«БОЛЬШАЯ ЛОЖКА» ПРИРОДЫ

Наука и Жизнь 1978 №4

СОЛЕВОЙ ФОНТАН

В феврале 1970 года недалеко от острова Мартиника в Карибском море трое американских ученых - Г. Стоммел, Л. Хоуард и Д. Нергард - с завидным упорством пытались загнать под воду километровую пластмассовую кишку вроде той, что употребляют садоводы для поливки цветов и деревьев. Гибкая кишка запутывалась и ломалась, доставляя немало хлопот учёным, по они все же добились своего: в конце концов кишка «повисла» вертикально - от поверхности воды до глубины 1000 метров. И тогда учёные увидели то, что хотели увидеть: они экспериментально проверяли теоретические положения, высказанные за 14 лет до этого Г. Стоммелом, А. Аронгом и Д. Блэнгардом в работе «Океанографическая загадка», и убедились, что положения эти справедливы.

Авторы названной теоретической работы, изучив распределение плотности воды в зависимости от её солёности и температуры в различных районах Мирового океана на различной глубине, пришли к выводу, что если, например, в Саргассовом море около Бермудских островов опустить вертикально медную трубу, скажем, длиной 1000 метров и внутренним диаметром 2 сантиметра так, чтобы конец торчал над водой не слишком высоко, то можно будет наблюдать удивительное явление, которое авторы назвали «вечным солевым фонтаном». Чтобы запустить этот фонтан, достаточно подсоединить верхний конец трубы к насосу, включить его и держать включенным ровно столько, сколько требуется для того, чтобы поднять наверх порцию менее соленой воды с тысячеметровой глубины.

После этого насос можно отсоединить, а вода из трубы будет бить фонтаном сама по себе.

Дело в том, что насос увлекает в трубу с тысячеметровой отметки холодную воду менее соленую, чем вода в более высоких слоях. Поднимаясь вверх, вода несколько нагревается, получая тепло через стенки трубы от несколько более нагретой воды верхних слоёв. Медные стенки трубы обеспечивают теплообмен, но не обмен солью, так что вода в трубе по мере продвижения вверх становится теплее, оставаясь мало солёной, а значит, сравнительно мало плотной. Таким образом, столб воды, содержащийся в трубе, легче, чем эквивалентный столб воды вне трубы. Разница в весе даёт разницу в давлении, которая в итоге и заставляет менее соленую воду подниматься вверх по трубе. Если конец трубы выступает не слишком высоко над поверхностью, то избыточного давления вполне хватит на то, чтобы приводить в действие «вечный фонтан», и менее солёная вода будет непрерывно выливаться из выступающего конца трубы. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока вода в Саргассовом море хорошенько не перемешается, то есть практически бесконечно долго.

Распределение температуры и плотности воды в тропическом океане создает возможность возникновения солевого фонтана.

Получив солевой фонтан высотой 60 сантиметров, ученые вдруг засомневались: а что, если не различие в плотности, а волны на поверхности заставляют воду подниматься вверх? Волны двигают гибкий, эластичный шланг, прикреплённый к поплавку, и, возможно, превращают его в своего рода насос, который как раз и питает энергией «вечный фонтан». Повторение опыта с негибким шлангом позволило устранить сомнения: солевой фонтан действовал и в этом случае.

Попробуем получить солевой фонтан и мы. Километровый шланг для этого не понадобится, и вместо Бермудских островов нам предстоит отправиться всего лишь на кухню. А тропический океан, вода в котором более теплая и соленая у поверхности и более холодная и менее соленая на глубине, мы смоделируем с помощью широкой кастрюли. Понадобится нам ещё и пластмассовый стаканчик, скажем, из-под сыра «Волна», в донышке которого следует булавкой проткнуть дырку.

Фонтанчик пресной воды бьет из отверстия в перевёрнутом стаканчике, проникая в верхний слой горячего рассола.

Для начала нальем в кастрюлю-океан холодной водопроводной воды из-под крана так, чтобы глубина этого придонного слоя составила 3-4 сантиметра. В воду поставим вверх дном пластмассовый стаканчик с дыркой. Теперь очень осторожно, так, чтобы по возможности избежать перемешивания, станем наливать в кастрюлю теплую воду до тех пор, пока холодная вода не покажется из отверстия стаканчика. И, наконец, смоделируем поверхностный слой тропического океана - для этого (снова с чрезвычайной осторожностью) поверх слоя тёплой воды нальем тонкий слой горячей соленой воды.

«Океан» готов.

