Κατανοήστε την επιστήμη του νερού

Όταν η Γη φαίνεται από τα βάθη του διαστήματος εμφανίζεται ως μια μπλε κουκκίδα. Αυτό συμβαίνει επειδή λίγο περισσότερο από το 70 τοις εκατό της επιφάνειάς του καλύπτεται με νερό. Το νερό υπάρχει σε πολλούς από τους πλανήτες επίσης, και πολλά φεγγάρια του Δία και του Κρόνου πιστεύεται ότι διαθέτουν σημαντικούς υδάτινους πόρους. Αλλά η Γη είναι, χωρίς αμφιβολία, το ένα σώμα στο Ηλιακό μας Σύστημα όπου το νερό έχει μια καθοριστική παρουσία. Είναι χάρη στο νερό και τις φυσικές του ιδιαιτερότητες που η ζωή έχει ακμάσει εξαρχής. Το νερό μας είναι τόσο οικείο που συχνά ξεχνάμε τι αξιοσημείωτη ουσία είναι.

Τι ακριβώς είναι το νερό;

Το νερό είναι H2O, ένα απλό μόριο που αποτελείται από δύο άτομα υδρογόνου και ένα οξυγόνο. Είναι η μόνη ουσία που υπάρχει ως στερεό, υγρό και αέριο στις θερμοκρασίες που βρίσκονται φυσικά στη Γη. Το νερό είναι διαφανές, αλλά δεν είναι εντελώς άχρωμο. Ακριβώς όπως ο ουρανός είναι μπλε επειδή τα μόρια στην ατμόσφαιρα διασκορπίζουν το μπλε φως περισσότερο από άλλα χρώματα, έτσι και μεγάλες ποσότητες νερού έχουν παρόμοια μπλε χροιά, είτε είναι ο ωκεανός είτε το δραματικό μπλε του πάγου του παγετώνα (οι ωκεανοί και οι λίμνες αντανακλούν επίσης έναν μπλε ουρανό , κάνοντάς τα να φαίνονται ακόμα πιο μπλε). Είμαστε εξαιρετικά τυχεροί που έχουμε τόσο πολύ νερό στη Γη γιατί έχει αξιοσημείωτες ιδιότητες.

Τι το ιδιαίτερο έχει;

Το νερό είναι ένας εντυπωσιακός διαλύτης, που σημαίνει ότι είναι εξαιρετικά καλό στη διάλυση των πραγμάτων. Αυτός είναι εν μέρει ο λόγος που είναι τόσο πολύτιμο για τους ζωντανούς οργανισμούς, καθώς λειτουργεί ως υγρό μεταφοράς για μια ολόκληρη σειρά χημικών ουσιών στα ζωντανά κύτταρα. Αυτό που κάνει το νερό τόσο καλό διαλύτη είναι η ικανότητά του να κολλάει και να διαχωρίζει τα άτομα μιας ουσίας, κάτι που οφείλεται στον ασυνήθιστα ισχυρό δεσμό υδρογόνου. Αυτό είναι το φαινόμενο που κάνει το νερό τόσο ξεχωριστό:μια ηλεκτρική έλξη μεταξύ των ατόμων υδρογόνου και άλλων ατόμων όπως το άζωτο, το οξυγόνο και το φθόριο. Ο δεσμός υδρογόνου μεταξύ των μορίων του νερού καθιστά επίσης δύσκολο τον διαχωρισμό τους, ανεβάζοντας το σημείο βρασμού. Χωρίς αυτό το αποτέλεσμα, το νερό θα έβραζε περίπου στους -70°C. Αυτό θα σήμαινε ότι δεν υπάρχει υγρό νερό στη Γη – ούτε ζωή.

