Вода — неорганическое соединение с химической формулой H 2 O. Это прозрачное, безвкусное, без запаха, [c] и почти бесцветное химическое вещество . Это основной компонент гидросферы Земли и жидкостей всех известных живых организмов (в которых она действует как растворитель [ 20] ). Она жизненно важна для всех известных форм жизни , несмотря на то, что не обеспечивает пищевую энергию или органические микроэлементы . Ее химическая формула, H 2 O , указывает на то, что каждая из ее молекул содержит один атом кислорода и два атома водорода , соединенных ковалентными связями . Атомы водорода присоединены к атому кислорода под углом 104,45°. [21] В жидкой форме H 2 O также называется «водой» при стандартной температуре и давлении .
Поскольку окружающая среда Земли относительно близка к тройной точке воды , вода существует на Земле в твердом , жидком и газообразном состоянии . [22] Она образует осадки в виде дождя и аэрозоли в виде тумана . Облака состоят из взвешенных капелек воды и льда , ее твердого состояния. При тонком измельчении кристаллический лед может выпадать в виде снега . Газообразное состояние воды - пар или водяной пар .
Вода покрывает около 71% поверхности Земли, при этом моря и океаны составляют большую часть объема воды (около 96,5%). [23] Небольшие порции воды встречаются в виде грунтовых вод (1,7%), в ледниках и ледяных шапках Антарктиды и Гренландии (1,7%), а также в воздухе в виде пара , облаков (состоящих из льда и жидкой воды, взвешенной в воздухе) и осадков (0,001%). [ 24] [25] Вода непрерывно движется через водный цикл испарения , транспирации ( эвапотранспирации ), конденсации , осадков и стока , обычно достигая моря.
Вода играет важную роль в мировой экономике . Примерно 70% пресной воды, используемой людьми, идет на нужды сельского хозяйства . [26] Рыболовство в соленых и пресных водоемах было и остается основным источником продовольствия для многих частей света, обеспечивая 6,5% мирового белка. [27] Большая часть торговли товарами на большие расстояния (такими как нефть, природный газ и промышленные товары) перевозится на лодках по морям, рекам, озерам и каналам. Большое количество воды, льда и пара используется для охлаждения и отопления в промышленности и домах. Вода является прекрасным растворителем для самых разных веществ, как минеральных, так и органических; как таковая, она широко используется в промышленных процессах, а также при приготовлении пищи и стирке. Вода, лед и снег также играют центральную роль во многих видах спорта и других формах развлечений, таких как плавание , прогулочные катера, гонки на лодках , серфинг , спортивная рыбалка , дайвинг , катание на коньках , сноуборде и лыжах .
Слово вода происходит от древнеанглийского wæter , от протогерманского * watar (источник также древнесаксонского watar , древнефризского wetir , голландского water , древневерхненемецкого wazzar , немецкого Wasser , vatn , готского 𐍅𐌰𐍄𐍉 ( wato )), от протоиндоевропейского * wod-or , суффиксальной формы корня * wed- ( ' water ' ; ' wet ' ). [28] Также родственно , через индоевропейский корень, с греческим ύδωρ ( ýdor ; от древнегреческого ὕδωρ ( hýdōr ), откуда английское ' hydro- ' ), русским вода́ ( vodá ), ирландским uisce и албанским ujë .
Одним из факторов оценки времени появления воды на Земле является то, что вода постоянно теряется в космосе. Молекулы H 2 O в атмосфере распадаются в результате фотолиза , и образующиеся свободные атомы водорода иногда могут избегать гравитационного притяжения Земли. Когда Земля была моложе и менее массивной , вода могла бы теряться в космосе легче. Ожидается, что более легкие элементы, такие как водород и гелий, будут постоянно утекать из атмосферы, но изотопные соотношения более тяжелых благородных газов в современной атмосфере предполагают, что даже более тяжелые элементы в ранней атмосфере подвергались значительным потерям. [29] В частности, ксенон полезен для расчетов потери воды с течением времени. Он не только является благородным газом (и, следовательно, не удаляется из атмосферы посредством химических реакций с другими элементами), но и сравнение распространенности его девяти стабильных изотопов в современной атмосфере показывает, что Земля потеряла по крайней мере один океан воды в начале своей истории, между хадеем и археем . [30] [ необходимо разъяснение ]
Любая вода на Земле в течение последней части ее аккреции была бы нарушена ударом, образовавшим Луну (~4,5 миллиарда лет назад), который, вероятно, испарил большую часть земной коры и верхней мантии и создал атмосферу из каменного пара вокруг молодой планеты. [31] [32] Каменный пар сконденсировался бы в течение двух тысяч лет, оставив после себя горячие летучие вещества, которые, вероятно, привели к образованию атмосферы, состоящей в основном из углекислого газа с водородом и водяным паром . После этого, океаны с жидкой водой могли бы существовать, несмотря на температуру поверхности 230 °C (446 °F) из-за повышенного атмосферного давления атмосферы CO 2 . По мере продолжения охлаждения большая часть CO 2 была удалена из атмосферы путем субдукции и растворения в океанской воде, но уровни резко колебались по мере появления новых поверхностных и мантийных циклов. [33]
Геологические данные также помогают ограничить временные рамки существования жидкой воды на Земле. Образец подушечного базальта (тип породы, образовавшейся во время подводного извержения) был извлечен из пояса зеленокаменных пород Исуа и предоставляет доказательства того, что вода существовала на Земле 3,8 миллиарда лет назад. [34] В поясе зеленокаменных пород Нуввуагиттук , Квебек, Канада, породы, возраст которых составляет 3,8 миллиарда лет по одному исследованию [35] и 4,28 миллиарда лет по другому [36], демонстрируют доказательства присутствия воды в эти годы. [34] Если океаны существовали раньше, то никаких геологических доказательств еще не обнаружено (что может быть связано с тем, что такие потенциальные доказательства были уничтожены геологическими процессами, такими как переработка земной коры ). Совсем недавно, в августе 2020 года, исследователи сообщили, что на Земле всегда могло быть достаточно воды для заполнения океанов с самого начала формирования планеты . [37] [38] [39]
В отличие от горных пород, минералы, называемые цирконами, обладают высокой устойчивостью к выветриванию и геологическим процессам и поэтому используются для понимания условий на очень ранней Земле. Минералогические данные по цирконам показали, что жидкая вода и атмосфера должны были существовать 4,404 ± 0,008 миллиарда лет назад, очень скоро после образования Земли. [40] [41] [42] [43] Это представляет собой своего рода парадокс, поскольку гипотеза холодной ранней Земли предполагает, что температуры были достаточно низкими, чтобы замерзнуть вода между примерно 4,4 миллиардами и 4,0 миллиардами лет назад. Другие исследования цирконов, найденных в австралийских гадейских породах, указывают на существование тектоники плит еще 4 миллиарда лет назад. Если это правда, это означает, что вместо горячей расплавленной поверхности и атмосферы, полной углекислого газа, ранняя поверхность Земли была во многом такой же, как сегодня (с точки зрения теплоизоляции ). Действие тектоники плит захватывает огромное количество CO2 , тем самым уменьшая парниковый эффект , что приводит к значительному снижению температуры поверхности и образованию твердых пород и жидкой воды. [44].svg/1280px-Water_molecule_(1).svg.png)
Вода ( H 2 O ) — полярное неорганическое соединение . При комнатной температуре это жидкость без вкуса и запаха , почти бесцветная с оттенком синего . Самый простой халькогенид водорода , это, безусловно, наиболее изученное химическое соединение и иногда описывается как «универсальный растворитель» за его способность растворять больше веществ, чем любая другая жидкость, [45] [46] хотя он плохо растворяет неполярные вещества. [47] Это позволяет ему быть « растворителем жизни»: [48] действительно, вода, встречающаяся в природе, почти всегда включает в себя различные растворенные вещества, и для получения химически чистой воды требуются специальные шаги . Вода — единственное распространенное вещество, которое существует в твердом , жидком и газообразном состоянии в нормальных земных условиях. [49]
Наряду с оксиданом , вода является одним из двух официальных названий химического соединения H
2O ; [50] это также жидкая фаза H
2O . [51] Два других распространенных состояния воды — это твердая фаза, лед , и газообразная фаза, водяной пар или пар . Добавление или удаление тепла может вызвать фазовые переходы : замерзание (из воды в лед), таяние (из льда в воду), испарение (из воды в пар), конденсация (из пара в воду), сублимация (из льда в пар) и осаждение (из пара в лед). [52]
Вода отличается от большинства жидкостей тем, что она становится менее плотной при замерзании. [d] При давлении в 1 атм она достигает максимальной плотности 999,972 кг/м 3 (62,4262 фунта/куб. фут) при 3,98 °C (39,16 °F) или почти 1000 кг/м 3 (62,43 фунта/куб. фут) при почти 4 °C (39 °F). [54] [55] Плотность льда составляет 917 кг/м 3 (57,25 фунта/куб. фут), расширение составляет 9%. [56] [57] Это расширение может оказывать огромное давление, разрывая трубы и растрескивая скалы. [58]
В озере или океане вода при температуре 4 °C (39 °F) опускается на дно, а на поверхности образуется лед, плавающий на жидкой воде. Этот лед изолирует воду внизу, не давая ей замерзнуть. Без этой защиты большинство водных организмов, обитающих в озерах, погибли бы зимой. [59]
