Молекулы воды на Земле оказались старше Солнца
Астрономы определили, что молекулы воды попадают из межзвездной среды напрямую в протопланетные диски вокруг молодых звезд, а затем и в ледяные тела, такие как кометы, которые могут переносить их на планеты. Таким образом, молекулы воды в Солнечной системе, в том числе на Земле, возникли в межзвездной среде еще до образования Солнца. Статья опубликована в журнале Nature.
Вода важна не только для возникновения и существования известных нам форм жизни, но и для процессов формирования звезд и планет. Ученых давно интересует весь путь путешествия молекул воды, который начинается в межзвездных облаках газа и пыли, а заканчивается на поверхностях и в атмосферах планет. Помочь в нем разобраться может измерение соотношения молекул тяжелой воды (HDO) к обычной воде (H2O) в туманностях, молодых звездах и малых телах Солнечной системы, что даст информацию о том, где образовались те или иные молекулы воды.
Однако долгое время проблемой было наблюдение молекул воды в протопланетных дисках вокруг молодых звезд, так как водяной пар, который достаточно просто регистрировать, наблюдается лишь в пределах узкой снеговой линии (менее 10 астрономических единиц от звезды), а за ней превращается в лед на поверхности пылевых частиц, которые обнаруживать уже гораздо сложнее.
Группа астрономов во главе с Джоном Тобином (John J. Tobin) из Национальной радиоастрономической обсерватории США опубликовала результаты измерений содержания HDO/H2O в протопланетном диске вокруг солнцеподобной протозвезды V883 Ориона при помощи системы радиотелескопов ALMA.
V883 Ориона обладает массой 1,3 масс Солнца, возрастом около полумиллиона лет и находится на расстоянии 1300 световых лет от Солнца. Диск вокруг звезды обладает массой 0,02-0,09 массы Солнца, излучение пыли и газа регистрируются до отметок в 125 и 320 астрономических единиц от звезды, соответственно.
Исследователи напрямую зарегистрировали излучение молекул HDO и H218O в газовой фазе в диске. Это стало возможным благодаря тому, что около 130 лет назад в системе произошла вспышка аккреции вещества на протозвезду, из-за чего ее светимость увеличилась до 200 солнечных светимостей, а большая часть диска нагрелась выше температуры сублимации воды. Благодаря этому снеговая линия для воды оказалась на удалении 40-120 астрономических единиц от звезды.
Измеренный в текущей работе радиус снеговой линии для воды составил около 80 астрономических единиц от звезды. Общая масса водяного пара в протопланетном диске эквивалентна примерно 1200 массам всех земных океанов, причем это нижний предел, так как не учитываются молекулы воды на удалении менее 40 астрономических единиц от звезды и в виде льда во внешней части диска.
Соотношение HDO/H2O в диске вокруг V883 Ориона составило (2,26±0,63)×10–3. Это значение сравнимо со значениями, полученными для оболочек протозвезд и комет Солнечной системы, и превышает значение, полученное для земных океанов. Это означает, что и вода, и метанол, и дейтерированные частицы образуются в ледяной мантии пылинок в межзвездной среде еще до образования звезды, а во время формирования протопланетного диска или комет не происходит значительного химического изменения этих молекул, заключенных в лед, который затем попадает в состав комет, планетезималей или астероидов. В случае Солнечной системы это означает, что молекулы воды возникли в холодной межзвездной среде еще до образования Солнца, а затем попали в диск вокруг него, из которого формировались кометы и планеты.
Ранее мы рассказывали о новом обнаруженном типе экзопланет — суперземлях с мантией из воды.
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Уникальные свойства воды — Cyber Aqua на vc.ru
1. Вода полярная. Молекулы воды полярны, с частичным положительным зарядом на атомах водорода, частичным отрицательным зарядом на кислороде и изогнутой общей структурой. Это связано с тем, что кислород более электроотрицателен, а это означает, что он лучше, чем водород, притягивает электроны.
2. Вода отличный растворитель. Вода обладает уникальной способностью растворять многие полярные и ионные вещества. Это важно для всех живых существ, потому что, когда вода проходит через круговорот воды, она забирает с собой много ценных питательных веществ!
