Flytende vann foreligger som ferskvann, brakkvann eller hav med saltvann. Regn, og smelting av snø, is og isbreer gir ny tilførsel av ferskvann, og som via bekker og elver renner ut mot havet, og danner en hydrologisk syklus.
Vannmolekylet
Oksygen er sterkt elektronegativt og trekker derfor sterkt på elektroner slik at elektroner som deles mellom O-H bindingen befinner seg i gjennomsnitt nærmere oksygenatomet (O) enn hydrogen (H) og oksygenatomet får derfor negativ ladning mens den tilsvarende positive ladningen deles mellom de to hydrogenatomene. Vann blir derfor et polart molekyl hvor vannmolekylene henger sammen med hydrogenbindinger (ca. 20 kJ mol-1) som gir vannet mange av sine karakteristiske egenskaper. Hydrogenbindingene gjør at vann også bindes til andre molekyler og overflater og danner hydratiseringsskall rundt makromolekyler og ioner. Vann bundet til proteiner er helt avgjørende for stabiliteten til proteinene. Vann har termiske egenskaper og løsningsmiddelegenskaper som dyr og plantene har tilpasset seg til. Store varmemengder deltar i fordampning og kondensering av vann. Vann inngår i biokjemiske reaksjoner. Vann er gjennomsiktig slik at lys slipper inn i cellene. Vann strømmer kontinuerlig gjennom ledningsvevet i plantene.
Transpirasjon av vann gir avkjøling, og i tillegg blir mineralnæring fraktet via ledningsvevet. Perspirasjon er fordampning av vann gjennom svettekjertler i huden hos dyr, og som deltar i varmereguleringen.. Dyr med pels fjerner varme ved pesing. Vann har størst tetthet ved 4oC, noe som gjør at innsjøer sjelden bunnfryser. Når vann fryser utvider det seg og kan gi frostsprekker i stammen hos frukttrær og varmekjære løvtrær.
Den spesifikke varmekapasiteten til vann er mengden energi som trengs for å heve temperaturen av 1 g vann med 1oC og er lik 4.184 J.
Smeltevarmen til vann er energien som trengs for å omdanne 1 g is til 1 g vann ved 0oC er lik 6 kJ mol-1 (335 J g-1).
Fordampningsvarmen er lik energien som trengs for å få omdannet en bestemt mengde vann til gassform og er lik 44 kJ mol-1 ved 25oC. Når vann fordamper fra plantenes overflater kjøles de ned. Ved svette fjernes varme fra menneskekroppen.
Vann har stor evne til å nøytralisere elektriske ladninger fra hverandre, målt som dielektrisitetskonstanten. Derav vannets gode løsningsmiddelegenskaper.
Kohesjon kalles den innbyrdes tiltrekningen mellom vannmolekyler (sammenhengskrefter), og vann får derfor ekstra stor overflatespenning. Tiltrekningen mellom vannmolekylene er større enn tiltrekningen mellom vann og luft slik at vannmolekylene forsøkes å bli trukket inn i en vanndråpe. Kohesjon gir også den store strekningsstyrken til vann, dvs. angir den maksimale tensjon som en vannsøyle kan utsettes for uten å briste (kavitere). For alle praktiske forhold kan vann betraktes som usammenpressbart. Dette betyr at de hydrauliske lovene gjelder for en plante.
Figur 1. Frysepunkt, smeltepunkt, frysepunktdepresjon og underkjøling. Når underkjølt vann kommer i kontakt med en iskjernedannere så fryser alt vannet brått og sjokkartet. Hvor raskt overflatehinnen kan respondere kan man se ved en dråpe zalo på en vannoverflate med pepper (Marangonieffekt og vintårer).
