Физика соленых озер

Соленые озера имеют важное народно-хозяйственное значение, являясь источником ценного сырья для химической, пищевой и других отраслей промышленности. Из соленых озер добываются поваренная соль, сода, мирабилит, хлористый магний, соединения брома, йода, бора и т. д. Велико значение и минеральных сероводородных грязей, образующихся в соленых озерах сульфатного типа и используемых в лечебных целях.

Целительное воздействие сероводородных грязей и рапы при нарушениях целого ряда функций желудочно-кишечного тракта, язвенной болезни, хронического гастрита, хронического бронхита, ряда кожных заболеваний доказано исследованиями.

В последнее десятилетие для многих юргинцев соленые озера Алтайского края стали излюбленным местом не только отдыха, но и укрепления здоровья. Благодаря каким свойствам рапа обладает лечебным эффектом?

Минеральные озёра - солёные, или соляные, озёра; озёра, вода которых сильно минерализована, т. е. содержит большое количество солей. К категории минеральных озер иногда относят озёра, минерализация воды которых превышает солёность вод Мирового океана (35 г/кг). По иным классификациям, к категории минеральных озер относят озёра с содержанием растворённых веществ более 25 г/кг. При содержании солей от 1 % до 35 % (или 25 %) минеральные озера называются слабоминерализованными или солоноватыми. При высоких концентрациях солей воды минерального озера представляют собой растворы, близкие к насыщению или полностью насыщенные, в которых происходит кристаллизация солей и их выпадение в осадок на дно. Такие минеральные озера называют самосадочными, а заполняющую их воду — рапой. Наиболее распространены минеральные озера в засушливых районах земного шара. Они занимают бессточные котловины или образуются на морских побережьях, в отчленённых от моря заливах и лиманах.

Накопление солей в минеральных озерах происходит за счёт вноса в бессточные котловины растворённых минеральных солей реками, подземными водами и атмосферными осадками и интенсивного испарения с их водной поверхности. Минеральные озера представляют собой конечный этап миграции минеральных веществ в бессточных районах земного шара.

Высокая концентрация солей в минеральных озерах определяет своеобразие их термического и динамического режима. Из-за повышенной вязкости высокоминерализованных вод распространение тепла от поверхности в глубь озера затруднено, поэтому тонкий поверхностный слой рапы летом может нагреваться до 40—50°С. Зимой рапа в некоторых озёрах не замерзает при температуре до -20°С. Благодаря этому в глубоких соленых озерах переохлажденные в зимний период придонные воды, а летом они сохраняют отрицательную температуру. В мелких соленых озерах с прозрачной водой прогрев дна за счёт солнечной радиации может достигать 65 °С.

2. 2. Классификация соленых озер.

По химическому составу вод минеральных озер подразделяются на три основных типа: карбонатные (содовые), сульфатные (горько-солёные) и хлоридные (солёные). Химический тип соленых озер определяется в первую очередь составом питающих озеро вод.

Изменение соотношения объёма притока вод в М. о. и испарения с их поверхности в отдельные сезоны года и в годы различной водности, а также температурный режим рапы вызывают периодические изменения её минерализации и химического состава.

• К озерным месторождениям солеи относятся соляные озера, которые по своим размерам, величине запасов рапы (рассола) и донных соляных отложений, содержанию и составу заключенных в них минеральных солеи, а также по стабильности режима и источников питания представляют интерес для промышленного освоения.

• Соляные озера разделяются на морские, континентальные и смешанные. В Узбекистане развиты континентальные соляные озера (Барсакельмес, Тузкудук и др. )

• По фазовому состоянию солеи различаются рапные, "сухие" и подпесочные озера. Рапное озеро характеризуется наличием поверхностной рапы в озере в течении всего года. "Сухое" озеро сохраняет поверхностную рапу только во влажный период года. Подпесочное озеро не имеет поверхностной рапы; обычно над соляными отложениями залегает слой песчаных или других наносов.

• Рапа соляных озер подразделяется на поверхностную и донную. Поверхностная рапа покрывает твердые донные осадки, а донная рапа пропитывает их. Поверхностная рапа характеризуется значительными сезонными колебаниями объема, концентрации и солевого состава. Донная рапа подразделяется на межкристальную (заполняющую поры и пустоты в пластах солей) и иловую (пропитывающую наслоения ила). Донная рапа отличается от поверхностной большей насыщенностью солями, а также большим постоянством концентрации и температурного режима. Донные соляные отложения залегают в виде пласто- и линзообразных тел, разделенных илами, глинами и песками. Их суммарная мощность колеблется в широких пределах - от долей метра до нескольких метров, а в озерах, генетически связанных с соляными куполами, нередко составляет десятки метров.

