1.3 Eiginleikar vatns og sjávar

Vatn (H2O) er eina náttúrulega efnið á jörðinni sem finnst í öllum þremur fösum: frosið (ís), fljótandi (vatn) og sem lofttegund (vatnsgufa). Vatn er nauðsynlegt öllu lífi, eins og við þekkjum það. Frumur eru að miklu leyti vatn, eða um 70%. Vatn er skautuð sameind og myndar svokölluð vetnistengi. Vatn hefur marga mikilvæga eiginleika sem við skoðum nú nánar.

Vatn er góður leysir

Vatn er skautað efni (vetnisjónirnar eru plúshlaðnar og súrefnisjónirnar mínushlaðnar). Mörg efni leysast því vel í vatni. Til dæmis leysast sölt og næringarefni mjög vel í vatni. Efnaskipti geta átt sér stað mun hraðar í frumum en ella vegna þess að efnin eru á uppleystu formi í vatnslausn frumanna. Þannig geta lífverur brugðist hraðar við umhverfisaðstæðum. Sjórinn er einmitt vatn með uppleystum söltum og er meðalselta sjávar 35‰ (þ.e. 35 kg af söltum á hver 1000 kg af sjó). Söltin hafa borist til sjávar vegna veðrunar á bergi og uppleysingar eldgosagufa. Selta sjávar er breytileg frá einum stað til annars. Mismuninn má rekja til ýmissa þátta s.s. uppgufunar, úrkomu og ferskvatnsaðstreymis. Uppgufun er mismikil og fer eftir hitastigi sjávar og vindum. Þar sem uppgufun er mikil er selta alla jafna hærri. Lægra saltmagn er að finna þar sem ár og úrkoma bæta við miklu ferskvatni. Atlantshafið er til að mynda saltara en Kyrrahafið þar sem meiri úrkoma fellur í Kyrrahafið. Bráðnun og myndun íss hefur áhrif á saltmagn heimskautasvæða.

video

Myndband 1.2. Selta sjávar. Ljósir litir benda til meira saltmagns en dökkir til minna saltmagns. Sjá má að Atlantshafið er saltara en Kyrrahafið. Takið einnig eftir minna saltmagni við ósa stórra fljóta.

Samloðun og viðloðun

Í vökvum eru að verki sameindakraftar sem koma fram sem samloðunarkraftar inni í vökvanum en sem viðloðunarkraftar í yfirborði hans. Hinir fyrrnefndu valda seigju, hinir síðarnefndu yfirborðsspennu. Seigjan er mikilvæg fyrir möguleika svifs til að haldast í yfirborðslögum. Seigja vex lítillega með vaxandi seltu en minnkar talsvert með hækkandi hita. Því er erfiðara fyrir svif að haldast í yfirborðslögum hlýrri sjávar. Svifið vill auðvitað vera í yfirborðslögunum því þar skín sólin og plöntusvif nýtir sólargeislana til ljóstillífunar. Því meira yfirborð sem svifið hefur miðað við rúmmál því meiri mótstöðu veitir það og sekkur þá síður. Þess vegna hefur svif á hitabeltsisvæðum fleiri anga og svifhár (fallhlífaráhrif) en svif á kaldari svæðum. Samloðunar- og viðloðunareiginleikar vatns eru einnig  lífeðlisfræðilega mikilvægir fyrir lífverur. Æðakerfið í dýrum og háræðakerfið í plöntum er að mestu fyllt með vatni (blóðið okkar er að miklu leyti vatn). Vegna samloðunar og viðloðunar getur vatn flutt næringarefni og úrgangsefni bæði í dýrum og plöntum.

Þar sem vatnssameindir á yfirborði laðast sterkar að hvor annarri en að loftinu fyrir ofan þær myndast yfirborðsspenna. Sameindirnar í yfirborðinu togast því inn á við, yfirborðið verður eins og sveigjanleg himna og fær tilhneigingu til að dragast saman. Þess vegna geta t.d. sum skordýr gengið á vatni. Yfirborðsspenna eykst með vaxandi seltu, en minnkar með hækkandi hitastigi og með vaxandi mengun. Yfirborðsspenna á svæðum þar sem mengun er mjög mikil er oft talsvert lægri en reiknuð gildi miðað við hitastig og seltu.

