Der Wasserplanet Teil 1 - Der Kreislauf des Wassers
Wasser ist Ursprung und Voraussetzung allen Lebens auf der Erde und die Grundlage der menschlichen Zivilisation. Wasser ist Leben.
- Abb. 1: Wenn sich Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) verbinden, entsteht Wasser (H2O) unter Freisetzung von Energie (wasserwirklichkeit.de)
- Abb. 2: Als einziger Stoff auf der Erde kommt Wasser in gasförmiger, flüssiger und fester Form vor (wasserwiki.de)
- Abb. 3: Die Aggregatzustände des Wassers: gasförmig - Quellwolken am Ätna
- Abb. 4: flüssig - Brandung an der Küste von la Palma
- Abb. 5: und fest - Gletschertor des Morteratschgletschers
Der Wasserplanet
Die Erde ist ein Wasserplanet. 71% der Erdoberfläche werden von Meer- und Ozeanwasser bedeckt. Die Wasserflächen konzentrieren sich auf der Südkalbkugel, die deshalb auch Wasserhemisphäre genannt wird (Abb. 6). Trotz der großen Ausdehnung der Ozeane hat das Wasser aber nur einen Anteil von 0,02% an der Gesamtmasse der Erde. Das liegt an der immensen Größe der Erde, die einen Durchmesser von mehr als 12.700 km hat. Obwohl die Ozeane eine mittlere Tiefe von etwa 3.700 m haben, stellen sie nur eine dünne Benetzung der Erdkruste mit Wasser dar, denn die Kruste ist im Mittel ca. 20 km dick, im Verhältnis dünn wie die Schale eines Hühnereis.
Meerwasser ist Salzwasser, chemisch gesehen hauptsächlich eine wässrige Lösung einer Vielzahl von Salzen. Bereits vor 250 Ma gegen Ende des Perms stellte sich der Salzgehalt der Weltmeere auf den heutigen Mittelwert von 3,5% ein. Der setzt sich wie folgt zusammen (Abb. 8):
- Abb. 6: Die Verteilung des Wassers auf der Erde: Die Südhalbkugel ist die Wasserhemisphäre (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Iceage_south-intergl_glac_hg.png)
- Abb. 7: … und die Nordhalbkugel die Landhemisphäre (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Iceage_north-intergl_glac_hg.png)
Mehr als die Hälfte ist Chlor und knapp 1/3 Natrium, das ergibt NaCl, Natriumchlorid, gemeinhin auch Kochsalz genannt. Weitere ca. 15% sind Calcium, Magnesium und Kalium, die als Calciumchlorid, Magnesiumchlorid und Kaliumchlorid ebenfalls Bestandteile des Kochsalzes sind.
- Abb. 8: Art und Menge der hauptsächlichen chemischen Inhaltsstoffe von Meerwasser (Hannes Grobe, AWI)
Warum ist Meerwasser salzig?
In den Böden und Gesteinen der Erdkruste finden sich viele Minerale, darunter auch Salze. Regenwasser, das durch die Böden und Gesteine versickert, löst diese Minerale und fließt als Sickerwasser dem Grundwasser zu. Das Grundwasser strömt in Flüsse und Bäche, die schließlich ins Meer fließen. Die Flüsse sind also Förderbänder, die das Meer mit Salz versorgen. Jährlich gelangen so, trotz der sehr geringen Salzgehalte im Oberflächen- und Grundwasser, Millionen Tonnen Salz in die Weltmeere.
Einmal im Meer angekommen, bleiben die Salze dort, weil sie nicht in den Wasserkreislauf eingebunden sind. Das Wasser verdunstet wieder, das Salz aber bleibt zurück.
- Abb. 9: Funktionsschema eines Black Smokers (terradaily.com)
Die Salzbildung geschieht auch in den Meeren selbst, wo sich durch chemische Reaktionen aus den zugeführten Mineralen Salze bilden. Außerdem überflutet das Meer immer wieder fossile Salzlagerstätten, die sich auf dem Grund ehemaliger ausgetrockneter Meere gebildet haben.
Eine weitere Salzquelle sind die Black Smokers, Unterwasser-Vulkane auf dem Grund der Tiefsee, aus denen bis zu 400°C heißes und stark mineralhaltiges Wasser austritt (Abb. 9).
Doch warum steigt der Salzgehalt der Meere nicht immer weiter an, obwohl ihnen doch permanent Salze zugeführt werden? Der Geologe Prof. Diethard E. Meyer erklärt:
Der Grund kann nur darin bestehen, dass die Salzmengen, die jährlich den Meeren zugeführt werden, entweder in der gleichen Größenordnung sedimentiert oder von Tieren in ihre Skelette eingebaut werden. Diese sinken dann zum Ozeanboden ab, werden dort abgelagert und wieder von jüngeren Schichten überlagert.
Warum ist der Salzgehalt der Ozeane und Meere nicht überall gleich?
- Abb. 10: Die Ostsee hat nur im Südwesten eine Verbindung zu den Weltmeeren (skipperguide.de)
Die unterschiedlichen Salzgehalte in den Ozeanen und Meeren hängen zusammen mit den Zuflüssen von Süßwasser aus Flüssen und mit der Höhe der Verdunstung.
Die Ostsee (Abb. 10) hat durch den Süßwasserüberschuss aus Flusswasserzufuhr und Niederschlag eine positive Wasserbilanz, d. h. im Mittel fließt mehr Wasser aus der Ostsee in die Nordsee als umgekehrt. Deshalb beträgt ihr Salzgehalt im Mittel nur etwa 0,8%. Ganz im Westen zwischen Dänemark und Schweden, wo die Ostsee eine Verbindung zur Nordsee hat, liegt ihr Salzgehalt bei 2-3%, während er ganz im Osten bis auf 0,3% abfällt. Die Ostsee ist, wie auch die Nordsee, kein echter Ozean, sondern ein überfluteter Bereich am Rand des eurasischen Kontinents, ein flaches sogenanntes Schelfmeer oder Brackwassermeer.
Das Mittelmeer (Abb. 11) hat durch die klimatischen Verhältnisse in Südeuropa eine hohe Verdunstungsrate, d. h. es verdunstet viel Wasser an der Meeresoberfläche, wodurch – da das Salz nicht in den Wasserkreislauf eingebunden ist und im Meerwasser verbleibt - die Salinität mit bis zu 3,74% leicht erhöht ist.
Ähnlich liegt der Fall beim Roten Meer mit 4% Salzgehalt.
Das Tote Meer (Abb. 12) dagegen ist ein abflussloses Meeresbecken im sogenannten Jordangraben, die Fortsetzung des ostafrikanischen Grabenbruchs. Hohe Verdunstungsraten und wenig Zufluss lassen den Salzgehalt bis auf über 30% ansteigen. Jordangraben/ Totes Meer markieren mit 420 m unter NN die tiefste Stelle auf dem Festland.
- Abb. 11: Das Mittelmeer hat nur eine enge Verbindungsstelle zu den Weltmeeren, aber ein hohe Verdunstungsrate (esys.org)
- Abb. 12: Salzinseln im Toten Meer (easyvoyage.de)
Oberflächenwasser
- Abb. 13: Oberflächenwasser ist alles oberirdische, offene und nicht gebundene Wasser der Seen und Flüsse: Bluntausee ...
- Abb. 14: ... und Torrener Bach im Salzburger Land/Österreich
Als Oberflächenwasser (Abb. 13, 14) wird alles offene, oberirdische und nicht gebundene Wasser auf der Erdoberfläche, also Wasser aus Seen und Flüssen auf dem Festland bezeichnet.
- Abb. 15: Der Anteil des Oberflächenwassers auf der Erde beträgt nur etwa 1%
Oberflächenwasser ist in der Regel Süßwasser mit einem Salzgehalt kleiner 0,1%, sein Anteil an der Gesamtwassermenge auf der Erde beträgt nur ca. 2% (Abb. 15).
Allerdings sind etwa die Hälfte aller oberirdischen Seen Salzseen.
Der See mit dem höchsten Salzgehalt auf der Erde von 44% ist der kleine flache hypersaline Don-Juan-See in der Antarktis.
Grundwasser
- Abb. 16: Grundwasser ist zusammenhängendes Wasser unterhalb der Erdoberfläche (schleswig-holstein.de)
Als Grundwasser wird das Wasser bezeichnet, das sich unterhalb der Erdoberfläche befindet und den Porenraum der Lockergesteine und die Klüfte und Spalten der Festgesteine zusammenhängend ausfüllt (Abb. 16).
Die grundwassererfüllten Gesteine nennt man Grundwasserleiter oder Aquifer.
Bis auf wenige fossile Tiefengrundwässer ist auch Grundwasser in Bewegung, es fließt.
Wie kam das Wasser auf die Erde?
