Obieg wody w przyrodzie

Woda jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych związków chemicznych na Ziemi, a zarazem związkiem podstawowym decydującym o życiu organizmów, w tym i człowieka. Ilość wody w hydrosferze jest stała z tą jednak różnicą, że woda ciągle jest w ruchu i występuje w różnych stanach skupienia. Ruch ten możemy przedstawić w schemacie obiegu wody w przyrodzie nazywanym cyklem hydrologicznym. Krążenie wody w przyrodzie jest cyklem zamkniętym, powodowanym przez siłę grawitacji i energię słoneczną. Około 1% wody znajdującej się na Ziemi jest w ciągłym ruchu.

Źródła wody na Ziemi

Wody ziemskie aż w 97,24% składają się z wód oceanicznych. Większość pozostałej części bo w 2,14% stanowią wody w lodowcach, górach lodowych i wiecznych zmarzlinach, a także wody gruntowe, które zajmują 0,61% wód Ziemi. Ponadto na globie woda występuje także w jeziorach, morzach wewnątrzlądowych, rzekach, a także w postaci pary wodnej w atmosferze oraz wilgoci w glebie.

Stany skupienia

Stan stały - lód lub śnieg

Lód lub śnieg występują poniżej temperatury topnienia 0^oC. Mają właściwości jak każde ciało stałe tzn. mają określony kształt, trudno zmienić ich objętość. Lód powstaje ze schłodzonej wody, czyli przez krzepnięcie lub przez resublimację. Tak samo jak woda i para wodna nie ma koloru, jest zimny w dotyku i jest ciałem kruchym. Zjawisko zmiany objętości podczas przechodzenia z fazy ciekłej do fazy stałej pełni bardzo istotną rolę w przyrodzie, m.in. dotlenianie gleby poprzez rozsadzanie zmarzniętych brył ziemi oraz zjawisko pękania skał. Śnieg podobnie jak lód powstaje ze schłodzonej wody lub pary wodnej.

Stan cieczy - woda

Woda występuje temperaturze od 0^oC do 100^oC. Jest ona najważniejszym składnikiem kuli ziemskiej. Bez niej nie mogłyby rosnąć rośliny, żyć zwierzęta ani ludzie. Jest ona wykorzystywana przez człowieka w wielu gałęziach przemysłu. Ma ona takie same właściwości jak inne ciecze. Nie ma określonego kształtu. Powstaje przez skraplanie lub topnienie. Woda w przyrodzie występuje w różnych zbiornikach wodnych: jeziorach, rzekach, oceanach itp. Zajmuje więcej powierzchni na kuli ziemskiej niż kontynenty.

Stan gazowy-para wodna

Para wodna występuje w każdej temperaturze. Im większa powierzchnia swobodna tym woda szybciej paruje. Para wodna powstaje z przejścia ze stanu ciekłego w gazowy, w temperaturach powyżej 100^oC, czyli w temperaturze wrzenia oraz przez sublimację czyli zamianę lodu w parę. Często para wodna mylona jest z mgłą. Mgła to drobne kropelki wody, a para wodna jest niewidoczna i tworzy się wszędzie. W krajach cieplejszych występuje więcej pary wodnej niż w krajach chłodniejszych. Parę wodną wykorzystuje się w silnikach parowych, używana jest też saunach do gorących kąpieli parowych. Zjawisko parowania jest jednym z podstawowych czynników istnienia przyrody. Woda parując tworzy obłoki pary w formie chmur, które schłodzone opadają na ziemię pod postacią deszczu.

Przejścia fazowe wody

Parowaniem nazywamy proces zmiany stanu skupienia wody, przechodzenia z fazy ciekłej w fazę gazową, inaczej zwaną parą wodną, zachodzącym z reguły na powierzchni cieczy. Odbywać się ono może w całym zakresie ciśnieniowym i temperaturowym, w obrębie których mogą ze sobą współistnieć obie fazy, jednak nasila się wraz ze wzrostem temperatury. Jego tempo rośnie wraz ze spadkiem ciśnienia zewnętrznego, a także wtedy, gdy w grę wchodzi przepływ gazu względem powierzchni cieczy. Proces parowania zachodzi wtedy, gdy cząsteczka ma dostatecznie wysoką energię kinetyczną, by wykonać pracę przeciwko siłom przyciągania między cząsteczkami. Procesem odwrotnym do parowania jest skraplanie pary. Gdy ciśnienie pary nasyconej zrówna się z ciśnieniem otoczenia, proces parowania - zwany wówczas wrzeniem - zaczyna zachodzić również w całej objętości cieczy. Proces parowania z bezpośrednim przejściem pomiędzy fazą stałą a parą nazywamy sublimacją.

