فهم المياه Hydrology يتناول المياه وتوزيعها فوق الأرض وصفاتها وخصائصها الطبيعية والكيميائية وتفاعلها مع البيئة والكائنات الحية .وقدأعربت الأمم المتحدة حتى العقد ما بين سنتي 2005 – 2015 هوعقد الماء لأجل الحياة "Water for Life" . وأشار تقرير للأمم المتحدة إذا خُمس سكان كوكب الأرض يفتقدون المياه الصالحة للشرب بسبب سوء إدارة الموارد حبث يعيش فقراء العالم على أقل من جالونين ونصف من المياه في اليوم وهوما يعادل واحد من ثلاثين من الاستهلاك اليومي للدول الغنية. لأن 70 % من سطح الأرض ماء و97,5% منها مياه مالحة في المحيطات والبحار و1% مياه عذبة في الأنهار والبحيرات وباطن الأرض صالحة للاستخدام الآدمي و68,9 % من المياه العذبة فوق كوكبنا في شكل جليد . وجميع الحضارات القديمة قد نشأت حول ضفاف الأنهار بالقرب من مصادر المياه كما في الفرات بالعراق والنيل بمصر . وحاليا أصبحت معضلة المياه تتصدر هموم سكان العالم . فنجد أكثر من خمس سكانه يعانون من أزمة توفر المياه العذبة والنقية. مما سيجعل الصراع القادم في العالم حول السيطرة على مصادر المياه . و19% من الكهرباء في العالم من قوة المياه hydro- power .

الماء

الماء اسم يطلق علي الحالة السائلة لمركب الهيدروجين والأكسجين . وكان الفلاسفة الأقدمون يعتبرون الماء كعنصر اساسي لكل المواد السائلة وظل هذا الإعتقاد سائدا حتي القرن 18 . ففي عام 1781 استطاع العالم الكيميائي البريطاني هنري كافنديش Henry Cavendish تخليق االماء بحرق الهدروجين في الهواء محدثا فرقعة ولم يكن كنمه هذه التجربة معروفا حتي أتي الكيماوي الفرنسي أنطوان لافوازييه Antoine Lavoisier وأثبت حتى الماء ليس عنصرا بل مركبا من الهيدروجين والأكسجين ثم أكتشف لعالمان الفرنسي جوزيف لويس والألماني الكسندر فون همبولد ت حتى الماء يتكون من حجمين من الهيدروجين وحجم من الأكسجين كما هما في الهجريبة يد2 ا(H2O) السائدة حاليا. أي حتى الماء يتكون من "جزيئات". ويحتوي جميع جزئ على ثلاثة ذرات تعبير عن 2 ذرة هيدروجين وذرة أكسجين .وقطرة الماء الواحدة تحتوي على الملايين من هذه الجزيئات وكل الهيدروجين في الماء وزنه الجزييْْء 1 .

لقد عثر بالماء نسبة متدنية جدا من الماء الثقيل heavy water أوما يسمي ب (اكسيد الديتيريم deuterium oxide (D2O) والديتريم هوهونظير الهيدروجين الذي وزنه الجزييء 2 . كما به آثار قليلة من أكسيد التريتيم tritium oxide (T2O)والتريتيم نظير للهيدروجين وزنه الجزييء 3. فالهيدروجين، هوأخف عناصر الكون، وأكثرها وجوداً به، حيث تصل نسبته إلى أكثر من 90%، وهوغاز قابل للاشتعال. والأكسجين غاز نشط يساعد على الاشتعال . ويُكَوِّن حوالي 20% من الهواء الجوى، وهوضروري لتنفس الكائنات الحية، ويدخل في الهجريب العضوي لجميع الأحياء، مع الهيدروجين والكربون. وعلى الرغم من حتى الهيدروجين غاز مشتعل، والأكسجين غاز يساعد على الاشتعال، إلاّ أنه عند اتحاد ذرتي هيدروجين مع ذرة أكسجين، ينتج الماء الذي يطفئ النار. ورغم حتى الماء مكون من ذرات اكسجين إلا أنه ليس الأكسجين الذي تحتاجه الكائنات المائية الحية كالسمك والنباتات البحرية . لأنها تعيش علي الأكسجين الذائب كغاز في الماء. والمياه الجارية في الأنهار والمحيطات والمجاري المائية بها نسبة أعلي من الأكسجين عما في المياه الراكدة بالبرك والمستنقعات التي تعيض بها أحياء مائية تستهلك الاكسجين بها .

