А все-таки, где центр Вселенной? (стр. 2 )

Следует особо остановиться на воде. Многие ее физические и химические свойства во всех ее возможных фазах физического состояния (главным образом – пар, жидкость и лед) аномальны сравнительно с другими химически подобными веществами (прежде всего, соединениями водорода с иными химическими элементами) и удивительно приспособлены для жизни. Например: при плавлении льда объем получаемой жидкой воды уменьшается, теплоемкость возрастает почти в два раза, а в интервале 0 – 100 градусов по Цельсию почти не меняется.

Высокая диэлектрическая проницаемость воды и дипольный момент определяют ее сильнейшую растворяющую, а также ионизирующую способность по отношению к иным ионогенным и полярным веществам. Концентрация ионов Н+ и ОН– – значимый показатель водных растворов. Эта жидкость растворяет в той или иной степени любые вещества. Вода проявляет исключительно высокую поверхностную активность, проникая, даже, в толщу сплошных магматических горных пород и разрушая их поверхностные слои, что благоприятствует формированию почвы. Вода – единственное вещество (кроме ртути), для которой функция зависимости удельной теплоемкости от температуры имеет минимум. Конкретно у воды он находится чуть ниже 37 градусов по Цельсию, что, кстати, соответствует нормальной температуре человеческого тела. Теплоемкость воды аномально высока (почти вдвое сравнительно с другими простыми веществами). Это способствует сохранению тепла живыми организмами и океанами. При переходе из твердой фазы в жидкую вода обладает особенно высокой удельной теплотой плавления (энтальпией), что, в частности, благоприятствует стабилизации климата на Земле. Еще одна аномалия воды заключается в том, что ее максимальная плотность достигается при температуре плюс четыре градуса по Цельсию, а не при нулевой температуре, как у всех остальных веществ. Плотность льда почти на 10% меньше, а удельный объем на столько же больше, чем у жидкой воды. Это приводит к тому, что лед плавает на поверхности водных бассейнов, играя роль теплоизолятора и, тем самым, защищая водоемы от промерзания. Молекулы жидкой воды проявляют необычное для иных жидкостей свойство объединяться в кластеры (группы) – сложные образования от трех до шести молекул. Если бы структура жидкой воды не была столь необычно сложной, а подчинялась общим правилам всех иных жидкостей, то она замерзала бы при температуре порядка минус 100 градусов по Цельсию, а закипала – при температуре плюс 10 градусов по Цельсию. Это свойство кластеризации отсутствует в газообразной воде. Причем плотность пара меньше плотности воздуха, что препятствует гибельной для жизни изоляции поверхности Земли от атмосферы плотным туманом. Однако этот легкий газ активно формирует капли жидкости и в виде осадков, более тяжелых, чем воздух, возвращается на Землю, образуя круговорот воды. Среди трехатомных соединений молекула воды по размеру самая маленькая и обладает необычной (единственной во множестве всех трехатомных веществ) геометрией, обнаруживающей гармонию так называемой “золотой пропорции”. Указанное свойство приводит к тому, что вода проявляет редкостные физиологические воздействия, особенно в талой форме. Оттого, в частности, зимой не промерзают травы под снегом и деревья, не погибает хвоя. Лед обладает и многими иными удивительными особенностями. Например, он всегда химически весьма чист, так как при замерзании воды практически все примеси вытесняются в жидкость. В общепланетном масштабе это свойство приводит к поддержанию гигантского очистительного процесса – вода постоянно очищает сама себя в ходе циклического замерзания и таяния. Подобное очищение происходит и при испарении воды (дистилляция). Лед и особенно снег обладают очень высокой отражательной способностью. Вследствие этого не происходит заметного нагрева полярных областей и горных ледников, отсутствуют сезонные наводнения и повышения уровня океанов.

Благодаря высоким теплоемкостям, энтальпиям плавления и испарения, другим уникальным характеристикам вода во всех ее фазах (прежде всего – пар, жидкость и лед) исполняет роль незаменимого регулятора климатических и иных физических условий на Земле, а также физиологических процессов в экосфере и в отдельных организмах.

Поэтому одним из главных требований для сохранения жизни является большое количество воды, а также устойчивость ее параметров на поверхности планеты. Океаны, моря, озера и реки должны не кипеть, не испаряться целиком, сохраняться и не промерзать. Недопустимо для жизни существование воды в виде концентрированных растворов (например, солевого рассола Мертвого моря). Наряду с умеренно соленой водой необходимо наличие и пресной воды для нормализации обмена веществ в масштабах всей планетной экосистемы.

Эти ограничения сразу оставляют узкие диапазоны приемлемых условий на поверхности и в коре Земли: температурные перепады, динамика круговорота воды, интенсивность растворения разных веществ (прежде всего – солей и микроэлементов) и т. п. На Земле, в отличие от других планет солнечной системы, имеется огромное количество воды: мировой океан и водоемы суши вмещают в себя 1390 млн. куб. км воды, объем ледников составляет 35,3 млн. куб. км, а объем водяных паров в атмосфере – 0,013 млн. куб. км. Гидросфера занимает более 75% площади поверхности нашей планеты. Для полнокровной жизни на Земле воды вполне достаточно.