Varmarýmd

Vatn hefur mikla varmarýmd, sem þýðir að vatn getur dregið í sig mikinn varma án þess að skipta um fasa og verða að gufu. Þessi eiginleiki vatns temprar hitastig stöðuvatna og sjávar, en er einnig mikilvægt lífeðlisfræðilega fyrir lífverur. Þar sem hitabreytingar í vatni gerast hægt er auðveldara fyrir lífverur sem þar lifa að halda sínu innra hitastigi.

Varmaeiginleikar sjávar eru mjög hagstæðir fyrir líf á jörðinni. Hafflöturinn endurkastar aðeins litlu broti af orkunni sem ljósgeislarnir varpa á hann en drekkur stóran hluta orkunnar í sig, dreifir henni með blöndun um þykkt sjávarlag og hitar svo andrúmsloftið þegar það er kaldara en sjórinn. Sjór hefur miklu meiri eðlisvarma en andrúmsloft og jarðvegur sem því hitna örar en hafið. Aftur á móti kólnar sjórinn miklu hægar en landið og loftið. Sjórinn drekkur því mikinn varma í sig á sumrin án þess að hitna mikið og skilar honum svo aftur á veturna. Mismunurinn á meginlandsloftslagi og úthafsloftslagi stafar af þessu. Hitasveiflur við sjóinn eru talsvert minni en lengra inni í landi.

Varmaeiginleikar sjávar breytast hins vegar mikið ef hitastig sjávarborðsins lækkar niður í frostmark og frekara varmatap leiðir til ísmyndunar. Þá taka varmaeiginleikarnir mjög óhagstæða stefnu. Sjávarís verður fljótlega gráhvítur vegna loftbóla í ísnum og endurkastar meira en helmingi af ljósorkunni sem á hann fellur. Sé hann þakinn snjó eða hrími getur endurkastið numið meira en 80% af ljósorkunni. Endurkast frá ís eða snjó getur verið næstum 100%. Sólargeislarnir skila því ekki lengur neinni umframorku eins og þeir gera yfir opnu hafi, heldur verður orkutap, og ísyfirborðið heldur áfram að kólna. Afleiðing ísmyndunar er því lækkun á hitastigi íssins og ör vöxtur hans. Loftið, sem kemst í snertingu við ísinn, kólnar og þegar kalt loftið dreifist myndast meiri ís. Því getur smávægileg lækkun á hitastigi sjávar á íshafssvæðunum niður að frostmarki þannig að ís nái að myndast, valdið skjótri lækkun lofthitans og örri útbreiðslu íssvæðanna. Aftur á móti getur lítilsháttar hækkun á hita þess lofts, sem streymir til hafíssvæðanna, leitt til ísbráðnunar við jaðar íssins, og þegar bráðnunin er einu sinni hafin, getur hún haldið hratt áfram. Þetta stafar af því, að þegar ísinn tekur að bráðna breytast yfirborðseiginleikar hans þannig að endurskinshæfni hans snarminnkar. Þetta á sér stað á vorin þegar loftið hitnar á hafíssvæðunum og leiðir til ótrúlega skjótrar ísbráðnunar.

Mynd 1.3. Þegar bráðnun íss er hafin á hafíssvæðum getur hún haldið hratt áfram.

Eðlisþyngdarbreytingar

Eðli flestra efna er að dragast saman við kælingu en þenjast út þegar þau hitna. Þetta á hins vegar ekki alveg við um vatn í fljótandi ástandi. Vatnsdropinn er minnstur – og eðlisþyngd hans þar með mest – þegar hitastig hans er 4°C en ekki 0°C eins og búast mætti við. Vatn þenst út þegar það hitnar umfram 4°C, en vatn þenst líka út þegar það frýs. Þess vegna flýtur ís á vatni og stöðuvötn botnfrjósa síður. Við hátt hitastig eru áhrif hitabreytinga á varmaþenslu, og þar með eðlisþyngd, meiri en við lágt hitastig og nálægt frostmarki sjávar breytist eðlisþyngdin lítið þótt hiti hækki eða lækki. Sé hitinn hins vegar kominn upp fyrir 20°C hefur smávægileg hitabreyting talsverð áhrif á eðlisþyngdina. Á norðlægum slóðum, þar sem sjórinn er kaldur, ráða seltubreytingar mestu um eðlisþyngdina, en á heitum hafsvæðum er það hitinn sem mestu ræður.

