Perché l'acqua calda trattiene meno ossigeno disciolto
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Esperto e imprenditore esperto in tecnologia dell'acqua con vasta esperienza nello sviluppo tecnologico, nel trasferimento di tecnologia e nella gestione della conoscenza nel settore idrico. MBA presso EMLYON Business School, destinatario del Premio Sloveno per l'Innovazione
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Questo articolo spiega la fisica, fornisce una tabella di saturazione completa e illustra cosa significa per l'acquacoltura, l'idroponica, l'irrigazione e i laghetti. Spiega inoltre perché è possibile immettere in acqua molto più ossigeno di quanto ne consenta l'aria da sola.
La fisica: perché la temperatura controlla la solubilità dell'ossigeno
L'ossigeno è solo leggermente solubile in acqua. Le molecole di O₂ sono non polari e sono trattenute in soluzione da deboli forze intermolecolari, non da legami chimici. Le molecole d'acqua si dispongono attorno a ciascuna molecola di O₂ disciolta e la formazione di tale disposizione rilascia una piccola quantità di energia. In altre parole, la dissoluzione dell'ossigeno è esotermica.
Il principio di Le Chatelier afferma che quando si apporta calore a un sistema in equilibrio, l'equilibrio si sposta nella direzione che assorbe calore. Per l'ossigeno disciolto, tale direzione corrisponde all'ossigeno che lascia l'acqua. Vi è anche una semplice rappresentazione molecolare. In acqua più calda, le molecole di ossigeno disciolto hanno una maggiore energia cinetica, per cui un numero maggiore di esse possiede l'energia sufficiente per svincolarsi ed evaporare in superficie. Le deboli forze che le trattengono in soluzione contano meno.
Il risultato è che ogni aumento della temperatura dell'acqua abbassa la quantità massima di ossigeno che l'acqua può trattenere in equilibrio con l'aria. Questo massimo è chiamato concentrazione di saturazione.
Dove si colloca la Legge di Henry
La Legge di Henry stabilisce che la quantità di gas disciolto in un liquido è proporzionale alla pressione parziale di quel gas al di sopra del liquido:
C = k_H × p
La temperatura non compare nella legge in sé. Essa modifica la costante k_H, che diminuisce con il riscaldamento dell'acqua. Questo è l'effetto descritto sopra.
La parte della legge relativa alla pressione parziale è altrettanto importante e viene spesso trascurata. L'aria contiene solo il 21% circa di ossigeno. Se l'acqua viene esposta a un gas con una percentuale di ossigeno superiore a quella dell'aria, il limite di saturazione aumenta proporzionalmente. Su questo punto torneremo più avanti.
Quanto ossigeno trattiene l'acqua a ciascuna temperatura?
Acqua dolce satura di aria a livello del mare (760 mmHg), in 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 |
Valori basati sulle equazioni di Benson & Krause (1984) utilizzate nelle tabelle DO dell'USGS.
La curva è ripida alle basse temperature e più piatta alle alte, ma la perdita è significativa in tutto l'intervallo. Il riscaldamento da 10°C a 30°C riduce la capacità di ossigeno di circa un terzo. Il riscaldamento da 20°C a 30°C la riduce di circa il 17%.
Altri due fattori modificano questi numeri:
Salinità. I sali disciolti riducono la solubilità dell'ossigeno. L'acqua marina a piena salinità trattiene circa il 19% in meno di ossigeno rispetto all'acqua dolce alla stessa temperatura, circa 7.4 mg/L a 20°C. I sistemi di acquacoltura marina e salmastra partono con un margine inferiore.
Altitudine. Una pressione atmosferica inferiore significa una pressione parziale dell'ossigeno inferiore. La saturazione diminuisce di circa l'1.2% ogni 100 m di altitudine vicino al livello del mare. A 500 m è pari a circa il 94% del valore a livello del mare e a 1.000 m a circa l'89%.
L'acqua calda consuma anche ossigeno più rapidamente
Il limite di saturazione è solo metà della storia. Pesci, invertebrati, batteri, alghe e radici delle piante sono per lo più a sangue freddo o dipendenti dalla temperatura. Per molti di essi, il tasso metabolico raddoppia approssimativamente per ogni aumento di 10°C.
