تعريف الماء
الماء هو مركب كيميائي يتكون من عنصرين أساسيين هما الأكسجين والهيدروجين. يعتبر الماء سائلاً شفافاً عديم الطعم والرائحة في حالته النقية. إنه من بين أكثر المواد وفرة وأهمية على كوكب الأرض، حيث يلعب دوراً حيوياً كمذيب عالمي وضروري للغاية في العمليات البيولوجية التي تحدث داخل الكائنات الحية المختلفة. يتواجد الماء في الدم، العصارات الهاضمة، وغيرها من السوائل الحيوية.
على الرغم من أن الماء يبدو عديم اللون في الكميات الصغيرة، إلا أنه يمتلك لوناً أزرقاً باهتاً يمكن ملاحظته في الكميات الكبيرة، وذلك نتيجة لامتصاصه الضوء عند الأطوال الموجية الحمراء. تشير الدراسات إلى أن الحياة قد بدأت في المحاليل المائية الموجودة في المحيطات. ترتبط الأجزاء الرئيسية للنظام المناخي للأرض ارتباطاً وثيقاً بحالات الماء الفيزيائية الثلاث، بدءاً من المحيطات والنباتات والأنهار الجليدية، وصولاً إلى تشكل السحب وتكوين الهواء.
أطوار الماء
يتميز الماء بقدرته على الوجود في الحالات الفيزيائية الثلاث للمادة في الظروف الطبيعية:
- الحالة الصلبة (الجليد): يتحول الماء إلى الحالة الصلبة عندما تنخفض درجة حرارته إلى ما دون الصفر المئوي. تتراكم جزيئات الجليد بطريقة منظمة تمنعها من تغيير شكلها بسهولة، حيث تتصل ببعضها البعض من خلال روابط هيدروجينية تشكل شبكة بلورية. تحتوي بلورات الماء على تجاويف تجعل الجليد أقل كثافة من الماء في حالته السائلة، مما يفسر سبب طفو الجليد فوق الماء السائل.
- الحالة السائلة: في الحالة السائلة، تكون قوى الجذب بين جزيئات الماء أضعف مما هي عليه في الحالة الصلبة. هذا يسمح للجزيئات بالحركة والانزلاق بسهولة، وبالتالي يتشكل الماء وفقاً لشكل الوعاء الذي يحتويه. تكون كثافة الماء في هذه الحالة أعلى منها في الحالة الصلبة، لأن الجزيئات في الجليد تكون أكثر تباعداً.
- الحالة الغازية (بخار الماء): يتحول الماء إلى الحالة الغازية عندما تصل درجة حرارته إلى نقطة الغليان، أي 100 درجة مئوية. تنفصل جزيئات الماء عن بعضها البعض وتزداد سرعة حركتها. بخار الماء هو غاز غير مرئي بالعين المجردة، ويمكن رؤيته فقط باستخدام أجهزة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء. ما نراه يتصاعد من الماء المغلي ليس بخار الماء نفسه، بل هو قطرات صغيرة جداً من الماء معلقة في الهواء.
مصادر المياه
هناك ثلاثة مصادر رئيسية للمياه على سطح الأرض:
- المياه السطحية: تشمل الأنهار، الجداول، البرك، البحيرات، وغيرها. تعتمد هذه المصادر بشكل أساسي على معدلات هطول الأمطار، والتي تختلف من سنة إلى أخرى ومن موسم إلى آخر. يتم التعامل مع هذه التقلبات من خلال بناء السدود لتخزين المياه.
- المياه الجوفية: توجد المياه الجوفية في طبقات تحت سطح الأرض تتكون من صخور نفاذة مشبعة بالماء. يختلف منسوب المياه في الخزان الجوفي باختلاف المواسم والسنوات، وذلك بسبب اختلاف كمية المياه الداخلة والخارجة. يتم تعويض النقص في المياه الجوفية عن طريق التسرب المباشر لمياه الأمطار والجداول. يختلف عمق المياه الجوفية حسب الموقع، حيث يكون أقل في المناطق الرطبة وبالقرب من المسطحات المائية، ويزداد في المناطق الجافة حيث يصل إلى مئات الأمتار. تعود المياه الجوفية إلى سطح الأرض عبر الينابيع الطبيعية أو عن طريق حفر الآبار.
- مياه الأمطار: على الرغم من عدم استغلالها بشكل كبير، إلا أن مياه الأمطار تعتبر مصدراً هاماً للمياه. يمكن جمع مياه الأمطار من الأسطح وتخزينها للاستفادة منها في أغراض متعددة عند الحاجة.
تدوير الماء في الطبيعة
دورة الماء في الطبيعة هي سلسلة العمليات التي يمر بها الماء، بدءاً من وجوده على سطح الأرض، ثم انتقاله إلى الغلاف الجوي، ثم عودته إلى سطح الأرض مرة أخرى. تعتبر دورة الماء عاملاً رئيسياً يؤثر على أنماط الطقس والنظم البيئية.
