Woda

Z Nurkopedia

Nurkowie zajmują się głównie zjawiskami fizycznymi występującymi pod wodą, dla zrozumienia zachodzących tam zjawisk potrzebne jest więc poznanie właściwości samej wody.

Molekuła wody. Autor Patrick-Emil Zörner

Woda jest bardzo prostym związkiem chemicznym, lecz obdarzona niezwykłymi właściwościami. Jak wspomniano wcześniej, zawiera dwa atomy wodoru związane z jednym atomem tlenu. Atom tlenu przyciąga dwa atomy wodoru, co tworzy molekułę z dwoma atomami wodoru po jednej stronie i atomem tlenu po przeciwnej. Ujemny ładunek jest przesunięty w stronę tlenu zaś dodatni do wodoru. Skutkiem tej konfiguracji woda jest uważana za molekułę spolaryzowaną (dipol). Każda molekuła potrafi oddziaływać na pole innej molekuły wody. Tak więc woda posiada dwoistą charakterystykę wiązania. Podczas gdy jej atomy są związane chemicznie poprzez wiązanie kowalencyjne, molekuły wody są dodatkowo powiązane razem poprzez słabsze elektryczne (dipolowe) przyciąganie, określane jako wiązanie wodorowe, dzięki czemu woda jest cieczą.

To słabsze wiązanie wodorowe odpowiedzialne jest za mnóstwo unikalnych własności wody. Na przykład, bez zjawiska polaryzacji cząsteczki wody miałyby tendencję do łatwego rozseparowania, podobnie do innych substancji o podobnej masie cząsteczkowej. Gdyby tak było, woda w pokojowej temperaturze byłaby gazem a nie cieczą. Życie na ziemi w znanej formie nie mogłoby powstać.

Budowa polarna wody

W cząsteczce wody dwa atomy wodoru tworzą wiązania z jednym atomem tlenu. Zgodnie z koncepcją odpychania par elektronowych powłoki walencyjnej (VSEPR), cząsteczka przybiera taki kształt, przy którym siły wzajemnego odpychanie elektronów mają najmniejsze wartości (takie same ładunki odpychają się), a w wypadku cząsteczki wody jest to układ, w którym dwa atomy wodoru znajdują się po jednej stronie, a atom tlenu po drugiej – jak to pokazano na ilustracji. Chociaż cząsteczka wody posiada całkowity ładunek obojętny, jej kształt implikuje słaby ładunek ujemny na atomie tlenu, i słabe ładunki dodatnie na atomach wodoru. Posiadanie cząstkowych ładunków ujemnych i dodatnich w różnych częściach cząsteczki sprawia, że cząsteczka wody posiada budowę polarną.

Dzięki budowie polarnej, w wodzie tworzą się wiązania pomiędzy dodatnio naładowanymi atomami wodoru a ujemnie naładowanymi atomami tlenu należącymi do różnych cząsteczek wody. Nazywane są one wiązaniami wodorowe lub wiązaniami polarnymi. Są one znacznie słabsze niż wiązania kowalencyjne albo jonowe, występujące w większości cząsteczek – a mimo to właśnie wiązania wodorowe nadają wodzie jej charakterystyczne właściwości.

Napięcie powierzchniowe

Jedną z ważniejszych cech wyróżniających wodę od innych cieczy jest występujące w niej napięcie powierzchniowe. Wiązania wodorowe pomiędzy cząsteczkami wody sprawiają, że powierzchnia wody jest stosunkowo spójna, i opiera się przebiciu czy rozdzieleniu. Napięcie powierzchniowe utrzymuje razem cząsteczki wody w kroplach, i jest wystarczająco mocne by pozwolić na utrzymywanie się na powierzchni wody igły czy żyletki – przedmiotów wykonanych z materiału znacznie gęstszego niż woda. Położona na powierzchni wody igła właściwie nie pływa (pojęciem pływalności zajmiemy się wkrótce), ale jest tak mała i lekka, że siła ciężkości ma mniejszą wartość od sił napięcia powierzchniowego.

Napięcie powierzchniowe pełni ważną rolę w środowisku wodnym, ponieważ zależy od niego wiele drobnych organizmów. Jednym z przykładów jest nartnik, owad, który dzięki napięciu powierzchniowemu może poruszać się po powierzchni wody w trakcie poszukiwania pożywienia lub ucieczki przed wrogami. Większe znaczenie ekologiczne ma neuston – drobne organizmy, które żyją na powierzchni oceanów lub wód słodkich. Wiele z nich nie pływa, lecz jest tak małych (często mikroskopijnych), że dzięki napięciu powierzchniowemu mogą pozostawać na powierzchni, w swojej niszy środowiskowej. Jednym z ważnych zagrożeń wynikających ze skażenia środowiska pewnymi substancjami jest osłabianie przez nie napięcia powierzchniowego, w efekcie czego na skażonych obszarach całe zespoły organizmów w ekosystemie mogą ulec zniszczeniu.

	Dzięki napięciu powierzchniowemu, nartniki mogą chodzić po powierzchni wody. W oceanach ważną rolę ekologiczną pełni neuston – drobne organizmy planktonowe, które także dzięki napięciu powierzchniowemu mogą utrzymywać się na powierzchni

