Το νερό στο σύμπαν

Πολύ από το νερό στο σύμπαν παράγεται ως παραπροϊόν του σχηματισμού των άστρων. Όταν τα άστρα γεννιούνται, η γέννησή τους συνδυάζεται με ένα δυνατό «άνεμο» προς τα έξω από αέρια και σκόνη. Όταν αυτή η πλημμύρα ύλης συγκρούεται με τα περιβάλλοντα αέρια, τα ωστικά κύματα που δημιουργούνται συμπιέζονται και θερμαίνουν τα αέρια. Παρατηρήθηκε ότι το νερό (μεταξύ άλλων) παράγεται γρήγορα σε αυτά το πυκνά και θερμά αέρια^[16].

Στις 22 Ιουλίου 2011 μια αναφορά περιέγραψε την ανακάλυψη ενός γιγαντιαίου νέφους από υδρατμούς που περιέχει 140 τρισεκατομμύρια φορές την ποσότητα νερού που περιέχουν όλοι οι ωκεανοί τηυς Γης, γύρω από ένα κβάζαρ που βρίσκεται 12 δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη. Σύμφωνα με τους ερευνητές η ανακάλυψη δείχνει ότι το νερό είναι παρόν στο σύμπαν σχεδόν σε όλη του την ύπαρξη^[17][18].

Νερό έχει ανιχνευθεί σε διαστρικά νέφη μέσα στο Γαλαξία μας. Το νερό πιθανότατα υπάρχει σε αφθονία και στους άλλους γαλαξίες επίσης, αφού τα συστατικά του, υδρογόνο και οξυγόνο, είναι ανάμεσα στα πιο άφθονα χημικά στοιχεία του σύμπαντος. Τα διαστρικά νέφη τελικά συμπυκνώνονται σε αστρικά νεφελώματα και αστρικά συστήματα όπως το δικό μας.

Υδρατμοί είναι γνωστό ότι είναι παρόντες στα ακόλουθα ουράνια σώματα:

1. Ατμόσφαιρα του Ερμή: 3,4% και μεγάλες ποσότητες νερού στην εξώσφαιρα του πλανήτη^[19].
2. Ατμόσφαιρα της Αφροδίτης: 0,002%.
3. Ατμόσφαιρα της Γης: ~0,40% αν υπολογιστεί η συγκεντρωση σε ολόκληρη την ατμόσφαιρα, τυπικά 1-4% κοντά στην επιφάνεια.
4. Ατμόσφαιρα του Άρη: 0,03%.
5. Ατμόσφαιρα του Δία: 0,0004%.
6. Ατμόσφαιρα του Κρόνου: Μόνο σε παγοκρυστάλλους.
7. Εγκέλαδος (δορυφόρος του Κρόνου): 91%
8. Εξωπλανήτης HD 189733 b^[20].
9. Εξωπλανήτης HD 209458 b^[21].

Υγρό νερό είναι γνωστό ότι είναι παρόν στα ακόλουθα ουράνια σώματα:

1. Γη: 70,9% της επιφάνειας.
2. Ευρώπη (δορυφόρος του Δία): Σε 100 km βάθος, στον υποεπιφάνειο ωκεανό της.

• Ισχυρές ενδείξεις προτείνουν ότι μάλλον περιέχει υγρό νερό και ο Εγκέλαδος.

Πάγος είναι γνωστό ότι είναι παρόν στα ακόλουθα ουράνια σώματα:

1. Γη: Κυρίως στα παγοκαλλύματα.
2. Άρης: Πολικά παγοκαλύμματα.
3. Σελήνη.
4. Τιτάνας (δορυφόρος του Κρόνου).
5. Ευρώπη.
6. Δακτύλιοι του Κρόνου^[22].
7. Εγκέλαδος.
8. Πλούτωνας^[22]
9. Χάρων (δορυφόρος του Πλούτωνα)^[22].
10. Κομήτες.
11. Ζώνη του Κάιπερ.
12. Νέφος του Όορτ.

