H2O

shapeimage_17

Fra damp over vand til is

De færreste tænker over det, når vi drikker af det, bader i det eller fisker i det. Vi tager helt enkelt vand for givet, da det jo er forudsætningen for alt liv på jord, som vi kender det.

Det er da heller ikke nogen tilfældighed, at Jorden kendes som Den Blå Planet, når man ser den ude fra verdensrummet. Mere end to tredjedele af Jorden er dækket af vand, og de hvide skyer over det blå hav er også vand – blot på dampform. Den blå farve skyldes lysets brydning i Jordens tynde atmosfære.

Men tænker man lidt over det, er vand faktisk et helt fantastisk stof. Som det eneste kendte stof kan det forekomme i alle sine tre tilstandsformer på samme tid og sted: Som damp på gasform, som vand i flydende tilstand og som is på fast form. Samtidig har vand en række aldeles unikke egenskaber, som står bag de fleste hændelser på denne jord.

Vandets oprindelse

Jorden er en beboelig planet på grund af netop vandet. Men hvor kommer egentlig vandet fra? Der er mange teorier omkring dette spørgsmål, men den mest accepterede er, at en meget stor del stammer fra meteorer, der er kollideret med Jorden. Meteorer, som indeholder overraskende store mængder vand i frossen form.

Gennem millioner af år er Jorden således blevet bombarderet med vand, der lige akkurat her i dette solsystem ikke fordamper eller bliver til is, men lige akkurat kan eksistere i alle tre tilstandsformer – som damp, vand og is, vi kan indånde, drikke af og gå på.

Tager vi eksempelvis ud til næste planet i vort solsystem – til den røde Mars – er der for langt til Solen og for koldt til, at vand kan opføre sig, som vi er vant (!) til det på Jorden. På Mars er der konstant 40 minusgrader, og alt vand er derfor bundet som is.

Tager vi den modsatte vej – til den nærmeste planet mod Solen, Venus – er der nu for varmt til, at vand kan fungere som vand. En tæt atmosfære af CO2 har fået drivhuseffekten til at løbe løbsk og temperaturen til at stige til ikke mindre end 450 plusgrader. Vand er derfor en by i Rusland – på Venus.

Kun lige her på Jorden er det hele gået op i en højere enhed. Kun her er de fysiske og kemiske forhold således, at vand kan eksistere i alle sine tre former – som damp, vand og is. Kun her har det kunnet danne grundlag for levende liv, som vi kender det.

Det er drivhuseffekten, som er skyld i det hele. Selvsamme drivhuseffekt, man i dag taler så meget om i forbindelse med den globale opvarmning og menneskets indflydelse herpå.

Drivhuseffekten er et såkaldt termodynamisk fænomen, som gør at en ellers iskold planet kan holde på flere af solens varmende stråler, end den må slippe ud i atmosfæren igen. Selv i et iskoldt verdensrum, hvor temperaturen ligger omkring det absolutte nulpunkt – minus 273 grader Celsius – kan man herved opnå en tilpas varm planet som Jorden.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Nu er dette imidlertid ikke en artikel om astronomiske fænomener. Ovenstående er blot med for at skabe en forståelse af Jorden som et helt unikt sted i vort solsystem, hvor vand lige akkurat kan eksistere i fri og tilgængelig form – dannende basis for alt levende liv, som vi kender og forstår det.

Vandets kredsløb

De fleste kender givet til vandets kredsløb fra skolen. 99% af Jordens vandmasser findes i havet, resten forekommer som ferskvand eller er gemt som is ved polerne.

Af det vand, der fordamper fra havoverfladen, regner de 90% tilbage til havet igen. De resterende 10% føres med vinden ind over land, hvor vanddampen presses i vejret, fortættes til skyer ved afkøling og falder ned som regn, sne eller hagl. Varm luft fra havet kan nemlig indeholde mere vand end kold luft over land.

Nedbøren føres via søer og vandløb tilbage til havet, hvorved kredsløbet sluttes. Alt vand stammer fra havet, og alt vand vender tilbage til havet igen. Det er et evigt kredsløb og dermed fundamentalt for alt, der sker i naturen – for alt liv på Jorden.

Grundvand er noget, som vi her i lille Danmark altid har været priviligerede med hensyn til. Det ligger ikke ret langt nede, og det er rent – filtreret gennem sand- og jordlag gennem århundreder og årtusinder. Det er derfor rent og drikkeligt fra naturens hånd.

