مراحل چرخهٔ آب را بنویسید و بگویید چرا این تغییرها فیزیکیاند.

مراحل: تبخیر (و تعرق گیاهان) ← تراکم و تشکیل ابر ← بارش (باران، برف، تگرگ) ← روانآب و نفوذ و بازگشت به دریا. این تغییرها فیزیکیاند، چون فقط حالت آب (جامد، مایع، گاز) عوض میشود و ماهیت آن همچنان H2O است؛ ماده جدیدی ساخته نمیشود.

رودخانهٔ جوان و مسن را از نظر شیب، فرسایش و دره مقایسه کنید.

- جوان: شیب و سرعت زیاد، فرسایش بیشتر عمقی (کف را میکَند)، دره باریک و عمیق V شکل، آبشار و تنداب. - مسن: شیب بسیار کم و سرعت کم، بیشتر رسوبگذاری، دره و دشت بسیار پهن، پیچ و خم (میاندر)، دریاچهٔ هلالی و دلتا؛ کارون نمونه است. رودخانهٔ کامل (بالغ) حد میان این دو است و فرسایش جانبی در آن مهمتر است.

چرا دریاچهها دمای هوای اطراف را تعدیل میکنند؟ با رابطهٔ گرما نشان دهید.

آب گرمای ویژهٔ بزرگ دارد، یعنی برای گرم یا سرد شدن به انرژی زیادی نیاز دارد. رابطه: Q=mcΔ T. برای 1000 g و 10 ^ تغییر دما، آب Q=1000×4.2×10=42000 J و آهن Q=1000×0.45×10=4500 J لازم دارد؛ آب حدود ۹ برابر بیشتر. پس دریاچه در تابستان گرمای زیادی ذخیره میکند (هوای اطراف خنکتر میماند) و در زمستان کمکم پس میدهد (هوا گرمتر میماند). به همین دلیل شهرهای ساحلی تفاوت دمای شب و روز و فصلهای کمتری دارند.

دانشآموزی بخار آبِ هوا و یخ کوهستان را از فهرست آبهای زمین حذف میکند. کدام اصلاح درست است؟

هر دو جزء آبکرهاند. — «هر دو جزء آبکرهاند.» درست است، زیرا آبکره همهٔ حالتهای آب زمین را دربرمیگیرد. «فقط یخ جزء آبکره است.» نادرست است، چون بخار آبِ جو نیز بخشی از آبکره است. «فقط بخار جزء آبکره است.» نادرست است، چون یخ کوهستان نیز آبِ زمین است. «هیچکدام جزء آبکره نیست.» نادرست است، چون هر دو نمونه آباند، هرچند جای متفاوتی دارند. تلهٔ تستی: آبکره را به آب مایع محدود نکن.

برای بخار شدن آب یک آبگیر در روز آفتابی، منبع اصلی انرژی کدام است؟

انرژی تابشیِ خورشید است. — «انرژی تابشیِ خورشید است.» درست است، زیرا تابش خورشید آب سطحی را گرم میکند. «انرژیِ شیمیاییِ نمک است.» نادرست است، چون نمک منبع گرمای تبخیر نیست. «انرژیِ جاذبهٔ ماه است.» نادرست است، چون ماه عامل اصلی تبخیر روزانه نیست. «انرژیِ بادِ دریا است.» نادرست است، چون باد میتواند نرخ را تغییر دهد اما منبع اصلی گرما در صورت سؤال نیست. تلهٔ تستی: عاملِ افزایش سرعت تبخیر را با منبع انرژی یکی نگیر.

آبی از سطح برگها به صورت بخار وارد هوا میشود. این مرحله چه نام دارد؟

تعرقِ گیاهان رخ داده است. — «تعرقِ گیاهان رخ داده است.» درست است، زیرا گیاه آب را به شکل بخار به هوا پس میدهد. «نفوذِ باران به خاک رخ داده است.» نادرست است، چون نفوذ حرکت آب مایع به درون زمین است. «انجمادِ قطرههای ابر رخ داده است.» نادرست است، چون انجماد تبدیل مایع به جامد است. «رسوبگذاریِ رودخانه رخ داده است.» نادرست است، چون رسوبگذاری جابهجایی ذرات سنگ است. تلهٔ تستی: مسیر خروج آب از گیاه را با تبخیر از سطح دریا یکی نگیر.

