Happipitoisuus (limnologia)
Happipitoisuus on vesistöjen tutkimuksessa yksi luonnonveden ominaisuutta ilmaiseva suure, jolla pyritään selvittämään vesistön hydrologista ja ekologista tilaa. Toiset eliöt käyttävät ravintonaan happea ja hapenpuute tappaa tällaiset eliöt vesistöstä. Merkittävä osa veden hapesta on liuennut sinne ilmasta. Eräät eliöt tuottavat itse happea veteen yhteyttämällä ja vesistön korkeampi happipitoisuusvoi kertoa jotain näiden elinvoimasta. Happipitoisuus vaikuttaa merkittävästi myös luonnonveden kemialliseen tilaan. Happipitoisuudella tarkoitetaan yleensä kaasumaisen hapen liuennutta määrää litrassa vettä.
Ensimmäisen mittaustavan kehitti 1800-luvulla James Alfred Wanklyn, jossa hapekkaasta vedestä keitettyä vesihöyryä johdettiin elohopeanäytteen yli. Hapen määrä selvisi elohopean jatkotutkimuksissa. Paremman tavan kehitti Ludwig Wilhelm Winkler eli Lajos Winkler vuonna 1888. Tätä kemiallista menetelmää käytetään vielä tänäkin päivänä. Siinä kaksiarvoinen mangaanidikloridi (formula_1) sekoitetaan hapekkaaseen veteen, jolloin emäksisissä oloissa kloridi saostuu valkoisena mangaanidihydroksidina (formula_2) astian pohjalle. Vedessä oleva happi kuitenkin hapettaa hydroksidin mangaani(IV)oksidihydroksidiksi (formula_3), jonka väri on ruskea. Ruskean eri vaaleusasteet merkitsevät hapen eri pitoisuuksia. Värit on määritelty tarkkojen hapetus-pelkistysreaktioiden tuloksia tutkimalla. Mangaanioksidihydroksidin määrän voi määrittää hapetus-pelkistystirauksellakin.
Hapen määrää vedessä voidaan mitata myös sähköisesti käyttäen Clark-kennoa (). Sitä hyödyntävät laitteet antavat tuloksen nopeasti, joka annetaan useimmin yksikössä "milligrammaa happea litrassa vettä" (mg/l). Se kirjoitetaan usein vedenlaadun raportteihin merkinnällä "mgO2/l." Toisinaan happipitoisuus ilmaistaan "mooleina happea kuutiometrissä vettä" (mol O2/m³).
Kun veteen on liuennut happea, alkaa sitä spontaanisti haihtua siitä myös pois. Mitä enemmän vedessä on liuennut happea, sen nopeammin sitä myös poistuu ilmaan. Veden liuennut happi voi muodostaa kylläisen liuoksen. Silloin veteen liukenee koko ajan yhtä paljon happea kuin siitä poistuu. Syntynyt tasapainotila on spontaani, mutta kylläisen hapen määrä vedessä riippuu edelleen vielä veden lämpötilasta, ilmankosteudesta ja ilmanpaineesta. Yleissääntö on, että lämpöiseen veteen liukenee "vähemmän" happea kuin kylmään veteen, ja että veden keittäminen poistaa tehokkaasti happea vedestä.
Kylläisyysaste lasketaan niin, että samalla kun mitataan veden happipitoisuutta formula_4, otetaan siitä myös sen lämpötila. Kyseiselle lämpötilalle etsitään taulukosta kylläinen pitoisuus formula_5. Kylläisyysaste lasketaan nyt
Normaaleja kylläisyysarvoja ovat 14,25 mg/l (1 °C vesi), 11,15 mg/l (10 °C) ja 9,0 mg/l (20 °C). Esimerkiksi talvella, jolloin järven veden lämpötila on noin 0,5–1,0 °C, liukenee veteen 12–13 mg/l happea ja veden kylläisyysasteeksi tulee 80–90 %. Kesällä veden lämpötilan ollessa 18–20 °C, liukenee happea 8 mg/l ja kylläisyysaste on silloin sama kuin talvella.
