(3) الخواص الحرارية للماء

إن من أهم الخواص الحرارية للماء، سعته الحرارية العالية. فهو أعلى السوائل سعة حرارية، وأعلاها حرارة نوعية[14] Specific Heat، للتبخر. وهو ذو قدرة على التوصيل الحراري[15] Thermal Conductivity، تفوق جميع السوائل، عدا الزئبق Mercury. وحرارته الكامنة للإذابة Cotent Heat of Melting أو Heat of Fusion، عالية. ومن أبرز نتائج هذه الخصائص، أن الماء، على سطح الأرض، يعدل من درجات الحرارة، العالية والمنخفضة؛ ويحُول دون تقلباتها السريعة.

معظم المواد، تتقلص عندما تبرد أو تتجمد؛ ولكن الماء، لا يخضع لهذه القاعدة. فلو وُضعت زجاجة مشروب غازي في مجمدة (الفريزر)، مدة أطول من اللازم، حتى تتجمد، فإنها تنكسر؛ نتيجة لتمدد الماء، عند تجمده في داخلها، وضغطه عليها، من الداخل، بقوة. وذلك ناتج من أن جزيئات الماء، عندما تتكون البلورات الثلجية، تصطف بطريقة سداسية، تشغل حيزاً أكبر؛ فتقل كثافة الثلج عن كثافة الماء؛ إذ إن عدد الجزيئات نفسه، في حالة التجمد، يشغل حيزاً أكبر. ولهذه الحقيقة أثر كبير في تشكُّل سطح الأرض، من طريق البلورات الثلجية، المتكونة في الشقوق الصخرية، التي تفتت صخور القشرة الأرضية. ولولا أن الثلج أقل كثافة من الماء، فيطفو فوقه، في بحار ومحيطات العروض العليا، لما استطاعت الأحياء البحرية، أن تعيش في المياه، تحت الغطاء الثلجي العازل. والمعلوم أن بعض المخلوقات البحرية، من نبات وحيوان، تتحمل العيش في حرارة منخفضة، شريطة أن لا تتجمد.

يتمدد الماء، عندما يتجمد؛ لأن جزيئاته، تتراصّ في بناء بلوري، متأثرة بقطبيتها (انظر شكل تنظيم جزيئات الماء). وتترك في هذا البناء البلوري فراغات فيما بينها، مملوءة بالهواء، تجعل الثلج أقل كثافة من الماء الذي تتراص جزيئاته بإحكام؛ ما يقلص حجم الفراغ بينها. وفي الماء النقي، تبدأ البلورات الثلجية بالتكوّن، عند درجة حرارة 4ْ مئوية؛ ويصل إلى حالة التجمد، عندما تنخفض درجة حرارته إلى الصفر المئوي. ولأن البلورات الثلجية، تطرد الأملاح، فإن وجود الأخيرة في مياه البحار، يحُول دون وجود درجة محددة للتجمد.

(أ) تغير حالة الماء من صلب إلى سائل، ومن سائل إلى غاز

لا شك أن تزويد المادة بالحرارة، يرفع درجة حرارتها. ولكن، هناك حالات، تستهلك فيها المادة الحرارة، من دون أن يظهر أثر ذلك في درجة حرارتها. فتعريض الماء لمزيد من الحرارة، عند درجة الغليان، لا يزيد حرارته، بل يبخره. فالطاقة المكتسبة، بعد الغليان، لا تظهر على شكل ارتفاع في درجة الحرارة، بل تستهلك في فك الروابط البينية بين جزيئات الماء، لتتحول من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية (بخار ماء). ويطلق على الحرارة المستهلكة في هذه العملية، الحرارة الكامنة للتبخر Latent heat of Vaborization [16]. وكذلك لو غُمس ثرمومتر في قالب من الثلج، درجة حرارته –20ْم تحت الصفر؛ وعُرِّض الثلج للحرارة، فإن درجة حرارته سترتفع، بالتدريج، حتى تبلغ الصفر المئوي، حيث ستتوقف، على الرغم من استمرار التزويد بالقدر نفسه من الحرارة! في هذه المرحلة، الطاقة الواصلة، لا يظهر لها أثر في درجة الحرارة؛ لأنها تستهلك في فك الروابط البينية بين الجزيئات، عند تحوُّل البلورات الثلجية إلى ماء سائل. ويطلق على الحرارة المستهلكة في هذه العملية، الحرارة الكامنة للإذابة Latent heat of melting أو Heat of Fusion (انظر شكل الحرارة الكامنة، للإذابة وللتبخر).

