علوم المياه

علوم المياه

علم المياه أو الهيدرولوجيا هي دراسة المياه وتوزيعها فوق الأرض وصفاتها وخصائصها الطبيعية والكيميائية وتفاعلها مع البيئة والكائنات الحية.

أعلنت الأمم المتحدة أن العقد 2005 – 2015 هو عقد  الماء لأجل الحياة وأشار تقرير للأمم المتحدة إن خُمس سكان كوكب الأرض يفتقدون المياه الصالحة للشرب بسبب سوء إدارة الموارد حيث يعيش فقراء العالم على أقل من جالونين ونصف من المياه في اليوم وهو ما يعادل واحد من ثلاثين من الاستهلاك اليومي للدول الغنيةلأن 70 %من سطح الأرض ماء و97,5% منها مياه مالحة في المحيطات والبحار و 1% مياه عذبة في الأنهار والبحيرات وباطن الأرض صالحة للاستخدام الآدمي و68,9 % من المياه العذبة فوق الكوكب في شكل جليدوجميع الحضارات القديمة قد نشأت حول ضفاف الأنهار بالقرب من مصادر المياه كما في الفرات بالعراق والنيل بمصروحاليا أصبحت مشكلة المياه تتصدر هموم سكان العالمفنجد أكثر من خمس سكانه يعانون من أزمة توفر المياه العذبة

والنقيةمما سيجعل الصراع القادم في العالم حول السيطرة على مصادر المياهو19% من الكهرباء في العالم من الطاقة المائية.

 

الماء اسم يطلق على الحالة السائلة لمركب الهيدروجين والأكسجينوكان الفلاسفة الأقدمون يعتبرون الماء كعنصر أساسي لكل المواد السائلة وظل هذا الاعتقاد سائدا حتى القرن 18. ففي عام 1781 استطاع العالم الكيميائي البريطاني هنري كافنديش تخليق الماء بحرق الهدروجين في الهواء محدثا فرقعة ولم يكن كنمه هذه التجربة معروفا حتى أتى الكيماوي الفرنسي أنطوان لافوازييه وأثبت أن الماء ليس عنصرا بل مركبا من الهيدروجين والأكسجين ثم اكتشف العالمان الفرنسي جوزيف لويس والألماني الكسندر فون همبولدت أن الماء يتكون من حجمين من

الماء اسم يطلق على الحالة السائلة لمركب الهيدروجين والأكسجينوكان الفلاسفة الأقدمون يعتبرون الماء كعنصر أساسي لكل المواد السائلة وظل هذا الاعتقاد سائدا حتى القرن 18. ففي عام 1781 استطاع العالم الكيميائي البريطاني هنري كافنديش تخليق الماء بحرق الهدروجين في الهواء محدثا فرقعة ولم يكن كنمه هذه التجربة معروفا حتى أتى الكيماوي الفرنسي أنطوان لافوازييه وأثبت أن الماء ليس عنصرا بل مركبا من الهيدروجين والأكسجين ثم اكتشف العالمان الفرنسي جوزيف لويس والألماني الكسندر فون همبولدت أن الماء يتكون من حجمين من الهيدروجين وحجم من الأكسجين كما هما في التركيبة (H2Oالسائدة حالياأي أن الماء يتكون من «جزيئات»ويحتوي كل جزئ على ثلاثة ذرات عبارة عن 2 ذرة هيدروجين وذرة أكسجين.وقطرة الماء الواحدة تحتوي على الملايين من هذه الجزيئات وكل الهيدروجين في الماء وزنه الجزيئي 1.

لقد وجد بالماء نسبة متدنية جدا من الماء الثقيل أو ما يسمي بـ«أكسيد الدوتيريوم» (D2Oوالديتريم هو نظير الهيدروجين ذو وزن جزيئي 2. كما به آثار قليلة من أكسيد التريتيوم (T2Oوالتريتيم نظير للهيدروجين وزنه الجزيئي 3. فالهيدروجين، هو أخف عناصر الكون، وأكثرها وجوداً به، حيث تصل نسبته إلى أكثر من 90%، وهو غاز قابل للاشتعالوالأكسجين غاز نشط يساعد على الاشتعالويُكَوِّن حوالي 20% من الهواء الجوى، وهو ضروري لتنفس الكائنات الحية، ويدخل في التركيب العضوي لجميع الأحياء، مع الهيدروجين والكربونوعلى الرغم من أن الهيدروجين غاز مشتعل، والأكسجين غاز يساعد على الاشتعال، إلاّ أنه عند اتحاد ذرتي هيدروجين مع ذرة أكسجين، ينتج الماء الذي يطفئ النارورغم أن الماء مكون من ذرات أكسجين إلا أنه ليس الأكسجين الذي تحتاجه الكائنات المائية الحية كالسمك والنباتات البحريةلأنها تعيش على الأكسجين الذائب كغاز في الماءوالمياه الجارية في الأنهار والمحيطات والمجاري المائية بها نسبة أعلى من الأكسجين عما في المياه الراكدة بالبرك والمستنقعات التي تعيش بها أحياء مائية تستهلك الأكسجين بها.