Стабильность поверхностной воды возможна лишь на определенном расстоянии от звезды. Иначе вся вода перейдет или в состояние пара (как на Венере), или льда (как на Марсе). Этот единственно пригодный для жизни участок внутри какой-либо планетной системы в астрофизике называется околозвездной обитаемой зоной (ООЗ). Он располагается вокруг одиночной звезды в форме узкого кольца. Например, небольшое изменение параметров орбиты Земли (до нескольких процентов от радиуса орбитального вращения) сделало бы на ней жизнь нереальной.

Параметры нашей атмосферы тоже на удивление оптимальны. С одной стороны, нам пока не грозит “парниковый эффект”, с другой стороны, солнечное тепло достаточно хорошо сохраняется. Около 42% лучистой энергии свободно покидает Землю в результате отражения, только 43% поглощается грунтом и 15% – атмосферой (преимущественно облаками). К примеру, на планете Венера парниковый эффект разогревает ее поверхность до температуры плюс 470 градусов по Цельсию, а на Марсе средняя температура равна минус 40 градусов по Цельсию, достигая минус 125 градусов по Цельсию. Растения используют всего 0,1% солнечной энергии, достигающей Землю. Атмосфера Земли содержит газовый баланс, наиболее благоприятный для жизни. В ней наилучшее для этой цели количество и соотношение кислорода, азота и диоксида углерода. Кроме того, атмосфера нашей планеты образует экранирующий слой из озона (соединения кислорода), защищающий жизнь от космической радиации. Поразительно, что спектр поглощения ультрафиолетовых лучей у озона и нуклеиновых кислот (от которых зависит генофонд) практически точно совпадают. Этот газ способствует также сохранению температурного режима атмосферы. В целом на Земле поддерживается оптимальная температура для всех живых существ: в среднем в пределах 15-35 градусов по Цельсию.

Важным для биосферы изменениям во времени температуры атмосферы и поверхности Земли присущи два основных ритма: суточный и годичный. Они возникают благодаря наклону оси собственного вращения нашей планеты и вытянутости орбиты ее движения вокруг Солнца. Суточные и годичные ритмы освещенности и согрева Земли солнечным излучением накладываются друг на друга. Годичный ритм доминирует в полярных областях и заметен повсюду на Земле за исключением экваториальной зоны, в которой преобладает суточная смена дня и ночи. Под их воздействием возникают разнообразные струйные течения в океанах и атмосфере, формирующие климат (в первую очередь баланс температуры, влажности, кислорода и углекислого газа) на всей планете. Однако сила и контрастность этих потоков, за исключением редких и локальных случаев, не превосходят разрушительного порога и, поэтому, они не сметают ураганами все с поверхности планеты. В целом параметры наклона оси собственного вращения Земли и характеристики ее орбиты вокруг Солнца удивительно благоприятны для жизни.

Оказывается, что даже соотношение площадей суши и воды имеет серьезный смысл для установления нормальной атмосферной температуры и иных важных процессов поддержания жизни. Мировой океан поглощает в 2 – 3 раза больше солнечной энергии, чем суша, накапливая летнее тепло и отдавая его атмосфере в зимнее время. Суммарная масса живого вещества на суше и в воде определяется современной наукой по разным методикам. Например, на суше общая биомасса составляет 2420 млрд. тонн (будем считать за 100%): растения – 2400 млрд. тонн или 99,2%, животные и микроорганизмы – 20 млрд. тонн или 0,8%. В океанах общая биомасса составляет 3,2 млрд. тонн (считая за 100%): растения – 0,2 или 6,3%, животные и микроорганизмы – 3 млрд. тонн или 93,7%. По иной оценке общая биомасса достигает 1360,0 млрд. тонн. Из них на континенты приходится 1352,2 млрд. тонн, а на океаны – 7,8 млрд. тонн. В том и другом случае по биомассе основная нагрузка достается суше. Преимущественно наземные растения влияют на современный состав атмосферы, строго контролируя и поддерживая оптимальную концентрацию кислорода и углекислого газа. Однако, качественный вклад океанов в поддержание жизни значителен. В Библии написано: “И сказал Бог: да произведет вода пресмыкающихся, душу живую; и птицы да полетят над землею, по тверди небесной” (Быт.1.20.).

Распространенность химических элементов в земной коре благоприятствует жизни. Например, кислород составляет 49,5% массы земной коры. Кремний – 25,3%. Алюминий – 7,5%. Железо – 5,08%. Кальций – 3,39%. Натрий – 2,63%. Калий – 2,40%. Магний – 1,93%. Водород – 0,97%. Титан – 0,62%. Углерод – 0,1%. Марганец – 0,09%. Фосфор – 0.08%. Фтор – 0,065%. Сера – 0,05%. В земной коре встречаются все элементы таблицы Менделеева. В разной степени все они необходимы для жизни. И в морской воде присутствуют практически все химические элементы. Например, кислород составляет 85,80% всей массы воды. Водород – 10,67%. Хлор – 2.00%. Натрий – 1,07%. Магний – 0,14%. Любопытен сравнительный состав некоторых основных химических элементов в морской воде и жидкостях человеческого организма (содержание натрия принято за 100). Морская вода: натрий – 100, калий – 2,74, кальций – 2,79, магний – 13,94, хлор – 136,8. Жидкости человеческого организма: натрий – 100, калий – 3,99, кальций – 1,78, магний – 0,66, хлор – 84,0. Не точное, но знаменательное подобие.