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Die Erde ist aus dem Weltall betrachtet ein blauer Planet – es ist die Farbe des Wassers, das drei Viertel der Erdoberfläche bedeckt. Das Wasser auf der Erde befindet sich in einem ständigen Kreislauf und durchläuft dabei alle Wasserreservoire. Der Begriff Wasserkreislauf umfaßt den Transport und die Speicherung von Wasser in globaler wie regionaler Hinsicht. Das Wasser wechselt dabei mehrmals seinen Aggregatzustand und durchläuft die Sphären der
Erde wie die Hydrosphäre, die Lithosphäre, die Biosphäre und die Atmosphäre. Die Zirkulation des Wassers vollzieht sich im Wesentlichen zwischen Meer und Festland. In diesem Kreislauf geht kein Wasser verloren, es ändert nur seinen Zustand. Aufrechterhalten wird der Wasserkreislauf letztlich durch die Sonne und die Schwerkraft der Erde. Die Prozesse, die dadurch direkt angetrieben werden, sind Niederschlag, Verdunstung und Abfluß.
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Schema des Wasserkreislaufes
Die Ozeane sind die größten Wasserspeicher der Erde. Die gesamte Wassermenge der Erde wird auf 1,4 Milliarden km3 geschätzt. Davon sind gut 97 % Salzwasser, nur 2,75 % (38,5 Millionen km3) sind Süßwasser.
Die Energie der Sonne erwärmt das Wasser. Aus dem Ozean und über dem Land verdunstet daher Wasser und gelangt als Wasserdampf in die Atmosphäre. Weil Wasserdampf leichter ist als Luft, steigt er nach oben in die Atmosphäre. Wenn die Luft aufsteigt, kühlt sie sich ab. Der Wasserdampf kondensiert und es entstehen Wolken. Der Wind transportiert die feuchte Luft zum Festland. Wenn die feuchte Luft auf kalte Luftschichten trifft, so schiebt sie
sich darüber und steigt auf (Warmfront), ebenso wenn sie auf Bergflanken trifft (orographische Hebung). In der Höhe ist es kälter als auf der Erdoberfläche. Kalte Luft kann aber weniger Feuchtigkeit aufnehmen als warme. Wenn die Wolken also bereits mit kondensiertem Wasser gesättigt sind, fällt das Wasser nun in Form von Regen, Schnee oder Hagel zur Erde zurück. Die Form des Niederschlags hängt dabei von der Temperatur ab.
Wenn die Niederschläge direkt in die Gewässer fallen, schließt sich der Kreislauf und kann wieder von vorn beginnen. Fällt das Wasser auf die Erde, versickert es ins Grundwasser. Über den Grundwasserfluß oder über Quellen und Flüsse fließt es dann in die Ozeane ab.
Auch Schmelzwasser von Gletschern und Schnee und oberflächlich abgeführtes Regenwasser wird über Flüsse in die Ozeane transportiert. In den Polargebieten und in Hochgebirgen wird ein Teil der Niederschlägein fester Form als Eis gespeichert, wo es über Schmelzwasser wieder in die Ozeane gelangt.
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Durch Verdunstung und Kondensation, Tauen und Gefrieren wandelt sich das Wasser in diesem Kreislauf ständig in verschiedene Aggregatzustände um, von flüssig zu gasförmig, von fest zu flüssig oder umgekehrt. Die Umwandlung und der Transport des Wassers geschieht am schnellsten in der Atmosphäre. Der Ozean und besonders das Eis reagieren wesentlich langsamer.
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Die Atmosphäre als Wasserverteiler
Die Atmosphäre enthält zwar nur 0,001 % des auf der Erde vorhandenen Wassers, spielt aber bei der Umverteilung des Wassers auf der Erde die zentrale Rolle. Die bei weitem größten Wassermengen werden über Verdunstung und Niederschlag zwischen Ozean und Atmosphäre und zwischen Atmosphäre und Land ausgetauscht. Der dritte wichtige Austausch ist der Transport zwischen Land und Ozean über die Flüsse. Diese Austauschprozesse erfolgen in relativ
kurzen Zeiträumen. Das Eis spielt insoweit nur eine untergeordnete Rolle, was an den langsamen Reaktionszeiten der großen Eisschilde liegt.
Der Wasserkreislauf bewegt gewaltige Mengen Wasser: Alljährlich verdunsten etwa 505.000 km3 Wasser, davon 434.000 über den Ozeanen und nur 71.000 über dem Land. Von diesem Wasser fallen 398.000 km3 Niederschlag in die Weltmeere, und 107.000 auf das Festland - es findet in der Summe also jährlich ein Transport von etwa 36.000 km3 (Süß-)Wasser von den Ozeanen auf das Festland statt. Dieses Wasser
fließt im wesentlichen über die Flüsse oder als Grundwasserabfluss wieder ins Meer zurück. Diese Zahlen machen deutlich, daß die Zeit, die das Wasser in den verschiedenen Reservoiren verbringt, sehr unterschiedlich ist: Aus den Meeren mit 1,37 Milliarden km3 verdunsten jährlich 434.000 km3, das Wasser wird also nur alle 3.200 Jahre komplett ausgetauscht. In der Atmosphäre finden sich dagegen nur 13.000 km3 Wasser. Die Menge von 505.000 km3 Niederschlag
bedeuten also, daß dieses Wasser etwa alle 9 Tage komplett erneuert wird.
