IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

УНИКАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА СОЛЁНОГО ОЗЕРА РАЗВАЛ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Микрюков Ф.Т. 1

---

1

Бушуева Е.А. 1

---

1

Работа в формате PDF

1.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Два года подряд я с моей бабушкой ездил на отдых в город Соль-Илецк на солёные озера. Из семи озёр, расположенных в этом городе, меня больше всего заинтересовало самое солёное озеро Развал.

Во-первых, при купании в озере Развал возникает чувство невесомости – можно долго и безмятежно лежать на воде, не боясь утонуть.

Во-вторых, озеро не покрывается льдом даже в крепкие морозы.

В-третьих, в озере полностью отсутствует растительность и живые организмы.

Если сравнивать с Ижевским прудом, то в пруду обитают рыбы и водоросли, зимой пруд покрывается толстым слоем льда, а лежать на воде у меня, как у человека, не умеющего плавать, не получается.

Я решил узнать причину этих отличий.

Таким образом, цель исследования: выяснить причину отличий свойств озера Развал от водоемов с пресной водой.

Гипотеза исследования: причиной уникальных свойств озера Развал является большое содержание соли в озерной воде.

Задачи исследования:

Изучить историю образования озера Развал.

Изучить условия плавания одинаковых предметов в различных жидкостях.

Изучить свойства солёной воды (плотность, температура замерзания, влияние на живые организмы).

Проверить степень влияния наличия соли в воде на плавучесть предметов, на температуру замерзания воды, жизнеспособность растительности.

Методы исследования:

- анализ информации по данной теме;

- проведение опытов.

Озеро Развал: местонахождение, история образования

Озеро Развал расположено в городе Соль-Илецк.

4.

3.

1.

2.

Рис. 1. Город Соль-Илецк и его озера.

Озеро Развал

Озеро Дунино

Большое городское озеро

Малое городское озеро

Соль-Илецк — это небольшой курортный городок, с населением в 28 тыс. человек, по данным 2012 года, расположен в России, в Оренбургской области, в 50 км от границы с Казахстаном [2]. Расстояние до Ижевска: по прямой - 640 км, по автомобильным дорогам - 790 км [4].

История образования города тесно связана с добычей соли. Основной причиной для строительства поселения явились огромные залежи каменной соли, выходившие своим куполом на поверхность.

На месте озера когда-то высилась гора Туз-Тюбе, на казахском языке это означает "соляная крыша". Именно здесь в 1754 году начали масштабно добывать соль, вследствие чего на месте горы со временем образовалась глубокая впадина. Отсюда и имя озера – Развал. В 1906 году с началом весенних паводков река Песчанка затопила котлован. Так появился уникальный соленый водоем, диаметром 300 м и максимальной глубиной 22 метра [6].

Вода озера Развал очень насыщена солью. Её содержание почти в 10 раз превышает концентрацию солей в воде Черного и Средиземного моря (18-30 г/л). В одном литре озерной воды растворено более 300 граммов соли! Этим оно схоже с широко известным Мёртвым морем в Израиле (рис. 3, 4).

Рис. 3. Озеро Развал. Рис. 4. Мертвое море.

Высокое содержание в воде солей брома, хлора, сульфидов, а также сухой и жаркий климат оказывают укрепляющее и оздоравливающее влияние на приезжающих сюда людей. Здесь успешно лечатся суставные и кожные заболевания, бронхиальная астма.

До сих пор одно из главных предприятий города – соледобывающее предприятие «Илецксоль». Сейчас соль добывают в шахтах на глубине в несколько сотен метров. Произведенную здесь соль можно найти в магазинах по всей России [2].

Условия плавания предметов в различных жидкостях

В разных жидкостях одинаковые предметы могут плавать или тонуть в зависимости от плотности предмета и жидкости.