Rozpuszczalność

Wyjątkowość wody objawia się również tym, że rozpuszcza się w niej więcej związków niż w jakiejkolwiek innej powszechnie występującej cieczy. Wynika to także z polarności cząsteczek wody. Po umieszczeniu w w wodzie substancji stałej o budowie jonowej, takiej jak sól kuchenna, cząsteczki wody zaczynają z nią oddziaływać, układając się zgodnie ze swoją polarnością. Jony obdarzone pozytywnym ładunkiem są otaczane przez cząsteczki wody zorientowane ku niej częścią o ujemnym ładunku (atom tlenu), a jony ujemne atakowane są przez cząsteczki wody obrócone ku nim częściami o ładunku dodatnim (atomy wodoru). W ten sposób związki o budowie jonowej podczas rozpuszczania są dosłownie rozrywane przez cząsteczki wody, a jony pozostają zawieszone w roztworze. Zdolność wody do rozpuszczania szerokiej gamy związków czyni ją niezbędną dla życia. Woda dostarcza rozpuszczone składniki odżywcze i niezbędne gazy do każdej żywej komórki, jednocześnie odprowadzając produkty przemiany materii. U prostych organizmów, procesy te zachodzą w wodzie stanowiącej ich środowisko życia. U organizmów złożonych (takich jak my) procesy te mają miejsce wewnątrz organizmu – woda pełniąca funkcje transportowe jest głównym składnikiem krwi. Także wewnątrz każdej żywej komórki woda jest niezbędna dla milionów procesów – od produkcji i użycia energii, aż po reprodukcję. Woda rozpuszcza bardzo wiele substancji – ale na szczęście nie wszystkie. Gdyby w wodzie rozpuszczało się wszystko, życie nie mogłoby istnieć, gdyż nie byłoby możliwości utworzenia struktur komórkowych: one także uległyby rozpuszczeniu!

Związki o budowie niepolarnej nie rozpuszczają się łatwo w wodzie. Oleje i tłuszcze są niepolarne, i właśnie dlatego olej nie miesza się z wodą. Zmieszanie związków o budowie niepolarnej z wodą umożliwiają mydła, których cząsteczki posiadają fragmenty o budowie zarówno polarnej, jak i niepolarnej. Gdy myjesz ręce bądź zmywasz naczynia, cząsteczki mydła wiążą się jednym końcem (niepolarnym) z tłustymi zabrudzeniami, a drugim końcem (polarnym) z wodą, tworząc ogniwo umożliwiające rozpuszczenie w wodzie tłuszczu.

Właściwości chemiczne i fizyczne wody

Pierwszą istotną własnością wody jest występowanie zjawiska kohezji. Siły działające pomiędzy cząsteczkami cieczy nazywamy siłami kohezji, a pomiędzy cząsteczkami płynu i ciała stałego pozostającego w kontakcie z płynem siłami adhezji. Kohezja powoduje powstawanie napięcia powierzchniowego na powierzchni płynu.

Gwóźdź może byc unoszony na powierzchni wody dzięki napięciu powierzchniowemu. Autor Tano4595

Napięcie powierzchniowe jest tak wielkie, że zwykła szpilka może być unoszona na jej powierzchni, mimo, że jest pięć razy cięższa od wody. Dlatego właśnie niektóre owady potrafią spacerować po wodzie. Rzeczywiście, woda ma najwyższe napięcie powierzchniowe ze wszystkich cieczy poza ciekłymi metalami.

Woda jest również substancja wyjątkową ze względu na to, że jest niemal uniwersalnym rozpuszczalnikiem. Rzeczywiście, więcej substancji rozpuszcza się w wodzie niż w jakiejkolwiek innej pospolitej cieczy. To znów jest związane z jej polaryzacyjną naturą.

Gdy jakaś substancja jest włożona do wody, molekuły zaczynają reagować w wyniku jej polaryzacji. Dodatnio naładowane części molekuł przyciągają stronę tlenową (ujemną) molekuły wody, a ujemnie naładowane części molekuł przyciągają stronę wodorową (dodatnią) molekuły wody. Substancje jonowe są w wodzie dosłownie rozpruwane (np. sól kuchenna)

Warto zanotować, że molekuły niespolaryzowane niechętnie rozpuszczają się w wodzie. Ponieważ oleje i tłuszcze są niespolaryzowane, ich niezdolność do reakcji ze spolaryzowana wodą wyjaśnia, czemu olej i woda się nie mieszają. Mydło "miesza" wiązania miedzy spolaryzowanymi i niespolaryzowanymi molekułami, ułatwiając wodzie rozpuszczanie tłuszczu.

Woda i ciepło

Inną ważna cechą wody są jej właściwości cieplne. Woda ma jedno z najwyższych w przyrodzie ciepło właściwe (pojemność cieplną) (amoniak jest jednym z wyjątków). Dlatego marzniemy podczas nurkowania w temperaturze, która w powietrzu byłaby komfortowa. Pojemność cieplna wyraża ilość ciepła, którą trzeba dostarczyć (odebrać) do ciała, aby zwiększyć (zmniejszyć) jego temperaturę. I znowu polarna natura wody odgrywa tu istotna rolę. Podczas ogrzewania wody część energii musi być najpierw "zużyta" na zerwanie wiązania wodorowego a dopiero potem zwiększana jest energia kinetyczna molekuł. Ta wielka pojemność cieplna wody jest jednym z podstawowych czynników stabilizujących klimat na Ziemi. Z tego tez powodu ciała zawierające wodę wolniej niż inne zmieniają swoją temperaturę.

W porównaniu z innymi cieczami woda wolniej paruje podczas podgrzewania. Wolniej niż inne pospolite ciecze. Za to zjawisko odpowiedzialne jest duże ciepło parowania. Wynika ono z faktu że jak poprzednio część dostarczanej energii jest zużywana na rozbicie wiązań wodorowych Z tego samego powodu woda posiada wysokie ciepło topnienia. Kiedy woda zamarza wydziela mnóstwo energii, i podobnie kiedy topnieje pobiera energię.

Inną ważna własnością wody jest zależność gęstości (ciężaru właściwego) od temperatury. Zwykła ciecz podczas ochładzania staje się coraz gęstsza i przechodzi w jeszcze bardziej gęste ciało stałe. Ciecz zamarza i jej cząsteczki zmniejszają swoją ruchliwość i zbliżają się do siebie. Ciało stałe jest gęstsze od cieczy i gromadzi się na dnie naczynia podczas zamarzania.