بخارِ سردشده در ارتفاع به قطرههای بسیار ریز تبدیل میشود. کدام تغییر رخ داده است؟

میعانِ بخار آب رخ داده است. — «میعانِ بخار آب رخ داده است.» درست است، زیرا گاز به قطرهٔ مایع تبدیل شده است. «حل شدنِ نمک رخ داده است.» نادرست است، چون نمک در این تغییر نقش ندارد. «تبخیرِ قطرهٔ آب رخ داده است.» نادرست است، چون تبخیر جهت عکس این تغییر است. «ذوبِ بلور یخ رخ داده است.» نادرست است، چون در صورت سؤال یخی برای ذوب نیست. تلهٔ تستی: سردشدنِ بخار را با گرمشدنِ مایع جابهجا نکن.

پس از بارندگی، بخشی از آب از سطح خاک به درون آن میرود. این مسیر کدام است؟

نفوذ به درون زمین است. — «نفوذ به درون زمین است.» درست است، زیرا آب از سطح وارد خللوفرج خاک میشود. «روانآب روی سطح زمین است.» نادرست است، چون روانآب روی سطح حرکت میکند. «تبخیر از سطح زمین است.» نادرست است، چون تبخیر آب را به هوا میبرد. «بارش دوباره از ابر است.» نادرست است، چون بارش آب را از ابر پایین میآورد. تلهٔ تستی: حرکت به درون خاک را از حرکت روی خاک جدا کن.

سفر آب در روی زمین — علوم تیزهوشان هفتم (استعداد درخشان)

سفر آب در روی زمین (علوم تیزهوشان هفتم)

زمین را «سیارهٔ آبی» می‌نامند. آب پایهٔ حیات است و پیوسته در سفر است: از دریا به آسمان، از آسمان به زمین و دوباره به دریا.

آب‌کره

آب‌کره (هیدروسفر) مجموعهٔ همهٔ آب‌های زمین است: اقیانوس‌ها، دریاها، رودها، دریاچه‌ها، یخچال‌ها، آب‌های زیرزمینی و بخار آب هوا. زمین تنها سیارهٔ منظومهٔ شمسی است که مقدار زیادی آب مایع در سطح دارد. سه ویژگی ممتاز آب: ظرفیت گرمایی بالا (اقیانوس‌ها گرمای خورشید را جذب و ذخیره می‌کنند)، حل‌کنندگی زیاد و اثر بر سنگ‌ها (آب در سنگ‌ها دمای ذوب را پایین می‌آورد و در بعضی موارد به آتشفشان‌ها کمک می‌کند).

حدود ۷۱ درصد سطح زمین را آب پوشانده که بیشترش در اقیانوس‌هاست و شور است. فقط حدود ۳ درصد آب‌ها شیرین است و بیشتر همین مقدار هم به صورت یخ در قطب‌ها و کوهستان‌ها یا زیرزمینی است. اگر آب زمین ۱۰۰ لیتر بود، ۹۷ لیتر شور و ۳ لیتر شیرین می‌شد؛ با فرض اینکه حدود دو سوم آب شیرین یخ است، حدود ۱ لیتر آب شیرین مایع می‌ماند و سهم رودها و دریاچه‌ها بسیار کم است. این نشان می‌دهد چرا مدیریت آب مهم است.

چرخهٔ آب

مراحل: تبخیر (گرمای خورشید آب دریا و دریاچه را بخار می‌کند و گیاهان هم از راه تعرق آب از دست می‌دهند)، تراکم (بخار آب بالا می‌رود، سرد می‌شود و ابر می‌سازد)، بارش (باران، برف، تگرگ) و روان‌آب و نفوذ (بخشی روی زمین جاری می‌شود و به رودخانه می‌رسد و بخشی در زمین نفوذ می‌کند و آب زیرزمینی می‌شود). در این سفر آب سه حالت جامد، مایع و گاز را تجربه می‌کند.

چرا بخار آب از حد معینی بالاتر نمی‌رود؟ گرانش زمین مولکول‌های هوا و بخار آب را نگه می‌دارد؛ دما با ارتفاع در لایهٔ پایین جو کم می‌شود، پس بخار سرد و متراکم می‌شود و ابر و باران می‌سازد؛ و در ارتفاع‌های بالاتر هوا بسیار رقیق است. تغییرهای چرخهٔ آب فیزیکی است، چون فقط حالت آب عوض می‌شود و همچنان $\text{H}_2\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین باقی می‌ماند.

