БИОФИЗИКА, 2019, том 64, № 6, с. 1225-1229

ДИСКУССИИ

УДК 53.043

ВАРИАЦИИ ПОДВИЖНОСТИ ПРОТОНОВ

ДИСТИЛЛИРОВАННОЙ ВОДЫ

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),

125993, Москва, ГСП-3, А-80, Волоколамское ш., 4

E-mail: imageev@mail.ru, rym49@ramblerl.ru

Поступила в редакцию 04.04.2019 г.

После доработки 18.07.2019 г.

Принята к публикации 22.08.2019 г.

Проведены экспериментальные исследования вариаций электропроводности дистиллированной

воды при фиксированных значениях ее температуры. Показано, что в условиях постоянной

концентрации основных ионов воды наблюдаются околосуточные вариации подвижности

протонов, достигающие значений 15% относительно исходных. Выявлена зависимость амплитуды

этих вариаций от значений температуры воды. Обсуждаются возможные механизмы, объясняющие

выявленные эффекты.

Ключевые слова: удельная электропроводность воды, стабилизация температуры, концентрация ионов,

подвижность протонов в воде.

DOI: 10.1134/S0006302919060231

В работе [1] было показано, что при условии

ний объем которого составлял около одного лит-

уменьшения скорости изменения температуры

ра. Внутри термостата кроме датчика размещали

воды ниже значений dT/dt < 0,1 К/ч температур-

активный элемент, включавший в свой состав ра-

ная зависимость электропроводности становится

диатор с закрепленным на нем терморезистором,

нелинейной. При этом в зависимости электро-

элемент Пельтье и радиатор с электрическим вен-

проводности воды от времени наблюдаются мед-

тилятором. Блок управления температурой тер-

ленные вариации. В работах [2,3] отмечалось, что

мостата по сигналу с терморезистора активного

в некоторые периоды наблюдений, проводив-

элемента формировал корректирующее напряже-

шихся на протяжении почти пяти лет, наблюда-

ние нужной величины и полярности на элементе

лись корреляции изменения проводимости и из-

Пельтье, стабилизируя значение установленной

менения параметров солнечной активности, маг-

температуры в термостате. Экспериментальная

нитного поля или атмосферного давления. Было

установка обеспечивала точность стабилизации

также установлено, что возможность наблюдения

температуры воды в датчике в пределах ± 0,2-

вариаций проводимости в значительной степени

1,5%, в зависимости от разницы между стабили-

определяется стабильностью температуры воды.

зируемой температурой и температурой окружа-

В развитие указанных работ нами были выполне-

ющей среды.

ны экспериментальные исследования электро-

Схема конструкции кондуктометрической

проводности дистиллированной воды при фик-

ячейки представлена на рис. 1.

сированных значениях ее температуры, основные

результаты которых приведены ниже.

Использование герметичного датчика исклю-

чало возможность контакта воздуха, находящего-

АППАРАТУРА И УСЛОВИЯ

ся в датчике, с воздухом окружающей среды, т.е.

ЭКСПЕРИМЕНТА

возможность испарения воды из датчика, а также

Экспериментальная установка в части измере-

изменение концентрации углекислого газа в про-

ния физических величин была подобна установ-

цессе длительных экспериментов. В качестве ма-

ке, представленной в работе [1]. Для стабилиза-

териала корпуса датчика использовали полиэти-

ции температуры воды установка была дополни-

лен толщиной 0,5 мм. Датчик имел форму, близ-

тельно оснащена активным термостатом.

кую к цилиндрической, с площадью сечения

Измерительную кондуктометрическую ячейку

около 2 см² и высотой около 6 см. Два электрода в

(датчик) размещали в термостате из теплоизоли-

каждом датчике были изготовлены из нержавею-

рующего диэлектрического материала, внутрен-

щей стальной проволоки диаметром 0,65 мм и

1225

1226

АГЕЕВ, РЫБИН

Сигналы с датчика и терморезистора поступа-

ли через согласующее устройство на звуковую

карту компьютера, которую использовали в каче-

стве платы сбора данных. Программа обработки

сигнала обеспечивала цифровую частотную

фильтрацию сигнала, демодуляцию, расчет

удельной электропроводности воды, расчет теку-

щей температуры воды и графическое представ-

ление результатов обработки в виде временных

зависимостей [1].

