода при минимальной заработной плате». Восстание 2000 года, названное «Боливийскими водными войнами», привело к введению военного положения и 100 ранениям. После обоих инцидентов правительство Боливии аннулировало контракты с частной компанией.
В настоящее время более миллиарда человек, около 17 процентов населения мира, не имеют доступа к чистой воде. Существует несколько правительственных и неправительственных организаций, в том числе ЮНИСЕФ и Water Aid, которые помогают бедным общинам в Азии и Африке получить устойчивые запасы питьевой воды и средств санитарии. Нехватка воды случается и в Соединенных Штатах - во многих штатах есть программы по оказанию помощи малоимущим в получении достаточного количества воды и оплате счетов за воду и канализацию.
Очевидно, нехватка воды - большая проблема. Но почему именно так? В следующем разделе мы рассмотрим роль воды в организме человека.
Экономия воды
Один из способов помочь снизить потребность в воде - это экономить воду круглый год. Во многих районах запрещено поливать газон и сад при низком уровне воды, но вот несколько простых вещей, которые вы можете сделать самостоятельно:
- Выключайте воду, когда чистите зубы или бреетесь.
- Принимайте душ короче.
- Запускайте посудомоечную машину и стиральную машину только тогда, когда они заполнены.
- Храните питьевую воду в холодильнике вместо проточной воды для питья.
- Используйте автомойку, которая перерабатывает промывную воду.
Потребление воды человеком
Зачем людям вода?
Наши тела на 60 процентов состоят из воды. Вода регулирует температуру нашего тела, перемещает питательные вещества через наши клетки, сохраняет наши слизистые оболочки влажными и вымывает отходы из нашего тела. Наши легкие на 90 процентов состоят из воды, наш мозг на 70 процентов состоит из воды, а наша кровь более чем на 80 процентов состоит из воды. Проще говоря, мы не можем работать без него. Большинство людей выпивают около двух стаканов воды в день (0,5 литра). Каждый день мы также теряем чуть больше чашки воды (237 мл) на выдохе и удаляем около шести чашек (1,4 л) воды. Мы также теряем электролиты - минералы, такие как натрий и калий, которые регулируют жидкость в организме. Так как же его заменить?
Мы можем получить около 20 процентов воды, которая нам нужна, с пищей, которую мы едим. Некоторые продукты, например арбуз, почти на 100% состоят из воды. Хотя количество воды, которое нам нужно каждый день, варьируется, обычно оно составляет около восьми чашек (2 л). Но вместо того, чтобы беспокоиться о том, чтобы получить эти восемь чашек, вы должны просто выпить, когда почувствуете жажду. Вы можете получить воду, употребляя другие напитки, но некоторые напитки, например алкоголь, могут сделать вас более обезвоженным.
Если ваша моча темно-желтого цвета, возможно, вы пьете недостаточно воды. Конечно, вам нужно больше воды, когда вы тренируетесь; заболел диареей, рвотой или лихорадкой; или в жаркой среде в течение длительного времени. Большинство людей могут прожить без воды всего несколько дней, хотя это зависит от ряда факторов, включая их здоровье и окружающую среду. Некоторые прошли целых две недели. Последователи буддийского мальчика, медитирующего в Непале, утверждают, что он два года прожил без еды и воды, но врачи не смогли подтвердить это.
Когда вы не получаете достаточно воды или теряете слишком много воды, вы обезвоживаетесь. Признаки легкого обезвоживания включают сухость во рту, чрезмерную жажду, головокружение, головокружение и слабость. Если в этот момент люди не пьют жидкость, они могут испытать сильное обезвоживание, которое может вызвать судороги, учащенное дыхание, слабый пульс, дряблость кожи и запавшие глаза. В конечном итоге обезвоживание может привести к сердечной недостаточности и смерти.
Обезвоживание, вызванное диареей, является основной причиной смерти в неразвитых странах. Ежегодно от нее умирают около 2 миллионов человек, в основном дети. Потребление воды, загрязненной биологическими загрязнителями, и отсутствие доступа к надлежащим санитарным условиям может привести к таким заболеваниям, как малярия и холера, и паразитам, таким как криптоспоридиоз и шистосомоз. Вода также может быть загрязнена химическими веществами, пестицидами и другими веществами естественного происхождения.
