Labrapport; Vattens densitet och problemen i Östersjön

Labrapport
”Vattenvulkan” – vattnets densitet

Inledning

Jag valde att fördjupa mig i den här labben av flera olika anledningar. För det första tyckte jag att det var en av de roligare labbarna att utföra, och blev därför mer intresserad utav ämnet. Men det som spelade mest roll är att man kan utveckla det här ämnet mycket inom miljön, och det tycker jag ofta är intressant. Jag kan i den här labben gå vidare och fördjupa mig i hur det här fenomenet påverkar våra hav och sjöar, och hur djuren påverkas av det. Jag är ganska intresserad av vår miljö och vårt klimat, och jag skulle vilja veta om det här, eller något annat, har en större, negativ inverkan på våra sjöar och hav. Jag tycker att det är viktigt att känna till sådant, då det är en stor fråga idag. Vet jag mer om ämnet vet jag också mer var jag står och tycker själv.

Frågeställning

Vad händer då man sänker ner en behållare med mycket varmt vatten i en stor behållare med kallt vatten? Varför sker detta?
Vid vilken temperatur har vattnet lägst densitet?
Hur berör det våra stora hav och sjöar?
Är det bara densiteten på vattnet som avgör i vilka skikt det ska ligga, eller beror det på andra saker också (i hav och sjöar)?
Påverkas det här fenomenet på något vis av dagens växande problem med klimatet?
Hur påverkar det i sådana fall djurlivet?

Hypotes

Jag är nästan säker på att det varma vattnet kommer att lägga sig uppe vid ytan, då jag har för mig att det har att göra med vattnets densitet. Dessutom är det alltid så när man badar, att det är kallast vid botten, och det borde ju vara samma sak här. Varför detta händer är jag inte lika säker på, men jag tror som sagt att det har att göra med vattnets densitet. Detta påverkar absolut våra hav och sjöar, frågan är bara på vilket sätt. Det jag kommer att tänka på är en del fiskar, som lever i olika temperaturer. Om detta rubbades, kanske det skulle bli problem med att fel fiskar åt upp varandra? Jag är inte så säker på om det här fenomenet påverkas på något sätt just nu av miljöförändringarna, men om det går längre tror jag att det kommer att göra det för eller senare.

Material

En stor bägare
En E-kolv, cirka 100 ml
Vatten, kallt och kokhett
Karamellfärg
Brännare
Gripklo

Riskbedömning

Det är inga större risker med den här labben, men det finns några små. För det första använde vi oss av brännare och gas, och då kan man glömma att stänga av den – eller stänga av den fel. Dessutom handskas man med kokhett vatten, så om man tappar ut det kan man bränna sig. I övrigt ser jag inga risker i labben, då den inte innehåller några kemikalier.

Utförande

Vi började med att fylla den stora behållaren med kallt vatten, så kallt det gick. Sedan fyllde vi E-kolven med vatten, och satte den över brännaren. Vi tände lågan på brännaren, och väntade på att vattnet skulle börja koka. Medan vi väntade hällde vi i grön karamellfärg, för att man sedan skulle se vilket vatten som var varmt och vilket som var kallt. Det var alltså det varma vattnet som vi färgade grönt. Då det till slut hade kokat upp, grep vi tag om E-kolven med gripklon, och förde ner den i det stora kärlet med kallt vatten. Vi tittade på resultatet, antecknade det och städade sedan undan efter oss. Efter det var det dags att läsa sig till faktan bakom detta.

Resultat

Det som hände då det varma vattnet mötte det kalla vattnet, var att det genast ”flöt upp”, och lade sig längs ytan. Jag hade väl väntat mig att det skulle vara lite mer effektfullt, eftersom att labben hette ”vattenvulkan”, men det gick ganska lugnt till då det gröna vattnet lade sig högst upp i bägaren. Vi testade att röra runt lite i vattnet, men det gröna fortsatte ändå att ligga överst. Att det varma vattnet hela tiden ligger överst beror på det jag var inne på tidigare – densitet.

