Das Element Wasser und sein Kreislauf. Grundlagen der Hydrologie

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Das Element Wasser
2.1 Das Molekül Wasser
2.2 Eigenschaften des Wassers
2.3 Phasenübergänge und Energie

3. Der Wasserkreislauf
3.1 Die Zirkulation im Wasserkreislauf
3.2 Verdunstung im Wasserkreislauf
3.3 Der Niederschlag
3.4 Abflussbildung und Abflusskonzentration

4. Probleme der Wasserknappheit

5. Fazit

6. Literatur

1. Einleitung

Im Rahmen der Vorlesung „Einführung in die Grundwasserhydrologie“ wird diese Hauarbeit mit dem Ziel einer kompakten Darstellung des Elements Wasser sowie dessen Eigenschaften im globalen Wasserkreislauf verfasst.

Grundsätzlich wird die Hydrologie als „die Wissenschaft, die sich mit dem Wasser über, auf und unter der Landoberfläche der Erde, seinen Erscheinungsformen, der räumlichen und zeitlichen Verteilung, seinen biologischen, chemischen und physikalischen Eigenschaften und seinen Wechselbeziehungen mit der Umwelt befasst“ (STRIGEL et al. 2010, S. 7) definiert. Das Wissen über das Molekül Wasser ist als Voraussetzung für das Verstehen der Vorgänge und Prozesse im Wasserkreislauf notwendig. Somit wird das Element Wasser, deren Struktur und Eigenschaften in dieser Ausarbeitung erörtert. Ebenso werden die Phasenübergänge explizit erläutert, die für den globalen und lokalen Wasserkreislauf elementar sind.

Nach STRIGEL et al. (2010, S. 9) werden die Wasserkreisläufe als das Studienobjekt der Hydrologie bezeichnet. Im nächsten Abschnitt wird die Zirkulation anhand einer Abbildung verdeutlich. Besondere Betrachtung erhält die Verdunstung im Wasserkreislauf, da der Wasserdampf im Zusammenhang mit Effekten wie globalen Luftströmungen für das Verständis des Wasserkreislaufes von Bedeutung ist.

Des Weiteren wird der Prozess der Evapotranspriration erörtert, der ebenso wie die Niederschlagsbildung und Niederschlagsvariabilität gesondert betrachtet wird. Diese individuelle Schwerpunktsetzung bündelt elementare Einflussfaktoren durch die Vertiefung einzelner Prozesse.

Anschließend wird die Abflussbildung und Abflusskonzentration erörtert, die den Einfluss des Menschen durch Verdichtung oder weiteren anthropogenen Einflüssen exemplarisch darstellt. Im nächsten Abschnitt wird an die anthropogenen Einflüsse angeknüpft und globale Problematiken werden beschrieben. Insbesondere die Wasserknappheit von Süßwasser stellt einer der wichtigsten zukünftigen zu lösenden Probleme dar. Hierzu lässt sich das Beispiel Aralsee als Paradebeispiel der Veränderungen durch die Übernutzung des Menschen nennen. Schließlich erfolgt ein Resümee, das die zentralen Aussagen der Ausarbeitung komprimiert zusammenfasst. Ebenso werden mögliche weitere Forschungsfragen aufgeworfen, die durch das erworbene Fundament über den Wasserkreislauf und das Element Wasser untersucht werden können.

2. Das Element Wasser

Aufnahmen aus dem Weltall zeigen unseren blauen Planeten, der durch mehr als 70% der Oberfläche durch Wasser bedeckt ist (vgl. MCKNIGHT et al. 2009, S. 183). Wasser ist das wichtigste Element für das Leben auf der Erde und dabei muss zwischen Süßwasser und Salzwasser differenziert werden. Zwar erscheint der Planet Erde wasserreich zu sein, jedoch wird bei exakter Betrachtung sehr schnell deutlich, dass nur circa 3% der Gesamtwassermenge Süßwasser ist. Insgesamt 97,2 % des Wassers halten die Weltmeere. 2,15 % sind als Eis in Gletschern gebunden und der allergrößte Teil mehr oder minder tief ist das Grundwasser im Boden (0,62%) (vgl. GRIMMEL et al. 2006, S. 59). Nur 0,3% des Süßwassers ist in Seen, Sümpfen und Flüssen direkt zugänglich (vgl. STRIGEL et al. 2010, S. 7).

Als Fundament für das Verstehen des Wasserkreislaufes und der Prozesse innerhalb diesen müssen die Struktur, die Eigenschaften und die Phasenübergänge des Moleküls Wasser betrachtet werden.

2.1 Das Molekül Wasser

Wasser ist der gebräuchliche Name für eine Wasserstoff Sauerstoff Verbindung (H2O).

