Опять вернемся к воде, к тому самому наиболее распространенному и ценному «ископаемому» нашей планеты, о котором мы уже говорили. Этот минерал со столь на первый взгляд простой химической формулой (строением) обладает отнюдь не простыми свойствами.

Обратите внимание: единицей измерения массы тел (мы привычно говорим – веса, что неверно) в системе СГС служит грамм. А чему равен этот грамм? Массе одного кубического сантиметра химически чистой воды при температуре около четырех градусов Цельсия, то есть при наибольшей плотности.

Долгое время была в употреблении внесистемная единица измерения теплоты – калория, опять-таки связанная с водой. Ею обозначали количество теплоты, необходимое для нагревания одного грамма химически чистой воды на один градус Цельсия. Да и сама температурная шкала, которую предложил в 1742 году шведский ученый Андерс Цельсий, основана на свойстве воды переходить из одного состояния в другое: лед тает при нуле градусов, вода кипит при ста градусах.

Существует в физике такое понятие, как теплоемкость. От нее зависит, сколько теплоты надо подвести к тому или иному телу, чтобы его нагреть до какой-то температуры. Так вот, оказывается, что у воды самая большая теплоемкость – очень важное свойство этой удивительной жидкости. Оно играет огромную роль во всех атмосферных процессах на нашей планете (о техническом использовании этого свойства воды нечего уж и говорить, достаточно привести всего два примера: систему охлаждения в двигателях внутреннего сгорания и систему центрального отопления в наших домах).

В теплое время года океаны поглощают огромное количество солнечной энергии, но вода в океанах и морях остается прохладной (а по песку, бывает, босыми ногами не ступишь – обожжешься).

Осенью все наоборот: воздух уже остыл, и моря начинают отдавать ему запасенное впрок тепло. Другими словами, океаны и моря – это гигантский естественный теплообменник, благодаря которому в обширных приморских районах климат мягче, чем на материке. Летом у моря не так жарко, а зимой не так холодно. Этот естественный теплообменник во многом определяет всю погоду на земном шаре.

Весна… Пасмурные дни сменились солнечными, весело зазвенела капель, побежали ручьи, снег быстро темнеет и в конце концов совсем исчезает. Бывает весна бурная, бывает затяжная, но все равно на то, чтобы сошел снег, требуется какое-то время. А теперь представьте себе, что снег (это, как мы знаем, та же вода, только находящаяся в твердой фазе) имел бы иную теплоту плавления, чем он имеет на самом деле. Значительно, к примеру, меньшую. Что бы тогда было? Что ни весна, то катастрофический паводок! Снег сходил бы невероятно быстро, а если его за зиму выпало много, то последствия такого быстрого таяния были бы ужасными.

Утверждение, что моря и океаны – это естественный теплообменник, во многом определяющий погоду на Земле, верное, но далеко не полное. И вот почему. Мировой океан не только теплообменник, но еще большую роль он играет, пожалуй, в формировании погоды как гигантский испаритель.

Кроме теплоемкости и теплоты плавления (для льда и снега), вода имеет еще одну очень важную физическую характеристику – теплоту кипения, или теплоту парообразования. Каждый день и час с поверхности суши, рек, озер, морей и океанов под действием солнечного тепла испаряется в среднем не менее тысячи кубических километров воды. Тысяча кубических километров! На это уходит огромное количество тепла. Пары воды, в которых накоплено много тепла, уносятся ветром очень далеко от тех мест, где образовались, и там это тепло отдают. Что при этом происходит, мы уже говорили, когда обсуждали вопрос, как возникают условия для ливней.

Известно, при нагревании тела расширяются, при охлаждении сжимаются. Это справедливо и по отношению к жидкостям. Но если мы возьмем воду, то она и здесь ведет себя по-своему. При нагревании любой другой жидкости, кроме воды, ее плотность с повышением температуры уменьшается, объем жидкости по мере нагревания все время увеличивается. При охлаждении, наоборот, плотность будет неизменно возрастать.