رطوبت نسبی

هوا فقط تا مقدار معینی بخار آب نگه می‌دارد و این مقدار با گرم‌تر شدن بیشتر می‌شود. رطوبت نسبی می‌گوید هوا چند درصد از حداکثر ظرفیتش بخار دارد: $\text{RH}=\frac{\text{actual vapor}}{\text{max vapor}}\times100$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. اگر یک متر مکعب هوا در $20\,^\circ\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین حداکثر $17\,\text{g}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین بخار نگه دارد و اکنون $12\,\text{g}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین داشته باشد، رطوبت نسبی حدود $\frac{12}{17}\times100\approx71$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین درصد است. اگر هوا آن‌قدر سرد شود که ظرفیتش به $12\,\text{g}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین برسد، رطوبت ۱۰۰٪ می‌شود و بخار اضافه به قطره (مه، ابر، شبنم) تبدیل می‌شود؛ این دما نقطهٔ شبنم است. ابر در بالا و مه نزدیک سطح زمین ساخته می‌شود.

انواع بارش

باران قطره‌های درشت‌تر (بیش از حدود نیم میلی‌متر) دارد و نم‌نم از قطره‌های بسیار کوچک ساخته شده است. برف زمانی است که دمای تراکم زیر نقطهٔ انجماد باشد و بخار مستقیم به بلور یخ تبدیل شود. باران یخ‌زده (اسلیت) آمیزه‌ای از آب و برف است. تگرگ در ابرهای کومولونیمبوس با جریان بالارونده شدید ساخته می‌شود: قطرات بالا می‌روند، منجمد می‌شوند و لایه‌لایه رشد می‌کنند تا سنگین شوند. وقتی باران بر سطح زیر صفر می‌ریزد و بلافاصله یخ می‌زند، یخ‌پوشهٔ شفاف (گلیز) می‌سازد که ضخامتش وزن زیادی می‌شود و شاخه و خطوط برق را می‌شکند؛ مثلاً $50\times0.8=40\,\text{kg}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین یخ روی یک سیم ۵۰ متری.

مرداب، باتلاق و هور

مرداب آب راکد کم‌عمق با گیاهان آبزی است (تالاب انزلی). باتلاق زمین اشباع از آب با عمق بسیار کم و گل‌آلود است (گاوخونی). هور آب راکد و کم‌عمق فصلی در حاشیهٔ رود یا زمین پست است (هورالعظیم). تالاب‌ها مثل کلیهٔ زمین آب را تصفیه می‌کنند، سیل را مهار می‌کنند و زیستگاه پرندگان مهاجرند.

مورفولوژی رودخانه

مورفولوژی یعنی شناخت شکل و ساختمان رودخانه که از سرعت جریان، فرسایش و رسوب‌گذاری اثر می‌پذیرد. رودخانهٔ جوان شیب زیاد و سرعت زیاد دارد، بیشتر بستر را می‌کَند (فرسایش عمقی) و دره‌اش باریک و V شکل با آبشار و تنداب است. رودخانهٔ کامل (بالغ) شیب متوسط دارد و فرسایش جانبی جای فرسایش بستر را می‌گیرد. رودخانهٔ مسن شیب بسیار کم، دره بسیار پهن، پیچ و خم (میاندر)، دریاچهٔ هلالی و دلتا دارد؛ کارون نمونه است. شیب رودی که از $1500$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین تا $900$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین متر در $30\,\text{km}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین پایین می‌آید $\frac{600}{30000}=0.02$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین یعنی ۲٪ است؛ رودی با اختلاف $10\,\text{m}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در $100\,\text{km}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین شیبش فقط $0.01$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین درصد است و احتمالاً مسن است.

آلودگی آب

آب دارای عوامل بیماری‌زا، مواد شیمیایی سمی، ضایعات و فاضلاب آلوده است. منابع: زیستی (گندآب و مواد آلی که اکسیژن آب را کم می‌کنند)، خانگی و صنعتی (نمک‌های فلزی و مواد سمی)، کشاورزی (کود و آفت‌کش) و فیزیکی (گرما و مواد پرتوزا). آلودگی حرارتی: نیروگاهی که آب $15\,^\circ\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین را با $30\,^\circ\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین بازمی‌گرداند، آب را $15\,^\circ\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین گرم کرده است؛ آب گرم اکسیژن کمتری حل می‌کند و آبزیان آسیب می‌بینند. آب‌های زیرزمینی هم می‌توانند با بنزین و مواد سمی نفوذکرده آلوده شوند.

گرمای ویژهٔ آب و اثر دریاچه‌ها

در آزمایش قابلمه و آب هم‌جرم، فلز زودتر سرد می‌شود و آب دیرتر؛ چون آب گرمای ویژهٔ بزرگ دارد. گرما از $Q=mc\Delta T$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به دست می‌آید. برای $1000\,\text{g}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و ۱۰ درجه گرم شدن، آب با $c=4.2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به $42000\,\text{J}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و آهن با $c=0.45$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به $4500\,\text{J}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین نیاز دارد؛ آب حدود ۹ برابر بیشتر گرما می‌گیرد. دریاچه در تابستان گرمای زیادی ذخیره می‌کند و در زمستان کم‌کم پس می‌دهد، پس شهرهای ساحلی اختلاف دمای شب و روز و فصل کمتری دارند و دریاچه دمای هوا را تعدیل می‌کند.