Die kleinsten Materiebausteine mit den typischen chemischen Eigenschaften eines chemischen Elements sind die sogenannten Atome. In einem Gramm Wasser sind demnach circa 100.000.000.000.000.000.000.000 Wassermoleküle (vgl. MCKNIGHT et al. 2009, S. 184). Die Atome wiederum setzen sich aus den Elementarteilchen zusammen. Des Weiteren setzt sich der Atomkern aus positiven Protonen und neutralen Neutronen zusammen, die wiederrum von einer „Wolke“ negativ geladenen Elektronen umgeben sind (vgl. ebd.).

Das Element des Sauerstoffs besteht aus acht Protonen und acht Elektronen, wobei bei den meisten Sauerstoffatomen noch acht Neutronen hinzukommen. Hierbei kann die Zahl der Neutronen bis zu zehn betragen (vgl. ebd.). Nun können sich zwei oder mehr Atome durch chemische Bindungen zu einem Aggregat zusammenschließen, was als Molekül bezeichnet wird.

Bei Wassermolekülen sind zwei Wasserstoffatome (H) durch kovalente Bindungen (= Elektronenpaarbindungen) an das einzelne Sauerstoffatom (O) gebunden. Ebenfalles zentral zum Verstehen der Eigenschaften von Wasser sind die Ladungen der Teilchen. So ist das Sauerstoffatom negativ polarisiert und

Abbildung 1: Aufbau des Moleküls

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Quelle: die beiden Wasserstoffatome positiv polarisiert. MCKNIGHT et al. 2009, S. 186)

Der Zusammenhalt der Wassermoleküle nennt der Physiker Kohäsion (vgl. MCKNIGHT et al. 2009, S. 185). Diese entsteht durch die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen.

2.2 Eigenschaften des Wassers

Betrachtet man reines Wasser besitzt es keine Farbe, keinen Geschmack und keinen Geruch (vgl. MCKNIGHT et al. 2009, S. 183). In der Natur weist Wasser oft eine Vielfalt an gelöstes und suspendiertes Teilchen auf.

Ein zentraler Aspekt ist, dass Wasser nicht wie die meisten anderen Stoffe bei Abkühlung eine monotone Volumenkonzentration aufweist. Wasser besitzt bei 4 °C ein Dichtemaximum (1 g/cm³ ) und dehnt sich schließlich bis zur Erstarrung bei 0 °C um neun Volumenprozente weiter aus (vgl. MCKNIGHT et al. 2009, S. 185). Der exakte Wert bei 3,98 °C beträgt 0,999975 g/cm³. Im Vergleich beträgt die Dichte von Eis nur 0,92 g/cm³. Eis besteht ausschließlich aus Kristallen. Schlussfolgernd weist Wasser aufgrund der Ausdehnung im festen Zustand weniger Dichte auf als im flüssigen Zustand, sodass Eis im Wasser schwimmt. Der Siedepunkt liegt bei 100 °C.

Weitere Eigenschaften des Wassers sind, dass Wasser eine extrem hohe Oberflächenspannung besitzt und sehr leicht an vielen anderen Stoffen haftet (vgl. MCKNIGHT et al. 2009, S. 186). Diese Haftung ermöglicht dem Wasserstoffmolekül über viele Zentimeter oder sogar Metern gegen die Schwerkraft zu wandern, was im Boden als Kapilliareffekt charakterisiert wird. Als letzte interessante Eigenschaft kann die unterschiedliche Variabilität der Speicherdauer genannt werden. So kann sich Dauer von Stunden (Interzeptionsspeicher des Niederschlags auf Blattoberflächen), über einige Wochen (winterliche Schneedecke in den Bergen) bis zu Jahrtausenden (tiefes Grundwasser, Gletscher) erstrecken (vgl. DIEKKRÜGER et al. 2013, S. 4).

2.3 Phasenübergänge und Energie

Nach der Erörterung der Struktur und der Eigenschaften von Wasser werden die Phasenübergänge als Verständnis diverser atmosphärischer Prozesse beschrieben. Grundlegend kann Wasser als flüssiger, fester oder gasförmiger Zustand auftreten. Der Vorgang von der flüssigen Phase in den gasförmigen Zustand wird Verdunstung oder auch Evaporation genannt. Der Übergang von Eis zu flüssigen Wasser wird Schmelzen genannt. Der gegenteilige Prozess nennt sich Erstarrung. Hier muss die Besonderheit vom Salzwasser angeführt werden, dass nämlich der Gefrierpunkt der Meere durch die Ionen in dieser verdünnten Salzlösung die Ausbildung der hexagonalen Molekülbände verhindern.

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