Вода и лёд

Присутствие жидкой воды на поверхности Марса долгое время вообще считалось невозможным не только из-за низких средних температур, но и по причинам, определяемым термодинамическими свойствами системы фаз лёд↔вода↔водяной пар.

При давлении 6,1 мбар и ниже вода кипит при любой температуре, допускающей её жидкое состояние. Водяной пар составляет ничтожную долю атмосферы Марса, но законы термодинамики таковы, что поведение фаз воды определяется полным давлением атмосферы, включая все её компоненты. Принятая для «средней» поверхности планеты величина 6,1 мбар была выбрана как аналог «уровня моря» на Земле. Она соответствует тройной точке диаграммы состояния воды при 0,01 оС, где в термодинамическом равновесии существуют все три фазы.

Термодинамические условия существования льда, пара и воды. Маленький кружок в верхней части диаграммы соответствует давлению 6,1 мбар и температуре 0 оС. Слева показана соответствующая глубина под поверхностью планеты. Вертикальными линиями указаны среднегодовые температуры для широт 30 и 70 оN. Условия существования воды в жидком виде на поверхности Марса отражает небольшая треугольная часть диаграммы, выделенная тёмно-синим цветом.

На рис. показаны области существования льда, пара и воды на Марсе в зависимости от температуры и давления. Слева показана шкала глубины под поверхностью, которая соответствует такому давлению. Небольшой треугольник тёмно-синего цвета указывает на зону возможного существования воды в жидком виде на поверхности. Таким образом, своеобразный «запрет по давлению», то есть широко распространённое мнение, что вода вообще не может присутствовать в жидком виде на поверхности Марса, неверен. Запрет не носит абсолютного характера, поэтому некоторые геологические образования на поверхности планеты могут иметь природу, связанную с водой.

...

Реальные значения давления атмосферы у поверхности Марса, с его большими перепадами высот, лежат в широких пределах. Давление составляет всего 0,6 мбар на вершинах гигантских древних вулканов области Фарсида высотой до 24 км; 9 мбар в глубоких, до 4 км, частях каньона Кондор (Долины Маринера) и 10 мбар на дне глубокой впадины Эллада. Там открытая водная поверхность могла бы сохраняться вплоть до замерзания. Вода вполне может какое-то время присутствовать в жидком виде в некоторых районах и на поверхности Марса. Другое дело, что запасы воды на Марсе весьма ограниченны.

 

"Пишут, что..." ©

Несколько непонятно (напр., я так и не врубился, что за метод акустической эмиссии) и частично сомнительно (м.б. вследствие непонимания экспериментальной методики), но с другой стороны, жидкое состояние настолько сложно, что всё может быть.

...

Эксперименты показывают, что талая вода на протяжении почти 17 часов может находиться в активном метастабильном состоянии (после плавления льда его микрокристаллики сохраняются только доли секунды и совсем не определяют свойства талой воды). Это загадочное явление объясняется тем, что при разрушении гексагональной кристаллической решётки льда резко меняется структура вещества. Кристаллы льда разрушаются быстрее, чем перестраивается в устойчивое равновесное состояние образовавшаяся из него вода.

Уникальность фазового перехода лёд↔вода заключается в том, что в талой воде концентрация ионов водорода H+ и гидроксила OH– непродолжительное время сохраняется неравновесной, какой она была во льду, то есть в тысячу раз меньшей, чем в обычной воде. Через некоторое время концентрация ионов H+ и OH– в воде принимает своё равновесное значение. Поскольку ионы водорода и гидроксила играют решающую роль в формировании надмолекулярных комплексов воды (эмулонов), вода на некоторое время остаётся в метастабильном состоянии. Реакция её диссоциации H2O → H+ + OH– требует значительной затраты энергии и протекает очень медленно. Константа скорости этой реакции составляет всего 2,5∙10–5 c–1 при 20оС. Поэтому время возвращения талой воды в равновесное состояние теоретически должно составлять 10—17 часов, что и наблюдается на практике. Исследования динамики изменения концентрации ионов водорода в талой воде во времени подтверждают это. Необычные свойства талой воды служат причиной разговоров о «памяти» воды. Но под «памятью» воды следует понимать зависимость её свойств от предыстории и ничего больше. Можно разными способами — замораживанием, нагреванием, кипячением, обработкой ультразвуком, воздействием различных полей и др. — перевести воду в метастабильное состояние, но оно будет неустойчивым, недолго сохраняющим свои свойства.

...

 

Интересное десятилетней давности про флуоресцентные исследования водных растворов, в т.ч. сверхнизких концентраций.