Плотность показывает, чему равна масса вещества (предмета) в единице объёма, например, в одном кубическом метре [5]. Так, плотность воды 1000 кг/м3, льда – 900 кг/м3, а золота 19320 кг/м3. Это означает, что куб льда со сто-ронами 1 м весит 900 кг, такой же куб воды -1000 кг, а золота -19320 кг (рис.5).

Лёд Вода Золото

900 кг/м³ 1000 кг/м³ 19320 кг/м³

Рис. 5. Плотность веществ.

То есть плотность различных веществ различная. В таблице 1 приведены плотности некоторых веществ.

Таблица 1 . Плотность различных веществ (тел).

Согласно законам физики [7]:

Предмет тонет, если его плотность больше плотности жидкости.

Предмет всплывает, если его плотность меньше плотности жидкости.

Предмет остается на некоторой глубине внутри жидкости, если плотности предмета и жидкости равны.

Следовательно, человек не будет тонуть в воде, если плотность этой воды больше плотности тела человека.

1. 
   
   Солёность
Свойства солёной воды

Основная соль, содержащаяся и в воде озера Развал, и в морской воде - поваренная соль (хлорид натрия), но присутствуют и другие соединения.

Насколько много соли в воде, определяется таким показателем, как солёность. Измеряется она в граммах сухой соли, содержащихся в килограмме воды. Единица измерения солёности – промилле (‰) [9].

Информация о солёности воды озера Развал не была найдена. Но поскольку, во многих источниках говорится, что по содержанию соли вода озера Развал похожа на воду Мёртвого моря, то примем солёность воды озера Развал равной солёности Мёртвого моря, а именно 270 ‰ [8] (Таблица 3).

Солёность озерной воды меняется в зависимости от времени года: она меньше весной во время таяния снега и максимальна зимой.

Если сравнивать с морской водой, то солёность морской воды существенно ниже, чем солёность воды озера Развал (Таблица 3).

Солёность воды в разных морях Мирового океана совершенно разная (Таблица 3). Соленость морской воды зависит от количества осадков и испарения, таяния и образования льдов, притока пресных вод с суши. Средняя солёность морей составляет почти 35 ‰ [3], [12].

Воды рек, источников и проточных озер тоже солёные. Но мы этого не чувствуем, так как содержание хлорида натрия в них в 70 раз меньше, чем в море. И физические свойства этих вод, которые мы называем пресными, существенно не отличаются от свойств чистой воды.

1.  
   Плотность солёной воды

Плотность солёной воды зависит от солёности (Таблица 2), а также от давления и температуры воды. Она тем плотнее, чем холоднее, солонее и чем на большей глубине находится.

Таблица 2. Зависимость плотности воды, содержащей поваренную соль, от уровня её солёности [9].

Таким образом, плотность воды озера Развал при ее солёности 270 ‰ превышает плотность 1200 кг/ м³. А это означает, что плотность солёной воды озера Развал больше плотности тела человека, что не дает человеку утонуть. Пресная же вода Ижевского пруда меньше плотности тела человека и потому утонуть в нем возможно, если не умеешь держаться на воде.

1.  
   Температура замерзания воды

Вода на планете Земля может принимать три основных агрегатных состояния: жидкое, твёрдое и газообразное, которые способны преображаться в разные формы, одновременно сосуществующие друг с другом (айсберги в морской воде, водяной пар и кристаллы льда в облаках на небе, ледники и свободно текущие реки).

Почему вода замерзает? Обычная вода всегда содержит некоторое количество взвешенных частиц минерального или органического происхождения. Это могут мельчайшие частицы глины, песка или домашней пыли.

Когда температура окружающей среды опускается до определенных значений, эти частицы беру на себя роль центров, вокруг которых начинают образовываться кристаллы льда.

Ядрами кристаллизации могут стать также воздушные пузырьки, а также трещины и повреждения на стенках сосуда, в котором находится вода. Скорость процесса кристаллизации воды во многом определяется количеством этих центров: чем их больше, тем быстрее замерзает жидкость.

