Physische Geographie I
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Physische Geographie I A) Endogene Geomorphologie 1. Erde als Himmelskörper 1.1 Entwicklung des Planetensystems - Urknall vor 17 – 20 Mrd. Jahren (5,36 · 1017 – 6,3 · 1017 sec) - Entstehung des Sonnensystems vor 5,0 – 4,6 Mrd. Jahren (1,45 · 1017 sec) rotierende Gas- und Staubwolke Gase: Wasserstoff und Helium Staubteilchen: ähnliche Zusammensetzung wie Erde Innere Planeten: Merkur, Venus, Erde, Mars sonnennah: - leichte Gase, Wasserstoff, Helium, Wasser konnten nicht kondensieren - bestehen aus Materie mit hohen Verdampfungstemperaturen dichte Gesteinsplaneten, erdähnlich Äußere Planeten: Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun, Pluto sonnenfern: - riesige Gasansammlungen - Wasserstoff, Helium Die vorgeologische Entwicklung der Erde kann nur zusammen mit der Bildung der anderen Planeten des Sonnensystems erklärt werden. Folgende Beobachtungen müssen dabei berücksichtigt werden: - die Konzentration der Materie auf wenige Anhäufungen - die regelhaften Abstände zwischen den Planeten - die gemeinsame Bewegungsrichtung und geringe Neigung der Planetenbahnen - die Differenzen in der Masse zwischen den inneren (erdähnlichen) Planeten und den massereichen aber durch eine geringere Dichte gekennzeichneten äußeren Planeten - die unterschiedliche chemische Zusammensetzung der erd- und jupiterähnlichen Planeten - die Drehimpulsverteilung: 99% des gesamten Drehimpulses werden von nur 0,13% der Gesamtmasse aufgebaut - die analogen Gesetzmäßigkeiten bei den regulären Satellitensystemen (Monden) Vorstellungen zur Entwicklung des Sonnensystems: - Monistische Vorstellungen: die Bildung des Planetensystems war ein selbstständiger Prozess, das heißt es bildete sich spontan und ohne Einwirkung äußerer Kräfte - Dualistische Vorstellungen: die Bildung wurde durch äußere Kräfte oder Veränderungen in den Anfangsbedingungen hervorgerufen Entwicklung des Sonnensystems: - Aufheizung durch Druck auf 1000000° K - Kernfusion: Wasserstoffkerne werden zu Heliumkernen verschmolzen - Energie als Licht und Wärme - Wirbelbildung - Zonen unterschiedlicher Drehgeschwindigkeiten und Temperaturen - Abkühlung in äußeren Bereichen - viele Gase kondensierten flüssigen oder festen Aggregatzustand - Materialkonzentrationen in Ringen Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 1 von 62 - Gravitationskraft - Bildung von Plantenestimals (noch kein endgültiger Planet) - Bildung der Planeten 1.2 Entwicklung des Planeten Erde Modell der homogenen Akkretion gleichzeitige Ansammlung der Materialien Modell der inhomogenen Akkretion sukzessive Ansammlung der Materialien Differentiation: Eisenkern silikatischer Mantel, Kruste Chemische Zonierung der Erde: - Mantel/Kruste: wenig Fe, hohe Anteile leichter Elemente Si, Al, Ca, K, Na - Kern: hoher Anteil an schwererem Eisen und Nickel - Wasserhülle: Ozeane - Lufthülle: Atmosphäre Die Erde - ist einer von 9 Planeten des Sonnensystems - besitzt einen teilweise verflüssigten Kern, der aufgrund der raschen Rotation des Erdkörpers ein Magnetfeld erzeugt - besitzt einen erheblichen Anteil an freiem Sauerstoff, der unter anderem den Aufbau der Ozonschicht ermöglichte - besitzt freies Wasser, das infolge der chemischen Pufferwirkung in den Ozeanen den Kohlendioxidgehalt regulieren kann - besitzt Kältefallen, in denen ein Teil des Wassers gespeichert werden kann 1.3 Neun Planeten und Monde Mond (Erdtrabant) 4 Mrd. Jahre alt: Drei Entstehungstheorien: - Durch die Rotationsgeschwindigkeit