Дальше мы узнаем об очистке воды.
Очистка воды
Вода, безопасная для питья, называется питьевой водой или питьевой водой, в отличие от безопасной воды, которую можно использовать для купания или очистки. В Соединенных Штатах Агентство по охране окружающей среды устанавливает максимальные уровни для 90 наиболее часто встречающихся загрязнителей. Если что-то случится с вашим водоснабжением, ваш поставщик должен связаться с вами, чтобы сообщить, какие меры предосторожности вам следует предпринять.Очистка воды требует шести основных шагов.
- При коагуляции в воду добавляются коагулянты, такие как известь и квасцы, что вызывает слипание твердых частиц.
- Затем вода разбивается на более крупные комки, называемые хлопьями.
- Процесс осаждения требует, чтобы вода стояла в течение 24 часов, что позволяет комкам осесть на дно.
- Затем вода фильтруется, дезинфицируется (обычно хлором) и аэрируется.
- Аэрация помогает удалить определенные загрязнители, такие как радон.
Методы выживания в воде
Если ваша вода загрязнена и у вас нет воды в бутылках, вы можете очистить ее несколькими способами. Если он мутный, сначала отфильтруйте его через чистую ткань или дайте ему отстояться, а затем слейте чистую воду. Затем вы можете кипятить воду в течение одной минуты, чтобы убить большинство болезнетворных организмов.
Вы также можете добавить одну восьмую чайной ложки бытового хлорного отбеливателя на галлон воды (или следуйте инструкциям на этикетке). Вы должны удвоить количество, если вода обесцвечивается или становится мутной. Перемешайте и дайте постоять 30 минут. Таблетки хлорного отбеливателя продаются в магазинах товаров для кемпинга, чтобы очищать воду для питья. Вы также можете использовать пять капель йода на галлон для дезинфекции воды.
Храните кипяченую или продезинфицированную воду в чистых закрытых емкостях. Если у кипяченой воды слишком плоский вкус или слишком сильный привкус хлора, перелейте ее из одной емкости в другую.
Потребление воды растениями и животными
Вода регулирует температуру растений и переносит через них питательные вещества.
Растения содержат даже больше воды, чем животные - большинство из них на 90-95 процентов состоит из воды. Как и у животных, вода регулирует температуру растений и переносит через них питательные вещества. Но вместо того, чтобы получать воду путем питья и еды, растения получают ее через росу, орошение и осадки.
Растения впитывают воду через свои корни, а зеленые используют ее в фотосинтезе, таким образом они создают сахар для еды. (Вы можете узнать больше о процессе фотосинтеза в разделе «Как работает Земля») Растения также нуждаются в воде, чтобы поддерживать себя. Давление процесса осмоса - движение воды снаружи внутрь клеток растения - поддерживает клеточные стенки растения.
Когда вы поливаете растение, оно всасывает воду за счет капиллярного действия. Затем вода проходит от корней по трубкам, называемым ксилемными сосудами . Вода достигает листьев растения и выходит через небольшие отверстия, называемые устьицами, которые открываются, когда растению нужно остыть. Этот процесс называется транспирацией и похож на то, как потеют люди (и некоторые животные). Углекислый газ также попадает в растения через устьица.
Обработка воды сложнее для животных и людей, хотя во многом она похожа. Вода, которую вы потребляете, всасывается в верхних отделах тонкой кишки посредством осмоса. Он попадает в кровоток и разносится по всему телу. Однако, в отличие от клеток растений, клетки животных не имеют клеточных стенок. Вот почему у животных есть кровеносная система - в противном случае наши клетки поглощали бы воду и соль, пока они не набухли. Наши кровеносные системы перемещают воду по нашему телу и удаляют ее по мере необходимости через потоотделение и мочеиспускание.
