Hydrosphäre: Wasser und der Wasserkreislauf

Hydrosphäre: Wasser und der Wasserkreislauf

 

Mehr als drei Viertel der Erdoberfläche sind ständig von Wasser bedeckt. Allein das Weltmeer nimmt über zwei Drittel (362 Millionen Quadratkilometer) der Oberfläche unseres Planeten ein. Aber erst gegen Ende des 18. Jahrhunderts setzte sich die Erkenntnis durch, dass die Meeresfläche die des Landes erheblich übertrifft. Für sämtliche Zweige der Geowissenschaften war diese Erkenntnis von herausragender Bedeutung und ist es bis heute geblieben. Die Land-Meer-Verteilung der Nord- und Südhalbkugel ist recht unterschiedlich: Die Meeresfläche nimmt auf der Nordhalbkugel über 60 % ein und auf der Südhalbkugel mehr als 80 %. Wird der Land- eine Wasserhalbkugel gegenübergestellt, dann überwiegt bereits auf der Landhalbkugel das Meer (rund 51 %) und herrscht auf der Wasserhalbkugel mit etwa 91 % vor.

 

Die Hydrosphäre, die Wasserhülle, und der Wasserkreislauf bildeten sich in der Frühzeit der Erde. Weil in dieser Zeit noch keine Ozonschicht als Schutz vor der im Übermaß tödlich wirkenden UV-Strahlung existierte, konnte das Leben nur im Wasser entstehen. Sämtliche Wasseransammlungen blieben ständigen Veränderungen — einem Werden und Vergehen und neuem Werden — unterworfen.

 

Da der Einzelne wie die Gesellschaft infolge ihrer mit der Erdgeschichte verknüpften Entwicklung ohne Wasser nicht existieren können und weil Wasser mit der Mannigfaltigkeit seiner Erscheinungsformen im menschlichen Leben und in der Umwelt allgegenwärtig ist, ist die Lehre vom Wasser eine mit anderen Wissenschaften eng verflochtene Disziplin. Kurzum: ohne Wasser kein Leben.

 

 Der Wasserhaushalt

 

Wasser kommt auf der Erde in drei Aggregatzuständen vor: fest, flüssig und gasförmig. Reines Wasser ist ohne Geschmack, geruch- und farblos, bei größerer Tiefe zeigt es sich bläulich. Unverschmutztes (Regen) wasser ist nur in sehr geringem Maß ionisiert und leitet daher elektrischen Strom kaum. Für medizinischen und auch chemischen Bedarf wird über Destillation das sehr reine destillierte Wasser (aqua destillata) gewonnen. Es verfügt über eine besonders geringe elektrische Leitfähigkeit und wird Leitfähigkeitswasser genannt. Spuren von Salzen, Basen oder Säuren können die elektrische Leitfähigkeit des Wassers enorm erhöhen. Gewöhnlich ist Wasser nicht frei von Beimengungen: In ihm sind geringe Mengen gasförmiger und fester Stoffe gelöst, beispielsweise verschiedene Atmosphärengase, Kochsalz, Calcium- und Magnesiumsalze.

 

Wasser wäre ohne den Wasserkreislauf — den hydrologischen Zyklus — mineralisiertes Wasser, im Wesentlichen also Salzwasser. Nur die Zufuhr von Sonnenenergie verwandelt im Wasserkreislauf Salzwasser, vor allem riesige Mengen von Meerwasser, durch Verdunsten und nachfolgende Kondensation in Süßwasser. Die Schwerkraft schließlich bewirkt, dass das zu Süßwasser gewordene Wasser als Niederschlag auf die Erdoberfläche fällt.