Πάγος ενδέχεται να υπάρχει ακόμη στη Δήμητρα και στην Τηθύς (δορυφόρος του Κρόνου). Ακόμη, νερό και άλλες πτητικές ενώσεις αποτελούν πιθανότατα μεγάλο μέρος της εσωτερικής δομής του Ουρανού και του Ποσειδώνα και το νερό στα βαθύτερα στρώματα μπορεί να βρίσκεται στη μορφή «ιονικού ύδατος», στο οποίο τα μόρια νερού διασπώνται σε μια «σούπα» από ιόντα υδρογόνου και οξυγόνου. Ακόμη βαθύτερα μπορεί σχηματίζεται «υπεριονικό νερό», όπου το οξυγόνο κρυσταλλώνεται αλλά τα ιόντα υδρογόνου ρέουν ελεύθερα μέσα στο κρυσταλλικό πλέγμα του οξυγόνου^[23].

Επίσης πολλά από τα ορυκτά της Σελήνης περιέχουν μόρια νερού. Για παράδειγμα, το 2008 μια εργαστηριακή συσκευή απέσπασε και ταυτοποίησε σωματίδια με μικρές ποσότητες νερού μέσα σε ηφαιστειογενή βράχο που μεταφέρθηκε από τη Σελήνη στη Γη σπό το πλήρωμα του Απόλλων 15 το 1971^[24]. Η NASA ανέφερε το 2009 την ανίχνευση μορίων νερού από τον Ορυκτολογικό Χαρτογραφητή Σελήνης της πάνω στο διαστημικό σκάφος Chandrayaan-1 του Ινδικού Ερευνητικού Οργανισμού Διαστήματος^[25].

Το νερό στην «κατοικήσιμη ζώνη»

Η ύπαρξη υγρού νερού στη Γη είναι ζωτική για τη ζωή, τουλάχιστον με τις μορφές που τη γνωρίζουμε. Η ύπαρξη νερού και στις δυο άλλες φάσεις του είναι επίσης ζωτική, αν και σε ένα μικρότερο βαθμό. Η Γη βρίσκεται στην αποκαλούμενη «κατοικήσιμη ζώνη» του ηλιακού μας συστήματος. Αν ήταν ελαφρώς κοντύτερα ή μακρύτερα από τον ΄Ηλιο, π.χ. κατά 5% ή περίπου 8 εκατομμύρια km, οι συνθήκες που επιτρέπουν τη συνύπαρξη νερού και στις τρεις συνηθισμένες φάσεις του θα ήταν πολύ πιο απίθανο να υπάρχουν^[26][27].

Η βαρύτητα της Γης της επιτρέπει να κρατήσει μια ατμόσφαιρα. Το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα δημιουργούν ένα φαινόμενο του θερμοκηπίου που επιτρέπει τη διατήρηση μια σχετικά σταθερή επιφανειακή θερμοκρασία. Αν η Γη ήταν μικρότερη, μια λεπτότερη ατμόσφαιρα θα επέτρεπε τη θερμοκρασία να φθάνει σε ακραία επίπεδα, εμποδίζοντας έτσι τη συγκέντρωση νερού αλλού εκτός από τα πολικά παγοκαλύμματα (όπως π.χ. συμβαίνει στον Άρη).

Η επιφανειακή θερμοκρασία της Γης έχει μείνει σχετικά σταθερή μέσα στο γεωλογικό χρόνο παρά την ποικιλία των επιπέδων της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας, δείχνοντας ότι μια δυναμική διεργασία κυβερνά τη θερμοκρασία της Γης μέσω των αερίων του θερμοκηπίου και την ατμοσφαιρική ή και επιφανειακή ανάκλαση, λόγω λευκότητας. Αυτή η πρόταση είναι γνωστή ως «υπόθεση Γαία» .