Woda jednakże zachowuje się całkiem inaczej. Podczas ochładzania woda gęstnieje, ale tylko do temperatury 4oC/39oF gdzie jej ciężar właściwy osiąga maksimum. W tym punkcie spolaryzowane cząsteczki wody przylegają do siebie jak w sieci krystalicznej. W kryształach lodu cząsteczki są ułożone tak, że zajmują nieco więcej miejsca. W rezultacie lód ma mniejszą gęstość niż woda i w rezultacie pływa a nie tonie. Pływający po powierzchni lód izoluje wodę i spowalnia proces dalszego zamarzania. Gdyby nie ta właściwość wody i lodu, ogromna cześć wody na Ziemi byłaby stale zamarznięta. Jednak dzięki tej właściwości woda o temperaturze 4oC opada na dno i w głębokich jeziorach pozostaje w tej temperaturze cały rok.

Wymaga tu wyjaśnienia istotna różnica między ciepłem a temperaturą. Choć popularnie myślimy, że to tożsame pojęcia, tak jednak nie jest. Ciepło jest miarą energii kinetycznej wszystkich molekuł danego ciała (jak ciało jest gęstsze to przy tej samej temperaturze zawieraj więcej energii niż ciało mniej gęste). Temperatura jest zaś miarą średniej energii kinetycznej, czyli energii typowej cząsteczki w danym ciele. Dwie substancje mogą mieć tą samą temperaturę, lecz całkiem inne zgromadzone ciepło - całkowitą energię kinetyczną. Porównując wodę i powietrze - wyobraź sobie czajnik z powietrzem włożony do pomieszczenia o temperaturze 95oC. Czajnik i powietrze w nim nagrzeją się do 95oC dość szybko. Gdyby czajnik był wypełniony wodą nagrzewałby się do tej temperatury znacznie dłużej. Jest to spowodowane faktem, że woda wymaga dużo więcej ciepła, aby zmienić swoja temperaturę w porównaniu z powietrzem. Tak wiec temperatura i ciepło są miarami innych wielkości fizycznych. Temperatura jest wyrażona w stopniach (oC,F lub K) zaś ciepło w kaloriach, dżulach (J) natomiast w UK w British Termal Units (BTU). Kaloria jest ilością ciepła (energią) wymaganą do podgrzania 1 cm3 wody o 1 stopień Celsiusa, BTU jest ciepłem wymaganym do podgrzania 1 funta wody o 1F .

Poprzedni przykład w oczywisty sposób pokazuje, że jedna kaloria podgrzewa 1cm3 powietrza dużo więcej niż o 1oC (analogicznie 1 BTU podgrzewa 1 funt powietrza dużo bardziej niż o 1F ) Tak naprawdę, gdyby masy wody i powietrza były równe, woda wymagałaby tylko 4 razy więcej ciepła do podgrzania o tyle samo stopni. Z drugiej strony woda wymaga 3200 !!! razy więcej ciepła do podgrzania niż powietrze zajmujące tą sama objętość.

Wynika to oczywiście z różnych gęstości. Gęstość jest miarą masy, która mieści się w pewnej objętości. Np. litr wody ma masę 1kg. ! litr powietrza ma masę 1.3 grama . Tak więc woda jest 770 razy bardziej gęsta niż powietrze ( 0.0013kg * 770 = 1kg) ( W systemie brytyjskim 1 stopa sześcienna wody ma masę 62.4 funta zaś powietrza 0.081 funta )

Dla wyjaśnienia efektów cieplnych podczas nurkowania, należy rozważyć różne powody przewodzenia ciepła. Występują tu 3 różne procesy: 1)przewodzenie, 2)konwekcja, 3)promieniowanie.

  1. Przewodzenie następuje w czasie bezpośredniego kontaktu. Przykładem jest łyżeczka w gorącej herbacie. Choć uchwyt pozostaje niezanurzony, w krótkim czasie staje się gorący. Molekuły wody w gorącej herbacie przekazują energię do zanurzonej części łyżeczki. Dalej energia jest przekazywana przez rączkę łyżeczki do góry, aż do momentu równowagi tzn. mniej więcej cała łyżeczka będzie miała jednakową temperaturę. Substancje łatwo transportujące ciepło (np. metale) nazywamy dobrymi przewodnikami ciepła.
    • Powietrze jest raczej dobrym izolatorem, ponieważ posiada złe przewodnictwo cieplne. Woda posiada tysiące razy większą pojemność cieplną od powietrza i jest ok. 20 razy lepszym przewodnikiem ciepła od powietrza. Dla tego też zanurzony nurek marznie o wiele szybciej niż w powietrzu.
  2. Konwekcja występuje podczas transmisji ciepła wewnątrz płynów lub gazów. Kiedy płyn jest podgrzewany, jego gęstość maleje i porcja ogrzanego płynu ma tendencje do wznoszenia się. Powoduje to ciągły ruch w podgrzewanej wodzie i transport ciepła do innych miejsc. Weźmy na przykład nurka pozbawionego ochrony cieplnej w wodzie. Woda ogrzana od skóry unosi się a na jej miejsce napływa zimniejsza. Z tego powodu zawsze marzniemy w chłodnej wodzie nawet jeśli pozostajemy nieruchomo.
  3. Promieniowanie odpowiada za transport ciepła poprzez fale elektromagnetyczne. Z takim zjawiskiem mamy do czynienia ogrzewając się w słońcu lub pobliżu ogniska. Taki rodzaj przepływu ciepła podczas nurkowania jest pomijalny.

Stratyfikacja

Woda zachowuje się jak typowa ciecz aż do osiągnięcia punktu zamarzania – czyli do temperatury 4°C im jest chłodniejsza, tym ma większą gęstość. Woda tworzy warstwy o różnej gęstości, przy czym warstwy o większej gęstości znajdują się pod warstwami o mniejszej gęstości. Ten układ warstw różniących się gęstością określany jest jako stratyfikacja, albo uwarstwienie. W miarę zanurzania się, gdy przechodzisz przez warstwy wody o różnej gęstości, często doświadczasz gwałtownego spadku temperatury. Jak zapewne wiesz, strefa przejściowa pomiędzy warstwami wody o różnej temperaturze jest nazywana termokliną. W stabilnej, słabo mieszanej wodzie śródlądowych jezior lub kamieniołomów podczas zanurzania na głębokość 18 metrów możesz przechodzić przez dwie lub trzy warstwy o różnej temperaturze i gęstości.

