چرخه آب

چرخۀ آب (hydrologic cycle)

جریان پیوسته و مداوم آب از اقیانوس به جوّ و به خشکی و، از مسیرهای گوناگون، بازگشت مجدد آن به اقیانوس. شناخت فزایندۀ این چرخه از پژوهش‌های انجام‌شده در حوزۀ اقلیم‌شناسی و آب‌شناسی فراهم آمده است. در اقلیم‌شناسی نقش انرژی خورشیدی در تبخیر و بارش و جریانات جوّی بررسی می‌شود. آب‌شناسی با بررسی چگونگی حرکت آب بر روی و از درون زمین و چگونگی ذخیرۀ موقّت آن بر روی یا در درون زمین سروکار دارد. شرایط سخت «اقلیم بیابانی» دهۀ ۱۹۳۰ در امریکا احتمالاً به اندازۀ کافی انگیزه‌ ایجاد کرد که چرخۀ آب را مانند هر رویداد دیگری در دوران معاصر مطالعه و بررسی کنند. در تصور همگانی، برنامۀ ایجاد کمربندی از درختان جنگلی (بادشکن؛ درختان محافظ) که در سرتاسر «گریت ‌پِلِینز» از داکوتای شمالی تا تگزاس گسترده باشد، طرح عظیمی تلقی می‌شد که اقلیم تمامی ناحیۀ‌ دشت‌های بزرگ را تغییر می‌داد. گمان می‌رفت که افزایش تبخیر و تعرّق درختان بر بارش محلی (موضعی) خواهد افزود و به برطرف‌کردن دایمی خشکسالی‌ها و طوفان‌های شن کمک خواهد کرد. اما، چند سال بعد به‌طور قطع روشن شد که بارش موضعی و محلی نمی‌تواند با تغییر در عملیات کشت‌‌وکار محلی دستخوش تغییر و تعدیل زیاد شود. بررسی‌ها در امریکا و شوروی نشان داد که فقط حدود یازده درصد بارش بر زمین، حاصل رطوبتی است که توده‌های هوای خشک قاره‌ای آن را از طریق تبخیر و تعرق به نواحی خشک گردآوری می‌کنند. نزدیک به ۹۰ درصد بارشی که به درون نواحی قاره‌ای فرو می‌ریزد مآلاً از رطوبتی سرچشمه می‌گیرد که تبخیر شده، وارد توده‌های هوای استوایی اقیانوسی می‌شوند. بررسی مقادیر آب موجود در چرخۀ آب بر دو نکته تأکید دارد: این‌که آب در جوّ بسیار متحرک، و این‌که در تمام مراحل چرخه به هم پیوسته است. اگرچه کلّ اتلاف سالانه آب در هر بخش از سطح کرۀ زمین باید با کلّ بارش سالانه بر تمامی سطح این کره برابر باشد، مقدار زیادی از آب به‌صورت بخار از نواحی اقیانوسی به خشکی منتقل می‌شود و دوباره به جوّ برمی‌گردد. مقدار آبی که از این طریق انتقال می‌یابد تقریباً چهاربرابر مقداری است که رودخانه‌ها و نهرهای جهان به اقیانوس‌ها می‌ریزند. از آن‌جا که مقادیر آب در هر مرحلۀ چرخه رابطۀ تنگاتنگی با یکدیگر دارند، هرگونه تعدیل و تغییری در میزان بارش یا تبخیر و تعرق، یا در ذخیره یا نگهداری آب بر روی یا داخل خشکی، در سایر بخش‌های این چرخه تغییراتی به‌وجود می‌آورد. تمامی آب، خواه به شکل برف بر قلۀ کوهستانی دوردست، آب موجود در یک دریاچۀ نزدیک، و یا آب‌های واقع در زیر سطح زمین، بخشی از نظامی واحد است. کمیّت آب در مرحلۀ خشکیِ چرخۀ آب، قابل ملاحظه و نظرگیر است. از مقدار بارشی که بر یک ناحیۀ خشک فرو می‌بارد، مقادیر اندکی از آن در حالی که هنوز در هواست تبخیر می‌شود یا توسط گیاهان جذب می‌شود و بقیۀ آن به سطح زمین می‌رسد. آن‌گاه روی سطح زمین ذخیره می‌شود، در مواد سطحی رسوخ و نفوذ می‌کند، یا روی سطح جاری می‌شود تا در جای دیگر (رودخانه‌ها و نهرها، دریاچه‌ها، یا اقیانوس‌ها) ذخیره شود. مقداری از رطوبتِ جذب‌شده موقتاً در لایه‌های فوقانی خاک ذخیره می‌شود و سپس پوشش گیاهی آن را مصرف می‌کند، یا به‌صورت تعرّق یا مستقیماً از خاک تبخیر می‌شود. اگر خاک قبلاً اشباع شده باشد، رطوبت جذب‌شده از لایه‌های فوقانی خاک روبه پایین نشست خواهد کرد، و احتمالاً به سفرۀ آب می‌رسد و در آن‌جا به مخزن آب‌های زیرزمینی وارد می‌شود. در نهایت این آب به‌صورت جریان رود یا چشمه‌هایی که به رودهای دوردست می‌ریزند بار دیگر به