Вода является диамагнитным материалом. [60] Хотя взаимодействие слабое, со сверхпроводящими магнитами оно может достигать заметного взаимодействия. [60]
При давлении в одну атмосферу (атм) лед тает или вода замерзает (затвердевает) при 0 °C (32 °F), а вода кипит или пар конденсируется при 100 °C (212 °F). Однако даже ниже точки кипения вода может превращаться в пар на своей поверхности путем испарения (испарение по всей жидкости известно как кипение ). Сублимация и осаждение также происходят на поверхностях. [52] Например, иней осаждается на холодных поверхностях, в то время как снежинки образуются путем осаждения на аэрозольных частицах или ледяных ядрах. [61] В процессе сублимационной сушки продукты питания замораживаются, а затем хранятся при низком давлении, поэтому лед на их поверхности сублимируется. [62]
Температуры плавления и кипения зависят от давления. Хорошее приближение для скорости изменения температуры плавления с давлением дается соотношением Клаузиуса-Клапейрона :
где и — молярные объемы жидкой и твердой фаз, а — молярная скрытая теплота плавления. В большинстве веществ объем увеличивается при плавлении, поэтому температура плавления увеличивается с давлением. Однако, поскольку лед менее плотный, чем вода, температура плавления уменьшается. [53] В ледниках плавление под давлением может происходить под достаточно толстыми объемами льда, что приводит к образованию подледниковых озер . [63] [64]
Соотношение Клаузиуса-Клапейрона также применимо к точке кипения, но при переходе жидкость/газ паровая фаза имеет гораздо меньшую плотность, чем жидкая фаза, поэтому точка кипения увеличивается с давлением. [65] Вода может оставаться в жидком состоянии при высоких температурах в глубоком океане или под землей. Например, температура превышает 205 °C (401 °F) в гейзере Old Faithful в Йеллоустонском национальном парке . [66] В гидротермальных источниках температура может превышать 400 °C (752 °F). [67]
На уровне моря температура кипения воды составляет 100 °C (212 °F). Поскольку атмосферное давление уменьшается с высотой, температура кипения уменьшается на 1 °C каждые 274 метра. Приготовление пищи на большой высоте занимает больше времени, чем приготовление пищи на уровне моря. Например, на высоте 1524 метра (5000 футов) время приготовления пищи должно быть увеличено на четверть, чтобы достичь желаемого результата. [68] И наоборот, скороварку можно использовать для сокращения времени приготовления пищи за счет повышения температуры кипения. [69] В вакууме вода будет кипеть при комнатной температуре. [70]
На фазовой диаграмме давление/температура (см. рисунок) есть кривые, разделяющие твердое тело от пара, пар от жидкости и жидкость от твердого тела. Они встречаются в одной точке, называемой тройной точкой , где все три фазы могут сосуществовать. Тройная точка находится при температуре 273,16 К (0,01 °C; 32,02 °F) и давлении 611,657 паскалей (0,00604 атм; 0,0887 фунтов на квадратный дюйм); [71] это самое низкое давление, при котором может существовать жидкая вода. До 2019 года тройная точка использовалась для определения шкалы температур Кельвина . [72] [73]
Кривая фазы вода/пар заканчивается при 647,096 К (373,946 °C; 705,103 °F) и 22,064 мегапаскалей (3200,1 фунтов на квадратный дюйм; 217,75 атм). [74] Это известно как критическая точка . При более высоких температурах и давлениях жидкая и паровая фазы образуют непрерывную фазу, называемую сверхкритической жидкостью . Она может постепенно сжиматься или расширяться между газообразной и жидкоподобной плотностью; ее свойства (которые весьма отличаются от свойств окружающей воды) чувствительны к плотности. Например, при подходящих давлениях и температурах она может свободно смешиваться с неполярными соединениями , включая большинство органических соединений . Это делает ее полезной в различных приложениях, включая высокотемпературную электрохимию и как экологически безопасный растворитель или катализатор в химических реакциях с участием органических соединений. В мантии Земли она действует как растворитель во время образования, растворения и осаждения минералов. [75] [76]
Нормальной формой льда на поверхности Земли является лед I h , фаза, которая образует кристаллы с гексагональной симметрией . Другая с кубической кристаллической симметрией , лед I c , может встречаться в верхних слоях атмосферы. [77] По мере увеличения давления лед образует другие кристаллические структуры . По состоянию на 2024 год экспериментально подтверждено двадцать из них, а теоретически предсказано еще несколько. [78] Восемнадцатая форма льда, лед XVIII , гранецентрированная кубическая, суперионная ледяная фаза, была обнаружена, когда капля воды подверглась воздействию ударной волны, которая подняла давление воды до миллионов атмосфер, а ее температуру до тысяч градусов, в результате чего образовалась структура из жестких атомов кислорода, в которой атомы водорода свободно текли. [79] [80] При зажатии между слоями графена лед образует квадратную решетку. [81]
Детали химической природы жидкой воды изучены недостаточно; некоторые теории предполагают, что ее необычное поведение обусловлено существованием двух жидких состояний. [55] [82] [83] [84]
Чистая вода обычно описывается как безвкусная и без запаха, хотя у людей есть особые сенсоры, которые могут чувствовать присутствие воды во рту, [85] [86] и лягушки, как известно, могут чувствовать ее запах. [87] Однако вода из обычных источников (включая минеральную воду ) обычно содержит много растворенных веществ, которые могут придавать ей различные вкусы и запахи. Люди и другие животные развили чувства, которые позволяют им оценивать пригодность воды для питья, чтобы избегать слишком соленой или гнилой воды . [88]
Чистая вода имеет видимый синий цвет из-за поглощения света в области около 600–800 нм. [89] Цвет можно легко наблюдать в стакане водопроводной воды, помещенном на чистый белый фон, при дневном свете. Основные полосы поглощения, ответственные за цвет, являются обертонами валентных колебаний O–H . Видимая интенсивность цвета увеличивается с глубиной водного столба, следуя закону Бера . Это также применимо, например, к бассейну, когда источником света является солнечный свет, отраженный от белой плитки бассейна.
В природе цвет также может меняться с синего на зеленый из-за присутствия взвешенных частиц или водорослей.
В промышленности ближняя инфракрасная спектроскопия используется с водными растворами, поскольку большая интенсивность нижних обертонов воды означает, что можно использовать стеклянные кюветы с короткой длиной пути. Для наблюдения основного спектра поглощения растяжения воды или водного раствора в области около 3500 см −1 (2,85 мкм) [90] необходима длина пути около 25 мкм. Кроме того, кювета должна быть как прозрачной около 3500 см −1 , так и нерастворимой в воде; фторид кальция является одним из материалов, который обычно используется для окон кювет с водными растворами.
Рамановские активные основные колебания можно наблюдать, например, с помощью ячейки образца размером 1 см.
Водные растения , водоросли и другие фотосинтезирующие организмы могут жить в воде на глубине до сотен метров, поскольку солнечный свет может достичь их. Практически никакой солнечный свет не достигает частей океанов, находящихся ниже 1000 метров (3300 футов) глубины.
Показатель преломления жидкой воды (1,333 при 20 °C (68 °F)) намного выше, чем у воздуха (1,0), аналогично показателям алканов и этанола , но ниже, чем у глицерина (1,473), бензола (1,501), сероуглерода (1,627) и обычных типов стекла (от 1,4 до 1,6). Показатель преломления льда (1,31) ниже, чем у жидкой воды.
В молекуле воды атомы водорода образуют угол 104,5° с атомом кислорода. Атомы водорода находятся близко к двум углам тетраэдра, центрированного на кислороде. В двух других углах находятся неподеленные пары валентных электронов, которые не участвуют в связывании. В идеальном тетраэдре атомы образуют угол 109,5°, но отталкивание между неподеленными парами больше, чем отталкивание между атомами водорода. [91] [92] Длина связи O–H составляет около 0,096 нм. [93]
Другие вещества имеют тетраэдрическую молекулярную структуру, например метан ( CH
4) и сероводород ( H
2S ). Однако кислород более электроотрицателен , чем большинство других элементов, поэтому атом кислорода имеет отрицательный частичный заряд, в то время как атомы водорода частично заряжены положительно. Наряду с изогнутой структурой это придает молекуле электрический дипольный момент , и она классифицируется как полярная молекула . [94]
Вода является хорошим полярным растворителем , растворяя многие соли и гидрофильные органические молекулы, такие как сахара и простые спирты, такие как этанол . Вода также растворяет многие газы, такие как кислород и углекислый газ — последний придает шипение газированным напиткам, игристым винам и пиву. Кроме того, многие вещества в живых организмах, такие как белки , ДНК и полисахариды , растворяются в воде. Взаимодействие между водой и субъединицами этих биомакромолекул формирует сворачивание белка , спаривание оснований ДНК и другие явления, имеющие решающее значение для жизни ( гидрофобный эффект ).
Многие органические вещества (такие как жиры и масла и алканы ) являются гидрофобными , то есть нерастворимыми в воде. Многие неорганические вещества также нерастворимы, включая большинство оксидов металлов , сульфидов и силикатов .
