История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет

Хейзен Роберт

Многие особенности молекулы воды объясняются такой полярностью. Полярная вода является суперрастворителем, поскольку сильное воздействие ее положительных и отрицательных зарядов способно разрушать другие молекулы. Поэтому в воде так быстро растворяется поваренная соль, сахар и многие другие вещества. Чтобы растворить горные породы, времени требуется больше, но за миллионы лет в океанах скопились почти все химические элементы. (В результате в каждом кубическом километре морской воды содержится около 44 кг золота, ценностью более 2,4 млн долларов, по текущему курсу драгоценных металлов, если бы существовали технологии, позволяющие добыть это золото из воды.) Такая несравненная способность воды растворять и перемещать различные химикаты превращает ее в идеальную среду для зарождения и развития жизни. Жизнь на Земле и, пожалуй,

повсюду в космосе зависит от воды.

Полярность молекул воды обусловливает их прочную связь друг с другом: положительно заряженная сторона молекулы притягивает отрицательно заряженные края других молекул. Вот почему лед является таким твердым (в чем можно убедиться, если вам приходилось когда-либо падать, катаясь на коньках). Чрезвычайно крепкая межмолекулярная связь воды сказывается и в высоком поверхностном натяжении – удивительное свойство, которое позволяет мелким насекомым буквально ходить по воде. В свою очередь, поверхностное натяжение ведет к капиллярности, которая позволяет воде подниматься по узким каналам ствола растения и питать влагой деревья высотой десятки метров. Появление круглых капель дождя под влиянием сильного взаимного притяжения молекул воды – еще одно проявление поверхностного натяжения и важное условие необычайно быстрого круговорота воды на планете. Неполярные, летучие молекулы вроде метана или углекислого газа не способны образовывать круглые капли. Они просто парят в атмосфере в виде сверхтонкого, всепроникающего тумана, так что на планетах, где в атмосфере преобладают такие газы, слово «дождь» не известно.

Крепкая взаимосвязь молекул предопределяет и многие другие, весьма любопытные свойства воды: вода в жидком состоянии на 10 % плотнее льда. Почти все известные химические соединения, находящиеся в твердом состоянии, тонут в жидкости из того же вещества – это объяснимо с точки зрения интуитивной логики, поскольку в твердом веществе молекулы упаковываются в повторяющиеся правильные группы, тогда как в том же веществе, находящемся в жидком состоянии они располагаются хаотично. Представьте себе коробки с обувью в кладовой обувного магазина. Ровные стопки и ряды коробок (именно так располагаются молекулы в кристаллических структурах) занимают гораздо меньший объем в пространстве, чем их беспорядочное нагромождение (так хаотично болтаются молекулы в жидкости). Но молекулы воды отличаются большей вязкостью, т. е. оказываются гораздо более плотно связанными в жидком виде, чем в упорядоченных кристаллах льда.

Важным следствием этого свойства оказывается плавучесть льда: в виде кубиков в стакане, льдин на реке или гигантских айсбергов в океане. Если бы не эта особенность, многие водоемы каждую зиму промерзали бы до дна, вместо того чтобы образовывать толстый защитный слой льда на поверхности воды. При таком абсолютном оледенении водные формы жизни в холодных регионах вряд ли смогли существовать, да и сам круговорот воды остановился бы. Любопытно отметить, что это свойство является одним из условий (может, не самым важным) для катания на коньках и на лыжах. Сильное давление лезвия конька на твердый лед сопровождается образованием на его поверхности тончайшего слоя жидкой воды, благодаря которому коньки скользят по льду. При слишком низкой температуре (обычно ниже –73 °С) жидкая водяная смазка не образуется, что сильно затрудняет скольжение конька или лыжи.

Еще одним отличительным свойством «чистой» воды является ее недостаточная чистота. Независимо от самой тщательной фильтрации или дистилляции, вода никогда не состоит только из молекул H₂O. Некоторая часть молекул, состоящих из трех атомов, неуклонно распадается на положительно заряженные ионы водорода (гидроны, или ионы H⁺, которые на самом деле представляют собой независимые, положительно заряженные протоны без каких-либо электронов вообще), а также отрицательно заряженные гидроксильные ионы (ионы OH^–). Гидроны быстро присоединяются к молекулам воды, образуя ионы гидроксония H₃O⁺. То, что мы называем чистой водой при комнатной температуре, содержит примерно одинаковое количество ионов гидроксония и отрицательно заряженных гидроксильных ионов, в химических терминах это и есть pH = 7 (можно сказать, что «сила водорода» составляет 10–7 моль/л).

