ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΝΕΡΟΥ

Συνένωση των μορίων νερού με δεσμούς υδρογόνου Οι ισχυροί αυτοί δεσμοί ηλεκτροστατικής φύσης οι δεσμοί υδρογόνου, που αναπτύσσονται ανάμεσα στα μόρια του νερού επιδρούν σημαντικά στις φυσικές και χημικές ιδιότητες του νερού. Συνένωση των μορίων νερού με δεσμούς υδρογόνου

Πυκνότητα (Density)

Διαστρωμάτωση των υδάτων (θερμική στρωμάτωση)  

θερμική στρωμάτωση Η θερμοκρασία του νερού των λιμνών παρουσιάζει σημαντικές εποχιακές διακυμάνσεις. Τον χειμώνα, με την προϋπόθεση ότι η λίμνη δεν παγώνει, η θερμοκρασία του νερού είναι σχεδόν σταθερή σε όλο το βάθος. Με την άνοδο της θερμοκρασίας η σχέση πυκνότητας-θερμοκρασίας του νερού και το γεγονός ότι το νερό είναι μάλλον κακός αγωγός της θερμότητας, έχουν ως αποτέλεσμα το σχηματισμό στρωμάτων (θερμική στρωματοποίηση). Κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, το επιφανειακό στρώμα θερμαίνεται από την ηλιακή ακτινοβολία. Επειδή δε είναι ελαφρύτερο σχηματίζει ένα επιφανειακό στρώμα, το επιλήμνιο (epilimnion), πάνω από το στρώμα του πυθμένα που ονομάζεται υπολήμνιο (hypolimnion).

θερμική στρωμάτωση Το στρώμα που βρίσκεται ανάμεσα στο επιλήμνιο και υπολήμνιο ονομάζεται μεταλήμνιο ή θερμοκλινές (metalimnio-thermocline). Όταν υπάρχει σημαντική διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στα δυο στρώματα αυτά δεν αναμιγνύονται μεταξύ τους και χαρακτηρίζονται από διαφορετικές χημικές και βιολογικές δράσεις. Με την πτώση της θερμοκρασίας το φθινόπωρο το επιφανειακό στρώμα ψύχεται, αποκτά μεγαλύτερη πυκνότητα, αναμιγνύεται με το κατώτερο στρώμα και η θερμική στρωμάτωση εξαφανίζεται. Η ανάμιξη των στρωμάτων ονομάζεται αναστροφή (overturn). Αναστροφή συμβαίνει και τη άνοιξη.

θερμική στρωμάτωση Κατά τη διάρκεια του χειμώνα παρατηρείται η χειμερινή στρωμάτωση, (winter stratification) όταν σε ορισμένες περιπτώσεις δημιουργείται στρώμα πάγου και η ζώνη των 4οC. Την άνοιξη με την άνοδο της θερμοκρασίας του επιφανειακού στρώματος ακολουθεί η εαρινή αναστροφή.

Χαρακτηριστικές μορφές στοιχείων σε στρωματοποιημένη λίμνη Χαρακτηριστικές μορφές στοιχείων σε στρωματοποιημένη λίμνη. Οι συνθήκες στο επιλήμνιο είναι αερόβιες και τα στοιχεία βρίσκονται στην πιο οξειδωμένη τους μορφή, ενώ κοντά στον πυθμένα, όπου επικρατούν αναερόβιες συνθήκες τα στοιχεία βρίσκονται με την πιο ανηγμένη τους μορφή.

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΝΕΡΟΥ Σημείο ζέσης και τήξης Θερμοχωρητικότητα Λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης Διαλυτική συμπεριφορά

Boiling point 100 oC Melting point 0 oC Το νερό (Η20), με μοριακή μάζα 18, έχει υψηλότερο σημείο ζέσης από ενώσεις όπως H2S, H2Se και H2Te, ενώ θα έπρεπε να είναι πολύ περισσότερο πτητικό από αυτές τις ενώσεις με μεγαλύτερες μοριακές μάζες (34, 81 και 130 αντίστοιχα), αφού το O, S, Se και Te ανήκουν στην ίδια ομάδα, την VI, του περιοδικού συστήματος. Λόγω της μεγάλης διαφοράς μεταξύ του σημείου ζέσεως 100 οC και τήξεως 0 oC το μεγαλύτερο μέρος του νερού στον πλανήτη μας βρίσκεται σε υγρή κατάσταση.