Измерения и регистрацию полученных ре-

зультатов выполняли непрерывно в автоматиче-

ском режиме ежечасно в течение 30 с. Относи-

тельная погрешность измерений величин сигна-

лов определялась качеством аналого-цифрового

преобразователя звуковой карты и составляла

0,001%.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В 2018 г. с использованием трех описанных вы-

ше измерительных комплексов выполнен 21 экс-

Рис. 1. Схема конструкции измерительной кондукто-

перимент длительностью от 4 до 15 суток, в кото-

метрической ячейки (датчика): 1 - штуцер с заглуш-

рых удельную электропроводность воды в датчи-

кой, 2 - полиэтиленовый корпус, 3 - электроды, 4 -

ках измеряли при фиксированных температурах

терморезистор, 5 - теплоизолятор.

воды. На рис. 2а для примера приведена времен-

ная зависимость удельной электропроводности

жестко закреплены вертикально вблизи стенок

воды σ в датчике, а на рис. 2б - временная зави-

цилиндра. Длина погруженной в воду части элек-

симость температуры воды Т в том же датчике, за-

трода составляла около 8 мм, расстояние между

писанные в течение 15-суточного эксперимента в

электродами - около 14 мм.

период 23.09.2018 - 07.10.2018.

Видно, что в течение эксперимента система

Обычно в экспериментах задействовали четы-

стабилизации удерживала температуру воды в

ре одинаковых датчика. Для измерения темпера-

диапазоне 14,3 ± 0,2°С. Результаты измерений

туры воды использовали терморезистор, закреп-

(рис. 2а) демонстрируют вариации электропро-

ленный снаружи на донной стенке датчика. Такое

водности воды с явным суточным периодом. На-

расположение терморезистора обеспечивало тре-

блюдается также недельная периодичность вари-

буемую точность измерения температуры воды,

аций амплитуды суточных колебаний. Подобные

учитывая многосуточную продолжительность

зависимости наблюдались в большинстве выпол-

процесса измерений.

ненных измерений.

В экспериментах использовали дистиллиро-

Невозмущенные значения проводимости ап-

ванную воду с удельной электропроводностью

проксимировали кубическими сплайнами по ми-

около 1 мкСм/см. Объем воды, заливаемой в дат-

нимальным значениям суточных колебаний. Ре-

чик, составлял 1,5 мл, объем воздуха над поверх-

зультат представлен штриховой линией на

ностью воды - около 10,5 мл.

рис. 2а. Эти значения также периодически изме-

няются, но в гораздо меньшей степени по сравне-

На электроды датчика подавали синусоидаль-

нию с суточными изменениями.

ное напряжение (опорные сигналы) амплитудой

Наибольшее внимание на данном этапе иссле-

0,2 В и частотой 100 Гц. Опорные сигналы фор-

дований было уделено суточным вариациям про-

мировали программным генератором в персо-

водимости. На рис. 3 экспериментальные данные

нальном компьютере и подавали на электроды

представлены в виде временной зависимости ва-

через согласующее устройство с выхода звуковой

риаций удельной проводимости воды Δσ, рассчи-

карты. Эти напряжения поддерживали на датчи-

танных как прирост проводимости относительно

ках в течение всего времени эксперимента. В ра-

ее невозмущенного значения, т. е. отношение

боте [1] приведен расчет энергетического вклада

значений, представленных на рис. 2а сплошной

опорных сигналов в результаты измерений и по-

линией, к значениям, представленным пунктир-

казано, что он пренебрежимо мал. Это в еще

ной линией.

