הידרוספרה

מתוך אנציקלופדיה, המכון למדעי כדור הארץ, האוניברסיטה העברית

קפיצה אל: ניווט, חיפוש

הידרוספרה היא שם לכלל המים בכדור הארץ. כדור הארץ נקרא גם "כוכב הלכת הכחול" מכיוון שבמבט מהחלל הוא נראה בגוון כחול, בניגוד לכוכבי הלכת האחרים במערכת השמש, שנראים מהחלל בגווני אדום וירוק. כדור הארץ הוא כחול הודות לשפע המים המצויים על גבי מעטפתו, שהרי האוקיינוסים מכסים כשני שלישים משטח פניו.

הכתמים הלבנים שעל פני כדור הארץ הם בזכות כיפות הקרח המכסות את שני הקטבים ובזכות העננים שבאטמוספרה. שתי הופעות אלו אף הן הופעות של מים. שפע המים בכדור הארץ ותכונותיהם המיוחדות מאפשרים את קיומם של הצמחים ושל בעלי החיים. על כוכבי הלכת האחרים במערכת השמש אין כנראה יצורים חיים. הטמפרטורות על פני כוכבי הלכת הקרובים לשמש גבוהות מדי, ואם נמצאים שם מים הם יופיעו בצורת אדים. ואילו על פני כוכבי הלכת הרחוקים מהשמש הטמפרטורות נמוכות מדי, ואם נמצאים שם מים הם יהיו קפואים. קיומם של החיים אפשרי רק בטווח הטמפרטורות השורר בכדור הארץ, ובהם המים מופיעים בשלושת מצבי הצבירה: מים נוזלים, אדים וקרח.

את מעטפת המים מסביב לכדור הארץ נהוג לכנות הידרוספרה. ההידרוספרה היא אחת מתוך ארבע קליפות כדוריות העוטפות את כדור הארץ: הליתוספרה - מעטפת הסלעים; האטמוספרה - מעטפת האוויר; הביוספרה - מעטפת החיים; וההידרוספרה - מעטפת המים. הגבולות בין המעטפות אינם חדים. ההידרוספרה חופפת במקצת את הליתוספרה שהרי מי תהום מצויים בתוך הסלעים. ההידרוספרה חופפת במקצת גם את האטמוספרה שהרי אדי המים מצויים באוויר. ההידרוספרה חופפת במקצת גם את הביוספרה שהרי היצורים החיים מכילים מים רבים (כ-80% ממשקל גופם). ברור, שהאוקיינוסים והקרחונים, שאינם כלולים בשלוש המעטפות האחרות, הם נפחה העיקרי של ההידרוספרה. במערכת הקליפות הללו יש להידרוספרה תפקיד מיוחד. באמצעות מגוון תהליכים פיזיקאליים, כימיים וביולוגיים, הקשורים לתכונות המיוחדות של המים, היא מחברת את שלוש המעטפות האחרות זו לזו.

רכיבי ההידרוספרה

המים העיליים ומי תהום: מתוך כל רכיבי ההידרוספרה, המים הראויים לשימוש האדם הם המים העיליים - המצויים על לפני היבשות, ומי התהום - המצויים בסלעים תחת פני היבשות. לעומתם, מי האוקיינוסים וכיפות הקרח אינם ראויים לשימוש בצורתם הטבעית. המים העיליים, היינו האגמים והנהרות, הם מקור האספקה העיקרי של המים בשל היותם זמינים ונוחים לניצול. משום כך התפתחו התרבויות העתיקות בעולם בסמוך למקורות המים העיליים. מי התהום, הקשים יותר להפקה, מנוצלים בעולם באופן חלקי בלבד. עם זאת, באזורים השחונים יותר, שיש בהם מחסור במים עיליים, מנוצלים מי התהום באופן אינטנסיבי יותר. אכן, בישראל מספקים המים העיליים (הכינרת והנחלים) רק כשליש מהצריכה השוטפת, ומי התהום כשני שלישים.

המים העיליים הם כאמור מי האגמים והנהרות. האגם הגדול ביותר בעולם הוא הים הכספי ביבשת אסיה (370,000 קמ"ר). אגמים מפורסמים נוספים הם ימת ארל וימת ביקל באסיה, הימות במזרח אפריקה, והאגמים בגבול ארצות הברית-קנדה.

הנהר הארוך ביותר בעולם הוא הנילוס שבאפריקה (6,700 ק"מ), והנהר בעל הספיקה הגבוהה ביותר בעולם הוא האמזונס בדרום אמריקה (175,000 מ"ק בשניה).

