kirjoittanut
Tilaa kuukausittainen uutiskirjeemme vedestä
Saatamme lähettää sinulle sähköpostia, jos meillä on jotain uutisoinnin arvoista, jonka vesiensuojelun ammattilaisemme ovat kirjoittaneet
Tässä artikkelissa selitetään fysiikka taustalla, tarjotaan täydellinen saturaatiotaulukko ja käsitellään asian merkitystä vesiviljelylle (akvakulttuurille), vesiviljelylle (hydroponiikalle), kastelulle ja lammille. Se myös selittää, miksi veteen voidaan liuottaa paljon enemmän happea kuin pelkkä ilma mahdollistaa.
Fysiikka: miksi lämpötila säätelee hapen liukoisuutta
Happi liukenee veteen vain heikosti. O₂-molekyylit ovat poolittomia, ja niitä pitävät liuoksessa heikot molekyylien väliset voimat, eivät kemialliset sidokset. Vesimolekyylit järjestäytyvät kunkin liuenneen O₂-molekyylin ympärille, ja tämän järjestäytymisen muodostuminen vapauttaa hieman energiaa. Toisin sanoen hapen liukeneminen on eksotermistä.
Le Chatelier'n periaatteen mukaan, kun tasapainossa olevaan järjestelmään tuodaan lämpöä, tasapaino siirtyy suuntaan, joka sitoo lämpöä. Liuenneen hapen kohdalla tämä suunta on hapen poistuminen vedestä. Asiaan liittyy myös yksinkertainen molekyylitason kuva. Lämpimämmässä vedessä liuenneilla happimolekyyleillä on enemmän kineettistä energiaa, joten useammalla niistä on riittävästi energiaa vapautuakseen ja paeta pinnan kautta. Niitä liuoksessa pitävillä heikoilla voimilla on vähemmän merkitystä.
Tämän seurauksena jokainen veden lämpötilan nousu alentaa hapen enimmäismäärää, jonka vesi voi pitää tasapainossa ilman kanssa. Tätä enimmäismäärää kutsutaan kyllästyspitoisuudeksi (saturaatiokonsentraatioksi).
Miten Henryn laki liittyy tähän
Henryn lain mukaan nesteeseen liuenneen kaasun määrä on verrannollinen kyseisen kaasun osapaineeseen nesteen yläpuolella:
C = k_H × p
Lämpötila ei esiinny itse laissa. Se muuttaa vakiota k_H, joka laskee veden lämmetessä. Tämä on edellä kuvattu vaikutus.
Lain osapaineosuus on aivan yhtä tärkeä, ja se jätetään usein huomiotta. Ilmassa on vain noin 21 % happea. Jos vesi altistetaan kaasulle, jossa on enemmän happea kuin ilmassa, kyllästysraja nousee suhteessa tähän. Palaamme tähän jäljempänä.
Kuinka paljon happea vesi pidättää kussakin lämpötilassa?
Makea vesi kyllästettynä ilmalla merenpinnan tasolla (760 mmHg), yksikössä mg/l:
°C | mg/l | °C | mg/l | °C | mg/l |
|---|---|---|---|---|---|
0 | 14.6 | 12 | 10.8 | 24 | 8.4 |
1 | 14.2 | 13 | 10.5 | 25 | 8.3 |
2 | 13.8 | 14 | 10.3 | 26 | 8.1 |
3 | 13.5 | 15 | 10.1 | 27 | 8.0 |
4 | 13.1 | 16 | 9.9 | 28 | 7.8 |
5 | 12.8 | 17 | 9.7 | 29 | 7.7 |
6 | 12.4 | 18 | 9.5 | 30 | 7.6 |
7 | 12.1 | 19 | 9.3 | 31 | 7.4 |
8 | 11.8 | 20 | 9.1 | 32 | 7.3 |
9 | 11.6 | 21 | 8.9 | 33 | 7.2 |
10 | 11.3 | 22 | 8.7 | 34 | 7.1 |
11 | 11.0 | 23 | 8.6 | 35 | 7.0 |
Arvot perustuvat USGS DO -taulukoissa käytettyihin Benson & Krause (1984) -yhtälöihin.
