§ 11. Чому вода — найдивовижніша рідина на Землі

З усіх рідин на Землі вода – єдина рідина, яка за температур, придатних для життя, перебуває відразу в трьох станах – твердому, рідкому та газуватому. Ця її особливість забезпечує колообіг води у природі.

1. Чому вода така важлива. Ти вже знаєш, що чиста вода – прозора і не має ані запаху, ані смаку. Але така вода є хіба що у лабораторіях учених. У природі вода активно вбирає в себе, розчиняє у собі і сама проникає майже усюди. Три чверті планети вкрито водою: океани, моря, озера, річки, струмки, болота, а над планетою пливуть хмари – скопище водяної пари, краплинок води і кристаликів льоду. Вода є у повітрі, яким ми дихаємо, а найбільші запаси прісної води на Землі заморожені у льодовиках і велетенських айсбергах. Ми самі значною мірою складаємося з води. Без води неможливе життя (мал. 50), адже вона:

• входить до складу організмів;
• розчиняє потрібні для життя і виводить шкідливі для організму речовини;
• охолоджує організми;
• середовище існування багатьох тварин;
• усе живе на Землі споживає воду.

Мал. 50. Без води неможливе життя

Вода – стратегічний продукт кожної держави. Без неї не може існувати жодна рослина і тварина, а отже, і сільське господарство. У промисловості вода є сировиною, теплоносієм, розчинником. Вона є найдешевшим транспортом, дорогою, що пов’язує віддалені міста. Ставки і фонтани – неповторні елементи архітектури.

Це цікаво

Не марнуймо воду. Україна – найменш забезпечена водними ресурсами держава у Європі. Водночас щодоби кожен мешканець України споживає 320 л води, тоді як у великих містах Європи – 100-200 л.

2. Які особливості води. Вода – єдина речовина на Землі, яка за температур, придатних для життя людей, може перебувати одночасно у трьох станах (мал. 51): твердому, рідкому і газуватому. Саме ця її особливість забезпечує колообіг води в природі.

Тверді тіла зазвичай щільніші, ніж рідини, з яких вони утворилися. А з водою все навпаки (мал. 51): молекули води у рідкому стані (2) упаковані щільніше, ніж у твердому (1). Тому лід плаває на поверхні води.

Мал. 51. Двовимірна модель трьох станів води: 1 – лід; 2 – краплина води, збільшена у 10 мільйонів разів; 3 – водяна пара; 4 – айсберг, що тане, та українська антарктична станція «Академік Вернадський»

Завдання

Порівняй щільність упакування молекул води і льоду.

Саме тому, що лід плаває на поверхні води, у річках та озерах можливе життя. Якби лід тонув, на поверхні утворювалися б все нові й нові шари льоду, і врешті водойма промерзала б до дна. Рослини на дні скувала б крига, а майже всі водні мешканці неминуче загинули б.

Завдання

Переглянь за QR-кодом 3D-модель «Замерзання води». Зверни увагу, як змінюється щільність упакування молекул під час переходу води з рідкого стану у твердий.

3. Скільки в тобі води. Кількість води в тілі залежить від віку людини. Уяви: ти більш ніж на половину складаєшся з води!

Твоя маса, кг

Нью-Йорк може піти під воду. Під загрозою 8 млн людей та десятки тисяч будівель

Фахівці Геологічної служби США з’ясували, що найбільше за розміром та кількістю населення місто країни опускається під воду значно швидше, ніж підіймається рівень світового океану.

Однією з головних причин є гігантська вага хмарочосів, яка тисне на ґрунти. Через це до 2050 року мегаполіс може “просісти” на 20-75 см та ризикує зіткнутися із загрозою затоплення значно швидше, ніж багато інших міст.

“У середньому Нью-Йорк тоне зі швидкістю 1-2 мм на рік, але в деяких районах просідання досягає 4,5 мм на рік”, – розповів один з авторів дослідження, геофізик Том Парсонс.

“Загроза підвищення рівня моря тут у три-чотири рази вища, ніж у середньому вздовж атлантичного узбережжя Північної Америки, – йдеться у дослідженні. – У разі повені 8,4 млн жителів Нью-Йорка, для якого характерна висока концентрація населення, загрожує різного ступеня небезпека”.

Але навіть якщо повені найближчими роками не буде, під загрозою опиниться цілісність самих хмарочосів: тривалий вплив морської води призводить до корозії арматури та послаблення бетону у фундаментах.

Вчені підрахували масу 1,08 млн будівель у п’яти районах Нью-Йорка станом на вересень 2022 року. Вона склала 762 млн тонн — це еквівалентно приблизно 1,9 млн повністю завантажених літаків Boeing 747-400.

За допомогою комп’ютерного моделювання та супутникових даних дослідники розрахували вплив цієї ваги на поверхню землі. Цей аналіз і виявив швидкість, з якою поступово тоне найбільший у США мегаполіс.

Однак далеко не завжди просідання обумовлені величезною вагою будівель, уточнює геофізик Том Парсонс.

“Ми розуміємо, чому це відбувається в тих місцях, де будинки стоять на м’яких ґрунтах або на штучних насипах. Але є райони, де ми спостерігаємо просідання, яке важко пояснити”.

За його словами, деякі райони Нью-Йорка можуть тонути швидше з цілої низки причин, серед яких – відкачування ґрунтових вод й так звана релаксація ґрунту, спричинена останнім льодовиковим періодом.

Серед районів, що занурюються під воду швидше за інші — найбільш густонаселені: Квінс, Бруклін та нижній Мангеттен.

Парсонс каже, що це частково спричинене навантаженням великих і важких будівель.

Однак вчені також зафіксували просідання північної частини Стейтен-Айленда — найвіддаленішого та найменш населеного району мегаполіса. І поки що не можуть знайти цьому пояснення.

