Hydrobiologie pro terrestrické biology
• Téma 4:
Voda jako životní prostředí – fyzikální a chemické vlastnosti obecně
voda jako životní prostředí : Fyzikální a chemické vlastnosti vody určují životní podmínky organismů Vlastnosti vody jsou důsledkem její molekulární struktury : vazby atomů vodíku tvoří úhel cca 105° - proto je molekula silně bipolární - molekuly vytvářejí shluky - rozpouštějí jiné látky
fyzikální vlastnosti vody: • bipolární molekuly vody vytvářejí mezi sebou vodíkové můstky • tím vznikají shluky (clusters) molekul • shluky jsou dynamické struktury, stále vznikají a zanikají, jejich velikost lze popsat pouze statisticky • v kapalné vodě průměrný počet molekul ve shluku roste s klesající teplotou : - při 0°C je 65, p ři 100°C je jen 12 molekul
fyzikální vlastnosti vody: • bipolární molekuly vody vytvářejí mezi sebou vodíkové můstky • tím vznikají shluky (clusters) molekul • shluky jsou dynamické struktury, stále vznikají a zanikají, jejich velikost lze popsat pouze statisticky • v kapalné vodě průměrný počet molekul ve shluku roste s teplotou : - při 0°C je 65, p ři 100°C je jen 12 molekul
fyzikální vlastnosti ledu: • zcela jiná je struktura ledu : • při ztuhnutí se molekuly vody řadí do mřížky, ve které je každý atom O obklopen čtyřmi atomy H v podobě čtyřstěnu • tato krystalická mřížka má široké rozestupy • proto má led menší hustotu než voda při 0°C asi o 8,5 % - led pluje na vodě
fyzikální vlastnosti vody: Hustotní anomálie vody • je s hlediska existence života ve vodách asi nejdůležitější vlastností vody - v čem spočívá ?
• voda má největší hustotu při cca 4°C (přesněji při 3,94°C má hustotu právě 1,0) • jak k tomu dochází ?
• je to výsledek dvou protichůdných teplotních závislostí struktury kapalné vody
Teplotní anomálie vody :
• s rostoucí teplotou od 0°C do 100°C se zmenšuje velikost shluků molekul • menší shluky se lépe „naskládají“ do prostoru, jsou hustší – hustota vody roste • současně se ale s rostoucí teplotou voda roztahuje, molekuly zaujímají větší prostor • tato teplotní expanse při cca 4°C právě kompensuje rostoucí hustotu shluků • výsledkem je maximální hustota při 4°C
fyzikální vlastnosti vody: • proto při ochlazení pod 4°C se ochlazená voda drží na povrchu vodního biotopu, voda v hlubších vrstvách zůstává teplejší s teplotou bližší těmto 4°C • posléze se na hladině vytvoří led, který pluje na vodě, zůstane na povrchu a navíc isoluje vodu pod sebou před další ztrátou tepla • dostatečně hluboký vodní biotop nemůže promrznout až ke dnu
fyzikální vlastnosti vody: • Teplota, při které má voda maximální hustotu (4°C), se snižuje :
- s rostoucí koncentrací rozpuštěných látek : to je prakticky zanedbatelné ve „sladkých“ vodách, ale podstatné v moři – tam anomálie neplatí, hustota roste s klesající teplotou
- s rostoucím tlakem v hloubce : - asi o 0,1°C na každý 1 MPa, tedy u dna hlubokých jezer nemůže být teplota 4°C
fyzikální vlastnosti vody: • Ekologickými důsledky hustotní anomálie vody se zabývá téma 5 : Teplota a důsledky • Zvláštní charakter vody v kapalném skupenství má ještě další důsledky:
- vysoké specifické teplo - špatnou vodivost tepla - vysoké povrchové napětí - vysokou viskositu s důsledky pro pohyb částic vody i pohyb objektů ve vodě
fyzikální vlastnosti vody: vysoké specifické teplo vody : - při 15°C je třeba 4,82 kJ k ohřátí 1 kg vody o 1°C důsledek : voda pomalu přijímá i vydává teplo, „skladuje“ v sobě množství tepla a zpomaluje změny teploty v okolí vodních biotopů
špatná vodivost tepla : teplo jen velmi pomalu proniká do vody difusí, transport tepla zajišťují vítr a vodní proudění
fyzikální vlastnosti vody: • Povrchové napětí : • voda má vysoké povrchové napětí (jen Hg má vyšší) • je ovlivňováno teplotou a znečisťujícími látkami (povrchově aktivní látky, detergenty) • povrchové napětí se uplatňuje na rozhraní mezi vodou a jiným prostředím, zejména vzduchem • hladina vody vytváří povrch, který je pro některé organismy bariérou • pro jiné prostředím, ve kterém nebo na kterém se pohybují ....neuston, pleuston - viz později
neuston a pleuston • neuston jsou organismy žijící přímo v povrchové blance, obvykle mikroskopické velmi malých rozměrů – řasy Chromulina, některá Euglena, bičíkovci
• pleuston jsou organismy (obvykle o něco málo větší), které využívají povrchové napětí hladiny k pohybu tím, že buď běhají po hladině (vodoměrky, brouci vírníci Gyrinus – neplést s vířníky) nebo se zavěšují na hladinu s její spodní strany – některé perloočky (Scapholeberis, Megafenestra)
organismy neustonu
fyzikální vlastnosti vody: povrchové napětí • Na částice vody působí nejen síly kohese (navzájem drží pospolu), ale také síly adhese, které je přitahují k povrchu ponořených objektů.