Вода же наибольшую плотность имеет при четырех градусах тепла. Более горячая или более холодная вода – менее плотная. И хорошо, что так! Ведь если бы плотность воды увеличивалась по мере охлаждения, то зимой все водоемы промерзали бы до дна. Лед был бы тяжелее воды и, опускаясь на дно, вытеснял бы ее.

Ясно, что в промерзшем до дна водоеме жизнь была бы невозможна.

Однако «странность» воды все меняет. Плотность льда меньше плотности воды (самая плотная вода имеет температуру четыре градуса, а не ноль градусов). И он в воде не тонет, под ним же температура воды распределяется так: у самого льда – около нуля, ниже – около четырех градусов.

Охлаждаясь при наступлении холодов, на поверхности водоема вода становится более тяжелой и опускается вниз, а снизу поднимается более теплая и более легкая вода. Это движение прекращается, как только вся вода охладится до четырех градусов. Теперь уже верхний слой воды остывает дальше, остается наверху и превращается в лед. При этом ее объем резко увеличивается – примерно на одну десятую часть, что тоже далеко не безразлично природе.

Мы уже говорили о том, сколь большую роль играют вода и ветер в преображении лика Земли. Именно свойство воды увеличиваться в объеме при замерзании ведет к разрушению горных пород. Попадая в мельчайшие трещины скал и там замерзая, вода действует подобно взрывчатому веществу. Образующемуся льду тесно в небольших трещинах, и он разрушает камень.

Вода ко всему прочему – прекрасный еще растворитель. Каждый знает, что вкус ее зависит от источника. Вот из этого колодца, нередко говорим мы, вода вкусная, а из этого – нет. Дело, конечно, не в источнике, а в тех солях, которые растворены в воде. Наличие же солей в земле, их концентрация не везде одинаковы, отсюда и разный вкус воды. Не имеет вкуса и запаха только такая вода, которую мы называем химически чистой.

Благородные металлы потому были названы благородными, что их не всякая кислота может растворить. Так, золото растворяется лишь в смеси концентрированных кислот – азотной и соляной. Эту смесь издавна называют «царской водкой» (царем тут выступает именно золото – царь металлов). Все это абсолютно верно. И все-таки вода растворяет и золото! Не случайно же его находят в морской воде! Правда, извлекать его оттуда – занятие пока не очень-то перспективное, так как его там чрезвычайно мало. Серебро растворяется в воде чуть-чуть лучше, железо еще лучше – есть источники с большим содержанием железа. В некоторых подземных источниках вода содержит в себе более шестидесяти элементов таблицы Менделеева.

Вам доводилось наблюдать, как бегает по воде клоп-водомерка? А задумывались, как ей это удается? Почему водомерка не проваливается, как путник на тонком льду? Потому что сила, с которой она давит на поверхность воды, меньше силы так называемого поверхностного натяжения. Природа этого натяжения, согласно современным представлениям физической химии, определяется наличием взаимодействия между молекулами. Однако основу самого межмолекулярного взаимодействия составляют так называемые химические связи, благодаря которым атомы химических элементов объединяются в молекулы и кристаллы. Ученые считают, что многие свойства воды и льда обусловлены водородной связью, названной так потому, что главную роль в ней играет атом водорода.

Вероятно, всем довелось видеть, как космонавты во время телевизионной связи с ними показывали своеобразный «фокус»: выдавленные из туба капли воды никуда не падали, а спокойно плавали в воздухе. Суть же этого «фокуса» не просто в том, что капли никуда не падали, но и в том еще, что они принимали безупречную форму шара. Это, можно сказать, демонстрация явления поверхностного натяжения в натуральном виде: именно силы этого натяжения при отсутствии внешних воздействий стягивают каплю жидкости в шар. Стало быть, естественная форма капли – шар, а не та, что мы повседневно видим в земных условиях.