- Abb. 17: Wasser aus Kometen und Asteroiden: Der Perseidenstrom sorgt jeden August für ein imposantes Himmelsschauspiel (Foto: dospaz)
Das Wasser kommt aus der Erdkruste. Beim Abkühlen der jungen Erde kondensierte der Wasserdampf und bildete die Ozeane. Vor allem Vulkane spucken überwiegend Wasserdampf aus. Bei der Ausscheidung des Wassers aus dem Erdmantel verlor der Mantel nur 0,0034% seiner Masse.
Eine andere Theorie ist, dass das Wasser auf der Erde durch Kometen und Asteroiden, also durch extraterrestrische Himmelskörper, auf die Erde gelangt ist (Abb. 17). Das hört sich zunächst nach Science Fiction an. Tatsache aber ist, dass Kometen und Asteroiden bis zu 10% Wasser enthalten, manche der kleinen Himmelskörper bestehen fast vollständig aus Eis.
Man weiß auch, dass jedes Jahr eine große Menge von Asteroiden und Kometen auf die Erde niedergeht, und zwar so viele, dass die jährlich dadurch auf die Erde gelangende Wassermenge 0,0021 mm beträgt. Das würde in den knapp 4,5 Milliarden Jahren seit der Entstehung der Erde reichen, um alle Ozeane vollständig mit Wasser zu füllen.
Vermutlich stammt das irdische Wasser sowohl aus der Erdkruste als auch aus extraterrestrischen Himmelskörpern.
Der Kreislauf des Wassers
»Den Lauf der Wasser von den Bergen zu den Thälern, von dem Lande zum Meere sehen wir unaufhörlich vor unseren Augen sich vollziehen, und dennoch wird das Meer nicht voller und die Quellen und Ströme versiegen nicht« (Adam Pfaff, 1878).
- Abb. 18: Der Kreislauf des Wassers auf der Erde (uni.mainz.de)
- Abb. 19: Die Sphären des Wasserkreislaufs (Hannes Grobe, AWI)
Alles auf der Erde und im Universum bewegt sich in kleineren und größeren Kreisläufen. Nichts geht verloren.
Der Kreislauf des Wassers (Abb. 18) beschreibt den Weg des irdischen Wassers in seinen Aggregatzuständen flüssig, fest und gasförmig durch die Atmosphäre, die Hydrosphäre, die Biosphäre, die Kryosphäre und die Lithosphäre im regionalen und globalen Maßstab (Abb. 19). In Bewegung gehalten wird dieser Kreislauf durch Sonnenenergie und Schwerkraft. Im Wasserkreislauf geht kein Wasser verloren.
Der Niederschlag, der auf das Land fällt, fließt teilweise als oberirdischer Abfluss direkt den Vorflutern zu (Bäche, Flüsse, Seen und Meere). Ein Teil versickert (Infiltration) und sättigt den Boden bis zur Sättigungsgrenze als Bodenfeuchte. Das übrige versickerte Wasser fließt dem Grundwasser zu (Grundwasserneubildung). Ein kleiner Teil geht als Zwischenabfluss (Interflow) in den oberen wasserführenden Bodenschichten oberhalb des eigentlichen Grundwassers entweder direkt in den Vorfluter oder erst später in das Grundwasser oder tritt als Quelle aus. Das Grundwasser fließt dem Vorfluter zu.
Ein kleiner Teil des Grundwassers kann auch dem Tiefenwasser zufließen. Tiefengrundwässer sind meist fossile Grundwässer in größeren Tiefen, die nicht aktuell am Wasserkreislauf teilnehmen.
- Abb. 20: Niederschlag - Monsunregen in Thailand
- Abb. 21: Verdunstung nach Niederschlag auf El Hierro
- Abb. 22: Wolkenbildung am Ätna (Etna Webcam)
Das Wasser der Ozeane und Meere, der Flüsse und Seen, das Wasser auf der festen Oberfläche der Erde und von den Oberflächen der Vegetation verdunstet, d. h. das Wasser geht vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand über. Wasser verdunstet bereits bei niedrigen Temperaturen, so lange bis sich ein Gleichgewicht von Druck und Temperatur zwischen flüssiger Phase und Dampfphase eingestellt hat. Die Höhe der Verdunstung ist abhängig von der Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit, von Wind und Sonneneinstrahlung sowie von der Beschaffenheit der Oberfläche, also Bodenart, Menge und Art des Bewuchses oder der Versiegelung durch Bauwerke.