Автор фото, MIKE SEGAR/Reuters

Прискорене просідання Нью-Йорка означає, що в майбутньому він ризикує бути повністю або частково затопленим. Автори дослідження не дають точних прогнозів, коли це відбудеться, однак кажуть, що прискорити затоплення можуть й інші фактори: екстремальні зливи, урагани, що відбуваються все частіше через антропогенний вплив на довкілля.

Парсонс нагадує, що в останні роки місто зазнає все більшої шкоди від стихійних лих. Наприклад, внаслідок урагану “Сенді” у 2012 році морська вода затопила частину території міста. А зливи під час урагану “Іда” у 2021 році на кілька днів вивели з ладу дренажні системи.

Проблема не тільки в тому, що вулиці мегаполіса можуть опинитися під водою через десятки років. У значно ближчій перспективі існує загроза цілісності будівель.

“Вплив солоної води на фундаменти будівель може призвести до корозії арматурної сталі та хімічного ослаблення бетону, що спричинить ослаблення конструкції”, — пояснює Парсонс. За його словами, попри уроки “Сенді”, в багатьох багатоповерхівках Нью-Йорка, побудованих після 2012 року, ці фактори не були враховані.

Місто посідає третє місце у світі за кількістю об’єктів, які в майбутньому можуть бути затоплені, йдеться в дослідженні. 90% з 67 400 споруд у районах, схильних до ризику повеней, побудовані без урахування стандартів для затоплюваної місцевості.

Нью-Йорк — далеко не єдине прибережне місто, що стикається з такою проблемою. Дослідження показало, що багато найбільш густонаселених прибережних міст світу опускаються під воду значно швидше, ніж підіймається рівень світового океану.

“Мої співавтори з Університету Род-Айленду вивчили 99 міст у всьому світі — не лише прибережних, а й внутрішніх — і переважна більшість з них мають проблеми з просіданням”, — розповів Том Парсонс.

Як приклад він навів Джакарту, яка розташована в болотистій місцевості й через ґрунтові води тоне так швидко, що влада Індонезії має намір перенести столицю в інше місто.

Автор фото, Getty Images

Столиця Індонезії Джакарта – одне з найбільших міст світу, яке страждає від підвищення рівня світового океану

Разом з Джакартою, вчені називають Манілу (Філіппіни), Читтагонг (Бангладеш), Карачі (Пакистан) та Тяньцзінь (Китай). Ці міста вже страждають від пошкоджень інфраструктури та частих повеней.

Поступово йде під землю й Мехіко, найбільш густонаселений мегаполіс у Північній Америці, хоча він не лежить на узбережжі. Головною причиною називають безконтрольне використання ґрунтових вод для забезпечення потреб мешканців Мехіко.

І, як попереджають фахівці, якщо не вжити термінових заходів, будівлі, що мають історичну цінність і щодня залучають до центру мегаполіса тисячі туристів, отримають серйозні пошкодження.

Існує безліч причин, через які прибережні міста тонуть, однак одна з головних – вага інфраструктури, що тисне на ґрунт. Її масштаби – величезні: 2020 року маса рукотворних об’єктів перевищила масу всієї живої біомаси.

Автор фото, Getty Images

Тож чи можна щось зробити, щоб ці міста, в яких проживають сотні мільйонів жителів, не руйнувалися?

Одним з очевидних кроків, хоч і пов’язаних з певними проблемами, є відмова від будівництва.

Як пояснює геофізик Том Парсонс, осідання землі під будівлями “зазвичай завершується за рік чи два після завершення будівництва”. Хоча більша частина ґрунтів Нью-Йорка складається зі сланців, мармуру і гнейсу, ці породи мають певну еластичність і тріщини, що частково пояснює просідання.

Але глинисті ґрунти й штучні наповнювачі, які особливо поширені в Нижньому Мангеттені, можуть викликати найбільші просідання. Тож розміщення великих будівель на міцній основі може зменшити цю тенденцію, кажуть вчені.

Ще одним рішенням, принаймні для деяких місць, є уповільнення видобутку ґрунтових вод. У багатьох регіонах, особливо там, де поверхневої води недостатньо, ґрунтові води є єдиним джерелом задоволення побутових, сільськогосподарських і промислових потреб в питній та технічній воді. Однак люди використовують ці ресурси занадто активно. Тож необхідно шукати інші способи задоволення потреб міста без виснаження підземних вод.

Ще одним з найпоширеніших рішень з боротьби з повенями у прибережних містах є комплекс захисних споруд, до якого входять дамби, помпові станції, шлюзи та інші гідротехнічні споруди.

До інших корисних інструментів відносять підземні резервуари, що випускають зливову воду з контрольованою повільною швидкістю. Мартін Ламблі, експерт з дренажу в компанії з виробництва труб Wavin, каже, що такі резервуари мають поєднуватися з природними елементами, такими як ставки, водоймища (кам’янисті ями, з яких повільно стікає вода) і болотисті басейни.

“Проблеми, з якими ми стикаємось сьогодні, кардинально відрізняються від тих, що були в ті часи, коли міська каналізація й дренажні системи тільки починали працювати”, – каже він.

Є й більш інноваційні рішення – створення плавучих екологічно безпечних і самодостатніх міст, що адаптовані до кліматичних змін.

Нарешті, скорочення світових викидів парникового газу запобігатиме або принаймні відстрочить танення полярних крижаних шапок, що сповільнить підвищення рівня моря.

“Уряди мають замислитись над цим, — кажуть вчені. — Якщо вони не хочуть за кілька десятиліть зіткнутися з масовою втратою інфраструктури та економічного потенціалу, їм потрібно розпочати планування вже зараз”.