1. Einführung, hydrologischer Kreislauf

PAS I
Aufbau der gesamten Vorlesung
s. Handout und siehe auch: http://www.iup.uniheidelberg.de/institut/studium/lehre/AquaPhys/PAS1.html
Physik Aquatischer Systeme I
Kapitel:
1. Physikalische Eigenschaften des Wassers
2. Der Wärmehaushalt von Gewässern
1. Einführung
3. Strömungen in Oberflächengewässern
4. Transport in Oberflächengewässern
5. Gasaustausch
W. Aeschbach-Hertig
Institut für Umweltphysik
6. Einführung in Hydrogeologie
Universität Heidelberg
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Inhalt 1. Sitzung
1.1 Der Globale Hydrologische Kreislauf
• Hydrosphäre: Flüssiges Wasser auf/unter Erdoberfläche
– Ozean, Seen, Flüsse, Grund- u. Bodenwasser
– nicht direkt: Wasserdampf, Eis, Schnee, Biosphäre
– der Kreislauf durchdringt alle Sphären der Umwelt
(inkl. Atmosphäre, Biosphäre, Kryosphäre)
• Hydrologie und aquatische Physik
– Hydrologie: Wasserbilanzen, Speicherung, Abfluss, ...
– AP: Interne Physik der Teilsysteme
Kap. 1. Physikalische Eigenschaften des Wassers
1.1 Der globale hydrologische Kreislauf
• Hydrologische Wasserbilanz
• Kompartimente der Hydrosphäre
• Globale Wasserverteilung
1.2 Bedeutung des Wassers in der Umwelt
• Besonderheit der Eigenschaften des Wasers
• Ursache und Auswirkungen
1.3 Spezifische Wärme, Umwandlungswärme
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Der hydrologische Kreislauf (detailliert)
Der hydrologische Kreislauf (elementar)
Flüsse in 103 km3/a
40
71
385
111
425
40
Flächen
361.106 km2
149.106 km2
Gesamter Wasserfluss: 496.103 km3/a. Pro m2: 973 mm/a
aus Bear, 1979
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1
Hydrologische Grundeinheit: Einzugsgebiet
Hydrologische Wasserbilanz
ET(t)
Hydrologisches System: Reservoir mit
- Input P (precipitation)
- Output R (runoff)
- Output ET (evapotranspiration)
Kontinuität/Massenerhaltung:
Input – Output = Änderung der Speicherung
P − R − ET =
dS
dt
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Kompartimente der Hydrosphäre
Salzwasser und Süsswasser
Wasservolumen in 103 km3
Salzwasser:
1'365'000
davon
Ozeane:
1'365'000
Salzseen (Kasp. Meer): 80
Süsswasser:
davon
Eis:
Grundwasser:
Bodenwasser:
Seen:
35'000
24'000
10'800
70
110
(davon Baikalsee
23)
Atmosphäre:
Flüsse:
Biosphäre:
16
2
2
nach Mook, 2001, Environmental Isotopes in the Hydrological Cycle
http://www.unep.org/vitalwater/index.htm
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Grundwasser und Oberflächenwasser
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Globale Niederschlagsverteilung
Grundwasser:
• Bei weitem größtes
Süsswasserreservoir
• Meist sauber und sicher
als Trinkwasser
• zum Teil schwer
zugänglich
Oberflächenwasser:
• Eher limitierte Ressource,
bes. in ariden Regionen
• Leicht zugänglich
• Der Verschmutzung
ausgesetzt
http://www.unep.org/vitalwater/index.htm
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2
Globale Verteilung von Wasserressourcen-Stress
Globale Verteilung des Wasserangebots 1995
DIA/Q = Totaler (Domestic, Industrial, Agricultural) Wasserbedarf zu totalem nachhaltigem Angebot (Abfluss Q)
Vorosmarty et al, Science, 2000
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Globale Verteilung des Wasserangebots 2025
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Globaler Wasserbedarf
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Globaler Wasserbedarf
http://www.unep.org/vitalwater/index.htm
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1.2 Bedeutung des Wassers in der Umwelt
• Wasser durchdringt alle Sphären der Umwelt
– Wichtiges Transportmedium (Wärme, Stoffe)
• Grundlage des Lebens
– anorganisch, aber häufigstes Molekül der Biosphäre
• Bedeutung des Wassers im Klimasystem
– Ozean: Wärmespeicher und -verteiler
– Wasserdampf: Treibhausgas, Wolken, lat. Wärme
– Schnee, Eis: hohe Albedo
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Eigenschaften von Wasser
Rolle des Ozeans im Klimasystem
Wasser besitzt viele bemerkenswerte physikalische Eigenschaften
Zahlen zum Ozean:
– Fläche: 361.106 km2 (70 % der Erdoberfläche)
– Volumen: 1.365.109 km3 ⇒ mittlere Tiefe 3800 m
– Masse: 1.4.1021 kg (~ 280x matm)
• Größter Wärmespeicher, Temperaturregulator
– Stoff- und Wärmetransport durch Strömungen
• Große Oberfläche mit niedriger Albedo
• Größtes mobiles CO2-Reservoir
Eigenschaft
Vergleich
Spez. Wärme
4180 J kg-1 K-1
Höchste aller Festk. und Wärmetransport durch WasserFlüssigk. außer fl. NH3
strömung, Temperaturpufferung
Schmelzwärme
3.34.105 J kg-1
Höchste außer NH3
Thermostatischer Effekt beim
Gefrierpunkt
Verdampfungswärme
2.25.106 J kg-1
Höchste aller Stoffe
Transfer von Wärme und Wasser in
die Atmosphäre
ρmax bei T > Tgefrier
(~4 °C bei 0%, 1 atm)
anomal
Dichteschichtung von Seen,
erleichtert Gefrieren an Oberfläche
ρfest < ρflüssig
anomal
Eis schwimmt auf Wasser, Gefrieren
nur an Oberfläche, Verwitterung
Oberfächenspannung
7.27.10-2 J m-2
Höchste aller
Flüssigkeiten
Tropfenbildung, Kapillarkräfte, Bodenwasserspeicherung, Zellphysiologie
Dielektrizitätskonstante Höchste aller Flüssigk.
80
außer H2O2 und HCN
Bedeutung, Konsequenzen
Hohe Dissoziation gelöster Salze,
Transport gelöster Stoffe
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1.3 Spezifische Wärme, Umwandlungswärmen
Molekulare Ursachen der Eigenschaften
H2O-Molekül:
• H-O-H mit 104.5o Bindungswinkel
• Polar
• Wasserstoffbrücken!
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Temperaturabhängigkeit einiger Größen
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