3. Вода обладает высокой теплоемкостью. Чтобы повысить температуру определенного количества воды на градус, требуется много энергии, поэтому вода помогает регулировать температуру в окружающей среде. Например, это свойство позволяет температуре воды в пруду оставаться относительно постоянной днем и ночью, независимо от изменения температуры воздуха.
4. Вода имеет высокую теплоту испарения. Люди (и другие животные, которые потеют) используют высокую теплоту испарения воды для охлаждения. Вода превращается из жидкой формы в пар при достижении теплоты испарения. Поскольку пот состоит в основном из воды, испаряющаяся вода поглощает избыточное тепло тела, которое выделяется в атмосферу. Это называется испарительным охлаждением
5. Вода обладает когезионными и адгезионными свойствами. Молекулы воды обладают сильными силами сцепления из-за их способности образовывать водородные связи друг с другом. Силы сцепления ответственны за поверхностное натяжение тенденцию поверхности жидкости сопротивляться разрыву, когда она находится под напряжением или напряжением. Вода также обладает адгезионными свойствами, которые позволяют ей прилипать к другим веществам, кроме нее самой.
6. Вода менее плотная в твердом виде, чем в жидкой. Когда вода замерзает, молекулы образуют кристаллическую структуру, которая разделяет молекулы дальше, чем в жидкой воде. Это означает, что лед менее плотный, чем жидкая вода, поэтому он плавает.
Это свойство важно, поскольку оно защищает пруды, озера и океаны от замерзания и позволяет жизни продолжать процветать под ледяной поверхностью.
• Вода растворяет все, потому что это «универсальный растворитель». Вода обладает способностью растворять многие вещества, но термин «универсальный растворитель» вводит в заблуждение. Вода способна растворять другие полярные молекулы и ионы, такие как сахара и соли. Однако неполярные молекулы, такие как масла, не имеют частичных положительных или частичных отрицательных зарядов, поэтому они не притягиваются к молекулам воды. Вот почему неполярные вещества, такие как масло, остаются отдельными при добавлении в воду.
Источник:
https://cyberaqua.
25 719 просмотров
Конфигурация молекулы воды
Для инструктора
Эти материалы для учащихся дополнить Наука о воде и общество Инструкторские материалы. Если вы хотите, чтобы ваши ученики имели доступ к учебным материалам, мы предлагаем вам либо укажите их на студенческую версию который опускает обрамляющие страницы с информацией, предназначенной для факультет (и этот ящик). Или вы можете скачать эти страницы в нескольких форматах которые вы можете включить на веб-сайт своего курса или в локальную систему управления обучением. Узнайте больше об использовании, изменение и обмен учебными материалами InTeGrate. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Одно-единственное электронное кольцо вокруг ядра каждого атома водорода имеет только один электрон. Отрицательный заряд электрона уравновешивается положительным зарядом одного протона в ядре водорода. Электронное кольцо водорода на самом деле предпочло бы иметь два электрона для создания стабильной конфигурации.
Молекула воды Источник: Climate Science Investigations (CSI), НАСА
Однако два атома водорода находятся по одну сторону от атома кислорода, так что положительно заряженные ядра атомов водорода остаются открытыми. , так сказать, оставив тот конец молекулы воды со слабым положительным зарядом. Между тем на другой стороне молекулы избыточные электроны атома кислорода дают этому концу молекулы слабое отрицательное изменение. По этой причине молекула воды называется «диполярной» молекулой. Вода является примером полярного растворителя (одного из лучших), способного растворять большинство других соединений из-за неравномерного распределения заряда молекулы воды. В растворе слабая положительно заряженная сторона одной молекулы воды будет притягиваться к слабой отрицательно заряженной стороне другой молекулы воды, и две молекулы будут удерживаться вместе за счет так называемой слабой водородной связи. В диапазоне температур морской воды слабые водородные связи постоянно разрываются и вновь образуются.
« Предыдущая страница Следующая страница »
Вода, молекула жизни
В этот Международный день водных ресурсов наш ученый, доктор Катя Николет, выучила воду, эту замечательную, волшебную молекулу, которая занимает центральное место в нашей жизни. жизнь, которую мы принимаем как должное. Но мы определенно не должны. Узнайте больше о воде сегодня и никогда больше не смотрите на высокий стакан с водой так, как раньше.
