1. Einführung, hydrologischer Kreislauf

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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
2
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
3
4
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
5
6
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
7
8
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
9
Grundwasser und Oberflächenwasser
10
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
11
12
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
13
Globale Verteilung des Wasserangebots 2025
14
Globaler Wasserbedarf
15
Globaler Wasserbedarf
http://www.unep.org/vitalwater/index.htm
16
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
17
18
3
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
19
20
1.3 Spezifische Wärme, Umwandlungswärmen
Molekulare Ursachen der Eigenschaften
H2O-Molekül:
• H-O-H mit 104.5o Bindungswinkel
• Polar
• Wasserstoffbrücken!
22
Temperaturabhängigkeit einiger Größen
23
4
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