Если теперь капнуть краской или чернилами над отверстием в стаканчике, то можно увидеть, что из отверстия бьет небольшой фонтанчик воды, моделируя океанический солевой фонтан.

Вода, вытекающая из стаканчика, имеет примерно такую же температуру, что и вода снаружи его на той же глубине, но она менее соленая, а значит, и более легкая. Это и заставляет воду вытекать из стаканчика. Фонтанчик будет действовать до тех пор, пока соль и тепло не распределятся равномерно по всему объёму нашего «океана».

СОЛЕВЫЕ ПАЛЬЦЫ

Из-за того, что в солевых растворах тепло распространяется гораздо быстрее, чем соль - примерно - раз в сто,- в океане при определённых условиях может существовать своего рода естественная медная труба, вернее, множество мелких трубочек - невидимых каналов, по которым происходит движение воды в воде.

Если над слоем холодной не очень соленой воды размещён слой тёплой солёной воды, то на поверхности раздела образуются миниатюрные солевые фонтанчики, получившие название «солевые пальцы»,- вверх бьют струйки менее солёной воды, отделённые друг от друга падающими струнками более солёной воды.

Солевые пальцы. Сверху - горячий рассол, снизу - холодная вода.

Непосредственно в океане солевые пальцы наблюдать не удавалось, но на кухне, пожалуйста! Для этого стоит лишь в стакан с холодной водопроводной водой налить подкрашенной солёной горячей воды. Наливать, конечно, следует весьма осторожно, чтобы поверхность раздела между холодной и горячей водой была довольно чёткой. Чтобы получить чёткую границу раздела между слоями воды в «океане», Д. Уолкер советует лить горячую воду с небольшой высоты на кусочек плавающей дощечки; К. Стонг рекомендует воспользоваться бумажным кружком, опущенным на ниточке к самой поверхности холодной воды в банке.

Горячий рассол надо лить осторожно по стеклянной палочке на кружок, который потом вытаскивается из стакана за нитки.

Через несколько минут, после того как модель будет готова, на поверхности раздела вырастут солевые пальцы длиной от 1 до 5 сантиметров и толщиной около миллиметра. Явление это продолжается довольно долго - от нескольких минут до нескольких часов.

Возникновение и развитие солевых пальцев можно объяснить волновым возбуждением, деформирующим первоначально спокойную поверхность раздела. Капли холодной воды продвигаются вверх в горячую воду, и наоборот. Из-за разницы в скорости распространения тепла и диффузии соли, капли, которые оказались сверху линии раздела, в основном только нагреваются, концентрация соли в них почти не меняется, они становятся легче и продолжают подниматься; капли, очутившиеся снизу от линии раздела, отдают тепло, становятся холоднее, тяжелеют и опускаются.

Механизм возникновения солевых пальцев. Сверху от границы раздела слоёв - теплый рассол, ниже - холодная вода. Капли холодной воды, находящиеся на границе слоёв, нагреваются, становятся легче и устремляются вверх. Капли теплого рассола, охлаждаясь от соприкосновения с холодной водой, становятся тяжелее и устремляются вниз. Из-за быстрой передачи тепла от рассола к холодной пресной воде (по сравнению с диффузией соли в пресную воду) амплитуда возбуждения увеличивается.

Из-за больших потерь тепла через стенки сосуда опыт с пальцами в солёно-тёплой среде не всегда сразу получается. Английский физик С. Тернер предложил для опыта более рациональную соляно-сахарную систему, образованную двумя растворами.

Первый раствор - солёно-сладкий: две с половиной чайной ложки соли и одна чайная ложка сахарного песку на стакан водопроводной воды.

Второй раствор - сладко-солёный: две чайные ложки сахара и одна чайная ложка соли на стакан водопроводной воды.

Сначала в стеклянную банку заливают солёно-сладкий раствор - он образует нижний слой всей системы. Затем очень осторожно, сохраняя поверхность раздела, в ту же банку наливают сладко-солёный раствор; его надо подкрасить (чернила «Радуга» - синие или красные). Солевые пальцы появятся в течение часа и будут существовать несколько часов.

Скорость роста пальцев в этом опыте зависит от скорости диффузии соли, а само их появление связано с тем, что соль диффундирует быстрее, чем сахар. Верхний слой (сладко-солёный) имеет меньшую плотность, чем нижний, и граница между слоями, казалось бы, должна быть стабильной. Но случайно возникающая начальная нестабильность отправляет небольшое количество раствора сахара вниз, и соль проникает в образовавшуюся выпуклость быстрее, чем сахар диффундирует в окружающий его рассол. Выпуклость с добавкой соли становится плотнее своего окружения и устремляется вниз, образуя палец. Точно так же небольшая выпуклость солёной воды из нижнего, более плотного слоя, проникая вверх в сладко-соленый раствор, теряет свою соль быстрее, чем приобретает сахар, становится легче своего окружения и устремляется вверх в виде растущего пальца.

