موضوع مقاله: چرخه آب | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # چرخه آب | مقدمه: در این فرایند، آب در حالت‌های مختلف جامد، مایع، و بخار هیدرو سایکل محیط‌های مختلف را طی می‌کند. | ## بخش 1: چرخه آب | آب از حالت مایع به بخار یا به یخ تبدیل می‌شود و دوباره به حالت اولیه بازمی‌گردد. آب توسط فرآیندهای فیزیکی تبخیر، تراکم یا میعان، بارش، نفوذ، رواناب سطحی و جریان زیرسطحی، از یک منبع به منبع دیگر مثلاً از رودخانه به اقیانوس یا از اقیانوس به اتمسفر حرکت می‌کند. آب زمین همواره در حال جابجایی است و چرخهٔ آب که گاهی چرخهٔ هیدرولوژی نیز نامیده می‌شود.چرخهٔ آب (Farsi) ارتباطات بین اتمسفر (هواکره)، هیدروسفر (آب‌کره) و لیتوسفر (سنگ‌کره) را توضیح می‌دهد. فرایند گردش آب، پیچیده‌تر از شکل‌هایی است که رسم می‌شود؛ زیرا هریک از مؤلفه‌های اصلی مشخص شده در شکل‌های مذکور مسیرهای متفاوت و متنوعی را طی می‌کند. هنگامی که متراکم می‌شود (میعان صورت می‌گیرد)، انرژی آزاد می‌کند و محیط را گرم می‌کند. این امر به همراه فرآیندهایی همچون فرسایش و رسوب‌گذاری، در شکل‌گیری مجدد عوارض زمین‌شناختی، تأثیرگذار است. توصیف خورشید که هدایت‌کنندهٔ چرخهٔ آب است، آب اقیانوس‌ها و دریاها را گرم می‌کند. آب تعریق یافته از گیاهان و تبخیر شده از خاک، به عنوان تبخیر و تعرق، شناخته می‌شود. مولکول آب، H2O، نسبت به اجزای اصلی اتمسفر یعنی نیتروژن و اکسیژن، N2 و O2، وزن مولکولی کمتری دارد و بنابراین چگالی آن کمتر است. با افزایش ارتفاع، فشار هوا کاهش می‌یابد و دما افت می‌کند (برای اطلاعات بیشتر به قوانین گازها مراجعه کنید). دمای پایین‌تر، باعث تراکم و میعان بخار آب (و تبدیل آن) به قطرات ریز آب به صورت مایع می‌شود که نسبت به هوا سنگین‌تر هستند و سقوط می‌کنند، مگر اینکه توسط یک جریان هوای رو به بالا، معلق نگه‌داشته شوند. تجمع تعداد زیادی از این قطرات در یک فضای بزرگ در بالای اتمسفر تحت عنوان ابر قابل رؤیت می‌شود. چرخش‌های جوی بخار آب را در سراسر جهان به حرکت درمی‌آورد؛ قطعات ابر با هم برخورد می‌کنند، بزرگ‌تر می‌شوند و بارش از لایه‌های بالایی جو صورت می‌گیرد. برخی بارش‌ها به صورت برف یا تگرگ و بوران می‌بارند و در کلاهک‌های یخی و یخچال‌های طبیعی تجمع می‌یابند که آب یخ‌زده را برای هزاران سال ذخیره می‌کند. اکثر بارش‌ها به صورت باران به اقیانوس‌ها یا زمین بازمی‌گردند، که تحت عنوان رواناب سطحی، روی زمین جریان می‌یابد. بخشی از رواناب با جریان مستقیم حرکت آب به سوی اقیانوس‌ها در چشم‌انداز دره‌ها وارد رودخانه‌ها می‌شود. رواناب و آبی که از زمین بیرون می‌آید (آب زیرزمینی) ممکن است به عنوان آب شیرین در دریاچه‌ها ذخیره شود. همهٔ رواناب به داخل رودخانه‌ها جریان نمی‌یابد؛ قسمت اعظیم آن از طریق نفوذ به زمین فرومی‌رود. مقداری آب به صورت عمقی به داخل زمین نفوذ می‌کند و آبخوان‌ها که آب شیرین را برای دوره‌های زمانی طولانی ذخیره می‌کنند را تغذیه می‌کند. بخشی از نفوذ آب که نزدیک به سطح زمین است، به پیکره‌های آب سطحی و آب زیرزمینی، رسوخ می‌کند (به درون آب سطحی برگردد). مقداری آب زیرزمینی به سطح زمین راه پیدا می‌کند و به عنوان چشمه‌های آب شیرین بیرون می‌آید. در دره‌های رودخانه‌ای و دشت‌های سیلابی، اغلب تبادل مداوم آب، بین آب سطحی و آب زیرزمینی در ناحیهٔ hyporheic اتفاق می‌افتد. اکثر بارش‌ها به صورت باران رخ می‌دهند اما در برخی مواقع به صورت برف، تگرگ، مه، دانهٔ برف، بوران (تگرگ ریز) در می‌آید. سالانه حدود ۵۰۵٬۰۰۰ کیلومتر مربع آب، تحت عنوان بارش فرو می‌ریزد، که از این میزان ۳۹۸٬۰۰۰ کیلومتر مربع در سطح اقیانوس‌ها اتفاق می‌افتد. باران، ۱۰۷٬۰۰۰ کیلومتر مربع و بارش برف ۱٬۰۰۰ کیلومتر مربع از بارش سالانه را شامل می‌شود. فرایند تبخیر تبخیر یعنی تبدیل آب از فاز مایع به گاز که حین عبور آن از زمین یا پیکره‌های آبی به سمت اتمسفر حرکت می‌کند (زمین). مقدار کلی تبخیر و تعرق سالانه حدود ۵۰۵٬۰۰۰ کیلومتر مربع آب است که ۴۳۴٬۰۰۰ کیلومتر مربع آن از سطح اقیانوس‌ها تبخیر می‌شود. تبخیر از سطح پوشیده از برف تبخیر از سطح پوشیده از برف به میزان تبخیر از برف موجود بر سطح می‌گویند که می‌توان آن را کم شدن ارتفاع برف موجود نیز نامید؛ که البته هیچ ارتباطی با عنوان این مقاله یعنی چرخهٔ آب ندارد و فقط شرایط پله‌ای در چرخهٔ آب محاسبه می‌شوند. با این حال، مطالعات جهانی اخیر، با استفاده از ایزوتوپ‌های پایدار آب نشان می‌دهند که تمام رطوبت خاک برای تغذیهٔ آب زیرزمینی یا تعرق گیاهان مصرف نمی‌شود. فرایند پرانشت (نفوذ عمقی) آب تحت تأثیر نیروی گرانش به صورت عمودی درون خاک و سنگ‌ها جریان می‌یابد. فرایند میعان یعنی تبدیل بخار آب به قطرات آب مایع در هوا که ابرها و مه را ایجاد می‌کند. | ## بخش 2: چرخه آب | فرایند تصعید تصعید یعنی تغییر حالت مستقیم از آب جامد (برف یا یخ) به بخار آب بدون عبور از حالت مایع. فرایند همرفت یا جابجایی یعنی حرکت آب درون اتمسفر بدون همرفت (حرکت افقی توده‌ای از هوا در اثر تغییر درجهٔ حرارت)، آبی که از سطح اقیانوس‌ها تبخیر می‌شود نمی‌تواند به زمین ببارد. فرایند زمین‌ساخت‌های صفحه‌ای آب از طریق فرورانش پوستهٔ اقیانوسی وارد گوشته می‌شود و از طریق آتشفشان به سطح (زمین) برمی‌گردد. فرایند جریان زیرسطحی جریان زیرسطحی یعنی جریان آب در زیر سطح زمین، در منطقهٔ منطقهٔ هواده و آبخوان‌ها. آب زیرسطحی می‌تواند به سطح بازگردد (مثلاً به عنوان یک