In acqua calda, i pesci respirano più faticosamente e consumano più ossigeno per chilogrammo. I batteri decompongono più rapidamente la materia organica come mangime, letame e alghe morte, consumando ossigeno durante il processo. Le radici respirano più velocemente e hanno bisogno di più ossigeno per continuare ad assorbire i nutrienti. Patogeni e biofilm crescono più rapidamente, aumentando ulteriormente la richiesta.
Quindi l'acqua calda trasporta meno ossigeno proprio mentre ne viene consumato di più. Questo è il motivo per cui i cali di DO si concentrano in estate. Sono più gravi nei sistemi chiusi, densamente popolati o ricchi di nutrienti, dove la domanda di ossigeno può superare la quantità che la superficie è in grado di ripristinare dall'aria.
Cosa significa in pratica
Acquacoltura e laghetti
Lo stress da ossigeno nei pesci si manifesta molto prima di una mortalità visibile. Riduzione dell'alimentazione, peggiore conversione del mangime, crescita più lenta e maggiore suscettibilità alle malattie compaiono tipicamente quando il DO scende verso circa 5 mg/L. Le specie d'acqua fredda come la trota sono solitamente mantenute sopra i 6–7 mg/L. Molte specie d'acqua calda sopravvivono a livelli inferiori ma crescono comunque meno bene.
Nei laghetti all'aperto, il momento più pericoloso è solitamente poco prima dell'alba. Durante il giorno, le alghe effettuano la fotosintesi e aggiungono ossigeno. Di notte, tutti gli organismi non fanno altro che consumarlo. Una notte calda e priva di vento dopo una giornata nuvolosa, con scarsa fotosintesi per creare una riserva, è lo scenario classico per una moria estiva di pesci.
→ Vedere le nostre pagine su acquacoltura e laghi e stagni.
Idroponica e irrigazione
Le radici delle piante hanno bisogno di ossigeno per la respirazione. La respirazione alimenta l'assorbimento attivo dei nutrienti. Quando il DO cala, le radici rimangono prive di energia, l'assorbimento dei nutrienti rallenta e il tessuto radicale diventa più vulnerabile.
L'acqua calda e povera di ossigeno favorisce anche il Pythium e altri patogeni del marciume radicale. Per questo motivo, molti coltivatori mirano a mantenere le soluzioni nutritive al di sotto di circa 22–24°C. Al di sopra di questo intervallo, la combinazione di minor ossigeno, maggiore fabbisogno radicale e crescita più rapida dei patogeni aumenta notevolmente il rischio.
Si può immettere più ossigeno nell'acqua calda di quanto ne consenta l'aria?
Sì, ed è qui che la Legge di Henry gioca a vostro favore.
L'acqua a contatto con l'aria può raggiungere solo i valori di saturazione indicati in tabella. Questo limite deriva dal contenuto di ossigeno dell'aria (pari a circa il 21%), non dall'acqua stessa. Se si scioglie ossigeno puro anziché aria, la pressione parziale aumenta di quasi cinque volte, e così fa il limite di saturazione. A 20°C, l'acqua in equilibrio con ossigeno puro può trattenere circa 43 mg/L anziché 9.1 mg/L.
In pratica, non è necessario raggiungere tale limite massimo. Fornire in modo efficiente gas arricchito di ossigeno consente di mantenere il DO a livelli salubri in acque troppo calde per gestirlo autonomamente. È persino possibile mantenere l'acqua moderatamente sovrasatura. Due fattori determinano il successo di questo processo:
Fonte di ossigeno. I generatori di ossigeno in loco che utilizzano l'adsorbimento a oscillazione di pressione (PSA) producono ossigeno concentrato a partire dall'aria ambiente. Vedere come funziona un generatore di ossigeno con letti di setacci.
Dimensione delle bolle. Le bolle grandi salgono rapidamente e scoppiano in superficie, per cui gran parte del gas sfugge non disciolto. Le bolle più piccole offrono un'area superficiale molto maggiore per unità di gas e salgono più lentamente, trasferendo così più ossigeno prima di raggiungere la superficie. Le bolle ultrafini, spesso chiamate nanobolle, portano questo principio all'estremo. Maggiori informazioni sulle bolle ultrafini.
