Priredili: Miroslav Doderović, Zdravko Ivanović
Gustina se definiše kao masa po jedinici zapremine ili koliko je teško nešto u odnosu na svoj oblik. Jedinice gustine se predstavljaju u gramima po kubnom centimetru (g/cm3), sa tim da čista voda ima gustinu 1,0 g/cm3. Gustina
čiste vode je 1000 grama po kubnom centimetru (g/cm3) na 4°C, koja stižu kao standard pomoću koga se mjeri gustina svih ostalih
supstanci. Gustina je važna osobina vode zbog toga što razlika u gustini čini da mase vode plutaju ili tonu, na taj način određujući vertikalnu poziciju i pokret masa okeanskih voda. Na primjer, ako je morska voda sa gustinom od 1,030 g/cm3 dodata čistoj vodi sa gustinom od 1000 g/cm3, gušća voda će potonuti ispod čiste vode. Okeanska voda je raspoređena po slojevima sa istom gustinom. Pošto gušća voda tone, voda sa niskom gustinom postoji blizu površine a gušća voda se nalazi ispod. Izuzetak su samo neka rijetka ostrvska mora gdje je visoka količina isparavanja. Voda sa većom gustinom se nalazi u najdubljim djelovima okeana. Morska voda sadrži u sebi razne rastvorene supstance koje povećavaju njenu gustinu u poređenju sa čistom vodom. Na otvorenom okeanu, gustina morske vode se kreće između 1.022 i 1.030 g/cm3 (u zavisnosti od saliniteta). Za razliku od čiste vode, gustina morske vode se povećava sa približavanjem tački mržnjenja, i dostiže svoju maksimalnu gustinu na –1,3 oC. Na gustinu vode utiču temperatura, salinitet i pritisak. Za većinu supstanci važi pravilo da što su hladnije to su gušće. Na primjer, hladni vazduh je gušći i teži. Ovaj porast gustine se dešava jer isti broj molekula zauzima manje prostora, pri hlađenju gubi energiju, i kretanje molekula se usporava. Ova stanja, poznata kao termalna skupljanja, se dešavaju takođe i u vodi, ali smo do određene tačke.
Dok se voda hladi, postaje gušća – sve dok temperatura opada do oko 4 °C. Dok se temperatura vode smanjuje od 4 do 0 °C, i njena gustina se smanjuje. Drugim riječima, voda prestaje da se skuplja i počinje da se širi. Ovo je veoma neobično i jedinstveno među svim ostalim supstancama na Zemlji. Rezultat, tj. posljedica ovog je da led ima veću zapreminu nego tečna voda, a samim tim ima manju gustinu. Znači, led pluta po vodi. Kod ostalih supstanci čvrsto stanje je gušće od tečnog stanja, pa zato čvrsta tijela tonu. Neuobičajno ponašanje zamrznute vode može se objasniti samo ako prvo razmatrimo molekularnu strukturu vode i njene vodonične veze. Kristali leda su ”velika”,otvorene šestostrane strukture u koje se molekuli vode mogu umetnuti. Njegov oblik ukazuje na heksagonalnu molekularnu strukturu koja je uzrokovana vodoničnim vezama, koje se razvijaju između molekula vode. Povećavanje obima kristala leda pri približavanju temperaturi tačke mržnjenja, posledica je smanjivanja gustine vode ispod 4°C. Dok se voda u potpunosti zamrzne, gustina leda je samo oko 90 % od vode na 4 °C. Kada se voda zamrzava, postaje mnogo gušća formiranjem rasporeda molekula uslovljenog vodoničnim vezama vode. Povezano sa nižim gustinama dok voda prelazi u led je i porast zapremine za oko 9 %. Svako ko je stavio piće u hladnjak na samo nekoliko minuta da bi ga ohladio i bio nemaran pa zaboravio na njega, iskusio je da se zapremina povećala sa širenjem vode dok se hladila – obično imajući za rezultat pucanje posude sa pićem. Mnogo ozbiljniji problem, pri niskim temperaturama, dešava se u cijevima za vodu, zbog zamrzavanja vode, što izaziva pucanje cijevi. Snaga širenja leda je toliko jaka da može razbiti čak i stijene, asfaltne puteve i pločnike.