Hin óvenjulega hegðun ferskvatns, sem hefur eðlisþyngdarhámark við 4°C, breytist verulega þegar bætt er í það söltum. Þegar seltan er 0 verður hámarkseðlisþyngdin við 4°C og frostmarkið er 0°C – hitastig hámarkseðlisþyngdar er því fyrir ofan frostmarkið. Eftir því sem seltan vex, nálgast hitastig við hámarkseðlisþyngd og frostmarkið hvort annað. Þegar seltan er 24,7‰ er hámarkseðlisþyngd við sama hitastig og frostmarkið, eða -1,4°C. Við seltuna 24,7‰ liggja mörkin milli dæmigerðra eiginleika ferskvatns og sjávar. Í fersku vatni, t.d. við 7°C (eða sjó með seltu undir 24,7‰) vex eðlisþyngd við kælingu. Þegar ferskvatn kólnar við yfirborð fer fram lóðrétt blöndun (yfirborðsvatnið sekkur) þar til komið er niður fyrir 4°C því þá fer vatnið að léttast aftur (eðlisþyngdin minnkar). Yfirborðsvatn sekkur þá ekki lengur og lóðrétta blöndunin hættir. Frekari kæling nær því aðeins til þunns yfirborðslags sem getur frosið á skömmum tíma sé lofthiti nægilega lágur. Í miklum frostum myndu alldjúp stöðuvötn botnfrjósa ef eðlisþyngd vatnsins ykist sífellt við áframhaldandi kælingu. Þar sem eðlisþyngd er mest nálægt 4°C hefur botnvatn djúpra stöðuvatna oft það hitastig og áframhaldandi kæling nær aðeins til yfirborðslagsins sem verður eðlisléttara og blandast því ekki vatninu fyrir neðan. Blöndun vegna hvassviðris getur þó leitt til þess að stöðuvötn kólni niður á talsvert dýpi.

Í sjó verður blöndunarferlið allt annað. Frostmark sjávar (selta: 35‰) er -1,9°C en hámarkseðlisþyngd er við -3,5°C. Eðlisþyngdin eykst því þótt komið sé niður fyrir frostmark. Sé sjórinn einsleitur gerir áframhaldandi kæling hann þyngri og lóðrétt blöndun heldur sífellt áfram, þ.e. kaldi yfirborðssjórinn sekkur og kælir sjóinn niður á meira dýpi. Við slíkar aðstæður frýs sjórinn því ekki fyrr en öll vökvasúlan er komin niður í frostmark. Á hafi úti yrði þá kælingin víða að ná niður á mikið dýpi og geysilegt sjávarmagn að kólna áður en sjórinn frysi. Kæling sjávar verður því allajafna mjög hægfara og úthöfin frjósa ekki svo auðveldlega jafnvel þótt frosthörkur standi í langan tíma. Að þessu leyti má segja að reginmunur sé á hegðun ferksvatns og sjávar. En nú eru auðvitað mörg dæmi þess að ís myndist á hafinu. Þegar það á sér stað er venjulega um lagskiptan sjó að ræða, þar sem seltuminni og eðlisléttari yfirborðssjór flýtur ofan á saltari og þyngri sjó. Ef mismunur á eðlisþyngd sjávarlaganna er nægilega mikill, nær lóðrétta blöndunin, sem kælingin á yfirborði veldur, aðeins niður að skilum sjávarlaganna. Við slíkar aðstæður kólnar yfirborðslagið á skömmum tíma og ís getur auðveldlega myndast.