Densitet är ett mått på ett ämnes massa, alltså materiainnehåll per volymenhet. Så ju högre densitet ett ämne har, desto tyngre blir det också. Det vatten med högst densitet lägger sig därför alltid längst ner, och sedan minskar densiteten ju högre upp mot vattenytan man kommer. Vattnet får i regel högre densitet ju lägre temperaturen är (med undantag för +4°C). Det varma vattnets molekyler rör sig mycket mer och i högre hastighet, och därför blir det inte lika många molekyler per volymenhet. I kallare vatten packar sig vattenmolekylerna mycket tätare, och då blir vattnet tyngre. Den kraft som får vattnet att lägga sig till rätta då man så hastigt stoppar ner hett vatten i riktigt kallt vatten, kallas för konvektion.

Vatten består av två väteatomer och en syreatom. Det gör att vattenmolekylen är polär, vilket innebär att den har en laddningsförskjutning med en positiv och en negativ ände. Vattnets densitet varierar med temperaturen, och vid +4°C har den som absolut högst densitet. Den ligger då på 1,000 g cm-3 . Annars så är densiteten högre vid lägre temperaturer – alltså borde det vara vid 0°C som vattnet har sin lägsta densitet. Men så är det inte, utan det är vid +4°C. Det betyder att vattnet är närmare fryspunkten vid +4°C. Detta beror på att vätebindningarnas vinkling ger vattnet en hexagonal struktur – liknande isens.

Hade vattnet inte haft den egenskapen att det har sin högsta densitet vid +4°C, så hade alla sjöar och vattendrag haft mycket lättare för att bottenfrysa. Som det är nu, så lägger sig det fyragradiga vattnet längs med botten, och det kallare vattnet, som kan frysa till is, lägger sig ovanpå. Det är samma visa – fast tvärtom – på sommaren. Även då ligger det fyragradiga vattnet längs med botten, men det varmare vattnet blir överst.

Just det här fenomenet verkar inte påverkas särskilt mycket av klimatförändringarna, dock finns det många andra saker som händer nu som påverkar våra hav och sjöar. Ett exempel på det är ett problem som förmodligen kommer att drabba Östersjön: syretillförseln till dess bottenskikt kan bli störd, eller i värsta fall avbruten.

Östersjön

Östersjöns rörelser och egenskaper beror dels på vattenutbytet med världshavet, som sker via det danska sundet, och dels på utflödet av färskvatten från landområdena. Då det strömmar vatten från ett antal olika ställen till Östersjön – både från det stora havet och från åar och dylikt – finns det både salt- och sötvatten där. Då saltvatten är tyngre än sötvatten (generellt sett säger man att saltvatten har en densitet på 1,3 kg/liter, till skillnad från sötvatten som ligger på 0,998 kg/liter), är det vatten som strömmar in från Nordsjön relativt tungt. Det tränger därför i första hand in i de lägsta djupen av bottentopografin. Det stora flöde av färskvatten från älvarna i norra delar av Östersjön, skapar ett övre vattenskikt med låg salthalt. Det översta vattenskiktet påverkas mycket av vindarna, och förblir hela tiden på så sätt ett välblandat övre lager. De lägre delarna av Östersjön ligger däremot fortfarande i skikt. De två lagren (det ena med välblandat vatten och det andra med oblandade skikt) skiljs åt av ett språngskikt, som är som en gräns. Saltgradienten i språngskiktet är så pass stor att omblandningen som skapas av vinden inte räcker till för att bryta upp det starka skiktet. Därför blir det bara det översta lagret som får syre. Syretillförseln till det undre lagret måste då ske via ett annat sätt, vilket går till genom ett horisontellt inflöde av saltvatten från de danska sunden. Det vattnet är syrerikt, då det är mycket grunt vid ett område i Danmark, och vattnet kommer då i kontakt med ytan.

Dessa saltvatteninflöden sker inte särskilt ofta, utan slumpmässigt med ett eller flera års intervaller. Inflödena sker oftast mellan november och januari, men de kan även vid vissa tillfällen inträffa under höst eller vår (det beror på vindarna). Det som sker är att det först är östliga vindar i 20 till 30 dagar, som sedan snabbt skiftar till kraftiga västliga vindar som fortsätter i 20 till 30 dagar. Det är den storskaliga atmosfäriska cirkulationen som påverkar vindförhållandena, och vindförhållandena bestämmer i sin tur när det är möjligt för vattnet att få sin syretillförsel. Färskvatteninflödet är även det påverkat av den atmosfäriska cirkulationen. Det ligger en stark lufttrycksgradient över Nordatlanten, som ger hårda västvindar som transporterar fukt mot älvarna. Fukten blir sedan till nederbörd, som får det att bli avrinning i Östersjöområdet – och havet fylls på med nytt färskvatten.

