Blog
Magia obłoków (Magellana)
unukalhai
unukalhai unuk.al.hayah@gmail.com
48 obserwujących 132 notki 194157 odsłon
unukalhai, 13 lutego 2012 r.

Dlaczego właśnie woda?

1266 52 0 A A A

 

 
Mój tekst pod tytułem „Dlaczego woda?” był wyedytowany w pierwszym numerze netowego POLIS MPC (grudzień 2008 r.). Obecna notka jest przeredagowanym i zaktualizowanym wariantem wymienionego tekstu.
 
                W 1997 roku uczeń gimnazjum w amerykańskiej mieścinie Eagle Rock, w stanie Idaho, zbierał podpisy pod petycją domagająca się zakazu używania tlenku diwodoru, i jako uzasadnienie podawał,  iż ta bezwonna i bezbarwna substancja posiada, między innymi, następujące właściwości:
- jest głównym składnikiem kwaśnych deszczów;
- jest w stanie rozpuścić każda substancję, z którą się zetknie;
- przypadkowe wciągnięcie jej do płuc zazwyczaj powoduje śmierć;
- może spowodować poważne oparzenia w stanie gazowym.
Na 50 osób, którym pokazał uzasadnienie, 43 podpisały się pod petycją mającą na celu wyeliminowanie inkryminowanej substancji ze środowiska, 6 osób nie miało zdania w tej kwestii i nie mogło się zdecydować, a tylko jedna osoba opowiedziała się stanowczo za pozostawieniem tlenku diwodoru. Procentowo oznacza to, iż 86 % w próbce badanych poddało się sugestii, iż nie kojarząca się im z niczym znanym substancja, jest groźna dla środowiska i ludzi. Przykład ten z jednej strony świadczy, iż poziom elementarnej znajomości chemii wśród przeciętnych absolwentów szkół jest znikomo niski, ale z drugiej, że można dowolne rzeczy ludziom wmówić i zupełnie łatwo nakłonić ich do dokonania absurdalnych wyborów.
Tlenek diwodoru to przecież nic innego jak swojska H2O. Nikt nie wyobraża sobie możliwości życia biologicznego bez wody. Jakiegokolwiek życia. Rozwinę ten wątek, gdyż temat jest dosyć nośny, powraca niczym bumerang w coraz dziwaczniejszych wariantach, zwłaszcza gdy ostatnio dużo szumu informacyjnego powstaje wokół nowych inicjatyw w badaniach kosmicznych, wystarczy wymienić tylko te związane z misjami ziemskich robotów badających planetę Mars oraz z odkrywanie planet w innych systemach gwiezdnych.
 
Symulacje progowych uwarunkowań dla życia biologicznego miały swoją długotrwałą i burzliwą historię, którą muszę w tej notce pominąć, gdyż w przeciwnym razie napisała by się bynajmniej nie cienka książka. W skrócie omówię te uwarunkowania, które ograniczone zostaną  do czterech zasadniczych, czyli po pierwsze źródło energii, po drugie atomy pierwiastków, które dopuszczają tworzenie cząstek o skomplikowanej budowie, po trzecie ciekły rozpuszczalnik, w którym te cząstki mogą oddziaływać między sobą, i po czwarte wystarczająco dużo czasu, aby życie zdążyło się pojawić i przejść kolejne etapy ewolucji. Nie będę  uzasadniał, dlaczego jako zasadnicze uważa się wymienione uwarunkowania, po prostu przyjęte są one w literaturze naukowej dotyczącej tego zagadnienia, chociaż  wynika to, rzecz jasna, z wyboru dosyć autorytarnie określonych założeń.
W przypadku Ziemi pierwsze kryterium mamy spełnione, bo oto w odległości circa 150 milionów km Słońce emituje energię, która zapewnia naszej planecie tyle ciepła, ze większość wód oceanicznych i lądowych pozostaje nie zamarznięta przez okrągły rok (dla porównania podam, iż tylko ca 2,0% ogólnej masy wody jest stale zamarznięte). Drugie kryterium także mamy spełnione, gdyż podstawowym budulcem skomplikowanych struktur, niezbędnych dla powstania organizmów żywych i ich metabolizmu jest węgiel, Atomy węgla łącza się z łatwością z jednym, dwoma, trzema lub czterema innymi atomami. Inne pierwiastki nie są tak „koleżeńskie”, jakkolwiek atom krzemu również może się wiązać nawet z czterema innymi atomami. Ale jeśli się już zwiąże, to bardzo trudno jest takie związanie rozwiązać. Krzemiany, czyli związki krzemu z tlenem (i z domieszkami innych pierwiastków) stanowią główny budulec skorupy ziemskiej. W takich związkach przetrwały miliardy lat, co oczywiście wyklucza krzem jako kandydata nadającego się do łatwego tworzenia nowych cząstek. Poza wymienionymi, z czterema atomami mogą się jeszcze wiązać atomy germanu, ale pominę ten egzotyczny przypadek ze względu na jego, nawet nie śladową, częstość występowanie we wszechświecie. Czwarte kryterium pomijam, jako w sposób oczywisty spełnione w przypadku Ziemi, natomiast zajmę się dokładniej kryterium trzecim, które bez wątpienia stanowi najciekawszy przypadek.
 