ليس صحيحا أن مياه الأمطار هي أنقى أنواع المياه العذبةفهي تحتوي على معادن مذابة من الرياح الملوثة وجسيمات من التراب وغازات مذابة كثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت كما في الأمطار الحمضيةوالجليد أثناء تكوينه يمتص من الجو غاز ثاني أكسيد الكربون وغيره من الغازات الموجودة به ومواد عضوية وغير عضويةوالمياه في انسيابها فوق قشرة الأرض تتفاعل مع المعادن في التربة والصخور وتذوب بالمياه السطحية والجوفية كبريتات وكلوريدات وبيكربونات الصوديوم

والبوتاسيوم واكاسيد الكالسيوم والماغنيسيوموالمياه السطحية قد تتلوث بمياه المجاري والنفايات الصناعيةوقد تتسرب مياه النفايات والمجاري للمياه الجوفية أو الآبار الضحلة بما فيها فضلات الإنسان والحيوانات مكونة موادا نيتروجينية وكلوريداتيةومعظم المياه الطبيعية للشرب من الآبار العميقة بها مادة الفلوريد بكميات متفاوتة والتي تقلل تسوس الأسنانومياه البحار والمحيطات يتركز بها ملح الطعام (كلوريد الصوديوم).

السحب المطيرة يلعب المياه دورا كبيرا في ظاهرة البرق والرعدلأن البرق سببه تفريغ كهربائي مرئي بين سحب مطيرة أو بين سحابة مطيرة

والأرض محدثا صوتا مدويا هو الرعدويعتقد علماء الأرصاد الجوية أن الجليد عامل ضروري في ظاهرة البرق التي لاتحدث إلا عندما يتكون الجليد في الطبقات العليا من السحب الرعديةحيث بينت التجارب أن الماء عندما يتجمد يصبح الجليد سالب الشحنة كهربائيا والماء موجب الشحنة.لهذتوزع الشحنة في سحابة مطيرة كشحنات موجبة في منطقة أولى من السحابة وشحنات سالبة في منطقة أخرى وتسمى البنية الكهربائية للسحابة أنها ثنائية القطب ويحدث يومياً في مختلف أرجاء العالم حوالي 44ألف عاصفة رعدية و 8مليون وميض برقي.

التفريغ الكهربائي البرقي هو انتقال الشحنة الكهربائية الموجبة أو السالبة من منطقة في السحابة إلى منطقة أخرى أو بين السحابة والأرضوتحدث السحب الرعدية المعتدلة بضع ومضات في الدقيقة وتنتج قدرة طاقية تساوي بضع مئات من الميجاواطاتوهي قدرة محطة نووية صغيرة لتوليد الطاقة الكهربائيةفالطاقة الكهربائية بالسحابة تستمد في البداية من الحرارة التي تسبب تمدد بخار الماء فيصير أقل كثافة من الهواء المحيط بهولذلك يصعدوأثناء صعوده يتكاثف أو يتجمد فتنطلق الحرارة الكامنة ويبدأ حينئذ الماء السائل أو الجليد بالسقوط.وفي لحظة التفريغ البرقي تنقص القوى الكهربائية فجأةوتزداد سرعة هبوط المطر على

نحو ملحوظ.

دورة الماء

رسم تخطيطي لدورة المياة

فوق الأرض نجد أن دورة الماء تبين أن الماء فوق الأرض في حركة دائمة منذ بلايين السنين ما بين سائل أو بخار أو مادة صلبةفالأرض لاتصلح للحياة بدون الماءودورة المياه ليس لها نقطة بداية وتسيرها الشمسفنجدها تسخن مياه المحيطات حيث توجد معظم مياه الدنيافيتبخر بعضها بالهواءكما نجد ان الجليد والثلج يمكن أن يتساميا مباشرة ويتحولان من الحالة الصلبة لبخار ماء مباشرةفنجد التيارات الهوائية ترقع البخار بالجو مع ما ينتحه النبات أو ما يتبخر من التربة من بخار ماء حيث يبرد بطبقات الجو العليا متكثفا ومكونا سحبا تسيرها الرياح حول الأرض لتنزل علي الأرض كمطر أو جليد مكونة القلنسوة الجليدية التي تحتفظ بالمياه متجده الاف السينين 