 

 Wasser

 

Wasser zeichnet sich durch besondere Eigenschaften aus. Diese Eigenschaften lassen sich grundsätzlich auf den asymmetrischen Bau des relativ kleinen Wassermoleküls (H₂O) zurückführen. Das doppelt negativ geladene Sauerstoffatom ist nicht gradlinig mit den beiden positiv geladenen Wasserstoffatomen verknüpft; vielmehr ist das Wassermolekül gewinkelt: Die beiden O —H-Bindungen bilden einen Winkel von etwa 105º. Der Abstand zwischen den Kernen der Wasserstoffatome beträgt 0,163 Nanometer, derjenige zwischen dem Kern je eines der Wasserstoffatome und dem Sauerstoffatom 0,101 Nanometer.

 

Wie andere Moleküle ist auch das Wassermolekül nach außen elektrisch neutral. Die Schwerpunkte der negativen und positiven Ladungen sind jedoch räumlich getrennt; das Wassermolekül ist somit ein starker elektrischer Dipol. Deswegen gehen vom Wassermolekül trotz seiner elektrischen Neutralität Kraftwirkungen aus. Noch wichtiger aber sind anziehende Kräfte zwischen zwei H₂O-Molekülen, die durch Wasserstoffbrückenbindungen zustande kommen. Sie bewirken, dass sich mehrere Wassermoleküle zusammenlagern können (unter Normbedingungen durchschnittlich etwa 40). Diese Zusammenlagerung führt dazu, dass anomal hohe Energien nötig sind, um die Moleküle rascher zu bewegen. Daher sind die thermischen Grundwerte des Wassers so außergewöhnlich groß. Wasser ist infolge seiner hohen spezifischen Wärme ein sehr guter Wärmespeicher. Aus eben diesem Grund erschwert die benötigte hohe Verdunstungswärme das Verdunsten und die hohe Schmelzwärme das Gefrieren.

 

So werden beim Wasserdampftransport im Rahmen der planetarischen Zirkulation aus den Subtropen in mittlere bis höhere Breiten bei der Kondensation des Wasserdampfes erhebliche Mengen Wärme frei, die diesen Regionen zugute kommt. Ohne solche Wärmetransporte wären die meridionalen Temperaturunterschiede größer.

 

Auf der Dipoleigenschaft der Wassermoleküle beruht auch der Prozess der Hydration. Hierbei können sich Wassermoleküle beispielsweise an die Grenzflächenkationen von gesteinsbildenden Mineralien anlagern, wodurch das Gefüge gelockert und das Gestein zerstört werden kann (Hydrationsverwitterung).

 

Als Anomalie des Süßwassers werden dessen ungewöhnliche Eigenschaften beim Abkühlen von +4 ºC auf 0 ºC bezeichnet. Beim Süßwasser ist die Dichte des Wassers im Wesentlichen von der Temperatur abhängig. Süßwasser besitzt seine größte Dichte (Dichtemaximum) bei +4 ºC. Im Wasser treten etliche verschiedene Typen von Molekülaggregaten auf, in denen die Wassermoleküle ähnlich wie in einem Kristallgitter verknüpft sind. Es kommen Aggregate mit verschieden vielen Molekülen vor. Bei einer Temperaturabnahme verschiebt sich die Zusammensetzung zu größeren Aggregaten hin, die ihrerseits einen besonders großen Raum beanspruchen. Deshalb überlappen sich bei der Erniedrigung der Wassertemperatur zwei Prozesse. Einerseits stellt sich bei Temperaturabnahme die übliche Volumenverminderung ein, wie sie bei jedem Stoff auftritt, andererseits ergibt sich jedoch eine Volumenzunahme, weil der Anteil der größeren Aggregate wächst. Bei einer Wassertemperatur von +4 ºC tritt, da sich der Effekt beider Vorgänge gegenseitig aufhebt, das Volumenminimum beziehungsweise Dichtemaximum auf. In der Spanne zwischen +4 ºC und 0 ºC vergrößert sich das Volumen langsam wieder, bis bei 0 ºC am Gefrierpunkt das Volumen sprunghaft um neun Prozent zunimmt, wenn sich sämtliche Wassermoleküle zur Kristallstruktur des Eises zusammenschließen. Aus diesem Verhalten der Wassermoleküle lässt sich nicht nur die gewaltige Sprengkraft des gefrorenen Wassers erklären, sondern auch die Tatsache, dass Eis leichter als Wasser ist und auf dem Wasser schwimmt. Dies ist speziell für das Überwintern von Flora und Fauna in Seen und Flüssen wichtig, auf denen sich eine Eisdecke bildet.

