Umwelt und Geologie: Wasserkreislauf, Verschmutzung und Wilson-Zyklus

Kohlenwasserstoffe und Umweltauswirkungen

Kohlenwasserstoffe (C_xH_y) gehören zu einer großen Gruppe komplexer und organischer Schadstoffe, sowohl natürlichen als auch anthropogenen Ursprungs. Auswirkungen: Der wichtigste Einfluss der Kohlenwasserstoffe liegt in ihrer Wirkung auf die Bildung von Ozon (O₃). Diese Präsenz tritt bei Sonnenlicht und in einer Atmosphäre mit geringer relativer Luftfeuchtigkeit auf. In der ersten Phase bildet sich ein komplexer Dunst oder photochemischer Smog, auch bekannt als oxidierender Smog, der in der Atmosphäre Säuren produziert. Dieser photochemische Oxidationsprozess tritt immer häufiger in großen, hell erleuchteten Städten auf. Photochemische Oxidationsmittel wie Ozon, Peroxyacetylnitrat (PAN) und andere können Reizungen von Nase, Hals und Augen verursachen und zu Ermüdung sowie Störungen der Bewegungskoordination führen. Auf der Erdoberfläche beeinflusst das Ozon zudem Fahrzeuge, Gewebe und Zellen sowie Bindemittel von Farben.

Der Wasserkreislauf

Das Wasser auf der Erde behält sein ständiges Volumen, obwohl es sich ständig in Bewegung und in einem Wandel seiner Aggregatzustände befindet. Dies ist auf den hydrologischen Kreislauf zurückzuführen, der die Hydrosphäre mit der Atmosphäre, der Geosphäre und der Biosphäre verbindet. Der Wasserkreislauf besteht aus zwei Phasen:

• Interner Zyklus: Wichtig für die Wärmeerzeugung aufgrund von Dichtedifferenzen im Erdinneren. Magmatisches Wasser (juveniles Wasser) entsteht durch chemische Reaktionen im Erdinneren und gelangt durch Vulkane oder ozeanische Rücken an die Oberfläche, wo es sich mit dem externen Wasserkreislauf vermischt.
• Externer Zyklus: Wird durch Sonnenenergie und Schwerkraft angetrieben, wodurch Verdunstung, Evapotranspiration, Niederschlag, Abfluss und Infiltration verursacht werden.

Ein Teil dieser Phase entwickelt sich in der Atmosphäre, ein anderer an der Erdoberfläche. Wasser kehrt durch Niederschläge wie Regen, Schnee oder Hagel auf die Erde zurück. Ein Teil des abgelagerten Wassers bildet den Oberflächenabfluss, ein anderer Teil versickert und bildet Grundwasserleiter. Das Wasser durchquert die Ökosysteme und Gewässer, während Verdunstung und Evapotranspiration den Kreislauf durch Kondensation von neuem fortführen. Auswirkungen: Der hydrologische Kreislauf reguliert die Oberflächentemperatur der Erde, transportiert Energie aus anderen Regionen, verursacht die Erosion von Felsen, den Transfer von Sedimenten und die periodische Entwässerung der Gewässer in die Kontinente.

Wassernutzung und Abwasserreinigung

Wasser wird von Verbrauchern genutzt, die das Wasser verbrauchen oder abbauen, sowie von Nutzern, die es nicht direkt verbrauchen (z. B. Freizeitanutzung, Wasserkraft, Transport). Zu den Verbrauchern gehören:

• Städtische Nutzung: Deckt den Bedarf von Kommunen und Haushalten.
• Landwirtschaftliche und tierärztliche Nutzung: Verbraucht sehr viel Wasser. Moderne Betriebe setzen zunehmend auf rationelle Wassernutzung und effizientere Bewässerungssysteme.
• Industrielle Nutzung: Vielfältig einsetzbar, beispielsweise als Lösungsmittel oder zur Reinigung.

Wasseraufbereitung: Abwasser muss über die Kanalisation zu Kläranlagen geleitet werden, um die Umweltbelastung zu verringern und die Wiederverwendung des Wassers für die Bewässerung zu ermöglichen, was eine nachhaltige Entwicklung unterstützt.

Wasserqualität und Parameter

Die Bestimmung der Wasserqualität erfolgt über physikalische und chemische Parameter:

• Physikalische Parameter: Organoleptische Eigenschaften (Geruch, Farbe, Geschmack), Temperatur (ideal zwischen 8 und 15 °C), Trübung (durch Schwebstoffe) und Leitfähigkeit (hängt direkt von den gelösten Ionen ab).
• Chemische Parameter: Biochemischer Sauerstoffbedarf (BSB₅) zur Quantifizierung organischer Stoffe, die von Mikroorganismen verbraucht werden, sowie chemischer Sauerstoffbedarf (CSB) und Parameter zur Bestimmung von Spurenelementen und Schadstoffen.

Trinkwasseraufbereitung

Die Trinkwasseraufbereitung umfasst in der Regel drei Stufen:

1. Dekantierung: Entfernung von Schwebeteilchen durch Zugabe von Flockungsmitteln.
2. Filtration: Das Wasser fließt durch Sandschichten, um Schmutz zu entfernen.
3. Desinfektion: Chlorierung, Ozonisierung oder UV-Behandlung zur Keimbetötung.

Wasserverschmutzung

Wasserverschmutzung ist die Veränderung der physikalischen, chemischen oder biologischen Eigenschaften des Wassers, die seine spätere Verwendung beeinträchtigt. Sie unterscheidet sich in:

• Anthropogene Verschmutzung: Verursacht durch Landwirtschaft, Viehzucht, Industrie und städtische Nutzung.
• Natürliche Verschmutzung: Verursacht durch Lebewesen, Vulkane oder Blitzschlag.

Die Kontamination unterteilt sich in physikalische (Schwebstoffe, die Photosynthese behindern), chemische (organische Biomoleküle, Stickstoff- und Phosphorverbindungen, Schwermetalle und radioaktive Stoffe mit krebserregenden Wirkungen) und biologische Verunreinigungen (durch pathogene Organismen).

Der Wilson-Zyklus und Plattentektonik

Der Wilson-Zyklus beschreibt die Öffnung und Schließung von Ozeanbecken sowie die Entstehung und den Zerfall von Superkontinenten durch die Plattentektonik:

• Bildung eines kontinentalen Rifts: Aufsteigende Mantelplumes verursachen eine Krustendehnung und die Bildung von Grabenbrüchen mit zentralen Tälern, wie dem Ostafrikanischen Graben.
• Bildung eines Ozeans: Kontinentalblöcke trennen sich allmählich, und ein schmaler Ozean entsteht (z. B. das Rote Meer), der sich zu einem größeren Ozean mit mittelozeanischen Rücken ausweitet.
• Subduktion: Ältere, dichtere ozeanische Lithosphäre kühlt ab, wird schwerer und sinkt unter die kontinentale oder ozeanische Platte ab, wodurch Tiefseegräben und Vulkangürtel (wie die Anden) entstehen.
• Kollision von Kontinenten: Wenn die ozeanische Platte vollständig subduziert wird, kollidieren die Kontinente miteinander und bilden große Gebirge (Orogenesen), wie den Himalaya.