В обычных условиях температурой, при которой вода из жидкого состояния переходит в твёрдое, является отметка 0 градусов по Цельсию.

Будучи отличным растворителем, вода легко вступает в реакции с различными веществами, образуя множество подчас неожиданных химических соединений. Разумеется, каждое из них будет замерзать при разных температурах.

Температура замерзания воды с примесями во многом зависит от их количества и характера примесей, входящих в состав водного раствора.

Температура замерзания воды с солью находится в тесной связи со степенью её солёности: чем больше соли в растворе, тем при более низкой температуре он замерзнет [13].

Температура замерзания воды в морях и океанах не имеет постоянного значения, поскольку солёность воды в разных морях Мирового океана совершенно разная. Это видно из таблицы 4.

Таблица 3. Зависимость температуры начала замерзания солёной воды от солёности воды [3], [12].

Таким образом, замерзание воды в озере Развал при ее солёности 270‰ происходит при температуре окружающего воздуха ниже - 10°C.

1.  
   1. 
      
      Морские и пресноводные обитатели
   Солёная вода и жизнь

Растительный и животный мир морей, океанов, рек и озер очень разнообразен и многочислен. Водных обитателей принято делить на пресноводных и морских. Это связано с тем, что большинство их приспособлено жить либо только в пресной, либо только в морской воде. И если поместить их в чуждую среду (море или, наоборот, реку), они погибнут.

Почему так происходит, рассмотрим на примере рыб.

Оказывается, у пресноводных и морских рыб по-разному настроены и происходят обменные и выделительные процессы в организме.

В случае с пресноводными рыбами их внутренняя среда (кровь и лимфа) содержит больше солей и минералов, чем внешняя среда - речная или озерная вода. Через кожу пресноводной рыбы в организм постоянно всасывается вода, чтобы уравнять содержание солей снаружи и внутри, в соответствии с законами физики.

Пресноводным рыбам приходится предохранять организм от чрезмерного обводнения, вымывания солей и минералов, поэтому природа предусмотрела для них защитный механизм - эффективно работающие почки. Они процеживают внутреннюю среду, тщательно отделяя из нее полезные для организма соли и минералы, а излишки воды удаляются с мочевиной и другими отходами жизнедеятельности.

Теперь рассмотрим этот процесс в организме морской рыбы, например, акулы. Ее кровь и лимфа содержат меньше солей, чем морская вода, поэтому вода интенсивно вытягивается из внутренней среды через кожу наружу. Поскольку вода - жизненно важный для обменных процессов элемент, здесь природе пришлось предусмотреть другие защитные механизмы, чтобы предотвратить обезвоживание организма акулы.

Выход нашелся очень простой - акулы постоянно "пьют" морскую воду, из которой пресная составляющая через стенки желудка всасывается в кровь и лимфу. Выделительная система акул настроена на интенсивное удаление излишков солей и минералов через кишечник, жабры и при помощи ректальной железы. А вода тщательно сохраняется в организме. Именно по этой причине акулы выделяют очень мало мочи - в ней содержится ценная пресная вода.

Необходимо отметить, что большинство водных обитателей приспособлены к строго определенной концентрации соли в воде и при малейшем изменении этой концентрации, выделительная система начинает давать сбой.

Поэтому, если пресноводную рыбу поместить в морскую воду, ее организм быстро потеряет воду, произойдет обезвоживание со всеми вытекающими последствиями. У пресноводных рыб нет механизмов удаления излишков солей из организма, и их концентрация в крови и лимфе превысит допустимые для жизнедеятельности нормы.

Если же поместить в пресную воду акулу, то эффект будет противоположным - ее внутренняя среда быстро потеряет соли и минералы, поскольку у акулы нет защитных механизмов, предохраняющих потери этих веществ из внутренней среды и они будут вымываться из крови и лимфы в наружную среду (пресную воду) [10].

