Проект "Вода - обыкновенное чудо"

МКОУ Петропавловская СОШ

Вода – обыкновенное чудо

                                                                   Автор проекта:

                                                                   Свидлова Елизавета  6 «В» класс

                                                                    Руководитель проекта:

                                                                    учитель биологии

                                                                    Алёшина Ирина Анатольевна.

2013 год

Цель проекта – доказать необходимость рационального использования водных ресурсов на Земле. Несмотря на огромные запасы воды, человечество остро ощущает ее нехватку во многих странах мира. Загрязнение воды – одна из причин войн будущего.

В данном проекте  рассмотрены гипотезы появления воды на планете;  необыкновенные свойства воды, в том числе такие как «память» (энергоинформационный класс явлений);  использование воды человеком для разных нужд;  проблема чистой питьевой воды; методы водоочистки, в том числе, технологии будущего; круговорот воды в природе и влияние ее на климат Земли.

Вода. Все мы знаем, что без неё на Земле не было бы жизни. Знаем мы также и то, что вода, будучи изученной субстанцией, всё же остаётся одной из главных научных тайн нашего времени и, похоже, не собирается лишаться этого звания. Иначе говоря, она, пожалуй, наименее понятная жидкость из всех, известных человеку. Ведь учёные до сих пор далеко не полностью изучили все её возможности.

Как следует из расчетов, наша планета сформировалась 4,6 миллиарда лет назад. И хотя достоверных данных, подтверждающих наличие на ней воды между 4,6 и 3,8 миллиарда лет назад, нет, именно в этот промежуток времени вода внезапно появилась на поверхности Земли. Некоторые специалисты считают, что это было связано с газами, возникшими в процессе вулканических извержений, происходивших тогда с невероятной интенсивностью и собственно сформировавших нынешний облик планеты. Основную часть газовых выбросов при извержении вулканов составляют водяные пары, углекислый газ, сернистый газ, метан (СН4), аммиак (NH3), азот и другие газы. Из них и образовалась первичная атмосфера. Она кардинально отличалась от современной. Во-первых, она была очень тонкой. Во-вторых, у поверхности Земли ее температура была равна примерно 5 °С. В условиях такой низкой температуры водяной пар превращался в жидкую воду — так постепенно образовался Мировой океан и вся гидросфера. В то же время появились снег и лед - криосфера. 

Другие уверены, что вода имеет внеземное происхождение и была занесена на нашу планету с кометами и астероидами, упавшими на её поверхность.

А возможно и то, что миллионы лет назад, когда Земля только начинала формироваться, вода уже присутствовала в скалистых породах, составляющих материнскую основу Земли.

А так как в то время температура молодой планеты постепенно снижалась, то водные испарения в атмосфере конденсировались в форме морей и океанов.

Со времён Чарльза Дарвина большинство учёных было уверено, что жизнь на Земле эво

люционировала в водном пространстве, богатом питательными веществами. Процесс этот

начался именно под водой потому, что в ранней стадии своего развития планета ещё не

имела защитного озонового слоя, и только вода могла сохранить всё живое от губительно

го влияния ультрафиолетового излучения. Выходит, именно вода является единственным

и самым важным фактором обеспеченности того, что на планете может существовать

жизнь. Примитивная, неразвитая, простейшая, но жизнь  Нам удалось вырастить живые

организмы на питательных средах. В качестве пробы была взята вода из реки Толучеевка

Села Петропавловка. Несколько ее капель были помещены в отвар сена. Спустя две неде

ли мы исследовали раствор, который заметно позеленел. Под микроскопом нами были об

наружены: одноклеточная водоросль - хламидомонада, простейшее - эвглена зеленая,

именно они придали зеленый цвет раствору, а также в воде были обнаружены представи

тели типа Инфузории.    