Μια άλλη ουσιαστική παρενέργεια του δεσμού υδρογόνου είναι ότι όταν το νερό παγώνει, οι δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των μορίων τραβούν τους κρυστάλλους σε ένα συγκεκριμένο σχήμα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο σχηματίζονται νιφάδες χιονιού με έξι πόντους και αυτό σημαίνει ότι οι κρύσταλλοι του νερού έχουν περισσότερο χώρο μέσα τους από ό,τι θα είχαν διαφορετικά. Σχηματίζουν τετράεδρα - σχήματα με τέσσερις τριγωνικές πλευρές. Ως αποτέλεσμα, το στερεό νερό ή ο πάγος είναι λιγότερο πυκνό από την υγρή μορφή, γι' αυτό δεν συνιστάται να βάλετε ένα γυάλινο μπουκάλι νερό στην κατάψυξη (το νερό θα διασταλεί και μπορεί να σπάσει το μπουκάλι) και γιατί ο πάγος επιπλέει σε μια λίμνη.

Λέγεται συχνά ότι αυτή η ιδιότητα του νερού είναι μοναδική. Αυτό δεν είναι απολύτως αληθές, καθώς το οξικό οξύ και το πυρίτιο, για παράδειγμα, είναι και τα δύο λιγότερο πυκνά ως στερεό παρά ως υγρό. Αλλά είναι ασυνήθιστο, και είναι σημαντικό. Εάν ο πάγος ήταν πιο πυκνός από το νερό, οι λίμνες θα παγώνουν από το κάτω μέρος και όχι από την κορυφή, καθιστώντας πολύ λιγότερο πιθανό ότι η υδρόβια ζωή θα μπορούσε να επιβιώσει στους κρύους χειμώνες.

Πού στο Σύμπαν βρήκαμε νερό;

Τα χημικά στοιχεία που αποτελούν το νερό (υδρογόνο και οξυγόνο) είναι άφθονα στο Σύμπαν. Στην πραγματικότητα, είναι το πρώτο και το τρίτο πιο κοινό κατά μάζα. Επομένως, δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι το νερό εμφανίζεται σε πολλά μέρη. Κάθε πλανήτης στο Ηλιακό Σύστημα έχει τουλάχιστον λίγο νερό, αν και η Αφροδίτη που μοιάζει με φούρνο έχει μόνο μικρές ποσότητες ατμού στην ατμόσφαιρά της.

Ομοίως, μερικά φεγγάρια είναι καλά εφοδιασμένα. Η δική μας Σελήνη φαίνεται να έχει αποθέσεις πάγου, ενώ ορισμένα από τα φεγγάρια του Δία και του Κρόνου, όπως η Ευρώπη, ο Γανυμήδης, η Καλλιστώ και ο Εγκέλαδος, πιστεύεται ότι έχουν αλμυρό υγρό νερό κάτω από τον επιφανειακό πάγο. Οι κομήτες, που βυθίζονται προς τον Ήλιο από το εξωτερικό Ηλιακό Σύστημα, συνήθως περιέχουν μεγάλες ποσότητες πάγου νερού. Πιο έξω, βρίσκουμε νερό σε τεράστια σύννεφα υλικού ανάμεσα στα αστέρια, στην ατμόσφαιρα των πλανητών σε μακρινά ηλιακά συστήματα και στους περιστρεφόμενους δίσκους της ύλης όπου σχηματίζονται νέα αστέρια. Το νερό είναι πράγματι κοινό, αν και σπάνια είναι τόσο κυρίαρχο όσο στη Γη.

Πώς γνωρίζουμε ότι υπάρχει νερό εκεί έξω;

Δύσκολα μπορούμε να πάμε σε μακρινά αστρικά συστήματα και να ελέγξουμε για νερό, αλλά οι αστρονόμοι έχουν δοκιμάσει και έχουν δοκιμάσει μεθόδους για να ανιχνεύσουν μόρια στο διάστημα. Αυτά βασίζονται στη φασματοσκοπία, ή στη μελέτη του φάσματος του φωτός. Όταν το φως διέρχεται από ένα υλικό, μερικά από τα μήκη κύματος του φωτός απορροφώνται, αφήνοντας σκοτεινές γραμμές στο φάσμα. Η φασματοσκοπία χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στην αστρονομία για την ανίχνευση στοιχείων σε αστέρια, αλλά τώρα χρησιμοποιείται ευρέως όταν το φως διέρχεται, ας πούμε, από ένα σύννεφο ύλης στο βαθύ διάστημα.