большей мере относится к описываемым экспе-

риментам, поскольку в них для измерений ис-

Видно, что рост проводимости обычно начи-

пользовали опорные сигналы, в 2,5 раза меньшие

нается утром, в 9-12 ч по местному времени.

по амплитуде.

Максимальное значение проводимости прихо-

БИОФИЗИКА том 64

№ 6

2019

ВАРИАЦИИ ПОДВИЖНОСТИ ПРОТОНОВ

1227

Рис. 2. Временные зависимости удельной электропроводности воды (кривая 1) и температуры воды (кривая 2) в дат-

чике за период 23.09.2018 г. - 07.10.2018 г.

дится на 17-20 ч, после чего начинается спад.

по нескольким (трем-четырем) суточным перио-

Указанные времена минимумов и максимумов

дам. Для сравнения интенсивности вариаций, от-

вариаций наблюдаются наиболее часто, но в не-

носящихся к различной температуре, каждое из-

которых измерениях фаза колебаний может зна-

мерение проводили одновременно на нескольких

чительно измениться. На рис. 3 видно, что фазы

датчиках, один из которых находился в термоста-

вариаций меняются также в выходные дни, при-

те при температуре 15°С, а в остальных поддержи-

чем резко уменьшается их амплитуда.

вали необходимую температуру из указанного

выше диапазона. По результатам таких измере-

Измерения, подобные представленному вы-

ний была построена зависимость от температуры

ше, были выполнены для различных значений

отношения интенсивности вариации (при соот-

температуры воды в диапазоне от 3 до 45°С (в со-

ветствующей температуре) к интенсивности ва-

ответствии с возможностями аппаратуры). Было

риации при 15°С.

обнаружено, что амплитуда вариаций (10-15% на

рис. 3) зависит от температуры и кроме этого

Зависимость представлена на рис. 4, где точка-

обычно меняется каждый день. Поэтому в каче-

ми обозначены результаты отдельных измерений,

стве параметра, характеризующего интенсив-

пунктирной линией - аппроксимация данных

ность вариаций в данный период времени, при-

кривой. Видно, что с ростом температуры воды

нимали среднее интегральное значение вариации

интенсивность вариаций электропроводности

Рис. 3. Вариации удельной электропроводности воды.

БИОФИЗИКА том 64

№ 6

2019

1228

АГЕЕВ, РЫБИН

ции проводимости связаны с изменением по-

движности протонов. Отметим также, что, по

мнению авторов работы [4], «… другие первичные

компоненты воздуха не образуют ионные виды и

не влияют на проводимость воды…».

Аномально высокая подвижность протона

связана со структурными особенностями воды и

характером движения протона по цепочкам водо-

родных связей. Этот вопрос, обсуждаемый на

протяжении более двухсот лет, окончательно не

решен до сих пор [5]. Последние исследования

показывают, что структура воды неоднородна, и

число водородных связей молекулы в среднем

значительно меньше, чем предполагалось ранее в

модели непрерывной сетки. В настоящее время

большинство исследователей склоняется к моде-

ли, рассматривающей воду как систему, в кото-

Рис. 4. Зависимость интенсивности вариаций удель-

рой находится флуктуирующая смесь кластеров

ной электропроводности воды от ее температуры.

двух различных типов: в одном из них молекулы

связаны друг с другом как во льду (LDW, кластеры

малой плотности, «мерцающие кластеры», «рых-

воды уменьшается (со скоростью около 2,2%/°С

лая вода»), в другом - водородные связи частично

на участке кривой 25-45°С), и вариации практи-

нарушены (HDW, «плотная вода») [6,7]. При этом

чески исчезают при температуре выше 45°С.