Из-за своей полярности молекула воды в жидком или твердом состоянии может образовывать до четырех водородных связей с соседними молекулами. Водородные связи примерно в десять раз сильнее силы Ван-дер-Ваальса , которая притягивает молекулы друг к другу в большинстве жидкостей. Вот почему температуры плавления и кипения воды намного выше, чем у других аналогичных соединений, таких как сероводород. Они также объясняют ее исключительно высокую удельную теплоемкость (около 4,2 Дж /(г·К)), теплоту плавления (около 333 Дж/г), теплоту испарения ( 2257 Дж/г ) и теплопроводность (от 0,561 до 0,679 Вт/(м·К)). Эти свойства делают воду более эффективной в смягчении климата Земли , сохраняя тепло и перенося его между океанами и атмосферой. Водородные связи воды составляют около 23 кДж/моль (по сравнению с ковалентной связью ОН при 492 кДж/моль). Из этого количества, по оценкам, 90% приходится на электростатику, а оставшиеся 10% — частично ковалентные. [95]
Эти связи являются причиной высокого поверхностного натяжения воды [96] и капиллярных сил. Капиллярное действие относится к тенденции воды двигаться вверх по узкой трубке против силы тяжести . Это свойство используется всеми сосудистыми растениями , такими как деревья. [ необходима цитата ]
Вода — слабый раствор гидроксида гидроксония — существует равновесие 2H
2О ⇌ Н
3О+
+ ОН−
, в сочетании с сольватацией образующихся ионов гидроксония и гидроксида .
Чистая вода имеет низкую электропроводность , которая увеличивается при растворении небольшого количества ионного материала, например, поваренной соли .
Жидкую воду можно разделить на элементы водород и кислород, пропуская через нее электрический ток — этот процесс называется электролизом . Разложение требует больше энергии, чем выделяется тепла в обратном процессе (285,8 кДж/ моль , или 15,9 МДж/кг). [98]
Жидкую воду можно считать несжимаемой для большинства целей: ее сжимаемость колеблется от 4,4 до5,1 × 10−10 Па −1 в обычных условиях. [99] Даже в океанах на глубине 4 км, где давление составляет 400 атм, вода теряет в объеме всего 1,8%. [100]
Вязкость воды составляет около 10−3 Па · с или 0,01 пуаза при 20 °C (68 °F), а скорость звука в жидкой воде колеблется от 1400 до 1540 метров в секунду (от 4600 до 5100 футов/с) в зависимости от температуры. Звук распространяется на большие расстояния в воде с небольшим затуханием , особенно на низких частотах (примерно 0,03 дБ /км для 1 кГц ), свойство, которое используется китообразными и людьми для общения и зондирования окружающей среды ( сонар ). [101]
Металлические элементы, которые более электроположительны , чем водород, в частности щелочные металлы и щелочноземельные металлы, такие как литий , натрий , кальций , калий и цезий, вытесняют водород из воды, образуя гидроксиды и выделяя водород. При высоких температурах углерод реагирует с паром, образуя оксид углерода и водород. [ необходима цитата ]
Гидрология — это изучение движения, распределения и качества воды на Земле. Изучением распределения воды занимается гидрография . Изучением распределения и движения грунтовых вод занимается гидрогеология , ледников — гляциология , внутренних вод — лимнология , а распределение океанов — океанография . Экологические процессы с гидрологией находятся в центре внимания экогидрологии .
Совокупная масса воды, находящаяся на поверхности планеты, под ней и над ней, называется гидросферой . Приблизительный объем воды на Земле (общий объем мировых запасов воды) составляет 1,386 миллиарда кубических километров (333 миллиона кубических миль). [24]
Жидкая вода находится в водоемах , таких как океан, море, озеро, река, ручей, канал , пруд или лужа . Большая часть воды на Земле — морская вода . Вода также присутствует в атмосфере в твердом, жидком и парообразном состоянии. Она также существует в виде грунтовых вод в водоносных горизонтах .
Вода важна во многих геологических процессах. Подземные воды присутствуют в большинстве горных пород , и давление этих подземных вод влияет на закономерности разломов . Вода в мантии ответственна за расплав, который производит вулканы в зонах субдукции . На поверхности Земли вода важна как в химических, так и в физических процессах выветривания . Вода и в меньшей, но все же значительной степени лед также ответственны за большой объем переноса осадков , который происходит на поверхности Земли. Отложение перемещаемых осадков образует множество типов осадочных пород , которые составляют геологическую летопись истории Земли .
Круговорот воды в природе (в научной литературе его называют гидрологическим циклом) — это непрерывный обмен водой в гидросфере , между атмосферой , почвенными водами, поверхностными водами , грунтовыми водами и растениями.
Вода постоянно движется через каждую из этих областей в круговороте воды, состоящем из следующих процессов переноса:
Большая часть водяного пара, находящегося в основном в океане, возвращается в него, но ветры переносят водяной пар над сушей с той же скоростью, что и сток в море, около 47 Тт в год, в то время как испарение и транспирация, происходящие на суше, также вносят еще 72 Тт в год. Осадки, выпадающие со скоростью 119 Тт в год над сушей, имеют несколько форм: чаще всего дождь, снег и град , с некоторым вкладом тумана и росы . [102] Роса — это маленькие капли воды, которые конденсируются, когда высокая плотность водяного пара встречается с прохладной поверхностью. Роса обычно образуется утром, когда температура самая низкая, непосредственно перед восходом солнца и когда температура поверхности земли начинает повышаться. [103] Конденсированная вода в воздухе также может преломлять солнечный свет , создавая радуги .
Водный сток часто собирается на водоразделах, впадающих в реки. Благодаря эрозии сток формирует окружающую среду, создавая речные долины и дельты , которые обеспечивают богатую почву и ровную местность для создания населенных пунктов. Наводнение происходит, когда участок земли, обычно низменный, покрывается водой, что происходит, когда река выходит из берегов или происходит штормовой нагон. С другой стороны, засуха — это длительный период в несколько месяцев или лет, когда в регионе отмечается дефицит водоснабжения. Это происходит, когда регион получает постоянное количество осадков ниже среднего либо из-за его топографии, либо из-за его расположения с точки зрения широты .
Водные ресурсы — это природные водные ресурсы, которые потенциально полезны для человека, [104] например, как источник питьевой воды или воды для орошения . Вода существует как в виде «запасов», так и в виде «потоков». Вода может храниться в виде озер, водяного пара, грунтовых вод или водоносных горизонтов, а также льда и снега. Из общего объема мировой пресной воды, по оценкам, 69 процентов хранится в ледниках и постоянном снежном покрове; 30 процентов находится в грунтовых водах; а оставшийся 1 процент в озерах, реках, атмосфере и биоте. [105] Продолжительность времени, в течение которого вода остается в хранилище, сильно варьируется: некоторые водоносные горизонты состоят из воды, хранящейся в течение тысяч лет, но объемы озер могут колебаться в зависимости от сезона, уменьшаясь в засушливые периоды и увеличиваясь во влажные. Значительная часть водоснабжения некоторых регионов состоит из воды, извлекаемой из воды, хранящейся в запасах, и когда забор превышает пополнение, запасы уменьшаются. По некоторым оценкам, до 30 процентов от общего объема воды, используемой для орошения, поступает из-за неустойчивого забора грунтовых вод, что приводит к истощению грунтовых вод . [106]
Морская вода содержит в среднем около 3,5% хлорида натрия , а также меньшее количество других веществ. Физические свойства морской воды отличаются от пресной воды в некоторых важных отношениях. Она замерзает при более низкой температуре (около −1,9 °C (28,6 °F)), а ее плотность увеличивается с понижением температуры до точки замерзания, вместо того, чтобы достигать максимальной плотности при температуре выше точки замерзания. Соленость воды в основных морях варьируется от примерно 0,7% в Балтийском море до 4,0% в Красном море . ( Мертвое море , известное своим сверхвысоким уровнем солености от 30 до 40%, на самом деле является соленым озером .)
Приливы — это циклические подъемы и падения местного уровня моря, вызванные приливными силами Луны и Солнца, действующими на океаны. Приливы вызывают изменения глубины морских и эстуарных водоемов и создают колебательные течения, известные как приливные потоки. Изменение прилива, производимое в данном месте, является результатом изменения положения Луны и Солнца относительно Земли в сочетании с эффектами вращения Земли и местной батиметрии . Полоса морского побережья, которая погружается под воду во время прилива и обнажается во время отлива, приливная зона , является важным экологическим продуктом океанских приливов.
С биологической точки зрения вода обладает множеством отличительных свойств, которые имеют решающее значение для распространения жизни. Она выполняет эту роль, позволяя органическим соединениям реагировать способами, которые в конечном итоге позволяют репликацию . Все известные формы жизни зависят от воды. Вода жизненно важна как растворитель , в котором растворяются многие из растворенных веществ организма, так и как неотъемлемая часть многих метаболических процессов в организме. Метаболизм представляет собой сумму анаболизма и катаболизма . При анаболизме вода удаляется из молекул (с помощью энергии, требующей ферментативных химических реакций) для того, чтобы вырастить более крупные молекулы (например, крахмалы, триглицериды и белки для хранения топлива и информации). При катаболизме вода используется для разрыва связей для того, чтобы генерировать более мелкие молекулы (например, глюкозу, жирные кислоты и аминокислоты, которые будут использоваться в качестве топлива для использования энергии или для других целей). Без воды эти конкретные метаболические процессы не могли бы существовать.
