Wasserkreislauf

Aus Klimawandel
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Der globale Wasserkreislauf: Reservoire (blaue Ziffern) in 1.000 km3, Flüsse in 1.000 km3/Jahr (schwarze Ziffern)

1 Überblick

Das Wasser auf der Erde befindet sich in einem ständigen Kreislauf und durchläuft dabei auf verschiedenen Zeitskalen alle Wasserreservoire. 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. Vereinfacht gesehen sieht der Gesamtvorgang so aus: Aus dem Ozean und über dem Land verdunstet Wasser und gelangt so als Wasserdampf in die Atmosphäre. Hier kondensiert der Wasserdampf und fällt als Regen, Hagel oder Schnee wieder auf die Landoberflächen oder das Meer zurück. 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. Umwandlung und Transport des Wassers geschehen am schnellsten in der Atmosphäre. Der Ozean und besonders das Eis reagieren wesentlich langsamer.

Die Atmosphäre enthält zwar nur 0,001% des auf der Erde vorhandenen Wassers. Sie spielt aber bei der Umverteilung des Wassers zwischen den Reservoiren die zentrale Rolle. Die bei weitem größten Wassermengen werden über Verdunstung und Niederschlag zwischen Ozean und Atmosphäre und dann zwischen Atmosphäre und Land ausgetauscht. Der dritte wichtige Austausch ist der zwischen Land und Ozean über den Transport der Flüsse. Das Eis spielt bei den Austauschprozessen des Wassers in kurzen Zeiträumen nur eine untergeordnete Rolle, was an den langsamen Reaktionszeiten der großen Eisschilde liegt.

2 Der Ozean als Wasserlieferant

Der größte Wasserlieferant der Atmosphäre ist der Ozean. Aus ihm verdunstet ca. siebenmal so viel Wasser wie über dem Land. Ein großer Teil davon wird durch die atmosphärische Zirkulation über die Kontinente transportiert und fällt dort als Niederschlag. Daher fällt über dem Ozean etwa 50 000 km3 im Jahr weniger Niederschlag als an Wasser verdunstet. Das Defizit wird ausgeglichen durch Zuflüsse vom Land und durch Abschmelzen von Eis.

Niederschlag und Verdunstung sind über dem Ozean sehr ungleichmäßig verteilt. Die maximalen Verdunstungsgebiete liegen in den Subtropen, die in Anlehnung an die Terminologie bei Gletschern deshalb auch als Nährgebiete des Wasserkreislaufs bezeichnet werden.[1] Die Zehrgebiete mit einem hohen Überschuss an Niederschlag findet man in den Tropen und den mittleren Breien. Die Stärke der Verdunstung ist abhängig von der Wasseraufnahmefähigkeit der Atmosphäre, die wiederum von der Temperatur abhängt. In den warmen Tropen und Subtropen verdunsten daher maximal über 200 cm/Jahr, in den kalten Polargebieten nur 60 cm und weniger. Die Niederschläge fallen über den Ozeanen vor allem dort, wo es in der Atmosphäre größere aufsteigende und sich abkühlende feuchte Luftmassen gibt. Das ist vor allem in den feuchten Tropen sowie in den mittleren Breiten der Fall.

Abb. 2: Der Salzgehalt im Oberflächenwasser der Weltmeere im Jahresmittel in ‰

Betrachtet man das Verhältnis von Verdunstung und Niederschlag bei den einzelnen Ozeanen, so ist der Atlantik ein Wasserdefizitgebiet. Das liegt zum einen daran, dass im Atlantik die subtropischen Gebiete mit ihren hohen Verdunstungsraten im Verhältnis zu den Gebieten der tropischen und gemäßigten Zone relativ groß sind. In Abb. 2 ist das ablesbar am Salzgehalt des Oberflächenwassers, der das Verhältnis von Niederschlag und Verdunstung widerspiegelt. Höhere Salzgehaltwerte finden sich dort, wo die Verdunstung höher als der Niederschlag ist, niedrigere im umgekehrten Fall. Daneben spielen für die Salzgehaltsverteilung auch Transportvorgänge durch Meeresströmungen eine Rolle.