 

Im Salzwasser (Meerwasser) bleiben die Anomalien im Wesentlichen erhalten, wobei sie in unterschiedlichem Maße abgewandelt werden. Einige bei reinem Süßwasser geringfügige Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit und Osmose treten erst bei Salzwasser verstärkt auf, während andere wie die Erniedrigung des Gefrierpunktes und die Erniedrigung der Temperatur des Dichtemaximums sich gegenüber dem Süßwasser auffallend und einschneidend ändern. Auch in der Schallgeschwindigkeit und der Komprimierbarkeit, außerdem in der Wärmeleitfähigkeit, der spezifischen Wärme, der Verdunstungswärme, der Siedepunkterhöhung, der Lichtabsorption, der Oberflächenspannung und der Viskosität (Zähigkeit) unterscheiden sich Salz- und Süßwasser.

 

 Dichte und Farbe

 

Die Dichte ist bei Salzwasser von der Temperatur, vom Salzgehalt und in sehr geringem Maß auch vom Druck abhängig. Sie nimmt deutlich zu bei sinkender Temperatur und wachsendem Salzgehalt. Dies spielt für den Gefrierprozess und die vertikale Durchmischung im Weltmeer einschließlich des Sauerstoffeintrags und des Hochbringens von Nährstoffen eine bedeutende und entscheidende Rolle. Im Gegensatz zu einem tieferen Süßwassersee, bei dem die vertikale Durchmischung durch eine Änderung der Wasserdichte unterbunden wird, wenn sich nach der Zirkulation bei Temperaturen bereits unter +4 ºC wieder eine Decke leichteren Wassers über schwererem ausbildet, bleibt im Meer die vertikale Durchmischung bis zum Gefrierpunkt bestehen (bei Meerwasser von 35 Promille Salzgehalt bis —1,91 ºC). Wird der Gefrierpunkt im Salzwasser mit einem Salzgehalt von 35 Promille bei —1,91 ºC erreicht, so liegt das Dichtemaximum bei gleichem Salzgehalt sogar erst bei —3,53 ºC.

 

Leichte Deckschichten salzarmen Wassers verhindern wegen ihrer geringeren Dichte eine tief greifende Durchmischung — so beispielsweise in der Ostsee, in den norwegischen Fjorden oder auch im Schwarzen Meer. Ebenso verhindern Eisdecken den vertikalen Austausch. In gleicher Weise wirken sich salzreiche, aber sehr warme und deshalb insgesamt leichte, mächtige Wasserschichten in den subtropischen und tropischen Gewässern aus.

 

Wassermassen unterschiedlicher Dichte können im gleichen Höhenniveau nicht nebeneinander in Ruhestellung bleiben. Jeder Wasserkörper strebt nach dem Tiefenbereich, der seiner Dichte entspricht. Infolge von Dichteänderungen setzen vertikale und horizontale Bewegungen im Weltmeer ein, die für die Dynamik des Meerwassers eine erhebliche Rolle spielen.

 

Aus der Farbe des Wassers lassen sich Rückschlüsse auf seine Produktivität ziehen. Sauberes Süß- und Meerwasser erscheint in größerer Mächtigkeit — bei Ausschluss von Reflexen von Himmel und Wolken — blau. Gestreut wird vorwiegend das kurzwellige Licht, die kurzwellige Strahlung des blauen Spektralbereichs. Langwellige Strahlung (gelber und vor allem roter Spektralbereich) wird absorbiert, wobei die zugeführte Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird. Cobaltblaues, also sauberes Meerwasser zeigt »wüstenhafte« Verhältnisse an; es handelt sich um Meeresbereiche mit wenigen Nährstoffen und folglich geringster (biologischer) Produktivität.