Вода не только жизненно важная жидкость – это ещё и очень странная субстанция, это единственное из всех известных на планете веществ, способных иметь в природе три физические формы – жидкую, твёрдую и газообразную. И хотя Андерс Цельсий и использовал для определения температурной шкалы официальную точку таяния как 0о С  и точку кипения как 100оС, эта таинственная жидкость может замерзать при температуре 100оС, а также оставаться в жидком состоянии при -68о в зависимости от содержания кислорода и атмосферного давления. Крошечные частички воды были даже найдены в высокоперистых облаках при температуре -40о С

Ещё одна особенность воды заключается в том, что она способна растворять большинство компонентов. Это становится возможным потому, что благодаря малой величине молекулы воды могут легко включать в себя другие атомы, имеющие как положительный, так и отрицательный заряд, помогающие процессу растворения. Кстати, именно от этой особенности напрямую зависит жизнь всей нашей планеты. Ведь практически все газы, присутствующие в воздухе, растворимы в воде, что и обеспечивает столь необходимый всем водным организмам свободный кислород. . Воды нашего района богаты солями кальция, магния, в основном это гидрокарбонаты, которые при кипячении превращаются в карбонаты и выпадают в осадок. Кроме этого в воде находятся соли железа. Это легко обнаружить по красноватому налету на стенках сосуда, в котором какое-то время находилась вода, кроме этого при добавлении к воде щелочи выпадало незначительное количество зеленоватого осадка гидроксида железа(2).  

Вода – очень стабильное вещество. Даже при нагревании до 2000оС только незначительный процент молекул разделится на кислород и водород. А это тот процесс, который просто не способно выдержать большинство других соединений. Кроме того, вода обладает очень большой теплоёмкостью. Например, нагревание на 1оС килограмма железа требует меньше энергии, чем нагревание того же количества воды, что делает эффективным водяные системы охлаждения.

Интересно, что вода может оставаться в жидком состоянии при температурах как ниже 0оС, так и выше 100оС. Температура кипения воды зависит от атмосферного давления. Чем больше высота над землёй, тем ниже температура кипения. В горах Тибета, например, местные жители пьют чай, в то время как он кипит и булькает. Они к этому привыкли, но многие жители этих мест получали ожоги, если пытались пить кипящий чай в Индии, находящейся приблизительно на уровни моря.

Вот ещё несколько интересных фактов о воде:

а) одна капля воды в течение своего жизненного цикла проводит 10 дней в атмосфере, 40 дней в леднике, 100 лет в озере и 10 000 лет под землёй;

б) на Земле существуют 14 различных типов льда;

в) некоторые учёные убеждены, что в глубине Земли находится водный запас, способный наполнить океаны 30 раз;

г) если мировые запасы воды свести к пятилитровому контейнеру, то вся пресная вода уместится в чайной ложке;

д) самое сухое место на Земле - север Чили, где уровень осадков составляет 0,1 мм в год.

е) самое влажное место на Земле – Моусинрам в Индии. Там в год выпадает 11 873 мм.

ж) необычные свойства воды, обнаруженные в физико-химических экспериментах последних лет, позволяют разработать модель, в основе которой лежит представление о воде как о сложно структурированном состоянии жидкости. Для воды характерна так называемая «память». Это энергоинформационные процессы, происходящие в воде, подразумевающие материальные изменения, при которых происходит перестановка ее структурных элементов.

Японский исследователь доктор Масару Эмото провел ряд широко известных на сегодняшний день исследований в области структуры воды. Он брал воду с разных источников, в том числе дистиллированную воду и воду из водопровода, и при помощи жидкого азота резко охлаждал, вследствие чего появились кристаллики льда, которые исследовали под высокочастотным микроскопом. Он выяснил, что кристаллы льда, полученные из водопровода мегаполиса, были сильно деформированы и некрасивы, в отличие воды из горных ручьев, чьи кристаллы были столь чисты и красивы, что поражали воображение. В следующих опытах доктор Эмото брал дистиллированную воду и наклеивал на пробирки надписи  с позитивными пожеланиями, например: спасибо, любовь, благополучие и т. д., и негативными: дурак, зло, ненависть и прочее. После заморозки воды с позитивными надписями появились красивые, яркие, многомерные кристаллы. А кристаллы, полученные из воды с негативными надписями, получились уродливые, темные, полуразрушенные (рис1). Также исследования показали, что вода, которой говорят теплые и добрые слова, со временем не стареет даже по  прошествии месяцев, а вода, которой говорят слова с негативным оттенком, протухает буквально в считанные дни.