Når tomater modner om høsten med varierende vanntilgang fra en periode med tørke over i en fase med nedbør, kombinert med lav temperatur kan gi sprekker i tomaten nær festet til planten (vekstsprekker). Sprekkene danner konsentriske ringer, men tomaten kan også få radiale sprekker nedover fra stengelfestet. Frukten tar opp vann og utvider seg så raskt at veksten ikke holder tritt. Sprekkene gir mulighet for råtesopp å etablere seg. Tomat Gemini F1. Noen tomatsorter har mer elastisk epidermis og er mindre utsatt for tomatsprekker.
Iskrystaller på et grasstrå. Vannet kommer ut gjennom spalteåpninger eller korkporer, på samme måte som det dannes isroser (bomullsaktige tynne istråder som kommer ut fra fuktige døde pinner med løvtrevirke) ved temperatur < 0oC.
Vann, fotosyntese og biokjemi
I tillegg til å være et universelt løsningsmiddel , gir vann elektroner (e-) som blir lagret i organiske forbindelser i fotosyntesen, og er energikilden som gir drivkraft i alle aerobe organismer. Oksygen (O2) er et biprodukt som blir brukt som elektronakseptor i cellerespirasjonen hos aerobe organismer hvor det på nytt blir dannet vann.
\(2H_2O \rightarrow 4e^-+ 4H^+ + O_2\)
Energien blir frigitt når elektroner i maten blir fraktet via en elektrontransportkjede i mitkondriene tilbake til oksygen, hvor det på nytt blir dannet vann, katalysert av enzymet cytokrom c oksidase.
Vann blir også benyttet til å bryte kjemiske bindinger i molekyler, en hydrolyse katalysert av enzymene hydrolaser.
Vann, vær og klima
Vann er det molekylet som mest påvirker Jordens klima, med de tre faseovergangene fast form (is), flytende (vann) og en usynlig gass (vanndamp). I overgangene mellom fasene er det enorme varmemengder som deltar (fordampningsvarme, kondenseringsvarme, smeltevarme, sublimasjonsvarme, vamrekapasitet) i jordens hydrologiske syklus. Vanndamp er den viktigste drivhusgassen i drivhuseffekten i atmosfæren. Is reflekterer lys (albedo) og påvirker således varmebalansen på Jorden. Store vannmengder går fra jorda gjennom røttene og ut gjennom blad til atmosfæren (transpirasjon) . Mennesket påvirker Jordens klima ved å fjerne skog både via vann og karbondioksid (karbonsyklus). Gjennom Jordens evolusjon har det vært en rekke istider, isbreer som lager daler og fjorder, danner og frakter jordsmonn til landbruk, avbrutt av varmeperioder med isavsmelting, ny plantevekst med stigende skog- og tregrense . Skogen lager sitt eget lokalklima. Tørt klima (tørkeperioder) er i veksling med nedbørsrike perioder, med regionale og globale skiftninger som gir synkende eller stigende havnivåer, landsynking eller landheving som flytter den marine grense, landbroer som kommer tilsyne eller forsvinner. Økt skydannelse som følge av økt temperatur reduserer solinnstråling og motvirker således temperaturøkning.
Store nedbørsmengder (styrtregn) gir utvasking av næringssalter fra landbruket og gir overbelastning og overløp fra kloakkrenseanlegg. Næringssaltene gir oppblomstring av alger og blågrønnbakterier og når disse synker til bunns og blir omsatt blir oksygenet i vannet oppbrukt. Alt liv i vannet som er avhengig av oksygen dør, et økologisk vippepunkt passeres og det skjer et økosystemskifte. Økt lufttemperatur gir økt fordampning (evaporasjon) fra ferskvannssjøer og hav.