چشمه یا با پمپاژ) یا اینکه در نهایت به اقیانوس‌ها بپیوندد. آب تحت تأثیر نیروی گرانش یا فشار ناشی از نیروی گرانش، در فاصله کمتری نسبت به جایی که به زمین نفوذ کرده است، به سطح زمین برمی گردد. آب زیرزمینی به آرامی حرکت می‌کند و به آرامی تغذیه می‌شود، بنابراین می‌تواند هزاران سال در آبخوان‌ها باقی بماند. فرایند رواناب رواناب یعنی مسیرهای متفاوتی که از طریق آن‌ها آب در زمین حرکت می‌کند. همانطوری که رواناب جریان می‌یابد، ممکن است آب، به زمین رسوخ کند، به هوا تبخیر شود، در دریاچه‌ها یا مخازن ذخیره شود یا اینکه برای کشاورزی یا دیگر مصارف انسانی، استخراج شود. فرایند برگاب بارشی که به جای فرو ریزش بر زمین توسط شاخ و برگ گیاهان به دام می‌افتد و عاقبت تبخیر شده و به اتمسفر بازمی‌گردد. زمان ماندگاری زمان ماندگاری یک مخزن در چرخهٔ هیدرولوژیک، میانگین مدت زمانی است که یک مولکول آب در آن مخزن سپری می‌کند (جدول زیر را ببینید). میانگین زمان ماندگاری میانگین زمان ماندگاریمخزن۲۰٬۰۰۰ سالجنوبگان۳٬۲۰۰ سالاقیانوس‌ها۲۰ تا ۱۰۰ سالیخچال‌های طبیعی۲ تا ۶ ماهپوشش برفی فصلی۱ تا ۲ ماهرطوبت خاک۱۰۰ تا ۲۰۰ سالآب زیرزمینی: سطحی۱۰٬۰۰۰ سالآب زیرزمینی: عمقی۵۰ تا ۱۰۰ سالدریاچه‌ها (زمان بقا و ماندگاری دریاچه را ببینید)۲ تا ۶ ماهرودخانه‌ها۹ روزاتمسفر آب زیرزمینی می‌تواند پیش از عزیمت، بیش از ۱۰٬۰۰۰ سال در زیر سطح زمین باقی بماند. آب ذخیره شده در خاک، مدت زمان بسیار کوتاهی باقی می‌ماند زیرا مقدار اندکی از آن در زمین منتشر می‌شود و به سرعت از طریق تبخیر، تعرق، جریان یا تغذیهٔ آب زیرزمینی تخلیه می‌شود. زمان ماندگاری بخار آب در اتمسفر، بعد از تبخیر و پیش از میعان و بارش به سطح زمین، حدود ۹ روز است. قدمت یخ‌های جنوبگان مطمئناً مربوط به ۸۰۰٬۰۰۰ سال پیش است، هرچند که میانگین زمان ماندگاری کوتاه‌تر (از این مقدار) است. متداول‌ترین روش بر اصل بقای جرم مبتنی است و بر این فرض استوار است که میزان آب در یک مخزن معین، تقریباً ثابت می‌ماند. در این روش، زمان ماندگاری از طریق تقسیم کردن میزان حجم مخزن به سرعت ورود یا خروج آب از مخزن، تخمین زده می‌شود. روش جایگزین (دیگر) برای تخمین زمان ماندگاری، که برای تعیین قدمت آب زیرزمینی، بیشتر استفاده می‌شود، استفاده از تکنیک‌های ایزوتوپیک است. تغییرات در طول زمان چرخهٔ آب، فرآیندهای هدایت‌کنندهٔ جابجایی و حرکت آب درون آبکره (هیدروسفر) را توصیف می‌کند. همچنین تخمین زده می‌شود که اقیانوس‌ها، حدود ۹۰٪ از تبخیر آب در چرخه را تأمین می‌کنند. در آخرین عصر یخبندان، یخچال‌های طبیعی حدود یک-سوم زمین را پوشانده بودند و نتیجه اینکه اقیانوس‌ها نسبت به وضعیت کنونی، حدود ۱۲۲ متر پایین‌تر قرار داشتند. در