Некоторые животные, такие как микроскопический организм, называемый тартиградом, могут обходиться без воды в течение необычайного периода времени. Если в окружающей среде тартиграда не хватает воды, животное переходит к жизни без воды, называемой ангидробиозом. Сахар заменяет воду в его клетках, что делает его невосприимчивым к перепадам температур. Его метаболизм снижается, и тартиград остается в этом едва живом состоянии до тех пор, пока не наберется достаточно воды, чтобы снова действительно жить.
Некоторые растения также нашли уникальные способы жить с небольшим количеством воды или без нее. Один из способов - это разновидность фотосинтеза, называемая фотосинтезом с метаболизмом крассулевой кислоты (CAM). При CAM-фотосинтезе растение накапливает углекислый газ в виде кислоты и держит устьица закрытыми в течение дня для экономии воды (ночью испарение происходит медленнее). Он может даже держать устьица закрытыми, если условия особенно засушливые. Кактусы используют фотосинтез CAM, чтобы пережить сильную жару и засуху в пустыне.
Далее мы посмотрим, как функционирует гидрологический или водный цикл.
Круговорот воды
Водяной пар, который попадает в облака, в конечном итоге конденсируется в капли воды и выпадает в виде дождя, мокрого снега, града или снега.
Круговорот воды - это непрерывное движение воды внутри и вокруг Земли. Как упоминалось ранее, вода на самом деле никогда не уходит - она просто меняет форму. Солнце гонит весь водный цикл и несет ответственность за ее двух основных компонентов: конденсации и испарения. Когда солнце нагревает поверхность воды, она испаряется и попадает в атмосферу в виде водяного пара. Он остывает и поднимается, превращаясь в облака, которые в конечном итоге конденсируются в капли воды. В зависимости от температуры атмосферы и других условий вода выпадает в виде дождя, мокрого снега, града или снега.
Часть этих осадков улавливается кронами деревьев и снова испаряется в атмосферу. Осадки, которые падают на землю, становятся стоком, который может накапливаться и замерзать, образуя снежные шапки или ледники. Он также может проникать в землю и накапливаться, в конечном итоге скапливаясь в водоносных горизонтах. Водоносный горизонт - это большое месторождение грунтовых вод, которое можно добывать и использовать. Этот сток также происходит из-за таяния снега, которое происходит, когда солнце и климатические изменения тают снег и лед. Наконец, часть этого стока возвращается в озера и океаны, где снова испаряется под действием солнца. Вы можете узнать больше о круговороте воды в статье «Как работает Земля».
Вода, которая падает на землю и остается в ней, в конечном итоге испаряется и уходит в атмосферу. Но грунтовые воды, которые являются основным источником нашей питьевой воды, могут накапливаться в водоносных горизонтах в течение тысяч лет. Верхние границы неограниченных водоносных горизонтов - уровень грунтовых вод или поверхность, где давление воды равно атмосферному. Замкнутые водоносные горизонты часто лежат ниже неограниченных водоносных горизонтов и имеют слой горных пород или других материалов в качестве верхних границ.
В Соединенных Штатах самые старые подземные воды, известные как ископаемые, содержатся в водоносном горизонте Огаллала. Расположенный ниже примерно 175 000 квадратных миль (450 000 квадратных километров) восьми штатов Великих равнин, водоносный горизонт Огаллала хранит около 2 900 миллионов акров-футов (3 600 миллионов квадратных километров) воды. Водоносный горизонт Огаллала образовался от 2 до 6 миллионов лет назад, когда формировалась цепь Скалистых гор. Поскольку климат Великих равнин засушливый, вода в водоносном горизонте используется быстрее, чем может быть восполнена. Вот почему некоторые ученые называют использование ископаемых водоносных горизонтов добычей воды.
Подземные воды могут существовать и на других планетах. На изображениях, полученных с космического корабля Mars Global Surveyor, можно увидеть нечто похожее на овраги, вырезанные реками на поверхности планеты. По данным НАСА, вода, вероятно, находится на глубине от 300 до 1300 футов (от 100 до 400 метров) ниже поверхности. Европа, одна из спутников Юпитера, также может иметь подземные воды. Поскольку наша потребность в воде превышает запасы Земли, ученые задаются вопросом, сможем ли мы однажды добыть воду на других планетах и лунах в нашей солнечной системе.
