YERYÜZÜNDE NE KADAR SU VAR?

    Dünya’da ne kadar suyun bulunduğunu biliyor musunuz? Yeryüzünün %70’i suyla kaplı ve bu suyun %96.5’ini okyanuslar oluşturuyor.  Yeryüzünde bulunan su miktarı deyince akla hemen suyun sıvı (likid) hali geliyor, ama tabi ki suyun buhar ve buzulları oluşturan katı hali de bulunmakta. Okyanuslar dışında, göller, nehirler, bataklık ve yer altı suyu da bu su kütlesinin bir parçası elbette…

   Peki su yeryüzünde nasıl farklı hallerde bulunuyor? Örneğin su kütlesinin bir bölümü okyanuslarda iken, bir kısmı neden göl ve nehir olarak, ya da buzullarda birikiyor? Tabii ki, “su döngüsü” (hidrolojik döngü) sayesinde! Su döngüsü yeryüzündeki suyun durağan olmasına engel oluyor ve farklı hallerde bulunmasını sağlıyor.

    Yeryüzündeki suyun %96.5’ini okyanusların oluşturduğunu bildiğimize göre, aynı yüzdenin yeryüzündeki tuzlu su miktarını da belirttiğini tahmin edebiliriz. Su döngüsü deyince aklımızda canlandırdığımız resim nedir? Sadece gökyüzünden düşen yağmur damlalarının gölleri ve nehir yataklarını doldurması, suyun ise akarsular aracılığıyla denizlere ulaşması mı? Peki ya haftalar süren kuraklık sonrası nehirler nasıl hala akmaya devam edebiliyor? Yüzeyde göremediğimiz, yerin altından akan su da canlı yaşamı için büyük önem arz ediyor. Hatta bu su, tahmin ettiğimizden çok daha fazla miktarlarda bulunuyor. Öyle ki, yeraltında biriken tatlı su, yüzeyde sıvı halde bulunan tatlı sudan çok daha fazla miktarda bulunuyor! Akarsularda gördüğümüz suyun bir kısmı, yeraltından nehir yataklarına sızan sudan oluşuyor. Su, yağışla yeraltına sızıyor ve sürekli olarak akiferleri* besliyor, yeraltında biriken su da devamlı nehir yataklarına sızıyor. 

İçme suyu olarak daha çok yüzeydeki su kullanılmasına rağmen, özellikle kuraklığın yaygın olduğu ve suyun bulunmadığı bölgelerde içme suyu temini açısından yer altı suyu hayati önem taşıyor.

          Dünyada bulunan su miktarı ile ilgili bazı rakamlar:

• Eğer yeryüzündeki tüm su kütlesi bir küreye doldurulsa (okyanuslar, buzullar, göller, akarsular, yer altı suyu ve atmosferdeki su buharı), oluşacak su topunun yarıçapı yaklaşık 1385 km, hacmi 1386 milyon km3 olurdu. 1 km3 su, 264 milyar galona denk geliyor.
• Suyun 12.900 km3’ü, herhangi bir anda, atmosferde buhar halde bulunmakta. Eğer bu su buharının tamamı bir seferde yağış olarak düşse, bu yeryüzünün sadece, 2.54 cm’ni  kaplardı.
• Hergün, 1.170 km3 su buharlaşma ve terleme (transpirasyon) yoluyla atmosfere karışıyor.
• Dünyada bulunan tatlı su, göl ve akarsulardan daha çok yeraltında birikiyor. 8.400.000 km3 tatlı su yeryüzü yüzeyinin 1.6 km’si boyunca birikirken, bu miktar buzullarda 29.200.000 km3’e ulaşıyor (Çoğunlukla kutuplar ve Grönland’da).
• Yeryüzünde bulunan tatlı suyun %68’i buzullarda, %30’u ise yeraltında bulunuyor. En çok akarsular içme suyu olarak kullanılıyor, fakat toplam suyun yalnızca yüzde birinin 1/10.000’ini oluşturuyorlar (1.250 km3).

