shkolaw.in.ua 1 2 ... 4 5
Вода як екологічний фактор I

До гідрофізичних факторів водних екосистем належать перш за все, сама вода як життєве середовище, її температурний і термічний режим, наявність завислих і розчинених речовин та характер донних ґрунтів.

Вода— найважливіша середовище утворююча речовина вплив якої на життєдіяльність організмів багатосторонній. Саме завдяки особливим властивостям води як універсальне розчинника неорганічних і органічних речовин вона стала середовищем зосередження життя на Землі.

Молекулярна структура води, здатність до утворення розчинів неорганічних і органічних електролітів, питома теплоємність, велика прихована теплота плавлення та пароутворення зумовлюють особливу придатність води для тієї ролі, яку вона відіграє у водних екосистемах взагалі та для їх біологічних компонентів зокрема.

Вода — рідина без запаху, смаку і кольору, щільністю 1,000 г/см3при температурі 3,98 °С. При О °С перетворюється у лід, а при 100 °С — у пару. Молекула води складається з двох атомів водню і одного атома кисню. У природі існує шість ізотопних форм кисню і три — водню. Тому можуть існувати 36 ізотопних форм води, серед яких дев'ять найпоширеніші у природі. До 99,7 % природної води утворено за рахунок молекули Н216О. На ізотопні форми гН2180 припаде не більше 0,2 %. Ще менше молекул води, до складу яких входять тритій, дейтерій та ізотоп кисню (важка вода).

Молекула води має два позитивних і два негативних заряди які розташовані на різних вершинах тетраедра.| Завдяки такому розміщенню зарядів визначається дипольні характер молекули води і її властивості розчиняти органічні і неорганічні речовини, утворювати електроліти та найбільш важливі для життєдіяльності гідробіонтів гази. Зближуючись різноіменними полюсами, молекули води утворюють своєрідну шароподібну структуру, в якій існують численні порожнини.

Цим пояснюється те, що щільність льоду менша від одиниці, внаслідок чого він утримується на поверхні водойм.


При взаємодії з іонами вода утворює гідратну оболонку. Під гідратацією розуміють сукупність енергетичних: і структурних змін, які відбу­ваються у системі в процесі переходу газоподібних молекул та іонів у рідке середовище з утворенням розчину певного складу.

Для розуміння фізико-хімічних процесів, які постійно відбуваються у водному середовищі, важливо більш детально проаналізувати особливості взаємодії іон-розчинник. У данному процесі гідратація розглядається як стійке зв'язування іонами певного числа молекул води з утворенням стійких гідратних комплексів. Тобто навколо іона створюється рівномірна оболонка з молекул води. Така спрощена характерна лише для одноатомних іонів (Ма, К, П та ін.). Що до багатоатомних іонів (СОз~ , N0^ ), то для них характерною є анізотропна гідратація, тобто взаємодія не тільки за рахунок негативного заряду (молекула води має позитивний заряд), але й завдяки утворенню між ними водневих зв'язків. Наприклад, при взаємодії вуглекислого газу з водою утворю-вугільна кислота, у структурі якої є водень.

Найбільш поширені у природних водах аніони мають досить великі розміри, і тому у них немає сформованої первинної гідратної оболонки, а їх зв'язок із водою слабо виражений. Виняток становлять такі багатозарядні іони невеликих розмірів. Під впливом температури та деяких хімічних чинників вода може дисоціювати (іонізуватись) на протилежно заряджені іони водню Н+ та гідроксил ОН~. При взаємодії одного з цих іонів з іншими речовинами вода може перетворитись із нейтральної у кислу (переважають Н+) або лужну (переважають негативно заряджені гідроксильні іони ОН~). Саме цим пояснюється те, що при підігріванні води її реакція зміщується в кислу сторону за рахунок збільшення позитивно заряджених водневих іонів.

Такі особливості води необхідно враховувати при оцінці можливого впливу температури, іонного складу та розчинені газів не тільки на її фізико-хімічні властивості, але й на біологічні рідини організмів гідробіонтів, які постійно пристосовуються до коливань абіотичних факторів середовища.

Термостабільні властивості води
Молекулярна структура природної води характеризується взаємодією її простих молекул, внаслідок чого вона може бути у рідкому, твердому і газоподібному стані.