Hinzu kommt, dass der Atlantik ein großer Exporteur von verdunstetem Wasser sowohl Richtung Kontinente wie Richtung Pazifik ist. Einerseits kann der Wasserdampf mit den Luftströmungen relativ ungehindert weit in die angrenzenden eher niedrigen Landmassen eindringen und sich dort ausregnen. Und andererseits exportiert der Atlantik über die schmale mittelamerikanische Landbrücke mehr Wasserdampf, als er über die ausgedehnten Kontinentalmassen Eurasiens, Nordamerikas und Afrikas zurück erhält. Der Ausgleich mit den Kontinenten geschieht über die großen Flüsse, die in den Atlantik und seine Nebenmeere münden: Amazonas, Kongo, Mississippi, Nil u.a. Den Ausgleich mit dem Pazifik bewirkt langfristig die thermohaline Zirkulation über den antarktischen Zirkumpolarstrom. Sie ist selbst ein Produkt des Wasserdampfexports des Atlantiks Richtung Pazifik. Denn durch die hohe Verdunstung über dem Atlantik steigt mit dem Salzgehalt auch die Wasserdichte. Der Dichteunterschied zwischen dem Atlantik und den anderen Ozeanen ist letztlich der Antriebsmotor der thermohalinen Zirkulation.

Im Gegensatz zum Atlantik ist der Pazifik ein Wasserüberschussgebiet. Die ausgedehnten tropischen Areale sorgen für hohe Niederschlagsmengen. Und die angrenzenden Kontinente sind zu einem großen Teil durch hohe Randgebirge (Rocky Mountains, Anden) gegen den Ozean abgegrenzt, so dass verhältnismäßig wenig Wasserdampf vom Meer in das Innere der Kontinente transportiert werden kann.

3 Die Atmosphäre als Umverteiler von Wasser

Die Atmosphäre spielt bei der Umverteilung des Wassers zwischen den Reservoiren Ozean und Land die zentrale Rolle. Sie nimmt das von den beiden anderen Reservoiren 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. Netto transportiert die Atmosphäre also Wasser vom Ozean Richtung Land, und zwar etwa 9% des über dem Ozean verdunsteten Wassers. Das hat zur Folge, dass etwa 35% des über Land fallenden Niederschlags verdunstetes Ozeanwasser ist, das über die Atmosphäre herantransportiert wurde. Die Gesamtmenge des Wassers in der Atmosphäre von etwa 13 000 km3 wird durch diese Prozesse ca. 36. Mal im Jahr ausgetauscht.

Der globale Wasserdampf der Atmosphäre im Januar 2003 in mm kondensiertes Wasser

In der Atmosphäre kommt Wasser in allen drei Aggregatzuständen vor, als Wasserdampf, als Wassertröpfchen und als Eiskristalle. Durch Verdunstung gelangt das Wasser gasförmig in die Atmosphäre. Dort kann es dann zu flüssigem Wasser kondensieren oder zu Eiskristallen gefrieren. Dabei werden erhebliche Energiebeträge gebunden oder freigesetzt. So wird bei der Verdunstung Energie verbraucht, die dann bei der Kondensation wieder freigesetzt wird. Diese Energiefreisetzung spielt für dynamische Prozesse in der Atmosphäre eine erhebliche Rolle. 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.