Kuvio on jyrkkä alhaisissa lämpötiloissa ja tasaisempi korkeissa, mutta hävikki on merkittävä koko alueella. Lämpeneminen 10 °C:sta 30 °C:seen leikkaa happikapasiteettia noin kolmanneksella. Lämpeneminen 20 °C:sta 30 °C:seen leikkaa sitä noin 17 %.
Kaksi muuta tekijää muuttaa näitä lukuja:
Suolaisuus. Liuenneet suolat vähentävät hapen liukoisuutta. Täyssuolainen merivesi sisältää noin 19 % vähemmän happea kuin makea vesi samassa lämpötilassa, noin 7.4 mg/l 20 °C:ssa. Meri- ja murtovesiviljelyjärjestelmät lähtevät liikkeelle pienemmällä marginaalilla.
Korkeus merenpinnasta. Alempi ilmanpaine tarkoittaa alempaa hapen osapainetta. Kyllästyspitoisuus laskee noin 1.2 % jokaista 100 metrin korkeuden nousua kohden merenpinnan lähellä. 500 metrissä se on noin 94 % merenpinnan arvosta ja 1 000 metrissä noin 89 %.
Lämmin vesi myös kuluttaa happea nopeammin
Kyllästysraja on vain puolet tarinasta. Kalat, selkärangattomat, bakteerit, levät ja kasvien juuret ovat enimmäkseen vaihtolämpöisiä tai lämpötilasta riippuvaisia. Monilla niistä aineenvaihduntanopeus suunnilleen kaksinkertaistuu jokaista 10 °C:een lämpötilan nousua kohden.
Lämpimässä vedessä kalat hengittävät tiheämmin ja kuluttavat enemmän happea kiloa kohden. Bakteerit hajottavat orgaanista ainesta, kuten rehua, lantaa ja kuollutta levää nopeammin, ja ne kuluttavat happea tehdessään sitä. Juuret hengittävät nopeammin ja tarvitsevat enemmän happea jatkaakseen ravinteiden ottoa. Patogeenit ja biofilmit kasvavat nopeammin, mikä lisää kysyntää entisestään.
Joten lämmin vesi sisältää vähemmän happea samalla kun sitä kulutetaan enemmän. Tästä syystä liuenneen hapen romahdukset keskittyvät kesään. Ne ovat vakavimpia suljetuissa, tiheään asutetuissa tai runsasravinteisissa järjestelmissä, joissa hapen tarve voi ylittää sen, mitä pinta pystyy korvaamaan ilmasta.
Mitä se tarkoittaa käytännössä
Vesiviljely ja lammet
Kalan happistressi ilmenee kauan ennen näkyvää kuolemaa. Vähentynyt syönti, heikompi rehun hyötysuhde, hitaampi kasvu ja suurempi alttius sairauksille ilmenevät tyypillisesti, kun liuennut happi laskee noin 5 mg/l tasolle. Kylmän veden lajeja, kuten kirjolohia, pidetään yleensä yli 6–7 mg/l pitoisuudessa. Monet lämpimän veden lajit selviävät alhaisemmissa pitoisuuksissa, mutta kasvavat silti huonommin.
Ulkolammissa vaarallisin hetki on yleensä juuri ennen aamunkoittoa. Päivällä levät yhteyttävät ja tuottavat happea. Yöllä kaikki eliöt vain kuluttavat sitä. Kuuma, tyyni yö pilvisen päivän jälkeen, jolloin yhteyttämistä puskurin luomiseksi on ollut vähän, on klassinen asetelma kesäiselle kalakuolemalle.
→ Katso aquaculture- ja lakes & ponds -sivumme.