Проста молекула Н2О (гідроль) характерна для пароподібної води. У рідкому стані дві прості молекули Н20 взаємодіють між собою, утворюючи (Н2О)2 — дигідроль. Саме завдяки взаємодії молекул дигідролю (Н20)2-(Н2О)2 вода набуває властивості рідини. Маючи два позитивні і два негативні заряди, прості молекули взаємодіють між собою різноіменними полюсами, утворюючи структуру, яка і визначає її рідкий текучий стан та термічні властивості.

При зниженні температури до О °С і нижче утворюється складна структура з трьох простих молекул (Н2О)3, що має назву тригідроль. За своїми характеристиками — це лід.

Хімічно чиста прісна вода замерзає при О °С. Температура замерзання солоних вод значно нижча: при збільшенні соло­ності на кожні 10 %о вона знижується на 0,54 °С. У зв'язку з цим океанічна вода з солоністю близько 35 %о замерзає при —1,9 °С. У морях і солоних озерах при солоності, наприклад, 24,7 %о температура замерзання становить —1,3 °С.

Завдяки тому, що при з'єднанні між собою трьох молекул залишаються досить значні порожнини, лід стає легшим за рідку воду, що і визначає його розташування на зверхні водойм під час їх зимового замерзання. Для функціонування водних екосистем температуро залежні зміни фізико-хімічних властивостей води мають виняткове бачення. Так, лід, який покриває водойми взимку, ізолює ізолює більш глибокі шари води від промерзання.

При різкому зниженні температури повітря замерзає лише Поверхневий шар водойм, нижче якого температура води «римується на рівні плюсових значень. У той же час у негли­боких водоймах при сильних морозах може спостерігатись промерзання товщі води до самого дна. У таких випадках риби та інші водяні організми вмерзають у льодову товщу. Як травило, за таких умов відбувається їх масова загибель.


Але є випадки, коли такі риби, як карась, після нетривалого вмерзання і наступного розморожування залишаються живими. Це відбувається завдяки тому, що навколо тіла риб утворюється невеликий шар води з підвищеною концентрацією солей. За таких умов необхідна нижча температура для замерзання води. Що ж до забезпечення таких риб киснем, то в

умовах різкого зниження метаболізму його мінімальні концентрації у воді дають змогу рибам перебувати певний час у стані анабіозу. Виживають також деякі безхребетні тварини планктону і бентосу, що утворюють біоценоз льоду — пагон.

При весняному підвищенні температури і таненні льоду І після досягнення температури 4 °С вода з верхніх шарів як більш важка опускається на дно, а придонні шари піднімаються на поверхню. Внаслідок такої вертикальної циркуляції відбувається більш швидке прогрівання всієї товщі води, в тому числі і нижніх шарів, що позитивно впливає на перебіг єкологічних процесів.

Для водних екосистем характерним є повільне охолодження і нагрівання води, чому сприяє надзвичайно висока тепле води, яка при 15 °С становить 4,19-Ю3 Дж/кг. Це зумовлює витрачанням певної частини теплової енергії на розрив водневих зв'язків у асоційованих молекулах. При значному підвищені температури повітря вода хоч і стає більш теплою, температура ніколи не зрівнюється з атмосферною внаслідок високої теплоти пароутворення. Так, питома теплота пароутворення (випаровування) при температурі 0 і 100 °С становить відповідно 2,5-Ю6 і 2,26-10е Дж/кг. У спекотні дні зростає інтенсивність випаровування води, а відповідно і віддача тієї що запобігає її перегріванню. І навпаки, при зниженні темі тури нижче О °С і утворенні льоду вивільняється значна кількість тепла (373 Дж/кг), тому вода охолоджується повільно, теплота плавлення льоду — 333 000 Дж/кг, його питома теплоємність при нормальному тиску і О °С дорівнює 2 120 ДжДкг- ° молекулярна теплопровідність при О °С — 2,24 Вт/(м-°С). снігу цей показник становить 1,8, а для води — 0,6 Вт/(м-


Завдяки високій теплоємності води діапазон коливі температури водного середовища, в якому мешкають гідро біонти, рідко коли перевищує 30—35 °С. У порівнянні з гідробіонти наземні організми змушені пристосовуватись до значно більше діапазону коливань температури навколишнього середовищі
Щільність води
Під щільністю розуміють масу одиничного об'єму води в кілограмах на 1 м3 — (кг/м3). Вона залежить від температурі наявності розчинних солей, а також від атмосферного тисі ; та вищерозташованих мас води.