سطح زمین می‌آید. نوشته‌های مربوط به چرخۀ آب منعکس‌کنندۀ تاریخچه‌ای از درهم‌ریختگی و درک غلط در این زمینه است. وقتی که افلاطون (ح ۴۰۰پ‌م) دربارۀ تشکیل رودخانه‌ها و چشمه‌سارها (وجهی از چرخۀ آب که برای دانشمندان و اندیشمندان باستان از اهمیت بسیاری برخوردار بود) توضیح داد، وجود بسیاری از راهروهای به هم مرتبط در درون زمین را بدیهی فرض کرد. وی اعتقاد داشت همۀ رودخانه‌ها و اقیانوس‌ها به یک مخزن بزرگ زیرزمینی سرازیر می‌شوند و این مخزن به‌نحوی تمامی آب‌های جاری و چشمه‌ها را تغذیه می‌کند. پس از آن، ارسطو نظر داد که هوای مرطوبی که در اطراف زمین حرکت می‌کند ناگزیر است در هنگام رسیدن به نواحی کوهستانی سرد رطوبتش را پس بدهد و به این وسیله منبع و سرچشمۀ رودخانه‌ها و چشمه‌ها فراهم می‌آید. این عقیده که آب جاری در کرۀ زمین به نواحی کوهستانی برمی‌گردد بیش‌ از ۱۸۰۰ سال بر اندیشۀ علمی حاکم بود. تصور وجود مجرای جوّی برای انتقال رطوبت دشوار بود، زیرا به‌نظر می‌رسید که بارش به‌تنهایی کافی نیست که جریان مداوم رودخانه‌ها و چشمه‌های مختلف را پایدار نگه‌ دارد. با ظهور علم آب‌شناسی کمّی در دهۀ ۱۶۰۰، کلود پِرو، دانشمند فرانسوی، و ادموند هالی، اخترشناس انگلیسی، به پژوهش‌های کمّی بنیادینی در این زمینه پرداختند که برخی از اصول اساسی آب‌شناسی و چرخۀ آب را تدوین و تثبیت کرد. پرو نشان داد که فقط حدود یک‌ششم بارش سالانه در حوزۀ آبریز رودخانۀ سِن برای تأمین کلّ آب جاری در این رودخانه در یک سال کافی است. در محاسبات بعدی هالی راجع به جریان رودخانه‌ای و آهنگ تبخیر، تأیید شد که در واقع برای تبیین عامل وجودی جریان رودخانه‌ای بارش به تنهایی کافی است. این مطالعات کمّی به این پرسش که چرخۀ آب چگونه عمل می‌کند پاسخی کامل ندادند، اما شالودۀ مستحکمی فراهم آوردند که دانشمندان بعدی نظرهای خود را دربارۀ جزئیات ویژۀ این چرخه بر پایۀ آن بنا نهند. تقریباً هر اقدامی که آدمیان بر سطح کرۀ زمین صورت داده‌اند، چرخۀ آب را دستخوش تغییر و تحول کرده است. در طول قرن‌ها پهنه‌های وسیعی از خشکی از جنگل به کشتزار و مرتع تبدیل شده‌اند. برخی از گرمدشت (ساوانا)های حاره‌ای و جنب حاره‌ای خشک هنگامی پدید آمدند که جنگل‌های برگ‌ریز اولیه را برای کشاورزی و کشت‌وکار تراشیدند. فزون‌چَری موجب شد که بسیاری از چشم‌اندازها از استپ (جلگۀ پهن بی‌درخت در شمال آسیا و جنوب شرقی اروپا که در مناطق خشک با عرض جغرافیایی میانه تشکیل می‌شود) به شبه‌استپ یا بیابان تبدیل شوند. قسمت اعظم تغییرات در انواع پوششِ گیاهیِ ناشی از فعالیت انسانی به ایجاد اقلیمی خشک‌تر و تغییراتی در کمیّت آب در مراحل مختلف چرخۀ آب منجر شده است. آدمی از طریق جنگل‌تراشی، شخم‌زدن زمین، زهکشی باتلاق‌ها، ساختن مخازن، و ایجاد مجتمع‌های شهری، در تبادل رطوبت بین زمین و جوّ تغییرات گسترده‌ای پدید آورده است. آدمی بلاهای دیگری هم بر سر جوّ آورده است که مرحلۀ بارش چرخۀ آب را تغییر داده است؛ برخی از اقدام‌های بشر عبارت‌اند از اضافه‌کردن غبار و سایر آلاینده‌ها و باردارسازی ابرها، هم آگاهانه وهم نادانسته، که الگوهای بارش را تغییر داده‌اند. دامنۀ پوشش ابر مقدار تابش خورشیدی بازتابیده را نیز تغییر می‌دهد، و این عامل هم به‌نوبۀ خود آثار اقلیمی بااهمیتی دارد. نمک‌زدایی آب شور برای دستیابی به آب شیرینِ بیشتر نیز به همین ترتیب بر چرخۀ آب تأثیر می‌گذارد، و حفر چاه‌های عمیق‌تر برای بیرون‌کشیدن آب‌ از آب‌خیزهایی که آب در آن‌جا تقریباً به‌طور دائمی ذخیره می‌شود، همین تأثیر را بر چرخۀ آب دارد.

 

---