Θερμοχωρητικότητα (το ποσό της θερμότητας που απαιτείται για την ανύψωση της θερμοκρασίας μάζας κατά 1οC Εξαιτίας της ιδιότητας αυτής το νερό θερμαίνεται και ψύχεται με βραδύτερους ρυθμούς από σχεδόν οποιαδήποτε άλλη ένωση. Λόγω της ιδιότητας αυτής το νερό εμποδίζει μεγάλες διακυμάνσεις θερμοκρασίας στη μάζα του, προστατεύοντας έτσι την ύπαρξη ζωής. Επίσης κοντά σε μεγάλες μάζες νερού (λίμνες, θάλασσες, ποτάμια) επικρατούν ήπιες κλιματολογικές συνθήκες. Μπορεί να αιτιολογηθεί από την σύνδεση των μορίων του με δεσμούς υδρογόνου. Για να αυξηθεί η θερμοκρασία του νερού εκτός από την ενέργεια που απαιτείται για την θερμική κίνηση των μορίων, απαιτείται και ενέργεια για την διάσπαση δεσμών υδρογόνου.

Λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης Η λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης του νερού (η θερμότητα που απορροφάται κατά την εξάτμιση σε καθορισμένη θερμοκρασία, το σημείο ζέσης) είναι η μεγαλύτερη από κάθε άλλης ένωσης (είναι υψηλή γιατί κατά τη μετατροπή του νερού σε αέριο καταστρέφονται όλοι οι δεσμοί υδρογόνου) και έχει σημαντική επίδραση στις κλιματολογικές συνθήκες του πλανήτη μας. Κατά την εξάτμιση των επιφανειακών νερών απορροφάται το 30% της ηλιακής ενέργειας που φθάνει στην επιφάνεια της γης. Η ενέργεια αυτή απελευθερώνεται κατά την συμπύκνωση του νερού στην ατμόσφαιρα Έτσι το νερό δρα ρυθμιστικά στη μεταφορά θερμότητας και νερού στην ατμόσφαιρα.

Διαλυτική συμπεριφορά (solvent properties) Το νερό διαλύει τις περισσότερες ενώσεις από οποιοδήποτε άλλο υγρό-κυρίως ιοντικές και πολικές μοριακές ενώσεις Τα κυριότερα διαλυτά άλατα (soluble salts )είναι: τα νιτρικά, NO3- Τα χλωριούχα (Cl-), βρωμιούχα (Br-), ιωδιούχα (I-), εκτός από αυτά του αργύρου (Ag+), του υδραργύρου (Hg+), και του μολύβδου (Pb+2). Τα PbCl2 και PbBr2 είναι λίγο διαλυτά στο κρύο νερό. Τα θειικά (SO42-), εκτός από του BaSO4, PbSO4. Τα CaSO4, Ag2SO4, Hg2SO4 είναι λίγο διαλυτά. Τα οξικά. Όλα τα άλατα του νατρίου (Na+), καλίου (K+), αμμωνίου NH4+).

Διαλυτική συμπεριφορά (solvent properties) Τα κυριότερα αδιάλυτα άλατα είναι: Τα ανθρακικά (CO3-),τα φωσφορικά (PO43-) και τα πυριτικά (SiO44-), εκτός από αυτά των αλκαλίων (Na+, K+) και του αμμωνίου. Πολλά όμως όξινα ανθρακικά και όξινα φωσφορικά άλατα είναι διαλυτά όπως π.χ. Ca(HCO3)2, Ca(H2PO4)2 Τα θειούχα (S2-), εκτός από αυτά των αλκαλίων (Na2S, K2S, κλπ.) των αλκαλικών γαιών (MgS, CaS, BaS), και του αμμωνίου (NH4)2S. Αδιάλυτα είναι επίσης τα υδροξείδια, εκτός από αυτά των αλκαλίων (LiOH, NaOH, KOH), του αμμωνίου (NH4OH) και του βαρίου (BaOH). Λίγο διαλυτά είναι τα Ca(OH)2 και Sr(OH)2.

