水科学を理解する

地球を宇宙の奥深くから見ると、青い点として表示されます。これは、表面の 70% 強が水で覆われているためです。多くの惑星にも水が存在し、木星と土星のいくつかの衛星には重要な水資源があると考えられています。しかし、地球は間違いなく、私たちの太陽系で水が明確な存在を示す唯一の物体です。そもそも生命が繁栄したのは、水とその物理的特性のおかげです。水は私たちにとって非常に身近なものであり、それがどれほど素晴らしい物質であるかを忘れがちです.

水とは正確には何ですか?

水は H2O で、2 つの水素原子と 1 つの酸素原子からなる単純な分子です。地球上で自然に見られる温度範囲で固体、液体、気体として存在する唯一の物質です。水は透明ですが、完全に無色というわけではありません。空が青いのは、大気中の分子が他の色よりも青い光を散乱させるためであるのと同じように、大量の水も同様の青みを帯びています。それが海であろうと、氷河の氷の劇的な青であろうと (海と湖も青い空を反射します)。 、さらに青く見えるようにします）。地球上にこれほど多くの水があることは、非常に幸運なことです。水には驚くべき特性があるからです。

何がそんなに特別なの?

水は印象的な溶媒です。つまり、物を溶かすのに非常に優れています。これが、生体にとって非常に価値があり、生きている細胞内の化学物質全体の輸送流体として機能する理由の一部です.水が優れた溶媒である理由は、非常に強い水素結合のおかげで、物質の原子に付着して分離する能力です。これが水を特別なものにする効果です。水素原子と、窒素、酸素、フッ素などの他の原子との間の電気的引力です。また、水分子間の水素結合は分離を困難にし、沸点を押し上げます。この効果がなければ、水は約 -70°C で沸騰します。それは、地球上に液体の水がなく、生命が存在しないことを意味します.

水素結合のもう 1 つの重要な副作用は、水が凍結すると、分子間の水素結合が結晶を特定の形状に引き寄せることです。これが、雪片が 6 つのポイントで形成される理由であり、水の結晶が他の場合よりも多くのスペースを持っていることを意味します。それらは四面体を形成します – 4 つの三角形の辺を持つ形状です。その結果、固体の水または氷は液体よりも密度が低くなります。そのため、水の入ったガラス瓶を冷凍庫に入れることはお勧めできません (水が膨張して瓶が粉々になる可能性があります)。また、氷が浮くのはなぜですか?池の上。

この水の性質は独特だとよく言われます。たとえば、酢酸とシリコンはどちらも液体よりも固体の方が密度が低いため、これは完全には当てはまりません。しかし、それは珍しいことであり、重要なことです。氷が水よりも密度が高いと、湖は上からではなく底から凍り、水生生物が寒い冬を乗り切る可能性ははるかに低くなります.

宇宙のどこで水が見つかった?

水を構成する化学元素（水素と酸素）は、宇宙に豊富に存在します。実際、それらは質量で 1 番目と 3 番目に一般的です。したがって、水が多くの場所に現れても不思議ではありません。太陽系のすべての惑星には少なくともいくらかの水がありますが、炉のような金星の大気には少量の蒸気しかありません.

同様に、いくつかの月は十分に提供されています。私たちの月には氷が堆積しているように見えますが、エウロパ、ガニメデ、カリスト、エンケラドスなど、木星と土星の多くの衛星では、表面の氷の下に塩分の多い液体の水があると考えられています。太陽系外縁部から太陽に向かって落下する彗星は、通常、大量の水の氷を含んでいます。さらに外側では、星の間の物質の広大な雲、遠く離れた太陽系の惑星の大気、新しい星が形成されている回転する物質の円盤の中に水が見られます。水は確かにありふれたものですが、地球ほど支配的であることはめったにありません。

そこに水があることをどうやって知るのですか?

遠く離れた星系に行って水を調べることはほとんどできませんが、天文学者は宇宙で分子を検出する方法を試し、テストしてきました。これらは、分光法、または光のスペクトルの研究に依存しています。光が物質を通過すると、光の波長の一部が吸収され、スペクトルに暗い線が残ります。分光法は、星の元素を検出するために天文学で最初に使用されましたが、現在では、光が深宇宙の物質の雲などを通過するときに広く使用されています。

特定の分子の指紋のように、さまざまな化合物が独自の「吸収スペクトル」を持っています。たとえば、液体の水と水蒸気のスペクトルの間には区別さえあります (ただし、直接観察できない限り、惑星で液体の水を検出することはまだできません)。

遠方の恒星を周回する惑星の大気中の水蒸気を検出することは、宇宙で独立した水分子を検出することよりも困難です。これは、信号を恒星自身のスペクトルと区別するのが難しいためです。しかし、欧州の HotMol プロジェクトで試行されている新しい技術は、分光法と光の偏光に関する情報を組み合わせたもので、スペクトルの光源を示す可能性があります。テクノロジーによって、水が宇宙にどれだけ広がっているかを発見することがますます可能になっています.

生命にとって水は不可欠ですか?