يتمثل في (شكل الحرارة الكامنة، للإذابة وللتبخر) جرام واحد من الثلج، درجة حرارته -40ْ مئوية؛ سُلِّط عليه مقدار معيَّن من الحرارة. يلاحظ أن إضافة عشرين سعراً حرارياً، رفعت درجة حرارته من –40ْم، إلى درجة الصفر المئوي؛ وذلك ناتج من أن السعة الحرارية[17] للثلج، تساوي نصف سعر حراري للجرام. ولكن، بعد الوصول إلى درجة الصفر المئوي، توقّف ارتفاع درجة الحرارة، على الرغم من استمرار التزويد بالطاقة، حتى الوصول إلى الرقم 100، على المحور السيني (الأفقي). وذلك يعني استهلاك 80 سعراً حرارياً، من دون تغير درجة الحرارة. ولكن جرام الثلج، في نهاية هذه المرحلة، تحوّل إلى جرام من الماء؛ والحرارة المضافة، استهلكت في فك الروابط البينية، ويطلق عليها الحرارة الكامنة للإذابة.

لقد استهلك جرام الثلج، لتحويله من حالة التجمد بدرجة –40ْ مئوية، إلى الحالة السائلة عند درجة الصفر المئوي، 100 سعر حراري. بعد ذلك، أي حرارة مضافة، سيظهر أثرها في درجة حرارة جرام الماء، بواقع زيادة درجة مئوية واحدة، لكل سعر حراري مضاف. وعندما تصل درجة حرارة جرام الماء إلى 100ْم، بعد إضافة 100 سعر حراري أخرى، تتوقف الزيادة في درجة الحرارة. ويستهلك جرام الماء، بعد ذلك، 450 سعراً حرارياً، من دون أن يظهر لها أثر في درجة حرارته. والشيء الوحيد الملاحظ، هو تناقص الماء في الإناء، نتيجة لتبخره. وبعد استهلاك 450 سعراً حرارياً، يكون جرام الماء، قد تحوّل كله إلى بخار ماء. ذلك المقدار من الحرارة، الذي استهلك، ولم يظهر له أثر في درجة حرارة الماء، استهلك في فك الروابط البينية بين جزيئات الماء، ويطلق عليه الحرارة الكامنة للتبخر.

والحرارة الكامنة للتبخر، هي أعلى من الحرارة الكامنة للإذابة، التي لم تتعدَّ 80 سعراً، للجرام الواحد من الماء؛ وذلك لأن التحول من حالة السيولة إلى حالة الغازية، يحتاج إلى فك جميع الروابط البينية بين الجزيئات، فتنطلق جزيئات بخار الماء في الهواء، بحرية تامة. وعند التحول من حالة الصلابة (ثلج) إلى حالة السيولة (ماء)، لا يلزم فك جميع الروابط البينية، بل بعضها؛ بما يسمح بتحرك جزيئات الماء بعضها مع بعض. ويجب أن يلاحظ، أنه عند التعامل مع الظروف البيئية العادية، ومعدلات درجات الحرارة السائدة في البيئات الطبيعية، يتبخر الماء؛ على الرغم من أن درجة حرارته، لم تصل إلى درجة الغليان 100ْم. ويحتاج جرام الماء، في هذه الحالات، إلى 600 سعر حراري، للتحول إلى بخار ماء. هذه الحرارة الكامنة، تنطلق، مرة أخرى، في الغلاف الغازي، عند تكاثفه.

(ب) التغير في كثافة الماء Water Density، بتغير درجة حرارته

يتقلص الماء السائل، وتتقارب جزيئاته، كلما برد؛ وهذا يعني، بالطبع، ازدياد كثافته[18]. لذا، يمكن القول إن كثافة الماء تزداد كلما برد. ولكن ازدياد الكثافة، مع انخفاض درجات الحرارة، بالنسبة إلى الماء، لا يستمر. فالماء، استثناءً من السوائل الأخرى، تزداد كثافته، مع انخفاض درجة الحرارة، حتى تبلغ أقصى مدى لها، عند درجة حرارة 3.89ْ مئوية؛ إذ تبلغ 1000 كيلوجرام، للمتر المكعب. يتمدد الماء قليلاً، بين 3.98ْ مئوية والصفر المئوي؛ وذلك نتيجة لبداية تكون البلورات الثلجية في الماء. ولكن، عندما يتجمد الماء، ويصبح ثلجا،ً فإن كثافته تنخفض إلى نحو 920 كيلوجراماً، للمتر المكعب (انظر شكل تنظيم جزيئات الماء) (انظر جدول تغير كثافة الماء، مع تغير حرارته، من درجة صفر حتى 50 مئوية).