Аномальные свойства воды? Уникальные свойства воды? Имеют ли значение для органического мира эти толкования?  Энергетические свойства воды меняются  в результате влияния на нас обычных бытовых приборов, негативного отношения людей друг к другу. Все это оказывает по словам А. В. Рериха «влияние на структуру воды в вашем теле, а значит и на вас в частности. Вы и  не замечаете, как начинаете ценить бесполезные вещи, негативно относится к тем или иным расам, вы не видите, как меняется ваше мнение и миропонимание, и считаете, что все так и должно быть.» 

Среди химических соединений, с которыми человеку приходится сталкиваться в своей повседневной жизни, вода, пожалуй, — самое привычное и в то же время самое странное. Её удивительные свойства всегда привлекали к себе внимание ученых, а в последние годы стали вдобавок и поводом для разнообразных околонаучных спекуляций. Вода — не пассивный растворитель, как принято считать, это активное действующее лицо в молекулярной биологии; при замерзании она расширяется, а не уменьшается в объеме, как большинство жидкостей, достигая наибольшей плотности при 4°C. Пока никто из теоретиков, работающих над общей теорией жидкостей, не приблизился к описанию её странных свойств.

Отдельного упоминания достойны слабые водородные связи, благодаря которым молекулы воды образуют на короткое время довольно сложные структуры. Много шума наделала опубликованная в 2004 году в журнале Science статья Ларса Петтерсона  и его коллег из Стокгольмского университета. В ней, в частности, утверждалось, что каждая молекула воды связана водородными связями в точности с двумя другими. Из-за этого возникают цепи и кольца, длиной порядка сотен молекул. Именно на этом пути исследователи надеются найти рациональное объяснение странностей воды.
Но для жителей нашей планеты вода в первую очередь интересна не этим: без чистой питьевой воды все они просто вымрут, а доступность её с годами становится все более проблематичной. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) в настоящее время 1,2 млрд. человек не имеют её в необходимом количестве, миллионы людей умирают ежегодно от болезней, вызванных растворенными в воде веществами. В январе 2008 года на Всемирном экономическом форуме ООН, проходившем в Швейцарии, утверждалось, что к 2025 году население более половины стран мира будет испытывать недостаток в чистой воде, а к 2050 году — 75% (рис.2).
Количество вредных веществ в воде постоянно увеличивается как в развитых, так и в развивающихся странах: от привычных загрязнителей (тяжелых металлов, продуктов нефтеперегонки)  до таких канцерогенных соединений, как эндокринные дизраптеры и нитрозоамины , от «привычных» паразитов, патогенных бактерий и вирусов (например, холерного вибриона) до относительно недавно открытых прионов. Увеличивающееся население Земли, особенно та его часть, что проживает в городах (в 2008 году оно достигло  50%), а также продолжающийся рост потребления воды — особенно в производстве, сельском хозяйстве и энергетике — тянет за собой и большие затраты водных ресурсов из традиционных источников. Проблема чистой воды надвигается со всех сторон: так например, ученые предполагают, что в ближайшие 30 лет таяние ледников (один из основных запасов пресной воды на Земле) приведет к сильным скачкам в уровне многих крупных рек, таких как Брахмапутра, Ганг, Хуанхэ, что поставит полтора миллиарда жителей Юго-Восточной Азии под угрозу нехватки питьевой воды. При этом уже сейчас расход воды, например, из реки Хуанхэ настолько велик, что она периодически не достигает моря.

