Die Hydrosphäre: Wasserkreislauf, Eigenschaften und Dynamik

Die Hydrosphäre: Ursprung und Eigenschaften

Herkunftsgeschichte

Die Hydrosphäre umfasst alle flüssigen, festen und gasförmigen Wasserformen der Erde. Wasser ist ein relativ häufiges Molekül, besonders in Gesteinen. Die Erde ist der einzige der vier felsigen Planeten (Merkur, Venus, Mars und Erde), der riesige Mengen an flüssigem Wasser auf seiner Oberfläche besitzt. Die Hydrosphäre entstand während der Entgasung von Atmosphäre und Mantel.

Der Wasserkreislauf

Der Wasserkreislauf ist ein dissipativer Prozess, der durch kontinuierliche Energiezufuhr, hauptsächlich durch die Verdunstung von Wasser, aufrechterhalten wird. Der troposphärische Temperaturgradient bestimmt Kondensation und Niederschlag, während die Schwerkraft den Wasserfluss von den Kontinenten in die Ozeane bewirkt. Dieser Fluss transportiert Salze in die Ozeane, wodurch deren Salzgehalt höher ist als der anderer Gewässer.

Eigenschaften von Wasser

Wassermolekül und Dipol

Wassermoleküle besitzen einen positiven Pol an den Wasserstoffatomen und einen negativen Pol am Sauerstoffatom.

Wasserstoffbrückenbindungen

Die Anziehungskraft zwischen den positiven und negativen Polen verschiedener Wassermoleküle ist stark. Aufgrund seines Molekulargewichts sollte Wasser eigentlich ein Gas sein; jedoch neigen die Wasserstoff- und Sauerstoffatome dazu, sich gegenseitig anzubinden und Wasserstoffbrücken zu bilden. Dies erklärt, warum Wasser flüssig ist.

Universales Lösungsmittel

Wasser löst effektiv Salze und Gase durch ionische Dissoziation.

Dichteanomalie: Eis

Im festen Zustand bilden Wassermoleküle Kristalle, die mehr Raum einnehmen als flüssiges Wasser. Daher ist Eis weniger dicht als Wasser.

Spezifische Wärmekapazität

Die spezifische Wärmekapazität von Wasser ist ungewöhnlich hoch. Es benötigt viel Wärmeenergie, um die Temperatur von Wasser zu erhöhen, wodurch sich die Temperatur nur langsam ändert. Dies steht im Gegensatz zur Luft, die eine viel geringere spezifische Wärmekapazität hat.

Maximale Dichte

Wasser erreicht seine maximale Dichte bei 4°C. Die Dichte von Wasser variiert ungewöhnlich mit der Temperatur, wobei das Maximum bei 4°C liegt.

Verteilung der Hydrosphäre

Die Ozeane sind der Hauptwasserreservoir und enthalten 97% des Wassers auf der Erdoberfläche. Das kontinentale Wasser macht nur 3% der Hydrosphäre aus, wobei der Großteil in fester Form (Gletscher) vorliegt. Mehr als die Hälfte des flüssigen Süßwassers befindet sich im Grundwasser.

Wasserhaushalt

Eine Wasserhaushaltsberechnung ermittelt den Nettofluss von zufließenden und abfließenden Wassermengen über einen längeren Zeitraum. Diese Berechnung ermöglicht Vorhersagen über das Wasservolumen zu einem bestimmten Zeitpunkt, die Zuflüsse und Abflüsse usw.

Berechnung des Wasserhaushaltes

Die Berechnung erfolgt durch Addition der Zuflüsse und Subtraktion der Abflüsse: Netto-Fluss = Summe der Zuflüsse - Summe der Abflüsse. Ein positives Ergebnis zeigt einen Netto-Zufluss und eine zunehmende Wassermenge an; ein negatives Ergebnis zeigt einen Netto-Abfluss und eine abnehmende Wassermenge an. Über lange Zeiträume weisen die meisten Systeme einen ausgeglichenen Wasserhaushalt (Zuflüsse = Abflüsse) auf. Ein Einzugsgebiet kann einen jährlichen Wasserhaushalt mit einem Nullsaldo aufweisen, wobei der Abfluss von Flüssen und Bächen schwanken kann. Grundwasserleiter hingegen haben oft keinen natürlichen Abfluss und können über lange Zeiträume einen negativen Wasserhaushalt aufweisen, wenn Wasser entnommen wird.

Verweilzeit

Die Verweilzeit eines Wassermoleküls in einem System ist die durchschnittliche Zeit, die es im System verbringt, bis es es verlässt. Sie dient zur Berechnung der Selbstreinigungsfähigkeit eines Systems und wird berechnet durch: Verweilzeit = Wasservolumen / Zufluss.

Fluktuationsrate

Die Fluktuationsrate zeigt die Geschwindigkeit des Wasserflusses durch ein System an. Eine kurze Verweilzeit oder hohe Fluktuationsrate deutet auf eine hohe Selbstreinigungsfähigkeit hin. In Systemen mit langer Verweilzeit und geringer Fluktuationsrate (z. B. Grundwasserleiter) verläuft die Reinigung langsam.