Η κατάσταση του νερού σε έναν πλανήτη καθορίζεται από την υπάρχουσα πίεση, που καθορίζεται από την πλανητική βαρύτητα. Αν ένας πλανήτης έχει σχετικά μεγάλη μάζα, το νερό μπορεί να παραμένει στερεό ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες, εξαιτίας της μεγάλης πίεσης που προκαλεί η αυξημένη βαρύτητα, όπως παρατηρήθηκε στους εξωπλανήτες Γλιες 436 b^[28] και Γλιες 1214 b^[29].

Υπάρχουν διάφορες θεωρίες σχετικά με την προέλευση του νερού στη Γη.

Το νερό στη Γη

Μια γραφική αναπαράσταση των υδάτινων περιοχών στη Γη.

Η Γη όπως φάνηκε από το Απόλλων 17

.

Η υδρολογία είναι η επιστήμη της κίνησης, της κατανομής και της ποιότητας του νερού στη Γη. Ειδικότερα, η μελέτη της κατανομής του επιφανειακού νερού ονομάζεται υδρογραφία. Επίσης, η μελέτη της κατανομής και της κίνησης των υπόγειων υδάτων ονομάζεται υδρογεωλογία, η μελέτη των παγοκαλυμάτων παγολογία, η μελέτη των υδάτων της ξηράς λιμνολογία και η κατανομή του στους ωκεανούς ωκεανογραφία. Οι οικολογικές διεργασίες της υδρολογίας βρίσκονται στο πεδίο εστίασης της οικοϋδρολογίας.

Η συνολική μάζα του νερού που βρίσκεται στην επιφάνεια του πλανήτη, καθώς και πάνω και κάτω απ' αυτήν ονομάζευαι υδρόσφαιρα. Υπολογίστηκε ότι στη Γη το νερό έχει συνολικό όγκο 1.338.000.000 km^3[9]. Το υγρό νερό βρίσκεται σε υδάτινα συστήματα, όπως οι ωκεανοί, οι θάλασσες, οι λίμνες, τα ποτάμια, οι χείμαροι, τα κανάλια, οι υδρόλακκοι, οι υδατοδεξαμενές και τα έλη. Βρίσκεται ακόμη σε υπόγεια αποθέματα.

Το νερό είναι σημαντικό σε πολλές γεωλογικές διεργασίες. Το υπόγειο νερό είναι παρόν και στα περισσότερα πετρώματα και η πίεση που αυτό ασκεί (με την πήξη και τη συνακόλουθη διαστολή του) έχει ως συνέπεια το φαινόμενο της αποσάρθρωσης. Το νερό στο μανδύα είναι υπεύθυνο για την έκρηξη που παράγεται από τα ηφαίστεια σε ζώνες καταβύθισης. Στην επιφάνεια της Γης, το νερό είναι σημαντικό και για τις φυσικές και για τις χημικές διεργασίες που είναι συνέπεια των καιρικών φαινομένων. Το υγρό νερό, αλλά και ο πάγος, αν και σε λιγότερο, αλλά και πάλι αρκετά σημαντικό βαθμό, για συχνά μεγάλης κλίμακας μεταφορά υλικών που σημβαίνει στην επιφάνεια του πλανήτη μας. Η απόθεση των μεταφερόμενων φερτών υλικών οδηγεί στο σχηματισμό πολλών τύπων ιζηματογενών πετρωμάτων, που αποτελούν γεωλογικό αρχείο για την καταγραφή της Ιστορίας της Γης.

Κύκλος του νερού

Ο κύκλος του νερού

Κύριο λήμμα: Κύκλος του νερού

Το φυσικό νερό (πηγών, ποταμών κ.λ.π.) δεν είναι καθαρή χημική ένωση. Περιέχει σχεδόν πάντοτε διαλυμένα ανόργανα άλατα, αέρια και άλλες ουσίες, πολλές φορές και οργανικές. Σχηματίζεται από τη συμπύκνωση των υδρατμών που παράγονται από την εξάτμιση του νερού των ποταμών, των λιμνών και των θαλασσών που πέφτει ως βροχή, χιόνι ή χαλάζι.