قد ينصهر الجليد في المناخ الدافيء متحولا لماء دافق فوق الأرض كمجاري وأنهار أو تبتلعه التربة كمياه جوفية أو يصب في المحيطات والبحيرات ليعود لسيرته الأولي في عملية تدويرية منتظمة ومنظمة بحرارة الشمسويتميز بخار الماء بالتكثيف من الجو الدافيء لو لامس سطحا بارداوهذا ما نلاحظه حول كوب ماء مثلج حيث يتكون عليه من الخارج قطرات الماءولو تصاعد الهواء لطبقات الجو العليا الباردة تكثف ما به من بخار ماء وتكونت قطرات تتجمع معا مكونة السحبوهذا ما نلاحظه في الجو البارد عندما نتنفسفنري هواء الزفير الدافيء يخرج ليصطدم بالهواء البارد فيتكثف ما به من بخار مكونا سحابةفمصادر المياه في الطبيعة هي الأمطار ومياه البحار والبحيرات حيث المياه سطحية ومياه الآبار والينابيع حيث المياه جوفيةفماء المحيطات والبحار يصعد إلى الهواء، عن طريق عملية التبخر، حيث يُكوِّن السحاب، الذي تدفعه الرياح إلى مناطق مختلفةويتكثف ويهطل أمطاراً على الأرضثم يرجع إلى المحيطات مرة أخرى.

هناك كمية قليلة من السحاب، الذي يتكّون من خلال عملية البخر من الرطوبة، الموجودة في سطح التربة وعملية النتح من أوراق النبات.ثم يتكثف هذا السحاب، ليسقط أمطاراً على الأرضوتسقط معظم هذه الأمطار، مرة أخرى، في المحيطات والبحار، ويتبقى جزء قليل يسقط على اليابسة..ثم تبدأ دورة جديدة للمياه من المحيطات، إلى الهواء، إلى الأرض، ثم إلى المحيطوهذه الدورة الدائمة لمياه الأرض، تُسمى دورة الماءونتيجة لهذه الدورة، فإن كمية الماء العذب الموجودة على سطح الأرض، هي الكمية نفسها منذ قديم الأزلوهذه الكمية يعاد تدويرها مرة بعد مرة

صفات الماء

الماء النقي سائل شفاف عديم اللون لا رائحة له، يستوي في ذلك الماء المالح والماء العذبإلاّ أن الماء العذب عديم الطعم، بينما الماء المالح له طعم مالحا؛ نتيجة ذوبان أملاح بهوالماء له زرقة خفيفة تتدرج حسب عمق المياه في البحار والمحيطات والمياه النقية تغلي عند درجة 100 مئوية والصفر المئوي في مستوي سطح البحر حبث يكون الضغط الجوي العادي 76سم زئبقيأما فوق المرتفعات حيث يقل الضغط الجوي نجد أن الماء يغلي عند درجة أقل من 100 درجة مئويةوهذا ما يجعل بيضة مسلوقة تأخذ وقتا حتي تسوي فوق جبلولو أذيبت مادة في الماء، فإن درجة التجمد تنخفضولهذا يرش الملح أثناء فصل الشتاء فوق الشوارع لمنع تكون الجليدعسر الماء الطبيعي سببه أملاح الكالسيوم والماغنسيومولوكان العسر للمياه سببه بيكربونات وكربونات الكالسيوم والماغنيبوم فيعتبر عسرا مؤقتا ويمكن ازالته بالغليان.