ونتيجة لاعتماد كثافة الماء على درجة حرارته، فإن الدافئ منه، الأقل كثافة، سيطفو فوق الماء البارد، الأكثر كثافة، عند درجات الحرارة، التي تفوق 3.98ْ مئوية؛ لكن، في درجات الحرارة الأدنى من 3.98ْ مئوية، فإن الماء الأبرد، سيطفو فوق الماء الأدفأ. ونتيجة لذلك، تتشكل الغطاءات الثلجية، وتبقى طافية فوق سطح الماء. ولكنها حالما تذوب، فإن مياهها الباردة، الأعلى كثافة، تغوص إلى الأسفل. وينتج ذلك دورة رأسية للمياه، في بحار ومحيطات العروض العليا، في الفصول، التي تذوب فيها الغطاءات الثلجية البحرية.

(ج) التغير في لزوجة الماء، بتغير درجة حرارته

تتغير لزوجة الماء[19] Water Viscosity، بتغير درجة حرارته (انظر شكل تغير لزوجة الماء وكثافته). وتغير لزوجته، يفوق كثيراً تغير كثافته، مع التغير في درجات الحرارة. فعند ارتفاع درجات الحرارة من 10ْ إلى 30ْ مئوية، مثلاً، ستنخفض كثافة الماء من 999.73 كيلوجراماً، في المتر المكعب، إلى 997.07 كيلوجراماً؛ وذلك الانخفاض، يشكل ما نسبته 0.27%. ولكن، في المدى الحراري نفسه، المذكور أعلاه، فإن لزوجة الماء، ستنخفض من 1.307× 10^-3 باسكال[20]/ثانية، عند 10ْ مئوية، إلى 0.7975×10^-4 باسكال/ثانية، عند 30ْ مئوية (انظر جدول تغير لزوجة الماء، مع تغير حرارته، من درجة صفر حتى 50 مئوية)؛ وذلك انخفاض بنسبة 39%. لذا، يهتم علماء المياه بلزوجتها، عند إجراء حساباتهم لأثر التغير في درجة حرارتها.

(د) الشد السطحي للماء

تفسر الطبيعة القطبية لجزيئات الماء، والتجاذب المتبادل بينها، تجمُّعه على الأسطح المصقولة، على شكل قطرات، بدلاً من تغطية السطح بغشاء رطوبي متصل. ويحدث ذلك بشكل أكثر وضوحاً، على الأسطح المغطاة بمادة شمعية؛ وذلك بسبب ما يسمى الشد السطحي للماء Water Surface Tension.

يمتاز الماء بأنه من أعلى السوائل، الشائعة في الطبيعة، في مقدار الشد السطحي. ولا يفوقه في ذلك إلا الزئبق. ويمكن ملاحظة الشد السطحي للماء، في الحياة اليومية، بملء كأس زجاجية بالماء، تماماً، إلى ما فوق حافتها؛ فإن سطح الماء، سيعلو، بشكل محدب، فوق حافة الكأس، قليلاً. وهذه الظاهرة، هي نتاج التجاذب بين جزيئات الماء، نحو السطح. ولذلك، فإن مواد أعلى كثافة من الماء، يمكن أن تطفو فوقه. فموس الحلاقة، مثلاً، لو وضع، بحرص، على سطح الماء، فسيطفو؛ على الرغم من أن كثافته، قد تصل إلى خمسة أضعاف كثافة الماء. وإبرة الخياطة المعدنية، إذا مسحت بمادة شمعية، يمكن أن تطفو فوق الماء[21]. وكثير من طيور الماء، تطفو فوق سطح الماء؛ بسبب الشد السطحي للماء، والمادة الشمعية أو الزيتية على ريشها؛ والغريب، أنه لو أزيلت هذه المادة من ريش الطيور المائية، لغاصت في الماء. وكثير من الحشرات، تستخدم سطح الماء، كما لو أنه سطح صلب، وتتحرك فوقه على هذا الأساس.

الشد السطحي للماء، ليس إلا مظهر من مظاهر وجود الروابط الهيدورجينية، فجزيئات الماء، التي على السطح، مشدودة بالروابط الهيدروجينية، إلى الجزيئات المجاورة لها؛ ومشدودة، كذلك، إلى الجزيئات، التي تحتها فقط. بينما الجزيئات، التي في وسط الماء، فهي مشدودة بالروابط الهيدروجينية، في جميع الاتجاهات. لذا، فالجزيئات، التي على السطح، تتركز الطاقة، المتاحة للربط الهيدروجيني فيها، في الجانبين، وإلى الأسفل فقط. وهذا ما يعطيها قوة شد سطحي، تجعلها تتماسك أعلى من حافة الكأس الزجاجية؛ ويجعلها ترفع على سطحها أجساماً أعلى في كثافتها من الماء.