Το νερό της βροχής διαλύει διάφορα συστατικά της ατμόσφαιρας, π.χ. διοξείδιο του άνθρακα (CΟ₂), λίγο οξυγόνο και άζωτο, συμπαρασύρει σκόνη, αιθάλη και άλλες αιωρούμενες ουσίες. Φτάνει στη γη ως αραιότατο οξύ, λόγω του διαλυμένου διοξειδίου του άνθρακα. Για το λόγο αυτόν, το φυσικό νερό διαλύει τα δυσδιάλυτα ανθρακικά άλατα του ασβεστίου και του μαγνησίου και τα μετατρέπει σε ευδιάλυτα όξινα ανθρακικά άλατα των στοιχείων.

Κατά την εξάτμιση του νερού από την επιφάνεια της γης απορροφάται το 30% της ενέργειας του ήλιου που φτάνει στην επιφάνεια της γης με μορφή ακτινοβολίας. Σε αυτό οφείλονται μετεωρολογικά φαινόμενα όπως τυφώνες και τροπικές καταιγίδες^[6].

Επιπλέον το κλίμα μιας περιοχής εξαρτάται από την εγγύτητα σε γεωγραφικές περιοχές νερού αλμυρές ή γλυκές, όσο πιο κοντά είναι μια περιοχή σε νερό τόσο πιο ομαλό είναι το κλίμα εξ' αιτίας της μεγάλης θερμοχωρητικότητας του νερού.

Ο κύκλος του νερού (γνωστός επιστημονικά ως «υδρολογικός κύκλος») αναφέρεται στη συνεχόμενη ανταλλαγή του νερού μέσα στην υδρόσφαιρα, δηλαδή μεταξύ ατμόσφαιρας, επιφανειακού νερού, εδαφικού νερού, υπόγειου νερού και βιόσφαιρας.

Το νερό κινείται αέναα μεταξύ αυτών των περιοχών του υδρολογικού κύκλου που αποτελείται (κυρίως) από τις ακόλουθες μεταφορικές διεργασίες:

1. Εξάτμιση του νερού από τις επιφάνειες των ωκεανών, τις υπόλοιπες υδάτινες επιφάνειες αλλά και τη διαπνοή της βιόσφαιρας (φυτά, ζώα, άνθρωποι κ.τ.λ.) στην ατμόσφαιρα.
2. Συμπύκνωση (συνήθως) σε σύννεφα που περιέχουν σταγονίδια ή και παγοκρύσταλλους και κατακρήμνιση του νερού από τα σύννεφα (συνήθως) με τις μορφές των διαφόρων μετεωρολογικών φαινομένων.
3. Επιστροφή με αποστράγγιση στη θάλασσα, σε άλλες υδάτινες επιφάνειες και στη βιόσφαιρα.

Το μεγαλύτερο ποσοστό του νερού των υδρατμών πάνω από τους ωκεανούς επιστρέφει στους ωκεανούς, αλλά οι άνεμοι μεταφέρουν το υπόλοιπο ποσοστό πάνω από την ξηρά με τον ίδιο ρυθμό με την αποστράγγιση του επιφανειακού ύδατος στη θάλασσα. Ο ρυθμός αυτός εκτιμήθηκε σε 47 τρισεκατομμύρια τόννους ύδατος το χρόνο. Πάνω από την ξηρά, η εξάτμιση υδάτινων επιφανειών της ξηράς και η διαπνοή της βιόσφαιρας συνεισφέρουν (κατ' εκτίμηση) άλλους 72 τρισεκατομμύρια τόννους ύδατος το χρόνο. Συνολικά μια κατακρήμνιση με ρυθμό που εκτιμήθηκε σε 119 τρισεκατομμύρια τόννους ύδατος το χρόνο, συμβαίνει πάνω από την ξηρά. Η κατακρίμνηση αυτή γίνεται με τα διάφορα μετεωρολογικά φαινόμενα. Τα πιο συνηθισμένα από αυτά περιάμβάνουν τη βροχή, το χιόνι, το χαλάζι, την ομίχλη, τη δροσιά και την πάχνη^[30]. Η δροσιά είναι σταγονίδια νερού που συμπυκνώνονται όταν υψηλής συγκέντρωσης υδρατμοί έρθουν απευθείας σε επαφή με ψυχρό έδαφος. Αν το έδαφος είναι πολύ ψυχρό, μπορεί η δροσιά να μετατραπεί σε πάχνη, με την κρυστάλλωση των σταγονιδίων σε μικρούς παγοκρυστάλλους. Η δροσιά και η πάχνη εμφανίζονται συνήθως την αυγή, λίγο πριν ανατείλει ο ήλιος, οπότε συνήθως η θερμοκρασία του εδάφους είναι η ελάχιστη^[31]. Συμπυκνωμένη υγρασία στον αέρα μπορεί επίσης να αναλύσει το ηλιακό φως σχηματίζοντας τοπικά και πρόσκαιρα ουράνιο τόξο.