SU YOĞUNLUĞUNUN  CANLILAR İÇİN ÖNEMİ

Genellikle bütün sıvılar soğudukça hacmi küçülür, su ise bunlardan farklıdır. Donarak buz haline gelen suyun hacmi artar. Bu olay canlılar için çok büyük bir öneme sahiptir.

Göl ve akarsular neden yüzeyden donmaya başlar?

Maddelerin sıcaklıkları düştükçe büzüler, hacmi azalır. Hacim azalan maddenin yoğunluğu artar. Bu yüzden maddelerin katı halleri, sıvı hallerine göre daha yoğundur. Ama su, bilinen tüm maddelerin tersine, 4°C’ ye düşene kadar büzülür, fakat daha sonra yine genleşmeye başlar, donduğunda ise daha da genleşir. Bu nedenle suyun katı hali, sıvı halinden daha az yoğundur. Kışın hava soğudukça gölde bulunan su soğumaya başlar. Soğuyan su tabakası dibe doğru çöker, daha sıcak su tabakası yüzeye çıkar, yüzeyde soğuyan su tekrar aşağı iner bu sayede gölün sıcaklığı kademe kademe düşer. Ancak bu olay 4°C’ ye geldiğinde birden değişir, bu kez sıcaklık 4°C’ nin altına düştüğünde, su genleşir ve yoğunluğu azalır. Böylece 4°C’ lik su en altta kalır, üstünde 3°C, onun üstünde 2°C, olarak sıralanır. Suyun yüzeyi ise 0°C’ ye vararak donar. Fakat suyun sadece yüzey donmuştur. Buzun altında kalan su tabakası ise donmamıştır. Yüzeyde oluşan buz tabakası yalıtım görevi yaparak daha fazla suyun donmasını engeller. Su 4°C’ de en yoğun olduğu için, en altta tabakada 4°C’ lik su bulunmaktadır.

Su donduğunda hacmi neden artar?

Su molekülleri arasındaki zayıf hidrojen bağları bulunur. Bu bağlar suyun katı halde iken yoğunluğunu da etkilemektedir. Bilinen tüm maddelerde katılar sıvılardan daha yoğundurlar. Örneğin, normal şartlarda eritilmiş demirin içine katı demir parçaları attığınızda katı demir dibe çökecektir. Su için bunun tam tersi gerçekleşir. Buz suyun üzerinde yüzer. Suyun katı hali olan buzun yoğunluğu sudan daha azdır. Bunun nedeni su, buz haline dönüştüğünde hidrojen bağları nedeni ile buzu oluşturan her bir molekül komşusunu sıkıca yakalar, ama buzu oluşturan su molekülleri arasındaki uzaklık çok fazladır. Dolayısıyla su molekülleri oluşturan bağlar arasında boşluklar kalır. Katı haldeki suyun yapısı, sıvı durumuna göre daha fazla boşluk içerir ve bu nedenle de daha az yoğundur. Bunun bir sonucu olarak, suyun içine buz attığınızda, buz suyun mutlaka yüzeyine çıkacaktır.

   SU DONARKEN NEDEN GENLEŞİR?

           

   Genel olarak var olan maddelerin neredeyse tamamı sıcaklıkları ile ilgili olarak değişime uğrayabiliyor. Bu aşamada sıcaklıkları arttığı zaman cisimlerde bir genleşme söz konusu oluyor. Bu genleşme durumu aynı zamanda enerjilerinin de artmasına neden oluyor. Öncelikle insanlar su donarken neden genleşir sorusuna bir yanıt bulmak istiyor. Bir kere taneciklerin bir arada hareket edebilmesine yardımcı olan kuvvet elektromanyetik kuvvettir. Maddelerin yoğunlukları ile birlikte bu taneciklerin arasındaki kuvvet azalır ya da artar. Görüldüğü üzere katı maddelerde tanecikler birbirlerine çok daha yakındır ve burada kuvvet çok daha güçlüdür. Sıvılarda ise bu kuvvet azalır. Isınma söz konusu olduğunda bu taneciklerin arasındaki kuvvet azalır ve dolayısıyla da tanecikler birbirinden uzaklaşır.