Вода имеет основополагающее значение как для фотосинтеза, так и для дыхания. Фотосинтетические клетки используют энергию солнца для отделения водорода воды от кислорода. [107] При наличии солнечного света водород соединяется с CO
2(поглощается из воздуха или воды) для образования глюкозы и высвобождения кислорода. [108] Все живые клетки используют такое топливо и окисляют водород и углерод для захвата энергии солнца и преобразования воды и CO
2в процессе (клеточное дыхание).
Вода также играет центральную роль в кислотно-щелочной нейтральности и функции ферментов. Кислота, ион водорода ( H+
, то есть донор протона, может быть нейтрализован основанием, акцептором протона, таким как гидроксид-ион ( ОН−
) для образования воды. Вода считается нейтральной, с pH (отрицательный логарифм концентрации ионов водорода) 7 в идеальном состоянии. Кислоты имеют значения pH менее 7, а основания — более 7.
Поверхностные воды Земли наполнены жизнью. Самые ранние формы жизни появились в воде; почти все рыбы живут исключительно в воде, и существует множество видов морских млекопитающих, таких как дельфины и киты. Некоторые виды животных, такие как земноводные , проводят часть своей жизни в воде, а часть — на суше. Растения, такие как ламинария и водоросли, растут в воде и являются основой некоторых подводных экосистем. Планктон, как правило, является основой пищевой цепи океана .
Водные позвоночные должны получать кислород, чтобы выжить, и они делают это разными способами. У рыб вместо легких жабры , хотя у некоторых видов рыб, таких как двоякодышащие рыбы , есть и то, и другое. Морским млекопитающим , таким как дельфины, киты, выдры и тюлени , необходимо периодически всплывать, чтобы дышать воздухом. Некоторые амфибии способны поглощать кислород через кожу. Беспозвоночные демонстрируют широкий спектр модификаций, чтобы выживать в воде с низким содержанием кислорода, включая дыхательные трубки (см. сифоны насекомых и моллюсков ) и жабры ( Carcinus ). Однако, поскольку беспозвоночные развивались в водной среде обитания, у большинства из них практически нет специализации для дыхания в воде.
Цивилизация исторически процветала вокруг рек и крупных водных путей; Месопотамия , одна из так называемых колыбелей цивилизации , была расположена между крупными реками Тигром и Евфратом ; древнее общество египтян полностью зависело от Нила . Ранняя цивилизация долины Инда ( ок. 3300 г. до н. э. — ок. 1300 г. до н. э. ) развивалась вдоль реки Инд и притоков, вытекающих из Гималаев . Рим также был основан на берегах итальянской реки Тибр . Крупные мегаполисы, такие как Роттердам , Лондон , Монреаль , Париж , Нью-Йорк , Буэнос-Айрес , Шанхай , Токио , Чикаго и Гонконг, обязаны своим успехом отчасти легкой доступности по воде и последующему расширению торговли. Острова с безопасными водными портами, такие как Сингапур , процветали по той же причине. В таких местах, как Северная Африка и Ближний Восток, где воды не хватает, доступ к чистой питьевой воде был и остается важнейшим фактором развития человечества.
Вода, пригодная для потребления человеком, называется питьевой водой или питьевой водой. Вода, которая не является питьевой, может быть сделана питьевой путем фильтрации или дистилляции , или рядом других методов . Более 660 миллионов человек не имеют доступа к безопасной питьевой воде. [109] [110]
Вода, которая не пригодна для питья, но не вредна для человека при использовании для купания или купания, называется по-разному, кроме как питьевая или питьевая вода, и иногда ее называют безопасной водой или «безопасной для купания». Хлор — это раздражитель кожи и слизистых оболочек, который используется для того, чтобы сделать воду безопасной для купания или питья. Его использование является высокотехническим и обычно контролируется государственными нормами (обычно 1 часть на миллион (ppm) для питьевой воды и 1–2 ppm хлора, еще не прореагировавшего с примесями, для воды для купания). Вода для купания может поддерживаться в удовлетворительном микробиологическом состоянии с помощью химических дезинфицирующих средств, таких как хлор или озон , или с помощью ультрафиолетового света.
Рекультивация воды — это процесс преобразования сточных вод (чаще всего сточных вод , также называемых городскими сточными водами) в воду, которую можно повторно использовать для других целей. 2,3 миллиарда человек проживают в странах с дефицитом воды, что означает, что каждый человек получает менее 1700 кубических метров (60 000 кубических футов) воды в год. Ежегодно в мире образуется 380 миллиардов кубических метров (13 × 10 12 кубических футов) городских сточных вод. [111] [112] [113]
Пресная вода является возобновляемым ресурсом, циркулирующим в естественном гидрологическом цикле , но давление на доступ к ней является результатом естественного неравномерного распределения в пространстве и времени, растущих экономических потребностей сельского хозяйства и промышленности, а также роста населения. В настоящее время около миллиарда человек во всем мире не имеют доступа к безопасной и доступной воде. В 2000 году Организация Объединенных Наций установила Цели развития тысячелетия для воды, чтобы к 2015 году сократить вдвое долю людей во всем мире, не имеющих доступа к безопасной воде и санитарии . Прогресс в достижении этой цели был неравномерным, и в 2015 году ООН взяла на себя обязательство по Целям устойчивого развития по достижению всеобщего доступа к безопасной и доступной воде и санитарии к 2030 году. Плохое качество воды и плохая санитария смертельны; около пяти миллионов смертей в год вызваны болезнями, связанными с водой. Всемирная организация здравоохранения оценивает, что безопасная вода может предотвратить 1,4 миллиона детских смертей от диареи каждый год. [114]
В развивающихся странах 90% всех городских сточных вод по-прежнему сбрасываются неочищенными в местные реки и ручьи. [115] Около 50 стран, в которых проживает примерно треть населения мира, также страдают от средней или высокой нехватки воды , а 17 из них ежегодно забирают больше воды, чем пополняется за счет их естественных водных циклов. [116] Эта нагрузка не только влияет на поверхностные пресноводные водоемы, такие как реки и озера, но и ухудшает ресурсы подземных вод.
Наиболее существенное использование воды человеком приходится на сельское хозяйство, включая орошаемое земледелие, на долю которого приходится от 80 до 90 процентов общего потребления воды человеком. [118] В Соединенных Штатах 42% пресной воды, забираемой для использования, идет на орошение, но подавляющее большинство «потребленной» воды (использованной и не возвращенной в окружающую среду) идет на сельское хозяйство. [119]
Доступ к пресной воде часто воспринимается как должное, особенно в развитых странах, которые построили сложные водные системы для сбора, очистки и доставки воды, а также удаления сточных вод. Но растущее экономическое, демографическое и климатическое давление усиливает обеспокоенность по поводу водных проблем, что приводит к усилению конкуренции за фиксированные водные ресурсы, порождая концепцию пиковой воды . [120] Поскольку население и экономика продолжают расти, потребление мяса, требующего много воды, увеличивается, и возникает новый спрос на биотопливо или новые водоемкие отрасли, вероятны новые водные проблемы. [121]
Оценка управления водными ресурсами в сельском хозяйстве была проведена в 2007 году Международным институтом управления водными ресурсами в Шри-Ланке, чтобы выяснить, достаточно ли в мире воды для обеспечения продовольствием растущего населения. [122] Он оценил текущую доступность воды для сельского хозяйства в глобальном масштабе и нанес на карту места, страдающие от нехватки воды. Было обнаружено, что пятая часть населения мира, более 1,2 миллиарда человек, живут в районах с физическим дефицитом воды , где воды недостаточно для удовлетворения всех потребностей. Еще 1,6 миллиарда человек живут в районах, испытывающих экономический дефицит воды , где отсутствие инвестиций в воду или недостаточный человеческий потенциал делают невозможным для властей удовлетворить спрос на воду. В отчете было установлено, что в будущем можно будет производить необходимое количество продовольствия, но продолжение сегодняшнего производства продовольствия и экологических тенденций приведет к кризисам во многих частях мира. Чтобы избежать глобального водного кризиса, фермерам придется стремиться к повышению производительности для удовлетворения растущего спроса на продовольствие, в то время как промышленность и города найдут способы более эффективного использования воды. [123]
Дефицит воды также вызван производством водоемких продуктов. Например, хлопок : для производства 1 кг хлопка — эквивалента пары джинсов — требуется 10,9 кубических метров (380 кубических футов) воды. Хотя на хлопок приходится 2,4% мирового потребления воды, вода потребляется в регионах, которые уже подвержены риску нехватки воды. Был нанесен значительный ущерб окружающей среде: например, отвод воды бывшим Советским Союзом из рек Амударья и Сырдарья для производства хлопка в значительной степени стал причиной исчезновения Аральского моря . [124]
7 апреля 1795 года во Франции грамм был определен как равный «абсолютному весу объема чистой воды, равного кубу одной сотой метра, при температуре тающего льда». [125] Однако для практических целей требовался металлический эталон, в тысячу раз более массивный, чем килограмм. Поэтому была заказана работа по точному определению массы одного литра воды. Несмотря на то, что установленное определение грамма указывало воду при 0 °C (32 °F) — высоковоспроизводимой температуре — ученые решили переопределить стандарт и провести свои измерения при температуре самой высокой плотности воды , которая в то время была измерена как 4 °C (39 °F). [126]
Шкала температур Кельвина системы СИ была основана на тройной точке воды, определенной как ровно 273,16 К (0,01 °C; 32,02 °F), но с мая 2019 года основана на постоянной Больцмана . Шкала представляет собой абсолютную температурную шкалу с тем же шагом, что и шкала температур Цельсия, которая изначально была определена в соответствии с точкой кипения (установленной на 100 °C (212 °F)) и точкой плавления (установленной на 0 °C (32 °F)) воды.