Διαφορετικές ενώσεις έχουν τα δικά τους διακριτά «φάσματα απορρόφησης», όπως ένα δακτυλικό αποτύπωμα για ένα συγκεκριμένο μόριο. Υπάρχουν ακόμη και διακρίσεις, για παράδειγμα, μεταξύ των φασμάτων του υγρού νερού και των υδρατμών (αν και ακόμη δεν μπορούμε να ανιχνεύσουμε υγρό νερό σε έναν πλανήτη εκτός αν μπορούμε να το παρατηρήσουμε απευθείας).

Η ανίχνευση υδρατμών στην ατμόσφαιρα ενός πλανήτη που περιστρέφεται γύρω από ένα μακρινό αστέρι είναι πιο δύσκολη από την ανίχνευση μεμονωμένων μορίων νερού στο διάστημα, επειδή το σήμα είναι πιο δύσκολο να διακριθεί από το φάσμα του ίδιου του αστεριού. Ωστόσο, μια νέα τεχνική που δοκιμάζεται από το Ευρωπαϊκό έργο HotMol συνδυάζει τη φασματοσκοπία με πληροφορίες σχετικά με την πόλωση του φωτός, που μπορεί να δώσει μια ένδειξη της πηγής του φάσματος. Η τεχνολογία καθιστά όλο και περισσότερο δυνατό να ανακαλύψουμε πόσο διαδεδομένο είναι το νερό στο Σύμπαν.

Είναι το νερό απαραίτητο για τη ζωή;

Το νερό είναι σίγουρα απαραίτητο για τις μορφές ζωής που έχουμε στη Γη, οι οποίες έχουν όλες μια κοινή καταγωγή και απαιτούν νερό για να λειτουργήσουν. Η ζωή έχει βρεθεί σε κάθε είδους ακραία περιβάλλοντα, λειτουργώντας στα όρια της ζέστης και του κρύου και ακόμη και χωρίς αέρα. Αλλά κάθε είδος ζωής που έχουμε ανακαλύψει περιέχει βιολογικά κύτταρα που απαιτούν νερό για να παρέχουν το περιβάλλον λειτουργίας τους. Τα κύτταρα απλά δεν θα μπορούσαν να λειτουργήσουν χωρίς αυτό. Το θέμα δεν είναι απλώς να τα διατηρείτε φουσκωμένα και να μετακινείτε χημικές ουσίες - τα ζωντανά κύτταρα είναι γεμάτα μικροσκοπικούς πολύπλοκους μηχανισμούς. Πολλοί από αυτούς τους μηχανισμούς βασίζονται σε διαφορετικά τμήματα μορίων είτε λειτουργούν καλά με το νερό είτε δεν αναμειγνύονται με αυτό. Οι πρωτεΐνες, για παράδειγμα, είναι τα βασικά εργατικά μόρια στους ζωντανούς οργανισμούς. Οι πρωτεΐνες πρέπει να διπλωθούν σε συγκεκριμένα σχήματα για να εκτελέσουν τους ρόλους τους και είναι η αλληλεπίδραση με το νερό από διάφορα μέρη ενός μορίου πρωτεΐνης που του λέει πώς να διπλώσει. Το νερό δεν είναι απλώς ένας διαλύτης:εμπλέκεται στενά στη λειτουργία του υπέροχου κυψελωτού μας μηχανήματος.

Πόσο νερό έχουμε στο σώμα μας;

Εμείς οι άνθρωποι περιέχουμε μεγάλη ποσότητα νερού, συνήθως μεταξύ 50 και 70 τοις εκατό κατά βάρος. Το μεγαλύτερο μέρος αυτού βρίσκεται στα περίπου 30 τρισεκατομμύρια κύτταρα που αποτελούν το σώμα, ενώ το υπόλοιπο βρίσκεται σε υγρά όπως το αίμα.