Для того чтобы избежать водного кризиса, разрабатываются новые технологии очистки и дезинфекции воды, её опреснения, а также методы её повторного использования. Однако помимо научных изысканий необходимы действенные методы организации контроля над водными ресурсами стран: к сожалению, в большинстве государств использованием и планированием водных ресурсов занимается несколько организаций (так, в США этим заняты более двадцати разных федеральных агентств). Эта тема стала основной для номера от 19 марта этого года научного журнала Nature. В частности, Марк Шеннон  и его коллеги из университета Иллинойса в Эрбане–Шампейн (США) провели обзор новых научных разработок и систем нового поколения в следующих областях: дезинфекции воды и удаления патогенов без использования избыточного количества химических реагентов и образования токсичных побочных продуктов; обнаружение и удаление загрязняющих веществ в низкой концентрации; повторное использование воды, а также опреснение морской и воды из внутренних водоемов. Что немаловажно, эти технологии должны быть относительно недорогими и пригодными к использованию в развивающихся странах.
Дезинфекция особенно важна в развивающихся странах Юго-Восточной Азии и Субсахары: именно там патогены, живущие в воде, чаще всего становятся причиной массовых заболеваний. Наряду с болезнетворными организмами — такими, как гельминты (глисты), простейшие одноклеточные, грибы и бактерии, повышенную опасность представляют вирусы и прионы. Свободный хлор — самый распространенный в мире (а также самый дешевый и один из самых эффективных) дезинфектор — отлично справляется с кишечными вирусами, однако бессилен против вызывающих диарею криптоспоридий С.parvum или микобактерий. Ситуация осложняется и тем, что многие возбудители болезней живут в тонких биопленках на стенках водопроводных труб.
Новые эффективные методы дезинфекции должны состоять из нескольких барьеров: удаление с помощью физико-химических реакций (например, коагуляции, седиментации или мембранной фильтрации) и обезвреживание с помощью ультрафиолета и химических реагентов. Относительно недавно для фотохимического обезвреживания патогенов вновь стали использовать свет видимого спектра, а в некоторых случаях эффективно использование комбинирования УФ с хлором или с озоном. Правда, такой подход иногда вызывает появление побочных вредных веществ: например, от действия озона в воде, содержащей ионы бромида, может появиться канцероген бромат. В развивающихся странах используется технология дезинфекции воды в бутылях из полиэтилена терефталата (PET) с помощью, во-первых, солнечного света, во-вторых, гипохлорида натрия (этот метод используется в основном в сельской местности). Благодаря хлору удалось снизить частоту желудочно-кишечных заболеваний, однако в областях, где в воде содержится аммиак и органический азот, метод не работает: с этими веществами хлор образует соединения и становится неактивен.
Предполагается, что в будущем методы дезинфекции будут включать действие ультрафиолета и наноструктур. Ультрафиолетовое излучение эффективно в борьбе с бактериями, живущими в воде, с цистами простейших, однако не действует на вирусы. Тем не менее, ультрафиолет способен активировать фотокаталитические соединения, например, титана, которые в свою очередь способны убивать вирусы. Кроме того, новые соединения, такие как TiO2, с азотом (TiON)  и некоторыми металлами (палладием), могут активироваться излучением видимой части спектра, на что требуется меньше затрат энергии, чем при облучение ультрафиолетом, или даже просто солнечным светом. Правда, подобные установки для дезинфекции имеют крайне небольшую производительность.

Увеличить запасы пресной воды с помощью опреснения вод морей, океанов и засоленных внутренних водоемов — очень соблазнительная цель, ведь эти запасы составляют 97,5% всей воды на Земле. Технологии опреснения шагнули далеко вперед, особенно за последнее десятилетие, однако до сих пор они требуют много энергии и капиталовложений, что сдерживает их распространение. Скорее всего, доля крупных установок по опреснению воды традиционным (термальным) способом уменьшится: они расходуют слишком много энергии и сильно страдают от коррозии (рис.3). Предполагается, что будущее за небольшими системами опреснения, рассчитанными на одну или несколько семей (это касается в основном развивающихся стран).
Современные технологии опреснения используют мембранное разделение с помощью обратного осмоса и температурную дистилляцию. Сдерживающими факторами для развития опреснения являются, как уже было сказано, высокое потребление энергии и эксплуатационные расходы, быстрое загрязнение мембран установок, а также проблема утилизации соляного рассола и присутствие в воде остатков загрязнителей с низким молекулярным весом, например, бора. Перспективность исследований в этом направлении определяется прежде всего снижением удельных затрат энергии, и тут определенный прогресс налицо: если в 1980-х годах они в среднем составляли 10 кВт·ч/м3, то в настоящее время они сократились до 4 кВт·ч/м3. Но есть и другие важные успехи: создание новых материалов для мембран (например, из нанотрубок из углерода), а также создание новых очистных биотехнологий.
Остается надеяться, что в ближайшие годы наука и технологии действительно сильно шагнут вперед — ведь даже оставаясь пока для многих почти незаметным, призрак водного кризиса давно уже бродит не только по Европе, но и по всему миру.