Мы говорим: химически чистая вода. Это значит, что она не содержит примесей. Н2 О, так сказать, в чистом виде. Однако под этой универсальной формулой скрывается разная вода. Давно уже установлено, что химические элементы имеют своих двойников – изотопы. Они отличаются от основного элемента лишь тем, что масса их атомов другая. Изотопы могут быть тяжелее или легче основного элемента. В химически чистой воде есть такая, молекулы которой состоят из изотопов водорода или кислорода. Чаще всего это тяжелая вода, в ней присутствует не водород, а его тяжелый собрат – дейтерий. У тяжелой воды, естественно, и плотность, и другие физические характеристики иные. Некоторые ученые считают, что вода, даже химически чистая, представляет собой смесь молекул разного сорта; простых и ассоциированных, объединенных в группы. Простая молекула – это всем известное Н2 О, ассоциированные (Н2 0)8 , (Н2 0)4 и (Н2 0)2 . Правда, такое строение воды экспериментально еще не доказано.

Похоже, что на изучении воды как химического соединения рано ставить точку.

О живой и мертвой воде мы наслышаны с детства. Во всяком случае те из нас, кто любил слушать сказки, а потом и сам читал их. Став взрослыми, мы узнали, что сказки – это духовное творчество народа, в котором в иллюзорной форме отражались его жизнь, чаяния и надежды. Сказочное, иллюзорное мы оставили сказкам, но сказочные образы и метафоры сплошь да рядом стали переносить на явления и предметы вполне реальные. Вода, которая спасает в засушливый год урожай, конечно же, живая! Она, безусловно, живая и для населения пустынных и полупустынных районов, где и жизнь, и земледелие возможны только при наличии воды. И наоборот, вода, в которой не может жить ни одно существо, мертвая: Мертвое море в Западной Азии (впрочем, в нем все-таки живут отдельные виды бактерий), мертвыми стали некоторые реки и водоемы, отравленные отходами промышленности…

В 1607 году некий Романо выпустил книгу о чудесах, объяснив их, как и положено по тем временам, вмешательством потусторонних сил. Таких книг и тогда, и позже было написано немало. Поэтому не стоило бы на нее обращать внимания. Но вот прочтем из нее один отрывок. «Я должен рассказать вам, – пишет Романо, – о другой проделке дьявола, чтобы вы знали, как многочисленны козни этого врага человеческого против бедных моряков. На пути из Гаэты в Неаполь галера „Санта Лука“ шла под парусами при свежем ветре. Находясь в двух милях от Порты, она остановилась почти неподвижно, несмотря на то, что все паруса были подняты. Шкипер осмотрел руль, думая найти канат или сеть, запутавшиеся в нем, но ничего не было найдено. Он приказал рабам сесть на весла. Они стали грести, понукаемые тяжелыми ударами, но галера не двигалась с места. Она стояла так более четверти часа».

Сразу же скажем: с этим и в самом деле загадочным явлением мореходы прошлых веков сталкивались неоднократно во многих районах земного шара – у побережья Норвегии и в Средиземном море, в Мексиканском заливе и в устьях больших африканских рек.

В одном из скандинавских сказаний повествуется о морском походе викингов, прерванном по воле богов. Большое парусно-гребное судно стояло в фиорде, готовое сняться с якоря. Заснеженные пики гор, окружающие залив, сверкали в лучах весеннего солнца. Снег таял, вынося к морю целые потоки пресной воды… Прозвучала команда херсира (вождя). Над кораблем раскрылся большой четырехугольный парус красного цвета, и свежий ветер принял судно в свою стихию.

Но не успело оно продвинуться и сотни локтей, как, словно натолкнувшись на какое-то не видимое в воде препятствие, резко снизило скорость. Навалившись на весла, воины-гребцы пытались помочь ветру вывести судно из фиорда. Тщетно! «Хозяин фиорда не хочет нашего похода! – шептали испуганные люди. – С ним нельзя спорить!»

Предводитель, столь же суеверный, отдал приказ возвращаться. На берег был брошен канат, корабль подтянули к суше, и воины торопливо покинули его. В тот же день у херсира собрался военный совет. Было решено принести новую щедрую жертву богам-покровителям.

А старый, самый опытный из мореходов, Олаф Одноглазый, добавил: «Боги не хотят, чтоб мы вышли. в море сегодня. Подождем, когда изменится ветер и принесет в залив свежую воду». По опыту прошлого он знал, что таинственные подводные силы исчезают, когда в фиорд устремляются воды открытого моря.