طی آخرین «دورهٔ گرمای» جهانی، یعنی حدود ۱۲۵٬۰۰۰ سال پیش، سطح دریاها نسبت به حال حاضر، حدود ۵٫۵ متر بالاتر بود. در جمع‌بندی گزارش هیئت بین دولتی تغییر اقلیم برای سیاست‌گذاران در سال ۲۰۰۷، بر این مسئله تأکید شد که چرخهٔ آب در طی قرن ۲۱ دچار تشدید خواهد شد، البته این به معنای افزایش بارندگی در تمام مناطق نیست. در مناطق نیمه‌گرمسیری، مکان‌هایی که نسبتاً خشک هستند، پیش‌بینی شده است که در قرن ۲۱، بارندگی کاهش می‌یابد و باعث افزایش احتمال خشکسالی می‌شود. پیش‌بینی می‌شود که بیشترین خشکی نزدیک مرزهای poleward مناطق نیمه‌گرمسیری اتفاق بیفتد (مثل: حوضهٔ آبریز مدیترانه، آفریقای جنوبی، جنوب استرالیا و جنوب غربی ایالات متحده). انتظار می‌رود که میزان بارش سالانه در مناطق نزدیک استوا که در اقلیم کنونی، مرطوب هستند و نیز در عرض‌های جغرافیایی بالا قرار دارند، افزایش یابد. این الگوهای بزرگ مقیاس، به عنوان بخشی از ارزیابی چهارم IPCC، تقریباً در همه مدل‌های شبیه‌سازی اقلیم که در چندین مرکز بین‌المللی تحقیقات اجرا شده‌اند، مشترک است. اکنون شواهد زیادی وجود دارد مبنی بر اینکه افزایش تغییرات هیدرولوژیکی و اقلیمی، از راه‌های مختلف همچون چرخهٔ هیدرولوژیک، دسترسی آب، تقاضا و تخصیص، اثرات شگرفی را بر بخش آب ایفا می‌کنند و این اثرات در آینده نیز ادامه خواهد داشت. تحقیقات منتشر شده (سال ۲۰۱۲) در مورد شوری سطحی اقیانوس‌ها در طی سال‌های ۱۹۵۰ تا ۲۰۰۰ در مجلهٔ ساینس تشدید جهانی چرخهٔ آب را در قالب شورتر شدن مناطق شور و شیرین‌تر شدن مناطق شیرین، تأیید می‌کنند:مدل‌های اصلی ترمودینامیکی و اقلیمی، نشان می‌دهند که در پاسخ به گرمایش اقلیم، مناطق خشک، خشک‌تر و مناطق مرطوب، مرطوب‌تر خواهند شد. تلاش‌هایی که تاکنون برای شناسایی این عکس‌العمل بلندمدت در قالب مشاهدات پراکنده از بارندگی و تبخیر انجام شده‌اند، هنوز مبهم هستند. تلفیق مشاهدات ۵۰ سالهٔ ما در زمینه تغییرات شوری سطحی، با تغییرات برآورد شده از مدل‌های اقلیم جهانی، شواهد محکمی مبنی بر تشدید چرخه آب با نرخ ۵±۸٪ به ازای هر درجهٔ گرمایش سطحی را ارائه می‌دهد. | ## بخش 3: چرخه آب | این نرخ، عکس‌العمل پیش‌بینی شده مدل‌های اقلیمی نسل کنونی را دوبرابر می‌کند و نشان می‌دهد که در جهان آتی که به اندازهٔ ۲ تا ۳ درجه گرم‌تر خواهد بود، چرخهٔ آب جهانی تشدید قابل توجهی (۱۶ تا ۲۴٪) خواهد یافت.