Voda na temperaturi 4°C je gušća i od toplije i od hladnije vode i kao takva će potonuti, stvarajući vertikalno strujanje u okeanu. Na suprot ovom, voda bilo na višoj ili nižoj temperaturi će plutati takođe stvarajući vertikalno strujanje. Temperatura na kojoj je svježa voda najgušća, 4°C, može biti smanjena na dva načina. Povećavanje pritiska na vodu će smanjiti temperaturu maksimalne gustine, zato soli sprečavaju fomiranje vodoničnih veza. U oba slučaja, formiranje velikih kristala leda je spriječeno. Prema tome, da bi se proizveo kristal jednak po obliku onima koji se mogu stvarati na 4 °C stepena u svježoj vodi, mora biti uklonjeno više energije, prouzrokujući redukciju u temperaturi maksimalne gustine. Zbog ovoga većina morske vode nikada ne zamrzava, sem blizu Zemljinih hladnih polova (pa čak i onda samo na površini). U hladnim oblastima na kopnu slična strategija se koristi za rasipanje soli na puteve i pločnike tokom zime. Dodavanjem soli se smanjuje tačka mržnjenja vode. Tri faktora utiču na gustinu morske vode: temperatura, salinitet i pritisak;
i to na sledeći način:
· sa porastom temperature i gustina opada (kao posljedica termičkog širenja)
· sa porastom saliniteta, gustina raste (kao posljedica dodavanja još više rastvorenih materija)
· sa porastom pritiska, raste i gustina (kao posljedica sažimajućih efekata pritiska)
Od navedenih faktora, pritisak ima najmanji uticaj na gustinu jer je voda skoro bez pritiska. U stvari, voda se smatra za fluid bez pritiska za inžinjerijske svrhe. Za razliku od vazduha, koji može biti sabijen i stavljen u boce za dubinsko ronjenje, voda se ne može sabijati. Pritisak je faktor samo onda kada se veoma visoki pritisci susrijeću u dubokim okeanskim rovovima, gdje je gustina morske vode samo oko 5 % veća nego na površini okeana. Znači, pritisak je najslabiji faktor i koji može u mnogome da se ignoriše.
Ostala dva faktora, salinitet i temperatura, su mnogo važniji. Temperatura je važniji faktor koji utiče na gustinu morske vode. Samo u ekstremnim polarnim oblastima okeana, gdje temperature ostaju relativno konstantne, salinitet ima veći uticaj na gustinu. Pored toga, hladna voda koja takođe ima visok salinitet je voda sa najvećom gustinom. Na primjer, gustina koja se mijenja u temperaturnom aspektu od 20 do 25 °C je 0,0012 g/cm3, upoređeno sa promjenom od samo 0,0004 g/cm3 kroz jednaki opseg na nižim temperaturama od 0 do 5°C. Znači, promjena u temperaturni toplih, niskih oblasti, voda ima oko tri puta veći efekat na gustinu nego ista promjena temperature koja se dešava u hladnim, visokim oblastima, vodama.