Skraplanie lub kondensacja to zjawisko zmiany stanu skupienia, przejścia substancji z fazy gazowej w fazę ciekłą. Skraplanie może zachodzić przy odpowiednim ciśnieniu i w temperaturze niższej od temperatury krytycznej równej 374,2^oC. Zestaw parametrów: ciśnienie i temperatura, dla których rozpoczyna się proces skraplania nazywany jest punktem rosy. Krzepnięciem nazywamy proces przechodzenia ciała ze stanu ciekłego w stan stały. Krzepnięcie wielu substancji zachodzi w określonej temperaturze zwanej temperaturą krzepnięcia. Dla wody temperatura krzepnięcia wynosi 0°C. W miejscu styku substancji w stanie stałym i stanie ciekłym w cieczy i w ciele stałym podczas krzepnięcia i topnienia jest taka sama temperatura zwana temperaturą topnienia. Temperatura topnienia jest podawana jako wielkość charakterystyczna dla wielu substancji. Temperatura krzepnięcia zależy nieznacznie od ciśnienia. Krzepnięciu towarzyszy wydzielanie ciepła, co jest równoważne temu, że krzepnięcie przy stałym ciśnieniu wymaga odprowadzenia ciepła z krzepnącej substancji.

Cykl hydrologiczny

Obieg wody nie ma punktu początkowego ani końcowego, ale możemy prześledzić cały cykl poczynając od oceanu. Siłą napędową procesu obiegu wody jest Słońce. Podgrzewa ono wodę w oceanie, ta zaczyna parować i w postaci pary unosi się nad oceanem. Wznoszące prądy powietrzne przenoszą parę wyżej, do atmosfery, gdzie niska temperatura wywołuje proces kondensacji, w wyniku którego powstają chmury. Poziome prądy powietrzne, z kolei, przenoszą chmury wokół globu ziemskiego. Drobne cząsteczki wody w chmurach zderzają się ze sobą, powiększają swoją masę i w końcu, w postaci opadu spadają na ziemię. Opadem może być oczywiście deszcz, ale także śnieg, który gromadząc się na powierzchni Ziemi z czasem przekształca się w pokrywę lodową i lodowce. Te ostatnie mogą zatrzymać zamrożoną wodę na tysiące lat. W cieplejszym klimacie pokrywa śnieżna zwykle wiosną roztapia się. Część wód opadowych i roztopowych spływa po powierzchni ziemi, tworząc odpływ powierzchniowy. Dociera do rzek i jako przepływ rzeczny podąża w stronę oceanu. Woda spływająca po powierzchni lub przesiąkająca w głąb zasila jeziora słodkiej wody. Znaczna część wody infiltruje, czyli przesiąka do gruntu. Woda utrzymująca się stosunkowo blisko jego powierzchni tworzy odpływ gruntowy, zasilający wody powierzchniowe, a także oceany. Część wód gruntowych znajduje ujście na powierzchni Ziemi, gdzie pojawia się w postaci źródeł słodkiej wody. Płytkie wody gruntowe wykorzystywane są przez system korzeniowy roślin. W roślinach woda transpirowana jest przez powierzchnię liści i z powrotem przedostaje się do atmosfery. Część wody infiltrującej do gruntu przesiąka głębiej, zasilając warstwy wodonośne - warstwy gruntu nasycone wodą, które magazynują ogromną ilość słodkiej wody przez długi czas. Jednak po jakimś czasie woda ta dotrze do oceanu, gdzie cykl obiegu wody zacznie się od nowa.

Retencja

Retencja jest to zdolność do gromadzenia zasobów wodnych i przetrzymywania ich przez dłuższy czas w środowisku. Zjawisko to może przyjmować różny charakter. Kiedy woda jest retencjonowana na powierzchni Ziemi, zachodzi wtedy retencja powierzchniowa. Jeśli natomiast woda zatrzymuje się pod powierzchnią terenu, występuje retencja podziemna. Formą retencji są więc pokrywy śniegowe oraz wszelkie pokrywy lodowe na powierzchni ziemi. Zdolność zatrzymania wody przez dany obszar zależy głównie od rzeźby terenu, przepuszczalności podłoża, od pokrycia terenu szatą roślinną, a także od klimatu. Ilość wody przybywającej, bądź ubywającej na różnych obszarach kuli ziemskiej jest różna.
Bilans dodatni występuje wtedy, gdy występuje nadwyżka wody tj. więcej wody przybywa niż ubywa. Taki stan obserwujemy na obszarach równikowych. Bilans ujemny występuje wówczas, kiedy więcej wody ubywa, niż przybywa np. na Saharze, pustyni Gobi czy na pustyniach Australii.

Nacieki jaskiniowe

Nacieki jaskiniowe to osady powstające przez wytrącanie się substancji mineralnej z roztworu wodnego na powierzchni skały lub w próżniach w jej obrębie, np. jaskiniach czy szczelinach, ale w kontakcie z powietrzem atmosferycznym. Nacieki powstają w obrębie jaskini krasowej, na jej stropie, ścianach lub dnie w wyniku strącania się lub krystalizacji minerałów: kalcytu, rzadziej gipsu lub aragonitu z wód krasowych.

Powstawanie nacieków

Woda opadowa po przejściu przez glebę jest mocno nasycona dwutlenkiem węgla - wsiąkając w grunt rozpuszcza tam wapień, następnie migruje do jaskini. Tam się rozpręża. Węglan wapnia lepiej rozpuszcza się pod dużym ciśnieniem, a po spadku ciśnienia wytrąca się. Parowanie ma w tym zjawisku udział marginalny, gdyż prawie zawsze w jaskiniach panuje wilgotność zbliżona do 100%.

