Edward Żółciński
Odkrycia polskie
Tekst ukazał się w nr 50/2019
Przed laty przeczytałem w jednej z gazet codziennych krótką notatkę o niewytłumaczalnych zjawiskach obserwowanych na wodach Oceanu Spokojnego w pobliżu Filipin. Polegały one na tym, że w pewnych momentach na spokojnej powierzchni oceanu pojawiały się nagle bardzo silne zaburzenia, które wyglądały tak, jakby na dużym obszarze woda nagle zaczęła nadzwyczaj intensywnie wrzeć. Nie mogło to być wywołane jakimś huraganem, bowiem, jak stwierdzała wspomniana notatka prasowa, zjawiska te obserwowano przy zupełnie spokojnym powietrzu.
Opisane zjawiska stanowiły wyraźne potwierdzenie snutych uprzednio przeze mnie rozważań dotyczących dużych głębin oceanicznych. Rozważania te zostaną pokrótce omówione w niniejszym artykule.
Moje rozumowanie, które może tłumaczyć te zjawiska, opiera się w zasadzie na dwóch prostych prawach fizyki: na prawie Archimedesa oraz na prawie Boyle’a-Mariotte’a, które głosi, że w stałej temperaturze objętość gazu jest odwrotnie proporcjonalna do ciśnienia.
Aby nie komplikować rozumowania, poczynimy na wstępie pewne upraszczające założenia, które mogą mieć wpływ stosunkowo niewielki, i to tylko od strony ilościowej:
1) przyjmiemy, że ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza wynosi 1 kG/cm2 (ok. 0,1 MPa),
2) przyjmiemy absolutną nieściśliwość wody,
3) pominiemy wpływ niewielkich różnic temperatury,
4) założymy, że takie gazy jak azot lub tlen zachowują się przy ciśnieniach do tysiąca atmosfer, czyli ok. 100 MPa, podobnie do gazu doskonałego.
To ostatnie założenie czynię na podstawie odpowiedzi udzielonej mi przez nieżyjącego już wykładowcę termodynamiki byłej Szkoły Inżynierskiej im. H. Wawelberga i S. Rotwanda w Warszawie, prof. Czesława Mikulskiego.
A oto przebieg rozumowania:
Wyobraźmy sobie, że w idealnie rozciągliwym pęcherzu umieściliśmy 1 dcm3 powietrza, które w temperaturze 15 °C i przy ciśnieniu 0,1 MPa ma masę ok. 1,24 g. Pogrążamy ten pęcherz z powietrzem coraz głębiej pod powierzchnię oceanu i zgodnie z prawem Archimedesa musimy do tego celu użyć pewnej siły skierowanej ku dołowi.
Na każde 10 m pogrążenia pęcherza ciśnienie nań wywierane wzrasta o 0,1 MPa. Na głębokości 10 000 m przyrost ciśnienia będzie oczywiście tysiąckrotnie większy niż na głębokości 10 m i wyniesie 1000 × 0,1 MPa = 100 MPa. Przy naszych upraszczających założeniach te 0,1 MPa ciśnienia atmosferycznego nad powierzchnią wody można pominąć i przyjąć, że na głębokości 10 000 m ciśnienie wody jest tysiąckrotnie większe od ciśnienia atmosferycznego.
Jeżeli przyjmiemy, że temperatura na głębokości 10 000 m wynosi również 15 °C, to zgodnie z prawem Boyle’a-Mariotte’a przy tysiąckrotnym wzroście ciśnienia objętość pęcherza z powietrzem musi tysiąckrotnie zmaleć i wyniesie ona 1 cm3.
Masa powietrza zawartego w pęcherzu nie zmieniła się i wynosi w dalszym ciągu 1,24 g, czyli gęstość powietrza wynosi w tych warunkach 1,24 g/cm3. Natomiast woda jako prawie idealnie nieściśliwa ma niezmienioną gęstość 1 g/cm3.
W tych warunkach powietrze jest cięższe od wody i na tej głębokości nie wypłynie na powierzchnię, lecz utonie!
Tu dochodzimy do sedna rzeczy: Największe głębokości przekraczające 10 000 m występują właśnie na Oceanie Spokojnym koło Filipin.
Jeżeli dno oceanu nawet na takich głębokościach nie jest absolutną martwotą, jeżeli zachodzą tam jakiekolwiek procesy geologiczne, biologiczne, chemiczne, czy jeszcze jakieś inne, przy których następuje wydzielanie się gazów o gęstości zbliżonej do gęstości powietrza, jak np. azot, to z biegiem czasu w tych największych głębiach musiały się nagromadzić większe ilości gazów i utworzyć coś w rodzaju podwodnych jezior gazowych.