В природе проблема очистки загрязненной воды проста и решается в результате дистилляции. Хотя вода - прекрасный растворитель и уносит с земли в океаны ил и взвешенные вещества, простые процессы испарения и конденсации удаляют из нее все, кроме растворенных газов. В результате природа создает огромные количества пресной воды даже из самых загрязненных вод. На испарение 1 моль воды при 200С расходуется энергия, равная 10,42 ккал. Эта энергия поставляется Солнцем. Она возвращается в атмосферу при конденсации водяного пара в жидкую воду. Однако эти две стадии естественного процесса дистилляции воды обычно происходят не в одном месте, так как скорость испарения максимальна в зонах Земли с наиболее теплым климатом, т. е. в тропиках. Конденсация водяного пара протекает тогда, когда с теплым, насыщенным влагой воздухом соприкасается холодный воздух. В целом круговорот воды в природе приводит к охлаждению тропических зон и нагреванию умеренных. Если бы на Земле не было воды или другого вещества, обладающего столь же высокой эффективностью в качестве теплоносителя, экваториальные области оказались бы перегретыми, а полярные - сильно переохлажденными. Это было бы неудобно для тех форм жизни, которые распространены на Земле. Очистка воды происходит также в результате ее последовательного замерзания и оттаивания, что создает такие источники пресной воды как айсберги.

Таким образом, благодаря круговороту воды в природе человек получает пресную воду в качестве одного из важнейших природных ресурсов. Используя воду, мы загрязняем ее различными веществами, так что ее нельзя повторно применять без предварительной очистки. Если наши потребности в воде превышают природные ресурсы чистой воды, приходится повышать эти ресурсы искусственным путем.

По имеющимся оценкам ученых, на земную сушу ежегодно выпадает около 120000 км3 пресной воды в виде дождя и снега. Из этого количества 32000 км3 воды стекает по земле в ручьи, реки и далее в океаны. Большая часть остальной воды испаряется или остается в растительном и животном мире. В США для ежедневных нужд используется примерно 3600 млрд. литров воды. В 1900 году использовалось только 160 млрд. литров пресной воды; в 1960 году эта цифра превысила 1200 млрд. л, а по оценкам на 2000 год она достигла 3500 млрд. литров в день. Таким образом, США уже стоят перед проблемой повторного использования пресной воды.