وسیله‌ای که توسط ماهوارهٔ SAC-D Aquarius حمل می‌شد در ژوئن ۲۰۱۱ به فضا پرتاب شد، تا شوری سطحی دریاهای جهانی را اندازه‌گیری نماید. پسروی یخچال‌های طبیعی نیز نمونه‌ای از چرخهٔ آب در حال تغییر است، (این امر در جایی رخ می‌دهد که) تأمین آب یخچال‌های طبیعی از بارندگی نمی‌تواند با از دست دادن آب از طریق ذوب یا تصعید، همخوانی داشته (سازگار) باشد. فعالیت‌های انسانی که چرخهٔ آب را تغییر می‌دهند عبارتند از: کشاورزی صنعت تغییر ترکیب شیمیایی اتمسفر ساخت سدها جنگل زدایی و جنگل‌کاری برداشت آب زیرزمینی از چاه‌ها برداشت آب از رودخانه‌ها شهرنشینی- برای رویارویی با اثرات شهرنشینی، می‌توان از طراحی شهری حساس به آب بهره گرفت. ۸۶٪ تبخیر جهانی، از اقیانوس‌ها صورت می‌گیرد و دمای آن‌ها را با سرمایش ناشی از تبخیر، کاهش می‌دهد. بدون این سرمایش، تأثیر تبخیر بر روی اثر گلخانه‌ای، موجب افزایش دمای سطحی تا ۶۷ سانتی‌گراد و سیاره‌ای گرم‌تر خواهد شد. افت سطح یا برداشت بیش از حد آبخوان و پمپاژ و برداشت آب فسیلی، میزان کلی آب هیدروسفر را افزایش می‌دهد و فرض بر این است که این امر، موجب افزایش سطح دریا خواهد بود. اثرات بر چرخهٔ بیوژئوشیمیایی با وجود اینکه چرخهٔ آب، یک چرخهٔ بیوژئوشیمیایی به حساب می‌آید، جریان آب روی زمین و زیر سطح آن نیز خود یک جز اصلی از چرخش سایر مواد بیوژئوشیمیایی محسوب می‌شود. رواناب، تقریباً مسئول انتقال تمام رسوبات فرسایشی و فسفر از زمین به پیکره‌های آبی است. هوپرورش دریاچه‌ها در درجهٔ اول به علت فسفر مازاد در کودهای مصرفی در زمین‌های کشاورزی رخ می‌دهد و در درجهٔ بعد به علت انتقال از سطح زمین و ریختن به رودخانه‌های پایین دست، اتفاق می‌افتد. رواناب و جریان آب زیرزمینی، در انتقال نیتروژن از زمین به پیکره‌های آبی، نقش مهمی ایفا می‌کنند. منطقهٔ مرده در خروجی رودخانهٔ می‌سی‌سی‌پی، نتیجهٔ نیترات موجود در کودهایی است که از زمین‌های کشاورزی تخلیه شدند و به سیستم زه‌کشی خلیج مکزیک وارد گشته‌اند. همچنین، رواناب، مجدداً از طریق انتقال سنگ‌ها و خاک فرسایش یافته، در چرخهٔ کربن نقش ایفا می‌کند. اتلاف تدریجی در دوره‌های زمین‌شناسی باد هیدرودینامیک در قسمت فوقانی اتمسفر باعث می‌شود که عناصر شیمیایی سبک مانند هیدروژن، تا ارتفاع ترموپاز یعنی محدودهٔ پایینی اگزوسفر که در آن گازها می‌توانند به سرعت گریز برسند و بدون تأثیر بر دیگر ذرات گاز وارد فضای بیرونی شوند حرکت نمایند. چنین گازی که از سیاره خارج و وارد فضا می‌شود، تحت عنوان گریز جوی، شناخته می‌شود. سیاراتی که دارای لایه‌های گرم تحتانی در اتمسفر خود هستند می‌توانند موجب تشکیل اتمسفر مرطوب در لایه‌های فوقانی شوند و باعث تسریع اتلاف هیدروژن شوند. تاریخچهٔ نظریهٔ هیدرولوژیک تودهٔ شناور زمین در قدیم، به‌طور گسترده‌ای تصور بر این بود که تودهٔ زمین، بر پیکره‌ای از آب شناور است و اکثر آب رودخانه‌ها از زیر زمین نشأت می‌گیرد. (حدود ۸۰۰ سال پیش از میلاد) کتاب مقدس عبری در عهد باستان، دانشمندان عبری در خاور نزدیک مشاهده کردند که اگرچه