وليس سليما حتى مياه الأمطار هي أنقي أنواع المياه العذبة. قهي تحتوي علي مغادن مذابة من الرياع الملوثة وجسيمات من التراب وغازات مذابة كثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت كما في الأمطار الحمضية acid rain . والجليد أثناء تكوينه يمتص من الجوغاز ثاني أكسيد الكربون وغيره من الغازات الموجودة به ومواد عضوية وغير عضوية . والمياه في انسيابها فوق قشرة الأرض تتفاعل مع المعادن في التربة والصخوروتذوب بالمياه السطحية والجوفية كبريتات وكلوريدات وبيكربونات الصوديوم والبوتاسيوم واكاسيد الكالسيوم والماغنيسيوم . والمياه السطحية قد تتلوث بمياه المجاري والنفايات الصناعية . وقد تتسرب مياه النفايات والمجاري للمياه الجوفية أوالآبار الضحلة بما فيها فضلات الإنسان والحيوانات مكونة موادا نيتروجينية وكلوريداتية . ومعظم المياه الطبيعية للشرب من الآبار العميقة بها مادة الفلوريد بكميات متفاوتة والتي تقلل تسوس الأسنان . ومياه البحار والمحيطات يهجرز بها ملح الطعام(كلوريد الصوديوم ).

السحب المطيرة

يلعب الماء دورا كبيرا في ظاهرة البرق lightning والرعد. لأن البرق سببه تفريغ كهربائي مرئي بين سحب مطيرة أوبين سحابة مطيرة والأرض محدثا صوتا مدويا هوالرعد thunder. ويعتقد فهماء الأرصاد الجوية حتى الجليد عامل ضروري في ظاهرة البرق التي لاتحدث إلا عندما يتكون الجليد في الطبقات العليا من السحب الرعدية thunderclouds . حيث بينت التجارب حتى الماء عندما يتجمد يصبح الجليد سالب الشحنة كهربائيا والماء موجب الشحنة .لهذ1 توزع الشحنة في سحابة مطيرة كشحنات موجبة في منطقة أولى من السحابة وشحنات سالبة في منطقة أخرى وتسمى البنية الكهربائية للسحابة أنها (ثنائية القطب) (Dipole) ويحدث يومياً في مختلف أراتى العالم حوالي 44000 عاصفة رعدية و8000000 وميض برقي. .

التفريغ الكهربائي البرقي هوانتنطق الشحنة الكهربائية الموجبة أوالسالبة من منطقة في السحابة إلى منطقة أخرى أوبين السحابة والأرض . وتحدث السحب الرعدية المعتدلة بضع ومضات في الدقيقة وتنتج قدرة طاقية تساوي بضع مئات من الميجاواطات, وهي قدرة محطة نووية صغيرة لتوليد الطاقة الكهربائية. فالطاقة الكهربائية بالسحابة تستمد في البداية من الحرارة التي تسبب تمدد بخار الماء فيصير أقل كثافة من الهواء المحيط به, ولذلك يصعد, وأثناء صعوده يتكاثف أويتجمد فتنطلق الحرارة الكامنة (Latent Heat) ويبدأ حينئذ الماء السائل أوالجليد بالسقوط .وفي لحظة التفريغ البرقي تنقص القوى الكهربائية فجأة, وتزداد سرعة هبوط المطر على نحوملحوظ.