Zatim ukoliko je morska voda toplija, ona se širi, te prema tome postaje lakša, a samim tim i njena gustina manja. Naprotiv, ukoliko je morska voda hladnija, ona se skuplja, te prema tome postaje teža. Otuda i toplije morske vode pri istoj sadržini soli imaju manju specifičnu težinu od hladnih. Na kraju, gustina morske vode povećava se i sa njenom dubinom usled velikog pritiska koji vrše gornji slojevi vode. Tako je na pr. izračunato da jedan litar morske vode iz najveće dubine teži na dnu 1071,2 grama, dok bi litar vode pri istoj količini soli kao i pri istoj temperaturi težio na površini mora, oslobodivši se pritiska samo 1027,7 gr. Gustina utiče tako da se zvučni talasi u moru šire skoro pet puta brže nego u vazduhu. Međutim, gustina morske vode ima naročito veliki značaj za njegov životinjski svijet, a isto tako i za saobraćaj pošto ona na ovaj način ne samo što omogućava lakšu plovidbu nego istovremeno povećava nosivost brodova. Raspodjela gustine na površini Svjetskog mora povećava se od ekvatora prema višim geografskim širinama. U pravcima odgovarajućih pasatnih vjetrova primijećen je porast gustine i taj trend se nastavlja u smjeru geografskih polova. Najveće vrijednosti gustine mora uočene su u morima oko Antarktika, zatim sjeverno od Islanda. Najveća gustina u karakteristična je za mora polarnih predjela, a najmanja gustina za mora ekvatorijalnog pojasa. Voda mora u ekvatorijalnim širinama je relativno oslađena većim dotokom rijeka s okolnog kopna (Amazona i Zair). Temperature mora iznose od 25 do 280C, a gustina mora povećava se tu od površine naglo do 200 m. Do 1500 m nastavlja se povećanje gustine, ali znatno sporije, da bi se prema većim dubinama i dnu uspostavila ravnoteža. U morima umjerenih geografskih širina, javljaju se u kasnoj jeseni niske temperature, površina mora se ohladi, što utiče na povećanje gustine i započinje konvekcijsko strujanje mora. Gušći sloj s površine mora spušta se dublje, a razrijeđeni sloj manje gustine izdiže se prema površini mora. To je jedna faza u stalnom vertikalnom premještanju slojeva mora, bitnog proces za razmjenu materije u okeanu. Tim procesima vrši se i pročišćavanje mora, ali najznačajnije je obnavljanje hranljivih slojeva iz najdubljih dijelova u površinske slojeve mora. Gustina mora je specifično fizičko svojstvo koje u sprezi s ostalim svojstvima odlučno utiče na opstanak i održavanje života u moru (vodi). Računa se da iz pomenuta tri faktora; u praksi se tu možemo poslužiti Knudsenovim (1901) formulama i tablicama, a može se i direktno odrediti (vaganjem, aerometrom, itd.), gustina površinskih voda okeana kreće se između 1,02750 i 1,02100. Dubinske vode redovno su gušće od površinskih. Gustina vode ne raste pravilno s dubinom. Uz pojavu termičkog skoka (termoklime) nastaje i nagla promjena gustine vode. Vode arktičkih i antarktičkih mora imaju najveću gustinu, a vode tropskih mora najmanju. Zimi, na površini Jadranskog mora, voda ima veliku gustinu oko a t=29,00. Razlike u gustini često su neposredni izazivač kretanja vodenih masa (posebno ako se gušća voda nađe iznad vode manje gustine) ili njihovom odjeljivanju, npr. na području termičkog skoka.
Areometrom se neposredno određuje specifična težina okeanske vode s pri trenutnoj temperaturi t0, u odnosu destilovane vode sa temperaturom od 17×50.
Može se konstatovati da specifična težina okeanskih voda podliježe periodskim i aperiodskim kolebanjima, kao i temperature, ali da se taj uticaj može eliminisati, ako se svi podaci sa areometra redukuju na istu temperaturu bilo na 17×50°C, koju upotrebljava njemačka mornarica, ili na 40°C, pri kojoj destilovana voda ima najveću gustinu. Na taj će način reducirana specifična težina zavisiti samo od sadržaja soli i može se neposredno preobraćati u odgovarajuće vrijednosti saliniteta. Toplije vode imaju pri istoj sadržini soli manju specifičnu težinu od hladnijih, jer zauzimaju veću zapreminu. Tako bi kod morske vode sadržinom soli od 27·0‰ i temperaturom od 00C specifična težina bila 1·0270. Poređenjem ovih dvaju tablica dolazi se do važnog zaključka o značaju temperatura za promjene gustina okeanskih voda. Svaka promjena temperature za 100C mijenja približno isto onoliko gustinu kao promjena saliniteta od 2‰. Zato se uporedljive vrijednosti gustine okeanskih voda dobijaju samo tako, ako se sva određenja svedu na izvjesnu normalnu temperaturu.