האגמים והנהרות משמשים את האדם לא רק כמקור מים (לשימוש עירוני, חקלאי ותעשייתי) אלא גם כמקור להפקת אנרגיה ולנתיבי שיט. השימושים השונים נגזרים כמובן מהתנאים הסביבתיים, ובכללם: הממדים הפיזיים של גוף המים, מהירות הזרימה, איכות המים, השינויים העונתיים בזרימה, וכמובן הצרכים האנושיים המקומיים.

מהירות זרימת המים גוברת ככל שאספקת המים גוברת. אכן הזרימה בנהרות מתגברת בעונות הגשומות (או בזמן הפשרת השלגים) ועלולה לגרום לשיטפונות, להצפות של מישורים רחבים, המאוכלסים לפעמים בצפיפות, ולנזקים כבדים בנפש וברכוש. מדינות רבות בעולם נפגעות מדי שנה מנזקי השיטפונות. מהירות הזרימה גוברת גם כששיפוע הערוץ גדל.

פעמים רבות הופכת הזרימה לטורבולנטית, היינו זרימה במערבולות בעצמות שונות ובגדלים שונים. הזרימה בנחלים ובנהרות היא בעלת אנרגיה רבה, ועל כן היא מסוגלת להסיע מסות עצמות של אבנים, סלעים ובוץ למרחקים גדולים. באזורים צחיחים, שמתרחשים בהם שיטפונות בלתי צפויים, הסעת הסחף בערוצי הנחלים עשויה לשנות את תבליט פני השטח באופן חריף.

זמני השהייה ברכיבי ההידרוספרה: השוואה בין נפח המים המצוי במאגר מסוים לבין השטף הנכנס אליו (או היוצא ממנו) מספקת מידע אודות זמן השהייה האופייני של מולקולות המים באותו מאגר. לצורך המחשה נבדוק את זמן השהייה של המים באגם הכינרת. נפח המים באגם הוא בקירוב 4 מיליארד מטרים מעוקבים (מיליארד מ"ק הם קילומטר מעוקב), ובכל שנה נכנסים אל האגם בקירוב 0.8 מיליארד מ"ק ויוצאים ממנו 0.8 מיליארד מ"ק. חלוקת הנפח בשטף נותנת זמן שהייה של 5 שנים, כלומר מולקולת מים שוהה בכינרת 5 שנים בממוצע. אף על פי שיש אפשרות שמולקולת מים אחת תיכנס לכינרת ותצא ממנה באותה שנה, ויש אפשרות שמולקולת מים אחרת תשהה באגם 10 שנים ויותר ורק אחר כך תצא, בכל אופן מולקולת מים ממוצעת תשהה באגם 5 שנים.

נחזור ונחשב את זמן השהייה של המים ברכיבי ההידרוספרה, נבדוק תחילה את המים באטמוספרה: כמות הגשם היורדת על פני כל שטח כדור הארץ בשנה אחת היא 500,000 ק"מ מעוקבים (385,000 ק"מ מעוקבים על היבשות) ונפח האדים באטמוספרה בכל רגע הוא 13,000 ק"מ מעוקבים. לפיכך זמן השהייה הוא 13/500 שנה, דהיינו כמעט 10 ימים. ניתן להסתכל על מספרים אלו מנקודת מבט נוספת: כמות הגשמים השנתית גדולה פי 40 לערך מכמות המים הנמצאת באטמוספרה בנקודת זמן מסוימת. כלומר בשנה אחת הלחות שבאטמוספרה התמלאה (וגם התרוקנה) 40 פעמים לערך.

דוגמה הפוכה, מה הוא זמן השהייה הממוצע של מים באוקיינוסים? נפח המים באוקיינוסים הוא 1,320 מיליון ק"מ מעוקב, ובכל שנה עוזבים את האוקיינוסים באידוי 0.425 מיליון ק"מ מעוקב מים (כמות זהה גם נכנסת לאוקיינוס כל שנה מגשמים ומזרימה מהיבשות). לפיכך יש צורך ביותר מ - 3,000 שנה כדי לרוקן (או למלא) פעם אחת את האוקיינוסים. במילים אחרות, מולקולת מים ממוצעת שוהה באוקיינוסים כ - 3,000 שנים. באופן דומה ניתן לחשב ולראות שזמן השהייה הממוצע של מים בנהרות הוא 10 ימים, באגמים המתוקים הוא כ - 10 שנים, במי התהום הרדודים הוא כ - 100 שנים ובמי תהום עמוקים כ - 10,000 שנים.