آب و سنگ‌ها

بین مولکول‌های آب فضای خالی هست و ذره‌های شکر در آن جا می‌گیرند؛ تا مقدار معینی می‌توان شکر حل کرد (سیرشدگی) و با گرم کردن آب بیشتر حل می‌شود. اگر در $100\,\text{g}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین آب حدود $200\,\text{g}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین شکر حل شود، در $250\,\text{g}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین آب $500\,\text{g}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین حل می‌شود. آب سنگ را با حل کردن (آب دارای $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین سنگ آهک را حل می‌کند و غار می‌سازد)، سایش (ذره‌های ریگ سنگ‌ها را صیقلی و گرد می‌کنند) و حمل فرسوده می‌کند و خاک حاصلخیز می‌سازد.

حرکت آب دریاها

هر ۲۰۰۰ سال تقریباً همهٔ اقیانوس‌ها مخلوط می‌شوند. موج حرکت نوسانی است؛ مولکول‌های آب تقریباً دایره‌ای حرکت می‌کنند و برمی‌گردند و انرژی منتقل می‌شود، نه آب. موج از باد، زلزلهٔ کف دریا (سونامی) یا جاذبهٔ ماه و خورشید ایجاد می‌شود. سونامی در دریای عمیق ارتفاع کمی دارد ولی سرعتش زیاد است و نزدیک ساحل بلند می‌شود.

جزر و مد حاصل جاذبهٔ ماه و خورشید است؛ آب در سمت رو به ماه و سمت مقابل بالا می‌آید (مد) و در جاهای میانی پایین می‌رود (جزر). فاصلهٔ دو مد متوالی حدود ۱۲ ساعت و ۲۵ دقیقه است: مد ۶:۰۰ صبح، مد بعدی ۱۸:۲۵ است و هر روز حدود ۵۰ دقیقه دیرتر. در ماه نو و ماه کامل جزر و مد بسیار قوی و در ربع اول و آخر ضعیف است.

جریان‌های ثقلی: آب سرد، شور و سنگین زیر آب گرم، کم‌نمک و سبک فرو می‌رود. جریان‌های سطحی مثل گلف استریم و کوروشیو از بادهای غالب، چرخش زمین، تغییر چگالی و شکل حوضهٔ اقیانوسی پدید می‌آیند؛ گلف استریم گرما را از استوا به عرض‌های بالا می‌رساند و هوای اروپای غربی را ملایم می‌کند.

نکته‌های تکمیلی و خودآزمایی

اگر از ۲۰۰ لیتر آب کل زمین ۳٪ شیرین باشد، $200\times0.03=6\,\text{L}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین شیرین است. هوایی که $8\,\text{g}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین بخار دارد و ظرفیتش $16\,\text{g}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است، رطوبت نسبی $50$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین درصد دارد. گرمای لازم برای ۲۰ درجه گرم کردن $500\,\text{g}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین آب برابر $500\times4.2\times20=42000\,\text{J}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است. اگر مد ساعت ۳:۱۰ بعدازظهر باشد، مد بعدی حدود ۳:۳۵ بامداد روز بعد است. آب شور و سرد چگالی بیشتری دارد و به عمق می‌رود؛ این جریان ثقلی (چگالی) است. پدیده‌های سطحی و چرخهٔ آب‌های سطحی با تبخیر از گرمای خورشید آغاز و با نزولات جوی تکمیل می‌شود و دوباره تکرار می‌شود. در چرخهٔ آب، بخشی که به زمین نفوذ می‌کند آب زیرزمینی می‌شود و بخشی که جاری شود به رودخانه و بیشتر آن در نهایت به دریا می‌رسد.

اشتباه‌های رایج

اشتباه	درست
چرخهٔ آب تغییر شیمیایی است.	فقط حالت آب عوض می‌شود؛ فیزیکی است.
بیشتر آب زمین شیرین است.	فقط حدود ۳٪ شیرین است.
در موج، آب با موج جابه‌جا می‌شود.	انرژی منتقل می‌شود.
رودخانهٔ مسن شیب تند دارد.	شیب تند مال رودخانهٔ جوان است.
جزر و مد فقط از ماه می‌آید.	ماه و خورشید هر دو مؤثرند.