относительно большим временем жизни облада-

ют льдоподобные кластеры, по крайней мере оно

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

больше времени перехода протона по водородной

Вариации электропроводности воды связаны с

связи - ~10-12 с. Маловероятно, чтобы быстро

действием некоторого внешнего фактора. Резуль-

распадающиеся кластеры «плотной воды», равно

таты предыдущей работы свидетельствуют в

как и кластеры на основе отрицательно заряжен-

пользу его космофизического происхождения

ных ионов гидроксила и ионов кислотного остат-

[2,3], однако нельзя исключать также техноген-

ка существенно влияли на подвижность протонов

ный характер действия этого фактора. Тот факт,

воды. Поэтому логично предположить, что по-

что эти вариации наблюдаются только при малых

движность протонов обусловлена концентрацией

скоростях изменения температуры воды

и свойствами долгоживущих льдоподобных кла-

(dT/dt < 0,1К/ч, [1]) и уже сравнительно неболь-

стеров.

шое увеличение этой скорости разрушает эф-

Мы полагаем, что суточные вариации электро-

фект, позволяет предположить, что энергетиче-

проводности воды, показанные на рис. 3, т. е. су-

ские параметры этого фактора весьма незначи-

точные вариации подвижности протонов, обу-

тельны и его воздействие не может существенно

словлены изменением условий реализации меха-

повлиять на такие энергозатратные процессы,

низма Гротгуса (Цунделя) под действием

как диссоциация молекул. Поэтому логично

неизвестного внешнего фактора. Очевидно, в

предположить, что в условиях существенной ста-

условиях значительной неопределенности струк-

билизации температуры воды стабилен ее ион-

турного состава воды и свойств ее компонентов

ный состав, и показанные на рис. 3 вариации

возможны различные предположения, объясня-

электропроводности обусловлены исключитель-

ющие наблюдаемые вариации. Можно предполо-

но изменением подвижности носителей заряда.

жить, например, что вариации подвижности свя-

В электропроводность дистиллированной во-

заны с изменением концентрации кластеров, с

ды, находящейся в контакте с воздухом, основ-

изменением времени перемещения протона по

ной вклад вносят ионы водорода, ионы гидрокси-

водородным связям, с временем распада неустой-

ла и ионы кислотного остатка угольной кислоты

чивого кластера и др. В любом случае в суточных

[4]. При этом в рассматриваемом диапазоне тем-

вариациях подвижности протонов воды наблюда-

ператур концентрация ионов водорода практиче-

ется период роста ее значений над и без того ано-

ски совпадает с концентрацией ионов кислотного

мально высокими (~325 см²/(В · с)) значениями,

остатка, но подвижность последних в несколько

и следующий за ним период восстановления ис-

раз меньше. Подвижность протонов сопоставима

ходных значений (период релаксации).

с подвижностью ионов гидроксила, однако кон-

центрация ионов гидроксила пренебрежимо ма-

Существует достаточно обоснованное мнение,

ла. Таким образом, электропроводность воды

что кластеры двух упомянутых видов - «рыхлой

определяется в основном концентрацией и по-

воды» и «плотной воды» - находятся в динамиче-

движностью протонов, а рассматриваемые вариа-

ском равновесии, которое определяется тепло-

БИОФИЗИКА том 64

№ 6

2019

ВАРИАЦИИ ПОДВИЖНОСТИ ПРОТОНОВ

1229

вым движением молекул, при этом доля льдопо-

ность этих вариаций уменьшается, предположи-

добных структур увеличивается с понижением

тельно по причине существенного изменения

температуры [7,8]. Из экспериментальных дан-

структурного состава воды.

ных, приведенных на рис. 4, видно, что с ростом

Высказано предположение, что зафиксиро-

температуры уменьшается интенсивность вариа-

ванные суточные вариации электропроводности

ций подвижности протонов воды. При этом доля

дистиллированной воды обусловлены ростом/па-

кластеров «рыхлой воды» в структурном составе

дением подвижности протонов вследствие суточ-

воды также уменьшается, что позволяет предпо-

ных структурных вариаций воды. В свою очередь,

ложить ведущую роль этих кластеров в формиро-

периодическая перестройка структур воды вызва-

вании суточных вариаций подвижности про-

на действием неизвестного внешнего фактора.