- Abb. 23: Evaporation + Transpiration = Evapotranspiration (earthobservatory.nasa.gov)
Bereits während des Niederschlags verdunstet ein Teil des Regenwassers in der Luft, bevor es die Erdoberfläche erreicht. Ein Teil des Wassers auf dem Festland verdunstet direkt von der Erdoberfläche. Das Wasser, das als Regen auf die Vegetation fällt, verdunstet ebenfalls direkt von den Oberflächen der Blätter und wird von den Pflanzen aufgenommen und später durch die Transpiration der Pflanzen wieder abgegeben. Das vorübergehende Speichern von gefallenem Niederschlag an Pflanzenoberflächen wird Interzeption genannt. Von dort verdunstet das Wasser teilweise sofort wieder oder es tropft bzw. läuft zum Erdboden ab. Die Gesamtheit der Verdunstung von Erdoberfläche und Pflanzenoberflächen wird Evaporation genannt, nimmt man die Transpiration der Pflanzen hinzu, nennt man den Vorgang Evapotranspiration (Abb. 23).
Das verdunstete Wasser steigt als leichter Wasserdampf hoch und formt sich zu Wolken. Wolken entstehen durch Kondensation der Feuchtigkeit in der Luft. Als Kondensation wird der Übergang des Wassers vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand bezeichnet, Kondensation ist damit der gegenläufige Prozess zur Verdunstung.
- Abb. 24: Entstehung von Regentropfen und ihrer Form in Abhängigkeit von der Größe (Banerjee, auf scienceblogs.de)
Wolken transportieren den Wasserdampf mit den lokalen und globalen Windsystemen. In höheren Geländelagen regnen die Wolken ab und das Wasser fällt als Niederschlag auf die Erde. Um wieder als Niederschlag auf die Erdoberfläche fallen zu können, muss die Größe bzw. die Masse der kondensierten Wasserteilchen einen bestimmten Wert überschreiten (Abb. 24).
Normale Regentropfen haben einen Durchmesser von 2 - 3 mm und ein Gewicht von etwa 0,05 g. Während des Fallens sind sie – aufgrund der auftretenden Kräfte: Oberflächenspannung des Wassers, Schwerkraft und Luftdruck - oben halbkugelförmig ausgebildet und unten durch den Luftwiderstand leicht eingedellt. Bei geringen Durchmessern bis 1 mm überwiegt die Oberflächenspannung, während bei Durchmessern über 4,5 mm der Tropfen schließlich zerreißt (Starkregen).
Ein Teil des Regenwassers fließt wieder als oberirdischer und unterirdischer Abfluss ab und ein anderer Teil verdunstet wieder. Hier schließt sich der Kreislauf des Wassers.
- Abb. 25: Globaler Wasserkreislauf: Die Zahlenwerte für jährliche Flüsse in 1.000 km3. Werte (grün) in Klammern geben das Wasservolumen im Kompartiment und dessen mittlere Verweilzeit an (Quelle: Max-Planck-Institut für Meteorologie, Hamburg, ergänzt von J. Marcinek)
Die Abb. 25 veranschaulicht die riesigen Wassermengen, die beim Wasserkreislauf umgesetzt werden, und die unterschiedlichen Verweilzeiten des Wassers in den einzelnen Sphären.
Der jährlichen globalen Verdunstung über Land und Meer von rund 500.000 km³ entspricht die jährliche globale Niederschlagsmenge. Der Wasserdampf hat eine mittlere Verweilzeit in der Atmosphäre von 9 Tagen.
Wasser kann man nicht verbrauchen
- Abb. 26: Wasser wird gebraucht, nicht verbraucht (klaeranlage-balingen.de)
Die Nutzung von Wasser durch den Menschen ist Teil dieses Kreislaufs.
Deshalb kann man Wasser nicht verbrauchen, man kann es nur gebrauchen: Trinkwasser, Waschwasser, Wasser zur Bewässerung und Wasser für die industrielle Produktion geht wieder in den Kreislauf zurück, dem es entnommen wurde (Abb. 26).
Deutschland als ein wasserreiches Land kennt - im Gegensatz zu anderen Teilen der Erde - bei der Versorgung keine Mengenprobleme. Denn Wasser ist kein endlicher Rohstoff, sondern kehrt im Wasserkreislauf immer wieder zu uns zurück. Unsere öffentliche Trinkwasserversorgung nutzt nur 3% des vorhandenen Wasserdargebots. In Deutschland und Mitteleuropa ist deshalb nicht die Einsparung von Wasser, sondern die Reinhaltung des Wassers als unverzichtbares Lebensmittel oberstes Gebot.