Ένα ποσοστό των κατακριμνήσεων συσσωρεύεται σε ρυάκια ή και σε χειμάρρους που τελικά ενώνονται σε ποταμούς. Ένα μαθηματικό μοντέλο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προσομοιάσει τη ροή των χειμάρων και των ποταμών και να υπολογίσει παραμέτρους ποιότητας του ύδατος ονομάζεται «μοντέλο υδρολογικής μεταφοράς». Κάποιο ποσοστό από το νερό των ποταμών διοχετεύται μέσω της άρδευσης στις αγροτικές εκμεταλλεύσεις. Ακόμη, τα ποτάμια, οι λίμνες και οι θάλασσες συχνά παρέχουν ευκαιρίες για ταξίδια και εμπόριο. Μέσω της αποσάθρωσης και της διάβρωσης, οι κατακρημνίσεις μεταβάλλουν το σχήμα του περιβάλλοντός μας, σχηματίζοντας κοιλάδες και δέλτα, που παρέχουν εύφορα εδάφη που χρησιμοποιούνται ως πληθυσμιακά κέντρα. Μια πλημμύρα συμβαίνει όταν μια χαμηλή (συνήθως) περιοχή ξηράς καταλαμβάνεται από νερό. Αυτό συχνά συμβαίνει όταν ποτάμια υπερχειλίζουν και πλημμυρίζουν τις γύρω χαμηλές περιοχές, αλλά μερικές φορές και η θάλασσα πλημμυρίζει παράκτιες χαμηλές περιοχές. Μια παρατεταμένη ξηρασία για μήνες ή ακόμη και για χρόνια δημιουργεί σε μια περιοχή έλλειψη στην παροχή νερού. Αυτό συμβαίνει όταν μια περιοχή λαμβάνει για σημαντικό συνεχές χρονικό διάστημα κατακρημνίσεις κάτω από τον αναμενόμενο μέσο όρο.

Αποθήκευση «γλυκού» νερού

Κύριο λήμμα: Υδάτινοι πόροι

Ένας φυσικός υγρότοπος.

Κάποιο ποσοστό του βρόχινου νερού παγιδεύεται για κάποιες χρονικές περιόδους, π.χ. σε λίμνες. Σε μεγάλα υψόμετρα, ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια του χειμώνα, και πολύ βόρεια ή και πολύ νότια, το χιόνι συσσωρεύται σε παγοκαλύμματα, στρώματα χιονιού και παγετώνες. Επίσης κάποιο νερό διηθείται από το έδαφος και πηγαίνει σε υδροφορείς, δηλαδή υπόγεια αποθέματα νερού. Αυτό το υπεδάφειο νερό αργότερα κυλά πίαω στην επιφάνεια από τις πηγές, ή και πιο θεαματικά, από τις θερμές πηγές και τους θερμοπίδακες. Το υπεδάφειο νερό μπορεί επίσης να εξαχθεί τεχνητά με πηγάδια. Αυτή η αποθήκευση νερού είναι σημαντική, εφόσον το «γλυκό» νερό είναι ζωτικό για τους ανθρώπους και τα υπόλοιπα έμβια όντα της ξηράς. Σε πολλά μέρη του κόσμου, όμως, αυτή η παροχη είναι ανεπαρκής.

