Jeden atom kyslíku a dva atomy vodíku
Zdánlivě samozřejmá, ale pro nás všechny nesmírně důležitá a nezbytná. Máme jí dostatek, netrpíme žízní, můžeme se každý den osprchovat, vypít tolik, kolik zvládneme. Teprve když nám chybí, doceníme komfort, jaký našemu životu poskytuje. Malý velký zázrak máme doma v kohoutku, v krajině v řekách, jezerech a mořích. Co jste o vodě zřejmě ani netušili, prozradí prof. Dana Komínková z České zemědělské univerzity.
Všichni ji známe, ale co to vlastně je voda?
Záleží, jak se na vodu díváme. Chemik řekne, že je to jeden atom kyslíku a dva atomy vodíku a mezi nimi se vytváří vazby. Nebo se na vodu můžeme dívat tak, že je to základ všeho, základ života na této planetě. Tato jedna molekula, zdánlivě jednoduchá, je základem života. Podobně jako z pramene vznikne silný tok řeky.
Na projektu „Prameny spojují krajina a státy“ spolupracují vědci ze tří univerzit: Technické univerzity v Liberci, IHI Zittau a České zemědělské univerzity. Jakým výzkumem se váš tým zabývá?
V našem výzkumu sledujeme kvalitu vody, její stáří a původ. S kolegy se zabýváme kvalitou sedimentu a tím, co v pramenech žije, co roste okolo a jak se tyto složky navzájem ovlivňují. Projekt Prameny spojují je multioborový a náš tým pracuje ve složení hydrobiolog, botanik, chemik a hydrolog. I když to z vyjmenovaných profesí tak nevypadá, jsme skoro samé ženy.
Jak se určují původ a stáří vody?
Původ vody určujeme pomocí rozpuštěných látek nebo izotopů. Třeba do srážek se izotopy dostávají v závislosti na teplotě. Když je zima, je izotopů málo, tudíž také sníh jich obsahuje málo. Když se při výzkumu setkáme s vodou s malým obsahem těžkých izotopů, víme, že většinou pochází z tání sněhu nebo ledu. Vody z tajícího sněhu bývá ještě v létě například v řece Nise poměrně hodně, patrné je to v její vodě ještě v Žitavě. Stáří vody se nejlépe určí zase izotopy, a to různými podle poločasu rozpadu. Vody staré 20-30 tisíc let se určují pomocí radiouhlíku.
Jaké typy vody rozlišujeme?
Možností, jak rozdělit vodu je více. Všichni používáme vodu pitnou a užitkovou a produkujeme vodu odpadní. Dále známe vodu sladkou, slanou a brakickou. (* pozn.: nachází se v deltách řek nebo podél pobřeží, je to smíchaná voda slaná a sladká). Voda může být povrchová nebo podzemní. Vodu lze dělit podle skupenství (kapalná, led, vodní pára) a z dalších hledisek. Při našem výzkumu se zabýváme prameny, tedy vodou podzemní, která vystupuje na zemský povrch. Podzemní voda může být prostá nebo minerální. Liší se podle množství rozpuštěných látek. Voda minerální má obsah rozpuštěných látek větší než 1g/l, voda prostá má obsah těchto látek nižší.
Jak můžeme vodu charakterizovat a v čem je jedinečná?
Ve srovnání s jinými tekutinami má voda zcela mimořádné chemické a fyzikální vlastnosti, které označujeme jako anomálie. V dnešní době známe takových anomálií 66 a možná ještě nemáme konečné číslo. Anomálii třech skupenství známe z běžného života. Žádná jiná látka se v běžných podmínkách nevyskytuje ve všech třech skupenstvích. Pouze voda. V pevném jako led, v plynném jako vodní pára a v kapalném je to kapalina.
Jaký další příklad anomálie si můžeme představit?
Mezi mimořádné vlastnosti vody patří i změna hustoty s teplotou. Zatímco většina látek má největší hustotu v pevném skupenství, u vody tomu tak není. Voda má nejvyšší hustotu při 4° C, a pokud se ohřívá nebo ochlazuje, její hustota se snižuje. S důsledky této anomálie se nejčastěji setkáváme v zimě, když zamrzají řeky a jezera, která vždy zamrzají od hladiny. Led na vodě plave a díky tomu vytváří izolační vrstvu a voda pod ledem se ochlazuje pomaleji. Vodní organismy tak mohou přirozeně přežívat. Představte si, jak by to vypadalo, kdyby tato anomálie neexistovala. Potom bychom na Vánoce lovili kapry s bruslemi na nohou, po kolena ve vodě.
Co znamená a jak se u vody v různých prostředích projevuje tzv. měrná tepelná kapacita?
Měrná tepelná kapacita je udávána jako množství tepla, které musíte látce dodat, aby se 1 kg této látky ohřál o 1° C. Měrná tepelná kapacita vody je 4,1 krát větší než vzduchu, téměř 10 krát vyšší než u železa a skoro 33 krát vyšší než u zlata. Dokonce i led má jen poloviční měrnou tepelnou kapacitu než kapalná voda.
Co to znamená pro člověka a jeho prostředí?