Природная вода в основном состоит из изотопов водорода-1 и кислорода-16, но также есть небольшое количество более тяжелых изотопов кислорода-18, кислорода-17 и водорода-2 ( дейтерия ). Процент тяжелых изотопов очень мал, но он все равно влияет на свойства воды. Вода из рек и озер, как правило, содержит меньше тяжелых изотопов, чем морская вода. Поэтому стандартная вода определяется в спецификации Vienna Standard Mean Ocean Water .
Тело человека содержит от 55% до 78% воды, в зависимости от размера тела. [127] [ источник, созданный пользователем? ] Для правильного функционирования организму требуется от одного до семи литров (0,22 и 1,54 галлона США; 0,26 и 1,85 галлона США) [ необходима цитата ] воды в день, чтобы избежать обезвоживания ; точное количество зависит от уровня активности, температуры, влажности и других факторов. Большая часть этого потребляется через пищу или напитки, а не через питьевую воду. Неясно, сколько воды необходимо здоровым людям, хотя Британская диетическая ассоциация рекомендует, чтобы 2,5 литра воды в день было минимальным для поддержания надлежащей гидратации, включая 1,8 литра (6-7 стаканов), полученных непосредственно из напитков. [128] Медицинская литература выступает за более низкое потребление, как правило, 1 литр воды для среднестатистического мужчины, без учета дополнительных потребностей из-за потери жидкости из-за физических упражнений или теплой погоды. [129]
Здоровые почки могут выделять от 0,8 до 1 литра воды в час, но стресс, такой как физические упражнения, может уменьшить это количество. Люди могут пить гораздо больше воды, чем необходимо, во время упражнений, подвергая себя риску водной интоксикации (гипергидратации), которая может быть фатальной. [130] [131] Популярное утверждение, что «человек должен потреблять восемь стаканов воды в день», похоже, не имеет под собой реальной научной основы. [132] Исследования показали, что дополнительное потребление воды, особенно до 500 миллилитров (18 британских жидких унций; 17 американских жидких унций) во время еды, было связано с потерей веса. [133] [134] [135] [136] [137] [138] Достаточное потребление жидкости полезно для предотвращения запоров. [139]
Первоначальная рекомендация по потреблению воды от 1945 года, составленная Советом по продовольствию и питанию Национального исследовательского совета США, гласила: «Обычный стандарт для разных людей составляет 1 миллилитр на каждую калорию пищи. Большая часть этого количества содержится в приготовленных продуктах». [140] Последний отчет о рекомендуемом потреблении пищи Национального исследовательского совета США в целом рекомендовал, основываясь на медианном общем потреблении воды из данных опроса в США (включая источники пищи): 3,7 литра (0,81 имп галлона; 0,98 галлона США) для мужчин и 2,7 литра (0,59 имп галлона; 0,71 галлона США) воды в целом для женщин, отмечая, что вода, содержащаяся в пище, обеспечивала приблизительно 19% от общего потребления воды в опросе. [141]
В частности, беременным и кормящим грудью женщинам необходимо дополнительное количество жидкости, чтобы оставаться гидратированными. Институт медицины США рекомендует, чтобы в среднем мужчины потребляли 3 литра (0,66 имп галлона; 0,79 галлона США), а женщины 2,2 литра (0,48 имп галлона; 0,58 галлона США); беременным женщинам следует увеличить потребление до 2,4 литра (0,53 имп галлона; 0,63 галлона США), а кормящим грудью женщинам следует получать 3 литра (12 чашек), поскольку особенно большое количество жидкости теряется во время кормления грудью. [142] Также отмечается, что обычно около 20% потребляемой воды поступает из пищи, а остальное — из питьевой воды и напитков ( включая кофеиносодержащие ). Вода выводится из организма в различных формах: через мочу и кал , через потоотделение и при выдыхании водяного пара. При физических нагрузках и воздействии тепла потеря воды будет увеличиваться, и суточная потребность в жидкости также может увеличиться.
Людям нужна вода с небольшим количеством примесей. Обычные примеси включают соли и оксиды металлов, включая медь, железо, кальций и свинец, [143] [ полная ссылка необходима ] и вредные бактерии, такие как Vibrio . Некоторые растворенные вещества приемлемы и даже желательны для улучшения вкуса и обеспечения необходимых электролитов . [144]
Самым крупным (по объему) источником пресной воды, пригодной для питья, является озеро Байкал в Сибири. [145]
Мытье — это метод очистки , обычно с использованием воды и мыла или моющего средства . Регулярное мытье и последующее ополаскивание тела и одежды является неотъемлемой частью хорошей гигиены и здоровья. [146] [147] [148]
Часто люди используют мыла и моющие средства, чтобы помочь эмульгировать масла и частицы грязи, чтобы их можно было смыть. Мыло можно наносить напрямую или с помощью мочалки или с помощью губок или подобных чистящих инструментов .
В социальном контексте мытье относится к акту купания или мытья различных частей тела, таких как руки , волосы или лица . Чрезмерное мытье может повредить волосы, вызывая перхоть или вызывать грубую кожу/повреждения кожи. [149] [150] Некоторые мытья тела совершаются ритуально в таких религиях, как христианство и иудаизм, как акт очищения .
Стирка также может относиться к мытью предметов. Например, стирка одежды или других предметов из ткани, таких как простыни, или мытье посуды или кухонной одежды . Содержание предметов в чистоте, особенно если они взаимодействуют с пищей или кожей, может помочь с санитарией. Другие виды мытья направлены на поддержание чистоты и долговечности предметов, которые пачкаются, например , мытье автомобиля путем намыливания внешней поверхности автомобильным мылом или мытья инструментов, используемых в грязном процессе.
Морской транспорт (или океанский транспорт) или, в более общем смысле, водный транспорт — это перевозка людей ( пассажиров ) или товаров ( грузов ) по водным путям . Грузовые перевозки по морю широко использовались на протяжении всей зарегистрированной истории . Появление авиации уменьшило важность морских путешествий для пассажиров, хотя они по-прежнему популярны для коротких поездок и прогулочных круизов . Водный транспорт дешевле, чем воздушный или наземный транспорт, [151] , но значительно медленнее на больших расстояниях. По данным ЮНКТАД за 2020 год, на морской транспорт приходится около 80% международной торговли .
Морской транспорт может осуществляться на любые расстояния на лодке, судне, паруснике или барже , через океаны и озера, по каналам или по рекам. Судоходство может быть в коммерческих , развлекательных или военных целях. Хотя обширное внутреннее судоходство сегодня менее важно, основные водные пути мира, включая множество каналов, по-прежнему очень важны и являются неотъемлемой частью мировой экономики . В частности, особенно любой материал может быть перемещен по воде; однако водный транспорт становится непрактичным, когда доставка материалов критична по времени, например, различных видов скоропортящихся продуктов . Тем не менее, водный транспорт является высокорентабельным при регулярных плановых грузоперевозках, таких как трансокеанская доставка потребительских товаров, и особенно для тяжелых грузов или насыпных грузов , таких как уголь , кокс , руда или зерно . Можно утверждать, что промышленная революция оказала свое первое влияние там, где дешевый водный транспорт по каналам, навигация или доставка всеми типами водных судов по естественным водным путям поддерживали экономически эффективные массовые перевозки .
Контейнеризация произвела революцию в морских перевозках, начиная с 1970-х годов. «Генеральный груз» включает товары, упакованные в коробки, ящики, поддоны и бочки. Когда груз перевозится более чем одним видом транспорта, он называется интермодальным или комбинированным .Вода широко используется в химических реакциях в качестве растворителя или реагента и реже в качестве растворенного вещества или катализатора. В неорганических реакциях вода является обычным растворителем, растворяя многие ионные соединения, а также другие полярные соединения, такие как аммиак и соединения, тесно связанные с водой . В органических реакциях она обычно не используется в качестве растворителя реакции, поскольку она плохо растворяет реагенты и является амфотерной (кислотной и основной) и нуклеофильной . Тем не менее, эти свойства иногда желательны. Также было замечено ускорение реакций Дильса-Альдера водой. Сверхкритическая вода в последнее время стала предметом исследований. Насыщенная кислородом сверхкритическая вода эффективно сжигает органические загрязнители.
Вода и пар являются распространенной жидкостью, используемой для теплообмена , из-за ее доступности и высокой теплоемкости , как для охлаждения, так и для нагрева. Холодная вода может быть даже естественным образом доступна из озера или моря. Она особенно эффективна для переноса тепла посредством испарения и конденсации воды из-за ее большой скрытой теплоты испарения . Недостатком является то, что металлы, обычно встречающиеся в таких отраслях, как сталелитейная и медная, окисляются быстрее неочищенной водой и паром. Почти на всех тепловых электростанциях вода используется в качестве рабочей жидкости (используется в замкнутом контуре между котлом, паровой турбиной и конденсатором) и охлаждающей жидкости (используется для обмена отработанного тепла с водоемом или отвода его путем испарения в градирне ). В Соединенных Штатах охлаждение электростанций является крупнейшим использованием воды. [152]
В ядерной энергетике вода также может использоваться в качестве замедлителя нейтронов . В большинстве ядерных реакторов вода является как охладителем, так и замедлителем. Это обеспечивает своего рода пассивную меру безопасности, поскольку удаление воды из реактора также замедляет ядерную реакцию . Однако для остановки реакции предпочтительны другие методы, и предпочтительно держать ядерное ядро покрытым водой, чтобы обеспечить адекватное охлаждение.
