Сколько состояний у воды на самом деле: не только лед, жидкость и пар

Представьте кусочек льда, который горячее кипящей воды. Или жидкость, которая не замерзает даже при сильном морозе. Или океан, спрятанный под километрами льда на далёком спутнике. Со школы мы знаем, что вода бывает в трёх основных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном.

Лёд, вода и пар — простая схема, которой достаточно для повседневной жизни. Но наука давно показала, что у воды гораздо больше возможностей. При необычных температурах и давлении она может превращаться в стекло, становиться сверхплотным льдом, проводить электричество и существовать внутри планет в совершенно непривычном виде.

Некоторые из этих состояний удалось получить только в лаборатории. Другие, вероятно, существуют в недрах планет, под ледяными оболочками спутников и в атмосферах далёких миров. Вода кажется обычной только до тех пор, пока мы не начинаем менять условия.

Обычный лёд — только одна разновидность

Привычный лёд состоит из молекул воды, расположенных в определённом порядке. Его структура получается довольно рыхлой, поэтому лёд легче жидкой воды и плавает на поверхности.

Это свойство имеет огромное значение для природы. Если бы лёд был тяжелее воды, он опускался бы на дно озёр и морей. Водоёмы постепенно промерзали бы снизу вверх, и большая часть водной жизни не переживала бы холодный сезон.

Но привычный лёд — лишь одна из многочисленных форм замёрзшей воды. Если резко изменить температуру или давление, молекулы начинают выстраиваться иначе. Лёд становится плотнее, а его внутренняя структура меняется. Некоторые такие разновидности можно получить только в специальных установках, но внутри крупных планет они могут существовать естественным образом.

Лёд, похожий на стекло

Иногда вода замерзает настолько быстро, что её молекулы не успевают выстроиться в аккуратную кристаллическую решётку. Тогда образуется твёрдая масса, которая больше напоминает стекло, чем обычный лёд.

Такой материал называют аморфным льдом. Его молекулы застывают почти беспорядочно, словно вода остановилась в самый момент превращения в твёрдое состояние. Учёные получают аморфный лёд, резко охлаждая крошечные капли воды или сжимая обычный лёд при очень низкой температуре.

Особенно интересно, что стеклообразная вода, полученная из жидких капель, по своим свойствам похожа на одну из форм аморфного льда. Это значит, что аморфный лёд может быть не просто «неправильно замёрзшим» льдом, а жидкой водой, застывшей без времени на создание правильной кристаллической структуры.

Вода, которая отказывается замерзать

Переохлаждённая вода — это настоящая жидкость, охлаждённая ниже нуля. Она уже должна была бы превратиться в лёд, но пока остаётся жидкой.

Для замерзания воде нужен первый маленький кристалл. Им может стать пылинка, пузырёк воздуха, царапина на стенке сосуда или случайная льдинка. Если вода очень чистая, а сосуд гладкий, такой кристалл может долго не появляться.

Но стоит встряхнуть бутылку или бросить в неё кусочек льда, как замерзание начинается почти мгновенно. Вода мутнеет, внутри появляются ледяные узоры, и жидкость быстро превращается в ледяную массу.

В облаках переохлаждённые капли встречаются постоянно. Они могут оставаться жидкими при сильном морозе, а затем замерзать при столкновении с пылью или ледяными частицами. От этого зависят снег, град и обледенение самолётов.

Возможно, вода бывает двух видов

У воды есть странная особенность: её плотность максимальна примерно при 4 °C. Если вода продолжает остывать, она не сжимается, как большинство жидкостей, а начинает расширяться. Именно поэтому лёд занимает больше места, чем вода.

Исследователи считают, что внутри жидкости постоянно соперничают две разные структуры. Одна из них плотная и компактная, а другая более рыхлая и напоминает внутреннее устройство льда. При изменении температуры и давления меняется соотношение между ними.

Согласно одной из главных гипотез, при очень сильном охлаждении вода может разделяться на две жидкости — более плотную и менее плотную. Это был бы необычный переход: вода не превращается в лёд, а становится другой водой.

Пока учёные не смогли спокойно наблюдать этот переход в обычной колбе. В предполагаемой области вода слишком быстро замерзает. Поэтому исследователи используют быстрые эксперименты и изучают, как меняется структура жидкости непосредственно перед кристаллизацией. Идея двух состояний воды имеет серьёзные основания, но окончательно доказанной пока не считается.

Когда вода перестаёт быть жидкостью и паром

При обычном нагревании вода кипит и превращается в пар. Но если одновременно сильно повышать температуру и давление, наступает момент, когда граница между жидкостью и паром исчезает.

Так возникает сверхкритическая вода. У неё уже нет поверхности, которую можно увидеть или почувствовать. Нельзя точно сказать, где заканчивается жидкость и начинается газ: вещество становится чем-то промежуточным.

Такая вода легко проникает в пористые материалы, быстро перемещается и растворяет вещества совсем не так, как обычная вода. В недрах Земли она переносит минералы и химические элементы. В промышленности её используют для переработки отходов и органического сырья.