der Erde herausgeschleudertes Material - Durch Erdgravitation eingefangenes Planetestimal - Produkt einer Kollision mit einem Planeten von der Größe des Mars sehr wahrscheinlich Geschichte des Mondes: - Differentiation: kleiner eisenreicher Kern, mächtige silikatische Kruste - Keine geologische Aktivität seit 3 Mrd. Jahren - In den ersten 600 Mio. Jahren starker Meteoritenbeschuss kraterübersäte Oberfläche Merkur: - kleinster innerer Planet - Kruste aus weniger dichten Material - Keine Atmosphäre, extrem stark mit Kratern übersät, keine Abtragungsprozesse - Der Vulkanismus ist erloschen Venus: - extrem hoher Druck von ca. 400 atm - ca. 400°C Oberflächentemperatur Mars: - Kruste und Kern (die chemische Zusammensetzung ist der der Erde sehr ähnlich) Ähnliche Entwicklungsgeschichte Gebirgsbildung und Vulkanismus Oberflächenformung durch Wind und Wasser Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 2 von 62 Äußere Planeten: - Gasplaneten - Größer als innere Planeten - Weitere Entfernung zur Sonne - Völlig andere Entwicklungsgeschichte 1.4 Form und Bewegung des Planeten Erde - kugelförmige Gestalt der Erde - Drehung der Erde um ihre eigene Achse - Umlauf der Erde um die Sonne Kugelgestalt der Erde: Pythagoras (540 v. Chr.) Aristoteles (384 -322 v. Chr.) Eratosthenes (von Kyrene 200 v. Chr.) - Bogenbestimmung: Erdumfang mit attischer Stadie = 185 m U = 46250 km; oder eratothenische Stadie = ca. 148 m U = 37500 km - Schiffe und Küstenlinien „versinken“ im Meer - Veränderlicher Sonnenstand (Höhe) - Unterschiedliche Sternbilder bei unterschiedlicher geographischer Breite - Mondfinsternis - Beleuchtung bei Sonnenaufgang und Sonnenuntergang - Polarstern - Erdumrundung durch Magellan 1519 – 1522 Erde als abgeplattetes Rotationsellipsoid: Durch Zentrifugalkraft wird die Erde an den Polen abgeplattet 43 km Differenz zwischen Länge der Erdachse und Äquatordurchmesser. Die Rotation der Erde: - kugelförmige Erde - Erdrotation - Kreisförmige Umlaufbahn um die Sonne - Schrägstellung der Erdachse relativ zur Ebene ihrer Bewegungsbahn Bewegungsgeschwindigkeit ist abhängig von der geographischen Breite für Kleinkreise gilt: R(φ) = R(Äquator) · cos φ Auswirkungen der Erdrotation: - Wechsel zwischen Tag und Nacht - Ablenkung von Luft- und Wasserströmungen (Corioliskraft): Nordhalbkugel nach rechts, Südhalbkugel nach links Umlauf um die Sonne: - Umlaufperiode beträgt 365,25 Tage - Drehsinn der Umlaufbahn entspricht der Drehrichtung bei der Erdrotation - Entfernung Sonne Erde etwa 150 Mio. km - Erdumlaufbahn leicht elliptisch - Perihel: 147,5 Mio. km am 03.01. - Aphel: 152,5 Mio. km am 04.07. Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 3 von 62 Neigung der Erdachse: - 23,5° Neigung, Ebene der Ekliptik - Frühjahrsäquinoktium: 21.03. - Sommersolstitium: 21.06. - Herbstäquinoktium: 23.09. - Wintersolstitium: 21.12. 2. Schalenbau der Erde 2.1 Erdkern Hadeum und Archaikum (4,6 – 2,5 Mrd. a): - Eisenmeteorite, 6 %, Fe-Ni-Legierungen - Steinmeteorite, 92 %, silikatisches Material (Chondrite, Achondrite) - Stein-Eisen-Meteorite, 2 %, kontinuierliche Übergänge zwischen Eisen- und Steinmeteoriten Chondritische Steinmeteorite repräsentieren Materie des solaren Urnebels. Mond besteht aus Erdmantelmaterial Erdkern hat eine sehr hohe Dichte: innerer Kern 13 g/cm³, fest; äußerer Kern 9-12 g/cm³, flüssig Sehr großer Anteil von Fe und Ni im Erdkern. 