          Suyun Donması Durumu

    Tabi ki de katıdan sıvıya dönüşümde ısı etkisi çok fazladır ve elektromanyetik kuvvet de bu aşamada azalacaktır. Ama burada su istisna olan durumlardan biridir. Suyun hacmi 4 dereceye kadar azalır. Fakat 4 dereceden sonra bu hacim artışta bulunuyor. Özellikle de donma aşamasında da bu hacim artışı söz konusu oluyor. Dolayısıyla da bu durumu araştıran bilimciler suyun tanecikli yapısını incelemiş ve kristallerden yola çıkarak yorumlarda bulunmuştur. Su içerisinde hem hidrojen hem de oksijen atomları bulunuyor ve bunların arasında da hidrojen bağı bulunuyor. Bu bağ hidrojenler arasında atomları birleştiren bir çizgi etrafında oluşuyor. Bu hidrojen bağları ise oluşumundan ötürü yüksek oranda birbirilerinden uzak tanecikleri birbirine bağlar. Bu da demek oluyor ki katı halde yüksek boşluklu tanecikler karşınıza çıkıyor. Isı alındığı zaman ise bu boşluklar azalıyor ve hacim de buna bağlı olarak azalmaya gidiyor.

   SU NEDEN +4 TE EN BÜYÜK ÖZGÜL         AĞIRLIĞA SAHİPTİR?

      Su hayattır; hayatın gelişmesi ve büyümesi için en önemli maddelerden biridir. Bilim ve bilimkurguya ilham veren bu hayat damarımız, yıllarca diğer gezegenlerde keşfedilmeye çalışılmıştır; çünkü suyun olduğu yerde hayat da olabilir. Bildiğiniz gibi, Dünya’mızda hayat sudan doğmuş ve evrimleşmiştir. Peki ama bu mucizevi sıvının, hayatın gelişmesini sağlayan kimyasal özellikleri nelerdir?

    Bildiğiniz gibi, suyun kimyasal formülü H2O’dur; sıvı civa, brom ve zeytinyağı gibi sıvılardan fiziksel ve kimyasal olarak çok farklı davranır. Su dışındaki diğer sıvıların çoğunun donmuş halinin özkütlesi, kendi sıvı hallerinin özkütlesinden daha yüksektir; kendi sıvıları içinde dibe batarlar. Ama su farklıdır; göller ve denizlerden anlaşılacağı üzere yüzeyden donmaya başlayan su, deniz canlılarının yaşamalarına olanak sağlar. Suyu diğer sıvılardan bu kadar farklı kılan özellik nedir? Hidrojen bağları… Diğer sıvılar donarken moleküllerinin hareketliliğinde azalma olur, iç içe geçerler ve özkütleleri artar. Su ise donarken moleküllerinin hareketliliği azalır. Ancak moleküller, O—–H bağlarından dolayı kristal kafes yapısına girer. Bu kristal kafesin ortasında ise çok büyük boşluklar bulunur. Bu yüzden buzun özkütlesi sudan daha düşüktür, su yüzeyinde yüzer.

     Yanlış bilinen bir gerçekten bahsetmek istiyorum. Suyun özkütlesinin 1 atm basınç altında her zaman 1 gr/cm3 olduğu düşünülür; ancak bu yanlıştır. NŞA suyun özkütlesi 0 °C’den +4 °C’ye kadar artar, +4 °C’de maksimum değeri olan 1 gr/cm3’e ulaşır. +4 °C’den +100 °C’ye kadar azalarak gider ve +100 °C’de özkütlesi 0,0006 gr/cm3’e iner ve su buharlaşır. Unutmamak gerekir ki, yaptığımız bu hesaplamaların hepsi saf su için geçerlidir; içinde NaCl gibi çözünmüş maddeler bulunan suyun özkütlesi ve kaynama noktası her zaman daha yüksek, donma noktası her zaman her zaman daha düşük olacaktır.