СОЛЕВОЙ ОСЦИЛЛЯТОР

И, наконец, ещё один удивительный опыт, основанный на разности плотностей солёной и пресной воды.

Для опыта потребуется стеклянная банка из-под овощных консервов или тонкий чайный стакан, алюминиевый патрончик из-под валидола или фотоплёнки. Можно использовать и пластмассовый стаканчик из-под какого-нибудь лекарства. Донышко стаканчика проткните иглой, лучше нагретой, чтобы края отверстия были гладкими. В алюминиевом патрончике дырку легко пробить той же иглой.

Солевой осциллятор Мартина. В банке - вода, в стакан-чине - подкрашенный рассол. Струя рассола появляется с вихревым «зонтиком» на конце.

Осциллятор из чайного стакана и патрончика от валидола.

Налейте холодной воды в банку почти до края. Приготовьте солёную воду (одна-полторы чайные ложечки соли на стакан воды), подкрасьте её чернилами «Радуга» (синими или красными). Закрепите стаканчик в картонной державке, вырезав в ней отверстие по диаметру стаканчика. Затем опустите его в банку и, наливая раствор соли, добейтесь, чтобы уровень воды в стаканчике стал чуть выше, чем в банке.

Теперь понаблюдайте за происходящим.

Более плотная, более тяжелая соленая вода начинает вытекать через отверстие в стаканчике в пресную воду. Можно предположить, что она так и будет равномерно вытекать до тех пор, пока уровень рассола в стаканчике не уменьшится настолько, что давление вытекающего рассола сравняется с давлением пресной воды в банке на уровне отверстия. Кажется, все так и происходит. Подкрашенная струйка становится тоньше и исчезает. Все? Нет, через некоторое время струя появляется снова и снова исчезает. Так продолжается довольно долго.

Вихревой зонтик в осцилляторе с патрончиком из-под фотопленки.

Что происходит в стаканчике в то время, когда струя прекратилась, легко догадаться, вспомнив первый опыт: там бьет фонтанчик пресной воды - от дна стаканчика, точнее, от отверстия, пресная, то есть более лёгкая, вода поднимается вверх сквозь толщу рассола. Если бы пресная вода была подкрашена, мы смогли бы наблюдать этот фонтанчик.

Таким образом, получилась некая колебательная система, которую назвали «солевым осциллятором Мартина» по имени ученого, впервые обнаружившего этот эффект в 1970 году. Период колебаний осциллятора зависит в основном от размера отверстия и температуры пресной воды.

В основе действия осциллятора те же механизмы, что и в предыдущих опытах.

Механизм возникновения колебаний в осцилляторе Мартина.
А. Система в равновесии. Ниже отверстия в стаканчике - пресная холодная вода» выше отверстия - более плотная жидкость, рассол.
Б, В. Возникновение нестабильности Релея-Тейлора, «раскачка» и начало течения пресной воды вверх.

Солевой осциллятор,- пишет Д. Уолкер,- это пример системы, которая начинает колебаться после самовозбуждения благодаря нестабильности Релея-Тейлора (нестабильность на разделе слоя более плотной жидкости, лежащей над менее плотной, когда поверхность раздела находится в гидростатическом равновесии), с последующим быстрым возбуждением (раскачкой) на поверхности раздела двух жидкостей. Иначе говоря, в нашем опыте, несмотря на выравнивание давлений в отверстии, слой более плотной жидкости, лежащий над слоем менее плотной жидкости, нестабилен и подвержен неким слабым, случайным возмущениям. Такие возмущения порождают небольшую выпуклость на поверхности раздела двух жидкостей. Из-за разности плотностей некоторое количество менее плотной жидкости оказывается сверху от старой поверхности раздела и некоторое количество более плотной жидкости выдается вниз. Эта нестабильность быстро увеличивается, солевой осциллятор начинает действовать.