Die Atmosphäre ist also der zentrale Umverteiler des Wassers. Sie nimmt das verdunstete Wasser auf, wandelt es in Wassertröpfchen oder Eiskristalle um und transportiert es über weite Strecken vom Ozean aufs Land oder umgekehrt. Dort fällt es dann in fester oder flüssiger Form aus der Atmosphäre wieder heraus. Während über dem Ozean die Verdunstung den Niederschlag übertrifft, ist es über dem Land umgekehrt. Unter dem Strich transportiert die Atmosphäre
also Wasser von den Meeren in Richtung Land und zwar rd. 9 % des über dem Ozean verdunsteten Wassers. Das hat zur Folge, daß etwa 35 % des über Land fallenden Niederschlags verdunstetes Ozeanwasser ist, das von der Atmosphäre herangeführt wurde. Die Gesamtmenge des Wassers in der Atmosphäre von etwa 13.000 km3 wird durch diese Prozesse rd. 36 Mal im Jahr ausgetauscht.
In der Atmosphäre kommt Wasser in allen drei Aggregatzuständen vor, als (unsichtbarer) Wasserdampf, als Wassertröpfchen und als Eiskristalle. Durch Verdunstung gelangt das Wasser gasförmig in die Atmosphäre. Dort kann es temperaturabhängig zu flüssigem Wasser kondensieren oder zu Eiskristallen gefrieren. Bei diesen Phasenübergängen werden erhebliche Energiemengen
gebunden oder freigesetzt. Die bei der Verdunstung "verbrauchte" Energie wird dann bei der Kondensation wieder frei. Diese Energiefreisetzung ist für die dynamischen Prozesse in der Atmosphäre die entscheidende Triebfeder. So wird z.B. die Energie von tropischen Zyklonen (Hurrikanen, Taifunen) wesentlich aus der Kondensation von Wasserdampf gewonnen, der zuvor aus der Verdunstung von warmem Meerwasser entstanden ist. Entsprechendes gilt für die uns bekannte Wolkenthermik.
Näheres dazu steht im Kapitel Temperaturgradient.
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Das Wasser in der Atmosphäre besteht nahezu vollständig aus Wasserdampf. Nur 0,25 - 0,3 % des atmosphärischen Wassers sind als flüssiges Wasser oder in fester Form als Eis in Wolken gebunden, obwohl diese die Erde zu mehr als 60% bedecken. Für den globalen Wasserkreislauf sind die Wolken dennoch entscheidend. Wolken sind das sichtbare Zeichen für kondensierten Wasserdampf und ohne Wolken würde es keinen Niederschlag geben. In der freien Atmosphäre kann es zur
Kondensation kommen, wenn der Sättigungsgrad für Wasserdampf in der Luft überschritten wird. Das geschieht in der Regel durch Abkühlung. Wie schon in den Kapiteln Luftfeuchte und Wasserdampf ausgeführt, kann wärmere Luft mehr Wasserdampf aufnehmen als kältere. Während also die Luft z.B. bei 40 °C 50 g/m3 Wasser aufnehmen kann, sind es bei 1 °C nur 5 g/m3. Die zweite wichtige Voraussetzung ist das Vorhandensein von Kondensationskernen in der Atmosphäre, an denen sich das Wasser niederschlagen kann. Diese können aus festen oder flüssigen Aerosolen wie Salzkristallen, Staubkörnern, Sulphataerosolen etc. bestehen, um die herum dann der Wasserdampf kondensiert.
Würde der gesamte Wasserdampf der Atmosphäre auskondensieren, wäre der Planet von einer 2,5 cm dicken Wasserschicht umhüllt. Der atmosphärische Wasserdampf ist aber nicht gleichmäßig um den Erdball verteilt. In den Tropen würde daher in unserem Gedankenexperiment eine 50 cm hohe Wasserschicht entstehen, an den Polen dagegen nur von 5 mm. Trotz hoher Lufttemperaturen findet sich auch über den subtropischen Wüstengebieten nur sehr wenig Wasserdampf. Diesen Unterschied macht die Abbildung
rechts deutlich.
Die Gründe dafür sind im Kapitel Zirkulation eingehend dargestellt.
Die vertikale Verteilung des Wasserdampfes in der Atmosphäre ist ebenfalls sehr uneinheitlich. Fast 50 % befindet sich unterhalb von 1,5 km Höhe, nicht einmal 5 % oberhalb von 5 km und weniger als 1 % in der Stratosphäre. Ergänzend darf hierzu auf das Kapitel Temperaturgradient verwiesen werden.