Dlaczego bowiem  występowanie cieczy (czyli rozpuszczalnika w stanie ciekłym) stanowi progowe i konieczne kryterium?
Otóż wiadomo, że w ciałach stałych atomy zostają unieruchomione, więc można pominąć ten stan skupienia materii. Z kolei w gazach zderzenia cząstek i oddziaływania są znacznie rzadsze niż w cieczach, gdyż przeciętnie rzecz biorąc gęstość gazu jest około 1000 razy mniejsza od gęstości cieczy. Nie mamy zatem specjalnego wyboru i musimy „trzymać się” właśnie cieczy, mimo iż dosyć humorystycznie to brzmi. Ale jakiej cieczy?
Żeby zobrazować problem istniejących w tym zakresie możliwości, należy pokazać go na odpowiednim tle. Otóż wśród dziesięciu najbardziej rozpowszechnionych we wszechświecie pierwiastków miejsca kolejno zajmują: wodór 91,03 %, hel 8,83 %, a na pozostałe czyli tlen, węgiel, neon, azot, magnez , krzem żelazo, siarkę przypada 0,14 %, z czego ponad połowę tej pozostałości (0,085%) zajmuje tlen. Czyli najczęściej powinny występować związki wodoru z tlenem i węglem, i tak faktycznie się dzieje. Jedna taka kombinacja tworzy znaną nam H2O, która w stanie ciekłym występuje tylko na powierzchni jednej znanej nam planety, tj. Ziemi. Rozważymy na razie, poza wodą, jeszcze trzy związki, które pozostają w stanie ciekłym w szerokim przedziale temperatur. Są nimi amoniak, etan i alkohol metylowy. Wszystkie charakteryzuje taka właściwość, iż w stanie ciekłym znajdują się w przedziale temperatur znacznie niższych niż woda. Dla przykładu amoniak zamarza przy temperaturze minus 78°C, a wrze przy minus 33°C. Z kolei etan zamarza poniżej temperatury minus 171,4°C, zaś wrze w temperaturze minus 93°C. Także alkohol metylowy pozostaje w stanie ciekłym w temperaturze niższej, niż woda , bo jego temperatura wrzenia to 64,7o C, a temperatura zamarzania wynosi poniżej minus 94°C.  Ale woda ma jeszcze jedną, zupełnie zasadniczą przewagę nad wymienionymi związkami, właściwość, której wszystkie inne ciecze nie posiadają. Otóż ciecze (jak i większość innych substancji) przy ochładzaniu się kurczą, a ich gęstość się zwiększa. W przypadku wody ochłodzenie jej poniżej 4°C powoduje, iż woda wówczas się rozszerza, jej gęstość maleje w porównaniu do gęstości w temperaturach wyższych, zaś przy spadku temperatury poniżej 0°C przekształca się w lód (zamarza), który ma jeszcze mniejszą gęstość i unosi się na powierzchni wody. Otóż zimą, gdy temperatura powietrza spada poniżej zera, woda o temperaturze 4°C opada na dno, gdyż ma większą gęstość od zimniejszej wody ponad nią. Z kolei tworzący się lód na powierzchni izoluje cieplejsza wodę pod spodem. Taka właściwość wody powoduje, iż zbiorniki wodne nie zamarzają od dna, tylko od powierzchni. W przeciwnym wypadku zamarznięte wody powierzchniowe opadałyby na dno, wypierając stamtąd wodę cieplejszą. Proces ten w szybkim tempie doprowadziłby do tego, że w ciągu kilku lat wszystkie zbiorniki znajdujące się w zimnych strefach klimatycznych zamarzłyby całkowicie, w tym przekształciłaby się w lód całość wody Oceanu Lodowatego, a  zapewne zamarzłyby całkowicie także wody