אותם מים, תמיד בתנועה
בכדור הארץ יש כ־1.4 מיליארד קילומטרים מעוקבים של מים, וכמעט שום דבר מהם אינו חדש. כ־97% הם מים מלוחים באוקיינוסים. רוב המים המתוקים קפואים במעטות הקרח של אנטארקטיקה וגרינלנד, ורוב השאר נמצאים מתחת לפני הקרקע, כמי תהום. אגמים, נהרות, קרקע ואוויר מחזיקים רק פירור.
החלק של האוויר הוא הקטן מכולם, כ־13,000 קילומטרים מעוקבים. אילו ירד כולו בבת אחת, הוא היה מכסה את כדור הארץ בשכבה של 25 mm בלבד. ובכל זאת זה המסלול המהיר של המחזור: המים שבאוויר מתחלפים, בממוצע, כל תשעה ימים בערך. בכל יום השמש מרימה מהים כמות עצומה של מים, וכוח הכובד מוריד בחזרה כמות שווה. הלולאה האינסופית הזו היא מחזור המים.
הסצנה עוקבת אחריו לאורך רצועת חוף אחת: ים משמאל, מישור חוף, רכס הרים ורמה יבשה מעבר להם, ורוח קבועה שנושבת מהים.
התאדות: היצוא הבלתי נראה של הים
מולקולות המים שבפני הים נדחקות זו בזו כל הזמן. מדי פעם אחת מהן נעה מהר מספיק כדי להשתחרר משכנותיה ולברוח אל האוויר כמולקולה בודדת של אדי מים. זו התאדות, אותו שינוי מצב צבירה שמוצג במצבי צבירה, שמתרחש הרבה מתחת לנקודת הרתיחה. הוא דורש אנרגיה, כ־2.5 מיליון ג׳אול לכל קילוגרם, ומעל האוקיינוס האנרגיה הזו באה מאור השמש שמחמם את המים. המלח נשאר מאחור, ולכן הגשם מתוק.
מים חמים יותר מתאדים מהר יותר, כי יותר מהמולקולות שלהם נעות מהר מספיק כדי לברוח. גם אוויר חם יותר יכול להכיל יותר אדים לפני שהוא מתמלא, כ־7% יותר לכל מעלת צלזיוס. אוויר של 30 °C יכול להכיל פי חמישה בערך מאוויר של 5 °C. בכל העולם מתאדים בכל שנה כחצי מיליון קילומטרים מעוקבים של מים, רובם מהאוקיינוסים.
נסו: הורידו את טמפרטורת הים ל־4 °C, ואחר כך העלו אותה ל־28 °C, וצפו בנקודות האדים שמעל המים מתרבות. בתרשים הקו הכחול זז ימינה: האוויר שבא מהים הטרופי נושא כמעט פי חמישה אדים, והים מוסר 4.5 mm מים ביום במקום 0.9 mm.
למה אוויר עולה יוצר עננים
הרוח נושאת את האדים אל היבשה, נמוך מעל המישור. כשהיא מגיעה להרים, לאוויר אין לאן ללכת אלא למעלה. הלחץ יורד עם הגובה, ולכן אוויר עולה מתפשט, ואוויר מתפשט מתקרר, בכמעט 10 °C לכל קילומטר שהוא עולה. אוויר קר יותר יכול להכיל פחות אדים. בגובה מסוים, שנקרא בסיס העננים, האוויר מכיל את כל האדים שהוא יכול: הוא התקרר עד נקודת הטל שלו. מעל הגובה הזה האדים העודפים מתעבים על גרגירים זעירים של מלח ים, אבק ועשן, ויוצרים טיפות שקוטרן כמאית המילימטר. מיליארדים מהן יחד הם ענן.
אוויר שבא מים של 15 °C ומלא באדים ב־80% מגיע לנקודת הטל שלו אחרי שעלה כ־420 m. מעל בסיס העננים הוא ממשיך להתקרר, אבל לאט יותר, כ־4 עד 7 °C לקילומטר, כי אדים שחוזרים להיות נוזל מחזירים את החום שנדרש כדי לאדות אותם.
נסו: התקדמו במעקב אחר המים אל התאדות, ואחר כך אל ענן. הטיפה רוכבת על הרוח כטבעת מקווקוות של אדים, והופכת לטיפה במקום שבו האוויר שלה מגיע לבסיס העננים. בתרשים הקו הכחול מטפס ישר עד בסיס העננים, ואז נוטה שמאלה לאורך הקו המנוקד: מכאן והלאה האוויר מכיל כל מה שהוא יכול, ומאבד את השאר.
מענן לגשם או לשלג
טיפת ענן קטנה מכדי ליפול. היא שוקעת בערך סנטימטר בשנייה, והאוויר העולה העדין ביותר מחזיק אותה למעלה. טיפת גשם שקוטרה 2 mm מכילה מים כמו מיליון טיפות ענן, ולכן ענן צריך לאסוף את הטיפות שלו יחד לפני שהוא יכול להמטיר. בעננים חמים הן מתנגשות ומתאחדות. בעננים קרים מ־0 °C גבישי קרח גדלים בזמן שהטיפות סביבם מתכווצות, והגבישים מתגבשים לפתיתי שלג כבדים מספיק כדי ליפול. אם האוויר מתחת למפלס הקיפאון חם מ־0 °C, השלג נמס בדרך למטה ומגיע לקרקע כגשם. מחוץ לאזורים הטרופיים רוב הגשם מתחיל את דרכו כשלג.