 

 Wasser als Lösungsmittel

 

Allgemein bekannt ist die Eigenschaft des Wassers, zahlreiche Stoffe leicht oder weniger leicht zu lösen. Zeitweilige (temporäre) Härte zeigt das Wasser, wenn in ihm Calcium- und Magnesiumhydrogencarbonat gelöst sind. Ständige (permanente) Härte weist das Wasser auf, wenn in ihm Calciumsulfat gelöst ist. Regenwasser oder auch enthärtetes Wasser wird weiches Wasser genannt. Unter Wasserhärte wird in Deutschland die Summe der im Wasser gelösten Calcium- und Magnesiumsalze verstanden. Die Gesamthärte wird durch die Summe aus Carbonat- und Nichtcarbonathärte charakterisiert. Der deutsche Härtegrad (1 ºdH = 10 mg/l CaO oder 7,19 mg/l MgO) ist dabei die Konzentrationseinheit (mg/l steht für Milligramm pro Liter). Bei sehr hartem Wasser liegt die Härte über 30 ºdH, bei hartem zwischen 18 und 30 ºdH, bei ziemlich hartem zwischen 12 und 18 ºdH, bei mittelhartem zwischen 8 und 12 ºdH, bei weichem zwischen 4 und 8 ºdH und bei sehr weichem unter 4 ºdH.

 

Der bittere Geschmack des Meerwassers rührt von Magnesiumsalzen her, der salzige von Kochsalz. Der Salzgehalt des Meerwassers ist gewöhnlich als Salzkomplex konstant zusammengesetzt. Er wird in Promille, also in Gramm Meersalz pro Kilogramm Meerwasser, angegeben. Der mittlere Salzgehalt des Meerwassers liegt bei 35 Promille, er schwankt im offenen Weltmeer zwischen 32 und 38 Promille. Im Roten Meer wächst der Salzgehalt bis auf 41 Promille, während er in der Nähe von Flussmündungen auf 0 Promille zurückgeht.

 

Wichtig für den Stoffhaushalt des Wassers sowie für die Entwicklung und Aufrechterhaltung des Lebens sind die gelösten Gase. Der Gasaustausch zwischen Atmosphäre und Hydrosphäre verläuft über einen relativ dünnen Oberflächenraum.

 

 Wassermengen

 

Wie bei der Wasserfläche auf der Oberfläche unseres Planeten gibt es auch für die auf der Erde vorkommenden Wassermengen keine exakten Werte. Näherungswerte und Schätzungen müssen die Lücken füllen. Die Schätzwerte unterschiedlicher Wissenschaftler differieren beträchtlich. So soll die gewaltige Wassermenge im Weltmeer nach Werten von 1974 (Mark I. Lwowitsch) 1 370 323 000 Kubikkilometer betragen. In einer Studie, die im Rahmen der UNESCO ausgearbeitet wurde und ebenfalls 1974 erschien (Wladimir A. Korzun u. a.), wird »nur« ein Wert von 1 338 000 000 Kubikkilometer angegeben. Die Differenz von 32 323 000 Kubikkilometer entspricht etwa dem 65fachen der im Wasserkreislauf jährlich umlaufenden Wassermassen beziehungsweise den Wassermengen, die in 65 Jahren im Wasserkreislauf zirkulieren. 1975 gaben zwei deutsche Forscher für das Wasservolumen des Weltmeeres 1 248 000 000 Kubikkilometer an (Albert Baumgartner und Eberhard Reichel).