Таким образом, причина того, что пресноводные рыбы живут в пресной, а морские - в солёной воде, связана с работой их органов выделения. У одних предусмотрено удаление из организма излишков воды, у других – излишков солей.

Необходимо отметить, что некоторые рыбы "вооружены" универсальной системой органов выделения. Они могут автоматически перестраивать свой организм для функционирования в разных средах. В случае попадания в морскую воду, их жабры и кишечник берут на себя основную функцию системы выделения, а при заходе в реки и пресноводные водоемы, включается интенсивная работа почек, и начинается процесс удаления из внутренней среды организма излишков воды. Конечно, эта схема несколько упрощенная, но основной принцип таков. Среди этих рыб - угри, сёмговые, осетровые и др.

1.  
   1.  
      Микробы и солёная вода

Большие концентрации поваренной соли губительно действуют на микроорганизмы, приводя к тому, что из их клеток через мембрану выводится вода в сторону более насыщенного солевого раствора. Клетка как бы сдувается или высыхает, и это делает невозможным обмен питательными веществами между ней и окружающей средой. К тому же соль снижает растворимость кислорода в воде, поэтому в сильносоленой воде микробам, которым для жизни необходим кислород, становится «трудно дышать». Разные виды микроорганизмов становятся безвредными при разных концентрациях соли. Рост значительной части болезнетворных микробов прекращается уже при солености воды 100 промилле. При 150 ‰ перестают размножаться гнилостные бактерии, а при 200‰ останавливается нормальная жизнедеятельность стафилококков. Существуют, правда, отдельные виды дрожжей и молочнокислых бактерий, способные существовать даже в насыщенном солевом растворе [11].

1.  
   1.  
      Обитатели Мертвого моря

Мёртвое море называется мёртвым из-за того, что считалось, что из-за высокой солёности воды живые организмы (прежде всего – рыба и морские животные) жить здесь не в состоянии. Недавно оказалось, что это не совсем так: в конце прошлого века учёные обнаружили, что вода Мёртвого моря кишит мелкими организмами.

Здесь проживает около 70 видов плесневелых грибов, поселившиеся здесь задолго до того, как море приобрело солёность, которые, выработав новый ген, приспособились к здешней воде.

В воде солёного моря были обнаружены и микроскопические вирусы, активизирующиеся лишь после того, как попадают в живой организм, а вне клеток приобретающие вид неживых частиц.

Были найдены 20 видов архей: микробы, прекрасно себя чувствующие в концентрированном солевом растворе и живущие за счёт энергии, которую преобразовывают из солнечного света. Интересный факт: оказалось, что вода Мертвого моря в 1 мл содержит несколько миллионов этих микробов (при этом, если их сильно много, они за счёт своего пигмента придают воде красноватый оттенок).

Во время дождей, когда солёность воды на поверхности моря слегка разбавляется, из пор развивается жгутиковая водоросль дюналиелла розового цвета – пигмент защищает её от солнечного света, а не погибнуть из-за соли не даёт высокое содержание в растении глицерина, удерживающего влагу. Интересно, что развиваются эти водоросли чрезвычайно быстро и активно: за период «цветения» их число составляет несколько десяток тысяч на один миллилитр. Живут, правда, в Мёртвом море они недолго и исчезают, как только дожди прекращаются [1].

1.  
   1.  
      Обитатели озера Дунино

Озеро Дунино, как и озеро Развал, находится в г. Соль-Илецк. Его солёность в два раза меньше солёности озера Развал.

В жаркие летние дни здесь плавает огромное количество красноватого рачка "Артемия Салина" (рис. 6, 7). Маленький красный рачок может выживать и размножаться только в воде солоноватых водоёмов. Поэтому рачок "Артемия Салина" не встречается ни в пресном городском озере, ни в озере Развал, хотя эти озёра находятся ближе остальных к озеру Дунино. Рачок "Артемия Салина" играет чуть ли не первую роль в грязеобразовании. Ежегодно он выбрасывает огромное количество икринок, часть которых гибнет и попадая на дно, идет на образование органической части лечебной грязи. После икрометания гибнет и сам рачок [2].