Στα κύτταρά μας, το νερό εμποδίζει το κύτταρο να καταρρεύσει και επίσης λειτουργεί ως μέσο για διάφορα μόρια να φτάσουν από μέρος σε μέρος. Αυτός ο ρόλος μεταφοράς είναι πιο εμφανής εκεί όπου το νερό κινείται, όπως η μεταφορά υλικού γύρω από την κυκλοφορία του αίματος. Επίσης λιπαίνει, διαλύει πολύτιμες χημικές ουσίες και δρα ως αμορτισέρ για τα όργανα. Είναι δύσκολο να βρείτε ένα μέρος του σώματος όπου το νερό δεν παίζει ρόλο – ακόμη και τα οστά είναι περίπου το ένα τρίτο του νερού. Παρεμπιπτόντως, αν και χρειαζόμαστε περίπου δύο λίτρα (οκτώ ποτήρια) νερό την ημέρα, δεν χρειάζεται να το πίνουμε στην καθαρή του μορφή, καθώς άλλα ποτά μπορούν να μας ενυδατώσουν επίσης. Επιπλέον, συνήθως λαμβάνουμε περίπου τις μισές ανάγκες μας σε υγρά από νερό στα τρόφιμα.

Πώς έφτασε εκεί το νερό της Γης;

Αν και δεν είμαστε 100 τοις εκατό σίγουροι για την προέλευση του νερού της Γης, γενικά πιστεύεται ότι είναι ένας συνδυασμός νερού από το σύννεφο ύλης που αρχικά σχημάτισε τη Γη, μαζί με επιπλέον νερό από σώματα που συγκρούστηκαν με τον πλανήτη αργότερα. Όντας σχετικά κοντά στον Ήλιο, ο πλανήτης μας θα είχε χάσει μέρος του αρχικού του νερού κατά τη διάρκεια του σχηματισμού του, αλλά σώματα που βρίσκονται πιο έξω, όπως οι αστεροειδείς και οι κομήτες, ήταν πιο πιθανό να κρατήσουν το νερό τους και θα μπορούσαν να είχαν προσθέσει στις προμήθειες της Γης όταν η βαρυτική έλξη του Ήλιου τους έφερε προς το μέρος μας.

Για πολύ καιρό, πιστευόταν ότι ένα υψηλό ποσοστό του νερού της Γης προερχόταν από αυτές τις μεταγενέστερες προσθήκες, αλλά πρόσφατη έρευνα δείχνει ότι το νερό στους περισσότερους κομήτες και αστεροειδείς τείνει να περιέχει περισσότερο δευτέριο - ένα ισότοπο υδρογόνου - από το νερό στη Γη. Αυτό υποδηλώνει ότι μεγάλο μέρος του νερού στον πλανήτη μας χρονολογείται από την προέλευση του Ηλιακού Συστήματος και ότι μεγάλο μέρος του θα μπορούσε να είχε προστατευθεί στις πρώτες μέρες της Γης παραμένοντας πολύ κάτω από την επιφάνεια. Το 2016 ανακαλύφθηκε ότι βράχοι σε βάθη έως και 1.000 χιλιομέτρων μπορούσαν να αποθηκεύσουν νερό.

Πώς λειτουργεί ο κύκλος του νερού;

Χάρη στη συνεχή ροή ενέργειας του Ήλιου, τα μόρια του νερού εξατμίζονται συνεχώς ως υδρατμοί από τις επιφάνειες των ωκεανών και των λιμνών (καθώς και των φυτών και του εδάφους), προσθέτοντας στους υδρατμούς στον αέρα. Αυτό μεταφέρεται από τους ανέμους σε όλο τον πλανήτη. Όπου ο ατμός φτάνει σε ιδιαίτερα κρύο αέρα και έχει σωματίδια για συμπύκνωση, σχηματίζει τις μικροσκοπικές σταγόνες νερού που συνθέτουν τα σύννεφα, τα οποία συνδυάζονται για να σχηματίσουν μεγαλύτερες σταγόνες και τελικά πέφτουν ως βροχή. Όταν η βροχή πέφτει σε ψηλό έδαφος, τρέχει ως ρυάκια και ποτάμια, και τελικά ανατρέφεται στους ωκεανούς. Αυτός ο κύκλος είναι απαραίτητος για τα πολλά ζωντανά πράγματα που διαφορετικά ζουν σε ξηρά.