 

Dagegen erscheint die Süßwassermenge recht klein: Sie beträgt nur 35 029 210 Kubikkilometer oder 2,53 Prozent der Gesamtwassermenge. Dabei sind Inlandeise und Gletscher die größten Süßwasserspeicher der Erde. In ihnen sind rund 85 Prozent des Süßwassers gespeichert. Sollte im Rahmen einer Erwärmung der Erde das Gletschereis insgesamt abschmelzen, so reichte es aus, den Meeresspiegel um 66,7 Meter ansteigen zu lassen. Ein Meeresspiegelanstieg von 50 Meter ließe beispielsweise Brüssel, Köln und Magdeburg zu Küstenstädten und Berlins höher gelegene nördliche Bereiche zu einer Küstenstadt auf einer Insel werden. Für die Niederlande würde ein Meeresspiegelanstieg von nur einem Meter eine unglaubliche Katastrophe bedeuten. Rund ein Viertel des Landes (etwa 27 Prozent) liegen gegenwärtig unter dem Meeresspiegel. In diesem Bereich wohnen zur Zeit etwa 60 Prozent der niederländischen Bevölkerung.

 

Von dem im Vergleich zum Salzwasservolumen kleinen, aber doch noch sehr ansehnlichen Wasservolumen des Süßwassers ließen sich ohne großen Aufwand nur etwa 200 000 Kubikkilometer nutzen. Gäbe es den Wasserkreislauf nicht, so wäre das Wasser bei einer gegenwärtigen Nutzung von rund 5000 Kubikkilometer pro Jahr in 40 Jahren verbraucht.

 

 Der Wasserkreislauf

 

Der Erlanger Geologe Friedrich Pfaff schrieb 1870: »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«.

 

Merkwürdigerweise blieb der hydrologische Zyklus, der Kreislauf des Wassers, außerordentlich lange im Dunkeln. Thales von Milet (um 625—547 v. Chr.) erkannte, dass das Wasser die wichtigste Voraussetzung für alles Leben auf der Erde ist. Selbst Aristoteles (384—322 v. Chr.) stieß nicht auf die Abläufe des Wasserkreislaufs in der wirklichen Form. Erst Leonardo da Vinci (1452—1519) erkannte die realen Zusammenhänge. Doch dauerte es noch einige Jahrhunderte, bis die Erkenntnis des Wasserkreislaufs Gemeingut wurde. Richtungweisend für spätere Forschungen ist die erste textlich einwandfreie Darstellung des Wasserkreislaufs für die gesamte Erde aus dem Jahre 1887 (J. Murray). Erst zu Beginn unseres Jahrhunderts gelang es, den Wasserkreislauf mathematisch darzustellen und erstmals für die gesamte Erde mengenmäßig zu erfassen.

 

Der Wasserkreislauf wird in der DIN 4049, Teil 1, vom September 1979 als »ständige Folge der Zustands- und Ortsänderungen des Wassers mit den Hauptkomponenten Niederschlag, Abfluss, Verdunstung und atmosphärischer Wasserdampftransport« beschrieben. Aus der riesigen Fläche des Weltmeeres (362 Millionen Quadratkilometer) greift der Kreislauf des Wassers über auf den kleineren Festlandsbereich (148 Millionen Quadratkilometer). Das Festland der Erde ist in das Gesamtgeschehen einbezogen, und der Kreis schließt sich durch den Abfluss in den Flüssen und die Verfrachtung von Wasserdampf in der Atmosphäre vom Land zum Meer. Die Wasser- oder Wasserhaushaltsbilanz wird als »mengenmäßige Erfassung von Komponenten des Wasserkreislaufs und der Vorratsänderung des Wassers in einem Betrachtungsgebiet während einer Betrachtungszeitspanne« beschrieben (DIN 4049).