Substancje rozpuszczone, takie jak sól w wodzie morskiej, także wpływają na zwiększenie gęstości wody i mogą powodować stratyfikację. Jeśli w wodzie znajduje się wystarczająca ilość rozpuszczonych substancji, woda w warstwie cieplejszej może być gęstsza od wody chłodniejszej, i znajdować się pod nią. Dobrym przykładem jest układ warstw wody wypełniającej jaskinie na meksykańskim półwyspie Jukatan. W trakcie nurkowania na tych stanowiskach, często przechodzisz przez wyraźnie wyczuwalną granicę pomiędzy warstwami ciepłej wody słonej i zimnej wody słodkiej. Strefa przejściowa między warstwami wody słonej i słodkiej określana jest jako haloklina.

Zero i zero bezwzględne

Na poziomie morza, według skali Celsjusza woda zamarza w temperaturze 0°C, i wrze w 100°C. Według starszej skali Fahrenheita, powszechnie stosowanej w krajach anglosaskich, wartości te (odpowiednio, 32°F i 212°F) te mogą wydawać się arbitralne – ale w rzeczywistości nie są. Choć historia ustalania skali Fahrenheita nie jest dokładnie znana, wydaje się, że Gabriel Fahrenheit wybrał 0 jako punkt zamarzania równoobjętościowej mieszaniny soli i śniegu, zaś na 96° ustalił temperaturę ludzkiego ciała. Przy tych założeniach, temperatura wrzenia wyniosłaby 212°. Naukowcy używają dwóch innych systemów pomiaru temperatury – Kelvina i Rankine’a. Obie te skale mają ten sam punkt zerowy – zero bezwzględne, czyli temperaturę, przy której zatrzymują się ruchy cząsteczek. Nic nie może być zimniejsze niż 0 K (zwróć uwagę, że nie używa się znaku stopnia (°) przy zapisie temperatury w kelvinach) bądź 0°R. Zero bezwzględne jest wartością o dużym znaczeniu w fizyce – względne właściwości substancji w różnych temperaturach muszą być porównywane do zera bezwzględnego. Zobaczysz to, gdy będziemy omawiać związki między objętością, ciśnieniem i temperaturą gazów. Skala Kelvina jest podobna do skali Celsjusza, za wyjątkiem przesunięcia punktu zerowego do zera absolutnego. 0 K równe jest -273°C, czyli żeby przeliczyć wartości ze skali Celsjusza na skalę Kelvina, należy dodać 273, a aby przeliczyć temperaturę w K na °C, trzeba odjąć 273. Analogicznie, skala Rankine’a jest odpowiednikiem skali Fahrenheita, ale z wartością 0 w temperaturze zera bezwzględnego. 0°R jest równe -460°F

Woda i światło

Mętność i dyfuzja.

Chociaż zaledwie około 20% światła z powierzchni dociera na głębokość 10 metrów, jest go wystarczająco dużo, aby na otwartym morzu umożliwiać fotosyntezę nawet do głębokości 100 metrów. Z drugiej strony, duże ilości cząstek zawiesiny mogą całkowicie odciąć dopływ światła już na głębokości rzędu 3 m. Względne stężenie zawieszonych cząstek określane jest jako mętność wody. Zawieszone cząstki mogą być organiczne, jak np. organizmy planktoniczne, albo nieorganiczne – jak wzburzone osady denne (muł). Mętność może wynikać z naturalnych procesów, takich jak opad deszczu, albo być efektem niekorzystnych zaburzeń, jak na przykład skażenie środowiska. Bez względu na przyczynę, im wyższa mętność, tym mniej światła przenika przez wodę i tym gorsza jest widoczność. Gdy pytasz divemastera przed nurkowaniem „Jaka dziś widoczność?”, pośrednio pytasz właśnie o mętność wody. Woda rozprasza i odbija światło, które to zjawisko określane jest jako rozpraszanie. Rozpraszanie zachodzi nawet w bardzo czystej wodzie, przyczyniając się do ograniczenia ilości przenikającego światła. Światło odbija się od zawieszonych w wodzie cząstek i przez nie jest rozpraszane, co powoduje jego bardziej równomierny rozkład. Dlatego cienie są pod wodą mniej wyraźne, a czasami brak ich całkowicie. Również właśnie na skutek rozpraszania przedmioty położone dalej od ciebie mogą się wydawać nieco rozmyte i niewyraźne; odbite od nich światło, podróżujące przez wodę, zbacza lekko z linii prostej. Im większa mętność, tym silniejsze rozpraszanie.

Pochłanianie barw.

Aby zrozumieć zjawisko pochłaniania barw przez wodę, należy najpierw wyjaśnić naturę światła i to, jak twoje oko odbiera światło. Światło jest formą energii elektromagnetycznej, i dlatego podróżuje w postaci fal; długość fali światła jest zależna od jej energii. W zależności od długości fal elektromagnetycznych, mają one różne nazwy (np. promieniowanie X, fale radiowe, światło widzialne...). Większość z nich jest niewidzialna, jak promieniowanie ultrafioletowe, podczerwone, promieniowanie X, mikrofale, promieniowanie kosmiczne itp. Nasze oczy mogą odbierać jedynie wąski fragment całego spektrum – długości fal od ok. 400 nm (nanometrów) do ok. 760 nm. Różnice w obrębie tego zakresu postrzegamy jako kolory. Gdy światło białe, złożone z pełnego zakresu długości fal, trafia na dany przedmiot, fale o pewnych długościach są pochłaniane, a inne – odbijane. Kolor danego przedmiotu w naszych oczach zależy od stopnia pochłaniania przez niego fal świetlnych o różnych długościach. Jeżeli odbija fale o wszystkich długościach, jego kolor odbieramy jako biały. Jeżeli pochłania wszystkie długości fal, postrzegamy obiekt jako czarny. Jak wspomniano, długości fal mają ścisły związek z ilością niesionej przez nie energii. Fale o długościach odpowiadających kolorom bliskim „czerwonego” krańca spektrum (długości bliskie 760 nm) mają niższą energię niż fale odpowiadające kolorom z „fioletowego” krańca spektrum (długości bliskie 400 nm). Patrząc na pełne spektrum, włącznie z promieniowaniem niewidzialnym, promieniowanie podczerwone (IR) ma bardzo niską energię, a promieniowanie ultrafioletowe (UV) – wysoką energię.

