بيئة تحت الماء

المحيط هو مسطح مائي يشكل جزءًا كبيرًا من الغلاف المائي للكوكب . ^{[ 1 ]} على كوكب الأرض ، يُعد المحيط أحد التقسيمات الرئيسية التقليدية للمحيط العالمي . وهذه التقسيمات، مرتبة تنازليًا حسب المساحة، هي: المحيط الهادئ ، والمحيط الأطلسي ، والمحيط الهندي ، والمحيط الجنوبي (أنتاركتيكا)، والمحيط المتجمد الشمالي . ^{[ 2 ] [ 3 ]} غالبًا ما تُستخدم كلمة "محيط" كمرادف لكلمة "بحر" في اللغة الإنجليزية الأمريكية . من الناحية الدقيقة، البحر هو مسطح مائي (عادةً ما يكون جزءًا من المحيط العالمي) محاط جزئيًا أو كليًا باليابسة، ^{[ 4 ]} مع أن مصطلح " البحر " يشير أيضًا إلى المحيطات.

تغطي المياه المالحة مساحة تقارب 361 مليون كيلومتر ^مربع (139 مليون ميل مربع ) ، وتنقسم عادةً إلى عدة محيطات رئيسية وبحار أصغر، حيث يغطي المحيط حوالي 71% من سطح الأرض و90% من غلافها الحيوي . ^{[ 5 ]} يحتوي المحيط على 97% من مياه الأرض، وقد ذكر علماء المحيطات أن أقل من 100% من محيط العالم قد تم استكشافه. ^{[ 5 ]} يبلغ حجمه الإجمالي حوالي 1.35 مليار كيلومتر مكعب (320 مليون ميل مكعب) بمتوسط ​​عمق يقارب 3700 متر (12100 قدم) . ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}    

البحيرة هي منطقة مائية تقع في حوض محاط باليابسة، بمعزل عن أي نهر أو منفذ آخر يغذيها أو يصرف مياهها. ^{[ 9 ]} تقع البحيرات على اليابسة وليست جزءًا من المحيط ، ولذلك فهي تختلف عن البحيرات الشاطئية ، كما أنها أكبر وأعمق من البرك ، على الرغم من عدم وجود تعريفات رسمية أو علمية لها. ^{[ 10 ]} يمكن مقارنة البحيرات بالأنهار أو الجداول ، التي عادةً ما تكون جارية. تتغذى معظم البحيرات وتُصرف بواسطة الأنهار والجداول. توجد البحيرات الطبيعية عمومًا في المناطق الجبلية، ومناطق الصدوع ، والمناطق التي تشهد تجلدًا مستمرًا . توجد بحيرات أخرى في الأحواض المغلقة أو على طول مجاري الأنهار الناضجة. في بعض أنحاء العالم، توجد بحيرات كثيرة بسبب أنماط الصرف الفوضوية المتبقية من العصر الجليدي الأخير . جميع البحيرات مؤقتة على المدى الجيولوجي، حيث تمتلئ ببطء بالرواسب أو تفيض من الحوض الذي يحتويها. العديد من البحيرات اصطناعية ويتم إنشاؤها للاستخدام الصناعي أو الزراعي، أو لتوليد الطاقة الكهرومائية أو إمدادات المياه المنزلية، أو لأغراض جمالية أو ترفيهية، أو أنشطة أخرى.

البركة هي مساحة مائية، طبيعية كانت أم اصطناعية، أصغر من البحيرة . ^{[ 11 ]} قد تنشأ البركة طبيعيًا في السهول الفيضية كجزء من نظام نهري، أو تكون منخفضًا معزولًا نوعًا ما (مثل البركة الجليدية ، أو البركة الربيعية ، أو حفرة البراري ). وقد تحتوي على مياه ضحلة مع نباتات وحيوانات مستنقعية ومائية. ^{[ 12 ]} غالبًا ما تكون البرك من صنع الإنسان أو يتم توسيعها لتتجاوز عمقها وحدودها الأصلية. ومن بين استخداماتها العديدة، توفر البرك المياه للزراعة وتربية الماشية، وتساعد في استعادة الموائل الطبيعية، وتُستخدم كمفرخات للأسماك، وتُعد عنصرًا من عناصر هندسة المناظر الطبيعية، وقد تُخزن الطاقة الحرارية كبرك شمسية ، وتُعالج مياه الصرف الصحي كبرك معالجة . وقد تكون البرك عذبة أو مالحة أو قليلة الملوحة .