Farge på vann og is
Dypt rent vann og is har en blåaktig farge siden det er det røde og oransje lyset som blir mest absorbert i vannet så blir vannet blåaktig. Det samme gjelder en isbre med hardpakket is, hvor breisen er blåaktig, har annen farge enn vanlig is, som også her skyldes absorbsjon av rødt og oransje lys i isen. Atomene i vann vibrerer, og bidrar til en blå farge. Vibreringen gir overtoner på samme måte som en vibrerende streng i et musikkinstrument. Det skjer strekk, utvidelse og sammentrekningen av bindingen mellom oksygenatomet (O) og hydrogenatomene (H), blant annet forårsaket av hydrogenbindingene i vann. Vanligvis ser man ikke vibrasjonene i andre molekyler som absorberer i termisk infrarødt eller nært infrarødt, men siden hydrogenatomet er svært lite og er sterkt bundet til oksygenatomet gjør dette eten noe kortere bølgelangde, det vil si rødt, blir absorbert. Blåfargen skyldes altså ikke spredning (Rayleigh-spredning) som gir blå farge på himmen. Imidlertid, en grønnfarget breelv skyldes spredning fra finpartikulært materiale suspendert i vannmassene. Snøen er hvit siden lyset reflekteres fra iskrystallene. Redt lys blir absorbert på veien noedover i snøen, hvor det kan bli lang lys, noe som gir dyp snø en blåaktig farge.
Ferskvann følger tyngdekraften fra fjell, via dal og sletter hvor det til slutt ender i havet. Vann i dammer og vannmagasiner har potensiell energi, og vann som strømmer har kinetisk energi. Vannhjul drevet av vannet som kom ovenfra var dannet grunnlaget for møller, sagbruk, spikerbruk, spinnerier og industriutvikling.
Rennende vann har stor potensiell energi og denne kraften ble brukt til å drive vannhjul som fikk vann fra toppen av fossen via en renne (overfallshjul) eller eller hvor en eller hvor vannhjulet var plassert nede i en vannstrøm somm drev vannhjulet (strømhjul). Bekkekverner (kvernkall) ble brukt til å rotere en kvernstein, vanligvis glimmerskifer i par med en ikke-roterende stein hvor man fylte på korn i midten og fikk mel ut fra kanene på kvernsteinene. I møller ble to møllesteiner brukt til maling av kornet og møller var en yrkestittel (og navn på en fugl) e.g. Bjølsen Valsemølle ved Akerselva.
Gammel kvernstein brukt som bord, Snillfjord, Trøndelag.
Vann har oppdrift og ifølge Arkimedes lov vil et objekt i vann letner så mye som vekten av den fortrengte væskemengde. Denne oppdriften gjør at ingenting kan konkurrere med vann som transportåre av svært tunge gjenstander og frakt av gods og materialer over store avstander, eler og hav.
Kanaler for vanningsanlegg i landbruket Oppsamlet vann kunne også bli ledet ut over rismakrene for dyrking av våtlandsris i Asia.
Akvadukter i Romverriket fraktet vann fra Apenninene til Roma.
Elektromagnetisk induksjon og vannkretsløpet
Vannkraftverk får sin potensielle energi fra vannkretsløpet hvor solenergi fordamper vann som faller ned som regn eller snø og vannet følger tyngdekraften (gravitasjonsfeltet) ned til havnivå. Vannkretsløpet lager vind som gir rotasjon i en vindturbin. Kull- eller gassfyrte varmekraftverk og atomkraftverk bruker vanndamp med høyt trykk og temperatur til å drive en vanndampturbin, og er således også avhengig av vann. Elektromagnetisk induksjon er bruk av et skiftende magnetfelt til å lage elektrisk strøm, enten ved å rotere en elektrisk spole med kobberledning i et magnetfelt eller rotere en magnet i en elektrisk spole. Magneten kan være enten en fast magnet eller elektromagnet.
I en strømgenerator er det en fast stator og en bevegelig rotor med spoler med kobberledning som omdanner mekanisk energi til elektrisk vekselstrøm via Faradays elektromagnetisk induksjon oppdaget i 183. For å gi mekanisk energi til rotasjonen bruker man i vannkraftverk vann med kinetisk energi til rotasjon i en peltonturbin, francisturbin eller kaplanturbin tilpasset vannmengde og fallhøyde på vannet. Turbinen består av turbinblader eller skovler på et løpehjul som vannet passerer med et skaft over til generatoren med en rotor og stator. Skovlene blir får skader fra kavitasjon som gir kavitasjonsgroper på turbinbladene og av partikulært materiale i vannet.