Οι υδάτινοι πόροι είναι διαθέσιμες πηγές νερού που είναι χρήσιμες ή εν δυνάμει χρήσιμες για τον άνθρωπο και την οικονομία του. Οι ανθρώπινες χρήσεις νερού περιλαμβάνουν τη γεωργία, τη βιομηχανία, την οικιακή χρήση, την αναψυχή και κάποιες περιβαντοντολογικές δραστηριότητες. Ουσιαστικά όλες οι ανθρώπινες χρήσεις απσιτούν «γλυκό» νερό. Ωστόσο, το 97% του νερού στη Γη είναι «αλμυρό» νερό, και μόνο το 3% είναι «γλυκό»: Λίγο παραπάνω από τα δύο τρίτα (2/3) αυτού του «γλυκού νερού» βρίσκεται σε παγετώνες και στα πολικά παγοκαλύμματα^[32]. Το υπόλοιπο (~1%) βρίσκεται με τη μορφή υγρού «γλυκού» νερού, κυρίως ως υπεδάφειο νερό, και μόνο ένα πολύ μικρό κλάσμα του συνολικού νερού της Γης βρίσκεται στην επιφάνεια του πλανήτη μας ή και στην ατμόσφαιρά του^[33].

Με το όρο γλυκό ύδωρ χαρακτηρίζεται σε αντίθεση προς τη θάλασσα κάθε υδάτινη έκταση με γλυκό νερό π.χ. λίμνες, ποταμοί. Για την περίπτωση αυτή έχει ορισθεί ειδική γραμμή φόρτωσης πλοίου (μέγιστου δυνατού φορτίου) που ονομάζεται γραμμή φόρτωσης γλυκέων υδάτων (fresh water line). Επίσης στα πλοία, χαρακτηρίζεται γλυκό νερό το νερό που τοποθετείται στις δεξαμενές γλυκέος ύδατος (fresh water tanks) για διάφορες χρήσεις. Το πόσιμο νερό πρέπει να είναι διαυγές, άχρωμο, άοσμο, δροσερό (θερμοκρασίας 7 - 11 βαθμών Κελσίου). Πρέπει να περιέχει μικρή ποσότητα ανόργανων αλάτων (0,5 g/L), γιατί το καθαρό νερό χωρίς διαλυμένα άλατα είναι βλαβερό για τον οργανισμό, εξαιτίας της μεγάλης διαπιδυτότητας των κυττάρων. Γι' αυτόν ακριβώς το λόγο τα θαλασσινά ψάρια πεθαίνουν όταν μεταφερθούν σε γλυκό νερό και ψάρια του γλυκού νερού πεθαίνουν αμέσως μόλις τοποθετηθούν μέσα σε αποσταγμένο νερό, γιατί καταστρέφονται τα ερυθρά αιμοσφαίρια (αιμόλυση). Το πόσιμο νερό περιέχει διαλυμένο οξυγόνο, άζωτο, διοξείδιο του άνθρακα, ελάχιστα ίχνη οργανικών ουσιών, καθώς και ίχνη φυτικών μικροοργανισμών. Το πόσιμο νερό πρέπει να εξετάζεται φυσικά (θερμοκρασία, διαύγεια, γεύση, οσμή), χημικώς (ποιοτικός και ποσοτικός έλεγχος ουσιών, σκληρομετρία), μικροσκοπικά (έρευνα μικροοργανισμών), βακτηριολογικά (καλλιέργεια των μικροβίων του νερού) και τοπογραφικά (θέση πηγής, διαδρομής του νερού).