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了解水科学

这是宇宙中最沉旧的物质之一,但没有它,我们不会存在。从H20到水循环,了解水的精彩科学。

当从空间深处看到地球时,它看起来像蓝点。这是因为距离水的距离超过70%。水也存在于许多行星上,以及几个卫星 木星土星 被认为有重大的水资源。但是,毫无疑问,地球是我们太阳系的一个身体,其中水有一个定义存在。它感谢水及其物理特性,即生命首先蓬勃发展。我们对我们来说太熟悉,我们经常忘记它是一种非凡的物质。

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水究竟是什么样的?

水是H2O,一种由两个氢原子和氧气之一组成的简单分子。它是唯一存在于地球上自然发现的固体,液体和气体的实体。水是透明的,但 并不无色。就像天空是蓝色的那样,因为大气中的分子散射蓝光比其他颜色更多,所以大量的水有类似的蓝色色调,无论是海洋还是冰川冰的戏剧性蓝调(海洋和湖泊也反映了蓝天,让它们出现甚至是蓝布尔。我们非常幸运地在地球上有如此多的水,因为它具有显着的财产。

冰川冰是蓝色的,因为光散射©Getty
冰川冰是蓝色的,因为光散射©Getty

什么是如此特别?

水是一种令人印象深刻的溶剂,这意味着它非常擅长溶解事物。这部分是为什么它对于生物体来说是如此有价值,其作为活细胞的整个化学品的运输液。是什么让水这样一个良好的溶剂是它坚持并分离物质的原子的能力,这是由于异常强的氢键。这是使水如此特殊的效果:氢原子和其他原子如氮,氧和氟之间的电气吸引。水分子之间的氢键也使它们难以分离,推高沸点。如果没有这种效果,水就会沸腾约-70°C。这意味着没有液体 在地球上 - 没有生命。

氢键的另一种基本副作用是当水冻结时,分子之间的氢键将晶体拉成特定形状。这就是为什么雪花形成六点,这意味着它们在其中的水晶比他们否则更多的空间。它们形成四面体 - 具有四个三角形侧面的形状。结果,固体水或冰少于液体形式,这就是为什么它不建议在冰箱中放入玻璃瓶(水将膨胀并且可以打碎瓶子),以及为什么冰浮子在池塘。

经常说,这种水的性质是独一无二的。例如,这不是真实的,因为乙酸和硅,例如浓度较小,与液体均匀。但这是不寻常的,这很重要。如果冰比水更密集,湖泊将从底部冻结,而不是顶部,使水生生活能够避免寒冷的冬天的可能性得多。

与大多数物质不同,水的固体形式浓度较小,而不是其液体形式©Getty
与大多数物质不同,水的固体形式浓度较小,而不是其液体形式©Getty

我们发现水的宇宙中的哪个地方?

宇宙中制备水(氢气和氧气)的化学元素。事实上,它们是第一个和第三个受群众最常见的。因此,在许多地方出现的水势并不奇怪。每个星球 太阳系 至少有一些水,虽然炉状金星在其大气中仅具有微小的蒸气。

同样,一些卫星提供了良好的。我们自己的 月亮 似乎有冰敷,而一些木星和土星的卫星,如欧罗巴,甘咪塞,戒发和enceladus,被认为是表面冰下的咸水水。彗星从外太阳系统朝着太阳落山,通常含有大量的水冰。进一步推出,我们在遥远的太阳能系统的行星气氛中和新的星星形成的旋转盘中找到了恒星之间的巨大物质。水确实很常见,但很少像它在地球上一样占主导地位。

我们如何知道那里有水?

我们几乎不能出去遥远的星系系统并检查水,但天文学家已经尝试并测试了检测太空中分子的方法。这些依赖于光谱,或研究光谱。当光通过材料时,一些光的光被吸收,留在光谱上的暗线。 Spectroscopy首先用于天文学以检测星星中的元素,但现在在光线通过时,它现在被广泛使用,例如,在深空中的物质云。

不同的化合物具有它们自己的不同“吸收光谱”,如特定分子的指纹。例如,液体水和水蒸气的光谱之间存在甚至有区别(尽管我们无法在行星上检测液态水,除非我们可以直接观察它)。

艺术家对欧罗巴的水汽羽流的印象,木星的卫星之一©Richard Menchaca / Nasa
艺术家对欧罗巴的水汽羽流的印象,木星的卫星之一©Richard Menchaca / Nasa

检测到遥控的行星气氛中的水蒸气比在空间中检测独立的水分子更困难,因为信​​号难以区分明星的自己的光谱。但是,欧洲人试验新技术 Hotmol项目 将光谱与有关光极化的信息相结合,这可以给出频谱源的指示。技术越来越多地发现宇宙中的广泛水域有可能。

水是生命所必需的吗?