Důsledky této anomálie můžeme sledovat skoro všude okolo nás. Díky tomu, že jsou naše těla v průměru tvořena ze 75 % vodou, naše tělo udržuje lépe konstantní teplotu. Vzpomeňte si, jak snadno se v létě začnete přehřívat, pokud nedodržujete v horkých dnech pitný režim. Vysoká měrná tepelná kapacita vody hraje velkou úlohu i pro stabilitu klimatu na naší planetě. Důsledek velké měrné tepelné kapacity vody můžeme nejlépe vidět, když porovnáme poušť a přímořské letovisko. Zatímco u moře voda během dne teplo přijímá, ohřívá se a ochlazuje okolní vzduch, v noci voda přijaté teplo uvolňuje a ohřívá vzduch. Na poušti, kde voda chybí, dochází během dne k velkému ohřívání vzduchu a písku. Měrná tepelná kapacita písku je 5,1 krát nižší než je tomu u vody, tzn. že písek se nejen rychle ohřívá, ale po západu slunce se rychle ochlazuje. Důsledkem toho jsou pak velké výkyvy v teplotě na poušti ve dne a v noci, které mohou dosahovat až desítek stupňů Celsia. Zatímco v přímořském letovisku bude rozdíl teploty během dne a noci jen několik málo stupňů. Vědci tuto a nejen tuto anomálii vysvětlují přítomností vodíkových můstků v molekulách vody.
Jaká další anomálie vody je pro náš život přínosná?
Voda má velice malou stlačitelnost. To je pro nás lidi velká výhoda. Naše těla jsou tvořena vodou ze 75 % a je přece velice výhodné, že při jakékoliv aktivitě – při sportu, při práci nebo při spánku – žádným významným způsobem nemění svůj tvar. Kdyby tomu tak nebylo, při každém sebemenším pohybu by naše těla sice držela pohromadě, ale vleže bychom se opravdu „rozleželi“ a při tanci „rozvlnili“.
S vodou pracujete i ve společném výzkumu v pramenů? Co je ze sesbíraných dat o pramenech patrné?
Celý náš projekt je se své komplexnosti, různorodosti a multioborovém zaměření jedinečný, právě v tom spočívá jeho anomálie. Takto komplexní výzkum pramenů se u nás dosud neuskutečnil, proto je pro nás unikátní se ho účastnit. Práce nás těší, velké množství se uskutečňuje v terénu. Dokonce více, než jsme si mysleli. Pracujeme v terénu i v laboratořích a projekt zahrnuje velkou škálu profesí. Je tu velká šance, aby se chemik potkal s geografem, hydrobiolog s humánním geografem a komplexně se spolu dívají na prameny. Náš výzkum je hodnotný právě v tom. O pramenech zjišťujeme nejen jejich chemické charakteristiky, ale také se dozvídáme více o místech výskytu, o tom, jakou funkci prameny měly dříve a mají nyní ve vybraných obcích a místech.
Do výzkumu pramenů zapojujete i své studenty.
Studenti se v projektu dostanou ke skutečné „vědě“, zpracovávají své diplomové a bakalářské práce. Vyberou si téma a na něm pracují. V projektu máme štěstí, protože se nám podařilo vybudovat dobrý mezinárodní tým studentů.
Čemu se věnují a odkud jsou?
Jednou ze studentek byla Rosemary z Peru, svou práci už také obhájila. Patřila k těm opravdu velmi dobrým. Zabývala se toxickými kovy v sedimentu a biotě pramenů v oblasti Lužických hor. Věříme, že do budoucna bude ve spolupráci s námi pokračovat jako zástupkyně své domovské univerzity v Peru. Diego je náš student pocházející z Kolumbie, jeho práce je zaměřená na faktory ovlivňující výskyt blešivců v pramenech. Studentka Alena pochází z Ruska a zabývá se původem, stářím a kvalitou vody v pramenech. Spolupracuje s námi už od začátku svého studia u nás, napsala a úspěšně obhájila svou bakalářskou práci a pokračuje s námi i na své diplomce.
Jaké další aktivity pro studenty organizujete? Vidíte rozdíly mezi studenty českými a zahraničními?
V projektu také pořádáme workshopy a letní školu. Účastní se jich nejen studenti, kteří se podílejí na vědecké části projektu. Pro studenty je to výborná zkušenost, protože si „osahají“ vědeckou práci a mohou se rozhodnout, zda je to baví a chtějí se v budoucnu této cestě věnovat. Studentům workshopy a letní školy přinášejí nejen možnost si „sáhnout na vědu“, ale také se setkávat se studenty z jiných zemí. Překvapivě podíl českých a zahraničních studentů, kteří se do projektu zapojují, je trochu ve prospěch těch zahraničních, kteří jsou většinou akčnější a mají lepší představu o tom, co v budoucnu chtějí dělat. Pokud to ještě nevědí, tak se snaží chopit každé příležitosti naučit se něco nového a svou vizi si najít.
Kdo je Dana Komínková?
Působí na Fakultě životního prostředí ČZU, přednáší také v zahraničí. Vystudovala Přírodovědeckou fakultu Karlovy univerzity, a od té doby je (nejen) voda jejím profesním tématem. Pro ochranu životního prostředí se nadchla na střední škole a její nadšení neopadá ani po 20 letech v oboru. Ráda fotí, cestuje a zahradničí.
