Uhodnete, kde se nachází nejteplejší přírodní vodní pramen na naší planetě? Voda a její prazvláštní vlastnosti. Není voda jako voda. (délka blogu 5 min.)
Voda je pro nás něco všedního a obyčejného. Také její vlastnosti máme zafixovány jako pevné a neměnné. Zamrzá při 0 °C a vře při 100 stupních.
Situace ale není zdaleka tak jednoduchá a jednoznačná. Na vině jsou naše nedokonalé smysly, které drobné odchylky v teplotě nezachytí. Stačilo by ale vystoupat na nějakou opravdu vysokou horu - a rozdílu si všimne i běžný člověk. Na Mount Everestu, v nadmořské výšce 8848 m by se například voda na čaj vařila při zhruba 70 stupních Celsia.
Je to způsobeno tím, že je ve vyšší nadmořské výšce nižší tlak vzduchu. Ohřívání kapaliny zvyšuje kinetickou energii jejích molekul. Rychlé molekuly mohou z kapaliny “vyskočit” a opustit ji. Nižší okolní tlak pak dovoluje uniknout ze zahřáté kapaliny více molekulám, než je tomu při tlaku vyšším.
To, zda je voda tekutá, pevná (ve formě ledu) nebo plynná (jako vodní pára) je tedy dáno nejen teplotou, ale také tlakem okolního média (v běžném životě jde o atmosféru naší planety).
Komplikovanou situaci zjednodušil následující diagram.
Vodorovně je v něm nanesena teplota a svisle tlak. Podmínky, ve kterých se voda nachází ve formě ledu, jsou souhrnně označeny modrou barvou. Tekutá voda je znázorněna zeleně a pára béžově.
Všem známý bod tání a varu se nachází na červené lince zhruba uprostřed obrázku. Diagram ale obsahuje kromě všeobecného přehledu ještě něco daleko zajímavějšího. Povšimněte si tzv. kritického bodu, který je na obrázku přibližně uprostřed a úplně vpravo.
Kritický bod
Kritický bod uzavírá tento diagram v místech, kde je znázorněna vysoká teplota i tlak. A není to náhodou. Pouze do tohoto bodu totiž dává smysl rozlišovat mezi párou a kapalinou (led tu logicky neočekáváme). Kritický bod existuje nejen u vody ale i u různých jiných kapalin - v případě vody najdeme tuto horní hranici při 373,946 °C a 22,064 MPa.
Co se děje při extrémních podmínkách?
Látce se v podmínkách, které přesahují kritický bod, říká nadkritická (někdy také superkritická). K dosažení nadkritického stavu musí mít voda teplotu nejméně 374,12 ° C a tlak nejméně 22,1 MPa (221 bar) - tedy přibližně 218 násobek normálního tlaku vzduchu.
Vodní pára v těchto podmínkách začíná stále více a více kondenzovat a znovu začíná připomínat kapalinu. Má ovšem už jiné fyzikální vlastnosti než jaké má běžná tekutá voda.
Nadkritická voda je nečekaně dobrým rozpouštědlem. To má zajímavý dopad. Právě díky ní jsme zásobeni například zlatem, které by se teoreticky vůbec nemělo na povrchu Země vyskytovat, je to totiž těžký chemický prvek, který by měl díky gravitaci klesat hluboko pod povrch. Nadkritická voda rozpouští v nitru Země (kde panují vysoké teploty i potřebný tlak) různé minerály a obohacuje se chemickými prvky, které pak mohou krystalizovat a vytvářet jiné chemické sloučeniny a různé minerály.
Nadkritická voda
Lidstvo zná nadkritickou vodu od roku 1822. Byl to baron Charles Cagniard de la Tour, kdo zjistil, že se od určité teploty ztrácí hranice kapalné a plynné fáze kapaliny uzavřené v tlakové nádobě.
V roce 2005 byla nadkritická voda poprvé nalezena v přírodě a stala se tak vlastně tím nejteplejším přírodním vodním pramenem. Bylo to v Atlantickém oceánu, kde vyvěrá ze dvou hydrotermálních průduchů. Zřídlo se nachází v hloubce více než 3 kilometrů. Pod ním se nejspíše nachází bublina horkého magmatu. Pramen sám dosahuje teplotu 407 °C. Od své první návštěvy v roce 2005 ho tým dál pozoroval a zjistil, že teplota není stálá. V průběhu času kolísá - a několikrát se dokonce zvýšila na krátkou dobu na 464 °C.
Jev dostal název “černý kuřák”. Černý kuřák (v originále black smoker) se projevuje jako nápadný podmořský objekt v podobě kruhového komínu. Ten postupně budují minerály, které s sebou vynáší z nitra zemské kůry přehřátá voda.
Kvůli extrémním podmínkám se nedají tyto jevy zkoumat přímou metodou. Jediným dostupným způsobem jsou počítačové modely. Teploty a tlak jsou tu totiž tak vysoké, že by se velká část vrtného zařízení roztavila a vědecké přístroje by nefungovaly. Vědci tedy jen sbírají data a programují počítačové modely.
Ty naznačují, že tekutina, která vychází z těchto černých kuřáků, pochází původně z oceánu. Kdysi prosákla do podoceánské zemské kůry trhlinami a klesala směrem k magmatické bublině. Přitom se ohřívala a zvyšoval se její tlak.
Nadkritická voda pak rozpouštěla kovy a další prvky ze silikátového materiálu zemské kůry mnohem efektivněji než by to kdy mohla udělat kapalná voda nebo pára. Zlato, měď, železo, mangan, síra a další materiály se tak dostávají z hlubin Země k jejímu povrchu.
Vědci odhadují, že až polovina manganu a jedna desetina železa nalezeného v oceánech může pocházet z takových podmořských průduchů, které na povrch vynášejí chemické prvky rozpuštěné v nadkritické vodě.
