Happamuus (limnologia)

Happamuus on vesistöjen tutkimuksessa yksi luonnonveden ominaisuutta ilmaiseva suure, jolla pyritään selvittämään vesistön kemiallista tilaa ja eliöiden elinoloja. Luonnonveden happamuuden aiheuttavat erilaiset luonnossa esiintyvät hapot ja emäkset. Vesistön tila voi olla hapan, neutraali tai emäksinen, mutta kaikki nämä tilat ilmaistaan happamuuden eri tasoa esittävillä pH-arvoilla.
Veden normaali happamuustaso on neutraalia esittävä pH-arvo 7. Vesien eliöstö on sopeutunut elämään pH-arvovälillä 6–8. Meret ovat lievästi happamia, ja niiden pH on 8,0. Suomalaiset järvet ovat yleensä pH 6,5–6,8 johtuen runsaasta humuksen määrästä. Vesien pH-arvo syntyy, kun veteen liukenee kallioperästä, maaperästä tai ihmisen toiminnasta erilaisia emäksiä ja happoja, joiden keskinäiset happo-emäs-reaktiot tuottavat vesistön luontaisen pH-arvon. Ihmisen toiminta tuottaa vesistöihin jätevesipäästöjä, pintavalumia ja sateen tuomia laskeumia, joiden sisältämissä aineissa on myös emäksisiä ja happoja. Näiden vaikutukset ovat luonnossa pääsääntöisesti happamoittavia.
Vaikka vesistöillä onkin luontainen puskurikyky happamoitumista vastaan, ihmisen toiminta voi vaikuttaa niiden pH-arvoon. Liian raskaat päästöt neutraloivat veden emässuojaa ja murtavat lopulta koko vesistön puskurisuojan. Tällöin vesistö happamoituu pysyvästi. Vesistöjen happamoitumista seurataan jatkuvasti ja happamoitumiskehitykseen saatetaan puuttua kemiallisillakin toimilla. Erityinen syy tarkkailuun on puhtaan juomaveden ja talousveden sekä teollisuuden raakaveden turvaaminen.

Happamuuden aiheuttajat

Vesistö saa vettä suoraan sateena, pintavalumana ja pohjaveden valumana. Vesistöjen happamuus syntyy kallio- ja maaperän suolojen liukenemisesta veteen, orgaamisten happojen liukenemisesta veteen ja ilman hiilidioksidin liukenemisesta veteen. Kun joukkoon lisätään ihmistoiminnan jätteet, päästöt ja laskeumat, syntyy yhdisteiden aiheuttama mutkikas happamuuskuorma.

Kallioperän ja maaperän laatu

Kalliot ovat happamuudeltaan sekä emäksisiä että happamia. Kallioperän laatu on eroosiossa vaikuttanut hiekan, soran, moreenin ja saven laatuun. Suomessa jääkauden aikainen kalliopinnan eroosio muodosti maaperän, jonka kemialliset ominaisuudet kallioperä sille antoi. Esimerkiksi maankohoamisen merestä nostamilla niin sanotuilla sulfiittimailla pohjavesi on hapanta sulfiittiyhdisteiden vuoksi. Toisaalta kalkkikivi liukenee pohjaveteen karbonaatteina ja bikarbonaatteina muuttaen pohjaveden emäksiseksi. Valuma-alueen vesistöt voivat muuttua pohjaveden ja pintavaluman johdosta myös emäksisiksi.

Kasvillisuusympäristö

Kasvillisuuden solut sisältävät enimmäkseen happoja ja vähemmän emäksiä. Kun kasvit kuoltuaan hajoavat, vapautuneet karboksyylihapot alkavat hajota hiilidioksidiksi ja vedeksi. Kivennäisaineet sen sijaan huuhtoutuvat pintavalumana muuttumattomina etenpäin. Ne kasvinosat, jotka jostakin syystä jäävät hajoamatta, ovat pääsääntöisesti happamia. Näin käy sekä kankaiden humukselle että soiden ja järvien veteen joutuneille kasvinosille. Joskus biomassa tuottaa emäksiä, kuten käy leväkukintojen aikana vesistöissä. Levän yhteyttäminen tuottaa emästä.

Laskeumat

Ilman hiilidioksidi liukenee veteen muodostaen siellä hiilihapon suoloja, kuten karbonaatteja ja bikarbonaatteja. Näiden happamuus on vähäistä, mutta se on mitattavissa. Vakavamman happamuuskuorman aiheuttavat sellaiset teollisuuden päästöt, joiden joukossa on typen ja rikin oksideja, joista muodostuu typpihappoa ja rikkihappoa, kun ne joutuvat tekemisiin ilmankosteuden kanssa. Hapot liukenevat veteen ja tekevät sateesta hyvin hapanta, jolloin puhutaan happosateista. Happosateet ovat pääsyyllisiä Pohjois-Euroopan metsäjärvien happamoitumisessa.

Hapan impulssi vesistössä

Happamuuden impulssi voi tulla ilmasta laskeumana tai tulo-ojien vesien mukana. Riittävän suuri happamuuskuorma voi laukaista järvessä happamoitumisen, joka jättää järven pysyvästi happamaksi. Tällöin vesistöjen happamoitumisen etenemiseen vaikuttavat sekä järven suuruus että järven ja ympäristön kemiallinen rakenne. Kalkkiperäisessä kallioperässä veteen liukenee kalkkia, joka neutraloi veteen joutuneet hapot ja on erinomainen happamuuden säätelijä. Jos vesistö on erittäin rehevöitynyt, vesi sisältää paljon kemikaaleja, jotka reagoivat happaman impulssin happojen kanssa neutraloiden ne. Karut järvet happamoituvat herkemmin kuin rehevöityneet järvet. Toisaalta karut, mutta paljon humusta sisältävät dystrofiset järvet vastustavat happamoitumista paremmin kuin muut karut järvet. Vaikka humus itsekin happamoittaa vettä, on sillä samalla myös puskurivaikutusta vakavampaa happamoitumista vastaan. Järven kykyä neutraloida veteen joutuneet hapot kutsutaan alkaliteetiksi.

Kalat

Kun veden happamuustaso laskee alle pH 5,5:n, useimpien kalojen lisääntyminen häiriintyy. Tällaisia lajeja ovat esimerkiksi särki ja lohikalat. Siika kestää vielä pH 5,0–5,5. Parhaiten suomalaisista kaloista kestävät happamuutta ahven, ankerias ja puronieriä.

Metallien liukeneminen

Vesistön happamoituminen lisää metallien liukenemista veteen. Vesistön pohjan ja rantojen eroosio tuo veteen maa-ainesta, jonka sisältämistä metalleista jotkut muuttuvat happamassa vedessä liukoiseen muotoon. Tällaisia metalleja ovat yleensä alumiini, kadmium, koboltti, kupari, nikkeli, sinkki, rauta ja uraani. Esimerkiksi sulfaattimaat tuottavat alhaisen happamuustason, ja juuri tällaisella valuma-alueella esiintyy näitä metalleja. Osa näistä metalleista ovat pieninä pitoisuuksina haitallisia eliöille. Esimerkiksi alumiininin liukeneminen veteen voi aiheuttaa kalakuolemia. Sellainen vesi ei sovi myöskään talousveden raaka-aineeksi. Hapan vesi syövyttää korroosion vuoksi myös rautaa, jolloin vaarassa ovat vesirummut, siltojen rakenteet ja vedenottamoiden putkistot.