水は、私たちが地球上に持つ生命の形態にとって確かに不可欠であり、それらはすべて共通の祖先を持ち、機能するために水を必要とします.生命はあらゆる種類の極端な環境で発見されており、暑さと寒さの限界で、さらには空気がなくても活動しています。しかし、私たちが発見したすべての種類の生物には、動作環境を提供するために水を必要とする生体細胞が含まれています。細胞はそれなしでは機能しません。膨らませたままにして化学物質を移動させるだけの問題ではありません。生きている細胞には、小さくて複雑なメカニズムがたくさんあります。これらのメカニズムの多くは、分子のさまざまなセクションに依存しており、水とうまく機能するか、水と混合しないかのいずれかです。たとえば、タンパク質は生物の重要な働き分子です。タンパク質は、その役割を果たすために特定の形状に折り畳まれる必要があり、タンパク質分子のさまざまな部分による水との相互作用によって、折り畳み方が決まります.水は単なる溶媒ではありません。私たちの素晴らしい細胞機構の機能に密接に関わっています。

体内の水分量はどれくらい?

私たち人間は、通常、体重の 50 ～ 70% という大量の水分を含んでいます。この大部分は体を構成する約 30 兆個の細胞にあり、残りは血液などの体液にあります。

私たちの細胞では、水は細胞が崩壊するのを防ぎ、さまざまな分子が場所から場所へ移動するための媒体としても機能します.この輸送の役割は、血流の周りに物質を運ぶなど、水が移動している場所でより明白です。また、潤滑し、貴重な化学物質を溶解し、臓器のショックアブソーバーとして機能します.水が役割を果たさない体の部分を見つけるのは難しいです - 骨でさえ約3分の1の水です.ちなみに、1 日に約 2 リットル (グラス 8 杯) の水が必要ですが、他の飲み物でも水分補給ができるので、純粋な形で飲む必要はありません。さらに、私たちは通常、必要な水分の約半分を食物中の水分から得ています。

地球の水はどのようにしてそこに到達したのですか?

地球の水の起源を 100% 確信しているわけではありませんが、一般的には、最初に地球を形成した物質の雲からの水と、後に惑星に衝突した天体からの追加の水が組み合わさったものであると考えられています。太陽に比較的近い私たちの惑星は、その形成中に最初の水の一部を失ったでしょうが、小惑星や彗星など、より遠くにある天体は、水を保持する可能性が高く、地球の供給に追加された可能性があります.太陽の引力が彼らを私たちに引き寄せたとき.

長い間、地球の水の大部分はこれらの後から追加されたものであると考えられていましたが、最近の研究によると、ほとんどの彗星や小惑星の水には、地球上の水よりも多くの重水素 (水素同位体) が含まれる傾向があることが示されています。これは、私たちの惑星の水の多くが太陽系の起源にさかのぼることを示唆しており、その多くは地球の初期に地表の下に留まって保護されていた可能性があります. 2016 年には、最大 1,000 キロメートルの深さの岩石が水を貯えることができることが発見されました。

水循環はどのように機能しますか?

太陽の絶え間ないエネルギーの流れのおかげで、水分子は海や湖 (植物や土壌だけでなく) の表面から水蒸気として絶えず蒸発し、空気中の水蒸気に加えられます。これは、惑星の周りの風によって運ばれます。蒸気が特に冷たい空気に到達し、周囲に凝縮する粒子がある場所では、雲を構成する小さな水滴が形成され、それらが結合してより大きな水滴を形成し、最終的に雨になります。雨が高地に降ると、小川や川となって流れ落ち、最終的に海に流れ込みます。このサイクルは、乾燥した土地に生息する多くの生物にとって不可欠です。

水がたくさんあるのに、なぜ水を節約しなければならないのですか?

1つのことは確かです。惑星として、私たちは水が不足していません。地球の表面の 70% 以上は水で、14 億立方キロメートルに相当します。これは非常に膨大な量であり、視覚化するのは困難です。 1 立方キロメートルは 1 兆リットルの水です。世界の水の量を人口で割ると、1 人あたり 0.2 立方キロメートルの水になります。 1 人 1 日あたり 5 リットルの合理的な消費量で、世界の水は 116,219,178 年持続します。そして、それは私たちが水を使い果たすことを前提としています。実際には、私たちが「消費」した水は、すぐに再び利用できるようになります。水不足はまさにエネルギー不足です。使用可能な水を提供することを困難にしているのは、エネルギーのコストです。問題は、水が間違った場所にあるため、移動する必要があるか、飲むことができるようにするために何かを取り除く必要があることです。これは海水ほど明白です。

なぜ海水を飲料水に変えるのは難しいのですか?

海に囲まれた英国に住んでいると、水不足を経験するのはばかげているように思えるかもしれません.同じことが海岸線を持つ多くの国にも当てはまります。そして、海水を飲料水に変えることは完全に可能です。これは単に費用がかかり、エネルギーを大量に消費するプロセスです。

海水には通常、重量で約 3.5% のミネラルが含まれており、そのほとんどは、水が蒸発したときに塩を形成するナトリウムと塩化物イオンです。これを飲めるようにする最も簡単な方法は、水を沸騰させて純粋な蒸気を集めることです。あるいは、水素と酸素を電気分解によって海水から分離し、再結合して水を作るか、一部の分子のみを通過させる特殊な膜によってミネラルを除去することができます。実際の淡水化プラントでは、蒸発技術のバリエーションを使用する傾向があります。プロセスは難しくありません。不純物を除去するのに大量のエネルギーが必要なだけです。アースまたはリサイクル。