Die Hydrosphäre: Wasserzyklus, Eigenschaften und aquatische Systeme der Erde

Die Hydrosphäre: Entstehung und Verteilung

Die Hydrosphäre entstand vor etwa 4,6 Milliarden Jahren während der Bildung der Erde. Hohe Temperaturen hielten das Wasser zunächst in Dampfform. Als die Erde begann, sich unter den Siedepunkt abzukühlen, setzte eine massive Niederschlagsphase ein. Riesige Wassermengen füllten die tiefer gelegenen Teile der Erdoberfläche und bildeten die Ozeane.

Der größte Teil des Wassers auf der Erde befindet sich in den Meeren als Salzwasser. Der höchste Anteil an Süßwasser ist in Form von Eismassen (Gletscher und Polkappen) sowie als Grundwasser gebunden. Der restliche Wasseranteil auf dem Planeten verteilt sich über die Kontinente und die Atmosphäre.

Der Kreislauf des Wassers

Wasser befindet sich in ständiger Bewegung. Wasserdampf in der Atmosphäre kondensiert und fällt als Regen oder Schnee auf Kontinente und Ozeane zurück. Das Wasser, das auf den Kontinenten niedergeht, fließt als Flüsse von den Bergen ins Meer oder versickert im Boden und sammelt sich als Grundwasser an. Ein Großteil des Binnenwassers gelangt schließlich ins Meer, verdunstet oder wird von Pflanzen wieder in die Atmosphäre abgegeben. Auch in den Meeren und Ozeanen findet eine stetige Verdunstung von Wasser statt.

Die Energie der Sonne treibt diesen kontinuierlichen Kreislauf an. Pro Jahr verdunsten etwa 500.000 km³ Wasser, was einem Durchschnitt von 980 Litern pro Quadratmeter (oder 980 mm) entspricht. Das bedeutet, dass eine Wasserschicht von 980 mm Höhe (etwa drei Fuß) über die gesamte Erdoberfläche im Laufe eines Jahres verdunsten würde. Da in der Atmosphäre konstant nur etwa 12.000 km³ Wasser verbleiben, bedeutet dies, dass die gleiche Menge von 500.000 km³ Wasser, die verdunstet, auch wieder als Niederschlag im Laufe des Jahres fällt.

Obwohl der Durchschnitt von Verdunstung und Niederschlag 980 mm beträgt, ist die Verteilung unregelmäßig, insbesondere auf den Kontinenten. In Wüstenregionen regnet es weniger als 200 mm, während in einigen Berggebieten 6.000 mm oder mehr Niederschlag fallen können.

Die durchschnittliche Verweildauer eines Wassermoleküls in verschiedenen Stadien des Zyklus variiert erheblich:

• Atmosphäre: 9 bis 10 Tage
• Flüsse: 12 bis 20 Tage
• Seen: 1 bis 100 Jahre
• Grundwasserleiter: 300 Jahre
• Ozeane: 3.000 Jahre

Diese Verweildauern haben einen starken Einfluss auf die Persistenz von Wasserverschmutzung in aquatischen Ökosystemen. Wenn beispielsweise ein Fluss verschmutzt ist, kann er sich innerhalb weniger Tage oder Wochen selbst reinigen, da die Schadstoffe ins Meer gespült und dort in großen Mengen verdünnt werden. Ist jedoch eine unterirdische Quelle kontaminiert, kann das Problem für Dutzende oder Hunderte von Jahren bestehen bleiben.

Eigenschaften des Wassers

Die einzigartigen Eigenschaften des Wassers machen es zu einer idealen Flüssigkeit für das Leben. Die hohe Polarität des Wassermoleküls ist dabei von besonderem Interesse, da viele andere wichtige Eigenschaften davon abgeleitet sind.

Polarität

Wassermoleküle sind polar. Aufgrund dieser Polarität ist Wasser ein gutes Lösungsmittel für Salze und andere polare Substanzen, aber ein schlechtes Lösungsmittel für unpolare Gase und andere Stoffe wie Fette und Öle.