تنجذب جزيئات الماء إلى أسطح بعض المواد؛ وذلك ما يشار إليه بالرطوبة Wetting. فالماء ينجذب إلى الزجاج، والمواد العضوية، وبعض المواد غير العضوية، كالصخور والتربة. فعندما يصب الماء في أنبوب زجاجي، إلى منتصفه، مثلاً، فإن التجاذب بين جزيئاته والزجاج؛ سيجعل سطح الماء يأخذ شكلاً غير الشكل المحدب، المذكور في المثال السابق؛ إذ سيرتفع سطحه، قرب حافة الأنبوب الزجاجي، وينخفض في الوسط. وفي الزجاج بشكل خاص، فإن الجانب الموجب الشحنة من جزيئات الماء، في ذرتي الهيدروجين، سينجذب نحو ذرات الأكسجين الداخلية، في تركيب الزجاج. ولشدة التجاذب بينهما، فإن جزيئات الماء، ستتدافع إلى الأعلى، عند حافة الإناء، وستظل مرتفعة عن مستوى سطح الماء، في الوسط؛ ويقتصر ارتباطها بجزيئات الماء، خلفها، على الروابط الهيدروجينية، التي تشدها إلى الخلف. إذا كان الأنبوب ضيقاً جداً، فإن الماء سيرتفع فيه كثيراً؛ وهذا ما يعرف بالخاصية الشعرية Capillary. ولهذه الخاصية أهمية كبيرة، في علوم التربة والنبات.

(4) خواص مياه البحار والمحيطات

إن خواص مياه البحار والمحيطات، هي نفسها خواص المياه العذبة، مضافاً إليها ما نتج من ملوحتها بشكل خاص.

(أ) الأملاح في مياه البحار

مياه البحار عن محلول من الأملاح ثابتة التركيب، ذائبة في كميات مختلفة من الماء. والماء، وهو الذي يشكل النسبة الأكبر، يتحكم في معظم الخصائص الطبيعية لمياه البحار؛ بينما تؤثر كمية الأملاح في كثافته.

من السهل جدا،ً أن يتبخر ماء البحر، تاركاً الأملاح خلفه. وعلى الرغم من كثرة عدد العناصر (أكثر من 70) الذائبة فيه، فإن ستة فقط من هذه العناصر، تشكل أكثر من 99% من أملاح البحر (انظر شكل الأملاح في مياه البحر): كلورين Clorine (Cl^-)، صوديوم Sodium (Na⁺)، وماغنسيوم Magnesium (Mg⁺⁺)، وكالسيوم Calsium (Ca⁺⁺)، وبوتاسيوم Potassium (K⁺)؛ وكبريت (S) Sulfur ، الذي يوجد على شكل سلفات SO₄⁼. وكل هذه الأملاح، تحدث على شكل أيونات[22]. ويحوي ماء البحر أيونات أخرى، كالذهب والفضة والنحاس، والفسفور واليود؛ ولكنها لا تشكل إلا نسبة ضئيلة من مجموع الأيونات الذائبة فيه، لا تتجاوز 0.1%.

يستخدم علماء البحار كلمة الملوحة Salinity، وهي كمية الأملاح الذائبة، بالجرام، في كل كيلوجرام من ماء البحر، في التعبير عن المحتوى الملحي لمياه البحر. وتقاس الملوحة، عادة، بدقة، بقياس درجة التوصيل الكهربائي لعينة من تلك المياه، فكلما ازدادت الملوحة، ازدادت درجة التوصيل الكهربائي.

(ب) مصدر ملوحة مياه البحار

بالنظر إلى النظريات السائدة، في شأن مصدر مياه البحار والمحيطات؛ وأنها مياه أولية[23] Juvenile Waters، اختزلت من صخور باطن الأرض، مع حمم اللابات المتدفقة خلال القشرة الأرضية؛ فقد أشارت حسابات بعض الباحثين، إلى أن المياه، التي تكاثفت من الغلاف الغازي المحيط بالأرض، عند تكونها، لم تتجاوز 10%. ويعزي كثير من آراء الباحثين، في الواقع، نشأة الغلاف الغازي المحيط بالأرض، عند تكونها، إلى تدفق الحمم الصخرية على سطحها، في مراحل تكونها الأولى، ثم الأنشطة البركانية، التي ظلت مستمرة على قشرة الأرض، خلال عمرها الجيولوجي الطويل. وقد أوضحت دراسة للعالم فنر Fenner، عام 1926، أجريت على المصهورات البركانية، احتواءها على نسبة كبيرة من الكلوريدات Chlorides، والفلورايد Florides الممتزجة بالكبريتات وبخار الماء. وقد تعزى النسبة العالية من أيونات الفلورين (انظر جدول أهم الأيونات الذائبة في ماء البحر، ونسبة مشاركتها في ملوحته)، في ماء البحر، إلى تدفق المصهورات البركانية، في قيعان المحيطات، خاصة في أحياد أواسطها[24] Mid-Oceanic Ridges.