  Termal kuvvetler her sıvıda etkilidir ama hidrojen bağlanması sadece bu mucizevi hayat kaynağında bulunur ve iyi ki de öyledir; bu sayede deniz canlılarının soğuk havalarda bile hayatta kalmaları mümkün olmuştur. Suyun kimyasal ve fiziksel özelliklerini daha iyi anlayabildiğimizde belki de hayatın ortaya çıkış koşullarını daha iyi anlayabiliriz.    Peki neden +4 °C? Çünkü bu sıcaklıkta iki önemli kuvvet dengededir: Termal genleşme ve hidrojen bağları. Kaynar suyu düşünelim; sıcaklığı düştükçe su termal olarak büzüşür ve moleküllerin hareketliliği azalır ve birbirine yaklaşırlar. Böylece özkütlesi yükselir, ta ki sıcaklığı +4 °C’ye ulaşana kadar… +4 °C’de hidrojen bağlanması sebebiyle yukarıda belirttiğimiz kristal kafes yapıları oluşmaya başlar. Bu sıcaklığın altında baskın olan kuvvet hidrojen bağlarıdır. Kristal kafesleri oluştururlar; kafeslerin arasındaki boşluk nedeniyle özkütle azalır. Su donunca boşluk daha da artar ve özkütle daha çok azalır. Yani, 0 °C ile +4 °C arasında hidrojen bağlanması baskındır; +4 °C’den yukarısında ise termal kuvvetler baskındır. +4 °C’de ise bu kuvvetler mükemmel bir denge içindedir; bu yüzden suyun özkütlesi +4 °C’de maksimumdur.

MPEMBA ETKİSİ: SICAK SU SOĞUK SUDAN DAHA ÖNCE DONAR

     1963 YILINDA  Erasto Mpemba ve arkadaşları okulda dondurma üretmek için kaynar süt içinde şeker çözdüler. Normalde  Erasto’nun kaynar sütü buzdolabına koymadan önce beklemesi 

gerekiyordu ama aceleci davrandı. Sürpriz bir şekilde buzdolabında en önce Erasto’nun kaynar karışımı dondu.  Erasto başından geçenleri öğretmenine anlattı ama öğretmeni ona inanmadı. Merakının peşini bırakmayan Erasto deneylerine devam etti. Fizik konulu bir konferans için okulunu ziyaret eden fizik profesörüne “özdeş kaplarda 35°C ve 100°C derecede bulunan sudan neden sıcak olanın daha önce donduğunu” sordu. Fizik profesörü Dr. Osborne önce sorunun hatalı olduğunu düşünüp Erasto’dan soruyu tekrarlamasını istedi. Erasto soruyu doğru sorduğunu ve bu konuda deneyler yaptığını açıklayınca, Dr. Osborne da bir deney yapmayı kabul etti.

      Dr. Osborne ‘Dar es Salaam Üniversitesi’ne geri döndüğünde genç bir teknisyenden bu konuyla ilgili bir deney yapmasını istedi.  Teknisyen deney sonucunda sıcak suyun daha önce donduğunu doğruladı. Sıcak suyun önce donmasına şaşıran teknisyen Dr Osborne’a “doğru sonucu(!) alana kadar deneyi tekrarlayacağını” söyledi.

Tekrarlanan deneyler Erasto Mpemba’yı haklı çıkardı ve Erasto Dr. Osborne ile birlikte bir makale yayınladı. Bu 1 makale yayınlandığından beri sıcak suyun soğuk sudan önce donması Mpemba etkisi olarak anılıyor.