О «мертвой» воде, на которой резко гасилось движение корабля, упоминал еще Плиний Старший. Не зная истинных причин этого редкостного явления, он в своей «Естественной истории» пытался объяснить остановку корабля тем, что к днищу присасываются моллюски. А в средние века мнение моряков об этом устрашающем явлении было безапелляционным – проделки самого дьявола!

Встреча с такой водой и в самом деле могла сильно напугать даже бывалых людей. Ведь неведомая западня держала иной раз корабль не часы, а дни, даже недели!

Можно, конечно, заподозрить, что такие рассказы сильно преувеличены. Но вот перед нами свидетельство, которое уж никак нельзя отнести к «моряцким байкам». Речь идет о наблюдениях Фритьофа Нансена во время его путешествия к Северному полюсу. Отплыв из Норвегии летом 1893 года на судне «Фрам», экспедиция направилась к Новосибирским островам. У полуострова Таймыр произошла их встреча с давнишней морской загадкой. При подходе к кромке льдов «Фрам» вдруг прекратил движение, несмотря на то что машина работала на полную мощность. Позднее в своей известной книге «Во мраке ночи и во льдах» Нансен подробно описал происходящее:

«…На то, чтобы пройти несколько морских миль, которые мы прошли бы на веслах в полчаса или даже менее, понадобилось более вахты (четыре часа), мы почти не двигались с места благодаря мертвой воде; судно точно увлекало за собой весь поверхностный слой воды. Мертвая вода образует как бы вал или даже волны больших или меньших размеров, которые, следуя за судном, пересекали под углом след его за кормой, иногда эти волны заходят далеко вперед, почти до середины корабля; мы поворачивали в разные стороны, кружили, делали все возможные повороты, но ничто не помогло. Как только останавливали машину, так словно что-то засасывало корабль назад».

Пять суток «Фрам» находился в плену у «хозяина моря». Скорость судна упала почти в пять раз. Только когда корабль достиг ледяного поля и взломал тонкий лед, он «сделал рывок вперед» и начал двигаться со своей обычной скоростью – четыре с половиной узла.

Внимательный наблюдатель Нансен отмечает, что «мертвая» вода появляется, «кажется, только там, где поверх соленой морской воды находится слой пресной воды, и заключается, по-видимому, в том, что слой пресной воды увлекается и скользит по более тяжелой соленой воде, как по твердой подкладке».

А разница между двумя слоями – пресным и соленым – в месте встречи «Фрама» с «мертвой» водой была столь велика, что моряки могли пить воду, взятую с поверхности моря. Воду же, поступавшую в трюмные краны, нельзя было использовать и для питания парового котла, настолько она была соленой.

Существование «мертвой» воды как реального природного явления ученые долго не принимали всерьез. Лишь наблюдения Нансена привлекли, наконец, к ней внимание. Ведь на сей раз о ней сообщал уже не безвестный моряк, а всемирно известный исследователь Арктики. И не только сообщал, но и пытался ее объяснить. Возвратившись из экспедиции, он попросил своего соотечественника Бьеркнеса заняться разгадкой удивительного явления.

Специальными опытами было установлено: для появления в море очага с такой водой действительно необходим на поверхности слой пресной или почти пресной воды. Когда корабль движется по ней с незначительной скоростью (около четырех узлов), то на границе между пресной и соленой водой образуются подводные волны, которые очень быстро достигают больших размеров. Энергия этих внутренних волн и гасит всю или почти всю скорость судна. Мощь судовых двигателей расходуется на то, чтобы противостоять этому невидимому глубинному волнению.

Эксперименты в бассейнах показали, каким путем можно избежать западни: судну необходимо идти со скоростью, превышающей скорость движения глубинных волн. В этом случае на границе раздела водных слоев волн не образуется – они гасятся. И если скорость судна превышает пять узлов, то проблемы «мертвой» воды для него нет. Вот почему моряки и замечали с давних пор, что в загадочную ловушку попадали суда средних размеров, ведь шли они обычно со скоростью не выше четырех с половиной узлов.