والدورة الهيدرولوجية العامة (انظر شكل الدورة الهيدرولوجية)، ودورة الماء المستمرة فيها، عبر العصور الجيولوجية، عند تساقطه على اليابس، وتدفقه على سطحه، أو خلال طبقاته، نحو البحر، مرة أخرى؛ تمثل مصدراً آخر من مصادر ملوحة مياه البحار والمحيطات. فالقشرة الأرضية، تتكون من صخور مختلفة، مركبة من معادن وأملاح وأكاسيد، تختلف في درجة مقاومتها لعوامل التعرية والذوبان. ومن هذه المركبات ما هو سريع التحلل والذوبان في الماء. فالمياه الجارية فوق صخور سطح القشرة الأرضية، أو خلالها، تتيح ذوبان بعض مكونات هذه الصخور، وتنقلها معها إلى البحر. وهكذا، تتجمع الأملاح في مياهه تجمعاً تدريجياً. وتقذف الأنهار، في مياه البحار والمحيطات، قرابة 2700 مليون طن، من الأملاح المشتقة من صخور اليابسة. فالماء، في الدورة الهيدرولوجية، يتبخر من سطح البحر، تاركاً خلفه الأملاح، ليتساقط على سطح الأرض، فيعود إلى البحر، من جديد، محملاً بكميات منها وهكذا. وتقدر كمية الأملاح، الذائبة في مياه البحار والمحيطات، بما يصل إلى 4.84×¹⁶10 طن.

ولكنْ، هناك اختلاف واضح بين نوعية الأملاح، السائدة في مياه الأنهار، وتلك السائدة في مياه البحار والمحيطات (انظر جدول توزُّع نسب الأملاح الرئيسية، في مياه البحار والأنهار)، أثار كثيراً من التساؤلات عن وجود مصادر أخرى لملوحة مياه البحر. فبينما تسود كربونات الكالسيوم مياه الأنهار، تسود كلوريدات الصوديوم مياه البحار. وبينما تفوق نسب السلفات، في مياه الأنهار، كلوريدات الصوديوم؛ فإن الأمر ينعكس في مياه البحار والمحيطات. وتتفاوت مياه الأنهار فيما بينها تفاوتاً كبيرا،ً في نوعية الأملاح، التي تحملها؛ وذلك تبعاً لنوع الصخور، التي مرت عليها؛ وطريقة وصولها إلى البحر، بالتدفق السطحي، أم بالسريان الجوفي؛ والمسافة التي قطعتها المياه حتى وصلت إلى البحر؛ والمدة التي استغرقتها على سطح اليابس ... لذا، فإن العينات، التي بُنيت عليها المقارنة بين مياه البحار ومياه الأنهار، ربما لا تكون ممثلة للخصائص العامة لمياه الأنهار.

وإضافة إلى ذلك فإن نقص كربونات الكالسيوم، في مياه البحار والمحيطات، قد يكون راجعاً إلى المخلوقات البحرية الكثيرة، التي تستهلك كميات كبيرة منها، لبناء هياكلها وقواقعها ومستعمراتها؛ ولا سيما المستعمرات المرجانية. فضلاً عن أن انخفاض نسبة ثاني أكسيد الكربون، يؤدي ارتفاع نسبة بعض الأملاح، وخاصة كلوريد الصوديوم.

وعلى الرغم من استمرار الدورة الهيدروجينية، واستمرار تبخر الماء، نقياً، من البحار، تاركاً خلفه الأملاح، وعودته، بعد تساقطه على اليابس، محملاً بالأملاح؛ فإن نسبة الملوحة، في مياه البحر، لا تستمر في الازدياد .وهذا يفسره، كذلك، ما ذكر آنفاً، من أن بعض الأملاح البحرية، وخصوصاً أملاح الكربونات والسيليكا، يستهلكها قسماً كبيراً منها، بعض المخلوقات الحية البحرية.