Вода имеет высокую теплоту испарения и относительно инертна, что делает ее хорошей огнетушащей жидкостью. Испарение воды уносит тепло от огня. Опасно использовать воду при пожарах, связанных с маслами и органическими растворителями, поскольку многие органические материалы плавают на воде, и вода имеет тенденцию распространять горящую жидкость.
При использовании воды для тушения пожаров следует также учитывать опасность парового взрыва , который может произойти при использовании воды для тушения очень горячих пожаров в замкнутых пространствах, а также опасность взрыва водорода, когда вещества, реагирующие с водой, такие как некоторые металлы или горячий углерод, такой как уголь, древесный уголь или коксовый графит, разлагают воду, выделяя водяной газ .
Мощность таких взрывов была продемонстрирована в Чернобыльской катастрофе , хотя вода в этом случае была взята не из пожаротушения, а из собственной системы водяного охлаждения реактора. Паровой взрыв произошел, когда экстремальный перегрев активной зоны привел к тому, что вода превратилась в пар. Взрыв водорода мог произойти в результате реакции между паром и горячим цирконием .
Некоторые оксиды металлов, особенно щелочных и щелочноземельных металлов , выделяют так много тепла при реакции с водой, что может возникнуть опасность возгорания. Негашеная известь щелочноземельного оксида , также известная как оксид кальция, является массовым веществом, которое часто перевозится в бумажных пакетах. Если они промокнут, они могут воспламениться, поскольку их содержимое реагирует с водой. [153]
Люди используют воду для многих рекреационных целей, а также для упражнений и занятий спортом. Некоторые из них включают плавание, водные лыжи , катание на лодках , серфинг и дайвинг . Кроме того, некоторые виды спорта, такие как хоккей и катание на коньках , проводятся на льду. Берега озер, пляжи и аквапарки являются популярными местами, где люди могут расслабиться и насладиться отдыхом. Многие находят звук и вид текущей воды успокаивающими, а фонтаны и другие сооружения с текущей водой являются популярными украшениями. Некоторые держат рыб и другую флору и фауну в аквариумах или прудах для шоу, веселья и общения. Люди также используют воду для зимних видов спорта, таких как катание на лыжах , санях , снегоходах или сноуборде , для которых требуется, чтобы вода была низкой температуры либо в виде льда, либо в виде кристаллизованного снега .
Водная отрасль предоставляет услуги по питьевой воде и сточным водам (включая очистку сточных вод ) для домохозяйств и промышленности. Водоснабжающие сооружения включают скважины , цистерны для сбора дождевой воды , водопроводные сети и водоочистные сооружения, резервуары для воды , водонапорные башни , водопроводные трубы , включая старые акведуки . Атмосферные генераторы воды находятся в стадии разработки.
Питьевую воду часто собирают в источниках , добывают из искусственных скважин (скважин) в земле или выкачивают из озер и рек. Таким образом, строительство большего количества скважин в подходящих местах является возможным способом производства большего количества воды, предполагая, что водоносные горизонты могут обеспечить достаточный поток. Другие источники воды включают сбор дождевой воды. Вода может потребовать очистки для потребления человеком. Это может включать удаление нерастворенных веществ, растворенных веществ и вредных микробов . Популярные методы - фильтрация песком, которая удаляет только нерастворенный материал, в то время как хлорирование и кипячение убивают вредные микробы. Дистилляция выполняет все три функции. Существуют более продвинутые методы, такие как обратный осмос . Опреснение обильной морской воды - более дорогое решение, используемое в прибрежных засушливых климатических условиях .
Распределение питьевой воды осуществляется через муниципальные системы водоснабжения , доставку автоцистернами или в виде бутилированной воды . Правительства многих стран имеют программы по бесплатной раздаче воды нуждающимся.
Сокращение использования путем использования питьевой воды только для потребления человеком является еще одним вариантом. В некоторых городах, таких как Гонконг, морская вода широко используется для смыва туалетов по всему городу с целью сохранения ресурсов пресной воды .
Загрязнение воды может быть самым большим единичным злоупотреблением водой; в той степени, в которой загрязнитель ограничивает другие виды использования воды, это становится пустой тратой ресурса, независимо от выгод для загрязнителя. Как и другие типы загрязнения, это не входит в стандартный учет рыночных издержек, поскольку рассматривается как внешние факторы , которые рынок не может учесть. Таким образом, другие люди платят цену за загрязнение воды, в то время как прибыль частных фирм не перераспределяется среди местного населения, жертв этого загрязнения. Фармацевтические препараты, потребляемые людьми, часто попадают в водные пути и могут оказывать пагубное воздействие на водную флору и фауну, если они биоаккумулируются и не являются биоразлагаемыми .
Муниципальные и промышленные сточные воды обычно очищаются на очистных сооружениях . Смягчение последствий загрязнения поверхностного стока осуществляется с помощью различных методов профилактики и очистки .
Многие промышленные процессы основаны на реакциях с использованием химикатов, растворенных в воде, суспензии твердых веществ в водных пульпах или использовании воды для растворения и извлечения веществ или для промывки продуктов или технологического оборудования. Такие процессы, как добыча полезных ископаемых , химическая варка целлюлозы , отбеливание целлюлозы, производство бумаги , текстильное производство, крашение, печать и охлаждение электростанций, используют большое количество воды, требуя выделенного источника воды, и часто вызывают значительное загрязнение воды.
Вода используется для выработки электроэнергии . Гидроэлектроэнергия — это электричество, полученное из гидроэлектростанций . Гидроэлектроэнергия вырабатывается водой, приводящей в движение водяную турбину, соединенную с генератором. Гидроэлектроэнергия — это недорогой, экологически чистый, возобновляемый источник энергии. Энергия вырабатывается за счет движения воды. Обычно на реке сооружают плотину, создавая за ней искусственное озеро. Вода, вытекающая из озера, прогоняется через турбины, которые вращают генераторы.
Вода под давлением используется в водоструйной очистке и водоструйных резаках . Высоконапорные водяные пистолеты используются для точной резки. Они работают очень хорошо, относительно безопасны и не вредны для окружающей среды. Они также используются для охлаждения оборудования, чтобы предотвратить перегрев или предотвратить перегрев пильных полотен.
Вода также используется во многих промышленных процессах и машинах, таких как паровая турбина и теплообменник , в дополнение к ее использованию в качестве химического растворителя . Сброс неочищенной воды из промышленных источников является загрязнением . Загрязнение включает в себя сбрасываемые растворенные вещества (химическое загрязнение) и сбрасываемую охлаждающую воду ( тепловое загрязнение ). Промышленности требуется чистая вода для многих применений, и она использует различные методы очистки как при подаче воды, так и при сбросе.
Кипячение , приготовление на пару и томление на медленном огне являются популярными методами приготовления пищи, которые часто требуют погружения пищи в воду или ее газообразное состояние, пар. [154] Вода также используется для мытья посуды . Вода также играет множество важных ролей в области пищевой науки .
Растворенные вещества, такие как соли и сахара, находящиеся в воде, влияют на физические свойства воды. На точки кипения и замерзания воды влияют растворенные вещества, а также давление воздуха , которое, в свою очередь, зависит от высоты. Вода кипит при более низких температурах при более низком давлении воздуха, которое возникает на больших высотах. Один моль сахарозы (сахара) на килограмм воды повышает температуру кипения воды на 0,51 °C (0,918 °F), а один моль соли на кг повышает температуру кипения на 1,02 °C (1,836 °F); аналогично, увеличение количества растворенных частиц снижает температуру замерзания воды. [155]
Растворенные в воде вещества также влияют на активность воды, которая влияет на многие химические реакции и рост микробов в пище. [156] Активность воды можно описать как отношение давления паров воды в растворе к давлению паров чистой воды. [155] Растворенные в воде вещества снижают активность воды — это важно знать, поскольку рост большинства бактерий прекращается при низких уровнях активности воды. [156] Рост микробов влияет не только на безопасность продуктов питания, но также на сохранность и срок годности продуктов питания.