دورة الماء

فوق الأرض نجد حتى دورة الماء the water cycle تبين حتى الماء فوق الأرض في حركة دائمة منذ بلايين السنين مابين سائل أوبخار أومادة صلبة . فالأرض لاتصلح للحياة بدون الماء . ودورة المياه ليس لها نقطة بداية وتسيرها الشمس . فنجدها تسخن مياه المحيطات حيث توجد معظم مياه الدنيا . فيتبخر بعضها بالهواء . كما نجد ان الجليد والثلج يمكن حتى يتساميا sublimateمباشرة ويتحولان من الحالة الصلبة لبخار ماء مباشرة . فنجد التيارات الهوائية ترقع البخار بالجومع ما ينتحه النبات اوما يتبخر من التربة من بخار ماء حيث يبرد بطبقات الجوالعليا متكثفا ومكونا سحبا تسيرها الرياح حول الأرض لتنزل علي الأرض كمطر أوجليد مكونة القلنسوة الجليدية التي تحتفظ بالمياه المتجمدة لآلاف السنين .

قد ينصهر الجليد في المناخ الدافيء متحولا لماء دافق فوق الأرض كمجاري وأنهار أوتبتلعه التربة كمياه جوفية أو يصب في المحيطات والبحيرات ليعود لسيرته الأولي في عملية تدويرية منتظمة ومنظمة بحرارة الشمس . ويتميز بخار الماء بالتكثيف من الجوالدافيء لولامس سطحا باردا . وهذا ما نلاحظه حول كوب ماء مثلج حيث يتكون عليه من الخارج قطرات الماء . ولوتصاعد الهواء لطبقات الجوالعليا الباردة تكثف ما به من بخار ماء وتكونت قطرات تتجمع معا مكونة السحب . وهذا ما نلاحظه في الجوالبارد عندما نتنفس . فنري هواء الزفير الدافيء يخرج ليصطدم بالهواء البارد فيتكثف ما به من بخار مكونا سحابة . فمصادر المياه في الطبيعة هي الأمطار ومياه البحار والبحيرات حيث المياه سطحية ومياه الآبار والينابيع حيث المياه جوفية. فماء المحيطات والبحار يصعد إلى الهواء، عن طريق عملية التبخر (Evaporation)، حيث يُكوِّن السحاب، الذي تدفعه الرياح إلى مناطق مختلفة . ويتكثف ويهطل أمطاراً على الأرض . ثم يرجع إلى المحيطات مرة أخرى .

هناك كمية قليلة من السحاب، الذي يتكّون من خلال عملية البخر من الرطوبة، الموجودة في سطح التربة وعملية النتح (Transpiration) من أوراق النبات .ثم يتكثف هذا السحاب، ليسقط أمطاراً على الأرض. وتسقط 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 المحيط. وهذه الدورة الدائمة لمياه الأرض، تُسمى دورة الماء (Water Cycle)، أو(Hydrologic Cycle). .ونتيجة لهذه الدورة، فإن كمية الماء العذب الموجودة على سطح الأرض، هي الكمية نفسها منذ قديم الأزل . وهذه الكمية يعاد تدويرها مرة بعد مرة

صفات الماء

الماء النقي سائل شفاف عديم اللون لا رائحة له، يستوي في ذلك الماء المالح والماء العذب. إلاّ حتى الماء العذب عديم الطعم ، بينما الماء المالح له طعم مالحا؛ نتيجة ذوبان أملاح به. والماء له زرقة خفيفة تتدرج حسب عمق المياه في البحار والمحيطات والمياه النقية تغلي عند درجة 100 مئوية والصفر المئوي في مستوي سطح البحر حبثقد يكون الضغط الجوي العادي 76سم زئبقي . أما فوق المرتفعات حيث يقل الضغط الجوي نجد حتى الماء يغلي عند درجة أقل من 100 درجة مئوية . وهذا ما يجعل بيضة مسلوقة تأخذ وقتا حتي تسوي فوق جبل, ولوأذيبت مادة في الماء ، فإن درجة التجمد تنخفض. ولهذا يرش الملح أثناء فصل الشتاء فوق الشوارع لمنع تكون الجليد . عسر الماء الطبيعي Hardness of natural waterسببه أملاح الكالسيوم والماغنسيوم . ولوكان العسر للمياه سببه بيكربونات وكربونات الكالسيوم والماغنيبوم فيعتبر عسرا مؤقتا temporary hardnessويمكن ازالته بالغليان .