Det gäller att dessa två faktorer ligger i balans med varandra, så att det inte blir övervikt åt ena hållet i havet. Det får inte blir för mycket sötvatten, och saltvattnet får inte få slut på sitt syre. Ett antal klimatstudier tyder nämligen på att denna cirkulation kan komma att bli påverkad av den globala uppvärmningen. De nederbörds- och vindförhållanden som är så viktiga för att styra färskvatten- och saltvatteninflödena till Östersjön, kan då bli avbrutna, eller felaktiga på andra sätt.

Hur detta kan påverka djurlivet i Östersjön är med dagens kunskaper mycket svårt att förutse, men ett exempel är bristen på torsk som redan råder. Eftersom att torskens överlevnad i Östersjön redan är hotad, vill man verkligen inte ha ytterligare hot mot dess existens. Men om det skulle bli en obalans i den cirkulation som till stor del styr det här, så skulle det kunna få mycket negativa effekter för exempelvis torsken. Det finns varningstecken på att nederbörden kommer att öka, och i och med det skulle avrinningen till Östersjön öka. Det skulle innebära att salthalten sänktes, och sjunker den till under 3-4 promille så kommer torsken att dö ut. Även andra levande varelser i vattnet skulle då försvinna, som t.ex. blåmussla och blåstång.

Detta är bara ett av alla de scenarier som kan, med stor sannolikhet, hända om vi inte tar bättre hand om vårt klimat.

Slutsats

Det som händer då det kalla vattnet möter varmare vatten, är att det varma vattnet lägger sig längs ytan. Det beror på att det kalla vattnet har lägre densitet än det varma vattnet, och därför lägger det sig längs botten. Den kraft som gör att vattnet förflyttar sig, och lägger sig till rätta, är konvektion. Vatten är ett ganska ovanligt ämne, då dess temperatur för lägsta densitet ligger på ca +4°C. Normalt brukar materia utvidga sig vid värme, men så är inte fallet här. Densitet är ett mått på massa, alltså materiainnehåll per volymenhet. Varför kallt vatten har högre densitet än varmt vatten är för att i det kalla vattnet ligger molekylerna som tätast packade. I varmare vatten rör de på sig och knuffar undan varandra, vilket resulterar i att det inte blir lika mycket materia per volymenhet.

Detta fenomen berör våra hav och sjöar i högsta grad, och det är någonting jag egentligen alltid har vetat om utan att tänka på det. Det innebär ju att det kallaste vattnet ligger längst med bottnen på sommaren. På vintern blir det däremot tvärtom – eftersom att det är +4°C som har högst densitet, så blir det det kallare vattnet som hamnar överst och eventuellt fryser till is. Det är tack vare att det är lite varmare vatten på botten som sjöar inte bottenfryser så lätt.

Egentligen är det bara densiteten som avgör i vilka skikt vattnet lägger sig i. Det som dock är skillnad är att saltvatten har högre densitet än sötvatten, så i hav och insjöar där det eventuellt finns vatten av båda sorterna, så lägger sig saltvattnet självklart underst. Det här med olika vattentyper kommer förmodligen att påverkas av den pågående globala uppvärmningen, och ett exempel på det är Östersjön.

Östersjön är ett mångsidigt hav, som får in olika typer av vatten från olika håll. Den får in tungt saltvatten från Nordsjön, som lägger sig längs botten, och i de norra delarna av Östersjön strömmar det in färskvatten från älvarna. Färskvattnet lägger sig i sin tur som ett skikt överst, eftersom att det har lägre densitet. Det översta lätta färskvattnet påverkas hela tiden mycket av vindarna, som blåser runt det och ser till att det hela tiden är välblandat och syrefyllt. Det undre lagret med saltvatten får dock inget syre, då det är så pass djupt ner. Det får istället syre från ett horisontellt inflöde av syrerikt saltvatten från Östersjön.