2.2 Erdmantel Geringere Dichte als Erdkern: unterer Mantel 4,6-5,4 g/cm³; oberer Mantel 3 g/cm³ Olivin und Pyroxen im oberen Mantel, Perowskit und Stichovit (Hochdruckquarz) im unteren Mantel dominierend Kern-Mantel-Grenze in 2900 km Tiefe enormer Dichte- und Temperatursprung 2.3 Erdkruste Dichte der Erdkruste: kontinentale Kruste 2,6-2,9 g/cm³; ozeanische Kruste 3,0-3,1 g/cm³ Granit in der kont. Kruste, Basalt in der ozeanischen Kruste dominierend Lithosphäre: oberster Teil des oberen Mantels und Kruste, starr Asthenosphäre: Teil des Mantels neigt zum plastischen Fließen 2.4 Geowissenschaftliche Methoden Seismische Wellen: - P-Wellen: primär, am schnellsten, 5 km/s (14 x schneller als Schall), Kompressions- oder Longitudinalwellen, durchlaufen Erde in ca. 20 Min - S-Wellen: sekundär, halb so schnell wie P-Wellen, Scher- oder Transversalwellen, treten nicht in Gasen und Flüssigkeiten auf, Bodenteilchen schwingen senkrecht Schattenzone der P-Wellen zwischen 105° - 142° Wellen werden am Übergang zum flüssigen Zustand gebrochen. Epizentrum: Punkt auf der Erdoberfläche über dem Hypozentrum (größte Schäden) Hypozentrum: Bereich der Initialbewegung Kriterien zur Abgrenzung der Erdschale: - Laufzeitverhalten seismischer Wellen - Temperaturänderung, Druck Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 4 von 62 - Dichte mineralologische Zusammensetzung Aggregatzustand Isostasie: - Gleichgewichtszustand leichtere Lithosphärenplatte schwimmt auf der Asthenosphäre - Gesetz von Archimedes Auftriebskraft ist das Gewicht der verdrängten Flüssigkeitsmenge (Eisberg, Schiffe) - isostatische Ausgleichsbewegung (isostatische Meeresspiegelschwankungen) Duktivität: - Stoffe reagieren plastisch, werden dauerhaft verformt durch äußere Kräfte - Gesteine verformen sich unter tektonischem Stress nicht spröde, sondern plastisch Zusammenfassung: Innerer Erdkern: fest, besteht vorwiegend aus Fe, Ni Äußerer Erdkern: „Flüssig“, Konvektion um Fe, Ni-Kern ermöglicht die Entwicklung des Erdmagnetfeldes Unterer Mantel: D’ und D’’ - Schichten: Hochdruckminerale Perowskit, Stichovit, Gamma-Spinell D’’-Schicht: oft mehrere 100 K kühler; aus Perowskit wird bei etwa 140 GPa und 3000 K Stichovit und Magnesiowüstit Mantel ist fest, neigt unter Druck zum plastischen Fließen Mantelkonvektion Oberer Mantel: Silikate, Oxide (Olivin, Pyroxen, Granat); Grenze zwischen oberen/unterem Mantel bei 400 km 3. Plattentektonik 3.1 Plattengrenzen divergierende (konstruktive) Plattengrenzen: Bereiche an denen Material aus dem Mantel zugeführt wird und die Kruste gespreizt wird konvergente Plattengrenzen: Bereiche in denen Platten entweder subduziert werden (aktiver Kontinentalrand) oder nur aufeinander zulaufen (passiver Kontinentalrand) Transformplattengrenzen: Bereiche an denen die Platten aneinander entlang laufen konservative Plattengrenzen Am Äquator ist die Geschwindigkeit der Platten am langsamsten, an den Polen verschieben sich die Platten schneller Platten reißen auseinander, Störungen Wilson-Zyklus: Aufwölbung und Magmatismus aktiver Grabenbruch (Rift-Phase) Bildung ozeanischer Kruste (MOR) Die starre Lithosphäre liegt über der verformbaren Asthenosphäre (nur 5% - 10% flüssig). Viele Kontinentalränder sind passiv (≠ Plattengrenze, keine ausgeprägte tektonische Aktivität mehr) aber viele waren ehemals aktiv (= Plattengrenze, hohe tektonische Aktivität). Erkennungsmerkmale von Plattengrenzen: Vulkanismus und Erdbebenintensität, Gebirge, MORTiefseerinnen Benioff-Zone: Erdbebenherde gehen tiefer unter die Erde. Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 5 von 62 3.2 Aufbau des Meeresbodens Mittelozeanische Rücken: Erdmagnetfeld: - Divergierende ozeanische Plattengrenzen: Deutung mittels paläomagnetischer Messungen; thermo-remanente Magnetisierung von Magnetit bei ca. 580° - Magnetismus ist eigenständige Naturerscheinung (Elektronen in ferromagnetischen Stoffen drehen sich um eigene Achse) - Magnetit Fe3O4 im Kern - Magnetfeldanomalie: Änderung durch „Bewegung“ im äußeren Kern (Deklination nimmt um 1° pro Jahr ab) - Umpolung: normal – inversiv, positiv – negativ, alle 1 Mio. a – 700000 a Opholithenkomplex: - typischer Gesteinskomplex ozeanischer Lithosphäre, der auf kontinentale Kruste aufgeschoben (obduziert) wurde - Pillowlava: kissenförmige, im Wasser erkaltete Lava - Sheeted Dikes: senkrecht stehende Basaltgänge, entstanden durch immer wieder aufreißende Förderkanäle und seitliches Abwandern - Gabbro: durch langsame Abkühlung erstarrte basaltische Lava Subduktionszonen: - spontanes oder erzwungenes Absinken der schwereren Platte - Bildung eines Akkretionskeils aus abgeschabter ozeanischer Kruste und zusammengeschobenen Meeressedimenten - Tiefherd- und Flachherdbeben - Aufschmelzen der ozeanischen Lithosphäre in Asthenosphäre - Die leichte mit Wasser angereicherte Magma brennt sich nach oben durch (basische Magma saure Magma) - Erstarrung der Magma in der kontinentalen Kruste oder Vulkanismus - Metamorphisierung, Stauchung und Deformation des Akkretionskeils und der kontinentalen Kruste - Hebung wegen ständiger Verdickung der Kruste 3.3 Plattenbewegungen Grund für die Plattenbewegung: - Konvektionsbewegung in der Asthenosphäre zum Temperaturausgleich zwischen Erdkern und Erdoberfläche - Heißes Mantelmaterial wird mit zunehmendem Aufstieg flüssiger und dehnt sich aus hohe Temperatur und hoher Druck - Lithosphäre wird dünner, gehoben, gedehnt und reißt Schwächezonen - Grabenbruch und Meereseinbruch - Austretendes Mantelmaterial (basaltischer Vulkanismus) wird zu neuer ozeanischer Kruste - Ozeanische Lithosphäre kühlt ab, wird schwerer und mächtiger Absinken um ca. 2000m (spontane Subduktion) - Motor für die Bildung der MOR ist auch das Absinken der schweren ozeanischen Lithosphäre Geschichte der Plattentektonik: - Küstenlinien der Kontinente auf beiden Seiten des Atlantiks passen gut zusammen 1620: Sir Francis Baken; 1858: Antonio Snider - 1912: Alfred Wegener Kontinentalverschiebung - 1915: die Entstehung der Kontinente und Ozeane Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 6 von 62 Lithosphäre und Platten: - Lithosphäre keine durchgehende Schale - Zerbrochen in 12 große starre und mehrere kleine Platten - Jede Platte ist selbstständige Einheit und liegt auf der Asthenosphäre Hot spots: Lange, ortsfeste aus dem Mantel aufsteigende, relativ schmale heiße Bereiche, die an der Oberfläche in Abhängigkeit von der Dicke, Geschwindigkeit und der thermischen Leitfähigkeit der Kruste Aufwölbungen und Vulkane schaffen können. Kollisionstypen: - Ozean-Ozean-Kollision: ozeanische Kruste taucht unter ozeanischer Kruste ab (Philippinische Platte) - Ozean-Kontinent-Kollision: dichtere ozeanische Kruste taucht unter die kontinentale Kruste ab (Nazca-Platte taucht unter den Anden ab) - Ozean-Inselbogen-Kollision: Pazifische Platte wird unter die asiatische Platte subduziert - Kontinent-Kontinent-Kollision: Beim Zusammenstoß von aktiven und passiven Kontinentalrändern tritt eine Verdopplung der Kruste auf, da nun kontinentale Kruste unter kontinentale Kruste, die nicht in den Mantel subduziert werden kann, geschoben wird. Infolge der Stapelung der Kruste setzen Ausgleichsbewegungen im Mantel