النهر هو مجرى مائي طبيعي ، عادةً ما يكون من المياه العذبة ، يتدفق بفعل الجاذبية على المحيط أو البحيرة أو نهر آخر، أو يتسرب إلى باطن الأرض. ويمكن الإشارة إلى الأنهار الصغيرة بأسماء مثل الجدول ، والخور، والجدول الصغير، والجدول المائي . لا توجد تعريفات رسمية لمصطلح "النهر" بشكل عام عند تطبيقه على المعالم الجغرافية . ^{[ 13 ]} تُعد الأنهار جزءًا من الدورة الهيدرولوجية ؛ حيث تتجمع المياه عادةً في النهر من هطول الأمطار في حوض التصريف ، ومن الجريان السطحي ، ومن مصادر أخرى مثل تغذية المياه الجوفية ، والينابيع ، وذوبان المياه المخزنة في الجليد والثلج الطبيعيين. علم الأنهار هو الدراسة العلمية للأنهار، بينما علم البحيرات هو دراسة المياه الداخلية بشكل عام.

الخزان الجوفي هو طبقة تحت الأرض من الصخور النفاذة الحاملة للماء ، أو الشقوق الصخرية، أو المواد غير المتماسكة (كالحصى والرمل والطمي ) . يُطلق على دراسة تدفق المياه في الخزانات الجوفية وتوصيفها اسم علم المياه الجوفية . إذا كانت هناك طبقة غير نفاذة تعلو الخزان الجوفي، فقد يؤدي الضغط إلى تحويله إلى خزان جوفي محصور. ^{[ 14 ]}

يمكن تصنيف طبقات المياه الجوفية إلى مسامية أو كارستية ، حيث تحتوي طبقة المياه الجوفية المسامية على الماء في الفراغات بين حبيبات الرواسب أو الصخور الرخوة (عادة الرمل أو الحجر الرملي )، بينما تحتوي طبقة المياه الجوفية الكارستية على الماء بشكل رئيسي في فراغات كبيرة نسبيًا في صخور غير منفذة نسبيًا، مثل الحجر الجيري أو الدولوميت . ^{[ 15 ]}

يمكن تصنيف الكهوف المائية إلى كهوف نشطة وكهوف قديمة: الكهوف النشطة تتدفق فيها المياه، أما الكهوف القديمة فلا تتدفق فيها المياه، مع أنها قد تحتفظ ببعض الماء. تشمل أنواع الكهوف النشطة كهوف التدفق الداخلي (التي يصب فيها مجرى مائي)، وكهوف التدفق الخارجي (التي يخرج منها مجرى مائي)، والكهوف العابرة (التي يخترقها مجرى مائي). ^{[ 16 ]}

الخزان، في أغلب الأحيان، عبارة عن بحيرة أو بركة أو حوض مائي طبيعي أو اصطناعي مُكبَّر، يُنشأ باستخدام سد أو قناة لتخزين المياه. ويمكن إنشاء الخزانات بعدة طرق، منها التحكم في مجرى مائي يُصرف مياه مسطح مائي قائم، أو قطع مجرى مائي لتشكيل خليج داخله، أو عن طريق الحفر، أو بناء جدران استنادية أو سدود ترابية . أما القنوات فهي ممرات مائية اصطناعية قد تحتوي على سدود وقنوات تُنشئ خزانات ذات تدفق مائي بطيء.

تبلغ كثافة الماء حوالي غرام واحد لكل سنتيمتر مكعب (62 رطل/ قدم مكعب). تتغير الكثافة بتغير درجة الحرارة، ولكن ليس بشكل خطي: ​​فمع ارتفاع درجة الحرارة، ترتفع الكثافة إلى ذروتها عند 3.98 درجة مئوية (39.16 درجة فهرنهايت) ثم تنخفض؛ وهذا أمر غير معتاد. ^{[ 17 ]} كما أن الجليد السداسي المنتظم أقل كثافة من الماء السائل؛ فعند تجمده، تنخفض كثافة الماء بنحو 9%. ^{[ 18 ]} تعود هذه التأثيرات إلى انخفاض الحركة الحرارية مع التبريد، مما يسمح لجزيئات الماء بتكوين المزيد من الروابط الهيدروجينية التي تمنع الجزيئات من الاقتراب من بعضها البعض. ^{[ 17 ]} بينما عند درجات حرارة أقل من 4 درجات مئوية، يسمح انكسار الروابط الهيدروجينية بسبب التسخين لجزيئات الماء بالتقارب أكثر على الرغم من زيادة الحركة الحرارية (التي تميل إلى تمديد السائل)، فإن الماء يتمدد عند درجات حرارة أعلى من 4 درجات مئوية مع ارتفاع درجة الحرارة. ^{[ 17 ]} الماء القريب من نقطة الغليان أقل كثافة بنحو 4% من الماء عند 4 درجات مئوية (39 درجة فهرنهايت) . ^{[ 18 ] [ أ ]}        