Men massiv oppumpning nær store byområder har sænket grundvandstanden drastisk mange steder, og forurening fra landbruget med pesticider og næringssalte har flere og flere steder gjort drikkevandet udrikkeligt. Rent drikkevand er således ved at blive en mangelvare i store dele af landet.

Endelig skal det nævnes, at vand har en meget høj varmefylde. Modsat luft er vand derfor en god varmebuffer – langsom at opvarme, men god til at holde på varmen. Vands varmekapacitet er således fire gange større end lufts, og i vandet hersker der derfor mere stabile temperaturforhold end oven vande.

Det er derfor, at havet altid forbliver varmere end luften om efteråret. Og derfor, at det forbliver at være koldt, når luften opvarmes om foråret. Vinter og sommer når temperaturen dog altiod samme niveau i både vand og luft.

DSC00520

Vand som opløsningsmiddel

Vand er også et godt opløsningsmiddel. I alt vand – selv ferskvand – findes der opløste salte. Absolut rent vand findes ikke i naturen, men kan fremstilles ved destillation. Smeltevand fra bjergområder kan dog komme tæt på.

Mens havvand indeholder ret konstante mængder af forskellige salte, varierer saltindholdet og -fordelingen uhyre meget i ferskvand. Her er det undergrundens beskaffenhed, der er afgørende – undergrunden, hvis salte vaskes ud af grund- og overfladevand.

Hårdt ferskvand karakteriseres af dets store indhold af magnesium og calcium, mens blødt vand indeholder langt mindre mængder. De opløste salte bruges til mange formål.

Planterne anvender magnesium til opbygning af klorofyl – det altafgørende stof i fotosyntesen – mens snegle og muslinger danner deres skaller af calcium. Af samme årsag er hårdt vand generelt mere produktivt end blødt. Såvel planter som dyr lever højt på rigdommen af magnesium og calcium.

Indholdet af salte nedsætter ligeledes vandets frysepunkt. Jo flere salte desto lavere frysepunkt. Det er forklaringen på, at ferskvand fryser til is før saltvand. Det er også forklaringen på, at karpefisk ofte overlever i bundfrosne søer. Saltindholdet i blodet gør, at deres kropsvæske ikke fryser til is, men blot underafkøles – det vil sige afkøles til under 0 grader C.

Fra Antarktis kendes endog fisk, der ligefrem producerer “kølervæske” for ikke at fryse til is ved de meget lave temperaturer. Hernede kan vandtemperaturen i det oceaniske havvand under isen falde til omkring minus 2 grader, førend det fryser.

Vand er mange ting, og ferskvand opfører sig termodynamisk ikke som saltvand. Det er vore søer et rigtig godt eksempel på.

Søen er ikke en statisk vandmasse, som man ellers godt kunne tro, men en dynamisk. Det skyldes vandet, som fylder mest i frossen tilstand, hvorfor isen altid flyder ovenpå, og som er tungest ved 4 grader C. Endnu en unik og meget usædvanlig egenskab ved netop vand. Og altafgørende for de fysiske og kemiske forhold i søen.

Måler vi søvandets temperatur under vinterens islæg, tegner der sig følgende billede. Umiddelbart under isen er temperaturen meget nær de 0 grader C, mens vi ved bunden finder det tunge 4 grader varme vand. Det gælder i den forholdsvis dybe sø. I en meget lavvandet sø kan næsten hele vandmassen være kølet ned til frysepunktet, og da er der ikke tale om nogen lagdeling. Det samme gælder om sommeren – blot med modsat fortegn.

13578-126

Søernes totalcirkulation

Når isen bryder op om foråret, blandes vandmasserne af vinden, der således får en ensartet temperatur fra bund til overflade. Når sommersolen for alvor får magt, sker der gradvis en ny lagdeling. Der opstår to lag – et øvre, som er opvarmet af solen, og et nedre, der ikke er.

Denne lagdeling kan blive så udtalt, at der opstår et såkaldt springlag – et lag, hvorigennem temperaturen falder meget brat. Pr. definition falder temperaturen i springlaget med mere end 1 grad C pr. meter. Den dybe sommersø er således kendetegnet ved et varmt og iltrigt overfladelag adskilt fra et koldt og iltfattigt bundlag af springlaget.

