الماء
الماء مركّب كيميائي يتكوّن من عنصريّ الأكسجين والهيدروجين، وهو سائل لا طعم له أو رائحة، ويُعدّ من أكثر الموادّ أهمّيةً ووفرة، ويتميّز بأنّه مذيب متعدّد وضروري في العمليات البيولوجية لمختلف الكائنات الحيّة، إذ يوجد في الدم والعصارات الهضميّة، والجدير بالذكر أنّ الماء ليس عديم اللون كما يبدو في كميات صغيرة، بل يحمل اللون الأزرق نتيجةً لامتصاصه الضوء عند الأطوال الموجيّة الحمراء، كما يُعتقد أنّ الحياة قد بدأت في المحاليل المائية في المحيطات ، ويُشار إلى أنّ الأجزاء الرئيسيّة لنظام المناخ الأرضي جميعها ترتبط معاً عبر حالات الماء الفيزيائية الثلاث، بدءاً من المحيطات والنباتات والأنهار الجيلدية، وانتهاءً بتشكُّل السُحب والهواء.
حالات الماء
يتميّز الماء بوجوده في حالات المادة الثلاثة في الظروف الطبيعية كما يأتي:
- الحالة الصلبة (الجليد): يتحوّل الماء إلى الحالة الصلبة عندما يتعرّض لدرجة حرارة أقل من صفر درجة مئوية، حيث تتراكم جزيئات الجليد بطريقة تمنعه من تغيير شكله، حيث تتصل جزيئاته مع بعضها بواسطة روابط هيدروجينية مُشكّلةً شبكةً بلورية، وتحتوي بلورات الماء على تجاويف تجعل الجليد أقل كثافةً من الماء في حالته السائلة فيطفو الجليد فوق الماء السائل.
- الحالة السائلة: عندما يكون الماء في حالته السائلة تكون قوى الجذب بين جزيئاته أضعف ممّا هي عليه في حالته الصلبة، فيُمكّنها ذلك من الحركة والانزلاق، وعليه يتشكّل الماء حسب الوعاء الذي يوضع فيه، كما تكون كثافته أعلى منها في حالته الصلبة؛ لأنّ الجزيئات في حالة الجليد تكون أكثر تباعداً.
- الحالة الغازيّة (بخار الماء): يتحوّل الماء إلى الحالة الغازيّة عند وصوله لنقطة الغليان، أيّ 100 درجة مئويّة، فتنفصل جزيئات الماء عن بعضها البعض وتزداد سرعة حركتها، والجدير بالذكر أنّ بخار الماء غاز غير مرئي بالعين المجرّدة، ويُمكن رؤيته فقط عبر أجهزة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء، وعليه لا يُعدّ ما ينبعث من تسخين الماء بخار ماء، بل هي قطرات ماء صغيرة جداً مُعلّقة في الهواء.
مصادر الماء
هناك 3 مصادر رئيسية للماء وهي كالآتي:
- المياه السطحيّة: تشمل المياه السطحية الأنهار، والجداول، والبرك، والبحيرات، وغيرها، وتعتمدُ بشكل أساسيّ على معدّلات هطول الأمطار التي تختلف باختلاف السنوات والمواسم ما بين جافّةٍ ورطبة، وتُحلّ تلك المشكلة بعدّة طرق أهمّها بناء السدود لتخزين الماء فيها.
- المياه الجوفيّة: توجد المياه الجوفيّة في طبقة تحت سطح الأرض تتكوّن من الصخور النفاذية المشبعة بالماء، ويختلف منسوب الماء في خزان المياه الجوفية باختلاف المواسم والسنوات لاختلاف كمية الماء الداخلة والخارجة، ويتم تعويض نقصه بالتسرُّب المباشر لماء الأمطار والجداول إلى منسوب المياه الجوفية، أمّا عمق الماء الجوفي فيختلف وفقاً لموقعه، حيث يقل في المناطق الرطبة وبالقرب من المسطحات المائية فيتواجد بالقرب من سطح الأرض، بينما يزداد في المناطق الجافة حيث يصل إلى مئات الأمتار، والجدير بالذكر أنّ الماء يرجع إلى سطح الأرض عبر الينابيع الطبيعية أو حفر الآبار.
- مياه الأمطار: تُعدّ مياه الأمطار مصدراً مهمّاً للماء على الرغم من عدم استغلالها بشكل كبير، حيث يتمّ جمعها من الأسطح وتخزينها للاستفادة منها في أغراض متعددة عند الحاجة.
دورة الماء في الطبيعة
تُمثّل دورة الماء في الطبيعة المراحل التي يمرّ بها الماء بدءاً من وجوده على سطح الأرض، فانتقاله إلى الغلاف الجوي، ثمّ عودته إلى سطح الأرض مجدّداً، وهكذا دواليك، وتُعدّ 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.