Рис. 6, 7. Рачок «Артемия Салина».

Таким образом, жизнь в воде с солёностью, существенно превышающей солёность морей, возможна. Хотя не найдены результаты биологических исследований озера Развал, в нем могут обитать микроорганизмы. Возможно, когда-нибудь и рачок «Артемия Салина» приспособится к жизни в озере Развал.

Опыт №1. Проверяем степень влияния наличия соли в воде на плавучесть предметов

Нам понадобятся 3 сосуда, поваренная соль и 3 яйца.

В первый сосуд нальем пресной воды и опустим в нее яйцо (рис.8).

Рис. 8. Проведение опыта с пресной водой.

Рис. 9. Результаты опыта

с пресной водой

Результат: яйцо в пресной воде утонуло (рис.9).

Вывод: плотность яйца больше плотности пресной воды

Во второй сосуд нальем воды и добавим 4,5 десертных ложек соли (рис. 10) и опустим второе яйцо.

Рис. 10. Проведение опыта с солёной водой.

Рис. 11. Результаты опыта с солёной водой.

Результат: яйцо во втором сосуде с солёной водой плавает на некоторой глубине (рис.11).

Вывод: плотность яйца равна плотности солёной воды во втором сосуде.

В третий сосуд нальём воды и добавим соли в большем количестве (6,5 десертных ложек) и опустим третье яйцо.

Рис. 12. Результаты опыта с водой с большим содержанием соли.

Результат 3: яйцо в третьем сосуде с водой с большим содержанием соли плавает на поверхности воды (рис.12).

Вывод: плотность яйца меньше плотности воды в третьем сосуде.

Общие выводы:

1) Чем больше соли содержится в воде, тем больше плотность воды.

2) Чем больше соли содержится в воде, тем сильнее вода выталкивает тело на поверхность.

3) Также как и яйцо, человек в пресной воде тонет, если не делает плавательных движений, благодаря которым он держится на поверхности воды, т.к. плотность пресной воды меньше плотности тела человека.

4) Также как и яйцо, человек бесконечно может лежать в воде с большим содержанием соли (если плотность такой воды больше плотности тела человека).

Опыт №2. Проверяем степень влияния наличия соли в воде на температуру замерзания воды.

Нам понадобятся два сосуда, вода, поваренная соль. В один сосуд наливаем солёную воду, а другой пресную (рис. 13). В 1 литре солёной воды содержится 300 г соли. Оба сосуда оставляем на 48 часов на улице. Температура воздуха на улице в этот период времени колебалась от -10 до -11°C.

Результат: Пресная вода замерзла, а солёная вода осталась без изменений (рис. 14).

Рис. 13. Ход опыта № 2.

Рис. 14. Результат опыта № 2.

Выводы: 1) Для замерзания солёной воды требуются более низкие температуры, чем для пресной.

2) Вода, в 1 литре которой содержится 300 г соли, при охлаждении до -11°C не замерзает.

Опыт №3. Проверяем влияние наличия соли в воде на жизнеспособность растений.

Нам понадобятся два сосуда, поваренная соль, вода, два отростка домашнего растения (шафлеры). В один сосуд наливаем пресную воду, во второй - солёную и ставим в эти сосуды отростки домашнего растения (рис.15).

Рис. 15. Ход опыта № 3.

Рис. 16. Результат опыта №3.

Результат: через 10 дней отросток в солёной воде начал желтеть, а через 15 дней совсем пожелтел – погиб (рис.16).

Вывод: солёная вода не благоприятна для жизни растений, не приспособленных к ней.