Un'avvertenza: l'acqua sovrasatura rispetto all'aria rilascerà lentamente l'ossigeno in eccesso su una superficie aperta. L'ossigenazione nei sistemi aperti è quindi un processo continuo, non un trattamento una tantum.
E per quanto riguarda il raffreddamento dell'acqua?
Il raffreddamento aumenta il limite di saturazione, e in piccoli serbatoi o sistemi a ricircolo può valerne la pena. L'effetto è tuttavia modesto. Scendere da 25°C a 20°C aumenta la capacità di circa il 10%. Inoltre, il raffreddamento non aggiunge ossigeno da solo; innalza solo il limite massimo che l'aerazione o l'ossigenazione possono poi colmare. Refrigerare grandi volumi d'acqua richiede molta energia ed è spesso impraticabile per laghetti, linee di irrigazione o vasche all'aperto. Per la maggior parte delle operazioni, raffreddare dove è economico e ossigenare dove non lo è rappresenta la strategia più realistica.
Misurarlo: mg/L vs % di saturazione
Poiché la saturazione dipende dalla temperatura, una lettura del DO significa poco se non si conosce anche la temperatura. La maggior parte dei sensori di DO riporta entrambe:
mg/L è la quantità assoluta di ossigeno disponibile per pesci e radici. Questo è il numero a cui fanno riferimento le soglie biologiche.
% di saturazione indica quanto l'acqua sia satura rispetto al suo limite alla temperatura, salinità e pressione attuali. Il 100% a 30°C è comunque pari a circa 7.6 mg/L.
Un laghetto può registrare un valore salubre del 95% di saturazione in un pomeriggio caldo e trovarsi comunque vicino a livelli di stress in mg/L. Registrare il DO e la temperatura in modo continuo, anziché effettuare una singola lettura puntuale, è l'unico modo affidabile per individuare i minimi prima dell'alba e i cali dovuti al caldo prima che causino perdite.
→ I sensori per l'acqua Waboost registrano continuamente il DO e la temperatura e trasmettono i dati al Cloud Waboost con relativi avvisi.
Domande frequenti
L'acqua calda è completamente priva di ossigeno?
No. L'acqua a 35°C a contatto con l'aria trattiene comunque circa 7 mg/L. L'ebollizione espelle la maggior parte del gas disciolto, ma la normale acqua calda contiene sempre un po' di ossigeno. Semplicemente ne trattiene meno rispetto all'acqua fredda.
Perché l'acqua fredda trattiene più ossigeno?
La dissoluzione dell'ossigeno rilascia calore, pertanto temperature più basse favoriscono la permanenza dell'ossigeno allo stato disciolto. Inoltre, le molecole di ossigeno disciolto nell'acqua fredda hanno meno energia per fuoriuscire.
Qual è un livello sicuro di ossigeno disciolto per i pesci?
Dipende dalle specie. Come guida generale, la maggior parte dei pesci d'allevamento cresce al meglio al di sopra di circa 5 mg/L, e le specie d'acqua fredda come la trota al di sopra di circa 6–7 mg/L.
L'acqua può trattenere più del 100% di ossigeno disciolto?
Sì. La fotosintesi nei giorni soleggiati o l'ossigenazione con ossigeno concentrato possono sovrasaturare l'acqua rispetto all'aria. Senza un apporto continuo, l'eccesso svanisce gradualmente in superficie.
Conclusione
L'acqua calda trattiene meno ossigeno disciolto per due ragioni. La dissoluzione dell'ossigeno è esotermica, pertanto temperature più elevate spostano l'equilibrio verso la fase gassosa, e le molecole più calde sfuggono più facilmente dalla superficie. Le condizioni calde accelerano inoltre il consumo di ossigeno da parte di ogni organismo presente nell'acqua. Il risultato è una fornitura in calo a fronte di una domanda in crescita, il che spiega le morie estive di pesci, il marciume radicale nei serbatoi caldi e i raccolti stressati dal calore.
L'aria stabilisce il limite massimo per l'ossigeno disciolto, ma non deve necessariamente essere così. Misurando continuamente il DO ed erogando ossigeno concentrato in bolle abbastanza piccole da dissolversi in modo efficiente, è possibile mantenere i livelli di ossigeno salubri anche quando l'acqua è calda.
Fonti: 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.