Vesiviljely (hydroponiikka) ja kastelu
Kasvien juuret tarvitsevat happea hengitykseen. Hengitys antaa energiaa aktiiviselle ravinteiden otolle. Kun liuennut happi laskee, juuret kärsivät energiapulasta, ravinteiden otto hidastuu ja juuristo muuttuu alttiimmaksi vaurioille.
Lämmin, vähähappinen vesi suosii myös Pythium-sientä ja muita juurimätää aiheuttavia taudinaiheuttajia. Monet viljelijät pyrkivät tästä syystä pitämään ravinneliuokset alle 22–24 °C:ssa. Tämän alueen yläpuolella alhaisemman hapen, suuremman juuriston tarpeen ja nopeamman taudinaiheuttajien kasvun yhdistelmä nostaa riskiä jyrkästi.
Voiko lämpimään veteen saada enemmän happea kuin ilma sallii?
Kyllä, ja tässä Henryn laki toimii eduksesi.
Ilman kanssa kosketuksissa oleva vesi voi saavuttaa vain taulukon mukaiset kyllästysarvot. Tämä raja johtuu ilman noin 21 % happipitoisuudesta, ei vedestä itsestään. Jos liuotat puhdasta happea ilman sijaan, osapaine nousee lähes viisinkertaiseksi, ja samoin käy kyllästysrajalle. 20 °C:ssa puhtaan hapen kanssa tasapainossa oleva vesi voi sisältää noin 43 mg/l happea 9.1 mg/l sijaan.
Käytännössä sinun ei tarvitse saavuttaa tätä kattoa. Happirikastetun kaasun tehokas syöttö mahdollistaa liuenneen hapen pitämisen terveellä tasolla vedessä, joka on liian lämmintä pärjätäkseen omillaan. Voit jopa pitää veden kohtalaisen ylikylläisenä. Kaksi tekijää määrittää, kuinka hyvin tämä toimii:
Hapen lähde. Paikan päällä olevat happigeneraattorit, jotka käyttävät paineinvaihtoadsorptiota (PSA), tuottavat tiivistettyä happea ympäröivästä ilmasta. Katso miten molekyyliseulalla varustettu happigeneraattori toimii.
Kuplan koko. Suuret kuplat nousevat nopeasti ja halkeavat pinnalla, joten suuri osa kaasusta karkaa liukenematta. Pienemmät kuplat tarjoavat paljon enemmän pinta-alaa kaasuyksikköä kohden ja nousevat hitaammin, joten ne siirtävät enemmän happea ennen pintaan pääsyä. Ultrahienot kuplat, joita usein kutsutaan nanokupliksi, vievät tämän pisimmälle. Lue lisää aiheesta ultrahienot kuplat.
Yksi varoitus: vesi, joka on ylikyllästetty ilmaan nähden, vapauttaa hitaasti ylimääräisen happensa avoimella pinnalla. Happeytys avoimissa järjestelmissä on siksi jatkuva prosessi, ei kertaluonteinen käsittely.
Entä veden jäähdyttäminen?
Jäähdyttäminen nostaa kyllästysrajaa, ja pienissä säiliöissä tai kiertovesijärjestelmissä se voi olla kannattavaa. Vaikutus on kuitenkin maltillinen. Pudotus 25 °C:sta 20 °C:seen nostaa kapasiteettia noin 10 %. Jäähdyttäminen ei myöskään itsessään lisää happea; se vain nostaa kattoa, jonka ilmastus tai happeytys voi sitten täyttää. Suurten vesimäärien jäähdyttäminen on energiaintensiivistä, ja se on usein epäkäytännöllistä lammille, kastelulinjoille tai ulkoaltaille. Useimmille toiminnoille realistisempi strategia on jäähdyttää siellä, missä se on halpaa, ja happeyttää siellä, missä se ei ole.