Iltmangelen på det dybe vand skyldes oftest tilledning af spildevand eller næringsrigt drænvand fra de omkringliggende landbrugsarealer. Søens planktonalger udnytter de mange næringssalte og blomstrer op – søen bliver grøn og ugennemsigtig. Når algerne dør, synker de til bunds, hvor de rådner op. Det er fra denne forrådnelse, at iltsvindet på det dybe vand stammer.

Sommerens lagdeling kan dog hindres af vinden. Ligger søen åben og udsat for vind, vil der ske en hyppig opblanding af vandmasserne, så lagdeling bliver sjælden – med mindre da søen er meget dyb. I lavvandede søer er lagdeling af samme årsag sjælden.

Når søen igen afkøles om efteråret – og godt hjulpet på vej af de obligatoriske efterårsstorme – får vi atter blandet vandmasserne op. Vandtemperaturen bliver nu igen ensartet fra top til bund, og bundvandet bliver igen iltrigt.

Med vinterens komme afkøles overfladevandet endnu mere, mens bundvandet holder på sin varmeenergi. Det resulterer igen i 4 grader varmt bundvand, og ringen sluttes med et eventuelt islæg.

Man siger, at der forår og efterår sker en totalcirkulation, når søens lagdelte vandmasser blandes op. Vi har set, at denne totalcirkulation spiller en stor rolle for iltforholdene i søen. Når vandet cirkulerer, opblandes det iltfattige bundvand med det iltrige overfladevand, og søens største dybder kan atter indtages af fiskene, der overvintrer herude.

Totalcirkulationen betyder også, at næringssalte fra bundvandet bringes op til overfladen, hvor de udnyttes af planktonalgerne. Når alger og andre organismer i søen dør, synker de til bunds. Her nedbrydes de af bakterier og andre mikroorganismer – der sker en mineralisering, hvorved de indbyggede næringssalte i det døde organiske stof igen frigøres.

Men pga. den statiske lagdeling sommer og vinter forbliver disse næringssalte i bundvandet, hvor de ikke forbruges. Først når vandet blandes og næringssaltene bringes op til overfladen og lyset, kan de igen bruges af planktonalgerne – det første led i søens fødekæde. Altsammen på grund af vands unikke termodynamiske egenskaber.

IMG_0269-filtered

Vejr, vind og vand

Når solen skinner ned på havet, opvarmes vandet, og noget af det fordamper. Luften bliver lettere og stiger til vejrs, hvorved et termisk lavtryk opstår. Vanddampen stiger til vejrs og afgiver en masse energi, når den atter afkøles og kondenserer til skyer.

Det er denne energi, der står bag fænomerer som tropiske orkaner, der alle skyldes ekstreme lavtryk. Ekstremerne opstår kun ved temperaturer over 25 grader – altså primært i troperne og subtroperne. Men også ved polerne kan der opstå voldsomme lavtryk, når varmere vand møder koldere luft.

Når der opstår store trykforskelle, vil luften søge at udligne forskellen. Luft vil strømme fra områder med højtryk til områder med lavtryk. Vind er det velkendte resultat. Og jo højere trykforskellen er, desto større bliver vandhastigheden.

På grund af Jordens rotation udsættes luften i lighed med vandet for den såkaldte “Coriolis” kraft, der får såvel vind som vand til at bøje af mod højre på den nordlige halvkugle og mod venstre på den sydlige. Træk blot proppen op af dit badekar og se, om det ikke passer. Også dér. Og hver gang. Der er også Coriolis i dit badekar!

Den mægtige Golfstrøm er underlagt de selvsamme Coriolis kræfter og drejer derfor mod højre, inden den rammer Europa og fortsætter sin varmende strøm mod nord. Det er denne havstrøm, som sørger for, at Norge har verdens længste isfri kyst på de breddegrader. Den havstrøm, der undervejs gradvis afgiver den varme, den har ophobet under sit ophold i Den Mexikanske Golf. Og den havstrøm, der samtidig bringer de små ålelarver med sig fra Sargassohavet.

Men det var et sidespring. Konklusionen er, at vand på alle måder er et fantastisk stof, som alt her på Jorden er totalt afhængig af. Levende såvel som dødt. Dyr og planter såvel som vejr og klima.

14825-87

Vi ved alle, at vand bliver til sne og is, når ellers det er koldt nok. De fleste ved også, at isbjerge blot er frosset vand. Men hvorfor er det nu lige, at isbjerge altid stikker toppen over vandet – når is nu er vand?