Пресная вода, проникая вверх, ускоряет свое течение через отверстие, потому что она оказывается легче соленой воды на том же уровне по другую сторону отверстия. Начинает бить фонтанчик пресной воды, и наступает момент, когда эта струя останавливает истечение солёной воды. Накачка воды в стаканчик постепенно приводит к увеличению высоты жидкости в нём и, следовательно, к увеличению давления на уровне отверстия. Потеря же воды из банки в незначительной степени уменьшает уровень воды в ней, так как банка шире стаканчика. Наконец наступает момент, когда давление солёной воды в отверстии становится достаточно большим, чтобы уменьшить, а затем и вовсе прекратить фонтанчик пресной воды. Цикл закончен. В стаканчике теперь слишком много воды, и струя возникает снова. Постепенно поток уменьшается, пока давление на уровне отверстия снова не выровняется. Потом некоторое случайное возмущение вновь вызывает выпуклость на поверхности раздела - возникает фонтанчик пресной воды. Таким образом, течение чередуется: то вверх, то вниз - это и есть солевой осциллятор. Скорость течения зависит от диаметра отверстия в стаканчике и от вязкости жидкости.

Как и в предыдущем опыте, можно попробовать и другие жидкости, важно только, чтобы они различались по плотности и не смешивались, как, например, смешиваются спирт и вода. Д. Уолкер сообщает, что он пробовал работать с водой, слегка подкрашенной в голубой цвет, и раствором патоки, подкрашенным в красный цвет, и наблюдал, по его словам, почти сказочное зрелище.

Для устройства осциллятора С. Мартин использовал медицинский шприц. Период колебаний был в этом случае равен 4 секундам, а срок работы осциллятора составлял 20 циклов.

Наш осциллятор с алюминиевым патрончиком от валидола, опущенным в чайный стакан, работал с 10-секундным циклом в течение часа.

Большой осциллятор, устроенный из пятилитровой банки и полиэтиленового баллончика.

Большой осциллятор, устроенный из пятилитровой банки и полиэтиленового флакона от отбеливателя «Искра-2», на солевом растворе, слегка подслащённом сахаром и густо подкрашенном синими чернилами, давал длинную струйку с 20-секундным циклом. Кроме вихревого «зонтика» на конце струнки, появляющегося в начале каждого цикла, здесь можно наблюдать и вихревые колечки. Они движутся вниз, обгоняя, пронизывая друг друга, и расплываются у самого дна банки. Некоторые из колечек удалось запечатлеть на фотографии.

Формы вихревых колец в большом осцилляторе.

Мы рассказали о трех опытах, основанных на различиях в плотности солёной и пресной воды. В природе вертикальное перемешивание океанских вод, вызываемое различием плотностей, имеет громадное значение для жизни всего океана. Благодаря ему солнечное тепло, поглощаемое тонким слоем воды, распространяется в глубину. (Справка из БСЭ: слой толщиной всего в 1 сантиметр поглощает 94% солнечной энергии, падающей на поверхность нормальной морской водой и рассолом образовалась зона теплой воды 44,2°С . к солёностью 123 грамма на килограмм. Интерес к этим впадинам вызван ещё и тем, что в донных отложениях здесь обнаружено повышенное содержание цинка, меди, свинца, серебра и золота - в 10-метровом верхнем слое осадка их скопилось (по предварительной оценке) на 2,5 миллиарда долларов.

В изучении этих впадин принимали участие и советские ученые на кораблях «Академик Сергей Вавилов» и «Витязь». Ученые предполагают, что возраст рассола во впадинах около 10000 лет.

Другой пример подобной аномалии - озеро Ванда в Антарктике. Непосредственно подо льдом вода в нём пресная, и температура её 0°С а на глубине 220 метров температура воды уже 25°С, а солёность - около 150 граммов на килограмм.

Как образовались солевые впадины? Насколько точно можно определить возраст рассола, содержащегося в них? Ответить на эти вопросы ученые затрудняются. Для этого надо научиться рассчитывать скорость конвективного перемешивания горячих и плотных рассолов с менее солёной холодной водой, находящейся сверху. Нужно досконально изучить механизм действия «большой ложки» в океане.

ЛИТЕРАТУРА

Д. Уолкер. Фонтанирование солевого раствора.

«Сайентифик Америка», октябрь 1977 г.

К. Стонг. Эксперименты с солевыми фонтанами.

«Сайентифик Американ», июнь 1971 г.

М. Грегг. Микроструктура океана. «Сайентифик Американ», февраль 1973 г.

БСЭ, т. 18, стр. 332.

В. Степанов. Мировой океан. «Знание». М., 1974 г.

«Природа», №5, 1973 г., и №11. 1976 г.

Э. Деген, Д. Росс. Горячие рассолы Красного моря. «Сайентифик Американ», апрель 1970 г.

Г. Дзоценидзе. Горячие рассолы Красного моря и вопросы вулканогенноосадочного рудогенеза. «Геология рудных месторождений», №5, 1972 г.

Инженер В. ЛАГОВСКИИ.