لا توجد نقطة انطلاقٍ محددة لدورة الماء، ولكن يُمكن شرحها بدءاً من المحيطات، لاحتوائها على النسبة الأكبر من الماء على الأرض، حيث تُسخّنها الحرارة المُنبعثة من الشمس فيتبخّر الماء ويصعد إلى طبقات الجوّ العليا يُرافقه ماء النتح المُنبعث من التربة والنباتات، بالإضافة إلى بخار الماء الناتج عن تسامي الجليد والثلج، وتؤدّي درجات الحرارة المنخفضة في الطبقات العليا من الغلاف الجوي إلى تكاثف البخار وتكوين السحب، ثمّ تتحرّك هذه السحب وتتصادم جزيئاتها ويكبُر حجمها لتعود مجدداً إلى سطح الأرض على شكل هطول أمطار وثلوج.
يتّجه معظم الهطول المطريّ إلى المحيطات أو اليابسة نتيجةً لقوة الجاذبية الأرضية، فتتشكّل جريانات سطحية ينتهي بها الأمر في الأنهار التي تتدفّق مياهها نحو المحيطات لتبدأ دورة الماء مجدّداً، ولا يُشترط عودة كلّ الماء إلى المحيطات، إذ يتحوّل بعض الماء إلى برك عذبة، بينما يتسرّب بعضه مُشكّلاً المياه الجوفيّة التي قد تبقى تحت سطح الأرض لفترات طويلة، أو قد تصعد مجدّداً إلى سطح الأرض عبر الينابيع.
أبرز خصائص الماء
للماء العديد من الخصائص التي تُميّزه عن بقيّة المواد، ومنها ما يأتي:
- خاصية التماسك: (بالإنجليزية: Cohesion)؛ يعود سبب هذه الخاصّية إلى قطبية الجزيئات، حيث تنجذب الجزيئات إلى بعضها البعض، ويشكّل كلّ جزيء روابط هيدروجينية مع الجزيء الأقرب إليه، وبفضل هذه الخاصّية لا يتبخّر الماء عند درجات الحرارة العادية، كما ينشأ التوتر السطحي للماء الذي يُمكّنه من الظهور على شكل قطرات على الأسطح.
- خاصية التلاصق: (بالإنجليزية: Adhesion)؛ ويعني قدرة الماء على جذب جزيئات مواد أخرى قادرة على تكوين روابط هيدروجينية معه، ويُسبّب كلّ من التماسك والتلاصق الخاصيّة الشعرية للماء والتي تجعله قادراً على الارتفاع من الأسفل إلى الأعلى عكس اتجاه الجاذبية الأرضية؛ كارتفاع الماء في سيقان النباتات أو في الأنابيب الزجاجية الضيّقة.
- القطبية: (بالإنجليزية: Polarity)؛ تعني القطبيّة أنّ البنية الجزيئية للماء منحنية وثنائية القطب، حيث تتكوّن من ذرة أكسجين موجبة في المنتصف، وزوج من ذرات الهيدروجين السالبة على جانبيها.
- التذبذب: (بالإنجليزية: Amphoteric)؛ يُعدّ الماء مركّباً متذبذباً، أي أنّه يتفاعل كحمض أو كقاعدة وفقاً للمادة التي يتفاعل معها.
- الكثافة: (بالإنجليزية: Density)؛ على عكس معظم المواد، تُعدّ كثافة الماء في حالته الصلبة أقلّ منها في حالته السائلة، ويعود ذلك للروابط الهيدروجينيّة بين جزيئاته، وتُلاحظ هذه الخاصية في طفو الجليد على سطح البحيرات والأنهار.
- حرارة انصهار عالية: (بالإنجليزية: High Specific Enthalpy of Fusion)؛ 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 مئويّة.
- الحرارة النوعيّة العالية: (بالإنجليزية: High Specific Heat)؛ والتي تصل إلى حوالي 40.65 كيلوجول/مول، ويعني ذلك أنّ الماء يحتاج إلى كمية حرارية عالية لتتكسّر الروابط الهيدروجينية بين جزيئاته ويتبخّر، ويُستفاد من ذلك في مقاومة التغيّرات المُفرطة في درجات الحرارة، حيث يُضيف ذلك تأثيراً بارداً لتبخّره، ويؤثّر إيجاباً على الطقس وبقاء الكائنات الحية، ومثال ذلك دور التعرّق في تبريد الجسم.
- السعة الحرارية العالية: (بالإنجليزية: High Specific Heat Capacity)؛ أيّ أنّ قدرة الماء على تخزين الحرارة ومقاومة تغيّراتها مرتفعة، نتيجةً لقوة الروابط الهيدروجينية بين جزيئاته، ويُساهم ذلك في الحدّ من التقلّبات المناخية، والجدير بالذكر أنّ الماء يملك ثاني أعلى سعة حرارية من بين جميع المواد الأخرى.