חשיבות רבה נודעת למשך זמן השהייה בהקשר לתהליכי המלחה וזיהום. זמן שהייה קצר מאפשר להחליף מים נקיים במים מזוהמים בזמן קצר, וכן להפך, להחליף מים מזוהמים במים נקיים בזמן קצר. מי נהר, לדוגמה, יכולים להזדהם במשך ימים בודדים ועד עשרות ימים, אולם שכניסת המזהמים הסתיימה, הנהר ישתקם במהירות דומה על ידי החלפת מימיו. לעומת זאת, מי התהום מזדהמים באטיות (במשך מאות שנים, אלפי שנים ולפעמים אף רבבות שנים) לכן צריך גם זמן רב כדי לשקמם.

הסעת אנרגיה באמצעות המים: התהליכים הדינמיים בכדור הארץ מופעלים באמצעות שני "מנועים" המייצרים אנרגיות חום באופן תמידי. המנוע החיצוני הוא קרינת השמש והמנוע הפנימי הוא ההתפרקות הרדיואקטיבית בפנים כדור הארץ. מחזור המים בטבע הוא חלק מרכזי בתהליכי העברת החום של שני המנועים, כפי שמפורט להלן.

עצמת קרינת השמש אינה אחידה על פני כדור הארץ. הקרינה גבוהה יחסית באזור קו המשווה ולכן אזור זה יתחמם בהתמדה, הקרינה נמוכה בקווי רוחב צפוניים ודרומיים ולכן אזורים אלו עשויים להתקרר באופן תמידי. המים בולמים את שני התהליכים על ידי העברת עודף החום המצטבר באזור קו המשווה ולכיוון הקטבים. האנרגיה מועברת בשני מסלולים: זרמי מים באוקיינוסים וזרמי אוויר באטמוספרה. אנרגיית השמש נספגת במי האוקיינוסים וזרמי אוויר באטמוספרה. אנרגית השמש נספגת במי האוקיינוסים בהתאם לערך קיבול החום של המים, היינו 1 קלוריה לגר' מעלה (כלומר העלאת הטמפרטורה של גרם מים אחד במעלת צ'לסיוס אחת נעשית באמצעות אנרגיה של קלוריה אחת). אנרגיית השמש נספגת במי האוקיינוסים באזור קו המשווה והאוקיינוסים מתחממים, ולאחר זרימת המים צפונה ודרומה משתחררת האנרגיה אל הסביבה תוך כדי קירור המים. בו בזמן אנרגיה נוספת מועברת מאזור קו המשווה צפונה ודרומה דרך האטמוספרה. העברה זו נעשית על ידי שינוי מצב הצבירה של המים. התאדות מי האוקיינוסים אל האטמוספרה באזור קו המשווה נעשית באמצעות ספיגת אנרגיה בערך השווה לחום הכמוס במים, היינו 580 קלוריות לגר' מים (בלי שינוי הטמפרטורה אלא רק בשינוי מצב הצבירה). אדי המים מוסעים צפונה ודרומה וכשהם מתעבים חזרה לטיפות מים (ויורדים גשמים), משחררת האנרגיה שהייתה כמוסה באדים אל הסביבה.

העברת החום הנוצר בפנים כדור הארץ, בגלל התפרקויות רדיואקטיביות, החוצה אל פני השטח, קשורה אף היא למחזור המים בטבע (באופן חלקי בלבד שהרי הפעילות הוולקנית היא המנגנון העיקרי). מי הגשמים הקרים מחלחלים למעמקים, קולטים חום מהסלעים החמים, עולים אל פני השטח ונובעים כמעיינות המים. אף בתהליך זה כמות האנרגיה המוסעת עם המים נקבעת לפי ערך קיבול החום שלהם, וכשנוצר קיטור (למשל בגייזרים), יש להתחשב אף בערך החום הכמוס במים.

מחזור המים בטבע מסייע אפוא לפיזור האנרגיה שמייצרים שני המנועים (קרינת השמש והתפרקויות רדיואקטיביות) על פני כל כדור הארץ. פיזור האנרגיה באמצעות המים יעיל ביותר מכיוון שלמים יכולת לקלוט ולשחרר חום בכמויות עצומות (קיבול החום של המים גבוה פי 4 לערך מקיבול החום של הסלעים). במילים אחרות, קליטת חום רב על ידי המים תעלה את הטמפרטורה של המים במידה קטנה בהשוואה לחומרים אחרים המצויים בטבע. זאת ועוד, שינוי מצב הצבירה של המים מלווה בקיבול חום בכמות עצומה ללא שינוי הטמפרטורה. אגב, משום כך גם קירור תחנות כוח בעולם נעשה באמצעות מים.

נושא זה נחקר במכון למדעי כדור הארץ באוניברסיטה העברית בירושלים http://earth.huji.ac.il

כלים אישיים