Вода обладает множеством уникальных и удивительных свойств, которые делают ее столь важной для жизни. Именно поэтому мы постоянно ищем лучшие способы получить и сохранить его. В следующем разделе мы рассмотрим эти свойства и узнаем больше о самой воде.
Свойства воды
Водомер демонстрирует поверхностное натяжение.
Водородная связь между молекулами воды, о которой мы говорили в первом разделе, является причиной двух уникальных свойств воды: сцепления и адгезии. Сплоченность означает, что вода очень легко прилипает к себе. Адгезия означает, что вода также очень хорошо прилипает к другим предметам, поэтому она растекается тонкой пленкой на определенных поверхностях, например на стекле. Когда вода вступает в контакт с этими поверхностями, силы сцепления превышают силы сцепления. Вместо того, чтобы слипаться в клубок, он распространяется.
Вода также имеет высокий уровень поверхностного натяжения. Это означает, что молекулы на поверхности воды не окружены одинаковыми молекулами со всех сторон, поэтому их притягивает только когезия других молекул глубоко внутри. Эти молекулы сильно связаны друг с другом, но слабо прилипают к другой среде. Одним из примеров этого является то, как вода скапливается на восковых поверхностях, таких как листья или вощеные автомобили. Поверхностное натяжение делает эти капли воды круглыми, поэтому они покрывают минимально возможную площадь поверхности.
Капиллярное действие также является результатом поверхностного натяжения. Как мы уже упоминали, это происходит у растений, когда они «всасывают» воду. Вода прилипает к внутренней части трубок растения, но поверхностное натяжение пытается ее сгладить. Это заставляет воду подниматься и снова сцепляться с собой, и этот процесс продолжается до тех пор, пока не накопится достаточно воды, чтобы гравитация начала тянуть ее обратно вниз.
Водородные связи воды также являются причиной того, что ее твердая форма, лед, может плавать в жидкой форме. Лед менее плотный, чем вода, потому что молекулы воды образуют кристаллические структуры при температуре ниже нуля (32 градуса по Фаренгейту или 0 градусов Цельсия). Тепловые свойства воды также связаны с ее водородными связями. Вода имеет очень высокую удельную теплоемкость, то есть количество тепла на единицу массы, необходимое для повышения ее температуры на один градус Цельсия. Энергия, необходимая для повышения температуры воды на один градус Цельсия, составляет 4,2 джоуля на грамм. Вода также имеет высокую теплоту испарения, что означает, что он может выдерживать много тепла без значительного повышения температуры. Это играет огромную роль в климате, потому что океанам нужно много времени, чтобы нагреться.
Вода часто известна как универсальный растворитель , что означает, что в ней растворяются многие вещества. Вещества, растворяющиеся в воде, гидрофильны. Это означает, что они так же сильны или сильнее, чем силы сцепления воды. Соль и сахар полярны, как вода, поэтому они очень хорошо растворяются в ней. Вещества, не растворяющиеся в воде, гидрофобны. Отсюда поговорка «масло и вода не смешиваются». Растворимость воды - вот почему вода, которую мы используем, редко бывает чистой; в нем обычно растворено несколько минералов.
Наличие этих минералов - разница между жесткой водой и мягкой водой. Жесткая вода обычно содержит много кальция и магния, но также может содержать металлы. Мыло плохо пенится в жесткой воде, но жесткая вода обычно не опасна. Он также может вызывать отложения известкового налета в трубах, водонагревателях и туалетах.
Некоторые из последних споров о свойствах воды связаны с тем, как ведет себя лед, когда он тает. Некоторые ученые утверждают, что он выглядит примерно так же, как в твердом состоянии, за исключением того, что некоторые из его водородных связей разорваны. Другие утверждают, что он образует совершенно новую структуру. Так что, несмотря на всю важность, мы до сих пор не совсем понимаем воду.