Woda, nawet bardzo przejrzysta, absorbuje przechodzące przez nią fale świetlne, przekształcając niesioną przez nie energię w ciepło. Jednak fale o różnych długościach są pochłaniane w różnym stopniu, a dokładniej promieniowanie o niższej energii jest pochłaniane szybciej. W związku z tym, kolory bliższe „czerwonego” końca spektrum pochłaniane są szybciej niż kolory z „fioletowego” krańca spektrum – i dlatego czerwień jest pierwszym kolorem, który podczas zanurzania przestaje być widoczny. Na głębokościach większych niż 4 metry zazwyczaj nie widać już czerwonej barwy. Nie oznacza to oczywiście, że na głębokości 4 m kolor czerwony jest nagle „wygaszany”; po prostu, bardzo mało fal świetnych odpowiadających tej barwie dociera na tę głębokość. Absorbcja promieniowania świetlnego jest ciągłym procesem – na głębokość 4 m dociera mniej fal świetnych odpowiadających wszystkim barwom niż na 2 m, gdzie z kolei jest ich mniej niż na 1 m, i tak dalej. Ten ciągły proces absorbcji promieniowania świetlnego zachodzi szybciej dla fal o niższej energii.

W miarę zanurzania, najszybciej przestajemy widzieć kolor czerwony, następnie pomarańczowy, żółty i zielony. Ten zanik kolorów jest powodem, dla którego fotografowie podwodni używają aparatów z lampą błyskową nawet w bardzo dobrych warunkach świetlnych. Światło z lampy błyskowej zazwyczaj przebywa w wodzie krótki dystans, w dużym stopniu zachowując wyjściowy rozkład długości fal – i dzięki temu może przywrócić barwy utracone z powodu pochłaniania światła słonecznego przez wodę. Jest to niezbędne przy robieniu dobrej jakości zdjęć – mimo tego, że współczesne aparaty cyfrowe mogą w pewnym stopniu korygować utratę kolorów z głębokością (więcej informacji w dalszej części rozdziału). Płetwonurkowie zazwyczaj wiążą pochłanianie barw przez wodę wraz z głębokością. Tymczasem w rzeczywistości jest ono funkcją całkowitej odległości przebytej przez światło w wodzie. Na przykład, gdy jesteś w bardzo przejrzystej wodzie na głębokości 2 metrów, czerwony przedmiot położony tuż obok ciebie będzie wydawał się czerwony. Jeśli jednak odpłyniesz 3 metry od niego, jego barwa będzie dla ciebie brązowa. Wynika to z faktu, że całkowity dystans przebyty przez światło w wodzie wynosi 5 metrów – 2 metry od powierzchni wody do obiektu, i 3 metry od obiektu do twojego oka – i po drodze większość fal świetlnych odpowiadających za czerwoną barwę została zaabsorbowana przez wodę. Jest to jeden z powodów, dla których pod wodą większość fotografów i kamerzystów używa obiektywów szerokokątnych, które pozwalają im podpłynąć blisko fotografowanego obiektu i tym samym zmniejszyć dystans, jaki światło lampy błyskowej przebywa w wodzie.

Z zakresu światła widzialnego, czysta woda w największym stopniu przepuszcza promieniowanie o długości fali ok. 480 nm – które twoje oczy postrzegają jako światło niebieskie. Natomiast w mętnej wodzie, najmniej pochłaniane są fale odpowiadające za barwę żółto-zieloną. Zjawisko to tłumaczy, dlaczego przejrzysta, czysta woda ma kolor niebieski, a woda mętna ma barwę żółto-zieloną.

Zjawisko pochłanianie kolorów wpływa na łatwość postrzegania przedmiotów poprzez działanie nie tylko na postrzeganie barw, ale także na ich kontrastowość. Zawsze łatwiej jest zauważyć obiekty wyróżniające się od otoczenia. Tymczasem, jak wykazały eksperymenty, parametry wody takie jak jej mętność, głębokość, zasolenie, wielkość zawieszonych cząstek i stopień zanieczyszczenia, wpływają na absorbcję światła, i tym samym na kontrasty. Wynika to z faktu, że wszystko co wpływa na widoczność kolorów, wpływa też na postrzegane kontrasty miedzy nimi. Na przykład, na powierzchni czerwona naklejka będzie się mocno wyróżniać na ciemnozielonym tle butli, lecz na głębokości 30 metrów ich kolory mogą się wydać takie same. Będzie trudniej zauważyć naklejkę, gdyż nie będzie ona już kontrastowć z tłem.

Kolory fluorescencyjne postrzegamy nieco inaczej, gdyż, po pierwsze, ich długości fal nie są częste pod wodą, a po drugie, promieniowanie fluorescencyjne nie jest po prostu odbijane, ale emitowane przez niektóre obiekty pod wpływem pobudzenia przez fale o krótszej długości (zjawisko fluorescencji). Z tego powodu, obiekty fluorescencyjne zachowują pod wodą swoje kolory, i wyróżniają się od innych obiektów na tej samej głębokości. Dlatego właśnie producenci sprzętu nurkowego często używają materiałów o właściwościach fluorescencyjnych – i tak samo czyni natura. Na przykład, ukwiały z rodzaju Coryanthus postrzegamy jako czerwone także na większych głębokościach, ponieważ ich tkanki zawierają naturalne substancje o właściwościach fluorescencyjnych.