נסו: הורידו את טמפרטורת הים ל־4 °C. מפלס הקיפאון יורד לגובה של כ־400 m, כמעט הכול יורד כשלג, והטיפה שאחריה עוקבים נוחתת כפתית שלג ומחכה להפשרה. אחר כך העלו אותה ל־28 °C: מפלס הקיפאון עולה הרבה מעל הפסגה הגבוהה ביותר, ויורד גשם עד הפסגה.
למה הגשם יורד על ההרים
ככל שהאוויר נדחף גבוה יותר, הוא מתקרר יותר ומאבד יותר מים. בסצנה, עם ים של 15 °C, גבעות בגובה 800 m סוחטות כ־5 mm גשם ביום, רכס חוף בגובה 2,500 m כ־25 mm, ורכס גבוה בגובה 4,200 m כ־41 mm, חלק גדול מהם כשלג. רכסי הרים שפונים לרוח לחה הם מהמקומות הגשומים ביותר בכדור הארץ.
הצד השני הוא עולם אחר. האוויר שחוצה את הפסגה איבד את רוב מימיו. כשהוא שוקע במורד הצד השני הוא נדחס ומתחמם בכ־10 °C לכל קילומטר, בלי אדים שנותרו להתעבות, ולכן הוא מגיע חם ויבש. הארץ שמאחורי ההרים נמצאת בצל גשם. ירושלים, על קו פרשת המים של הרי יהודה, מקבלת כ־550 mm גשם בשנה; עין גדי, על חוף ים המלח כ־35 km מזרחה והרבה מתחת לצד השני של ההרים האלה, מקבלת הרבה פחות מ־100 mm.
ים חם יותר אכן מביא יותר גשם, אבל פחות ממה שהאדים הנוספים שלו היו מרמזים. אוויר רווי חם מתקרר לאט יותר כשהוא עולה, כי יש לו יותר אדים להתעבות ולכן יותר חום להחזיר. מעבר מים של 15 °C לים של 28 °C מכפיל את האדים ויותר, אבל מגדיל את הגשם על רכס החוף רק ברבע בערך. על הרכס הגבוה האוויר עולה מספיק גבוה כדי למסור הרבה יותר מהם.
נסו: קבעו את גובה ההרים על 800 m ואחר כך על 4,200 m, והשוו את הפער המוצלל בתרשים. זה המים שכל קילוגרם אוויר מאבד בדרכו אל הפסגה.
חזרה אל הים
למים שנוחתים על הקרקע יש שלוש דרכים. חלקם מתאדים שוב, או נשאבים על ידי צמחים ונפלטים דרך העלים שלהם (דיות); ביבשה זה לוקח כשלוש חמישיות מכל הגשם והשלג. חלקם מחלחלים לקרקע ויורדים עד מפלס מי התהום, ושם הם יכולים להישאר שנים או אלפי שנים. השאר זורמים במורד אל נחלים ונהרות, נגר עילי שחורץ עמקים בדרכו. שלג יכול להחזיק מים על המדרונות חודשים, וקרחונים מאות שנים, אבל בסוף הם נמסים והולכים בעקבות השאר.
בכל העולם זורמים בחזרה אל הים כ־40,000 קילומטרים מעוקבים בשנה, בנהרות ומתחת לפני הקרקע. זה שווה למים שהרוחות נושאות מהים אל היבשה בכל שנה, וכך המחזור מאוזן.
נסו: התקדמו במעקב אחר המים אל גשם או שלג ואחר כך אל נגר, ועקבו אחרי הטיפה במורד הנהר אל הים, ששם המסע שלה יכול להתחיל מחדש.
מחזור חם יותר
כשהאקלים מתחמם (ראו אקלים), אותו כלל שקובע את הסצנה חל על כל כדור הארץ: כל מעלה מאפשרת לאוויר להכיל כ־7% יותר אדים. יותר מים מתאדים, וכשאוויר עולה ומתקרר יש לו יותר להוריד, ולכן הגשמים העזים ביותר נעשים עזים עוד יותר. באותו זמן אוויר חם יותר מייבש את הקרקע מהר יותר בין גשם לגשם, ולכן גם בצורות יכולות להחריף. מפלסי הקיפאון עולים, יותר משקעי חורף יורדים כגשם במקום כשלג, ונהרות שתלויים בהפשרת השלג באביב זורמים חלש יותר בקיץ. איך סופות ומערכות מזג אוויר מסיעות את כל המים האלה ממקום למקום הוא סיפור בפני עצמו.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
הסצנה מרימה אוויר רק כשהיא דוחפת אותו מעל הרים. רוב הגשם בעולם יורד מאוויר שמתרומם במקום שבו נפגשות מסות אוויר חם וקר, בחזיתות, ובסופות רעמים, שבהן אוויר חם עולה מעצמו. הרוח לעולם אינה משתנה, לאוויר שמעל הים תמיד יש טמפרטורה של הים והוא תמיד מלא באדים ב־80%, ובדיוק מחצית מהמים שמתעבים יורדת על המדרון הפונה לרוח, בזמן שהצד השני לא מקבל דבר. אוויר עולה אמיתי מתערבב עם האוויר היבש יותר שסביבו, גשם אמיתי נשפך מעבר לרכס, וקווי שלג אמיתיים תלויים בשבועות של מזג אוויר, לא רק במפלס הקיפאון של רוח של יום אחד.
הזמנים דחוסים מעבר להכרה. מולקולת מים שוהה כתשעה ימים באוויר, ימים עד חודשים בנהר, שנים עד אלפי שנים מתחת לקרקע, ובממוצע כ־3,000 שנה באוקיינוס לפני שהיא מתאדה שוב. הסצנה מראה את המסלול שלה, לא את הקצב.