Γιατί πρέπει να εξοικονομούμε νερό όταν υπάρχει τόσο πολύ;

Ένα είναι σίγουρο. Ως πλανήτης, δεν έχουμε έλλειψη νερού. Πάνω από το 70 τοις εκατό της επιφάνειας της Γης είναι νερό - 1,4 δισεκατομμύρια κυβικά χιλιόμετρα της ύλης. Αυτό είναι τόσο τεράστιο, που είναι δύσκολο να το φανταστεί κανείς. Ένα κυβικό χιλιόμετρο είναι ένα τρισεκατομμύριο λίτρα νερού. Διαιρέστε την ποσότητα του νερού στον κόσμο με τον αριθμό των ανθρώπων και καταλήγουμε να έχουμε 0,2 κυβικά χιλιόμετρα νερού ο καθένας. Με μια λογική κατανάλωση πέντε λίτρων ανά άτομο την ημέρα, το νερό στον κόσμο θα διαρκούσε για 116.219.178 χρόνια. Και αυτό προϋποθέτει ότι καταναλώνουμε το νερό. Στην πράξη, το νερό που «καταναλώνουμε» γίνεται σύντομα ξανά διαθέσιμο για μελλοντική χρήση. Οι ελλείψεις νερού είναι πραγματικά ελλείψεις ενέργειας – είναι το κόστος της ενέργειας που καθιστά δύσκολη την παροχή χρήσιμου νερού. Το πρόβλημα είναι ότι το νερό είτε βρίσκεται σε λάθος μέρος, επομένως πρέπει να μετακινηθεί ή χρειάζεται να αφαιρεθεί κάτι για να γίνει πόσιμο – και πουθενά αυτό δεν είναι πιο εμφανές από το θαλασσινό νερό.

Γιατί είναι τόσο δύσκολη η μετατροπή του θαλασσινού νερού σε πόσιμο;

Ζώντας στο Ηνωμένο Βασίλειο, περιτριγυρισμένο από ωκεανό, μπορεί να φαίνεται παράλογο να αντιμετωπίζουμε ποτέ έλλειψη νερού. Το ίδιο ισχύει για πολλές χώρες με ακτογραμμές. Και είναι απολύτως δυνατό να μετατραπεί το θαλασσινό νερό σε πόσιμο. Είναι απλώς μια δαπανηρή και ενεργοβόρα διαδικασία.

Το θαλασσινό νερό συνήθως περιέχει περίπου 3,5 τοις εκατό μέταλλα κατά βάρος, κυρίως ιόντα νατρίου και χλωρίου που σχηματίζουν αλάτι όταν το νερό εξατμίζεται. Ο ευκολότερος τρόπος για να το κάνετε πόσιμο είναι απλά να βράσετε το νερό και να συλλέξετε τον καθαρό ατμό. Εναλλακτικά, το υδρογόνο και το οξυγόνο μπορούν να διαχωριστούν από το θαλασσινό νερό με ηλεκτρόλυση και να ανασυνδυαστούν για να παραχθεί νερό, ή τα μέταλλα μπορούν να αφαιρεθούν με ειδικές μεμβράνες που επιτρέπουν μόνο σε ορισμένα μόρια να περάσουν. Οι πρακτικές μονάδες αφαλάτωσης τείνουν να χρησιμοποιούν παραλλαγές στην τεχνική της εξάτμισης:η διαδικασία δεν είναι δύσκολη, απλώς χρειάζεται μεγάλη ενέργεια για την απομάκρυνση των ακαθαρσιών, συνήθως πολύ λιγότερη ενέργεια από αυτή που απαιτείται για να ληφθεί νερό από άλλες πηγές, όπως η έδαφος ή ανακύκλωση.

Αυτό το άρθρο εμφανίστηκε για πρώτη φορά στο τεύχος 305 του BBC Focus περιοδικό - εγγραφείτε εδώ.