Forklaringen ligger i, at vand som et af de meget få stoffer fylder mere på fast form end som flydende. Faktisk så meget mere, at omkring en tiendedel af såvel store isbjerge som små isterninger stikker ovenud af vandet. De flyder helt enkelt på grund af is’ lavere vægtfylde end vands.

Af samme årsag oplever vi hver vinter, at vandrør sprænges, når vandet i dem er frosset til is og har udvidet sig. Det er kolossale kræfter, vi her er oppe imod. Så store, at de uden problemer sprænger selv et tykt jernrør. Så forstår man måske bedre, hvorfor cykloner og tropiske stormvejr kan være så voldsomme. De bruger alle vands indbyggede energi som brændstof i processen.

Sne- og iskrystaller er nok det smukkeste resultat af vands overgang til fast form. De kan studeres på hver en rude, når kombinationen af temperatur og luftfugtighed er passende. Og de kan antage alle tænkelige former – fra enkle isnåle ved få frostgrader til rigtige stjerner ved flere frostgrader. Det er tilsyneladende denne medfødte tilbøjelighed til at danne smukke, rumlige og komplekse strukturer ved overgangen fra flydende til fast form, som gør, at is fylder mere end vand.

En vandrehistorie er i den forbindelse, at ikke to iskrystaller er ens. At de helt enkelt ikke kan være det. Well, det er jo en påstand, som er ganske umulig at bevise, men en sjov tanke er det da. Så er det ligesom lidt nemmere at overbevise eventuelle tvivlere om, at en gedde eksempelvis har 8.000 tænder i munden. De kan jo bare tælle efter – hvis de altså gider!

IMG_0312

Der kunne skrives mange og tykke bøger om netop vand og dets fortræffeligheder. Men endnu er det vist kun lykkedes et enkelt menneske at gå på vandet – hvis der altså ikke lige er  is på vandet og låg på søerne. Så kan de fleste gøre ham kunsten efter – hvis de ellers tør og isen er tyk nok.

En tommelfingerregel siger, at isen skal være mindst 10 cm tyk for at kunne bære vægten af et voksent menneske. Politiet siger, at den skal være mindst 14 cm, førend de åbner op for færdsel på den. Og er der bare den mindste strøm under isen, stiger mindstetykkelsen til 18 cm. Og selv da skal man holde øje med eventuelle våger på isen. Det er steder med tynd is og måske endda vand over den. Kun en tåbe frygter ikke sådanne steder!

Lægger isen sig på stille, frostklare nætter uden sne, kan man opleve den smukkeste is, der er så klar, at man tydeligt kan se igennem den – ned i vandet til fiskene. Enhver isfisker kender fascinationen, når en stor fisk har taget krogen og første gang viser sig under isen. Det er et imponerende syn. Normalt vil isen dog være mere eller mindre uklar – primært på grund af indfrosne luftbobler fra uroligt vand under nedkølingen.

Årtusinder i ét glas…

Har man været et smut på Grønland, vil man måske have oplevet små isskosser, der ikke er lyst turkisblå, som isbjerge ellers har for vane. Skosser, som i stedet er blåsorte at se på, men alligevel helt rene og klare indeni. Det er et syn, man godt kan dvæle lidt ved. Her er man nemlig vidne til noget, der har været undervejs i tusinder af år. Det er ikke sne, som er faldet i fjor, men sne fra en ganske anden tidsalder.

Det er nemlig sne, som er faldet på toppen af den mægtige indlandsis længst inde på Grønland, og som siden er blevet dækket af lag på lag på lag af nye snefald. Vinter efter vinter. Århundrede efter århundrede. Til sidst er det havnet en kilometer eller mere nede under de efterfølgende snelag, hvor det nu ligger under et enormt tryk. Så højt, at sneen bliver komprimeret til den såkaldte “sortis” – ikke at forveksle med den farlige udgave, man kan opleve på asfaltvejene hernede i Danmark.

Sortis har en vidunderlig egenskab, som ingen seriøs whisky-drikker bør snyde sig selv for: Tager man et stykke af den blåsorte is og putter det ned i glasset med whisky, smelter det med den herligste poppende lyd. Lyden stammer fra den hårdt komprimerede is, der giver sig i den varme væske. Et glas og en oplevelse, der har været på vej til dig i tusinder af år.

– Så skål på det. Længe leve klar is og rent vand!

© 2012 Steen Ulnits

IMG_0337


Relaterede artikler:

Pluto og planeterne

Solsystemet

Landingen på en komet

Solunar-teorien

Facts om fuldmåner

Drivhuseffekten

Grundstofferne