أما عسر المياه الدائم فيمكن ازالته بطرق كيماويةوالماء كأي سائل يأخذ شكل الإِناء الذي يوضع فيهويمكن تحويله إلى الحالة الغازية عندما يتبخر بتأثير الحرارة، كـما بمكن تحويله إلى حالة صلبة عندما يصبح ثلجا عند درجة الصفر المئويويرتبط الهيدروجين الموجب الشحنة الكهربائية بالأكسجين السالب الشحنة الكهربائية داخل جزيء الماء، برابطة تساهمية تشترك فيها كل ذرة بجزء منها مع ذرة أخرى، لتكون جزيئاً قوياً للغاية يصعب تحلله.و كل جزيء ماء يتجاذب بالجزيئات المجاورة له، من خلال تجاذب كهربي بشكل يشبه قطبي المغناطيسفطرف ذرة الأكسجين يمثل شحنة سالبة، وطرفا ذرتي الهيدروجين يمثلان شحنة موجبةونتيجة لهذا الاختلاف في الشحنات الكهربية، تتجاذب كل ذرة هيدروجين في جزئ الماء، مع ذرة أكسجين في الجزيء المجاور، بنوع من التجاذب الكهربي، يطلق عليه « رابطة هيدروجينية » وتُعد الروابط التساهمية والهيدروجينية بين جزيئات الماء مسؤولة عن الخواص الفريدة للماءلأن الجزيئات في حركة دائمةفسرعة حركة هذه الجزيئات تولد الحالة

التي يكون عليها الماء سواء أكانت غازية بخار ماء أو سائلة ماء سائل أو صلبة جليدوكل جزيئات الماء تجذب بعضها البعض وهذا ما جعلها تتجمع معا وهذا ما يجعل نقطة الماء كروية الشكلوالماء النقي ليس حامضيا ولا قلويا بل متعادل أس هيدروجيني 7 ويذيب معظم المواد ولاسيما في التربة أو في النبات أوفي أجسامنا.

وعندما تنخفض درجة حرارة الماء إلى درجة الصفر المئوي، تفقد جزيئات الماء طاقتها، وتقل حركتها، ويزيد ترابطها بالروابط الهيدروجينية، بما يزيد من الفراغات بين جزيئات الماء كما في حالة الجليدحقيقة المواد تنكمش بالبرودةوالماء حينما يبرد، ينكمش أيضا حتى يصل إلى 4 درجات مئوية ثم يبدأ بعدها في التمدد بزيادة انخفاض درجة الحرارةفالماء عندما يتجمد يتمدد في الحجم وتقل كثافته، ويطفو كقشرة من الجليد فوق سطح الماءولولا هذه الخاصية الشاذة والعلاقة بين انخفاض الكثافة وانخفاض درجة الحرارة للماء، لازدادت كثافة الثلج

وعندما تنخفض درجة حرارة الماء إلى درجة الصفر المئوي، تفقد جزيئات الماء طاقتها، وتقل حركتها، ويزيد ترابطها بالروابط الهيدروجينية، بما يزيد من الفراغات بين جزيئات الماء كما في حالة الجليدحقيقة المواد تنكمش بالبرودةوالماء حينما يبرد، ينكمش أيضا حتى يصل إلى 4 درجات مئوية ثم يبدأ بعدها في التمدد بزيادة انخفاض درجة الحرارةفالماء عندما يتجمد يتمدد في الحجم وتقل كثافته، ويطفو كقشرة من الجليد فوق سطح الماءولولا هذه الخاصية الشاذة والعلاقة بين انخفاض الكثافة وانخفاض درجة الحرارة للماء، لازدادت كثافة الثلج المتكون على السطح عن بقية الماء، وهبط إلى القاع، معرضاً سطح الماء، الذي تحته، إلى درجة حرارة منخفضةفتتجمد كل طبقات الماء، في مياه المناطق القطبية، أوالمتجمدة بسبب شدة البرودةويستحيل معها الحياةلكن الحقيقة نجدها مع انخفاض درجة حرارة الجو، تتجمد طبقات الماء العليا فقط، وتقل كثافتها وتتمدد فتطفو على سطح الماء، وتعزل بقية الماء تحتها، عن برودة الجو، فيبقى الماء سائلاً ويسمح باستمرار الحياةوالماء فوق الأرض ينظم حرارتها

الخاصية الشعرية

يتميز الماء بالخاصية الشعرية التي لها أهميتها حيث ينتقل الماء والمواد المذابة فيه خلال فراغات المواد المسامية بفعل قوة الشد السطحي والتصاق وتماسك الماءفلو وضعت ورقة تواليت نشاف في كوب ماءفلإنها مسامية سوف تتبلل من أسفل لأعليوهذه الخاصية الشعرية نجدها في جذور النباتات حيث يمتص الماء من التربة مذابا فيه المواد المغذية، لينتقل بفعلها من اسفل لأعلي ضد الجاذبية ويظل يرؤتفع حتي تتغلب الجاذبية عليه وتوقف صعودهولنتصور هذا لو وضعنا أنبوبة شعرية زجاجية في كوب ماء سنجد أن مستوي الماء بها أعلي من مستوي الماء في الكوبوالشد السطحي للماءخاصية ثانية تمكن بعض الحشرات المائية بالسيرأو الانزلاق فوق سطحه والماء له خاصية شد سطحي أعلي من السوائل العادية ولايفوقه سوي الزئبق في هذه.

