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.
Veden happamuus (pH 7 eli neutraali) perustuu veden luontaiseen autoprotolyysiin, jossa vesi sekä luovuttaa että vastaanottaa vetyionin. Vastaanottavat vesimolekyylit muuttuvat silloin oksoniumioneiksi (HO, happo) ja luovuttavat molekyylit hydoksidi-ioneiksi (OH, emäs). Kun vesi yksinään aiheuttaa kyseiset ionit, syntyy vedessä happo-emäs-tilanne, jota kutsutaan neutraaliksi. Veden oksoniumionin konsentraatio eli pitoisuus on silloin yhtä suuri kuin hydroksidi-ionin konsentraatio eli 1,0008·10 moolia litrassa vettä (mol/l). Kun tämä konsentraatio muutetaan logaritmiselle pH-asteikolle, saadaan happamuudeksi pH 7, joka on siis neutraalin liuoksen pH-arvo.
Jos neutraaliin veteen lisätään happoa, oksoniumionin konsentraatio kasvaa ja hydroksidin konsentraatio pienenee. Liuosta kutsutaan tämän jälkeen happamaksi ja liuoksen pH-arvosta tulee pienempi kuin pH 7. Jos veteen lisätään emästä, hydroksidi-ionin konsentraatio lisääntyy ja oksiniumionin konsentraatio pienenee. Silloin liuoksen pH-arvo nousee suuremmaksi kuin pH 7 ja liuosta kutsutaan emäksiseksi eli alkaliseksi. Happamuus on arkipäivän aineille lukuarvo välillä pH 2–10 ja vesistöissä se on yleensä välillä pH 6–8.
Happaman liuoksen happamuuden määrittäminen happo-emästitrauksella perustuu vahvan emäksen oksoniumionia neutraloivaan vaikutukseen. Kun ylimääräiset oksoniumionit on neutraloitu vedeksi, liuos ei ole enää hapan. Jos tunnetaan neutraloivan emäksen konsentraatio ja kemiallinen toiminta, voidaan titrauksen yhteydessä sen kulumisesta laskea tuntemattoman happoliuoksen happamuus. Ekvivalenssikohdan eli neutraaliksi tulemisen kohta määritetään yleensä värillisellä pH-indikaattorilla tai pH-mittarilla.
pH-mittarit ovat yleistyneet ja useimmiten niillä mitataan juuri veden liuoksien happamuutta. Mittarin herkkyys virheille kuitenkin tunnustetaan, joten laboratorioanalyysi on tehtävä asiantuntevan valvonnan alla ja virhelähteitä välttäen, jolloin saavutetaan ± 0,05 pH-arvon suuruinen virhemarginaali. Yleisindikaattorin käyttö happamuuden määrittämiseen on epätarkka menetelmä, koska siinä pH-arvon määritys perustuu subjektiivisesti visuaaliseen väritunnistukseen. Saadun pH-arvon virhemarginaali on parhaimmillaan pH 0,5 yksikön suuruinen.
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.
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.
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.
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.
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.
Happamoituneita järviä on Euroopassa eniten Britanniassa, Saksassa, Pohjoismaissa ja yleisesti muuallakin Koillis-Euroopassa. Suomessa niitä on eniten on eniten Länsi-Uudellamaalla, Kaakkois-Suomessa, Tampereen pohjoispuolella, Pohjois-Karjalassa ja Oulun ympäristössä. Happamoituminen oli voimakasta ennen 1990-lukua, mutta tämän jälkeen kehitys on taittunut. Nykyään nähdään Suomessa jo ensimmäisiä toipumisen merkkejä. Kuitenkin Norjaan ja Ruotsiin verrattuna Suomi on toipumisessa muutaman vuoden jäljessä.
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.
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.