Tα κυριότερα ιόντα στα νερά: Ca+2, Mg2+, Νa+, Κ+, Cl-, SO4 2-, HCO3-, NO3-

ΦΥΣΙΚΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΝΕΡΟΥ Τα φυσικά νερά ανάλογα με την προέλευση και τη σύστασή τους διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: α) στο θαλάσσιο νερό β) στο νερό της ατμόσφαιρας, στο οποίο περιλαμβάνεται και το νερό της βροχής και του χιονιού. γ) στο νερό των ηπείρων, στο οποίο περιλαμβάνονται τα υπόγεια και τα επιφανειακά νερά, δηλαδή τα νερά των πηγών ποταμών και λιμνών.

Κυριότερες ενώσεις με τις οποίες εμφανίζονται Στοιχείο Συγκέντρωση (mg/L) Κυριότερες ενώσεις με τις οποίες εμφανίζονται C 28 HCO3-, H2CO3, CO32-, οργανικές ενώσεις N 0.5 ΝΟ3-, ΝΟ2-, ΝΗ4+, Ν2(g) O 857,000 H2O, O2(g), SO24- και άλλα ανιόντα F 1.3 F- Ne 0.0001 Ne (g) Na 10,500 Na+ Mg 1,350 Mg2+, MgSO4 Al 0.01 Si 3 Si(OH)4, Si(OH)3O- P 0.07 HPO42-, H2PO4-, PO43-, H3PO4 S 2,700 SO42- Cl 19,000 Cl- K 380 K+ Ca 400 Ca+2, CaSO4 V 0.002 VO2(OH)32- Cr 0.00005 - Mn Mn2+, Mn2SO4 Fe Fe(OH)3 Co 0.0005 Co2+, CoSO4 Ni Ni2+, NiSO4 Cu 0.003 Cu2+, CuSO4 Zn Zn2+, ZnSO4 As HAsO42-, H2AsO-4, H3AsO4 H3AsO3 Br 65 Br- Rb 0.12 Rb+ Sr 8 Sr2+, SrSO4 Ag 0.00004 Cd 0.00011 Cd2+, CdCl+ Sn 0.0008 Ba 0.03 Ba2+, Ba SO4 Au 0.000004 AuCl4- Hg 0.00003 HgCl3- Pb Pb2+, PbSO4

Το Θαλάσσιο Νερό Πυκνότητα θαλάσσιου νερού (1,0243g/cm3 , 20oC) pH θαλάσσιου νερού (7,5-8,4). Αλατότητα (salinity): η συνολική ποσότητα αλάτων σε g σε 1kg θαλάσσιου νερού μετά από εξάτμιση και ξήρανση σε καθορισμένες πειραματικές συνθήκες (32-37g/kg) το 99,9% της συνολικής διαλυμένης μάζας αντιστοιχεί μόνο σε δέκα ιόντα και το βορικό οξύ. Η αναλογία των ιόντων αυτών παραμένει σταθερή, ανεξάρτητα προς τη μεταβολή της ολικής διαλυμένης μάζας.

Τα κυριότερα συστατικά του θαλάσσιου νερού (major constituents of seawater) % σε σχέση με την αλατότητα (34g/kg) Συγκέντρωση σε mg/kg Cl- 55 19.352 SO4-2 7,7 2.707 HCO3- 0,4 0,143 Br- 0,2 0,666 F- 0,003 0,001 H3BO3 0,007 0,027 Na+ 30,6 10.758 Mg2+ 3,7 1.295 Ca2+ 1,2 0,415 K+ 1,1 0,388 Sr2+ 0,03 0,011