W miarę wytwarzania się nowych porcji gazów poziom takiego jeziora gazowego musiałby się ciągle podnosić, ale nie mógłby przekroczyć takiego poziomu granicznego, przy którym gęstość sprężonej tam mieszaniny gazów byłaby równa gęstości wody.
Jeżeli już założyliśmy, że dno oceanu lub sam ocean na tych głębokościach nie są absolutną martwotą, to zanim poziom jeziora gazowego osiągnie ów poziom graniczny, mogą nastąpić jakieś zaburzenia powierzchni swobodnej pomiędzy gazami i wodą, wskutek których pewne porcje gazów mogą się znaleźć wyżej niż poziom graniczny i wypłynąć na powierzchnię.
Jeśli wyobrazimy sobie teraz sporą porcję gazów wydobywających się z kilkukilometrowej głębokości na powierzchnię oceanu i uzmysłowimy sobie, że w tym czasie gazy zwiększą swoją objętość około tysiąckrotnie, to nietrudno sobie wyobrazić zaburzenia powstałe przy tym na powierzchni oceanu i wytłumaczyć opisane na wstępie zjawiska.
A teraz postarajmy się dokładniej, lecz w możliwie prosty sposób, określić głębokość wspomnianego wyżej poziomu granicznego przy założeniu, że znajdujące się tam gazy mają gęstość zbliżoną do gęstości powietrza, albo że po prostu jest tam powietrze.
Na poziomie granicznym ciśnienie musi być tyle razy większe niż ciśnienie atmosferyczne, ile razy gęstość wody jest większa od gęstości powietrza na poziomie morza. Wtedy bowiem gęstości powietrza i wody będą na tym poziomie równe, co oznacza, że powyżej tego poziomu powietrze wypłynie, a poniżej utonie.
Stosunek gęstości wody i powietrza na poziomie morza, gdzie panuje ciśnienie odpowiadające 10-metrowemu słupowi wody, wynosi:
1000 / 1,24 [g/dm3] = ok. 806
i poziom graniczny musi znajdować tyle razy głębiej niż 10 m, a więc musi wynosić Hgr = 806 × 10 m = 8060 m = 8,06 km.
Intuicyjne założenie temperatury panującej w okolicach dna oceanu może być oczywiście błędne, ale nie spowoduje to większych odchyłek w wyniku. Bardziej problematyczne jest natomiast założenie dotyczące gęstości gazów, jednak w każdym razie całe rozważanie mieści się w granicach możliwości istniejących na naszej planecie.
Dla przykładu podaję dane czterech rowów oceanicznych o głębokości większej niż 10 km w następującej tabelce:
Zastanówmy się teraz pokrótce, jakie konsekwencje wynikałyby z ewentualnego potwierdzenia moich rozważań przez doświadczenie.
Przede wszystkim należałoby nanieść poprawki na mapy oceanów w tych obszarach, na których głębokość byłaby większa niż poziom graniczny.
Jak wiadomo, głębokość mórz i oceanów określa się za pomocą echosondy. Miarą głębokości jest czas, który upływa od chwili wysłania fali dźwiękowej do chwili odebrania fali odbitej od dna.
Znając prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej w wodzie i czas przebycia przez falę drogi do dna i z powrotem, możemy obliczyć głębokość.
Jeżeli istotnie fala dźwiękowa przechodziłaby w pobliżu dna przez warstwę gazów, to wynik takiego pomiaru musiałby być obarczony poważnym błędem, ponieważ prędkości rozchodzenia się fal dźwiękowych w wodzie i w gazach są zupełnie różne. Na przykład w powietrzu prędkość fali dźwiękowej jest ponad czterokrotnie mniejsza niż w wodzie. Z tego powodu wszystkie głębokości poniżej rzeczywistego poziomu gazów byłyby ocenione za pomocą echosondy przesadnie.
Dalsze konsekwencje mojej hipotezy o występowaniu jezior gazowych na dnie rowów oceanicznych mogłyby być natury technicznej. Na przykład można by te gazy wykorzystać jako potężne źródło energii. Gdyby się okazało, że skład tej mieszaniny gazowej jest bliski składowi powietrza, to byłaby to energia czysta. Jeśli by ponadto okazało się, że zasoby gazów w tych jeziorach gazowych odnawiają się w dostatecznym tempie, to byłoby to źródło odnawialne. Ponadto istnienie podwodnych zbiorników silnie sprężonych gazów mogłoby być wykorzystane do innych, na razie trudnych do przewidzenia, celów technicznych.