• Převládne-li adhese nad kohesí, je povrch objektu hydrofilní = smočitelný. • Převládá-li kohese nad adhesí, je povrch objektu nesmočitelný = hydrofobní. • Mnoho vodních organismů má povrch nesmočitelný : fyzikální dýchání.
fyzikální vlastnosti vody: povrchové napětí • Mnoho vodních organismů má povrch nesmočitelný : fyzikální dýchání. • rozdíly ve smočitelnosti povrchu různých organismů jsou i mezi skupinami planktonních živočichů (korýšů) • jemné struktury na povrchu → nesmočitelnost • důsledkem je pak rozdílná míra přisedání epizootických organismů (= nárostů na povrchu těla – prvoků, epizootických řas)
fyzikální vlastnosti vody: viskozita • Viskozita : • výsledkem vzájemné přitažlivosti molekul vody a tvorby shluků je „vnitřní tření“ při pohybu vody, dynamická viskozita µ [kg.m-1.s-1 = Pa.s] • voda má sice relativně nízkou viskozitu, ale ta je teplotně závislá (a také závislá na koncentraci rozpuštěných látek – ve „sladkých“ vodách zanedbatelně) : při 0°C 1,8 . 10-3 Pa.s, při 20°C jen 1 . 10-3 Pa.s - teplejší voda je „tekutější“
fyzikální vlastnosti vody: viskozita
• dynamická viskozita je mírou toho, jak silně jsou pohybující se „shluky“ částic kapaliny ve svém pohybu synchronizovány s ostatními shluky • pro výpočty se používá kinematická viskozita, což je poměr dynamické viskozity a hustoty
ν=µ/δ
[m-2.s-1] - hustota je mírou hmotnosti „shluků“ a tedy při pohybu mírou jejich setrvačnosti - poměr je mírou schopnosti překonávat nepravidelnosti pohybu shluků
fyzikální vlastnosti vody: viskozita • Biologické důsledky viskozity vody : - ve srovnání s ovzduším je voda husté prostředí – klade odpor pohybu
- omezuje aktivní pohyb - brání pasivní sedimentaci - ovlivňuje filtraci potravních částic - ovlivňuje uchycování v tekoucí vodě - ovlivňuje i šíření tepla
fyzikální vlastnosti vody: proudění • Proudění : • pohyb částic vody se může dít po rovnoběžných drahách shodnou rychlostí = proudění
laminární • nebo se mohou jednotlivé částice pohybovat navzájem nepravidelně po různých drahách různě rychle, i když celá vodní masa se pohybuje vpřed jedním směrem = proudění
turbulentní
fyzikální vlastnosti vody: proudění • Laminární proudění je důsledkem viskozity – těsně se přitahující částice viskosní kapaliny se pohybují synchronně • při turbulentním proudění převládá setrvačnost částic nad viskozitou • poměr sil setrvačnosti a viskozity je vyjádřen bezrozměrným Reynoldsovým číslem Re
Re = δ . U . l / µ = U . l / ν , kde U je rychlost [m.s-1 ], l [m] je délkový rozměru objektu (např. částice, průměr potrubí)
fyzikální vlastnosti vody: proudění • Převládají-li síly viskozity, proudění vody (proudění kolem organismu) je laminární a Reynoldsovo číslo je malé • Převládají-li síly setrvačnosti, proudění ve vodě (nebo kolem plujícího organismu) je turbulentní a hodnoty Reynoldsova čísla jsou větší než cca 500 až 2000
• Drobné pomalé organismy žijí za nízkých hodnot Re • Velké a rychlé organismy žijí v prostředí turbulentním za vysokých hodnot Re
Život za nízkých Re: vířník Brachionus
Život za nízkých Re: perloočka Daphnia
Život za vysokých Re: plejtvák myšok
Život za vysokých Re: Pstruh Salmo trutta
Příklady dosahovaných hodnot Reynoldsova čísla : • • • • •
plující velryba, Re plující pstruh prchající zooplankton plující prvok brvy filtračního aparátu planktonu
109 105 102 10-1 10-3
Voda jako životní prostředí : Fyzikální a chemické vlastnosti vody určují životní podmínky organismů : - ve srovnání s ovzduším je voda husté prostředí 1) velká hustota umožňuje vznášení se bez výdajů energie a bez opěrných struktur = existence planktonních organismů 2) velká hustota umožňuje existenci velmi hmotných organismů, jaké by na souši neměly dostatečnou opěrnou soustavu