Саргассум в Атлантическом океане
© Energy Observer Productions I Francine Kreiss
Молекула жизни
Молекула воды обладает некоторыми уникальными свойствами, которые делают возможной жизнь на Земле, или, точнее, жизнь развилась на основе этих особых качеств воды. В любом случае вода является синонимом жизни на нашей Голубой планете. Вода состоит из одного атома кислорода (O) и двух атомов водорода (H), вместе они образуют в целом стабильную и электрически нейтральную молекулу (она не заряжена).
В результате одна сторона молекулы заряжена слегка положительно, а другая — слегка отрицательно. Эта полярность (небольшой положительный/отрицательный заряд) позволяет молекуле вести себя как магнит, который «притягивается» к другим молекулам воды или другим поляризованным молекулам. Слабые связи между водородом одной молекулы воды и кислородом другой молекулы воды называются водородной связью, и это делает воду почти волшебной.
© Wikimedia Commons
Из-за своей полярности вода является сильным растворителем! Например, молекула соли (NaCl) разрывается водой, потому что Na+ притягивается к отрицательной стороне, а CL- притягивается к положительной стороне. Таким образом, соль растворяется в воде, учитывая соленость нашего океана. Точно так же вода может растворять минералы в горных породах и отложениях и становиться важным источником минералов для людей, животных и растений.
Лед плавает, ничего страшного, верно?
Водородные связи между молекулами воды приводят к еще одному свойству, называемому когезией. Когезия означает, что молекулы воды слипаются, что, в свою очередь, обеспечивает капиллярность. А капиллярность — это то, как вода будет счастливо течь по тканям растений и кровеносным сосудам даже вопреки силе гравитации. Волшебный. Или физика. Вам решать. Сцепление также отвечает за поверхностное натяжение, причина, например, в том, что вода образует купол на поверхности слегка переполненного стакана или что водомерки (насекомые) могут ходить по воде, не нарушая ее поверхности.
Но самое безумное: эта дополнительная липкость означает, что вода при комнатной температуре является жидкостью, а не газом из-за водородных связей! Хотя водородные связи постоянно формируются и разрушаются по мере движения молекул воды, липкости достаточно, чтобы удерживать молекулы воды близко друг к другу и не допускать превращения ее в газ при 20°C.
Кроме того, связи в жидкой воде удерживают молекулы очень близко друг к другу, но когда вода замерзает, молекулы выстраиваются в кристалл, создавая больше промежутков между молекулами. Вот почему жидкая вода более плотная, чем твердая вода.
Ледник на Шпицбергене
© Energy Observer Productions I Antoine Drancey
И это чрезвычайно важно. Мы всегда видели, как лед плавает в воде, поэтому мы никогда не задавались этим вопросом, но можете ли вы представить себе какой-либо другой элемент, который является более плотным, чем жидкость, а не твердое тело? Плавает ли твердый свинец на жидком свинце? Растворяется ли твердое масло (жир) на жидком масле? Нет!, потому что жидкое состояние обычно означает, что молекулы более возбуждены, больше перемещаются и, таким образом, между ними больше пространства. Но не вода. Самая плотная вода на самом деле имеет температуру 4°C, а наименее плотная – как вы уже догадались – 0°C. Волшебно, опять же.
Жизнь и смерть из-за льда
Итак, лед занимает больше места, чем вода.
Вы, наверное, сталкивались с этим, когда взорвалась бутылка с водой, которую вы оставили в морозильной камере, или когда зимой прорвало водопроводную трубу. Это свойство льда имеет важные последствия для выветривания вещества и образования отложений в результате эрозии. По этой же причине большинство организмов умирает при замерзании, потому что лед, образующийся внутри клеток, пробивает клеточную мембрану. Лишь немногие животные и растения с белками-антифризами могут пережить понижение температуры тела ниже 0°C. И это также причина, почему, если бы вы были криогенизированы, вы бы превратились в лужу крови и тканей после оттаивания. Если только вы не крутая антарктическая рыба.
Однако менее плотный лед также означает жизнь. Если бы твердая вода была плотнее жидкой, озера, реки и океаны замерзали бы снизу вверх. Как только образовывались кристаллы льда, они опускались и скапливались на дне, пока все не замерзло. Все разнообразие бактерий, растений, беспозвоночных, рыб и амфибий, обитающих в озерах и полярных океанах, будет ежегодно вымирать, что сильно повлияет на водное биоразнообразие.