• По составу солей озера разделяются на хлоридные, сульфатные и карбонатные. Для хлоридных озер (Барсакельмес, Тузкудук) характерно наличие NaCl и MgCl2, присутствуют также Са(НСОз)2, СаSO4, CaCl2. Сульфатные озера подразделяются на сульфатно-натриевые (Тумрюк) и сульфатно-магниевые (хлормагниевые). Первые характеризуются наличием Na2SO4, NaCl, и в небольшом количестве MgSO4, Мg(НСОз)з, СаSO4, Са(НСОз)2. В сульфатно-магниевых озерах преобладают MgSO4 и MgCl2, присутствуют также МgНСОз)2, NaCl, СаSO4, Са(НСОз)2. Для карбонатных озер характерен следующий состав солей: Na2СОз, NаНСОз, и в небольшом количестве NaCl, MgCl2, СаСОз.

2. 3. Режимы состояния соленых озер.

Гидрогеологический режим соленого озера зависит от геологического строения и химического состава поверхностных и подземных (грунтовых) вод. Гидрологический режим соленого озера (колебания уровня и мощности слоя рапы) зависит от изменения количества поступающих вод и величины испарения. Мощность слоя поверхностной рапы в соленых озерах чаще всего составляет 0,5-1 м и лишь изредка превышает 5 м. Уровень рапы изменяется в течение года разных районах и озерах неодинаково. Наибольшие амплитуды колебания уровня поверхностной рапы характерны для рапных озер краевых частей засушливых климатических зон или озер с крайне неравномерным питанием, где они достигают 1 м. У "сухих" озер амплитуды колебания уровня поверхностной рапы значительно меньше и обычно не превышают 0,5 м. Весной поверхностная рапа на них исчезает, а межкристальная опускается на 3-5 см ниже поверхности соляного пласта; летом эта величина составляет 10-12 см, а на некоторых озерах 30 и даже 60 см.

Гидрохимический режим соляных озер обуславливается изменением химического состава, концентрации и плотности поверхностной и донной рапы, а также соотношением солей, находящихся в жидкой и твердой фазах.

Наиболее низкие изменения химического состава рапы и соотношения солей, находящихся в различных фазах, происходят в весенне-летний период. Летом, когда концентрация рапы в связи с усилением испарения возрастает, наблюдается самое интенсивное осаждение соляных минералов. Весной под воздействием опреснения рапы подземными и поверхностными водами происходит растворение выпавших солей (частичное или полное) или замедление процесса осаждения соляных минералов.

В осенне-зимний период химический состав рапы изменяется значительно меньше, процессы осаждения солей замедляются. Однако мирабилит наиболее интенсивно осаждается зимой, так как при низких температурах его растворимость резко падает. Летом наблюдается его полное или частичное растворение или замедление осаждения.

На состояние и режим озера влияют также добыча соли, сброс сточных вод, ирригация и т. д.

2. 4. Примеры использования содержания соленых озер.

Озерные соли широко используются в различных отраслях народного хозяйства. Поваренная соль (галит) употребляется в качестве пищевой кормовой и технической соли. Последняя служит исходным сырьем для получения: хлора, соляной кислоты, сульфата натрия, соды, едкого натра и других соединений натрия и хлора; применяется она также в лакокрасочной, текстильной, целлюлозно-бумажной, фармацевтической промышленности и других отраслях народного хозяйства.

Поваренная соль в зависимости от способа получения делится на самосадочную, образовавшуюся в природных условиях, и садочную (бассейную), осажденную искусственным путем из рапы в специальных бассейнах. При добыче самосадочной соли на крупных месторождениях применяются солекомбайны, камнерезные машины и другие механизмы.

Добытая поваренная соль очищается от вредных примесей путем промывки. Хорошие результаты достигаются промывкой заиленной соли рапой в процессе ее добычи (в самосадочных озерах). При переработке озерной поваренной соли получают следующие продукты:

• мелкокристаллическую выварочную соль;

• молотую соль (самосадочную и садочную) различной крупности (от 0,8 мм до 4,5 мм);

• кусковую (глыбы массой от 3 кг до 50 кг), зерновую и дробленую (величина зерен до 40 мм) соль;

• солеблоки;

• брикетированную соль для нужд животноводства (с микроэлементами и без них).