أما عسر المياه الدائم فيمكن ازالته بطرق كيماوية . والماء كأي سائل يأخذ شكل الإِناء الذي يوضع فيه. ويمكن تحويله إلى الحالة الغازية عندما يتبخر بتأثير الحرارة، كـما بمكن تحويله إلى حالة صلبة عندما يصبح ثلجا عند درجة الصفر المئوي. ويرتبط الهيدروجين الموجب الشحنة الكهربائية بالأكسجين السالب الشحنة الكهربائية داخل جزيء الماء، برابطة تساهمية (Covalent Bond) تشهجر فيها جميع ذرة بجزء منها مع ذرة أخرى، لتكون جزيئاً قوياً للغاية يصعب تحلله .وجميع جزيء ماء يتجاذب بالجزيئات المجاورة له، من خلال تجاذب كهربي بشكل يشبه قطبي المغناطيس. فطرف ذرة الأكسجين يمثل شحنة سالبة، وطرفا ذرتي الهيدروجين يمثلان شحنة موجبة. ونتيجة لهذا الاختلاف في الشحنات الكهربية، تتجاذب جميع ذرة هيدروجين في جزئ الماء، مع ذرة أكسجين في الجزيء المجاور، بنوع من التجاذب الكهربي، يطلق عليه "الروابط الهيدروجينية" (Hydrogen Bond) وتُعد الروابط التساهمية والهيدروجينية بين جزيئات الماء، مسؤولة عن الخواص الفريدة للماء. لأن الجزيئات في حركة دائمة . فسرعة حركة هذه الجزيئات تولد الحالة التيقد يكون عليها الماء سواء أكانت غازية (بخار) أوسائلة (ماء) أوصلبة (جليد). وجميع جزيئات الماء تجذب بعضها البعض وهذا ما جعلها تتجمع معا وهذا ما يجعل نقطة الماء كروية الشكل . والماء النقي ليس حامضيا ولا قلويا بل متعادل(7pH) ويذيب معظم المواد ولاسيما في التربة أوفي 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 الجليد. حقيقة المواد تنكمش بالبرودة، .والماء حينما يبرد، ينكمش أيضا حتى يصل إلى أربعة درجات مئوية، ثم يبدأ بعدها في التمدد بزيادة انخفاض درجة الحرارة. فالماء عندما يتجمد يتمدد في الحجم وتقل كثافته، ويطفوكقشرة من الجليد فوق سطح الماء. ولولا 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 منخفضة. فتتجمد جميع طبقات الماء، في مياه المناطق القطبية، أوالمتجمدة بسبب شدة البرودة . ويستحيل معها الحياة . لكن الحقيقة نجدها مع انخفاض درجة حرارة الجو، تتجمد طبقات الماء العليا فقط، وتقل كثافتها وتتمدد، فتطفوعلى سطح الماء، وتعزل بقية الماء تحتها، عن برودة الجو، فيبقى الماء سائلاً ويسمح باستمرار الحياة. والماء فوق الأرض ينظم حرارتها

الخاصية الشعرية

يتميز الماء بالخاصية الشعرية Capillary action التي لها أهميتها حيث ينتقل الماء والمواد المذابة فيه خلال فراغات المواد المسامية بعمل قوة الشد السطحي surface tension والتصاق وتماسك الماء . فلووضعت ورقة تواليت (نشاف ) في كوب ماء . فلإنها مسامية يفترض أن تتبلل من أسفل لأعلي . وهذه الخاصية الشعرية نجدها في جذور النباتات حيث يمتص الماء من التربة مذابا فيه المواد المغذية ، لينتقل بعملها من اسفل لأعلي ضد الجاذبية ويظل يرؤتفع حتي تتغلب الجاذبية عليه وتوقف صعوده . ولنتصور هذا لووضعنا أنبوبة شعرية زجاجية في كوب ماء سنجد حتى مستوي الماء بها أعلي من مستوي الماء في الكوب . والشد السطحي للماءخاصية ثانية تمكن بعض الحشرات المائية بالسيرأوالإنزلاق فوق سطحه والماء له خاصية شد سطحي أعلي من السوائل العادية ولايفوقه سوي الزئبق mercury في هذه الخاصية . لهذا تكون قطرات الماء متماسكة . وهذا الشد يفيد في الخاصية الشعرية في النباتات لتغذينها .