Spezifische Verdampfungs- und Schmelzwärme

Die Wärmemenge, die benötigt wird, um Wasser zu verdampfen und zu schmelzen, ist im Vergleich zu anderen ähnlichen Substanzen hoch. Dies liegt daran, dass Wassermoleküle durch elektrische Kräfte zwischen ihren positiven und negativen Bereichen zusammengehalten werden. Diese Eigenschaft macht Wasser zu einem guten Wärme-Puffer und trägt zur Regulierung der Temperatur der Erde und von Lebewesen bei.

Kohäsion (Zusammenhalt)

Die Kohäsion ist eine Eigenschaft des Wassers, die aus seiner Polarität resultiert, da die Moleküle voneinander angezogen werden und zusammenbleiben. Die Kohäsion erklärt Phänomene wie die Bewegung von Wasser im Boden.

Dichte und Schichtung

Die Dichte von Wasser beträgt etwa 1 kg/l, variiert jedoch leicht mit der Temperatur und den gelösten Stoffen, was eine erhebliche ökologische Bedeutung hat. Die Dichte steigt mit abnehmender Temperatur bis zu 4 °C, wo sie ihr Maximum erreicht. Von hier an nimmt die Dichte wieder ab, und Eis schwimmt auf Wasser. Dies bedeutet, dass, wenn ein See oder das Meer zufriert, die Eisfläche oben schwimmt und den Rest des Gewässers isoliert, wodurch ein vollständiges Durchfrieren verhindert wird. Wasserschichten unterschiedlicher Dichte ordnen sich in unabhängigen Schichten an. Da es keinen Austausch zwischen ihnen gibt, können Nährstoffe wie Sauerstoff oder Phosphate in einigen Schichten aufgebraucht werden, während sie in anderen reichlich vorhanden sind. Lebewesen können im flüssigen Wasser unter dem Eis überleben.

Salzgehalt

Die Ionen, die den Salzgehalt des Wassers bestimmen, haben zwei Ursprünge: Sie werden durch Wasser von den Kontinenten transportiert und stammen aus Magmen, die an mittelozeanischen Rücken aufsteigen.

In einem Liter Meerwasser befinden sich normalerweise etwa 35 g Salz, wovon rund zwei Drittel Natriumchlorid sind. Es gibt Orte, an denen der Salzgehalt abweicht (z. B. ist er im Mittelmeer überproportional hoch und in der Ostsee niedrig), aber das Verhältnis zwischen den Ionen bleibt stets ähnlich, auch wenn die absoluten Mengen variieren. In einigen Binnenseen kann der Salzgehalt extrem hoch sein, wie im Toten Meer mit 226 g Salz pro Liter.

Im Süßwasser der Binnengewässer sind die Mengen an Ionen viel geringer. Die Hauptkomponente ist Calciumhydrogencarbonat (ca. Dezigramm pro Liter), das mehr oder weniger den Härtegrad des Wassers anzeigt.

Gelöste Gase

Gelöster Sauerstoff im Wasser ist für Organismen, die in dieser Umgebung leben, essenziell. Während ein Liter Luft 209 ml Sauerstoff enthält, ist die Menge, die Wasser lösen kann, 25-mal geringer. Die Diffusion von Sauerstoff in Wasser ist sehr langsam. Turbulenzen im Wasser, die es aufwirbeln und mischen, beschleunigen die Diffusion um Tausende von Malen.

Die Temperatur beeinflusst die Löslichkeit: Während sich Feststoffe bei höheren Temperaturen besser lösen, ist bei Gasen das Gegenteil der Fall. Kaltes Wasser löst mehr Sauerstoff und andere Gase als warmes Wasser, da höhere Temperaturen eine stärkere Bewegung der Moleküle bedeuten, wodurch es für das Gas leichter ist, aus der Flüssigkeit zu entweichen.