Жесткость воды также является критическим фактором в обработке пищевых продуктов и может быть изменена или обработана с помощью химической ионообменной системы. Она может существенно повлиять на качество продукта, а также играть роль в санитарии. Жесткость воды классифицируется на основе концентрации карбоната кальция, содержащегося в воде. Вода классифицируется как мягкая, если она содержит менее 100 мг/л (Великобритания) [157] или менее 60 мг/л (США). [158]
Согласно отчету, опубликованному организацией Water Footprint в 2010 году, для производства одного килограмма говядины требуется 15 тысяч литров (3,3 × 10 3 галлонов США; 4,0 × 10 3 галлонов США) воды; однако авторы также поясняют, что это мировое среднее значение, а количество воды, используемой при производстве говядины, определяется косвенными факторами. [159]
Вода для инъекций входит в список основных лекарственных средств Всемирной организации здравоохранения . [160]
Большая часть воды во вселенной образуется как побочный продукт звездообразования . Формирование звезд сопровождается сильным внешним ветром газа и пыли. Когда этот отток материала в конечном итоге воздействует на окружающий газ, создаваемые ударные волны сжимают и нагревают газ. Наблюдаемая вода быстро образуется в этом теплом плотном газе. [162]
22 июля 2011 года в отчете было описано открытие гигантского облака водяного пара, содержащего «в 140 триллионов раз больше воды, чем все океаны Земли вместе взятые» вокруг квазара , расположенного в 12 миллиардах световых лет от Земли. По словам исследователей, «открытие показывает, что вода была распространена во Вселенной почти на протяжении всего ее существования». [163] [164]
Вода была обнаружена в межзвездных облаках в пределах Млечного Пути . [165] Вода, вероятно, существует в изобилии и в других галактиках, потому что ее компоненты, водород и кислород, являются одними из самых распространенных элементов во Вселенной. Основываясь на моделях формирования и эволюции Солнечной системы и других звездных систем, большинство других планетарных систем, вероятно, имеют схожие ингредиенты.
Вода присутствует в виде пара в:
Жидкая вода присутствует на Земле, покрывая 71% ее поверхности. [23] Жидкая вода также иногда присутствует в небольших количествах на Марсе . [186] Ученые полагают, что жидкая вода присутствует на спутниках Сатурна Энцеладе в виде океана толщиной 10 километров примерно в 30–40 километрах под южной полярной поверхностью Энцелада, [187] [188] и на Титане в виде подповерхностного слоя, возможно, смешанного с аммиаком . [189] Спутник Юпитера Европа имеет поверхностные характеристики, которые предполагают наличие подповерхностного океана жидкой воды. [190] Жидкая вода также может существовать на спутнике Юпитера Ганимеде в виде слоя, зажатого между льдом высокого давления и камнем. [191]
Вода присутствует в виде льда на:
А также, вероятно, присутствует на:
Вода и другие летучие вещества, вероятно, составляют большую часть внутренних структур Урана и Нептуна , а вода в более глубоких слоях может находиться в форме ионной воды , в которой молекулы распадаются на суп из ионов водорода и кислорода, а еще глубже — в форме суперионной воды , в которой кислород кристаллизуется, но ионы водорода свободно плавают внутри решетки кислорода. [210]
Существование жидкой воды и в меньшей степени ее газообразных и твердых форм на Земле жизненно важно для существования жизни на Земле, какой мы ее знаем. Земля расположена в обитаемой зоне Солнечной системы ; если бы она была немного ближе или дальше от Солнца (около 5%, или около 8 миллионов километров), условия, которые позволяют трем формам присутствовать одновременно, были бы гораздо менее вероятны. [211] [212]
Гравитация Земли позволяет ей удерживать атмосферу . Водяной пар и углекислый газ в атмосфере обеспечивают температурный буфер ( парниковый эффект ), который помогает поддерживать относительно постоянную температуру поверхности. Если бы Земля была меньше, более тонкая атмосфера допускала бы экстремальные температуры, тем самым предотвращая накопление воды, за исключением полярных ледяных шапок (как на Марсе ). [ необходима цитата ]
Температура поверхности Земли была относительно постоянной в течение геологического времени, несмотря на различные уровни поступающей солнечной радиации ( инсоляции ), что указывает на то, что динамический процесс управляет температурой Земли через комбинацию парниковых газов и поверхностного или атмосферного альбедо . Это предложение известно как гипотеза Геи . [ требуется ссылка ]
Состояние воды на планете зависит от давления окружающей среды, которое определяется гравитацией планеты. Если планета достаточно массивна, вода на ней может быть твердой даже при высоких температурах из-за высокого давления, вызванного гравитацией, как это наблюдалось на экзопланетах Gliese 436 b [213] и GJ 1214 b . [214]
Водная политика — это политика, на которую влияют вода и водные ресурсы . Вода, особенно пресная вода, является стратегическим ресурсом во всем мире и важным элементом во многих политических конфликтах. Она оказывает влияние на здоровье и наносит ущерб биоразнообразию.
Доступ к безопасной питьевой воде улучшился за последние десятилетия почти во всех частях мира, но около одного миллиарда человек по-прежнему не имеют доступа к безопасной воде, а более 2,5 миллиардов не имеют доступа к адекватным санитарным условиям . [215] Однако некоторые наблюдатели подсчитали, что к 2025 году более половины населения мира столкнется с уязвимостью, связанной с водой. [216] В отчете, опубликованном в ноябре 2009 года, предполагается, что к 2030 году в некоторых развивающихся регионах мира спрос на воду превысит предложение на 50%. [217]
1,6 миллиарда человек получили доступ к безопасному источнику воды с 1990 года. [218] Подсчитано, что доля людей в развивающихся странах , имеющих доступ к безопасной воде, увеличилась с 30% в 1970 году [219] до 71% в 1990 году, 79% в 2000 году и 84% в 2004 году. [215]
В докладе Организации Объединенных Наций за 2006 год говорилось, что «воды достаточно для всех», но доступ к ней затруднен из-за неэффективного управления и коррупции. [220] Кроме того, глобальные инициативы по повышению эффективности предоставления помощи, такие как Парижская декларация об эффективности помощи , не были приняты донорами водного сектора так же эффективно, как в образовании и здравоохранении, что потенциально приводит к тому, что несколько доноров работают над дублирующими проектами, а правительства-получатели остаются без полномочий для действий. [221]
Авторы Комплексной оценки управления водными ресурсами в сельском хозяйстве 2007 года назвали плохое управление одной из причин некоторых форм дефицита воды. Управление водными ресурсами — это набор формальных и неформальных процессов, посредством которых принимаются решения, связанные с управлением водными ресурсами. Хорошее управление водными ресурсами в первую очередь заключается в знании того, какие процессы работают лучше всего в определенном физическом и социально-экономическом контексте. Иногда ошибки допускались при попытке применить «чертежи», которые работают в развитом мире, к местам и контекстам развивающегося мира. Река Меконг — один из примеров; обзор Международным институтом управления водными ресурсами политики в шести странах, которые зависят от реки Меконг для получения воды, показал, что тщательный и прозрачный анализ затрат и выгод и оценка воздействия на окружающую среду проводились редко. Они также обнаружили, что проект закона Камбоджи о воде был намного сложнее, чем нужно. [222]
В 2004 году британская благотворительная организация WaterAid сообщила, что каждые 15 секунд от легко предотвратимых заболеваний, связанных с водой, которые часто связаны с отсутствием надлежащих санитарных условий, умирает ребенок. [223] [224]
Начиная с 2003 года Доклад ООН о развитии водных ресурсов мира , подготовленный Программой ЮНЕСКО по оценке водных ресурсов мира , предоставляет лицам, принимающим решения, инструменты для разработки устойчивой политики в области водных ресурсов . [225] В докладе за 2023 год говорится, что два миллиарда человек (26% населения) не имеют доступа к питьевой воде , а 3,6 миллиарда (46%) не имеют доступа к безопасной санитарии. [226] Люди в городских районах (2,4 миллиарда) столкнутся с нехваткой воды к 2050 году. [225] Нехватка воды описывается как эндемическое явление из-за чрезмерного потребления и загрязнения . [227] В докладе говорится, что 10% населения мира проживает в странах с высоким или критическим дефицитом воды. Тем не менее, за последние 40 лет потребление воды увеличилось примерно на 1% в год, и ожидается, что оно будет расти такими же темпами до 2050 года. С 2000 года наводнения в тропиках выросли в четыре раза, в то время как наводнения в северных средних широтах увеличились в 2,5 раза. [228] Стоимость этих наводнений в период с 2000 по 2019 год составила 100 000 смертей и 650 миллионов долларов. [225]
Организации, занимающиеся охраной водных ресурсов, включают Международную водную ассоциацию (IWA), WaterAid, Water 1st и Американскую ассоциацию водных ресурсов. Международный институт управления водными ресурсами реализует проекты с целью использования эффективного управления водными ресурсами для сокращения бедности. Конвенции, связанные с водными ресурсами, — это Конвенция Организации Объединенных Наций по борьбе с опустыниванием (КБО ООН), Международная конвенция по предотвращению загрязнения с судов , Конвенция Организации Объединенных Наций по морскому праву и Рамсарская конвенция . Всемирный день водных ресурсов отмечается 22 марта [229] , а Всемирный день океанов — 8 июня. [230]
Вода считается очистителем в большинстве религий. Верования, которые включают ритуальное омовение ( аблюцию ), включают христианство , [231] индуизм , ислам , иудаизм , движение растафари , синтоизм , даосизм и викка . Погружение (или окропление или обливание ) человека в воду является центральным Таинством христианства (где оно называется крещением ); это также часть практики других религий, включая ислам ( гусл ), иудаизм ( миква ) и сикхизм ( амрит санскар ). Кроме того, ритуальное омовение в чистой воде совершается для умерших во многих религиях, включая ислам и иудаизм. В исламе пять ежедневных молитв можно совершать в большинстве случаев после омовения определенных частей тела чистой водой ( вуду ), если вода недоступна (см. Тайаммум ). В синтоизме вода используется почти во всех ритуалах для очищения человека или пространства (например, в ритуале мисоги ).