المياه المعدنية

مياه الينابيع الحارة المعدنية وقدرتها علي الشفاء كانت معروفة لدي الاغريق في معالجة الامراض الجلدية حيث تستعمل في معالجة الكثير من الامراض الجلدية كالصدفية والاكزيما وبعض انواع الحساسية وامراض المفاصل والجهاز التنفسي والجهاز العصبي وامراض الكلي والكبد . والمياه المعدنية هجريبها الكيميائي ثابت عكس مياه العيون . وتحتوي علي نسبة عالية من المعادن المذابة بطريقة طبيعية وعلي كافة الايونات والعناصر الضرورية لادامة نمووحماية الجسم . والمياه المعدنية تخرج من تحت سطح الارض في شكل عيون مائية حارة Geysers او آبار لاستخراج المياه الجوفية groudwater. والمياه المعدنية لها طعم خاص حلوعذب أومر أومالح خفيف .كما ان المياه المعدنية آمنة من البكتيريا ولا بحاجة الي اية معالجات كيميائية لتعقيمها .

فالآبار التي تقع مخازن المياه الجوفية فيها علي عمق (30 ــ 50 متراً تحت سطح الارض) من نوع مياه الابار الصالحة للشرب. والآبار التي مخازن المياه الجوفية علي عمق (120 متراً فاكثر) تكون من نوع المياه المعدنية التي ترتبط بصخور حجر الكلس(الجير LIMESTONE ) والدولومايت DOLOMITE لحقبة الميزوزوي والباليوزوي. وترتبط 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 والحديثة . عكس مياه العيون التي ترتبط بالانواع المتنوعة من الصخور حيث تختلف الصفات الفيزيائية والكيميائية لها بين مسقط واخر. حدثا تغيرت نوعية الطبقات أوالترسبات الحاملة لها. كما تتغير كمية تدفق المياه فيها لاسيما في الفترات التي تتساقط فيها الامطار والثلوج بكميات قليلة اوحين يقع الجفاف ويستمر لفترات قد تستغرق سنوات هذا كله يؤثر بشكل كبير علي مياه العيون . عكس 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 الإنسان . لأن له وظائف متعددة بالجسم . حيث الماء أبرز مكونات الكائن الحي فنجد حتى من 50 –90% من وزن الكائن الحي ماء. والبروتوبلازم هوالمادة الأساسية في الخلايا الحية . وتتكون من محلول دهون وبروتينات وكربوهيدرات واملاح ذائبة في ماء .والدم في الحيوانات والعصير في النباتات يتكونان من الماء ويعملان علي انتنطق الغذاء والتخلص من النفايات . كما يلعب الماء دورا أساسيا في تكسير جزيئات الكربوهيدرات والبروتينات . وهذه العملية مستمرة في الخلايا الحية . والماء يساعد في خلط الطعام ومروره بسهولة من الفم إلى المعدة . كما يجعل الطعام المهضوم في الجهاز الهضمي مواداً مائعة قابلة للامتصاص. مع تقليل صلابة البراز وتليينه. ليساعد الجهاز الإخراجي في طرد السموم من الجسم على هيئة بول عن طريق الكليتين. كما يجعل انسجة الجسم مرنة ليمكنّها أداء وظيفتها. ويعوّض الجسم عما يفقده من ماء أثناء عملية التنفس والعرق والبول. والـدم يحتوي على 90 % من وزنـه ماء، والماء يجله سائلا حيث يصل إلى جميع أجزاء الجسم حاملا له الغذاء والأكسجين . والبلازما التي تشكل 55% من الدم بالإنسان تتكون من 90% ماء. والإنسان يحتاج إلي 2-3 لنر ماء يوميا . ويمكن له حتى يعيش شهرا بلا طعام لكنه لايعيش أكثر من إسبوع بدون ماء

المصادر

• كتاب منظومة الحباة لأحمد محمد عوف