Techniczne możliwości wykorzystania tych gazów stają się bardziej realne, jeśli się zważy, że istniejące na świecie największe głębie są położone najczęściej w pobliżu archipelagów wysp, jak np. na Oceanie Spokojnym rowy wymienione w załączonej tabelce lub Rów Puerto Rico o głębokości 9218 m na Oceanie Atlantyckim.
Do doświadczalnego stwierdzenia, czy w rowach oceanicznych naprawdę istnieją takie jeziora gazowe, przewiduję dwa sposoby.
Pierwszy z tych sposobów polegałby na zastosowaniu echosondy, ale tak, żeby nadajnik i odbiornik były oddalone od siebie na odległość kilku czy kilkunastu kilometrów i żeby środek odcinka łączącego nadajnik i odbiornik leżał w przybliżeniu w miejscu największej głębokości badanego rowu oceanicznego.
Jeżeli na dnie badanego rowu oceanicznego istnieje jezioro gazowe, to powstanie sytuacja przedstawiona na rys. 1.
Na jednym ze statków znajduje się nadajnik A, a na drugim odbiornik B. Sygnał dźwiękowy wysłany przez nadajnik A dotrze do odbiornika B trzema drogami:
1) bezpośrednio po odcinku AB;
2) odbiornik zarejestruje falę dźwiękową odbitą od powierzchni podwodnego jeziora gazowego w punkcie C, czyli przebiegnie drogę ACB;
3) odbiornik zarejestruje również falę załamaną na powierzchni jeziora gazowego w punkcie D, odbitą od dna w punkcie E i załamaną powtórnie na tejże powierzchni jeziora gazowego w punkcie F.
Fala ta przebiegnie więc drogę ADEFB. Z tego wynika, że po wysłaniu sygnału z nadajnika A odbiornika B zarejestruje potrójne echo. Znając stosunek czasu przebiegu sygnału na drodze ACB do czasu przebiegu sygnału na drodze AB oraz odległość odbiornika B od nadajnika A, możemy zupełnie dokładnie określić odległość powierzchni jeziora gazowego od powierzchni oceanu, czyli grubość warstwy wody nad jeziorem gazowym.
Jeśli teraz przyjęlibyśmy poczynione już założenie, że skład mieszaniny gazowej podwodnego jeziora jest zbliżony do składu powietrza, to znając prędkości rozchodzenia się fali dźwiękowej w wodzie i w powietrzu oraz różnicę czasów przebiegu sygnału na drodze ADEFB i ACB moglibyśmy określić grubość warstwy gazu, a więc i rzeczywistą głębokość oceanu w badanym punkcie. Należy przy tym przypomnieć, że prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej w gazach nie zależy od ciśnienia, a tylko od temperatury.
Drugi sposób stwierdzenia istnienia jezior gazowych na dnie rowów oceanicznych polegałby na wpuszczeniu do oceanu w badanym miejscu pionowej rury sięgającej w pobliże dna i częściowym wypompowaniu z niej wody. Zaistniałaby wtedy sytuacja przedstawiona na rys. 2.
Na rysunku tym przedstawiono zależność ciśnienia od głębokości. Na poziomie powierzchni oceanu oznaczonym przez H0 ciśnienie wynosi ok. 0,1 MPa. Ponieważ woda jest prawie nieściśliwa, to w miarę wzrostu głębokości ciśnienie będzie rosło prawie dokładnie liniowo wg odcinka 1–2. Prawie liniowy wzrost ciśnienia wraz z głębokością będzie miał miejsce tylko w wodzie. Natomiast przy zagłębieniu się pod powierzchnię jeziora gazowego ciśnienie będzie się zmieniało wg krzywej 2–3 zwróconej wypukłością ku dołowi, bowiem kolejna niższa warstwa gazu będzie miała większą gęstość i przyrost ciśnienia przy wzroście głębokości będzie coraz większy.
Jeżeli teraz z rury, której dolny koniec znajduje się poniżej poziomu granicznego Hgr, a więc jest pogrążony w gazie, zaczniemy wypompowywać jej zawartość, to poziom gazu w tej rurze będzie się podnosił, ale ciśnienie będzie się zmieniało wg krzywej 2–4, która jest dalszym ciągiem odcinka krzywej 3–2, jest bowiem obrazem graficznym tej samej funkcji.