Om detta inte fungerar som det ska (inflödet med färskvatten och syrerikt saltvatten), så kommer hela Östersjön i ofas. Det kan i längden betyda att fiskar dör ut för att balansen mellan salt och sötvatten blir rubbad. Förhöjda temperaturer och ett överflöde av kväve och fosfor gör även att växter som t.ex. alger blir fler och fler, vilket under blomningen förstör badplatserna för oss människor. Tänker man vidare då inser man att även det här med algerna förstör för torsken, då det är på grund av dessa alger som det finns så kallade ”döda bottnar” i Östersjön. ”Döda bottnar” är bottnar som blivit helt tomma på syre, då syret gått åt till att bryta ner döda alger. Då det blir syrefattigare i saltvattnet försvårar även det torskens överlevnad.

Att läsa om det här ämnet tycker jag var mycket intressant, speciellt som jag kunde styra in det på lite miljöfrågor. Jag tycker att det är ett intressant ämne både för att det är tämligen aktuellt, och dessutom finns det så mycket att få veta. Men det gäller att ta till sig information från olika håll, och inte bara lita blint på första bästa. Det finns många sidor av det här, och forskarna är långt ifrån överens på alla punkter. Därför tycker jag att man bör ta allt det man läser, framförallt i dagstidningar, med en nypa salt, och se till att kolla upp det innan man tror på det till 100 %. Då jag sökt runt på internet har jag hittat både ”bevis” på att det inte alls är någon fara med vår jord, och ”bevis” för att den globala uppvärmningen är ett stort problem. Så man får tydligen välja vad man ska tro på… Om man väljer man att tro på att det är en katastrof på gång, så finns det mycket man kan göra för att hjälpa till att förbättra utsikterna för vår jord. Det kan vara stora saker, som att köpa ny, miljövänligare bil, och det kan vara små saker som att släcka lampan efter sig då man går ut ur ett rum. Det behöver inte handla om att lägga om sitt liv, men jag tycker att alla kan bidra med något. Väljer man att tro att detta bara är naturliga svängningar i klimatet, så är det bara att leva på som vanligt.

Vad man än väljer att tro, tycker jag att man ska försöka se vetenskapligt på detta, och inte som något straff eller dylikt. När jag var i Gamla Stan för någon månad sedan, var det några män som prackade på mig en massa blanketter och tidningar och stod och svamlade om allt möjligt. Jag tänkte gå direkt, men hörde att en av dem började prata om att ”klimathotet är en bluff, den globala uppvärmningen är bara ett påhitt”, och jag blev då intresserad av att höra hur de tänkte. Tyvärr verkade de inte ha några underlag eller några forskningsresultat att grunda sig på, och de verkade inte riktigt veta vad de pratade om. Jag kan förstå om man väljer att tro på alternativa forskningsresultat, eller eventuellt följa den linje som en religion eller dylikt satt upp. Men att bara gå runt och sprida sådant utan vetenskapligt underlag? Det ser jag snarare som lurendrejeri. Då jag tittade lite på lapparna sedan insåg jag att det var reklam för ett, för mig okänt, parti, vilkets egentliga mening var att ”störta kapitalismen”. Man ska alltså inte tro allt man hör, utan kolla upp vetenskapliga fakta först…



Källor:
http://school.chem.umu.se/Experiment/152
http://susning.nu/Vatten
http://sv.wikipedia.org/wiki/Vatten
http://sv.wikipedia.org/wiki/Densitet
http://www.biol.lu.se/zoofysiol/Svar/Temp1.html#Tryck
http://www.smhi.se/
http://www.uvc.uu.se/ProfessorVatten/fragelada/sok.asp?sok_strang_svar=saltvatten
http://www.snf.se/snf/seminarier/hostkonf2000.htm
http://www.aftonbladet.se/vss/nyheter/story/0,2789,923586,00.html
http://www.ab.lst.se/upload/dokument/miljo_och_halsa/miljoinformation/informationscentralenarsred.pdf
http://snf.siteseeker.se/?q=%F6stersj%F6n&meny=http%3A%2F%2Fwww.snf.se%2Findex.cfm
http://sv.wikipedia.org/wiki/Torsk
http://www.kolumbus.fi/larsil/warming.html

Liknande skolarbete:

  1. Labrapport på fetter
  2. Östersjön
  3. Vattens påverkan på betongdammar :
Det här inlägget postades i Fysik, Mellanstadiet. Bokmärk permalänken.

Kommentera

E-postadressen publiceras inte. Obligatoriska fält är märkta *

*

Följande HTML-taggar och attribut är tillåtna: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>