I Francisturbinen strømmer vannet inn mot sentrum av løpehjulet og ble oppfunnet av ingeniøren James B Francis (1815-1892). Peltonturbinen, navn etter Lester Pelton (1829-1908), har doble skåler med en egg som spalter en vannstråle med høyt trykk som kommer fra en rørgate inn i dyser.
Arbeid (W) er kraft (F) ganger vei (s), W=Fs.
Effekten P med enheten joule per sekund (J s-1 = watt (W)) er gitt ved:
P= η ρ g h s
Hvor η (eta) er virkningsgraden, ρ (rho) er tettheten til vann, 1000 kg m-3, g er tyngdens akselerasjon 9.81 ms-2 , h er fallhøyde i meter (m) og s er strømningshastighet på vannet (m3s-1). Ad fallhøyde må det tas hensyn til friksjonstap i rørsystemet. Hvis elektrisk effekt skal beregnes må virkningsgrad i strømgenerator med stator og rotor, samt transformator medregnes. Det er også en sammenheng mellom effekt P, turtall n målt i radianer per sekund og dreiemoment med måleenhet newtonmeter (Nm).
Elvekulturer og sivilisasjoner
De første store sivilisasjoner var tilknyttet elver, elvesletter og elvedeltaer, hvor vannet ga grunnlag for dyrking av planter og jordbruk. Slam som ble ført med elveflommen ga næring til plantene. Elven funger også som transportåre. Eufrat og Tigris i Midtøsten og Mesopotamia (Sumerkulturen; Nilen i Egypt (Nilkulturen); Den gule flod (Huang He) og Yangtze i Kina; ; Indus i Pakistan og India (Induskulturen, harrappansk); Mekong i SØ-Asia; Ganges og Brahmaputra i India, Donau og Rhinen i Europa. Mange av disse elvene renner gjennom flere land, og i moderne tid kan oppstrømslandenes bruk av vannet til irrigasjon, demninger og vannkraft skape problemer og konflikt for nedstrømslandene, e.g. Renessansedammen og den Blå nil i Etiopia. Tidevannselver frakter tidevannet båter opp og ned elver. Det ble bygget demninger og kanaler for vann til plantedyrking, akvedukter for drikkevann, og utslippskanaler for kloakk. Bygging av avanserte irrigasjonssystemer krevet oppbygging av en sivilisasjon med arbeidsdeling. Noen steder ble det for mye vann, man måtte fjerne vannet via kanaler og grøfter, andre steder var det for lite og regnvann fra regntiden kunne bli samlet i dammer. Mot kysten ble det bygget diker som i Nederland, for å hindre havet og tidevannet i å strømme inn over land. MOSE er et gigantprosjekt med barriæremoduler som skal beskytte lagunen og byen Venezia i Italia mot stigende havnivå. Demninger blir bygget i elveløp for å hindre flom og lagre vann.. Elver kan føre med seg mudder og slam som dekker bunnen i demninger, og meandere kan gi endringer i elveløpet .
Like viktig som hjul eller slede på land var kanaler og kunstige vannveier med båter, men kobling mellom vannbassenger ga også til irrigasjonsvann til landbruk og matproduksjon. Kanaler er en form for kunstige elver og har hatt stor betydning for handel og utvikling av sivilisasjoner. Keiserkanalen i Kina fra Yan-dynastiet er verdens lengste kanal bygget av mennesker og går fra Beijing i Nord og binder sammen elvene Yangtse, den gule flod og Weilelven. I Russland, England, Nederland, USA og mange andre land ble det bygget kanalsysemer. Götakanal i Sverige. Telemarkskanalen i Norge. Med sluser kan vannet og båter løftes til et høyere nivå. I USA Mississippi og Missouri, de Store sjøene, lange kyster til to hav, og dypvannskaier.