Binnengewässer

Flüsse

Flüsse entspringen Quellen, in denen Grundwasser an die Oberfläche tritt, oder an Orten, wo Gletscher schmelzen. Von ihrer Entstehung an folgen sie dem Gefälle bis zum Meer. Ein Fluss entwässert mit seinen Nebenflüssen ein Gebiet, das als Wassereinzugsgebiet (oder Wasserscheide) bekannt ist. Die Trennung zwischen zwei Wassereinzugsgebieten ist die Wasserscheide.

Von seiner Quelle in einer bergigen und hoch gelegenen Region bis zur Mündung ins Meer nimmt die Steigung eines Flusses in der Regel ab. Das Längsprofil zeigt deutlich den Verlauf des Flusses, bis er das Meer erreicht. Typischerweise ist die Steigung im ersten Abschnitt des Flusses (Oberlauf, in den Bergen) stark und sehr gering, fast horizontal, wenn er sich der Mündung (Unterlauf) nähert. Die Mündung des Flusses wird als Ausgangsniveau bezeichnet.

Der Fluss unterliegt Schwankungen in seiner Strömung. In der Regenzeit steigt der Wasserstand, in Trockenzeiten sinkt er, obwohl einige Flüsse ihren maximalen Durchfluss zur Zeit der Schneeschmelze erreichen. Hochwasser kann allmählich oder sehr abrupt auftreten.

Seen

Seen bilden sich, wenn Wasser in einem Gebiet gesammelt wird, das nicht direkt ins Meer abfließt, sondern in einer Senke verbleibt oder endet. In vielen Fällen ist ein See Teil eines Flusssystems, das zum Meer führt; in anderen Fällen gibt es jedoch keinen Abfluss, und das Wasser verdunstet direkt aus dem See in die Atmosphäre.

Grundwasser

Ein Teil des Niederschlagswassers fließt oberflächlich in Flüsse und Seen ab (Oberflächenabfluss), aber ein anderer Teil versickert im Boden und wird zu Grundwasser, entweder direkt bei Regen oder aus Flüssen und Seen. Aus dem Boden entweicht Wasser durch Verdunstung oder speist Quellen, Flüsse und Seen aus seinem Bett.

Wasser, das in die Poren eines durchlässigen Gesteins eindringt, stoppt, wenn es einen undurchlässigen Bereich erreicht. So füllt sich das durchlässige Gestein mit Wasser (die gesättigte Zone). Der darüber liegende Bereich, in dem das Wasser versickert, aber noch Luftporen vorhanden sind, wird als Belüftungszone bezeichnet. Der Kontaktbereich zwischen diesen beiden Zonen ist der Grundwasserspiegel. Der Grundwasserspiegel kann nach starken Regenfällen über die Oberfläche ansteigen, wenn der Boden gesättigt ist.

Poröse und durchlässige Gesteine, die Wasser speichern und leiten, werden als Aquifere (Grundwasserleiter) bezeichnet und sind eine wichtige Wasserquelle für den menschlichen Gebrauch. Gesteine und Böden, die Wasser durchlassen, werden als durchlässig bezeichnet, im Gegensatz zu undurchlässigen Schichten.

Wichtige Arten von Grundwasserleitern:

• Detritische Aquifere: Bestehen aus zerbrochenen Gesteinsmassen wie Sand oder Kies, die Wasser in ihren Zwischenräumen speichern.
• Karstaquifere: Einige Gesteine werden durch Wasser gelöst und bilden typische geologische Karststrukturen, die große Mengen Wasser speichern können. Kalksteine sind die häufigsten Gesteine, die Karst bilden, aber auch Dolomit, Gips und Salze können betroffen sein. Karbonatgesteine bedecken auf der Iberischen Halbinsel mehr als 100.000 km², weshalb Karstlandschaften und Karstaquifere dort weit verbreitet sind.