Happi voi esiintyä vesistössä luonnollisella tavalla myös ylikylläisenä. Kasvilevät yhteyttävät kesällä voimakkaammin kuin muulloin ja tuottavat veteen happea. Kun tuotanto on vilkasta, kasvaa hapen määrä vedessä kylläiseen rajaan asti, vaikka muu elollinen toiminta samalla kuluttaa sitä. Yöllä järven veden happipitoisuus jää lähelle maksimiarvoaan, mutta aamupäivällä aurinko lämmittää veden pari kolme astetta lämpöisemmäksi. Silloin kylläisyysraja laskee lämpötilan takia, mutta happipitoisuus säilyy edelleen samana. Ylikylläisessä liuoksessa happi poistuu vedestä diffuusion avulla luonnollisella tavalla hitaasti. Mittauksissa saadaan silloin liian suuria arvoja ja kylläisyysaste ylittää 100 %.
Veteen liukenee happea pääasiassa ilmasta. Liukenemisessa ilman happimolekyylit tunkeutuvat veden pinnan vesimolekyylien väliin ja liikkuvat niiden lämpöliikkeen kuljettamina kaikkialle veteen. Tämän vuoksi happea esiintyy enemmän pinnan läheisyydessä. Vedestä myös poistuu liuennutta happea veden pinnan kautta takaisin ilmaan. Jos vedessä kuluu (hengitys ja kemialliset reaktiot) paljon happea, korostuu ero hapen määrissä pinnan ja syvemmän veden välillä.
Mikäli happea liukenee puhtaaseen tai tislattuun veteen, leviää happi lopulta kaikkialle veteen ja syntyy kylläinen tilanne. Silloin veteen liukenee happea yhtä paljon kuin sieltä poistuu. Vesilasissa tämä näkyy ilmakuplina, joita tarttuu lasin sisäpintaan. Ne syntyvät siitä liuenneesta hapesta, joka pyrkii haihtumaan takaisin ilmaan. Tällaisessa vedessä hapen kylläisyysaste on 100 %.
Vedessä elävät kasvit ja kasviplankton yhteyttävät auringonvalossa tuottaen happea. Tämä happi liukenee välittömästi veteen. Osa veteen liuenneesta hapesta onkin peräisin kasviplanktonista. Koska veteen liuennut happi karkaa myös ilmakehään, voidaan helposti ymmärtää ilmakehän hapen alkuperä. Happi on maapallolla peräisin lähes kokonaan sekä planktonista että vesi- ja maakasvien yhteyttämisestä.
Varsin suuri osa hapesta kuluu eliöiden hajoitustoiminnassa, jossa ravinnoksi syöty eliöt muutetaan energiaksi hapen avulla. Tätä palamiseksi kutsuttua energiansaantia ylläpidetään sillä hapella, joka voidaan ottaa veteen liuenneesta hapesta eli hengittämällä. Pienet eliöt, kuten bakteerit, eläinplankton ja hyönteiset hengittävät solukalvon tai ihon läpi. Suuremmat eliöt, kuten kalat ja sammakot hengittävät kiduksien tai ihon läpi. Suoraan ilmasta hengittävät eliöt eivät käytä veden liuennutta happea.
Monet alkuaineet tai yhdisteet reagoivat spontaanisti hapen kanssa jouduttuaan kosketukseen sen kanssa. Tätä palamiseksi kutsuttua reaktiota tapahtuu myös hapen ollessa liukoisessa tilassa. Monissa suomalaisissa suojärvissä humus on merkittävä hapen kuluttaja.