Ozeandynamik

Änderungen der Meerwasser-Dichte verursachen Strömungen. Zwei Hauptfaktoren beeinflussen die Dichte:

Salzgehalt

Salziges Wasser sinkt unter weniger salziges Wasser. Der durchschnittliche Salzgehalt von Meerwasser beträgt 3,6%, kann aber regional variieren. Geschlossene Meeresbecken und trockene Klimazonen weisen oft einen höheren Salzgehalt auf.

Temperatur

Durch Sonneneinstrahlung erwärmt sich die Meeresoberfläche stärker als tiefere Schichten. Zwischen beiden Schichten existiert eine schmale Übergangszone mit starkem Temperaturgradienten (Thermokline).

Ozeanströmungen

Ozeanströmungen entstehen hauptsächlich durch:

Vorherrschende Winde

Winde treiben die Wasseroberfläche an und erzeugen Oberflächenströmungen.

Dichteunterschiede

Dichteunterschiede führen zum Absinken von kaltem, salzigem Wasser und verursachen vertikale Durchmischung und Tiefenströmungen.

Oberflächenströmungen

Küstennahe Winde erzeugen parallele Küstenströmungen. Winde vom Land zum Meer führen zum Auftrieb von nährstoffreichem Tiefenwasser. Stabile Hochdruckgebiete erzeugen kreisförmige Strömungen.

Allgemeine Zirkulation der Ozeane

Tiefenströmungen entstehen durch Dichteunterschiede. In der Norwegischen See sinkt kaltes, salziges Wasser ab und erzeugt einen großen, globalen Strom (thermohaline Zirkulation), der Wassermassen vermischt und Sauerstoff in die Tiefsee transportiert. Die kalte Tiefenströmung im südlichen Atlantik und Indischen Ozean ist mit der antarktischen Zirkumpolarströmung verbunden.

Wellenbildung

Wellen entstehen durch die Wirkung des Windes auf die Meeresoberfläche. Windstärke, Dauer und betroffene Meeresfläche bestimmen die Wellenhöhe. Intensive und konstante Winde über große Meeresflächen erzeugen hohe, langwellige Wellen, die auch weit entfernt vom Entstehungsort ankommen können (Seegang). Wellen erzeugen eine intensive Durchmischung der oberen Wasserschichten und verteilen Nährstoffe und gelöste Gase.

Flüsse und Bäche

Flüsse

Flüsse sind permanente Wasserläufe, während Bäche zeitweise trockenfallen können. Flüsse sammeln Wasser aus einem Einzugsgebiet und bilden ein Entwässerungssystem, das entweder ins Meer (exorheisch) oder in eine Binnenzone (endorheisch) mündet.

Flussabfluss

Der Flussabfluss an einem Punkt ist das Wasservolumen, das pro Zeiteinheit an diesem Punkt vorbeifließt. Der ökologische Mindestfluss ist der minimale Abfluss, der zur Erhaltung der Ökosysteme notwendig ist.

Längsprofil

Das Längsprofil eines Flusses beschreibt die Höhenänderung des Flussbetts von der Quelle bis zur Mündung. Das Gleichgewichtsprofil ist eine theoretische Kurve, die das Längsprofil darstellt, wenn der Fluss seine Erosionskraft verliert.

Hydrographen

Hydrographen zeigen den Flussabfluss über die Zeit. Jährliche Hydrographen zeigen den Abfluss über ein Jahr, während Sturzflut-Hydrographen den Abfluss nach einem Regenguss darstellen. Die Reaktionszeit ist das Zeitintervall zwischen dem Beginn des Niederschlags und dem Erreichen des maximalen Abflusses. Eine kurze Reaktionszeit erhöht das Risiko von katastrophalen Hochwasserereignissen.

Grundwasser

Grundwasser ist Wasser, das in den Poren von Boden und Gestein sowie in Rissen und Hohlräumen versickert und sich über einer undurchlässigen Schicht ansammelt.

Grundwasserleiter

Grundwasserleiter sind durchlässige geologische Formationen, die Wasser speichern können. Es gibt zwei Arten:

Gefängnisgrundwasserleiter

Gefängnisgrundwasserleiter liegen zwischen zwei undurchlässigen Schichten. Das Wasser steht nicht im gesamten Grundwasserleiter an.

Freie Grundwasserleiter

Freie Grundwasserleiter können von der Oberfläche aus nachgeladen werden. Sie liegen oberhalb des regionalen Grundwasserspiegels.

Grundwasserneubildungszone

Die Grundwasserneubildungszone ist der Bereich, in dem Wasser in den Grundwasserleiter eindringen kann.

Artesische Brunnen

Artesische Brunnen entstehen durch das Anbohren eines gefangenen Grundwasserleiters, in dem das Wasser aufgrund des Drucks selbstständig ansteigt.

Grundwasserspiegel

Der Grundwasserspiegel ist die Grenze zwischen der Sättigungszone und der Belüftungszone in einem freien Grundwasserleiter.

Karst

In löslichen Gesteinen wie Kalkstein kann sich durch Wasserinfiltration ein Höhlensystem bilden (Karst).