9.2. 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 Н₂О взаємодіють між собою, утворюючи (Н₂О)₂ — дигідроль. Саме завдяки взаємодії молекул дигідролю (Н₂О)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 0 °С і нижче утворюється складна структура з трьох простих молекул (Н₂0)₃, що має назву тригідроль. За своїми характеристиками — це лід.

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

Завдяки тому, що при з'єднанні між собою трьох молекул ними залишаються досить значні порожнини, лід стає легшим за рідку воду, що і визначає його розташування на поверхні водойм під час їх зимового замерзання.

Для функціонування водних екосистем температурозалежні зміни фізико-хімічних властивостей води мають виняткове значення. Так, лід, який покриває водойми взимку, ізолює більш глибокі шари води від промерзання.

При різкому зниженні температури повітря замерзає лише поверхневий шар водойм, нижче якого температура води утримується 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 правило, 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 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 біологічних процесів (рис. 100).

Для водних екосистем характерним є повільне охолодження і нагрівання води, чому сприяє надзвичайно висока теплоємність води, яка при 15 °С становить 4,19∙10³ Дж/кг. Це зумовлено витрачанням певної частини теплової енергії на розрив водневих зв'язків у асоційованих молекулах. При значному підвищенні температури повітря вода хоч і стає більш теплою, але її 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∙10⁶ і 2,26∙10⁶ Дж/кг. У спекотні дні зростає інтенсивність випаровування води, а відповідно і віддача тепла, що запобігає її перегріванню. І навпаки, при зниженні температури нижче О °С і утворенні льоду вивільняється значна кількість тепла (373 Дж/кг), тому вода охолоджується повільно. Питома теплота плавлення льоду — 333 000 Дж/кг, його питома теплоємність при нормальному тиску і О °С дорівнює 2 120 Дж/(кг∙°С), а молекулярна теплопровідність при О °С — 2,24 Вт/(м∙^оС). Для снігу цей показник становить 1,8, а для води — 0,6 Вт/( м∙^оС).

Завдяки високій теплоємності води діапазон коливань температури водного середовища, в якому мешкають гідробіонти, рідко коли перевищує ЗО—35 °С. У порівнянні з гідробіонтами наземні організми змушені пристосовуватись до значно більшого діапазону коливань температури навколишнього середовища.