Čim bi se sve gustine svele na istu temperaturu, recimo na 00C, i njihova podjela prikazala grafički, dobio bi se otprilike isti raspored kao u kartama izohalina. Osim toga, gustina okeanskih voda se pravilno povećava sa dubinom, zbog sve većih pritisaka. Pri jednakom salinitetu su duboke vode znatno gušće, jer zauzimaju manju zapreminu, i trebalo bi da postoje vrlo velike nejednakosti u količinama soli pa da vode iz okeanskih dubina postanu bar nešto lakše od površinskih. Količina, za koju se jedinka zapremine okeanske vode smanji za svaki metar dubine, zove se koeficijent stezanja k. On je tim veći što je manji salinitet, a najveći je kod čiste vode, Srednja vrijednost koeficijenta stezanja je oko 0·0000047. Na kraju, zbog rastvorenih soli, okeanske vode imaju maksimalnu gustinu pri nižim temperaturama nego slatke vode. Ta osobina okeanske vode veoma je važna za temperature u velikim dubinama. Jer u slatkovodnim jezerima moraju vode pri dnu imati uvijek veću gustinu od vode iznad njih, i ma kolika im bila dubina temperatura pri dnu ne može spasti ispod 40C, sa izuzetkom jezera polarnog tipa. Sasvim je drugačije u okeanima, gdje temperatura vode pri dnu može spasti do - 20C i niže, pa ipak da ostane najteža.
Morska voda mrzne na temperaturi za 1,9 stepeni nižoj nego li čista voda. Što se tiče ostalih karakteristika, morska voda ključa na temperaturi za 0,6 stepeni višoj od čiste vode. Znači, morska voda mora biti nešto vrelija od tačke ključanja čiste vode da bi i sama proključala. Još, uz to, soli u morskoj vodi proširuju opseg temperatura u kojima voda postoji u tečnom stanju. Isti princip se primjenjuje prilikom zamrzavanja, hlađenja koje se koristi u autohladnjacima. Voda ima najveći toplotni kapacitet (4,2 J · g-1) od svih poznatih hemijskih jedinjenja izuzimajući tečni amonijak. Ovo je izračunato u prostoriji bez promjene toplote i uz najmodernije aparate. Tako je toplotni kapacitet vode 3000 puta veći nego vazduha, tako da hladjenje 1 m3 vode odgovara 3000 m3 vazduha u istim temperaturnim uslovima. Latentna toploprovodljivost vode je 335 J · g-1 i najveća poslije amonijaka. Oslobođena i dobijena toplotna količina energije se uvijek stabilizuje na površini vode. Velika količina toplote (2260 J · g-1) mora biti oslobođena, da bi vodu pretvorila u paru, energija je potrebna da bi se para sprovela u atmosferu i da bi se ova kondenzacijom opet vratila u normalno stanje.
Specifična toplota je nešto manja u morskoj vodi (3,9 J · g-1 kod 35‰, 15°C, 1 bar) nego u čistoj vodi (4,2 J · g-1). Takodje je i elektroprovodljivost u vodi najveća od svih tečnih supstanci. Elektroprovodljivost je mnogo veća zbog prisustva elektrolita. Potrebna je visoka elektroliza vode da bi se ova rastvorila na dipolarni negativni katjon (O2-) i pozitivni anjon (H+). Sama voda se u najvećoj mjeri disocira na H+ i OH- (CH+ =10-7, pH = 7). Čista voda je loš električni provodnik, ali gradi sa suspendovanim česticama elektrolit.
Objavljen: Doderović, M., Ivanović, Z. (2008). Okeanografija-Geografski aspekti. Nikšić: Geografski institut Filozofskog fakulteta, 69-75.