Talvella veden pinnalle levittäytyvä jää estää hapen liukenemisen veteen. Silloin on lammessa veteen liuennut happi riitettävä eliöille talven yli, kunnes jääkansi alkaa hajota ja veteen pääsee liukenemaan lisää happea. Järvien happitilanne on usein parempi, sillä niihin voi laskea jäästä vapaita ojia tai jokia. Mitä syvempi järvi on, sen parempi on sen happitilanne.
Jos muutamien metrien syvyisissä järvissä esiintyy lämpötilakerrostumista. Talvella on järven pohjassa lämpöasteita, kun taas aivan jään alla saattaa olla 0 °C lämmintä. Kesällä lämpötilakerrostuminen syntyy pohjan 4 °C ja pinnan 20 °C väliin. Eri lämpötilassa olevat vesikerrokset eivät sekoitu, jos tuulet eivät puhalla riittävän voimakkaasti tai jos järvellä on pitkään jääkansi yllään. Kerrokset sekoittuvat täyskierrossa keväisin ja syksyisin. Silloin järven alusvesi saa happitäydennystä päällysvedestä. Jos kerrostumavaihe kestää liian pitkään, aiheutuu järven alusveteen happikatoa tai se tulee kokonaan hapettomaksi.
Liian matala happipitoisuus vaikuttaa kaloihin haitallisesti. Niiden hapentarve riippu paitsi lajista niin myös veden lämpötilasta, kalan aktiivisuudesta, koosta ja aineenvaihdunnasta. Pienet kalat kuluttavat paljon happea kokoonsa nähden verrattuna suuriin kaloihin. Jos veden happipitoisuus alittaa 5 mg/l, alkaa useimmilla kaloilla esiintyä hapenpuutteesta johtuvia oireita. Akuutti hapenpuute aiheuttaa vaaleavärisyyttä, tiheää hengitysväliä ja pinnalla ilmanhaukkaamista. Happikatoon kuolleilla kaloilla ovat kidukset vaaleita, suu ja kiduskannet auki. Krooninen hapenpuute syntyy jo pitkäaikaisemmalla hapenpuutteella, joka alkaa jo 6-7 mg/l. Silloin kalojen kasvu heikkenee ja tautialttius kasvaa. Liian suuri happipitoisuus on yhtälailla vaarallista. Kala vähentää silloin hengittämistä kiduksiensa kautta. Vedessä oleva ylikylläiset happi ja typpi pyrkivät vapautumaan kuplina. Kun kuplia muodostuu kalojen elimistössä, syntyy kaasukuplatauti, jolla on samantapaisia oireita kuin sukeltajantaudissa ihmisellä. Kaasukuplatauti syntyy yleensä vain typpikaasusta, mutta on mahdollinen myös lämpöisessä vedessä hapella, jos typen osapaine on 111 % samaan aikaan, kun hapen osapaine on 105 % sen normaalista osapaineesta.
Kun järven pohjaan syntyy happikato, häiriintyvät jotkin kemialliset prosessit sedimenttien läheisyydessä. Normaalisti veteen liuenneet fosforiyhdisteet sakkautuvat järven pohjalle ja peittyvät muihin sedimentteihin. Kun veteen syntyy vähähappinen tila, alkavat fosforiyhdisteet liueta takaisin veteen nostaen alusveden fosforipitoisuuksia. Samalla heikkenevät myös typen poistoprosessit. Tätä kutsutaan järven sisäiseksi kuormitukseksi. Happikadon voimistuessa tekevät edellä kuvatut prosessit samoin. Täydellinen hapenpuute aiheuttaa edellistä vakavampia häiriötiloja. Sedimenttien sisällä hajoitustoiminta alkaa käyttämään sulfaattia hapettimena, jolloin muodostuu myrkyllistä rikkivetyä. Tämä tappaa pohjaeläimet ja karkoittaa paikalta kalat.
Järven vähähappisuutta voidaan korjata pumppaamalla jään alle ilmaa, jolloin ilmakuplista liukenee veteen happea. Ilmakuplat saavat samalla veden liikkeelle nostaen vähähappista vettä kohti pintaa.