수환경

물은 생명의 필수적인 물질이고 살아 있는 모든 생물의 중심 성분이다. 또한, 지구 표면의 약 75%를 덮고 있는 물은 지구의 지배적인 환경이기도 하다. 모든 바다와 담수의 수환경은 물이 대기에서 지구로 이동하고 다시 대기로 돌아가는 과정인 물 순환의 요소들을 통해 직접적 또는 간접적으로 연결되어 있다. 강수가 물 순환을 시작하고, 대기에서 순환하는 수증기는 강수의 형태로 떨어진다. 이 물 중 일부는 직접 토양과 수체에 내리며, 일부는 식생, 땅 위의 죽은 유기물, 도시의 건물과 길에 의해 차단된다. 토양에 닿는 강우는 침투에 의해 땅속으로 스며들며, 침투율은 토양의 종류, 경사, 식생, 강수의 강도에 달려 있다. 많은 비로 인해 토양이 포화되면 여분의 물은 표면유출수의 형태로 지면 위로 흐른다. 토양으로 들어가는 일부 물은 점토나 암석의 불침투성 층으로 스며들어 지하수로 모인다. 식물은 뿌리를 통해 토양에서 물을 흡수하고 잎과 그 밖의 기관에서 일어나는 증산 과정으로 물을 잃는다. 물은 특이한 물질이다. 물 한 분자는 산소원자 1개에 연결된 수소원자로 구성되어 있다. 수소 원자가 놓여 있는 물분자 쪽은 양전하를 지니며, 산소원자가 붙어 있는 쪽은 음전하 성질을 지녀 물분자는 극성을 지니게 된다. 수소원자가 물분자 사이의 연결고리 역할을 하는 상황이 수소결합이다. 물에는 비열이라는 고유의 성질이 있다. 비열이란 1g의 물을 1˚C 올리는 데 필요한 cal이다. 물의 비열은 1이며, 그 밖의 물질은 물을 기준으로 표현된다. 물분자는 서로 강하게 결합하여 수소결합을 끊는 외부 힘에 저항한다. 이것을 응집이라 한다. 물의 높은 비열로 인해 고체, 액체 및 가스 상태로 물의 상태를 변화시키는 데 많은 열에너지가 요구된다. 표면장력 조건은 수생생물에게 중요하다. 응집은 물의 점성에도 영향을 준다. 점성이란 분자를 분리하고 한 물체가 액체를 통과하는 데 필요한 힘을 측정하는 물질의 성질이다. 물이 공기에 비해 점성이 높은 것은 주로 물의 밀도가 더 높기 때문이다. 물의 밀도는 공기보다 약 860배 더 높다. 몸이 물에 잠겨 있고 몸의 무게가 밀어낸 물의 무게보다 적을 때 부력이라는 위로 당겨지는 힘에 처한다. 표면온도는 입사복사와 외향복사의 균형을 반영한다. 빛이 수표면에 부딪칠 때 그중 일부는 대기 중으로 다시 반사된다. 표면에서 반사되는 빛의 양은 빛의 입사각에 따라 바뀐다. 그로 인해, 적도에서 극지까지 갈 때 수표면에서 반사되는 빛의 양은 날마다, 계절적으로 바뀐다. 햇빛이 표층수에 흡수됨에 따라 물을 데운다. 바람과 표면 물결은 표층수를 섞어 수직적으로 열을 전달한다. 온도가 가장 급히 떨어지는 수직적 수심 종단면의 지역을 수온약층이라 한다. 빛의 이러한 양과 질의 변화는 직접적으로 수환경의 생산력의 양과 분포에 영향을 미치고 간접적으로 수심에 따른 온도의 수직 단면을 바꾸어 수환경의 생물에 중요한 영향을 준다. 두 가지 이상 물질의 균질적인 혼합물을 용액이라 한다. 용액에서 녹이는 역할을 하는 물질은 용매이며, 녹는 물질은 용질이라 한다. 물이 용매인 용액을 수용액이라고 한다. 전기적으로 전하를 띤 원자나 원자 무리로 이루어진 화합물을 이온이라고 한다. 예를 들어, 염화나트륨은 결정격자로 배열된 양성 전하의 나트륨이온과 음성 전하의 염소이온으로 이루어져 있다. 물에 들어가면 물분자의 음성과 양성 전하 사이와 나트륨과 염소원자 사이의 당김이 소금 결정을 이루는 힘보다 더 크다. 그 결과 소금 결정이 물에 닿으면 쉽게 구성 이온으로 용해된다. 물의 용매 기능은 수소원자가 산소원자에 비대칭적으로 연결됨으로써 각 물분자의 한쪽에는 영구적인 양전하가 있고, 반대쪽에는 영구적인 음전하가 있다. 이러한 일을 영구적 쌍극자라고 한다. 반대 전하는 서로 끌어당기기 때문에 물분자는 서로 강력히 끌리는 것 외에도 전하를 가진 다른 분자들을 끌어당긴다. 용매 역할을 하는 물은 고체 용해에만 제한되어 있지 않다. 수체의 표면은 대기와의 경계면을 형성한다. 가스는 이 경계면을 거쳐 확산과정을 통해 교환된다. 확산이란 높은 농도 지역에서 더 낮은 농도 지역으로 이동하는 분자들의 경향이다. 해양에서도 수심에 따라 산소의 분포가 균일하지 않다. 전형적인 해양의 산소 단면은 광합성 활동과 대기에서의 확산이 종종 포화를 가져오는 바다 상층 10~20m에서 최대량임을 보여준다. 수심이 깊어짐에 따라 산소함유량이 감소한다. 표층수에 들어가면 확산과정은 계속되고 산소는 표면에서 하층의 물로 확산한다. 대기에 비한 물의 높은 밀도와 점성은 가스가 물에서 확산하는 속도를 제한한다. 가스의 확산은 공기보다 물에서 약 10,000배 느리다. 확산과정 외에도 표층수에 의해 흡수된 산소는 난류와 내부 조류에 의해 더 깊은 물과 섞이게 된다. 여름 동안 산소는 온도처럼 호수와 연못에서 성층을 이룬다. 물과 대기의 교환이 일어나고, 바람의 휘저음으로 인해 이러한 현상이 더 많이 일어나는 표면 근처에 산소가 가장 많다. 이산화탄소는 물과 화학적으로 반응하기 때문에 그 용해도는 산소의 용해도와는 다르다. 물은 이산화탄소 흡수력이 매우 높아서 후자는 담수와 해수 모두에 풍부하다. 표면으로 확산할 때, 이산화탄소는 물과 반응해 탄산을 형성한다. 탄산은 수소이온과 중탄산이온으로 용해된다. 중탄산이온은 다시 수소이온과 탄산이온으로 용해된다. 수환경의 pH는 생물의 분포와 풍부도에 큰 영향을 끼친다. 산성도가 높아지면 생물의 생리적인 과정에 직접적으로 영향을 끼칠 수 있고, 유독 중금속의 농도를 변화시켜 간접적으로 영향을 끼칠 수 있다.