Bałtyku, amerykańskich Wielkich Jezior, wody Bajkału i wszystkich akwenów na podobnych szerokościach geograficznych. Oznacza to, iż w porównaniu z innymi cieczami, które mamy do dyspozycji, woda posiada tak bardzo znaczną przewagę jakościową, że możemy nimi nie zawracać sobie głowy, jako rozpuszczalnikami przydatnymi dla substancji życiowych. Można zatem postawić znak równości, iż tam gdzie występuje woda w stanie płynnym, tam może występować życie biologiczne. Pytanie, gdzie jest (w kosmosie) życie, możemy zamiennie stawiać z pytaniem, gdzie jest woda? Zatem gdzie ta woda, poza Ziemią jest i czy w ogóle gdzieś ona jest? Wiemy, że jakaś część komet składa się z w części z lodu wodnego, przyjmujemy również, że w początkach formowania się układu planetarnego wokół Słońca, planety te były gęsto bombardowane meteorytami i kometami, których składnikiem był także lód wodny. Ale przecież nie tylko Ziemia była w ten sposób bombardowana. Zatem co takiego się stało, że na Ziemi trzy czwarte jej powierzchni pokrywają oceany, zaś reszta planet ma przeraźliwie wręcz suchą powierzchnię. I tutaj znowu trzeba wskazać na inne właściwości wody. Na poziomie morza, czyli pod ciśnieniem jednej atmosfery woda wrze w temperaturze 100°C. Ale każdy, kto przebywał w wysokich górach wie, że tam ciśnienie atmosferyczne  jest mniejsze i woda wrze w temperaturze niższej. Im znajdujemy się wyżej nad powierzchnią morza, tym bardziej to ciśnienie spada i woda wrze w tym niższej temperaturze. Ponadto, przy pewnej wartości granicznej ciśnienia, woda ze stanu stałego (lód), nie przechodzi fazy gotowania, tylko od razu zamienia się w parę wodną (gaz). Zjawisko to nazywa się sublimacją. Kto miał do czynienia z tzw. „suchym lodem” (zamarznięty ditlenek węgla) ten widział, iż położony np. na stole po pewnym czasie znika bez śladu. W przypadku lodu wodnego sublimuje on na wysokości trzydziestu kilku kilometrów nad powierzchnia Ziemi. Z kolei na Marsie ciśnienie atmosferyczne jest około 100 razy mniejsze, niż na Ziemi. Odpowiada ono ciśnieniu, jakie mierzymy ponad 35 km nad powierzchnią Ziemi, a tam woda wrze w temperaturze 5°C. Oznacza to, iż wszelka woda, która z jakichś przyczyn wypływa na powierzchnie planety Mars w bardzo krótkim czasie odparowuje z jego powierzchni. Oczywiście są to wartości uśrednione, gdyż Mars ma wystarczająco zróżnicowaną powierzchnię, aby występowały na nim znaczące różnice ciśnienia atmosferycznego. Przy średniej wartości tego ciśnienia w wysokości 6 hPa, waha się ona od 11,5 hPa na nizinie Hellas do 0,3 hPa na szczycie Olympus Mons.  Rzadka atmosfera Marsa jest przyczyną dalszych procesów przemiany chemicznej. Otóż  promieniowanie ultrafioletowe docierające ze Słońca rozbija cząstki pary wodnej (po sublimacji) na wodór i tlen, po czym wodór, jako znacznie lżejszy, ucieka w przestrzeń międzyplanetarną (grawitacja, czyli prędkość ucieczki w km/sek ma na Marsie prawie 2,5 raza mniejszą wartość niż na Ziemi), a tlen też ucieka, ale najczęściej wiąże się z innymi składnikami (wbudowuje się w tlenki, w tym dwutlenek węgla), nie tworząc już ponownie cząsteczek wody. Czyli, jeśli gdzieś na Marsie pod powierzchnia planety znajduje się zamarznięta woda, to może jej tylko ubywać.