Fast das gesamte Wasser in der Atmosphäre existiert in der Form von Wasserdampf. Nur 0,25-0,3% des atmosphärischen Wassergehalts sind in Wolken als flüssiges Wasser oder Eis gebunden. Bei Kondensation würde der gesamte Wasserdampf der Atmosphäre im Mittel eine Schicht von 2,5 cm rund um die Erde bilden. Allerdings ist der Wasserdampf nicht gleichmäßig um den Erdball verteilt. Wärmere Luft kann mehr Wasserdampf aufnehmen als kältere. In den Tropen würde daher eine Schicht von 50 cm Wasserhöhe entstehen, an den Polen nur von 5 mm. Nur sehr wenig Wasserdampf befindet sich trotz hoher Lufttemperaturen auch über den subtropischen Wüstengebieten, da es hier kaum Wasser gibt, das verdunsten könnte. Auch die vertikale Verteilung von Wasserdampf ist sehr unterschiedlich. Fast die Hälfte befindet sich unterhalb von 1,5 km Höhe, weniger als 5% oberhalb von 5 km und unter 1% in der Stratosphäre.[2]

Weniger als 1% des atmosphärischen Wassers ist in flüssiger oder fester Form in Wolken gebunden, obwohl diese die Erde zu mehr als 60% bedecken. Für den Wasserkreislauf spielen die Wolken dennoch eine entscheidende Rolle. Denn die Wolken sind das sichtbare Zeichen für kondensierten Wasserdampf, und ohne Wolken würde es keinen Niederschlag geben. Zur Kondensation kann es kommen, wenn der Sättigungsgrad für Wasserdampf in der Luft überschritten wird. Das geschieht in der Regel durch Abkühlung. Während die Luft 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. Diese können aus festen oder flüssigen Aerosolen wie Staubkörnern, Sulphataerosolen etc. bestehen, um die herum der Wasserdampf kondensiert.

Mittlere Niederschläge 1990-2005 in mm/Tag

Auch die Wolkenbedeckung ist über den Globus sehr ungleichmäßig verteilt. Wo es zur Anhebung von Luftmassen und damit verbundener Abkühlung kommt, gibt es viele Wolken, wo Luftmassen absinken und sich erwärmen, wenige. Luftmassen können durch Erwärmung aufsteigen, was besonders in den Tropen der Fall ist, oder auf andere Luftmassen aufgleiten wie in den Tiefdrucksystemen der mittleren Breiten oder an Gebirgen zum Aufsteigen gezwungen werden. Wolken werden außerdem durch die atmosphärische Zirkulation über weite Strecken horizontal verfrachtet, so vom Atlantik bis weit in den europäischen Kontinent hinein. In den subtropischen Absinkgebieten der Hadley-Zirkulation gibt es dagegen kaum Wolken.

Die Verbreitung der Wolken bestimmt auch die Verbreitung des Niederschlags. Der meiste Niederschlag fällt über den Ozeanen, wo auch die Verdunstung am höchsten ist. Global zeichnet sich eine zonale Gliederung wie bei den Wolken ab. Die Tropen sind die Gebiete mit den deutlich höchsten Niederschlägen. Zwischen 30° N und 30° S fallen zwei Drittel des gesamten globalen Niederschlags. Während das globale Mittel bei 990 mm/Jahr liegt, fallen in den Tropen über 2000 und in manchen Regionen sogar über 3000 mm/Jahr. Ein sekundäres Maximum liegt infolge der Tiefdruckzugbahnen in den mittleren Breiten mit um die 1000 mm/Jahr. Die Gebiete mit geringem Niederschlag sind die Trockengebiete der Subtropen und die polaren Regionen, wo weniger als 200 mm/Jahr fallen.[3]

Ob es in einer enger begrenzten Region (z.B. 500x500 km) viel, wenig oder gar nicht regnet, hängt allerdings nur zu einem geringen Teil von Temperatur und Verdunstung in diesem Gebiet ab. Die Wassermenge bestimmter Niederschlagsereignisse stammt im globalen Mittel zu ca. 90% aus Wasserdampf, der aus mehr oder weniger größerer Entfernung herantransportiert wurde.[4] Der Anteil des herantransportierten Wasserdampfes an dem gesamten Wasserdampf, der sich über einem bestimmten Gebiet in Niederschlag umwandelt, ist über dem Land höher als über den Ozeanen und im Winter höher als im Sommer. Für den Wasserdampftransport sind atmosphärische Zirkulationssysteme von entscheidender Bedeutung, 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.

