Artikkel vee anomaalse käitumise kohta alla 4 °C
Iga objekt paisub (objektide maht suureneb), kui temperatuur tõuseb, ja objektid kahanevad (objektide maht väheneb), kui temperatuur langeb. Vesi paisub samuti temperatuuri tõustes ja kahaneb temperatuuri langedes, kuid mitte temperatuuril 0. oC - 4 oC. Temperatuurivahemikus 0 °C kuni 4 °C vee maht väheneb (vesi kahaneb) temperatuuri tõustes. Kui soojendame vett temperatuurini 0 oC, vesi kuumeneb, vee maht väheneb. Kahanemisprotsess peatub, kui vesi jõuab 4-ni. oC. Üle 4 oC, vee maht suureneb temperatuuri tõustes. Selle asemel vesi paisub (vee maht suureneb), kui temperatuur langeb 4-lt oC 0 oC.
Näiteks panime vee temperatuurini 30 oSügavkülmas temperatuuril C. Sügavkülmas olles vee temperatuur langeb. Kui vee temperatuur langeb, väheneb ka vee maht (vesi kahaneb). Kui see jõuab 4 °C-ni oC juures hakkab vesi paisuma (vee maht suureneb). Vee paisumine peatub, kui temperatuur langeb 0 °C-ni. Erinevalt teistest objektidest, mis jätkavad kahanemist (objektide maht väheneb), kui objekti temperatuur langeb 0-ni oC. Kui objektid kahanevad (objektide maht väheneb), suureneb tihedus. Vastupidiselt, kui objektid paisuvad (objektide maht suureneb), väheneb tihedus. Tiheduse valem = mass / maht. Objektide mass on alati fikseeritud. Maht võib aga temperatuurist olenevalt muutuda. Vesi kahaneb (vee maht väheneb) ainult 4... oC, seega on vee tihedus kõige suurem 4 juures oC.
Veeanomaaliate eeliseid on tunda piirkondades, kus on talv. Talve saabudes langeb õhutemperatuur. Veepinnad puutuvad kokku veega, seega langeb ka vee temperatuur jõe või järve pinnal. Kuna vee temperatuur langeb, väheneb ka vee maht. Kuna vee maht väheneb, suureneb vee tihedus. Pinnal oleva vee tihedus on suurem kui allpool oleval veel. Kuna pinnal oleval veel on suurem tihedus, liigub see allapoole (vajub). Alloleval veel on suurem tihedus, seega liigub see ülespoole (hõljub). See protsess toimub seni, kuni vee temperatuur jõuab 4 kraadini. oC. Seega on vee tihedus kõige suurem 4 juures oC.
Kui jõe või järve pinnavee temperatuur langeb alla 4 kraadi. oC, siis pinnal olev vesi paisub (vee maht suureneb). Sest vee mahu suurenedes vee tihedus väheneb. Vee tihedus pinnal on väiksem kui põhjas oleva vee tihedus, nii et pinnal olev vesi ei saa alla kukkuda. Pinnal olev vesi jääb pinnale ja külmub esimesena, kui vee temperatuur langeb 0 °C-ni. Kuna see puutub kokku pinnal oleva veega, hakkab ka pinna all olev vesi külmuma, kui vee temperatuur langeb 0 °C-ni. oC. Nii edasi. Seega algab külmumisprotsess pinnal olevast veest. Järve või jõe põhjas olev vesi tavaliselt ei külmu, sest õhutemperatuur ei ole külmumispunktis. Kuna põhjas olev vesi ei külmu, jäävad järve või jõe põhjas olevad kalad ja elusolendid talvel ellu.
Vesi käitub oma ainulaadse molekulaarstruktuuri ja molekulide vaheliste vesiniksidemete olemuse tõttu palju anomaalseid jooni. Üks olulisemaid neist anomaaliatest on vee tiheduse muutumine jahtudes, eriti kui temperatuur läheneb külmumispunktile. Siin on selle nähtuse lühikokkuvõte:
- Tihedus ja temperatuurEnamik aineid muutub jahtudes tihedamaks ja kuumutamisel vähem tihedaks. See on tingitud asjaolust, et osakesed liiguvad jahtudes üksteisele lähemale ja kuumutamisel üksteisest kaugemale.
- Vee anomaaliaVesi käitub aga külmumistemperatuuri lähedal erinevalt. Kuigi see muutub toatemperatuurist jahtudes tihedamaks, pöördub see trend umbes 4 °C juures. Alla 4 °C muutub vesi külmetades vähem tihedaks, kuni see jõuab 0 °C-ni ja külmub.
- Jää tekeJääl on vesiniksidemete orientatsiooni tõttu kuusnurkne võrestruktuur. See struktuur muudab jää vedelast veest vähem tihedaks. Seetõttu jää hõljub veepinnal.
- Ökoloogiline tähtsusSee anomaalne käitumine on vee-elustiku jaoks ülioluline. Kui pinnavesi talvel jahtub, muutub see tihedamaks ja vajub, kuni temperatuur jõuab 4 °C-ni. Sellest temperatuurist madalamal, kui vesi jätkuvalt jahtub, jääb see pinnale ja lõpuks külmub. Selle tulemusel tekib pinnale jää, samas kui allpool olev vesi jääb vedelaks, võimaldades vee-elustikul ellu jääda. Kui jää oleks tihedam kui vedel vesi (nagu enamik tahkeid aineid on tihedamad kui nende vedel vorm), vajuks see põhja, mis viiks kogu veekogu külmumiseni tahkeks, mis oleks vee-ökosüsteemidele katastroofiline.
- Anomaalia põhjusSelle anomaalse käitumise põhjus peitub veemolekulide vahelistes vesiniksidemetes. Kui vesi jahtub 4 °C suunas, kohanduvad vesiniksidemed, hoides veemolekule laiemas struktuuris, muutes selle tihedamaks. Kuid alla 4 °C muutub veel domineerivaks kalduvus võtta omaks jääs sisalduv kuusnurkne struktuur. See struktuur on avatum ja vähem tihe, mis viib täheldatud tiheduse vähenemiseni vee jahtumisel alla 4 °C.
Vee käitumise mõistmine pole mitte ainult akadeemiliselt huvitav – see on oluline paljude ökoloogiliste ja keskkonnaprotsesside mõistmiseks.