يُعد منحنى الكثافة غير المعتاد وانخفاض كثافة الجليد مقارنةً بالماء أمرًا حيويًا للحياة؛ فلو كانت كثافة الماء في أعلى مستوياتها عند نقطة التجمد، لغرقت المياه شديدة البرودة على سطح البحيرات والمسطحات المائية الأخرى في الشتاء، ولتجمدت البحيرة من الأسفل إلى الأعلى، مما يؤدي إلى فناء جميع الكائنات الحية فيها. ^{[ 18 ]} علاوة على ذلك، ونظرًا لأن الماء عازل حراري جيد (بسبب  سعته الحرارية)، فقد لا تذوب بعض البحيرات المتجمدة تمامًا في الصيف. ^{[ 18 ]} تعمل طبقة الجليد الطافية على السطح على عزل الماء الموجود أسفلها. ^{[ 19 ]} كما يغرق الماء عند درجة حرارة 4  درجات مئوية (39  درجة فهرنهايت) تقريبًا إلى القاع، مما يحافظ على ثبات درجة حرارة الماء في القاع (انظر الرسم التوضيحي). ^{[ 18 ]}

تعتمد كثافة مياه البحر على نسبة الأملاح الذائبة ودرجة الحرارة. يبقى الجليد طافيًا في المحيطات، وإلا لتجمدت من الأسفل إلى الأعلى. تُخفّض نسبة الأملاح درجة التجمد بنحو 1.9  درجة مئوية، وتُخفّض درجة حرارة أعلى كثافة للماء إلى درجة تجمد المياه العذبة عند 0  درجة مئوية. ^{[ 20 ]} لهذا السبب، في مياه المحيطات، لا يعيق تمدد الماء عملية الحمل الحراري الهابط للمياه الباردة عند انخفاض درجة حرارتها قرب نقطة التجمد. تستمر المياه الباردة في المحيطات قرب نقطة التجمد بالغرق. لذا، تعيش الكائنات التي تعيش في قاع المحيطات الباردة، كالمحيط المتجمد الشمالي ، في مياه أبرد بـ 4  درجات مئوية من قاع البحيرات والأنهار المتجمدة .

عندما يبدأ سطح مياه البحر بالتجمد (عند درجة حرارة -1.9  درجة مئوية وملوحة 3.5%)، يكون الجليد المتكون خالياً من الملح تقريباً، وله كثافة مماثلة لكثافة جليد المياه العذبة. ^{[ 20 ]} يطفو هذا الجليد على السطح، ويساهم الملح المتجمد في زيادة ملوحة وكثافة مياه البحر أسفله مباشرةً، في عملية تُعرف باسم طرد المحلول الملحي . تغوص هذه المياه المالحة الأكثر كثافة بفعل الحمل الحراري، مما ينتج عنه جليد مياه عذبة تقريباً عند درجة حرارة -1.9  درجة مئوية على السطح. ^{[ 20 ]} على نطاق واسع، تؤدي عملية طرد المحلول الملحي وغرق المياه المالحة الباردة إلى تشكل تيارات محيطية تنقل هذه المياه بعيداً عن القطبين، مما يؤدي إلى نظام عالمي من التيارات يُسمى الدوران الحراري الملحي .

مع ازدياد العمق تحت الماء، يمتص ضوء الشمس ، وتقل كمية الضوء المرئي . ولأن الامتصاص يكون أكبر للأطوال الموجية الطويلة (الطرف الأحمر من الطيف المرئي ) مقارنةً بالأطوال الموجية القصيرة (الطرف الأزرق من الطيف المرئي)، يتغير طيف الألوان بسرعة مع ازدياد العمق. تبدو الأجسام البيضاء على السطح زرقاء تحت الماء، والأجسام الحمراء داكنة، بل سوداء. ورغم أن اختراق الضوء يقل في المياه العكرة  ، إلا أنه في مياه المحيط الصافية جدًا، لا يصل إلى عمق 10 أمتار (33 قدمًا) سوى أقل من 25% من ضوء السطح  . أما على عمق 100  متر (330  قدمًا)، فإن ضوء الشمس الموجود عادةً ما يمثل حوالي 0.5% من الضوء الموجود على السطح.