---

Содержание активных форм кислорода (АФК) 1 в клетках живых организмов и природных
водах чрезвычайно мало, однако, установлено, что его некоторое увеличение (относительно
равновесного значения) оказывает активирующее, нормализующее и протекторное влияние на
биологические системы [1-3]. Показано, что это влияние осуществляется через изменение свойств
водной среды, причем измененное состояние воды существует в течение часов и даже суток после
воздействия [4-7]. Имеется много сообщений об увеличении содержания АФК или изменении
содержания свободного кислорода в водных средах при различных воздействиях, в том числе
низкоэнергетических и низкоинтенсивных (например, [5-9]). Стационарная концентрация наиболее
стабильного и легко уловимого вида АФК – перекиси водорода, в природных водах и клетках живых
организмов оценивается на уровне 0.1 мкМ/л и ниже, а концентрация радикалов АФК не превышает
наномолей в литре. Механизмы воздействия в столь малых дозах и длительного сохранения
измененного состояния водной среды не известны.
При равновесии с воздухом водные растворы содержат значительное количество газов,
вступающих в сложные взаимодействия между собой и с молекулами примесей, а также способных
образовывать АФК. Обнаружено значительное влияние газовых пузырьков на характеристики воды,
сильно разбавленных водных растворов и процессы формирования микроэмульсий [10-14].
Установлено, что после дегазации чистой воды исчезает чувствительность к слабым магнитным и
электромагнитным полям [15], изменяется электропроводность [16] и характер релаксации [17] после
различных воздействий. Увеличение парциального давления газов до определенных критических
величин, характерных для каждого газа, вызывает перестройку водной среды с сильным замедлением
диффузии растворенных химических соединений [18, 19]. Присутствие воздушных пузырьков
оказывает значительное влияние на сильно разбавленные водные среды и, по-видимому, существенно
меньшее – на концентрированные растворы.
Нами развиваются представления о существенной роли микрогетерогенности сильно
разбавленных водных сред и о влиянии АФК на масштаб и динамику коллективных взаимодействий.
Разбавленные водные среды, содержащие гидрофобные молекулы газов воздуха, рассматриваются
как микрогетерогенные, свойства которых сильно зависят от поверхностей пузырьков и
концентрации АФК. Такие представления основаны на полученных нами экспериментальных
результатах [20-26].
Работа проводилась высокочувствительным методом исследования УФ-флуоресценции в
режиме счета фотонов. Для того чтобы выявить параметры флуоресценции, чувствительные к
эффектам АФК, была выбрана удобная биохимическая система. На начальной стадии исследования
наиболее подходящими оказались растворы дипептида – глицилтриптофана (ГТ). Впоследствии было
установлено, что аналогичные результаты можно получить во многих сильно разбавленных водных
растворах хромофорных соединений. По мере разбавления растворов ГТ и при различных
воздействиях на воду были выявлены условия наблюдения эффектов АФК, что позволило
целенаправленно проводить работу по их обнаружению в водной среде без добавления каких-либо
индикаторов. При исследованиях воды разной степени чистоты и после различных видов обработки
было обнаружено, что вода, очищенная двукратным перемораживанием с удалением примесей,
замерзающих наиболее быстро и наиболее медленно [20, 21] (ДПВ), обладает высокой
чувствительностью к различным воздействиям и малым добавкам различных веществ. Исходная вода
даже высокой степени очистки (на установке “Milli Q”) до перемораживания такой чувствительности
не имеет. Исследования ДПВ позволили сделать вывод о значительном влиянии упорядочивания
структуры водородных связей вокруг заряженных газовых пузырьков и эффективности миграции
протонной плотности по системе водородных связей. Полученные результаты согласуются с
представлениями о важной роли эффектов переноса заряда и возбуждения по системе водородных
связей, рассматриваемых во многих работах, например [27-33].
Важную информацию об окислительно-восстановительных процессах с участием АФК в
водных средах позволили получить эксперименты с водой, активированной электролизом. Известна
способность католита (вода из катодного отсека электролизера) ускорять и нормализовывать
обменные процессы. В некоторых случаях использование католита в качестве растворителя для
токсичных лекарственных средств позволяет резко снизить дозы лекарств и уменьшить проявление
негативных побочных факторов [34, 35]. Анолит (вода из анодного отсека) может использоваться для
стерилизации хирургических инструментов, дезинфекции ран, очистки воды от органических
соединений. Несмотря на все многообразие химических реакций, протекающих в приэлектродной
области электролизера, наиболее важным является образование АФК и их взаимодействие с
молекулами воздуха и воды.


Лобышев и соавторы обнаружили долговременные спонтанные и индуцированные изменения
флуоресценции разбавленных водных растворов ГТ [36]. Параметры флуоресценции изменялись
квазипериодически в течение многих часов и были чувствительными к электромагнитным
воздействиям. Похожие спектры флуоресценции были зарегистрированы в дистиллированной воде, а
также в водных гомеопатических препаратах хлорида натрия при некоторых (высоких) степенях
разведения. В гомеопатических препаратах интенсивность флуоресценции коррелирует с
биологической активностью [37]. Авторы предполагают, что наблюдаемая флуоресценция отражает
процессы структурной самоорганизации в системе водородных связей между молекулами воды и
образование долгоживущего метастабильного состояния. Они считают, что подобное состояние
может образоваться в процессе приготовления гомеопатических препаратов и определять их
биологическое действие.


...

---

Группа исследователей из Франции синтезировала пластичный лёд, способный сохранять твёрдую структуру, одновременно оставаясь гибким. Уникальный материал создан с использованием особых методов замораживания и может менять свою форму без деформаций, свойственных обычному льду.

Для проверки эксперимента учёные подвергали образцы воды экстремальным нагрузкам, включая повышение давления до 60 000 бар и увеличение температуры до 326 °C. С помощью технологии квазиупругого нейтронного рассеяния они выяснили, что молекулы воды внутри структуры льда оставались на своих местах, одновременно поддерживая способность к вращению.

Ранее возможность существования такой формы льда была подтверждена лишь гипотетически. Теперь изучение его свойств поможет понять геофизические процессы, происходящие в глубинах ледяных спутников и экзопланет со схожими экстремальными условиями.

Открытие может привести к созданию новых типов материалов с необычными свойствами. Например, в будущем такой лёд может найти применение в биотехнологиях, крионике и даже в разработке охлаждающих систем нового поколения.