Το νερό της ατμόσφαιρας Πολύ αραιό διάλυμα αλάτων, γεγονός που υποδεικνύει την αξιοσημείωτη δυνατότητα της φυσικής απόσταξης -της παραγωγής «καθαρού νερού» από θαλάσσιο”. Κατά τη μεταφορά του από την ατμόσφαιρα στη γη, το νερό περνά από το κατώτερο τμήμα της ατμόσφαιρας και διαλύει τα διάφορα αέρια της ατμόσφαιρας. Το N2 (17.5 mg/kg) και το O2 (39.3 mg/kg) κύρια συστατικά είναι λίγο διαλυτά στο νερό H διαλυτότητα όμως του CO2 (1450 mg/kg) και SO2 (94,100 mg/kg) είναι μεγάλη. ( *250C) σύσταση του εξαρτάται από την περιοχή pH= 5.5 - 6.5 μικρότερο από pH θαλάσσιου νερού (7,5-8,4).

Πίνακας 1.5 Χημική σύσταση βροχής και χιονιού (mg/L) σύσταση χιονιού (Η.Π.Α.) 2.,3., 4., σύσταση βροχής (Η.Π.Α.) 5. σύσταση βροχής (Βέλγιο) Συστατικό 1 2 3 4 5 SiO2 0,0 1,2 0,3 Al (III) 0,01 Ca2+ 0,65 0,8 3,3 Mg2+ 0,2 0,14 0,7 0,36 Na+ 0,6 0,56 9,4 0,97 K+ 0,11 0,23 NH4+ 0,42 HCO3- 7 SO42- 1,6 2,18 7,6 6,1 Cl- 0,57 17 2,0 NO2- 0,02 NO3- 0,1 0,62 2,2 Ολικά διαλυμένα στερεά 4,8 8,2 38 pH 5,6 6,4 5,5 4,4

Επιφανειακά νερά Το νερό της βροχής το οποίο πέφτει και παραμένει στην επιφάνεια του εδάφους έρχεται σε επαφή με πετρώματα, ορυκτά και φυτικούς και ζωικούς οργανισμούς. Οι χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν μεταβάλλουν τη σύσταση του νερού και τα νερά αυτά αποτελούν τα επιφανειακά νερά Η σύσταση του εδάφους, ο χρόνος και η έκταση επαφής νερού και εδάφους, η βιολογική και ανθρώπινη δραστηριότητα επηρεάζουν τη σύσταση των επιφανειακών νερών η οποία εμφανίζεται διαφορετική από περιοχή σε περιοχή.

Επιφανειακά νερά Ca+2, Mg2+, Νa+, Κ+, Cl-, SO4 2-, SiO2 , PO43- Tα κυριότερα ανόργανα συστατικά: Ca+2, Mg2+, Νa+, Κ+, Cl-, SO4 2-, SiO2 , PO43- Σε μικρότερες συγκεντρώσεις υπάρχουν: φθοριόντα, σίδηρος μαγγάνιο, μόλυβδος και άλλα ιχνοστοιχεία. αμμωνιακά, νιτρώδη και νιτρικά (δράση διαφόρων μικροοργανισμών σε αζωτούχες ενώσεις) οργανικά συστατικά (από την αποδόμηση φυτικών και ζωικών οργανισμών -χουμικά και φουλβικά οξέα) οργανικές συνθετικές ενώσεις ανθρωπογενούς προέλευσης -από απορροές και άμεση διάθεση αποβλήτων (απορρυπαντικά, εντομοκτόνα, μυκητοκτόνα, διαλυτικά, κ.α.). Tα κυριότερα ανόργανα συστατικά: Ca+2, Mg2+, Νa+, Κ+, Cl-, SO4 2-, SiO2 , PO43-