Zboczymy teraz z fizyki nieco w stronę fizjologii, gdyż postrzeganie kolorów pod wodą wiąże się ze sposobem funkcjonowania twoich oczu. Przy słabym świetle, źrenice rozszerzają się, zwiększając ilość światła docierającego do wnętrza oka. Gdy są już całkowicie rozwarte, twoje oko dalej się adaptuje, przełączając między typami fotoreceptorów – światłoczułych komórek występujących w twojej siatkówce. Twoje oczy zazwyczaj używają fotoreceptorów czopków przy pełnym świetle, i bardziej czułych pręcików przy słabym świetle (nazwy czopków i pręcików pochodzą od ich kształtu). Pręciki pozwalają na widzenie przy bardzo słabym świetle, ale nie mają zdolności odbierania kolorów, i słabszą zdolność wychwytywania szczegółów niż czopki. Dlatego przy słabym świetle podwodny świat może się wydawać jeszcze mniej kolorowy. Zmiany proporcji czopków i pręcików zaczynają być zauważalne po mniej-więcej 10 minutach od wejścia do ciemnego pomieszczenia, chociaż przy przejściu z pełnego światła do niemal całkowitej ciemności, pełna adaptacja może wymagać ponad pół godziny. Aby wspomóc te procesy adaptacji, zwłaszcza podczas nocnego nurkowania, niektórzy płetwonurkowie (szczególnie wojskowi) przed wejściem do wody noszą czerwone okulary lub przebywają w czerwonym świetle przez 10-20 minut od wejścia do wody.

Zarówno przy silnym, jak i przy słabym świetle zachodzą jeszcze inne procesy adaptacyjne. Twój system wzrokowy (oczy i mózg) dostosowują się do w taki sposób, że kolor światła wokół ciebie postrzegasz jako biały (w pewnych granicach!). Na przykład, często stosowane w domach żarówki emitują światło żółto-czerwone, ale o ile nie koncentrujesz się specjalnie na tym, postrzegasz białą ścianę oświetloną tym światłem jako biało, nie jako żółto-czerwoną.

Pod wodą, te procesy w pewnym stopniu redukują efekt pochłaniania barw przez wodę. Dlatego podwodne zdjęcia zrobione bez lampy błyskowej wydają się znacznie bardziej niebieskie niż pamiętałeś – twój system wzrokowy skompensował utracone, pochłonięte przez wodę kolory, ale aparat nie. Jest to szczególnie wyraźne w aparatach analogowych, na film; współczesne aparaty cyfrowe używają często automatycznego balansu bieli, który częściowo kompensuje utratę kolorów – podobnie jak twój system wzrokowy.

Refrakcja.

Inną właściwością światła, która dotyczy cię pod wodą, jest refrakcja, czyli zmiana kierunku fali świetlnej przy przejściu przez granicę pomiędzy ośrodkami o różnych gęstościach, takimi jak na przykład powietrze i woda. Refrakcja występuje dzięki różnicy prędkości przemieszczania się światła w ośrodkach o różnej gęstości – co powoduje zmianę trasy, którą podróżuje światło. Jedyną sytuacją, w której nie następuje zmiana kierunku przemieszczania się fal świetlnych na granicy ośrodków, jest ta, w której światło przechodzi przez granicę pomiędzy ośrodkami dokładnie pod kątem prostym. Chociaż refrakcja w różnych substancjach zachodzi w różny sposób, dla płetwonurków najbardziej istotne jest załamywanie fal świetlnych na granicy między powietrzem i wodą.

Pod wodą, płetwonurków dotyczy przede wszystkim refrakcja podczas przechodzenia światła z wody do szkła twojej maski, a następnie do powietrza wewnątrz maski lub obudowy aparatu. Na skutek refrakcji, przedmioty znajdujące się pod wodą są powiększone, tak że wydają się znajdować bliżej niż w rzeczywistości w stosunku mniej-więcej 4:3 (odległość rzeczywista – odległość pozorna). Na przykład, ryba odległa o 4 m będzie sprawiać wrażenie, że znajduje się jedynie 3 metry od ciebie. Można zatem powiedzieć, że woda przybliża przedmioty o 25% w stosunku do odległości rzeczywistej, lub powiększa je o 33% w stosunku do rzeczywistego rozmiaru. Świeżo upieczeni płetwonurkowie, sięgający po jakiś przedmiot w wodzie, nieraz chybiają – właśnie na skutek refrakcji. Z doświadczeniem, większość nurków nieświadomie przyzwyczaja się do tego zjawiska.

Powiększający efekt refrakcji może wpływać nie na postrzeganie pozornej odległości, ale pozornych rozmiarów. To, czy pod wodą postrzegasz obiekty jako znajdujące się bliżej, czy jako większe, zależy od tego, czy twój mózg interpretuje obraz jako będący rzeczywistych rozmiarów, lecz położony bliżej, albo jako większy, lecz znajdujący się w tej samej odległości. Wpływają na to parametry takie jak informacje na temat rzeczywistego dystansu, widoczność, twoja znajomość środowiska oraz rodzaj obiektu który obserwujesz.

Generalnie, aparat do zdjęć podwodnych odbiera obraz w ten sam sposób, jak ty w masce. Dlatego należy ustawiać ostrość na odległość pozorną, a nie na rzeczywistą odległość do fotografowanego obiektu (system autofokusa robi to automatycznie). Powiększenie wynikające z refrakcji zmniejsza kąt widzenia aparatu, powodując lekki efekt teleobiektywu. Dlatego większość podwodnych fotografów używa obiektywów o najkrótszej dostępnej ogniskowej – czyli najszerszym możliwym kącie – ale niekiedy stosuje się obudowy z portem kopułowym (dome port). Ma to związek bezpośrednio z refrakcją, a właściwie z przeciwdziałaniem jej.