Найбільша щільність хімічно чистої води, яка практично має розчинених солей, при температурі 3,98 °С дорівнює 1 г/с Із зниженням температури до О °С, коли вода ще не перетво­рилась у лід, її щільність становить 998,87 кг/м3. При переході у стан льоду вона відразу зменшується до 916,7 кг/м3.-Падає щільність і при підвищенні температури води вище 4 °С.\ При досягненні ЗО °С вона становить 995,67 кг/ м3.

Збільшення щільності води з підвищенням температури пояснюється зближенням молекул при таненні льоду, вна­слідок чого зникають міжмолекулярні порожнини. Подальше зростання температури призводить до розходження молекул внаслідок чого щільність води стає меншою від одиниці.

На щільність води впливає, крім температури, також

кількість розчинених солей. Із зростанням мінералізації дещо підвищується і щільність води. Але між температурою, мінералізацією і щільністю води немає лінійної залежності, щільність води зменшується в меншій мірі, ніж це можна було чекати від ступеню зростання температури води її мінералізації. Така властивість води обумовлює виключно важливу її роль у забезпеченні стійкості водних екосистем та підтриманні якості води. Наприклад, при змішуванні вод різної температури і мінералізації утворюється змішана вода, яка має дещо більшу щільність, ніж кожна з них окремо. Гак, при надходженні морської солоної води в Дніпровсько-Вузький лиман, де вона змішується з прісною, спостерігається ущільнення річкової води, що і обумовлює її зосередження переважно у придонних шарах. Перехідна зона між окремими шарами води, які мають різну температуру і солоність і в якій спостерігається ущільнення вод, називається гідрологічним фронтом. Така зона може виявлятись на межі між прісними і солоними водами у гирлах річок (естуарний фронт), |які впадають у море.


Подібні явища спостерігаються у Чорному морі біля берегів Криму як наслідок підйому глибинних більш холодних вод на поверхню під час згону вітром вод поверхневого шару. Таке явище отримало назву апвелінг.

Завдяки таким процесам відбувається міграція біогенних елементів з донних відкладень у фотичний шар води (шар в якому достатня кількість світла для синтезу рослинами органічної речовини з використанням сонячної енергії) і як наслідок, активізація продукційної діяльності, фітопланктону зростання біомаси як фіто-, так і зоопланктону. Фактор пильна води відіграє дуже важливу роль у житті пелагічних організмі Найбільші коливання щільності води спостерігаються місцях гідрофронтів векотонних екосистемах, розташовані на межі змішування морських солоних і прісних вод, надходять з річковим стоком.

Гідробіонти дуже чутливі до зміни як щільності, так і тиску води. Встановлено, що із збільшенням глибини прісних водо! на 10,3 м при температурі 4 °С тиск зростає на 1 атмосферу. Для солоних морських вод ця глибина дещо менша. Так, на 1 атмосферу тиск підвищується у морях вже при заглиблені на 9,986 м. Така різниця прісних і солоних вод пояснюється вищою концентрацією солей у морській воді. На великих глибинах океанів тиск може зростати у порівнянні з поверхнею більше, ніж на 1 000 атмосфер.

В залежності від чутливості водяних організмів до тиску їх розділяють на еврибатні, які витримують коливання тиску у широкому діапазоні, і стенобатні, які не витримують значних коливань тиску води.

Як і питома теплоємність в'язкість води є її унікальної властивістю (в порівнянні з іншими рідинами), оскільки вона зумовлює рухливість водних мас і полегшує плавання гідробіонтів. Одиницею в'язкості є паскаль на секунду (Па-с). Ця величина змінюється в залежності від температури таким; чином: при 10 °С вона становить 1,3-10~3, при 20 °С — 1,1-10~^ а при ЗО °С — 0,87-10~3 Па-с і дещо збільшується при] підвищенні солоності води.