لا توجد نقطة بداية محددة لدورة الماء، ولكن يمكن شرحها بدءاً من المحيطات، التي تحتوي على النسبة الأكبر من المياه على الأرض. تسخن الشمس المحيطات، مما يؤدي إلى تبخر الماء وصعوده إلى طبقات الجو العليا، يرافقه ماء النتح المنبعث من التربة والنباتات، بالإضافة إلى بخار الماء الناتج عن تسامي الجليد والثلج. تؤدي درجات الحرارة المنخفضة في الطبقات العليا من الغلاف الجوي إلى تكاثف البخار وتكوين السحب. ثم تتحرك هذه السحب وتتصادم جزيئاتها ويكبر حجمها لتعود مجدداً إلى سطح الأرض على شكل هطول الأمطار والثلوج.
يتجه معظم الهطول المطري إلى المحيطات أو اليابسة نتيجة لقوة الجاذبية الأرضية، فتتشكل جريانات سطحية تنتهي بها الأمر في الأنهار التي تتدفق مياهها نحو المحيطات لتبدأ دورة الماء مجدداً. لا يشترط عودة كل الماء إلى المحيطات، إذ يتحول بعض الماء إلى برك عذبة، بينما يتسرب بعضه مشكلاً المياه الجوفية التي قد تبقى تحت سطح الأرض لفترات طويلة، أو قد تصعد مجدداً إلى سطح الأرض عبر الينابيع.
وتعد دورة الماء إحدى العوامل الرئيسية التي تُؤثّر على أنماط الطقس والنظم البيئيّة، حيث إنّها تنقل عناصر مهمّة من النظام البيئي البرّي إلى النظام البيئي المائي أو العكس خلال عمليتيّ الهطول والجريان السطحي؛ كالكربون، والنيتروجين، والفسفور، والكبريت.
السمات البارزة للماء
يمتلك الماء العديد من الخصائص التي تميزه عن غيره من المواد، منها:
- خاصية التماسك: يعود سبب هذه الخاصية إلى قطبية الجزيئات، حيث تنجذب الجزيئات إلى بعضها البعض، ويشكل كل جزيء روابط هيدروجينية مع الجزيء الأقرب إليه. بفضل هذه الخاصية، لا يتبخر الماء عند درجات الحرارة العادية، كما ينشأ التوتر السطحي للماء الذي يمكنه من الظهور على شكل قطرات على الأسطح.
- خاصية التلاصق: يعني قدرة الماء على جذب جزيئات مواد أخرى قادرة على تكوين روابط هيدروجينية معه. يسبب كل من التماسك والتلاصق الخاصية الشعرية للماء، والتي تجعله قادراً على الارتفاع من الأسفل إلى الأعلى عكس اتجاه الجاذبية الأرضية؛ كارتفاع الماء في سيقان النباتات أو في الأنابيب الزجاجية الضيقة.
- القطبية: تعني أن البنية الجزيئية للماء منحنية وثنائية القطب، حيث تتكون من ذرة أكسجين موجبة في المنتصف، وزوج من ذرات الهيدروجين السالبة على جانبيها.
- التذبذب: يعتبر الماء مركباً متذبذباً، أي أنه يتفاعل كحمض أو كقاعدة وفقاً للمادة التي يتفاعل معها.
- الكثافة: على عكس معظم المواد، تعد كثافة الماء في حالته الصلبة أقل منها في حالته السائلة، ويعود ذلك للروابط الهيدروجينية بين جزيئاته. تلاحظ هذه الخاصية في طفو الجليد على سطح البحيرات والأنهار.
- حرارة انصهار عالية: يمتلك الماء ثاني أعلى درجة حرارة انصهار من بين جميع المواد الأخرى، إذ تبلغ الحرارة النوعية لانصهار الماء حوالي 333.55 كيلوجول/كغم عند درجة حرارة صفر مئوية.
- الحرارة النوعية العالية: والتي تصل إلى حوالي 40.65 كيلوجول/مول، ويعني ذلك أن الماء يحتاج إلى كمية حرارية عالية لتتكسر الروابط الهيدروجينية بين جزيئاته ويتبخر. يستفاد من ذلك في مقاومة التغيرات المفرطة في درجات الحرارة، حيث يضيف ذلك تأثيراً بارداً لتبخره، ويؤثر إيجاباً على الطقس وبقاء الكائنات الحية، ومثال ذلك دور التعرق في تبريد الجسم.
- السعة الحرارية العالية: أي أن قدرة الماء على تخزين الحرارة ومقاومة تغيراتها مرتفعة، نتيجة لقوة الروابط الهيدروجينية بين جزيئاته. يساهم ذلك في الحد من التقلبات المناخية، والجدير بالذكر أن الماء يملك ثاني أعلى سعة حرارية من بين جميع المواد الأخرى.