Сульфат натрия используется непосредственно после очистки (технический сернокислый натрии), а также для получения соды, серной кислоты, сульфата аммония, при производстве моющих средств, ультрамарина и других продуктов. Основные потребители сульфатов натрия - целлюлозно-бумажная и стекольная промышленность; в меньшей мере - текстильная, кожевенная, фармацевтическая, цветная металлургия, холодильное производство, фотография и ряд других.

Сульфаты натрия (в основном мирабилит) получают из рапы и твердых озерных соляных отложений. Сульфаты магния применяют в медицине, в строительной, абразивной и кожевенной промышленности

Хлористый магний (бишофит) служит сырьем (наряду с карналлитом) для производства металлического магния, а также дефолиантов. Хлористый магний добывают в незначительных количествах в основном из межкристальной рапы, из которой он выпадает на последних стадиях ее выпаривания.

При переработке рапы и твердых солей из озерных месторождений могут попутно извлекаться бор, бром и литий.

2. 5. Богатство Алтайских соленых озер.

Отечественный и зарубежный опыт подращивания личинок рыб свидетельствует о том, что живые корма пока являются основной пищей для молоди рыб на ранних этапах развития. Одним из видов такого корма являются науплии Artemla sallna (L), обитающей в ультрагалинных (имеющих высокую соленость) водоемах, В связи с переходом на индустриальные формы выращивания посадочного материала вопросы обеспечения молоди рыб стартовыми кормами приобретают исключительно большое значение. Заготовка яиц артемии до последнего времени носила опытный характер, а количество заготовленных яиц не удовлетворяло потребностей хозяйств. Такое положение объясняется тем, что не были известны места больших скоплений яиц, отсутствовали доступные пособия по поиску, заготовке и орудиям сбора; квалификация сборщиков была низкой; имелись затруднения организационно-технического порядка. Между тем запасы яиц артемии только в обследованных водоемах позволяют обеспечить потребности отрасли в стартовых живых кормах уже в ближайшие годы.

В 1978 г. лаборатория повышения естественной кормовой базы и культивирования живых кормов ВНИИПРХ осуществила заготовку яиц артемии в промышленных масштабах. Алтайский рыбокомбинат предоставил автотранспорт, производственные помещения для сушки яиц, создал группу сборщиков.

Были обследовали девять ультрагалинных озер и пришли к выводу, что наиболее перспективными в отношении массовых заготовок яиц артемии являются озера Большое Яровое и Кулундийское.

Опыт, накопленный при обследовании водоемов Крыма, Мангышлака и Алтайского края, позволил, исходя из гидрологических, гидрохимических и морфометрических характеристик, предложить критерии пригодности конкретного водоема для промышленных заготовок яиц артемии. Площадь водного зеркала в летний период должна оставаться постоянной или уменьшаться очень незначительно. Необходимо, чтобы большую часть вегетационного сезона, вплоть до осени, вода имела определенный уровень солености и ионный состав. Крупные чашеобразные водоемы предпочтительнее, чем небольшие блюдцеобразные.

Мелководные ультрагалинные озера, не имеющие достаточного притока пресных вод и сильно высыхающие и осолоняющиеся в летний период, не могут служить источниками значительных количеств яиц артемии, несмотря на то, что в начале лета в них отмечается высокая биомасса рачков. Причина этого - прогрессирующее осолонение. Известно, что при повышении солености воды сильно уменьшается число яйценосящих особей артемии в популяции и число яиц в кладках. Возможно, что ухудшение кормовых условий также отрицательно влияет на размножение рачков.

Проведенный анализ яиц, отложенных артемией при очень высокой солености среды, показал, что большинство яиц, сохранивших наружную оболочку и имеющих такой же удельный вес, как и доброкачественные яйца, содержат внутри не жизнеспособный эмбрион, а аморфное мертвое вещество. Таким образом, высокая минерализация среды обитания влечет за собой уменьшение содержания жизнеспособных яиц в кладках артемии.

Артемия встречается в водоемах с хлоридными, сульфатными и щелочными водами при различных концентрациях солей и различном ионном составе рапы. В искусственных условиях науплии артемии живут даже в пресной воде, благодаря чему их можно использовать в качестве живого корма в пресноводном рыбоводстве.