Mittaa se: mg/l vs %-kyllästysaste
Koska kylläisyys riippuu lämpötilasta, liuenneen hapen lukema merkitsee vähän, ellet tiedä myös lämpötilaa. Useimmat happianturit ilmoittavat molemmat:
mg/l on kalojen ja juurien käytettävissä olevan hapen absoluuttinen määrä. Tämä on luku, johon biologiset kynnysarvot viittaavat.
%-kyllästysaste kertoo, kuinka täynnä vesi on suhteessa sen rajatilaan nykyisessä lämpötilassa, suolaisuudessa ja paineessa. 100 % 30 °C:ssa on silti vain noin 7.6 mg/l.
Lampi voi näyttää tervettä 95 % kyllästysastetta kuumana iltapäivänä ja olla silti lähellä stressitasoja mg/l-yksikössä mitattuna. Liuenneen hapen ja lämpötilan jatkuva mittaus ja tallennus, sen sijaan että otettaisiin vain yksittäinen pistekoe, on ainoa luotettava tapa havaita aamuyön matalat tasot ja lämpötilan aiheuttamat pudotukset ennen kuin ne aiheuttavat vahinkoja.
→ Waboost-vesianturit tallentavat liuenneen hapen määrää ja lämpötilaa jatkuvasti ja lähettävät tiedot suorana Waboost Cloud -palveluun hälytyksineen.
Usein kysytyt kysymykset
Eikö kuumassa vedessä ole lainkaan happea?
Ei. 35-asteisessa vedessä, joka on kosketuksissa ilman kanssa, on edelleen noin 7 mg/l happea. Keittäminen ajaa suurimman osan liuenneesta kaasusta ulos, mutta tavallinen lämmin vesi sisältää aina jonkin verran happea. Se vain sitoo sitä vähemmän kuin kylmä vesi.
Miksi kylmä vesi pidättää enemmän happea?
Hapen liukeneminen vapauttaa lämpöä, joten alemmat lämpötilat suosivat hapen pysymistä liuenneena. Kylmässä vedessä liuenneilla happimolekyyleillä on myös vähemmän energiaa karkautua.
Mikä on turvallinen liuenneen hapen taso kaloille?
Se riippuu lajista. Karkeana ohjeena voidaan pitää, että useimmat viljelykalat menestyvät parhaiten yli 5 mg/l pitoisuuksissa ja kylmän veden lajit, kuten kirjolohi, yli 6–7 mg/l pitoisuuksissa.
Voiko vesi sisältää yli 100 % liuennutta happea?
Kyllä. Yhteyttäminen aurinkoisina päivinä tai happeytys tiivistetyllä hapella voi ylikyllästää veden suhteessa ilmaan. Ilman jatkuvaa syöttöä ylimäärä karkaa vähitellen pinnan kautta.
Johtopäätös
Lämmin vesi sisältää vähemmän liuennutta happea kahdesta syystä. Hapen liukeneminen on eksotermistä, joten korkeammat lämpötilat siirtävät tasapainoa kaasufaasia kohti, ja lämpimämmät molekyylit karkaavat pinnalta helpommin. Lämpimät olosuhteet myös nopeuttavat hapen kulutusta jokaisen vedessä olevan eliön toimesta. Tuloksena on hupeneva tarjonta, joka kohtaa kasvavan kysynnän, mikä selittää kesäiset kalakuolemat, juurimädän lämpimissä säiliöissä ja lämpöstressistä kärsivät sadot.
Ilma asettaa rajan liuenneelle hapelle, mutta sen ei tarvitse olla niin. Mittaamalla liuennutta happea jatkuvasti ja syöttämällä tiivistettyä happea riittävän pieninä kuplina tehokasta liukenemista varten voit pitää happitasot terveinä silloinkin, kun vesi on lämmintä.
Lähteet: Benson, B.B. & Krause, D. (1984), Limnology and Oceanography 29(3), 620–632; USGS Office of Water Quality, DOTABLES; APHA Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 4500-O.