Mange storbyer ligger ved elver: London (Themsen), Paris (Seinen), Roma (Tiber), Budapest, Wien, Beograd, og Bratislava (Donau), Berlin (Spree), Moskva (Moskva), Firenze (Arno) osv. samt Oslo med Akerselva fra Maridalsvannet til Bjørvika. Akerselva la grunnlag for industrireising, først møller, kverner og sagbruk, deretter tekstilindustri.
Mennesket blir tiltrukket av rennende vann, sjø og strender, en underliggende følelse av avhengighet. I byene hvor det urbaniserte menneske er fjernet fra sitt opprinnelige habitat er det dammer i parker og vannfontener e.g. Berninis De fire elvers fontene (Fontana dei Quattro Fiumi), Piazza Navona, Roma.
Isskjæring (isdrift) og isskjæringsdammer
I eldre tider før elektrisitet, kjøleskap og frysebokser ble det skjært isblokker ut fra naturlige eller kunstige isskjæringsdammer eller tjern og små innsjøer med spesielle isskjæringssager. Isskjæringsdammer kan man observere bl.a. ved kysten i Asker kommune. Isblokkene ble fraktet til nærliggende gårdsbruk, de ble dekket med sagflis slik at isen smeltet sakte og brukt blant annet til nedkjøling av melk og andre matvarer. Isblokker ble også eksportert til utlandet i istrafikk.
Vann og myter
Vann er koblet til flere riter e.g. dåp. I skogstjern var nøkken (jfr. Kittelsen). I elvene levde ifølge gresk mytologi elvegudinner (Najader), og i havet havguder (Neptun, Poseidon), og havgudinner (nereider, okeanoider, Tethys, og havfruer). Ifølge norrøn mytologi var havgudene Ægir og Ran, og draugen i havet. I overgangen mellom Jorden (Gaia) til underverden og dødsriket var elven Styx og, med en fergemann (Kharon). Elven Lethe var en av fem elver i underverden Hades, "glemselens elv" i tilknytning til daimoner og søvnguden Hypnos . I alle storbyer finnes det en eller flere vannfontener. I Dante Alighieri sin Gudommelige komedie (La Divina commedia) bestående av Inferno (helvete), Purgatoria (skjærsilden) og Paradisio (paradiset). Pilgrimen (Dante) og forfatteren Vergil starter en langfredag morgen i år 1300 med å gå seg bort i en mørk skog. Ned til underverden må de passere flere elver. De skysset av båtfører Flegyas over elven Styx. Deretter elven Akeron. De må også passere elven Flegethon med kokende varmt blod hvor voldsmenn straffes og kentaurer skyter piler. Dessuten over den islagte sjøen Cactys.
Døpefontener og døping i elvevann.
En gammel akvedukt (Acqua Virgo) gir vann til Fontana di Trevi i Roma med havguden Okeanos.
Gesang der Geister über den Wassern
Des Menschen Seele
Gleicht dem Wasser:
Vom Himmel kommt es,
Zum Himmel steigt es,
Und wieder nieder
Zur Erde muß es,
Ewig wechselnd.
Strömt von der hohen,
Steilen Felswand
Der reine Strahl,
Dann stäubt er lieblich
In Wolkenwellen
Zum glatten Fels,
Und leicht empfangen,
Wallt er verschleiernd,
Leisrauschend,
Zur Tiefe nieder.
Ragen Klippen
Dem Sturze entgegen,
Schäumt er unmutig
Stufenweise
Zum Abgrund.
Im flachen Bette
Schleicht er das Wiesental hin,
Und in dem glatten See
Weiden ihr Antlitz
Alle Gestirne.
Wind ist der Welle
Lieblicher Buhler;
Wind mischt vom Grund aus
Schäumende Wogen.
Seele des Menschen,
Wie gleichst du dem Wasser!
Schicksal des Menschen,
Wie gleichst du dem Wind!