رودخانه‌ها به دریا می‌ریزند، اما دریا هیچگاه پر نمی‌شود. برخی دانشمندان امروزه این‌طور نتیجه می‌گیرند که چرخهٔ آب به‌طور کامل در آن زمان و طبق این متن توصیف شده است: «باد به سمت جنوب می‌وزد و به سمت شمال می‌چرخد؛ تقریباً به‌طور مداوم گرد (گردباد) می‌شود و باد براساس مدارهایش دوباره می‌چرخد. همهٔ رودخانه‌ها به دریا می‌ریزند اما هنوز دریا پر نشده است؛ رودخانه‌ها به همان جایی برمی‌گردند که از آنجا می‌آیند» دانشمندان در مورد تاریخ این متن (Ecclesiastes) به توافق نرسیده‌اند، اگرچه بیشتر دانشمندان به زمان پادشاهی سلیمان، پسر داوود و باتشبا، یعنی ۳٬۰۰۰ سال پیش اشاره می‌کنند؛ که طبق توافقات به دورهٔ ۹۶۲ تا ۹۲۲ پیش از میلاد مسیح بازمی‌گردد. به علاوه، مشاهده شده بود که ابرها پس از پر شدن از طریق بارش باران (بارندگی) بر روی زمین، تخلیه می‌شوند. افزون بر این، در طی سال‌های ۷۴۰–۷۹۳ پیش از میلاد، یک پیامبر عبری به نام آموس، اظهار داشت که آب از دریا می‌آید و بر روی زمین فرو می‌ریزد. در کتاب ایوب مربوط به کتاب مقدس، در قرن‌های هفتم تا دوم پیش از میلاد مسیح، توصیفی از بارش در چرخهٔ هیدرولوژیک را می‌توان پیدا کرد، «برای اینکه او قطرات آب را کوچک می‌کند: مطابق بخار آن، باران می‌بارد؛ که ابرها به وفور بر سر انسان‌ها قطره قطره می‌ریزند». بارش و نفوذ در Adityahridayam (یک سرودهٔ عبادی در مورد خدای خورشید) برگرفته از رامایانا، حماسهٔ هندو که متعلق به قرن چهارم پیش از میلاد مسیح است، در بیت ۲۲ اشاره شده که خورشید، آب را گرم می‌کند و باران را فرو می‌فرستد. حدود ۵۰۰ سال پیش از میلاد، دانشمندان یونانی حدس می‌زدند که اکثر آب رودخانه‌ها را می‌توان به باران نسبت داد. این دانشمندان معتقد بودند که بالا آمدن آب از طریق زمین، آب زیادی به رودخانه‌ها وارد می‌کند. این تفکر را افرادی مثل آناکسیماندروس (کسی که در مورد تکامل حیوانات بر روی خشکی از ماهی‌ها نیز حدس‌هایی زده بود) و کسنوفانس داشتند. این ایده که چرخهٔ آب یک چرخهٔ بسته است را می‌توان در آثار آناکساگوراس و دیوژن آپولونی مشاهده کرد. افلاطون (۳۹۰ سال پیش از میلاد) و ارسطو (۳۵۰ سال پیش از میلاد) در مورد (پدیده) نفوذ، به عنوان بخشی از چرخهٔ آب حدس‌هایی زده بودند. بارش صرف تا دورهٔ رنسانس، تصور بر این بود که بارش به تنهایی برای تغذیهٔ رودخانه‌ها و چرخهٔ کامل آب، کافی نیست و اینکه آب زیرزمینی که از اقیانوس‌ها به سمت بالا کشیده می‌شود نقش اصلی را در آب رودخانه‌ها ایفا می‌کنند. | ## جمع‌بندی | نخستین اندیشمند که این ادعا را منتشر کرد که باران به تنهایی برای حفظ رودخانه‌ها کافی است برنارد پالیسی بود، که اغلب به عنوان «کاشف» نظریهٔ مدرن چرخهٔ آب شناخته می‌شود.