Похожие условия могут существовать внутри некоторых планет. Там вода способна быть не холодным океаном и не привычным паром, а горячей плотной средой, свойства которой постоянно меняются под давлением.

Лёд, который проводит электричество

Одно из самых необычных состояний воды — сверхионный лёд. Его удалось получить в лаборатории при огромном давлении и температуре в тысячи градусов.

В таком веществе атомы кислорода образуют плотную твёрдую структуру, а водород движется внутри неё почти свободно. Получается странное сочетание: одна часть вещества остаётся твёрдой, а другая ведёт себя почти как жидкость.

Из-за движения заряженных частиц такой лёд способен проводить электрический ток. Он совсем не похож на холодные льдинки на Земле — это горячее и очень плотное вещество.

Учёные предполагают, что сверхионный лёд может существовать внутри Урана и Нептуна. Возможно, проводящие слои такой воды участвуют в создании необычных магнитных полей этих планет. Само состояние уже подтверждено лабораторными опытами, но его точное присутствие внутри планет пока восстанавливают по моделям.

Вода на Марсе

На Марсе точно есть водяной лёд. Его обнаружили у полюсов, под поверхностью и в составе грунта. В атмосфере планеты присутствует водяной пар, хотя его очень мало.

Сегодня жидкая вода на поверхности Марса долго существовать не может. Давление там слишком низкое, а температура слишком холодная. Вода быстро замерзает, испаряется или превращается в солёный раствор.

Но миллиарды лет назад Марс был совсем другим. На нём текли реки, существовали озёра, а возможно, и большие моря. Об этом говорят древние русла, дельты и минералы, которые могли образоваться только в присутствии воды.

Учёные допускают, что под поверхностью Марса могут сохраняться солёные растворы. Это возможно с точки зрения физики, но окончательных доказательств крупных подземных водоёмов пока нет.

Океаны подо льдом

Европа, спутник Юпитера, покрыта ледяной оболочкой. Под ней, вероятно, находится огромный солёный океан. На это указывают движение поверхности, особенности магнитного поля и строение ледяной коры.

Если вода Европы соприкасается с каменным дном, там могут происходить химические реакции, похожие на процессы в земных подводных источниках. Такие источники способны давать энергию простым живым организмам.

Ещё удивительнее Энцелад — спутник Сатурна. Из трещин на его поверхности вырываются струи водяного пара и ледяных частиц. Аппарат Cassini обнаружил в них соли, органические вещества и водород.

Это не означает, что на Энцеладе найдена жизнь. Но его океан считается одним из самых подходящих мест для её поиска: спутник сам выбрасывает наружу частицы воды из глубин, и учёным не нужно бурить километры льда. [6]

Вода на далёких планетах

В атмосферах некоторых экзопланет обнаружен водяной пар. Учёные узнают об этом по тому, как атмосфера поглощает свет определённых цветов.

На очень горячих планетах вода существует в основном в виде пара. При ещё более высокой температуре её молекулы начинают распадаться. На холодных мирах вода может быть спрятана под поверхностью или заключена внутри ледяной оболочки.

Но наличие воды ещё не означает наличие жизни. Важно, чтобы она соприкасалась с каменными породами, получала энергию и могла участвовать в химических реакциях. Иногда планета может быть почти полностью покрыта водой, но её океан окажется отделён от каменного дна плотным слоем льда.

Что наука уже доказала

Учёные точно подтвердили существование переохлаждённой воды, стеклообразного льда, множества плотных разновидностей льда, сверхкритической воды, газовых гидратов и сверхионного состояния.

Две разновидности жидкой воды пока остаются научной гипотезой, хотя у неё есть серьёзные основания. Подлёдные океаны Европы и Энцелада считаются очень вероятными, но жизнь в них пока не обнаружена. Сверхионный лёд внутри Урана и Нептуна хорошо объясняет некоторые свойства этих планет, однако его наличие там пока восстанавливают по моделям.

Заключение: вода как отдельная вселенная

Со школы мы привыкли думать о воде как о простом веществе, которое бывает льдом, жидкостью и паром. Но это лишь три знакомых нам состояния, существующих в привычных земных условиях.

В других местах вода ведёт себя совсем иначе. Она может не замерзать в сильный мороз, превращаться в стекло без кристаллов, проводить электричество в форме горячего льда, запирать внутри себя древние газы или образовывать океаны под километрами ледяной коры.

Мы называем всё это одним словом — «вода». Но между разными её состояниями иногда больше различий, чем между снегом и раскалённым металлом.

Именно поэтому вода остаётся главным веществом в поисках внеземной жизни. Она не просто необходима земным организмам. Она умеет создавать огромное количество разных миров — холодных и горячих, тёмных и светлых, поверхностных и спрятанных глубоко подо льдом.

Возможно, где-то далеко существует жизнь, которая никогда не видела дождя, реки или обычного океана. Но если в её мире нашлась вода — пусть даже в совершенно непривычной форме, — у этой жизни уже появился шанс.