тонов.

Наиболее сложно предложить гипотезу, объ-

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

ясняющую наблюдаемый на рис. 3 «эффект вы-

Авторы заявляют об отсутствии конфликта

ходного дня» - уменьшение амплитуды вариаций

интересов.

подвижности протонов и изменение фазы этих

вариаций в субботние и воскресные дни недели.

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

Этот эффект регулярно наблюдается в наших экс-

Настоящая работа не содержит описания ка-

периментах, начиная с 2014 г. [2]. Вместе с тем по-

ких-либо исследований с использованием людей

хожие эффекты отмечены исследователями в

и животных в качестве объектов.

циклической активности магнитосферных волн и

в глобальной сейсмической активности [9]. Веро-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ятно наблюдаемый «эффект выходного дня» обу-

1. И. М. Агеев, Ю. М. Рыбин и Г. Г. Шишкин, Вестн.

словлен свойствами указанного выше неизвест-

МГУ. Сер. 3. Физика. Астрономия, № 6, 54 (2016).

ного внешнего фактора, вызывающего суточные

2. И. М. Агеев, Ю. М. Рыбин и Г. Г. Шишкин, Био-

вариации подвижности протонов воды.

физика 63 (2), 382 (2018).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

3. И. М. Агеев, Г. Г. Шишкин, М. Д. Бубнова и Ю. М.

Рыбин, в сб. Научные труды VI Международного

Разработана и изготовлена эксперименталь-

конгресса «Слабые и сверхслабые поля и излучения в

ная установка, обеспечивающая возможность из-

биологии и медицине» (СПб, 2012), C. 2, www.bio-

мерения электропроводности дистиллированной

phys.ru/archive/congress2012/proc-p2.pdf.

воды в процессе длительных экспериментов при

4. T. S. Light, E. A. Kingman, and A. C. Bevilacqua, in

фиксированной температуре воды в диапазоне

Paper presented at the 209th American Chemical Society

температур от 3 до 45°С с точностью стабилиза-

National Meeting (Anaheim, CA, 1995).

ции температуры не хуже ± 1,5%.

5. H. Chen, G. A. Voth, and N. Agmon, J. Phys. Chem. B

Экспериментально получена временная зави-

114, 333 (2010).

симость суточных вариаций подвижности прото-

6. С. Д. Захаров и И. В. Мосягина, Кластерная струк-

нов воды за двухнедельный период времени с

тура воды (обзор) (ФИАН, М., 2011).

максимальным приростом подвижности относи-

7. C. Huang, R. T. Wikfeldt, T. Tokushima, et al., Proc.

тельно исходных значений более 15%.

Natl. Acad. Sci. USA 106 (36), 15214 (2009).

Экспериментально получена зависимость ин-

8. С. М. Першин, www.biophys.ru/archive/congress2009/

тенсивности суточных вариаций подвижности

pro-p71.htm.

протонов воды от ее температуры. Показано, что

9. А. В. Гульельми, Успехи физ. наук 177 (12), 1257

с ростом температуры воды выше 15°С интенсив-

(2007).

Variations of Proton Mobility in Distilled Water

I.M. Ageev and Yu.M. Rybin

Moscow Aviation Institute (National Research University),

Volokolamskoe shosse 4, Moscow, GSP-3, A-80, 125993 Russia

The paper presents experimental studies of variations in electrical conductivity of distilled water by keeping

the water temperature at fixed values. It is shown that when concentration of major ions in water remains con-

stant, the daily variations in proton mobility are observed, the coefficient of variation was 15%. The depen-

dence of the amplitude of these variations on the values of water temperature was revealed. Possible mecha-

nisms that may help to explain the identified effects are discussed.

Keywords: specific electrical conductivity of water, temperature stabilization, ion concentration, proton mobility in

water

БИОФИЗИКА том 64

№ 6

2019