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Der globale Wasserdampf der Atmosphäre im Januar 2003
(in mm kondensiertes Wasse)r
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Wolken- und Niederschlagsverteilung
Auch die Wolkenbedeckung ist über den Globus sehr ungleichmäßig verteilt. Dort wo es zur Anhebung von Luftmassen und damit verbundener Abkühlung kommt, gibt es viele Wolken , wo Luftmassen absinken und sich dabei erwärmen, nur wenige. Luftmassen können durch Erwärmung aufsteigen, was besonders in den Tropen der Fall ist. Sie können auf andere Luftmassen aufgleiten, wie das in den Tiefdrucksystemen der mittleren Breiten der Fall ist, oder an Gebirgen zum Aufsteigen gezwungen werden. Wolken werden außerdem durchdie atmosphärische Zirkulation über weite Strecken horizontal verfrachtet, z.B. vom Atlantik bis weit in den europäischen Kontinent hinein. In den subtropischen Absinkgebieten der Hadley-Zirkulation gibt es dagegen kaum Wolken.
Die Verteilung der Wolken bestimmt auch über die lokale Verbreitung der Niederschläge. Der meiste Niederschlag fällt naturgemäß über den Weltmeeren, wo auch die Verdunstung am höchsten ist. Global zeigt sich eine zonale Gliederung wie bei den Wolken. Die Tropen sind die Gebiete mit den deutlich höchsten Niederschlägen. Zwischen 30° N und 30° S fallen 2/3 des gesamten globalen Niederschlags. Während das globale Mittel bei 990 mm/Jahr liegt, fallen in den Tropen über 2000 und in manchenRegionen sogar über 3000 mm/Jahr. Ein sekundäres Maximum liegt infolge der Tiefdruckzugbahnen in den mittleren Breiten mit um die 1000 mm/Jahr. Gebiete mit geringem Niederschlag sind die Trockengebiete der Subtropen und die polaren Regionen, wo weniger als 200 mm/Jahr fallen. Näheres hierzu ist im Kapitel Zirkulation dargestellt.
Ob es in einer Region viel, wenig oder gar nicht regnet, hängt daher nur zu einem geringen Teil von Temperatur und Verdunstung in diesem Gebiet ab. Das Niederschlagswasser stammt nämlich zu ca. 90 % aus Wasserdampf, der aus mehr oder weniger größerer Entfernung herantransportiert wurde. Dabei ist der Anteil des herangeführten Wasserdampfes am gesamten Wasserdampf, der sich über einem bestimmten
Gebiet in Niederschlag umwandelt, über dem Land höher als über den Ozeanen und im Winter höher als im Sommer. Für den Wasserdampftransport sind daher atmosphärische Zirkulationssysteme entscheidend, z.B. die tropischen Monsune und subtropischen Passate in den niederen Breiten und in den mittleren und höheren Breiten die durch den Jetstream gesteuerten Zugbahnen der Tiefdruckgebiete. Auch dazu ist im Kapitel Zirkulation näheres dargestellt.
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Landflächen und Wasserkreislauf
Die Landflächen der Kontinente stehen einerseits über den Wasserkreislauf mit den Ozeanen in enger Verbindung, besitzen aber andererseits auch einen eigenen Wasserkreislauf. Die Kontinente erhalten von den Weltmeeren erhebliche Mengen an Niederschlag und geben diesen durch den Abfluß über Flüsse und Grundwasser weitgehend wieder ans Meer ab. Etwa 35 % der über den Landflächen fallenden Niederschläge werden ursprünglich über den Weltmeeren verdunstet.
Das bedeutet andererseits, daß 65 % des Niederschlags über den Landflächen selbst verdunstet werden. Anders als beim Ozean hängt die Verdunstung über dem Land jedoch primär nicht von der Aufnahmekapazität der Atmosphäre für Wasserdampf begrenzt, sondern hängt entscheidend von der dafür zur Verfügung stehende Wassermenge ab. Die unterschiedliche Gestaltung der Landoberfläche von Wüsten über Wälder und Ackerland bis zu schneebedeckten Flächen und offenen Gewässern hat unterschiedlichste Verdunstungsformen und -leistungen zur Folge.
Die direkte Verdunstung von Wasser auf den verschiedenen Oberflächen wird als Evaporation bezeichnet. Hinzu kommt bei Pflanzen noch die Transpiration, die Verdunstung des von den Pflanzen aufgenommenen Wassers durch die Blätter. Eine besondere Rolle im terrestrischen Wasserkreislauf kommt den Wäldern zu. Sie verdunsten deutlich mehr Wasser als z.B. Ackerland, bei dem ein großer Teil des Niederschlags versickert oder abfließt. In den mittleren Breiten führen so die Wälder der Atmosphäre ca. 70 % des Niederschlags durch Verdunstung wieder zu, bei Ackerland sind es weniger als 50 %. In den Tropen sind Regenwälder ein wichtiger Stabilisator der regionalen Wasserkreisläufe.
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