العمق الضوئي هو العمق الذي تنخفض عنده شدة الضوء إلى 1% من قيمتها على السطح. ويعتمد هذا العمق على صفاء الماء، إذ لا يتجاوز بضعة أمتار تحت الماء في مصبات الأنهار العكرة، ولكنه قد يصل إلى 200 متر في المحيط المفتوح. عند هذا العمق الضوئي، لا تحصل النباتات (مثل العوالق النباتية ) على أي طاقة صافية من عملية التمثيل الضوئي، وبالتالي لا تستطيع النمو.

تتكون درجة حرارة المحيط من ثلاث طبقات: الطبقة السطحية ، والطبقة الحرارية ، والمحيط العميق . يبلغ متوسط ​​درجة حرارة الطبقة السطحية حوالي 17  درجة مئوية. ويقع حوالي 90% من مياه المحيط أسفل الطبقة الحرارية في المحيط العميق، حيث تقل درجة حرارة معظم المياه عن 4  درجات مئوية. ^{[ 21 ]}

توجد شذوذات في درجات الحرارة في المواقع البركانية النشطة والفتحات الحرارية المائية ، حيث يمكن أن تتجاوز درجات حرارة المياه العميقة 100  درجة مئوية بشكل كبير.

ينقل الماء الحرارة بكفاءة تفوق كفاءة الهواء بنحو 25 مرة. ويحدث انخفاض حرارة الجسم ، وهي حالة قد تكون قاتلة، عندما تنخفض درجة حرارة الجسم الداخلية عن 35  درجة مئوية. ويُعدّ عزل حرارة الجسم عن الماء الغرض الرئيسي من بدلات الغوص وبدلات التعريض للماء عند استخدامها في درجات حرارة مائية تقل عن 25  درجة مئوية.

ينتقل الصوت في الماء أسرع بنحو 4.3 مرة (1484  م/ث في الماء العذب) منه في الهواء (343  م/ث). يستطيع الدماغ البشري تحديد اتجاه الصوت في الهواء من خلال رصد اختلافات طفيفة في زمن وصول الموجات الصوتية إلى كل أذن. ولهذه الأسباب، يجد الغواصون صعوبة في تحديد اتجاه الصوت تحت الماء. وقد تكيفت بعض الحيوانات مع هذا الاختلاف، ويستخدم الكثير منها الصوت للتنقل تحت الماء.

توجد عدة فئات من المخاطر التي تهدد الإنسان والمتأصلة في البيئة تحت الماء.

• غياب الغاز القابل للتنفس، والذي يمكن أن يسبب الاختناق ، وتحديداً الغرق .
• الضغوط المحيطة التي يمكن أن تسبب الرضح الضغطي ، أو الآثار السامة لاستنشاق مكونات الغاز عند ضغوط جزئية مرتفعة.
• درجات الحرارة المحيطة التي قد تؤدي إلى انخفاض حرارة الجسم ، أو في حالات نادرة، إلى ارتفاع حرارة الجسم ، بسبب ارتفاع معدلات تبادل الحرارة.
• قد يؤدي ذوبان مكونات غاز التنفس الخامل إلى الإصابة بمرض تخفيف الضغط إذا كان تخفيف الضغط سريعًا جدًا.
• قد يؤدي انجراف الغواص بفعل المياه المتحركة في التيارات والأمواج إلى إصابته عن طريق اصطدامه بأجسام صلبة أو نقله إلى أعماق غير مناسبة.
• كائنات مائية خطيرة من أنواع مختلفة.