Jak wspomnieliśmy, promień światła nie ulega refrakcji przy przejściu przez granicę pomędzy substancjami o różnych gęstościach pod kątem prostym. Z portem kopułowym na obiektywie, do którego światło zawsze dochodzi pod kątem prostym, efekt refrakcji jest eliminowany i możliwe jest zachowanie szerokiego kąta widzenia – korzystne pod wodą. Niepożądanym efektem portów kopułowych jest ustawianie punktu ostrości sztucznie blisko, zazwyczaj w odległości około metra – jednak nie jest to duży problem, gdyż ostrość ustawiasz (lub ustawia ją aparat) w odległości postrzeganej. Innym efektem refrakcji są poruszające się szybko „zmarszczki” świetlne, dobrze widoczne na płaskim, piaszczystym dnie, których układ zmienia się wraz z układem fal na powierzchni. Różne części fali działają podobnie jak soczewki skupiające bądź rozpraszające; podczas gdy fale przechodzą nad dnem, grzbiety fal skupiają promienie świetlne, tworząc na dnie jasne, przemieszczające się obszary.

Efekt Tyndalla.

Chociaż dzięki zjawisku refrakcji przedmioty pod wodą generalnie wydają się położone bliżej niż w rzeczywistości, w mętnej wodzie mogą się wydawać położone dalej niż naprawdę. To zjawisko opisywane jest jako efekt Tyndalla (visual reversal). Wynika ono z procesów widzenia, a to, jak twój mózg interpretuje docierający do niego obraz, zależy od przezroczystości wody, kontrastów, i ilości światła. Ponieważ powietrze pochłania światło wolniej niż woda, w powietrzu światło musi przebyć bardzo duże odległości zanim pochłanianie kolorów i dyfuzja fal świetlnych znacząco wpłyną na odbierany przez nas obraz. Jedynie bardzo odległe obiekty wydają się rozmyte, o obniżonym kontraście. W związku z tym, podświadomie odbieramy, że jeśli obiekt jest rozmyty i mało kontrastowy, to musi znajdować się bardzo daleko. Jednak w pewnych warunkach woda może powodować podobne efekty jak duża odległość na powierzchni – dyfuzję, pochłanianie barw i spadek kontrastu. Dlatego twój system wzrokowy zazwyczaj odbiera rozmyte, mało kontrastowe przedmioty o zubożonych kolorach jako położone bardzo daleko. Jednak ponieważ grubość warstwy wody potrzebna do wywołania tego efektu jest nieduża, obiekty postrzegane pod wodą jako bardzo odległe mogą w rzeczywistości znajdować się całkiem blisko. To jest właśnie wpływ efektu Tyndalla.

Dzięki zjawiskom refrakcji, dyfuzji i pochłaniania barw, oraz przez własciwości naszego układu wzrokowego, obiekt znajdujący się pod wodą może być odbierany albo jako znajdujący się bliżej, albo dalej niż w rzeczywistości. Generalnie, w im mniejszej odległości znajduje się przedmiot, tym większe prawdopodobieństwo że będzie sprawiał wrażenie położonego bliżej niż w rzeczywistości. Analogicznie, im dalej obiekt się znajduje, tym większa jest szansa, że wyda nam się położony w większej odległości niż w rzeczywistości. Jednak w miarę nurkowania, nasze umysły wprowadzają poprawki na oba te zjawiska – gdy nabierzesz doświadczenia pod wodą, zaczniesz postrzegać obiekty jako znajdujące się w tej odległości, w jakiej rzeczywiście są.

Odbicie.

Gdy światło pada na obiekt, może się od niego odbić. To, czy światło zostanie odbite, zależy przede wszystkim od koloru obiektu. Przedmioty czarne lub bardzo ciemne pochłaniają dużą część promieniowania świetlnego, odbijając niewiele. Przedmioty białe lub o jasnych barwach odbijają znaczną część padającego na nie światła. Natomiast obiekty o właściwościach refleksyjnych, takie jak lustro, pozornie będą miały tę samą barwę co padające na nie światło, gdyż odbijają niemal 100% padającego na nie promieniowania. Niektóre substancje, jak na przykład woda, mogą odbijać lub przepuszczać światło, w zależności od kąta padania promieni świetlnych. Światło przenika do wody, ale wraz z malejącym kątem padania promieni na powierzchnię wody, proporcjonalnie coraz większa część światła ulega odbiciu, a mniejsza – pochłonięciu. Dlatego właśnie pod wodą najjaśniej jest między godziną 10 a 14, kiedy to słońce znajduje się w najwyższym punkcie nieba, jego światło pada na powierzchnię wody pod dużym kątem, i znaczna jego część przenika do wody. Rano i po południu, gdy słońce znajduje się nisko, większa część promieni świetlnych ulega odbiciu, i proporcjonalnie mniej przenika do wody. Jeżeli robisz podwodne zdjęcia lub kręcisz filmy video, wiesz zapewne, że najlepsze warunki świetlne są właśnie pomiędzy godziną 10 a 14.

Woda i dźwięk

Podobnie jak w przypadku światła, dźwięk ma naturę falową. Podczas gdy fale świetlne przenoszą energię elektromagnetyczna, dźwięk zaś energie akustyczną (będąca forma energii mechanicznej). Energia elektromagnetyczna może być przenoszona niezależnie od materii (światło rozchodzi się w próżni), dźwięk zaś występuje tylko w materii.

Jest on rezultatem pewnej akcji zachodzącej w obiekcie (np. drgań) czego efektem jest wytworzenie fali w ośrodku w którym występuje dźwięk. Taka fala może być kontynuowana w innym ośrodku. Np. dźwięk z wody (musi mieć bardzo duże natężenie) może być słyszalny na powierzchni. Fala dźwiękowa wzbudza błonę bębenkową w uchu, co nasz mózg interpretuje jako słyszenie.

W przeciwieństwie do światła, dźwięk dobrze rozchodzi się w gęstych ośrodkach takich jak ciała stałe i ciecze. Molekuły w takich ciałach są gęściej upakowane i lepiej przenoszą zaburzenia falowe. W szczególności dźwięk nie rozchodzi się w próżni. Z powodu swojej gęstości woda jest wspaniałym ośrodkiem dla rozchodzenia się dźwięku. Prędkości dźwięku w czystej wodzie w temperaturze 15oC to ok. 1410 m/s ( w słonej, morskiej wodzie 1550m/s). Jest to ok. czterokrotnie więcej niż w powietrzu.