Po wypompowywaniu z rury dowolnej ilości wody rozpocznie się jej dalszy coraz szybszy wypływ i po całkowitym opróżnieniu rury z wody będzie ona wypełniona gazem z jeziora gazowego. Wartość statyczna tego ciśnienia na poziomie oceanu po zamknięciu zaworu na rurze, oznaczona na rysunku 2 jako P0, wynosiłaby kilkadziesiąt megapaskali. Z takiej rury można by czerpać gaz pod dużym ciśnieniem, oczywiście jeśli by to nie było szkodliwe ze względów ekologicznych.
A teraz postaram się przedstawić pokrótce racje przemawiające za słusznością mojej hipotezy.
Pierwszą z nich są opisane na wstępie dziwne zjawiska zaobserwowane na powierzchni Oceanu Spokojnego w okolicach jego największych głębin i próba wyjaśnienia tych zjawisk w niniejszym artykule.
Prawdopodobieństwo słuszności mojej hipotezy, a co za tym idzie celowość ewentualnych prób w tym kierunku, wynika również z relacji J. Piccarda i D. Walsha z wyprawy batyskafem „Trieste” na dno Rowu Mariańskiego odbytej w 1960 r. Prasa doniosła, iż w efekcie wyprawy stwierdzono co następuje:
1) głębokość Rowu Mariańskiego jest większa niż na mapie;
2) w pobliżu dna unosi się gęsta zawiesina pyłków i okruchów różnej wielkości, które nie wypływają ani nie toną.
Pierwsze stwierdzenie zdaje się przeczyć moim wywodom. Ale tylko pozornie. Tę pozorną sprzeczność wyjaśnia rys. 3, na którym, podobnie jak na rys. 2, przedstawiony jest wykres ciśnienia w zależności od głębokości. Rysunek 3 wyjaśnia również przyczynę błędu w ocenie rzeczywistej głębokości Rowu Mariańskiego.
Ponieważ woda jest praktycznie nieściśliwa, to ciśnienie zmienia się w zależności od głębokości niemal dokładnie według linii prostej 1–2.
Sytuacja zmienia się radykalnie w gazie. Każda kolejna warstwa gazu od punktu 2 w dół ma coraz większe ciśnienie, a więc i większą gęstość. Wskutek tego równym przyrostom głębokości w gazie odpowiadają coraz większe przyrosty ciśnienia, które z tego powodu będzie się zmieniało według krzywej 2–3.
Miarą głębokości, jaką osiągnął batyskaf, było ciśnienie i załoga oceniła tę głębokość według wskazań manometru, oczywiście przy założeniu, że batyskaf jest pogrążony w wodzie.
Jeślibyśmy teraz z punktu 3 poprowadzili prostą równoległą do osi pionowej do przecięcia z przedłużeniem odcinka 1–2 w punkcie 4, to położenie punktu 4 określa nam głębokość, na jaką załoga batyskafu oceniła Rów Mariański.
Zajmijmy się teraz sprawą zawiesiny w pobliżu dna. Utrzymywanie się tej zawiesiny można wytłumaczyć jedynie na podstawie założenia, że na dnie Rowu Mariańskiego istotnie znajduje się warstwa gazu. Wyjaśnia to rys. 4 przedstawiający wykres zależności gęstości ośrodka od głębokości oceanu.
Gęstość wody jest wyrażona odcinkiem 0–1 na osi poziomej i nie zmienia się wraz ze wzrostem głębokości wskutek prawie absolutnej nieściśliwości wody. Obrazem graficznym zależności gęstości ośrodka od głębokości będzie więc prosta 1–2 równoległa do osi pionowej.
W gazie sprawa ma się inaczej: Ponieważ każda kolejna warstwa gazu licząc od poziomu granicznego w dół podlega coraz większemu ciśnieniu, to gęstość gazu rośnie wraz z głębokością według krzywej 2–3. Położenie punktu 3 określa gęstość gazu na dnie.
Jeśli sobie teraz wyobrazimy, że jakieś ciało o gęstości większej od gęstości wody, a mniejszej od gęstości gazu na dnie, znajdzie się w wodzie, to będzie ono opadało w dół aż do poziomu, na którym gęstość ośrodka będzie równa gęstości tego ciała. Będzie to możliwe tylko w gazie. Z tego powodu ciało o gęstości g1 zatrzyma się na poziomie H1, zaś ciało o gęstości g2 na poziomie H2. Ponieważ wszelkie okruchy, cząstki i pyłki mogą mieć różne gęstości, to są one w gazie posegregowane na wszystkich jego poziomach.