 Вода играет огромную роль в формировании климата. Геофизики утверждают, что Земля давно бы остыла и превратилась в безжизненный кусок камня, если бы не вода. Нагреваясь, она поглощает тепло, остывая, отдаёт его. Земная вода и поглощает, и возвращает очень много тепла, и тем самым “выравнивает” ("смягчает") климат. Особенно заметно на формирование климата материков влияют морские течения, образующие в каждом океане замкнутые кольца циркуляции. Наиболее яркий пример – влияние Гольфстрима, мощной системы тёплых течений, идущих от полуострова Флорида в Северной Америке до Шпицбергена и Новой Земли. Благодаря Гольфстриму средняя температура января на побережье Северной Норвегии, за Полярным кругом, такая же, как в степной части Крыма, - около ноля градусов, т. е. повышена на 15 – 20оС. А в Якутии на той же широте, но вдали от Гольфстрима – уже минус 40оС. В последние годы в печати и средствах массовой информации главным виновником погодных аномалий назывался непредсказуемый феномен Эль-Ниньо, представляющий собой еще одно теплое течение, вызывающее потепление поверхности восточной части Тихого океана (рис.4). Феномен Эль-Ниньо заключается в резком повышении температуры поверхностного слоя воды (на 5-9оС) на востоке Тихого океана, что вызывает глобальные изменения климата. В последний раз Эль-Ниньо зарегистрировали в 1997 году. Тогда оно вызвало ураганы, пожары, наводнения и засухи, поразившие весь Тихоокеанский регион. В 1997 году, например, в Индонезии, на севере Бразилии и в Новой Гвинее отмечались наводнения, а Чили, Калифорния и северные районы Перу пострадали от засухи. Основную причину, по которой воды Тихого океана вдруг начали "закипать", ученые назвать пока не могут. "Плотность воды в 800 раз больше плотности воздуха, а удельная теплоемкость - в 4 раза, - поясняет Алексей Соков, заместитель директора   Института океанологии РАН имени П.П.Ширшова. - Теплозапас трехметрового слоя океана равен теплоемкости всей атмосферы. Однако скорость преобразования энергии в атмосфере во много раз превышает скорость энергопереходов в океане. В системе "океан-атмосфера" океан является инерционной средой, медленно накапливающей изменения. Атмосфера же представляет собой более подвижную часть системы, глобальная устойчивость которой поддерживается океаном. Исходя из этого можно смело делать вывод об активной роли вод Мирового океана - прежде всего его холодных глубинных вод - в формировании глобального климата". В последние годы в результате применения новой технологии в морских научных исследованиях, когда впервые использовалась сеть закрепленных в океане автономных буев, дистанционно регистрирующих и передающих по спутниковым каналам связи значения температуры, скорости ветра и другие метеопараметры атмосферы и океана, появилась возможность более детально изучить влияние воды на климат планеты. Исследования Мирового океана уже принесли первые результаты. В рамках проекта сделано очень важное открытие: было зафиксировано резко прогрессирующее нагревание океанических вод в тропических зонах. Более теплые воды, особенно в Тихом и Индийском океанах, начали нагревать атмосферу над тропиками, что приводит к увеличению количества осадков. Ученые считают, что следствием потепления вод Мирового океана является и постепенное нагревание земной суши. Например, зимы в северной Европе и Скандинавии стали более теплыми и влажными, а в южной Европе и на Ближнем Востоке, напротив - холоднее и суше. Что касается знаменитого феномена Эль-Ниньо, то он, по словам доктора Брэка Оуенса из Вудсхолского океанографического института (США), постепенно ослабевает.

От космического холода Землю предохраняют те молекулы воды, которые рассеяны в атмосфере – в облаках и в виде паров. Водяной пар создаёт мощный “парниковый эффект”, который задерживает до 60% теплового излучения нашей планеты, не даёт ей охлаждаться. По расчётам М.И.Будыко, при уменьшении содержания водяного пара в атмосфере вдвое средняя температура поверхности Земли понизилась бы более чем на 5оС. На смягчение земного климата, в частности на выравнивание температуры воздуха в переходные сезоны – весну и осень, заметное влияние оказывают огромные величины скрытой теплоты плавления и испарения воды. В перспективе, как показал известный канадский ученый специалист по проблемам изменения климата Генри Хинчевельд, "...обществу нужно отказаться от представления, будто климат - это нечто неизменное. Он изменчив, изменения будут продолжаться, и человечеству необходимо выработать инфраструктуру, которая позволила бы быть готовыми встречать неожиданное".

Итак, мы узнали о воде много интересного. Так что же значит для Мира вода? Каждый на этот вопрос имеет свое мнение, и оно основано на определенных фактах. А из этого следует, что мнение  каждого бесценно и неоспоримо. Но одно ясно точно: вода слишком важна и необходима человечеству, чтобы ею пренебрегать. Вода – самый главный ресурс Вода – это творец всего живого. Вода – это все.

                                                                   Литература.

1. http://dxdy. ru
2. http://www. knlife.ru
3. http://www. kristalnaya.ru
4. http://www. referat.ru
5. http://www.vokrugsveta.ru

Рис. 1 Результаты исследований Массару Эмото

Рис. 2 Наводнение в провинции Дарфур на юге Судана в 2005 году вызвало острую нехватку питьевой воды. И это совсем не удивительно: хотя воды в избытке, для питья она не пригодна

Рис.3 Опреснительная станция.

Рис.4. Схема образования течения Эль- Ниньо.