4 Landoberflächen und Wasserkreislauf

Das Land steht einerseits mit dem Kreislauf des Ozeans in enger Verbindung, besitzt andererseits aber auch einen eigenen Wasserkreislauf. Es empfängt von den Weltmeeren erhebliche Mengen an Niederschlag und gibt diese durch den Abfluss von Flüssen und Grundwasser z.T. wieder an das Meer ab. So werden etwa 35% des über Land fallenden Niederschlags ursprünglich über den Ozeanen verdunstet.

Das bedeutet aber auch, dass 65% des terrestrischen Niederschlags über den Landflächen selbst verdunstet werden. Anders als beim Ozean hängt die Verdunstung über dem Land nicht nur von der Wasserdampfaufnahme der Atmosphäre ab, sondern wird entscheidend durch das zur Verfügung stehende Wasser bestimmt. Die differenzierte Gestaltung der Landoberfläche von Wüsten über Wälder und Ackerland bis zu Schnee bedeckten Flächen und offenen Gewässern hat die unterschiedlichsten Verdunstungsformen und -leistungen zur Folge.

Die direkte Verdunstung von Wasser auf den verschiedenen Oberflächen wird als Evaporation bezeichnet. Bei Pflanzenoberflächen spricht man allerdings von Interzeption. Hinzu kommt bei Pflanzen noch die Transpiration, die Verdunstung des von den Pflanzen bereits aufgenommenen Wassers durch die Spaltöffnungen der Blätter, die Stomata. Eine besondere Rolle im terrestrischen Wasserkreislauf kommt den Wäldern zu.[5] 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 70% des Niederschlags durch Verdunstung wieder zu, bei Ackerland sind es weniger als 50%. In den Tropen sind Wälder ein wichtiger Stabilisator regionaler Wasserkreisläufe.

5 Einzelnachweise

  1. P. Hupfer und A. Helbig (2004): Ozean und Kryosphäre in ihren Wirkungen auf Weltwasserbilanz und Klima, in: Lozán, J.L. u.a.(Hg.): Warnsignal Klima: Genug Wasser für alle? Wissenschaftliche Fakten, Hamburg 2004, 42-48
  2. Diese und andere Angaben nach M. Quante (2004): Verteilung und Transport des Wassers in der Atmosphäre, in: Lozán, J.L. u.a.(Hg.): Warnsignal Klima: Genug Wasser für alle? Wissenschaftliche Fakten, Hamburg 2004, 49-56
  3. M. Quante: Verteilung und Transport des Wassers in der Atmosphäre, in: Lozán, J.L. u.a.(Hg.): Warnsignal Klima: Genug Wasser für alle? Wissenschaftliche Fakten, Hamburg 2004, 49-56
  4. Trenberth, K.E., A. Dai, R.M. Rasmussen and D.B. Parsons (2003): The Changing Character of Precipitation, Bulletin of the American Meteorological Society 84, 1205-1217
  5. Vgl. V. Goldberg und C. Bernhofer: Wasserhaushalt bewaldeter Einzugsgebiete, in: Lozán, J.L. u.a.(Hg.): Warnsignal Klima: Genug Wasser für alle? Wissenschaftliche Fakten, Hamburg 2004, 74-78

6 Unterricht

7 Literatur

  • Lozán, J.L. u.a.(Hg.): Warnsignal Klima: Genug Wasser für alle? Wissenschaftliche Fakten, Hamburg 2004
  • Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderung (WBGU): Welt im Wandel: Wege zu einem nachhaltigen Umgang mit Süßwasser. Jahresgutachten 1997, Berlin 1997 - auch als Download


8 Lizenzhinweis

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