Należy tu wspomnieć, że z punktu widzenia fizyki to nie gęstość, lecz sprężystość stanowi parametr decydujący o rozchodzeniu się dźwięku. Większość gęstych materiałów cechuje jednocześnie duża sprężystość, więc powyższe spostrzeżenie nie jest na ogół błędne. Przykładem są tu ołów i węgiel, które mimo dużej gęstości źle przewodzą dźwięk gdyż są mało elastyczne.

Rezultatem dobrego przewodzenie dźwięku pod wodą jest lepsza niż na lądzie słyszalność z dużych odległości (szczególnie dźwięków o niskich częstotliwościach). Np. statek może być słyszalny nawet z 24 km (15 mil) i nurkowie często słyszą łodzie będące daleko poza zasięgiem wzroku.

Duża prędkość dźwięku w wodzie utrudnia rozeznanie co do kierunku z którego on dochodzi. Mózg określa kierunek dzięki interpretacji różnicy dźwięku w lewym i prawym uchu (różnica fazy dźwięku) co działa dobrze w powietrzu. Z powodu dużej szybkości dźwięku w wodzie, różnice te zanikają i nurek nie jest w stanie określić kierunku dźwięku.

Ponieważ woda przewodzi dźwięk, ktoś może się zdziwić, że nie można mówić pod wodą. Struny głosowe wytwarzają dźwięk dzięki drganiu powietrza, zaś dźwięk z powietrza słabo przechodzi do wody. Z tego też powodu nurek zanurzony prawie nie słyszy dźwięków z powierzchni chyba, że są bardzo silne. Przez lata ludzie wymyślali różne urządzenia do komunikacji pod woda, lecz dopiero elektronika rozwiązała ten problem w sposób zadowalający.

Termoklina potrafi mocno zmodyfikować rozchodzenie się dźwięku w wodzie.

Różnice w prędkości dźwięku pod wpływem temperatury są widoczne szczególnie w pobliżu termokliny. Zmiany temperatury wywołują bowiem zmiany gęstości. Gdy dźwięk przechodzi miedzy ośrodkami o różnych gęstościach (jak np. woda i powietrze) przy przejściu znaczna cześć energii jest rozpraszana. Tak więc, dźwięk ulega zmianie przy przejściu przez termoklinę lub porcję wody o innej temperaturze. Może się zdarzyć, że słychać dobrze dźwięk w jednym miejscu, zaś parę metrów dalej (np. pod termokliną) nie słychać go wcale.

== Pływalność == Pływalność nurka

Siła jakiej poddane są zanurzone obiekty nazywana jest wyporem. Jest to siła działająca na każdy obiekt niezależnie czy zanurzony w toni czy pływający po powierzchni. Archimedes - grecki matematyk pierwszy opisał to zjawisko i stąd nazwa - prawo Archimedesa. Brzmi ono następująco: na ciało zanurzone w cieczy działa siła wyporu skierowana do góry równa ciężarowi cieczy wypartej przez to ciało.

Prawo to jest spełnione dla dowolnych ciał zanurzonych w dowolnych cieczach. Dla danego ciała o określonej objętości i ciężarze zmiana siły wyporu są rezultatem różnic w gęstości cieczy w której ciało jest zanurzone. Bardziej gęsta ciecz to większa siła wyporu. Ta różnica ujawnia się już przy porównaniu słonej i słodkiej wody. 1l słodkiej wody ma masę 1kg ( 62.4 funta - 1 stopa sześcienna ), 1 litr słonej wody ma masę ok. 1.03 kg . Ta niewielka różnica wpływa jednak na pływalność nurka. Tą tendencję ciała do pływania lub tonięcia najlepiej mierzyć przez wprowadzenie "gęstości względnej" (specific gravity). Wielkość ta wyraża gęstość ciała w stosunku do czystej wody. Tak więc czysta woda ma gęstość względną równą 1.0. Substancje o gęstości właściwej mniejszej od 1.0 pływają po powierzchni, substancje o gęstości właściwej większej od 1.0 toną.

W ciele ludzkim o pływalności decyduje udział różnych tkanek. Np. tkanka tłuszczowa ma gęstość względną ok. 0.7 - 0.9, kość ok. 1.9, mięśnie ok. 1.08. W zależności od proporcji tkanek gęstość względna całego ciała waha się wokół 1.0. Jednakże ekwipunek nurka, a szczególnie mokry lub suchy skafander zmniejszają gęstość względna (są lekkie w porównaniu ze swoja objętością) i zmuszają nurka do używania balastu.

Pojęcie dodatniej, ujemnej i neutralnej (zerowej) pływalności są wygodne przy opisywaniu stanu zanurzonego nurka. Obiekty pływające mają dodatnią pływalność, tonące ujemną, zaś obiekty pływające swobodnie w toni - neutralna pływalność. Stan zerowej pływalności jest pożądany przez nurka, aby nie tracić energii podczas nurkowania na pokonywanie siły wyporu (lub grawitacji).

Koncepcja pływalności pozwala rozwiązać wiele problemów technicznych spotykanych pod woda. Wyobraźmy sobie konieczność wyłowienia ciężkiego i drogiego silnika zaburtowego zgubionego z łodzi. Jeżeli silnik waży 100kg na powierzchni, jaka jest potrzebna dodatkowa siła wyporu aby unieść go z dna?

Po pierwsze musimy określić aktualną siłę wyporu działającą na silnik (prawo Archimedesa) Powiedzmy, że silnik ma objętość ok. 20l. 20 l słonej wody ma masę ok. 20.6 kg . Aby silnik osiągną neutralna pływalność musi na niego zadziałać siła, pionowo do góry, o wartości 100kG-20.6kG=79.4 kG.

Zaniedbując ciężar windy powietrznej (balonu) należy określić ile wody usunąć z windy powietrznej (ile powietrza wpompować) dzieląc ujemną pływalność przez ciężar właściwy wody morskiej - 79.4/1.03=77.1 litra wody do usunięcia. W praktyce należy dopompować do windy powietrznej tyle powietrza z butli.