في الغوص تحت الضغط المحيط، يتعرض الغواص مباشرةً لضغط الماء المحيط. ويمكنه الغوص مع حبس النفس، أو باستخدام أجهزة التنفس الخاصة بالغوص الحر أو الغوص السطحي ، كما أن تقنية الغوص بالتشبع تقلل من خطر الإصابة بمرض تخفيف الضغط بعد الغطسات العميقة طويلة الأمد. يؤثر الانغماس في الماء والتعرض للماء البارد والضغط العالي على فسيولوجيا الغواص، مما يحد من الأعماق والمدة الممكنة في الغوص تحت الضغط المحيط. يُعدّ حبس النفس عائقًا كبيرًا، كما أن التنفس تحت ضغط محيط عالٍ يزيد من التعقيدات، بشكل مباشر وغير مباشر. وقد طُوّرت حلول تقنية تُمكن من زيادة عمق ومدة الغطس البشري تحت الضغط المحيط بشكل كبير، وتسمح بإنجاز أعمال مفيدة تحت الماء. ^{[ 29 ]}

يمكن عزل الغواص عن الضغط الجوي باستخدام بدلة غوص جوية (ADS)، وهي عبارة عن غواصة صغيرة لشخص واحد، مفصلية الشكل، تشبه درعًا واقيًا ، مزودة بمفاصل مقاومة للضغط تسمح بالحركة مع الحفاظ على ضغط داخلي يعادل ضغطًا جويًا واحدًا. يمكن استخدام بدلة الغوص الجوية للغوص على أعماق تصل إلى 700 متر (2300 قدم) لعدة ساعات، وهي تقضي على معظم المخاطر الفسيولوجية المرتبطة بالغوص العميق؛ فلا يحتاج الغواص إلى تخفيف الضغط، ولا حاجة إلى مخاليط غازية خاصة، كما لا يوجد خطر الإصابة بمرض تخفيف الضغط أو التسمم النيتروجيني ، ويتم عزل الغواص بشكل فعال عن معظم الكائنات المائية. ^{[ 30 ]} لا يشترط أن يكون الغواص سباحًا ماهرًا، ولكن الحركة والبراعة تتأثران بشكل ملحوظ. 

الغواصة هي مركبة مائية صغيرة مصممة للعمل تحت الماء. يُستخدم مصطلح "الغواصة" غالبًا للتمييز بينها وبين المركبات الأخرى تحت الماء المعروفة باسم الغواصات ، حيث أن الغواصة مركبة ذاتية التشغيل بالكامل، قادرة على تجديد طاقتها وتزويد نفسها بالهواء، بينما عادةً ما تُدعم الغواصة بسفينة سطحية أو منصة أو فريق ساحلي أو أحيانًا بغواصة أكبر. توجد أنواع عديدة من الغواصات، بما في ذلك المركبات المأهولة وغير المأهولة، والمعروفة أيضًا باسم المركبات التي يتم تشغيلها عن بُعد أو ROVs. ^{[ 31 ]}

تُعدّ المركبات المائية التي تُشغّل عن بُعد والمركبات المائية ذاتية التشغيل جزءًا من مجموعة أكبر من الأنظمة تحت الماء تُعرف باسم المركبات المائية غير المأهولة . تكون هذه المركبات غير مأهولة، وعادةً ما تتمتع بقدرة عالية على المناورة، ويُشغّلها طاقم إما على متن سفينة/منصة عائمة أو على اليابسة. يتم ربطها بالسفينة المضيفة بواسطة حبل طفو محايد، أو باستخدام كابل توصيل مُحمّل مع نظام إدارة الحبل (TMS). يحتوي كابل التوصيل على مجموعة من الموصلات الكهربائية والألياف الضوئية التي تنقل الطاقة الكهربائية والفيديو وإشارات البيانات بين المُشغّل ونظام إدارة الحبل. عند استخدامه، يقوم نظام إدارة الحبل بإعادة توجيه الإشارات والطاقة إلى المركبة المائية عبر كابل التوصيل. وبمجرد وصول الطاقة الكهربائية إلى المركبة المائية، يتم توزيعها بين مكوناتها. في التطبيقات عالية الطاقة، تُستخدم معظم الطاقة الكهربائية لتشغيل محرك كهربائي عالي القدرة، والذي بدوره يُشغّل مضخة هيدروليكية للدفع وتزويد المعدات بالطاقة. معظم المركبات المائية مُجهزة على الأقل بكاميرا فيديو وأضواء. تُضاف عادةً معدات إضافية لتوسيع قدرات المركبة. المركبات الآلية تحت الماء (AUVs) هي روبوتات تتحرك تحت الماء دون الحاجة إلى تدخل من مشغل. الطائرات الشراعية تحت الماء هي فئة فرعية من المركبات الآلية تحت الماء. ^{[ 32 ]}