Вместо этого лед образуется на поверхности, создавая умеренно холодный слой (0°C) между водой и часто более холодными условиями окружающей среды. Таким образом, водные организмы защищены от низких температур и могут дожить до весны.
Голубая планета
Погружение под саргассум
© Energy Observer Productions I Francine Kreiss
Теперь вам, наверное, ясно, что вода — уникальная молекула и что жизнь на Земле зависит от нее. На самом деле 70% планеты покрыто океанами! Но для нас, неморских организмов, соленая вода не пригодна для питья. Если бы мы пили соленую воду, вода в наших клетках попыталась бы растворить соленую воду посредством процесса, называемого осмосом, и в итоге мы серьезно обезвоживались бы. То же самое для неморских растений и животных. В результате наземные и пресноводные организмы зависят от пресной воды. А пресной воды на земле на удивление мало!
Из всей воды на Земле 97,5% составляет соленая вода! На этой планете остается всего лишь 2,5% пресной воды (примерно 34 650 000 км3).
Но ждать! Около 69% всей пресной воды хранится в ледниках, ледяных шапках и мерзлых грунтах (вечная мерзлота; цифры округлены). Таким образом, только 31 % пресной воды на Земле фактически доступен для жизни, подавляющее большинство из которых (30 %) составляют подземные воды, и только 1 % всей пресной воды в мире составляют поверхностные воды (435 100 км3).
Важность подземных вод
Подземные воды – это все воды, которые просачиваются и просачиваются сквозь землю, достигая подземных водоносных горизонтов. Эти водоносные горизонты состоят из различных материалов (песок, гравий, проницаемые осадочные породы, вулканические и кристаллические породы), которые улавливают воду из поверхностных осадков и таяния снега. Даже если поверхностные воды — это то, что мы можем видеть и испытывать каждый день, подземные воды на самом деле обеспечивают большую часть воды, используемой населением мира (сельское хозяйство, сельское хозяйство, промышленность) и напитков. В некоторых засушливых регионах это единственный доступный источник пресной воды, в результате чего 2,5 миллиарда человек зависят исключительно от грунтовых вод как от источника ежедневной воды.
Это хранилище подземных вод также чрезвычайно важно для среды обитания и растительности, обитающей на поверхности. Он играет ключевую роль в поддержании уровня воды и стока в реки, озера и водно-болотные угодья, особенно в засушливые месяцы. Этот поток воды через землю необходим для дикой природы и растительности, и только устойчивые к высыханию растения могут жить на участках, удаленных от грунтовых вод (некоторые возвышенности).
Потребление и загрязнение подземных вод
Наши потребности в воде трудно понять, но для поддержания рациона среднего американца, выращивая сельскохозяйственные культуры и разводя животных, требуется 5 000 литров воды в день! Во всем мире на орошение приходится более 70% общего водозабора, как поверхностных, так и подземных. И около 45% от общего объема используемой оросительной воды приходится на подземные воды. И это только для нужд населения, животным и экосистемам требуется большое количество пресной воды для поддержания биоразнообразия и жизни.
Пресноводные экосистемы являются домом для множества растений и животных, и в настоящее время скорость вымирания этих экосистем в 15 раз превышает скорость вымирания морских экосистем! По всем этим причинам пресная вода чрезвычайно важна.
Шпицберген
© Energy Observer Productions I Antoine Drancey
К сожалению, системам пресной воды, и особенно подземным водам, угрожает чрезмерное потребление, деградация и загрязнение. Колодцы опустошили целые водоносные горизонты там, где потребности населения в воде превышали поступление воды с осадками. Снижение уровня некоторых водоносных горизонтов вблизи океана иногда приводит к просачиванию соленой воды в пористую почву, что делает грунтовые воды непригодными для питья и использования для сельскохозяйственных культур. Наконец, всевозможные антропогенные загрязнители могут проникать в землю вместе с осадками и загрязнять водоемы подземных вод. Неполный список включает пестициды и удобрения с полей, соли с дорог, химические вещества со свалок, органические загрязнения из протекающих септических и канализационных систем и т.
