Hustota (denzita)

 Denzita vody (hmotnost/objem) je asi 775krát větší než vzduchu. Protože denzita živých organismů je podobná vodě, slouží jako vhodné médium pro jejich nadnášení. Z tohoto důvodu velké vodní organismy nepotřebují silné stonky či kostry, nezbytné na souši. Volně plovoucí makrofyta jako např. okřehek, který najdeme na hladině rybníků a mokřadů, se nepotopí. Změny hustoty vody v závislosti na měnící se teplotě ovlivňují přímo i nepřímo jak živé organismy, tak další vznášející se částice.

Voda se liší od prakticky všech ostatních látek právě tím, že je hustější jako kapalná než jako pevná fáze a že má nejvyšší hustotu  při teplotě 3,94°C  a ne při nule (za normálního atmosférického tlaku). Za tuto odchylku jsou odpovědné dvě protichůdné síly. Vzdálenost mezi molekulami vody, stejně jako mezi molekulami všech ostatních kapalin a plynů, vzrůstá s rostoucí teplotou. Tento samotný fakt by měl za následek nejvyšší hustotu při 0°C. Avšak druhý proces (viz rámeček), kdy se při teplotě blížící se nule molekuly vody shlukují do struktur stále více připomínající led a vzdálenost jejich jednotlivých molekul neustále roste, by naopak přinesl při 0°C nejnižší hustotu vody. Společným výsledkem těchto dvou procesů je nejvyšší hustota vody při 3,94°C.
V průběhu přeměny vody v led při mrznutí se volná mřížka vodíkových vazeb, často pokroucených, přerušených či ohnutých, mění na pravidelnější krystalickou strukturu s molekulami uspořádanými do čtyřboké mřížky, která je udržuje dále od sebe než v případě kapalné fáze. Tato větší vzdálenost jednotlivých molekul způsobuje nižší hustotu ledu (0,917g/cm³) oproti kapalné vodě zaručující, že led plave na hladině. Následkem toho organismy, žijící v hustší a teplejší vodě pod ledem, zůstávají chráněny před mrazem. Tato pravidelná struktura je rozbita při tání, některé z vodíkových vazeb jsou opět přetrženy či ohnuty a molekuly vody se dostávají znovu blíže k sobě.

 Vztah mezi teplotou (T, 0° C) a hustotou (D) není lineární a denzitu můžeme snadno odhadnout z rovnice:

D=1-6,63 x 10^-6 (T-4)²

Obr.  Vztah mezi hustotou vody a teplotou

Zdroj: www.lsbu.ac.uk/water/index2.html

Denzita klesá s rostoucí teplotou vody, ale v důsledku jejich nelineárního vztahu je relativní  rozdíl hustot mezi např. 10 a 11°C 12x větší než mezi 4 a 5°C. Křivka této nelineární závislosti popisuje modely stratifikace, kterou můžeme pozorovat např. v jezerech. Tato stratifikace pak má za následek všechny související biologické jevy. Jen v relativně málo jezerech není možné pozorované rozdíly hustoty vody připsat změnám teploty, ale spíše jiným důvodům: např. značným rozdílům v salinitě mezi mnohem hustější slanou vodou v hlubších vrstvách, překrytých méně hustou vodou sladkou, nebo naopak vyšší hustotě vody obtížené částicemi bahna z říčního přítoku. Teplota maximální hustoty vody klesá o přibližně 0,2°C s nárůstem salinity o 1g/l, a způsobuje snížení bodu mrznutí u mořské vody.

Zatímco teplota sladké vody za nejvyšší hustoty a při normálním atmosférickém tlaku je 3,94°C, velký hydrostatický tlak ve velmi hlubokých jezerech je schopen snížit teplotu maximální hustoty vody asi o 0,1°C na 100m hloubky. Z tohoto důvodu by v jezeře Bajkal (max. hloubka 1741m) byla za nepřítomnosti turbulencí očekávaná teplota u dna 2,2°C. Protože ale k jistému promíchávání dochází, je skutečná teplota vody u dna Bajkalu 3,2

Snížení denzity vody při přeměně na led s sebou přináší přibližně devítiprocentní nárůst objemu. Tento jev hraje významnou roli v procesu zvaném mrazové zvětrávání hornin. Voda, která se dostane do spár skály a tam zmrzne, způsobí mechanický rozpad horniny. Opakované namrzání a roztávání také učiní skálu náchylnější biologickému a chemickému zvětrávání, které následuje. Stejný proces je mimochodem zodpovědný za vznik děr ve vozovce během zimních měsíců.