В христианстве святая вода — это вода, освященная священником для крещения , благословения людей , мест и предметов или как средство отпугивания зла. [232] [233]
В зороастризме вода ( āb ) почитается как источник жизни. [234]
Древнегреческий философ Эмпедокл считал воду одним из четырех классических элементов (наряду с огнем, землей и воздухом ) и считал ее илемом , или основной субстанцией вселенной. Фалес , которого Аристотель изобразил как астронома и инженера, выдвинул теорию о том, что земля, которая плотнее воды, возникла из воды. Фалес, монист , также считал, что все вещи сделаны из воды. Платон считал, что форма воды — икосаэдр — легко текучая по сравнению с кубической формой земли. [235]
Теория четырех телесных жидкостей связывала воду с мокротой , как с холодной и влажной. Классический элемент воды также был одним из пяти элементов в традиционной китайской философии (наряду с землей , огнем , деревом и металлом ).
Некоторые традиционные и популярные азиатские философские системы берут воду в качестве образца для подражания. В переводе « Дао Дэ Цзин» Джеймса Легга 1891 года говорится: «Высшее совершенство подобно (совершенству) воды. Совершенство воды проявляется в том, что она приносит пользу всем вещам и занимает, не стремясь (к противоположному), низкое место, которое не нравится всем людям. Поэтому (ее путь) близок (пути) Дао » и «Нет ничего в мире более мягкого и слабого, чем вода, и все же для нападения на то, что твердо и сильно, нет ничего, что могло бы превзойти ее — ибо нет ничего (столь эффективного), на что ее можно было бы изменить». [236] Гуаньцзы в главе «Шуй ди» 水地 далее развивает символику воды, провозглашая, что «человек есть вода» и приписывая природные качества людей разных китайских регионов характеру местных водных ресурсов. [237]
«Живая вода» фигурирует в германских и славянских сказках как средство возвращения мертвых к жизни. Обратите внимание на сказку братьев Гримм (« Вода жизни ») и русскую дихотомию живой и мертвой воды . Фонтан молодости представляет собой связанную концепцию магических вод, якобы предотвращающих старение.
В значительном модернистском романе «Улисс» (1922) ирландского писателя Джеймса Джойса глава «Итака» принимает форму катехизиса из 309 вопросов и ответов, один из которых известен как «гимн воде». [238] : 91 По словам Ричарда Э. Мэдтеса, гимн — это не просто «монотонная цепочка фактов», скорее, его фразы, как и их тема, «приливы и отливы, вздымаются и набухают, собираются и распадаются, пока не успокоятся в спокойном покое заключительного «чумного болота, увядшей цветочной воды, стоячих прудов в ущербной луне». [238] : 79 Гимн считается одним из самых замечательных отрывков в «Итаке», и, по словам литературного критика Хью Кеннера , достигает «невероятного подвига возведения в поэзию всего беспорядка ничтожной информации, которая накопилась в школьных учебниках». [238] : 91 Литературный мотив воды представляет собой тему романа «вечной, вечно меняющейся жизни», а гимн представляет собой кульминацию мотива в романе. [238] : 91 Ниже приводится полная цитата гимна. [239]
Чем же в воде восхищался Блум, любитель воды, черпатель воды, водонос, возвращающийся на пастбище?
Его универсальность: его демократическое равенство и постоянство своей природы в поиске собственного уровня: его необъятность в океане проекции Меркатора: его неизмеримая глубина в желобе Сундам в Тихом океане, превышающая 8000 саженей: беспокойство его волн и поверхностных частиц, посещающих по очереди все точки его побережья: независимость его единиц: изменчивость состояний моря: его гидростатическое спокойствие в штиль: его гидрокинетическая тургуляция в квадратные и сизигийные приливы: его оседание после опустошения: его бесплодие в циркумполярных ледяных шапках, арктических и антарктических: его климатическое и торговое значение: его преобладание в соотношении 3 к 1 над сушей земного шара: его бесспорная гегемония, простирающаяся на квадратные лиги над всем регионом ниже субэкваториального тропика Козерога: многовековая стабильность его первобытного бассейна: его лютеофульвовое ложе: его способность растворять и удерживать в растворе все растворимые вещества, включая миллионы тонн самых драгоценных металлов: ее медленная эрозия полуостровов и нисходящих мысов: ее аллювиальные отложения: ее вес, объем и плотность: ее невозмутимость в лагунах и высокогорных озерах: ее градация цветов в жарких, умеренных и холодных зонах: ее транспортные разветвления в континентальных озёрных ручьях и впадающих в океан реках с их притоками и трансокеанскими течениями: Гольфстрим, северные и южные экваториальные течения: ее неистовство в моретрясениях, водяных смерчах, артезианских скважинах, извержениях, ливнях, водоворотах, паводках, наводнениях, земных волнах, водоразделах, водоразделах, гейзерах, водопадах, водоворотах, водоворотах, наводнениях, потопах, ливнях: ее обширная околоземная горизонтальная кривая: ее секретность в источниках и скрытая влажность, раскрываемая рабдомантические или гигрометрические приборы, примером которых служит колодец у отверстия в стене у ворот Эштауна, насыщение воздуха, перегонка росы: простота его состава, две составные части водорода с одной составной частью кислорода: его целебные свойства: его плавучесть в водах Мертвого моря: его настойчивая проникающая способность в ручьи, овраги, ненадлежащие плотины, течи на борту судна: его очищающие свойства, утоляющие жажду и огонь, питающие растительность: его непогрешимость как парадигмы и образца: его метаморфозы в виде пара, тумана, облака, дождя, мокрого снега, снега, града: его прочность в жестких гидрантах: его разнообразие форм в оврагах, заливах, бухтах, лагунах, атоллах, архипелагах, проливах, фьордах, протоках, приливных эстуариях и морских рукавах: его прочность в ледниках, айсберги, льдины: его покорность в работе гидравлических мельничных колес, турбин, динамо-машин, электростанций, отбеливательных заводов, кожевенных заводов, стропильных фабрик; его полезность в каналах, реках, если они судоходны, плавучих и гравийных доках: его потенциал, вытекающий из использования приливов или падающих с уровня на уровень водотоков: его подводная фауна и флора (анакустическая, светобоязненная) в количественном отношении,если не в буквальном смысле, то обитатели земного шара: его повсеместное распространение, поскольку он составляет 90% человеческого тела; ядовитость его испарений в озерных болотах, тлетворных топях, увядшей цветочной воде, стоячих лужах при убывающей луне.
.jpeg/1280px-And_The_Kitchen_Sink_Too_(137906641).jpeg)
Художница и активистка Фредерика Фостер курировала выставку «Ценность воды » в соборе Святого Иоанна Богослова в Нью-Йорке [240] , которая положила начало годовой инициативе собора, посвященной нашей зависимости от воды. [241] [242] Это была самая крупная выставка, когда-либо проходившая в соборе, [243] в ней приняли участие более сорока художников, включая Дженни Хольцер , Роберта Лонго , Марка Ротко , Уильяма Кентриджа , Эйприл Горник , Кики Смит , Пэт Стейр , Элис Далтон Браун , Тереситу Фернандес и Билла Виолу . [244] [245] Фостер создала «Подумайте о воде» [246] [ необходима полная цитата ] — экологический коллектив художников, которые используют воду в качестве предмета или среды. В число членов входят Бася Айрланд, [247] [ нужна полная ссылка ] Авива Рахмани , Бетси Дэймон , Дайан Бурко , Лейла Доу , Стейси Леви , Шарлотта Коте, [248] Меридель Рубинштейн и Анна Маклауд .
В ознаменование 10-й годовщины того, как ООН объявила доступ к воде и санитарии правом человека, благотворительная организация WaterAid поручила десяти художникам продемонстрировать влияние чистой воды на жизнь людей. [249] [250]
«Окись дигидрогена» — технически правильное, но редко используемое химическое название воды. Это название использовалось в серии розыгрышей и шуток , высмеивающих научную безграмотность . Это началось в 1983 году, когда в газете в Дюранде, штат Мичиган , появилась статья на День дурака . Ложная история состояла из опасений по поводу безопасности этого вещества. [251]
Слово «Вода» использовалось многими рэперами из Флориды как своего рода крылатая фраза или импровизация. Рэперы, которые делали это, включают BLP Kosher и Ski Mask the Slump God . [252] Чтобы пойти еще дальше, некоторые рэперы написали целые песни, посвященные воде во Флориде, например, песня Дэнни Тауэрса 2023 года «Florida Water». [253] Другие написали целые песни, посвященные воде в целом, например , XXXTentacion и Ski Mask the Slump God с их хитом «H2O».
эти соединения имеют общие или общепринятые названия (например, H2O — это «вода»), а также систематические названия (например, H2O, монооксид дигидрогена).
Обратите внимание, что среда Земли близка к тройной точке, и что вода, пар и лед могут существовать на поверхности.
Вода играет роль и в других христианских ритуалах. ... На заре христианства, спустя два-три столетия после Христа, в церковную службу был введен лавабо (лат. «я умываюсь») — ритуальный сосуд и чаша для омовения рук.
Определения из Викисловаря
Медиа из Commons
Новости из Викиновостей
Цитаты из Викицитатника
Тексты из Викиресурса
Учебники из Wikibooks
Ресурсы из Викиверситета