Υπόγεια Νερά (groundwater) νερά ατμοσφαιρικών κατακρημνίσεων που κατεισδύουν το έδαφος ζώνη κορεσμού: η υποεπιφανειακή περιοχή όπου τα διαθέσιμα εδαφικά και πετρώδη διαστήματα γεμίζουν από νερό υδροφόρος ορίζοντας (water table):η ανώτερη επιφάνεια της ζώνης κορεσμού, αποτελεί μια ασαφώς οριζόμενη περιοχή που υφίσταται μεταπτώσεις ανάλογα με τις εποχές. Υδροφόρα στρώματα (aquifers), ονομάζονται τα κορεσμένα με νερό πορώδη πετρώματα μέσα στα οποία ρέει το υπόγειο νερό και βρίσκονται σε διάφορα βάθη, μεταξύ πετρωμάτων μικρής διαπερατότητας, σε αυτά βρίσκεται το 99% του διαθέσιμου σε υγρή κατάσταση γλυκού νερού της γης. Τα υδροφόρα στρώματα αναπληρώνονται φυσικά. Η περιοχή μέσω της οποίας αναπληρώνεται ονομάζεται περιοχή αναπλήρωσης (recharge area) και μπορεί να βρίσκεται σε μεγάλη απόσταση από το υδροφόρο στρώμα. απολιθωμένα (fossil water): υδροφόρα στρώματα τα οποία δεν αναπληρώνονται, σε μεγάλο βάθος, ένδειξη ενός περισσότερο υγρού και ψυχρού κλίματος του πλανήτη.

Υπόγεια Νερά (groundwater) Τα υπόγεια νερά γενικά περιέχουν διαλυμένα περισσότερα ανόργανα άλατα από τα επιφανειακά νερά, και λιγότερες οργανικές ουσίες. Οι οργανικές ουσίες, η αμμωνία και τα νιτρώδη άλατα που υπάρχουν στο επιφανειακό νερό απουσιάζουν από τα υπόγεια νερά λόγω βιοχημικών δράσεων οξειδοαναγωγής από τους μικροοργανισμούς του εδάφους. Επίσης από φυσικοχημικές διεργασίες κατά τη διήθησή του απαλλάσσεται από ρυπαντικά συστατικά. Τα υπόγεια νερά θεωρούνται πιο κατάλληλα να χρησιμοποιηθούν ως πόσιμο νερό. Συνήθως χρειάζεται να προηγηθεί αποσκλήρυνση ώστε να θεωρηθούν κατάλληλα για οικιακή και βιομηχανική χρήση.

ΥΔΑΤΙΚΑ ΟΙΚΟΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Τα υδατικά οικοσυστήματα μπορούν να διακριθούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες: Τα θαλάσσια Τα οικοσυστήματα γλυκών νερών Τα όρια μεταξύ των δύο δεν είναι πάντα ευδιάκριτα, π.χ. εκβολές ποταμών. Παρόλο που το σύνολο του θαλάσσιου περιβάλλοντος μπορεί να θεωρηθεί ως ένα τεράστιο οικοσύστημα, επειδή χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερη πολυπλοκότητα γίνεται περαιτέρω διάκριση σε: θαλάσσια οικοσυστήματα παράκτια ωκεανούς

Θαλάσσια οικοσυστήματα Με κριτήριο την ποσότητα του διαθέσιμου φωτός διακρίνονται οι παρακάτω υδατικές ζώνες : Εύφωτη ζώνη που ξεκινάει από την επιφάνεια του νερού και φθάνει μέχρι βάθος 50 μέτρων Ολιγόφωτη ζώνη που οριοθετείται από την κατώτερη επιφάνεια της εύφωτης ζώνης και μέχρι βάθος 500 μέτρων Άφωτη ζώνη που εκτείνεται σε βάθη μεγαλύτερα των 500 μέτρων. (η διαπερατότητα του φωτός ελέγχει τη φωτοσύνθαση και έτσι αποτελεί σημαντικό κριτήριο διάκρισης μάζας νερού)

Με κριτήριο την απόστασή από την ξηρά διακρίνονται: (καλύπτεται παροδικά με νερό)

Θαλάσσια οικοσυστήματα Ωκεανός: σταθερότερο και μεγαλύτερο οικοσύστημα Παράκτια: (χαρακτηρίζονται από μεγαλη παραγωγικότητα, συμβάλλουν στην οικολογική ισορροπία γειτονικών χερσαίων και θαλάσσιων οικοσυστημάτων, και έχουν ρόλο στην επιβίωση πολλών βιολογικών ειδών) Οι κοραλλιογενείς ύφαλοι (coral reefs) Οι ποταμόκολποι (estuaries) Παράκτιοι υγρότοποι (coastal wetlands): έλη, λιμνοθάλασσες