Свойства артемии связаны с высокоразвитой способностью к ионной и осмотической регуляции. Конечно, возможности механизмов ионноосмотической регуляции не беспредельны, и при определенных условиях факторы внешней среды становятся неприемлемыми для вида. Например, в 1897 г. в заливе Кара-Богаз-Гол наблюдались колоссальные количества артемии. Но падение уровня моря вызывает уменьшение притока каспийской воды в залив и увеличение концентрации солей. Прогрессирующее осолонение и эволюция химического состава рапы привели к тому, что в 1930 г. в заливе не было отмечено ни одного экземпляра артемии (Книпович, 1939).

При циклических изменениях ионного состава и концентрации рапы ультрагалинных водоемов наименьшую соленость вода имеет ранней весной, наибольшую - в конце лета. Значительное повышение солености в водоеме влечет за собой откладывание рачками яиц и отмирание популяции артемии. Часть отложенных яиц дает начало новому поколению рачков при наступлении весеннего опреснения и прогревании воды, а часть остается в состоянии покоя.

Ультрагалинные озера Алтайского края характеризуются широким диапазоном показателей степени минерализации воды. Пожалуй, один из самых контрастных примеров - расположенные рядом большие озера Кулундинское и Кучукское, прежде соединявшиеся протокой.

В период обследования (сентябрь 1978 г в Кулундинском озере при бурном развитии нитчатых водорослей наблюдались большие количества артемии, в том числе яйценосящих самок. В прибрежных водах и прибойной зоне побережья отмечены значительные запасы яиц артемии. В Кучукском озере рачки артемии не были найдены, но обнаружены слабые береговые выбросы яиц. В озере наблюдалось интенсивное выпадение солей, большие пространства ложа озера были покрыты толстым солевым слоем.

Заготовка яиц артемии в сентябре 1978 г. проводилась на озере Большое Яровое. Яйца собирали из поверхностных слоев воды и в меньшем количестве из береговых выбросов. Заготовка яиц из поверхностных слоев имеет то преимущество, что первичный сбор содержит меньшее количество посторонних примесей. Количество и характер крупных посторонних включений (ветви растений, перья птиц и пр. ) определить нетрудно. Сложнее оценить качество сбора, основной примесью в котором является скорлупа яиц артемии. Дело в том, что после выхода науплии наружная непрозрачная оболочка яйца артемии обычно сохраняет шарообразную форму. Края щели сходятся, и щель приобретает вид трещины на поверхности яйца, заметной только при тщательном рассматривании под лупой. Если нераскрошившаяся скорлупа заполняется через трещину тонким илом, удельный вес таких включений приближается к весу доброкачественных яиц. Даже под лупой нераскрошившаяся скорлупа очень похожа на доброкачественное яйцо. Недостаточно опытные сборщики часто по ошибке заготовляли такое "сырье".

Озеро Большое Яровое расположено в центре Кулундинской степи, где суровая и продолжительная - до 5 месяцев зима, жаркое сухое лето и недолгие, с неустойчивой погодой весна и осень.

Район озера относится к зоне с недостаточным увлажнением. Речного питания водоем не имеет и пополняется за счет атмосферных осадков (42%) и грунтовых вод (43%). Существенную часть (15%) составляют воды, поступающие в период таяния снега. Площадь озера 63 км2, глубина до 7-8 м. Грунт дна песчаный, в глубоких частях - черный ил.

Окружающая озеро территория представляет собой плоскую равнину, в неокультуренной своей части почти лишенную древесной растительности. Подъезды для автотранспорта удобны практически по всему побережью. Крутые берега высотой до 10 м изрезаны оврагами. У подножья берегов вокруг всего озера имеются выходы пресных грунтовых вод.

В 1979 г. яйца артемии, собранные в Алтайском крае, использовались для массового подращивания личинок рыб.

Большие запасы яиц артемии в ультрагалинных водоемах Алтайского края открывают широкую перспективу их массовой заготовки. При рачительном подходе к эксплуатации этого богатства алтайские озера могут стать надежным источником живого корма, так необходимого самым разнообразным рыбохозяйственным предприятиям.

3. Практическая часть.

3. 1. Методика и материалы.

Исследования проводились в кабинете физики лицея при комнатной температуре (23 – 270С).

В качестве исследуемого вещества применялась рапа, пробы которой были взяты из озера Малое Яровое в 2004, 2005 и в 2006 годах.

Для определения физических свойств рапы использовались методики, отраженные в инструкциях к школьному физическому практикуму.

В ходе экспериментов было задействовано школьное оборудование: измерительные приборы 4-го класса точности - весы с разновесами, амперметры, вольтметры, термометр, барометр, динамометр; оборудование – калориметрические тела, бюретка, электроды, соединительные провода и т. д.