Główne typy nacieków jaskiniowych to stalaktyty, stalagmity i stalagnaty.

Stalaktyt to grawitacyjny naciek jaskiniowy. Ma on zazwyczaj kształt wydłużonego, odwróconego stożka, narastającego od stropu jaskini krasowej ku jej dolnej powierzchni.
Stalaktyty kuliste tworzą się, gdy spływ wody po powierzchni nacieku jest na tyle wolny, że zdąży ona całkowicie odparować przed dotarciem do jego czubka. Stalaktyty lodowe powstają w wyniku zamarzania wody kapiącej ze stropu. Stalaktyt lawowy występują w jaskiniach lawowych w wyniku zastygania lawy.

Stalagmit to naciek jaskiniowy osiągający duże rozmiary. Może występować w postaci słupa, stożka itp. Narasta od dna jaskini krasowej ku górze wskutek wytrącania się węglanu wapnia z kapiącej ze stropu wody - w przypadku jaskini lodowej - jej zamarzania.
Za najwyższe znane stalagmity podaje się obecnie wytwory z jaskini w Chinach, których wysokość sięga 70 m. Inny, zbliżonej wysokości stalagmit, wysokości 67,2 m, znajduje się w jaskini na Kubie. W Europie najwyższy stalagmit podawany jest aktualnie z jaskini na Sardynii, a jego wysokość wynosi 38 m.

Stalagnat – naciek jaskiniowy w formie kolumny, słupa itp., łączący strop jaskini krasowej z jej dolną powierzchnią. Powstaje on w efekcie równoczesnego rozwoju stalaktytu idącego od stropu i stalagmitu na dnie jaskini, który tworzy się z wytrącania węglanu wapnia z wody kapiącej z tego stalaktytu. Odpowiednio długi rozrost obu form leżących na jednej osi prowadzi do ich połączenia i wykształcenia stalagnatu.

Ciekawostki

Ilość wody na ziemi szacuje się na około 2240 ton. Tona wody ma objętość 1m³. Jeżeli każdą tonę zmniejszylibyśmy do rozmiarów główki szpilki i takimi główkami wybrukowali drogę z Ziemi na Księżyc, to jej szerokość wyniosłaby 10 kilometrów.

W oceanach występują prądy, które przemieszczają masy wody wokół Ziemi. Ruchy te mają ogromny wpływ na cykl hydrologiczny i pogodę na Ziemi. Prąd Zatokowy, dobrze znany ciepły prąd atlantycki, przemieszcza wodę z Zatoki Meksykańskiej, poprzez Atlantyk, w kierunku Wielkiej Brytanii z prędkością 97 km/h. W ciągu doby Prąd Zatokowy niesie 100 razy więcej wody niż wszystkie rzeki Ziemi.

Mimo że atmosfera nie jest wielkim magazynem wody, jest "super autostradą", którą woda przemieszcza się wokół Ziemi. Woda w atmosferze występuje zawsze. Najlepiej widoczną formą jej obecności są chmury. Ale nawet przejrzyste powietrze w bezchmurny dzień zawiera wodę w postaci małych, niewidocznych gołym okiem cząsteczek. Objętość wody w atmosferze wynosi około 13 tys. km³. Gdyby cała woda zawarta w atmosferze spadła na Ziemię w jednej chwili, utworzyłaby na powierzchni warstwę o grubości 2,5 cm.

Transpiracja jest procesem, w którym wilgoć przechodzi przez rośliny od korzeni do małych porów na spodniej stronie liści. Tam zamieniana jest w parę i uwalniana do atmosfery. Transpiracja jest szczególnym rodzajem parowania wody za pośrednictwem liści. Ocenia się, że około 10% wilgoci dostaje się do atmosfery dzięki procesowi transpiracji. Transpiracja roślin jest prawie niezauważalna – mimo że woda paruje z roślin nie widzimy, że są one "spocone". W okresie wzrostu rośliny transpirują znacznie więcej wody niż same ważą. Jeden akr zboża uwalnia do atmosfery około 11,400 – 15,100 litrów wody każdego dnia, a wielki dąb może transpirować 151,000 litrów wody w ciągu roku.

Chmury powstają w atmosferze w wyniku wznoszenia się i ochładzania powietrza zawierającego parę wodną. Istotną częścią tego procesu jest nagrzewanie się powietrza w pobliżu powierzchni Ziemi na skutek promieniowania słonecznego. Powodem ochładzania się atmosfery wraz z wysokością jest ciśnienie powietrza. Powietrze ma pewien ciężar. Na poziomie morza ciśnienie kolumny powietrza na każdy cal kwadratowy naszych głów wynosi około 32 kg. Ciśnienie to, nazywane ciśnieniem barycznym, jest wynikiem gęstości powietrza. Na wyższych wysokościach mniej jest powietrza nad naszymi głowami i mniejszy jest jego nacisk. Na znacznych wysokościach ciśnienie baryczne jest niższe a powietrze rzadsze, w efekcie powietrze staje się zimniejsze.