В результате анализа информации из различных источников и проведенных опытов можно сделать следующие выводы:

Наличие соли в воде меняет физические свойства воды: чем более солёной является вода, тем более высокой плотностью она обладает, для замерзания такой воды требуется достаточно низкая температура.

Для жизни в солёной воде растения и живые организмы приспосабливаются, прежде всего, защищая себя от обезвоживания.

Озеро Развал образовалось в результате деятельности человека при добыче каменной соли карьерным способом всего 110 лет назад.

Вода в озере Развал обладает высокой солёностью (270 ‰), высокой плотностью (более 1200кг/м³), низкой температурой замерзания (ниже – 11°C). Все эти показатели существенно отличаются от соответствующих показателей пресной и даже морской воды.

Человек может долго и безмятежно лежать на воде озера Развал, не боясь утонуть, благодаря тому, что плотность этой воды больше плотности тела человека.

В озере Развал в виду высокой солёности отсутствуют крупные формы жизни, но на микроуровне (бактерии, мигрогрибки, микроводоросли) жизнь возможна. Возможно, когда-нибудь и рачок «Артемия Салина» из соседнего озера приспособится к жизни в озере Развал.

Гипотеза о том, что причиной уникальных свойств озера Развал является содержание большого количества соли в озерной воде, подтвердилась.

Таким образом, задачи исследования выполнены, цель достигнута, потому что я смог показать причины отличий свойств озера Развал от водоёмов с пресной водой.

Все о Мертвом море [Электронный ресурс] // НЛО - Мир. 2009-2017. URL: http://nlo-mir.ru/palnetazemla/37835-mertvoe-more.html#10 (дата обращения 15.11.2017).

ГородСоль-Илецк [Электронный ресурс] . 2012 – 2017. URL: http://salt-ileck.ru/ (дата обращения 01.11.2017).

Замерзание морской воды [Электронный ресурс] // Детская энциклопедия. URL: http://de-ussr.ru/priroda-ludi/vod-obolochka/zamerzanie.html (дата обращения 15.11.2017).

Ижевск - Соль-Илецк: расстояние на машине [Электронный ресурс] // Turizmik.ru. URL: http://izhevsk.turizmik.ru/rasstoyanie/izhevsk_rossija/sol-ileck_rossija (дата обращения 01.11.2017).

Кабардин, О.Ф. Физика: справочные материалы / О.Ф. Кабардин. – М.: Просвещение, 1985. - 367 с.

Курорт Соль-Илецк // Информационно-туристический вестник. – 2013.-Выпуск 2. - С. 2 – 3.

Ландау, Л. Д. Физика для всех / Л.Д. Ландау, А.И. Китайгородский. - М.: Наука, 1978.- Кн.1. – 208 с.

Перельман, Я.И. Занимательная физика / Я.И. Перельман. – Уфа: Слово, 1993. – Кн. 2. - 272 с.

Поваренная соль, раствор, температура замерзания [Электронный ресурс] // Справочник химика 21: химия и химическая технология. URL: http://chem21.info/info/1092603/ (дата обращения 15.11.2017).

Почему акулы не живут в реках и озерах? [Электронный ресурс] // Все об акулах. URL: http://scharks.ru/raznoe/piranji/index.shtm (дата обращения 15.11.2017).

Почему соль — консервант? [Электронный ресурс] // Вокруг света. ру: сетевое издание. 2017. URL: http://www.vokrugsveta.ru/quiz/702/ (дата обращения 15.11.2017).

При какой температуре замерзает морская вода [Электронный ресурс] // Все о воде. ру: сайт о пользе воды и ее очистке. URL: http://vseowode.ru/prosto-o-vode/temperatura-zamerzaniya-morskoy-vody.html (дата обращения 15.11.2017).

При какой температуре замерзают моря [Электронный ресурс] // Капушка. URL: http://kapushka.ru/pri-kakoy-temperature-zamerzaet-voda.html (дата обращения 01.11.2017).