 

Für das Festland der Erde gilt folgende Wasserhaushaltsgleichung: N_L = V_L + A_L(R — B). N = Niederschlag, V = Verdunstung, A = Abfluss, R = Rücklage, B = Aufbrauch, (R — B) = Vorratsänderung, L = Land, M = Meer, E = Erde. Für die Erde sind die nachstehenden Gleichungen bei ausgeglichenen Verhältnissen gültig:

 

(1) für die Landflächen: N_L = V_L + A_L

 

(2) für die Meeresflächen: N_M = V_M — A_L

 

beide Gleichungen nach A_L aufgelöst, ergibt

 

(3.1) für die Landflächen: A_L = N_L — V_L

 

(3.2) für die Meeresflächen: A_L = V_M — N_M

 

Die Gleichsetzung beider nach A_L aufgelösten Gleichungen lautet:

 

(4) V_M — N_M = N_L — V_L, daraus folgt

 

(5) V_M + V_L = N_L + N_M, hieraus ergibt sich V_E = N_E

 

als Grundgleichung für die Wasserbilanz der Erde.

 

Mit den im Wasserkreislaufschema angegebenen Werten kann man abschätzen, dass im Durchschnitt jährlich rund 475 000 Kubikmeter Wasser am Wasserkreislauf beteiligt sind.

 

475 000 Kubikkilometer entspechen etwa 630 Milliarden Güterzügen zu je 50 Güterwagen mit je 15 Kubikmeter Inhalt — kaum vorstellbar! Neben diesem gigantischen Transportunternehmen stellt der Wasserkreislauf ein riesiges und effektives Reinigungssystem dar, das sowohl im Niederschlag die untere Atmosphäre von unterschiedlichen Substanzen freiwäscht, in Flüssen, Seen und Meeren ein gewaltiges Selbstreinigungspotenzial besitzt als auch unterhalb der Erdoberfläche über weitere Reinigungsmöglichkeiten verfügt.

 

Schließlich stellt der Wasserkreislauf eine Riesendestillationsanlage dar. Jedes Jahr werden — angetrieben durch die Energiezufuhr von der Sonne — rund 410 000 Kubikkilometer Salzwasser zu Süßwasser, wobei nur etwas mehr als ein Viertel des Süßwassers als Niederschlag auf die Landflächen der Erde fällt. Von diesem Viertel fließen etwa 35 Prozent als Flüsse ins Meer. Diese rund 35 000 Kubikkilometer, von denen bereits der Eisbergausstoß und das Schneefegen von Antarktika und Grönland abgezogen sind, stellen die Menge dar, die die Menschheit jährlich zum Gebrauch zur Verfügung hat. Davon nutzt sie jährlich bereits 5000 Kubikkilometer. Falls keine Abwasserreinigung erfolgt — und sie ist global gesehen nicht übermäßig verbreitet —, wird etwa das Zwölffache zur Verdünnung für den Wiedergebrauch benötigt. Die Menschheit hat also in Bezug auf das Wasser große Probleme zu lösen. Über die geographische Differenzierung wird für große Regionen die Lösung des Problems Wasser zur Überlebensfrage.

 

Prof. Dr. Joachim Marcinek und Dr. habil. Olaf Mietz

 

Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:

 

Meere und Ozeane

 

Flüsse und Seen

 

Grundwasser: Herkunft, Neubildung, Bedeutung

 

Wasser als Lebensraum: Beeinträchtigung und Schädigung

 

Literatur:

 

Herrmann, Reimer: Einführung in die Hydrologie. Stuttgart 1977.

 Hölting, Bernward: Hydrogeologie. Einführung in die allgemeine und angewandte Hydrogeologie. Stuttgart ⁵1996.

 Marcinek, Joachim / Rosenkranz, Erhard: Das Wasser der Erde. Eine geographische Meeres- und Gewässerkunde. Gotha ²1996.

 Wilhelm, Friedrich: Hydrogeographie. Grundlagen der allgemeinen Hydrogeographie. Braunschweig ³1997.

 Wilhelm, Friedrich: Schnee- und Gletscherkunde. Berlin u. a. 1975.