المياه المعدنية

مياه الينابيع الحارة المعدنية وقدرتها علي الشفاء كانت معروفة لدي الاغريق في معالجة الأمراض الجلدية حيث تستعمل في معالجة الكثير من الأمراض الجلدية كالصدفية والاكزيما وبعض أنواع الحساسية وامراض المفاصل والجهاز التنفسي والجهاز العصبي وامراض الكلي والكبدوالمياه المعدنية تركيبها الكيميائي ثابت عكس مياه العيونوتحتوي علي نسبة عالية من المعادن المذابة بطريقة طبيعية وعلي كافة الايونات والعناصر الضرورية لادامة نمو وحماية الجسموالمياه المعدنية تخرج من تحت سطح الأرض في شكل عيون مائية حارة سخان أو آبار لاستخراج المياه الجوفيةوالمياه المعدنية لها طعم خاص حلو عذب أو مر أومالح خفيف.كما أن المياه المعدنية آمنة من البكتيريا ولا تحتاج الي اية معالجات كيميائية لتعقيمها.

فالآبار التي تقع مخازن المياه الجوفية فيها علي عمق 30 ــ 50 متراً تحت سطح الأرض من نوع مياه الابار الصالحة للشربوالآبار التي مخازن المياه الجوفية علي عمق 120 متراً فاكثر تكون من نوع المياه المعدنية التي ترتبط بصخور الحجر الجيري والدولومايت لحقبة الميزوزوي والباليوزويوترتبط المياه المعدنية الحارة بالصخور النارية والبركانية في المناطق التي تمتاز بنشاط تكتوني علي امتداد الفوالق العميقة بالحدود الفاصلة بين تراكيب وبلوكات جيولوجية كبيرة، وعلي امتداد الاحزمة البركانية القديمة والحديثةعكس مياه العيون التي ترتبط بالأنواع المختلفة من الصخور حيث تختلف الصفات الفيزيائية والكيميائية لها بين موقع واخركلما تغيرت نوعية الطبقات أوالترسبات الحاملة لهاكما تتغير كمية تدفق المياه فيها لاسيما في الفترات التي تتساقط فيها الأمطار والثلوج بكميات قليلة أو حين يقع الجفاف ويستمر لفترات قد تستغرق سنوات هذا كله يؤثر بشكل كبير علي مياه العيونعكس المياه المعدنية التي بها الكالسيوم والماغنيسيوم والفلورايدات والنترات والحديد والبيكربونات والكلوريدات والسلفات  الكبريتات  والسليكات.

الماء في حياتنا

للماء أهمية حيوية لعيش الكائنات الحية بما فيها الإنسانلأن له وظائف متعددة بالجسمحيث الماء أهم مكونات الكائن الحي فنجد أن من 50 –90% من وزن الكائن الحي ماءوالبروتوبلازم هو المادة الأساسية في الخلايا الحيةوتتكون من محلول دهون وبروتينات وكربوهيدرات وأملاح ذائبة في ماء.والدم في الحيوانات والعصير في النباتات يتكونان من الماء ويعملان علي انتقال الغذاء والتخلص من النفاياتكما يلعب الماء دورا أساسيا في تكسير جزيئات الكربوهيدرات والبروتيناتوهذه العملية مستمرة في الخلايا الحيةوالماء يساعد في خلط الطعام ومروره بسهولة من الفم إلى المعدةكما يجعل الطعام المهضوم في الجهاز الهضمي مواداً مائعة قابلة للامتصاصمع تقليل صلابة البراز وتليينهليساعد الجهاز الإخراجي في طرد السموم من الجسم على هيئة بول عن طريق الكليتينكما يجعل انسجة الجسم مرنة ليمكنّها أداء وظيفتهاويعوّض الجسم عما يفقده من ماء أثناء عملية التنفس والعرق والبولوالـدم يحتوي على 90% من وزنـه ماء  والماء يجله سائلا حيث يصل إلى جميع أجزاء الجسم حاملا له الغذاء والأكسجينوالبلازما التي تشكل 55% من الدم بالإنسان تتكون من 90% ماءوالإنسان يحتاج إلي 2-3 لتر ماء يومياويمكن له أن يعيش شهرا بلا طعام لكنه لايعيش أكثر من إسبوع بدون ماء.

اترك تعليقًا

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

Shopping Cart