JW von Goethe (1779)
Musikk Franz Schubert (1817)
Vand
Vand som rinder, vand som risler,
vand om våren, vand om høsten...
Fra diktet Vand, Nordahl Grieg
Regn
Zik zak,
vi drypper paa tag,
tik tak,
det regner idag.
Regn, regn, regn, regn,
øsende regn,
pøsende regn,
regn regn, regn, regn,
deilig og vaadt
deilig og raat! ...
Sigbjørn Obstfelder: Regn (Digte, 1893)
Rennende rent vann er energi. Først brukt i vannhjul, som drivkraft til å drive maskiner: Arkwrights vingespinnemaskin, oppgangssag, og møller, som dannet basis for industrisamfunn. Det er store energimengder involvert når vann skifter mellom vannfase og gassfase. Dampmaskinen kunne drive tog, skip og maskiner. Gjødselindustrien ble avhengig av elektrisk strøm fra vannkraftverk med turbiner basert på Faradays induksjon, hvor elektrolyse av vann ga hydrogen (H2) og oksygen (O2). Vann under trykk har stort kraftpotensial, hydraulikk som driver landbruksmaskiner, hvor vannet ble byttet ut med hydraulikkolje. Vann gir hydrostatisk trykk. Ifølge myter og overtro holdt fossegrimen til i fosser og kvernhus. Theodor Kittelsen: Fossegrimen (1887). Nils Bergslien: Fossegrimen. Myllarguten: Fossegrimen, en slått. Johan Halvorsen: Fossegrimen.
Vann og bølger
En svømmende stokkand lager en "kjølvannstripe" og Kelvin bølgemønster, først forklart av Lord Kelvin, med to bølgefronter i V-form med en spesiell vinkel mellom dem, samt et interferensmønster. Vann er transportårer: hav, innsjøer, elver og menneskebyggete kanaler.
I en liten dam sørger gravitasjonskreftene for at det blir en plan vannoverflate. Kaster man en stein i vannet utføres arbeid, overflaten forstyrres og det beveger seg en transvers bølge (utsvinget på overflatebølgen er vinkelrett på bevegelsesretningen), et bølgetog i alle retninger ut fra treffet i vannoverflaten. Elektromagnetisk stråling er et annet eksempel på en transversal bølge. Avstanden mellom to bølgetopper er bølgelengden Hvis man har en fiskedupp på vannet vil den flyte opp og ned når bølgen passerer. Forutsetning for en slik periodisk bølge er en energikilde og elastisitet. En energikilde som lager overflatebølger er vind.
Hvis man se utover en større fjord eller innsjø når det er vindstille så kan man noen ganger observere mønstre på vannoverflater bestående av sektorer med klar blanke områder avbrutt av områder med små bølger og krusninger på overflaten. Årsaken er muligens strømninger i vannet, temperaturgradienter, eller lokale vindsystemer, bl.a. Langmuir sirkulasjon.
Litografiet Vannfall (Vaterval) laget av den nederlandske kunstneren EC Escher viser et visuelt paradoks ved bruk av hvor vann i akvadukter og vannhjul inngår i en evig syklus vhor vannet tilsynelatende også renner oppover. Bildet viser også et stjerneformet rombisk dodekaeder, og i bakgrunnen et terrasseformet jordbruk.
«En Mil nedenunder mig saa jeg Havet; Fjældsiderne var vaate og sorte av Vand som rislet nedover dem, dryppet og rislet under den samme bittelille Melodi. Disse smaa Melodier langt inde i Fjældene kortet mig mangen Stund naar jeg sat og saa mig om. Nu risler den lille endeløse Tone her i sin Ensomhet, tænkte jeg, og ingen hører den og ingen tænker paa den, men allikevel risler den her for sig selv hele Tiden, hele Tiden!»
Knut Hamsun: Pan. Gyldendal Norsk Forlag 1954 s. 13.
Littetur
Wikipedia