Від в'язкості залежить швидкість занурення гідробіонтів та паріння планктонних організмів у воді. Тому у багатьох з ^ них у ході еволюції сформувалися спеціальні утворення, які., посилюють сили тертя з водою (вирости, крилоподібні утворення, «рулі» і тому подібне) і дають змогу їм утримуватись «на плаву», не занурюючись у товщу води.

Ще одною специфічною властивістю води є високий коеєфіцієнт поверхневого натягу. Він вимірюється в ньютонах на |

(Н/м). У залежності від температури і солоності змінюється в межах 0,765—0,771 Н/м. Внаслідок сил поверхневого натягу утворюється поверхнева плівка, яка є своєрідною опорою для багатьох водяних організмів, що пристосовуються зокрема завдяки змочуваності або незмочуваності зовнішніх покривів тіла. Організми, поверхня яких не змочується, римуються на поверхні плівки (або підвішуються до неї ), навіть якщо вони важчі від води і, навпаки, легші гідробіонти спираються на плівку і навіть можуть бігати по ній.

Поверхневий натяг значно знижується в умовах забруднення води органічними, особливо поверхнево-активними речовинами, а також при «цвітінні» води і заростанні водойм вищими водяними рослинами. При значному зниженні поверхневого натягу (до 20-10"5 Н/см) організми поверхневої плівки гинуть.
Забарвлення води
Колір природних вод залежить від забарвлення розчинених в ній речовин, завислих частинок та мікроорганізмів, що населяють водну товщу. Він зумовлений поєднанням властивостей її водного середовища, берегів водойми та метеорологічними факто­рами. На колір води впливають завислі речовини автохтонного (внутрішньоводоймного) та алохтонного (надходять ззовні) походження.

Власний колір води (блакитний) виявляється лише у воді деяких чистих гірських озер. Цей колір залежить від вибіркового поглинання променів сонячного спектру: найперше у воді затухають найдовші світові хвилі (червоної частини спектру), а останніми — короткі хвилі його синьої частини. Сонячне світло, проходячи через воду, втрачає червоні промені, поступово перетворюючись з білого в синє.


Природні води можуть мати зелене, жовте, буре і навіть І чорне забарвлення, що зумовлено переважно наявністю гумінових речовин.

Крім того, колір води часто змінюється внаслідок масового .розвитку певних планктонних організмів («цвітіння»). Це так .зване вегетаційне забарвлення. Зокрема, при «цвітінні» синьо- зеленими водоростями вода набуває відповідного кольору, а ?при їх розкладі — навіть темно-синього внаслідок виділення пігментів фікоціану і фікобілінів. Зелені водорості забарвлюють воду в зелений колір, діатомові надають їй жовтуваті
відтінку, дуналіела солоноводна, діері
евглена і примнезій маленький — червоного кольору.

Відомі явища зміни забарвлення води в Тихому та Атлантичному океані внаслідок розвитку мікроскопічних динофітових водоростей, що викликають «червоні припливи» тихоокеанського узбережжя Південної Америки. При цих припливах спостерігаються замори риб та безхребетних внаслідок виділення токсичних речовин водоростей.
Температурний та термічний режим об'єктів
Сукупність змін температури води по акваторії і глибині протягом певного проміжку часу називають температурним режимом водного об'єкта. Коливання температури водних екосистемах можуть бути добові, місячні, сезонні, річні та багаторічні. У таких випадках говорять про середньодобову середньомісячну, середньосезонну та середню температуру за ряд років. Температура визначає особливості термічні
режиму водойм. Під останнім розуміють не тільки з
температури, але й запаси тепла, які утримуються вод
масами. Якщо відома кількість води, що міститься у водно
об'єкті, та її середньодобова (або за інший проміжок час
температура, то можна підрахувати його теплозапас — кількість тепла, акумульованого у водному об'єкті, яке перевищує її величину при температурі О °С.

Найбільші теплозапаси у водних об'єктах припадають на кінець літа, коли добові втрати тепла майже дорівнюють величині його надходження з сонячною енергією. Різниця між макси­мальною і мінімальною величинами теплозапасів називається тепловим запасом водойм

следующая страница >>