I wreszcie samo ukształtowanie dna oceanu w okolicach rowów oceanicznych musi nasuwać istotne spostrzeżenia. Ukształtowanie to jest takie, jakby w miejscu najgłębszym jakaś potężna pogłębiarka wykopała olbrzymi rów. Nie istnieją takie pogłębienia na pochyłościach dna, lecz zawsze w miejscach i tak już najgłębszych. I w tych najgłębszych miejscach występuje zagęszczenie warstwic. To można tłumaczyć również obecnością jezior gazowych, które oczywiście mogą się znajdować w obszarach o największych głębokościach, tak jak wody jezior czy mórz wypełniają obszary najniżej położone.
Dla przykładu na rys. 5 pokazano przekrój poprzeczny Rowu Mariańskiego. Według mapy stromość dna w najniższym obszarze rowu jest największa. Gdybyśmy przyjęli, że od wyliczonego w tym artykule poziomu granicznego w dół istnieje jezioro gazowe, to wszystkie rzędne głębokości rowu liczone od poziomu granicznego w dół musiałyby być podzielone przez stosunek prędkości rozchodzenia się fali dźwiękowej w wodzie do jej prędkości w gazie. Stosunek tych prędkości dla wody i powietrza wynosi 4,5. Przy założeniu, że mieszanina gazowa na dnie Rowu Mariańskiego jest zbliżona składem do powietrza, zarys dna byłby taki jak na rys. 5, a głębokość Rowu Mariańskiego wynosiłaby ok. 8720 m.
I na koniec kilka uwag na temat składu mieszaniny gazowej tworzącej ewentualne jeziora gazowe na dnach rowów oceanicznych.
Powierzchniowa warstwa wody mórz i oceanów jest prawie nasyconym wodnym roztworem gazów stanowiących atmosferę. Dlaczego prawie, a nie całkowicie, chociaż powietrze styka się z powierzchniami wszystkich zbiorników wodnych w czasie miliardów lat? Otóż powierzchnie wszystkich naturalnych zbiorników wodnych są nieustająco smagane wiatrami, co powoduje mieszanie i rozpuszczanie się składników powietrza w wodzie. Ale temperatura wody się zmienia, więc i ilość gazów jaka może być rozpuszczona w wodzie zmienia się, bo rozpuszczalność gazów w wodzie jest zależna od temperatury. Im niższa temperatura, tym więcej gazu może się w wodzie rozpuścić. W związku z tym ilość rozpuszczonych w wodzie gazów jest chwilowym stanem wynikającym z rozpuszczania się gazów w wodzie i wydzielania się pęcherzyków gazów z wody i ich ucieczki do atmosfery.
Rozpuszczalność gazów w wodzie jest jednak zależna również od ciśnienia. Im większe ciśnienie, tym większa rozpuszczalność. Można sądzić, że jeżeli względny stopień nasycenia wody rozpuszczonymi w niej gazami jest stały lub prawie stały, to większym głębokościom odpowiadałaby większa ilość rozpuszczonych gazów. Byłoby to zgodne z tzw. Ruchami Browna. Jeżeli na dużych głębokościach odbywa się rozpuszczanie i wydzielanie pęcherzyków gazowych wywołane chociażby drobnymi zmianami warunków fizycznych, to pęcherzyki gazowe wydzielające się na głębokości większej od poziomu granicznego nie wypłyną na powierzchnię, lecz wejdą w skład podwodnego jeziora gazowego. W ten sposób kilkukilometrowa warstwa wody oddzielająca powietrze atmosferyczne od podwodnego jeziora gazowego byłaby swego rodzaju błoną osmotyczną. Być może działanie tej błony osmotycznej jest bardzo powolne, ale odbywa się na olbrzymich powierzchniach i w czasie odpowiadającym okresom rozwoju Ziemi. I to jest jeszcze jedna racja przemawiająca za trafnością mojej hipotezy.
Edward Żółciński
TABELA
Rowy oceaniczne
Lp. Nazwa Położenie Głębokość [m]
1 Mariański Od wschodu i południa obejmuje wyspy Mariany 11 034
2 Filipiński Na wschód od Filipin. Największa głębokość w pobliżu wyspy Mindanao 10 960
3 Tonga Na południe od wysp Samoa 10 633
4 Japoński Na południowy wschód od Honsiu 10 500