Οικοσυστήματα γλυκού νερού (ρέοντα-στάσιμα ευτρoφικά, ολιγοτροφικά) (φυσικές ή τεχνητές λίμνες, ποτάμια, χείμαρροι, ρέματα και ρυάκια) Σε σχέση με τα θαλάσσια οικοσυστήματα: περιέχουν πολύ μικρότερες ποσότητες νερού παρουσιάζουν μεγαλύτερες θερμοκρασιακές διακυμάνσεις στη μάζα τους είναι πιο ευπρόσβλητα στη ρύπανση και μόλυνση η στάθμη τους αυξομειώνεται παρουσιάζουν τα υψηλότερα επίπεδα βιοποικιλότητας και τα είδη είναι γεωγραφικά απομονωμένα Ο αριθμός κάθε είδους μπορεί να είναι μικρός αλλά ο αριθμός των διαφορετικών ειδών είναι μεγάλος Αναπτύσσονται μοναδικά είδη ζωής Αντιμετωπίζουν περιβαλλοντικές μεταβολές χωρίς δυνατότητα διαφυγής

Οργανισμοί υδατικών οικοσυστημάτων Πλαγκτόν: σύνολο των οργανισμών με παθητική κίνηση (αποτελούν συγκριτικά το μεγαλύτερο μέρος της βιομάζας σε σχέση με υψηλότερες μορφές ζωής) αυτότροφοι οργανισμοί (παραγωγοί-producers) - άλγη (φυτοπλαγκτόν, φύκη) ετερότροφοι οργανισμοί (καταναλωτές- consumers) -ζωοπλαγτόν αποσυνθέτες (decomposers) οργανισμοί όπως μύκητες και βακτήρια. Νηκτό: σύνολο των οργανισμών με ενεργητική κίνηση Βένθος: οι οργανισμοί που ζουν στον πυθμένα.

ΥΔΑΤΙΚΗ ΒΙΟΚΟΙΝΩΝΙΑ Οι αυτότροφοι οργανισμοί χρησιμοποιούν την ηλιακή ενέργεια και μετατρέπουν ανόργανες ενώσεις όπως το CO2, NO3-, PO4-2 σε πολύπλοκη οργανική ύλη. Η βιοχημική αυτή διεργασία που είναι γνωστή ως φωτοσύνθεση είναι σημαντική όχι μόνο γιατί δεσμεύει ηλιακή ενέργεια, αλλά αναπληρώνει τα αποθέματα οξυγόνου και επίσης παράγει νέα οργανική ύλη στην τροφική αλυσίδα. (άλγη) Οι ετερότροφοι οργανισμοί χρησιμοποιούν τις οργανικές ενώσεις που παράγονται από τους αυτότροφους οργανισμούς και με το οξυγόνο διασπούν την οργανική ύλη για την παραγωγή ενέργειας και για τη σύνθεση της βιομάζας τους. Ετερότροφοι υδατικοί οργανισμοί είναι τα ζωοπλαγκτόν (πρωτογενείς καταναλωτές) και τα ψάρια. Μια υποδιαίρεση των ετερότροφων οργανισμών είναι οι αποσυνθέτες. Αυτοί διασπούν οργανική ύλη σε απλές ανόργανες ενώσεις. Αποσυνθέτες υδατικοί οργανισμοί είναι κυρίως τα βακτήρια και οι μύκητες.

ΥΔΑΤΙΚΗ ΒΙΟΚΟΙΝΩΝΙΑ Η υδατική βιοκοινωνία επηρεάζεται από τις φυσικές και χημικές ιδιότητες της υδάτινης μάζας μέσα στην οποία βρίσκονται. Παραγωγικότητα (productivity) καλείται η ικανότητα μιας μάζας νερού να παράγει ζώντες οργανισμούς. Οι κύριοι παράγοντες που καθορίζουν την κατανομή των έμβιων οργανισμών στο νερό είναι η θερμοκρασία, η αλατότητα, η συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου και του διοξειδίου του άνθρακα, η περιεκτικότητα του νερού σε θρεπτικά συστατικά, η διαπερατότητα του φωτός καθώς και οι συνθήκες ροής στα διάφορα υδατικά συστήματα.