Две

важные, но малоизученные характеристики первичных океанов Земли – pH и содержание солей представляют особый интерес для исследователей. Вода легко растворяет любые примеси, как положительно заряженные ионы натрия (Na⁺) или кальция (Са₂⁺), так и отрицательно заряженные ионы хлора (Cl^–) или карбоната (СО₃^2–). В общем случае совокупный электрический заряд любого объема водного раствора должен быть равен нулю: общее число положительных зарядов должно быть уравновешено адекватным числом отрицательно заряженных частиц. В чистой воде комнатной температуры 10–7 молей H₃O⁺ нейтрализуются 10^–7 молей OH^–. Однако в кислотах требуется избыток H₃O⁺, чтобы нейтрализовать отрицательные ионы (например, хлора в соляной кислоте HCl). В щелочной среде дополнительное количество OH^– требуется для нейтрализации положительно заряженных ионов (например, натрия в гидроокиси натрия NaOH).

Концентрация кислотных и щелочных компонентов определяется по шкале pH. Низкие значения pH указывают на кислотные примеси, где ионов H₃O⁺ больше, чем ионов OH^–. Жидкость с небольшой кислотностью со значением pH = 6 (типично для необработанной питьевой воды во многих регионах) содержит в десять раз больше ионов гидрония, чем нейтральный раствор со значением pH = 7. Вот примеры жидкостей с большей кислотностью: кофе (pH = 5, H₃O+ в 100 раз больше), уксус (pH = 3, H₃O⁺ в 10 тыс. раз больше), лимонный сок (pH = 2, H₃O⁺ в 100 тыс. раз больше). А вот, напротив, примеры жидкостей, в которых ионы OH – преобладают над ионами H₃O+ и значение pH которых больше 7 – это типичные щелочи, такие как пищевая сода (pH = 8,5), гидроксид магния (лекарство от изжоги, pH = 10) и домашние моющие средства (pH = 12). Ниже мы увидим, что показатели pH и солености первичного океана Земли являются остродискуссионными вопросами.

Вода, вода, кругом вода

Одно из самых распространенных в космосе веществ – это вода. Куда бы мы ни обратили свой взгляд, повсюду встречается вода. Ее наличие на планетах, спутниках и кометах объясняет, почему же воды так много на Земле, а также указывает на возможность присутствия жизни в космосе, поскольку вода и жизнь тесно связаны между собой. Наблюдения в телескопы могут быть обманчивыми, поскольку обилие воды в нашей атмосфере искажает представление о наличии воды на отдаленных объектах. Тем не менее в глубоком космосе на некоторых космических объектах обнаруживается ледяной покров – его определяют по выраженному поглощению замерзшей водой инфракрасных лучей.

Этот спектроскопический след показывает, что значительные объемы замерзшей воды встречаются на некоторых кометах и астероидах. Астрономические исследования зафиксировали множество ледяных миров в пределах Солнечной системы – от Плутона с его небесным спутником Хароном до Сатурна с его сверкающими ледяными кольцами. Все газовые гиганты, изначально состоящие из водорода и гелия, в своих плотных атмосферах содержат значительные запасы водяного пара. На громадных спутниках Юпитера Европе и Каллисто, предположительно, под многокилометровым покровом льда находятся еще более глубокие океаны воды.

Ближние к нам планеты земного типа, на первый взгляд, кажутся безводными. Однако благодаря наблюдениям с помощью запущенного НАСА на Меркурий космического аппарата Messenger обнаружились солидные отложения льда в холодных полярных кратерах, дна которых не достигают лучи Солнца. Следующая планета, Венера, возможно, вначале имела запасы воды, сопоставимые с земными, но в настоящее время воды на ее поверхности, скорее всего, почти нет. Ее раскаленная углекислая атмосфера свидетельствует о безудержном парниковом эффекте и о давно исчезнувшей поверхностной воде, когда-то существовавшей на планете.