 Jeśli chodzi o Księżyc, który jest de facto pozbawiony atmosfery (i ciśnienia atmosferycznego), to ewentualna woda czy lód, jeśli wydostałyby się na powierzchnię, natychmiast podległaby procesowi sublimacji. Z kolei na Wenus cała woda już dawno odparowała, tlen związał się z węglem, tworząc chmury dwutlenku węgla odpowiedzialne za efekt cieplarniany, zaś wodór uciekł w przestrzeń. Piec wenusjański ma temperaturę przy powierzchni tej planety w granicach 500°C, przy ciśnieniu atmosfery 100 razy większym, niż na Ziemi. Astronauta, gdyby udało mu się wylądować i spróbowałby wyjść ze statku kosmicznego, natychmiast zostałby zmiażdżony. Dla porównania, gdyby wszystkie ziemskie oceany i morza odparowały i utworzyły w całości warstwę atmosfery, wówczas jej ciśnienie byłoby co najmniej 200 razy większe niż obecne (czyli było by dwukrotnie wyższe niż obecnie mierzymy je na Wenus, zaś efekt cieplarniany podgrzałby atmosferę ziemską do kilkuset stopni Celsjusza).
Gdzie zatem może być w naszym Układzie Słonecznym, poza Ziemią, woda w stanie płynnym? Znaleziono takie dobre miejsce, jest nim jeden z księżyców Jowisza o nazwie Europa, zbliżony rozmiarami do Księżyca ziemskiego (Europa ma promień mniejszy o ca 10 procent od Księżyca ziemskiego). Powierzchnia Europy to jeden olbrzymi ocen pokryty połamanym, i wciąż na nowo łamanym lodem. Jest tam bardzo zimno (-170°C), ale grawitacja olbrzymiego i masywnego  Jowisza wywołuje na Europie znaczne efekty pływowe (księżyc kurczy się i rozkurcza), co powoduje, iż jego wnętrze jest rozgrzewane z tego powodu i podgrzewa wodę od spodu. Na powierzchni ocean jest zamarznięty, zaś pod spodem woda znajduje się w stanie ciekłym.
,Ale nie będziemy wiedzieli jak gruba jest warstwa lodu na Europie, dopóki jakiś próbnik tam nie wyląduje i nie dowierci się do wody. Trzeba na takie badania poczekać. Na razie szacuje się, że pojemność oceanu Europy to odpowiednik 21.000 km3, czyli tyle mniej więcej ile łączny zasób wody pięciu amerykańskich wielkich jezior  na pograniczu z Kanadą.
Co więc dalej ze znakiem równości, że woda równa się życie? Jeśli tam gdzieś w głębinach na księżycu Europa istnieje jakieś aktywne życie biologiczne, to możliwe było by ono tylko w bardzo prymitywnych formach.
Tak więc, obcego, bardziej rozwiniętego życia, musimy poszukiwać poza naszym  układem planetarnym.
 
 
 
 
 
Opublikowano: 13.02.2012 16:40.
Autor: unukalhai
Skomentuj Obserwuj notkę Napisz notkę Zgłoś nadużycie
NEWSY - TOP 5

O mnie

Na ogół bawię się z losem w chowanego

Ostatnie notki

Najpopularniejsze notki

Ostatnie komentarze

  • wittek 17, ty nieszczęśliwa ofiaro reform edukacyjnych, napisz skąd wiesz , że to są...
  • Ulryk Niemcy za każdego obywatela Polski, który zginął w II wojnie, podeślą nam jednego...
  • londoncity (18.08., 12:17) no i od Ukraińców (za Chmielnickiego), nie wspominając o...

Tematy w dziale Technologie