水是 当然是必要的 对于我们在地球上的生活形式,这都有一个共同的血统,需要水力。在各种极端环境中发现了生命,在热和冷的极限下操作,即使没有空气。但我们发现的每种类型的生活都包含需要水提供其操作环境的生物细胞。没有它,细胞根本无法运行。这不仅仅是保持它们膨胀和移动化学品的问题 - 活细胞充满了微小的复杂机制。许多这些机制依赖于分子的不同部分与水合作,或者不与它混合。例如,蛋白质是生物体中的主要工人分子。蛋白质必须折叠成特定形状以进行其角色,并且它是通过蛋白质分子的各个部分与水相互作用,该蛋白质分子告诉它如何折叠。水不仅仅是一种溶剂:它紧密地参与了我们宏伟的蜂窝机械的功能。

我们的身体有多少水?

我们人类含有大量的水,通常在50%至70%之间。其中大部分是在约30万万亿个细胞中构成身体,而其余的是血液中的流体。

水不仅饱满了我们的口渴,它也在我们的细胞的运作中发挥着重要作用©盖蒂水不仅仅是饱满的渴望,它也在我们的细胞的运作中起重要作用©Getty
水不只是饱满我们的口渴,它也在我们的细胞的运作中发挥着重要作用©Getty

在我们的细胞中,水防止细胞塌陷,并且还可作为各种分子从一个地方取得的培养基。这种运输作用更明显,水在移动的地方,例如携带血液周围的材料。它还润滑,溶解有价值的化学品,并作为器官的减震器起作用。很难找到身体的一部分,其中水不发挥作用 - 甚至骨头都在三分之一的水域。顺便提一下,虽然我们每天需要大约两升(八个眼镜)的水,但我们不需要以纯粹的形式喝它,因为其他饮料也可以保湿我们。此外,我们通常从食物中的水中达到液体要求的一半。

地球的水是如何到达的?

虽然我们没有100%的地球水的起源,但通常被认为是最初形成地球的物质云的水的组合,以及稍后与地球相撞的尸体的额外水。在阳光下相对接近,我们的星球将在其形成过程中失去了一些初始水,但是进一步出现的尸体,例如小行星和彗星,更有可能抓住他们的水,并且可以添加到地球的供应中当太阳的引力拉动给他们朝向我们时。

很长一段时间,有人认为,地球水的高比例来自这些后来的补充,但最近的研究表明,大多数彗星和小行星上的水往往含有更多的氘 - 氢同位素 - 比地球上的水。这表明我们的星球上的大量水可以追溯到太阳系的起源,并且在地球上的早期仍然很高,它可能在地表下方受到保护。 2016年发现,岩石深度可达1000公里,可以储存水。

水循环如何工作?

水分从海洋,湖泊和植物中蒸发。然后水融入大气中,形成云,然后落在沉淀之前。最终,这种水发现它回到海洋中,作为表面径流或地下水。
水分从海洋,湖泊和植物中蒸发。然后水融入大气中,形成云,然后落在沉淀之前。最终,这种水发现它回到海洋中,作为表面径流或地下水。

由于Sun的恒定能量流,水分子不断蒸发,因为来自海洋和湖泊表面的水蒸气(以及植物和土壤),加入空气中的水蒸气。这是由地球周围的风携带的。在蒸汽达到特别冷的空气的情况下,并且具有颗粒凝聚,它形成了构成云的微小水滴,其结合形成更大的滴,最终落下。当下雨落在高地时,它随着溪流和河流耗尽,最终喂回海洋。这个周期对于否则生活在干燥的土地上的许多生物至关重要。

为什么我们有很多东西时要省水?

一件事是明确的。作为一个星球,我们没有缺水。超过70%的地球表面是水 - 14亿立方米的东西。这是一个巨大的量,很难想象。立方公里是万亿升水。通过人数划分世界上的水量,我们最终每千水0.2立方米。每天合理地消耗每人五升,世界上的水将持续116,219,178岁。这假设我们用水。在实践中,我们“消费”即将再次使用的水以供将来使用。水短缺是真正的能源短缺 - 这是能源成本使得难以提供可用的水。问题是,水要么在错误的地方,所以需要移动,或者需要去除的东西让它可以饮用 - 而且它比与海水更明显。

水分子由一个氧原子和两个氢原子组成©Getty
水分子由一个氧原子和两个氢原子组成©Getty

为什么将海水转化为饮用水是如此困难?

生活在英国,被海洋包围,我们曾经遇到过水资源短缺似乎荒谬。这同样适用于有海岸线的许多国家。并且完全可以将海水转化为饮用水。这只是一个昂贵和能量密集的过程。

海水通常含有大约3.5%的矿物质,主要是在蒸发水时形成盐的钠和氯离子。使这种饮用品的最简单方法只是为了煮水并收集纯蒸汽。或者,可以通过电解和重组将氢和氧与海水分离并重新组合制成水,或者可以通过特殊膜去除矿物,该特殊膜仅允许一些分子。实际的脱盐厂倾向于在蒸发技术上使用变体:该过程并不困难,只是为了消除杂质需要大量的能量,通常明显较低的能量,而不是从其他来源获得水的能量地面或回收。

本文首先出现在问题305中 BBC焦点 杂志 - 订阅这里。


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