       Mpemba’nın makalesi bu etkiyi ele alan ilk araştırma değil. “Aristoteles’in günümüzden 2000 yıl önce aynı konuyla ilgilendiğini ve bu konuyu Meteorologica’da yazdığını, 17. yüzyılda Francis Bacon ve Descartes’in bu konuyla ilgili deneyler yaptığını biliyoruz”. 2

     Filozofların ve bilim insanlarının yanı sıra Mpemba etkisi halk tarafından da gözlenmiştir. “Kanada halkı yıllardan beri sıcak suyun daha hızlı donduğunu gözlemledikleri için arabalarını soğuk suyla yıkarlar.” 3 Buz pateni pistlerini yapmak veya düzeltmek için de sıcak su kullanılır. Dondurma

üreticileri hızlı üretim yapmak için dondurma karışımını sıcak olarak buzdolabına koyarlar.

                   Mpemba Etkisi Neden Oluşur?

     Mpemba etkisine neden olan birçok etmen var. Yalnızca tek bir etmen veya farklı etmenlerin birleşimi Mpemba etkisinin görülmesine neden oluyor.

     Mpemba etkisine neden olan etmenlerden biri sıvıların kütlesi. Örnek olarak 30°C ve 70°C derecede özdeş kaplardaki eşit kütleli sıvılar soğumaya bırakıldığında 70°C derecede olan sıvı buharlaşma nedeniyle kütlesinin bir bölümünü kaybediyor. Kütlesini kaybeden sıvı daha kısa sürede donuyor. Ne var ki kütle etkisi bütün başlangıç değerleri (başlangıç kütlesi, başlangıç sıcaklığı, kap boyutu vs.) için gözlenmeyebiliyor.

Ayrıca sıcak suyun buharlaşması sırasında kaybedilen buharlaşma ısısı (bkz. latent heat) sıvının daha hızlı soğumasına neden olabilir. Ancak Mpemba etkisini açıklamak için bu ısı kaybı da tek başına yeterli değil.

      Bir diğer etki suyun kaptaki sıcaklık dağılımı nedeniyle oluşan konveksiyonel akım. Konveksiyonel ısı iletimi nedeniyle sabit 30°C derecedeki su ile 100°C’den 30°C’ye soğumuş suyun kaptaki sıcaklık dağılımları farklılık gösterir. Sıcaklık dağılımındaki fark suyun ısı kaybetme hızını arttıracak etkilere neden olur.

     Soğuk ve sıcak su çıplak göze aynı görünmekle birlikte farklı miktarda çözünmüş gaz içerebilirler. Sıcak su soğuk suya göre daha az çözünmüş gaz barındırır. Çözünmüş gaz miktarı deneylerde kullanılan sıvıların aslında özdeş olmadığını gösterir. Ancak çözünmüş gaz miktarı eşit olan sıvılar kullanıldığında da Mpemba etkisi gözlenebiliyor. 4

      2013 yılında yayınlanan bir makale Mpemba etkisine farklı bir bakış açısı getirdi. Bu makaleye göre Mpemba etkisinin sorumlusu su molekülleri arasındaki hidrojen bağlarıdır. 5“Hidrojen bağları su moleküllerini birbirlerine yakınlaştırır. Bu nedenle kovalent bağlar tıpkı yay gibi esneyerek enerji biriktirirler.

H2O Hidrojen ve Kovalent Bağlar Görseli 6

       Su ısınmaya başlayınca hidrojen bağları uzar ve su moleküllerinin arası açılır. Sonuç olarak kovalent bağlar kısalır. Kovalent bağların kısalması enerji kaybına neden olur. Bu enerji kaybı suyun soğuması sırasında yaşanan enerji kaybıyla aynıdır. Sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donmasının nedeni sıcaklık nedeniyle halihazırda kısalmış kovalent bağlar olabilir.” 7

       Sonuç olarak başlangıç parametrelerine ve sıvının özelliklerine göre birçok farklı neden Mpemba etkisine neden olur. Önümüzdeki yıllarda bu etkiye muhtemelen daha kapsamlı açıklamalar bulunacaktır. Bu etkinin bize gösterdiği en önemli sonuç günlük hayattaki fiziğin öğrendiğimiz teorik bilgilerden ve ön kabullerimizden şaşırtıcı şekilde farklılık gösterebildiğidir.