ein, die sich in einer starken Hebung äußern. (Himalaja-Gebirge und tibetanisches Plateau) 4. Gebirgsbildung und Orogenese Orogenese: Gebirgsbildung Faltung und Deformation der Kruste Epirogenese: Festlandbildung langsame Hebung ohne starke Deformation Wichtige Gebirgsbildungsphasen: - kaledonische Gebirgsbildung (Appalachen, Norwegen): Ordovizium, Silur - variszische Gebirgsbildung (Rheinisches Schiefergebirge): Devon, Karbon, Perm - alpidische Gebirgsbildung (Alpen, Himalaja, Anden): Tertiär - Urkontinent Pangäa vor 200 Mio. Jahren: Trias 4.1 Deformationsformen nach unten hin abnehmende Temperatur: - Metamorphisierung: Mineralumwandlung bei bestimmten Temperaturen und Drücken - Schieferung: Einregelung von Mineralen durch gerichteten Druck - Falten: Verbiegung der Kruste wenn Gesteine duktil (z.B. Sedimentgesteine) und/oder niedrige Geschwindigkeit - Brüche: wenn Kruste spröde (magmatische Gesteine) und/oder hohe Geschwindigkeit - Überschiebungen: hohe horizontale Geschwindigkeit Falten: - Streichen: Richtung der Schnittlinie einer Gesteinsschicht mit einer horizontalen Ebene, Winkel nach Norden - Fallen: Neigungswinkel zwischen Schicht und horizontaler Ebene - Nur in plastischen Gesteinen möglich Sedimentgesteine - Antiklinale (Sattel) und Synklinale (Mulde) haben nichts mit der Oberflächenstruktur zu tun - Aufrechte Falten vergente (gekippte) Falten überkippte Falten - Abtauchende und auftauchende Falten und Mulden Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 7 von 62 Brüche: - Abschiebung, Aufschiebung, Seitenverschiebung (Blattverschiebung), tektonischer Horst, tektonischer Graben, Pultscholle - Nur in spröden Gesteinen möglich - Graben, rift valleys: durch doppelseitige Abschiebung entstanden - Horst: durch doppelseitige Aufschiebung entstanden - Klüfte und Störungen sind Initialstadien für Flusstäler Überschiebung: - Aufschiebung mit kleinerer vertikaler als horizontaler Bewegungskomponente - Darunter liegende Schicht bleibt erhalten und überwiegend ungefaltet 4.2 Beispielhafte Darstellung an Einzelgebirgen - Anden: Subduktionsgebirge Hebung wegen ständiger Verdickung der Kruste - Himalaya: Kollisionsgebirge Indische und Eurasische Platte kollidieren, Indische Platte wird unter Eurasische Platte geschoben (Überschiebung) - Alpen: Deckengebirge Überschiebung der Schichten, Abtragung der weicheren Schichten 5. Magmatismus - Magma: silikatische Gesteinsschmelze im Erdinneren (Ggs. Lava an der Erdoberfläche) Magmatismus: Prozesse, die zur Bildung, Bewegung oder Erstarrung/Kristallisation von Magma führen Magmatite: Plutonite und Vulkanite Plutonite: Intrusivgesteine Tiefengesteine, in der Tiefe langsam erstarrte Magma, grobkörnig Vulkanite: Effusivgesteine Ergussgesteine, an der Erdoberfläche schnell erstarrte Lava, feinkörnig 5.1 Magmenherkunft und Magmeneigenschaften Magmeneigenschaften: - Chemische Zusammensetzung: 40 – 75% SiO2, Fe- und Al-Oxide, Alkalien und Erdalkalien (Na, Ca, K, Mg) - Viskosität: je komplexer die Gitterstruktur, desto siliziumreicher = saurer, desto zäher - Schmelztemperatur: Liquidustemperatur Basalt 1200 – 1400°C; Solidustemperatur Basalt 980°C - Dichte: je komplexer die Gitterstruktur, desto weniger dicht Feldspäte: - Gerüstkristalle - 60% Anteil an der Erdkruste - hohe Spaltbarkeit - Kalifeldspat (Orthoklas): Kaliumhaltig, Spaltwinkel 90° - Kalknatronfeldspat (Plagioklas): Mischung aus Albit (Natriumhaltig) und Anorthit (Calciumhaltig) - Alkalifeldspat: Mischung aus Orthoklas und Plagioklas Magmenaufstieg und Magmenkammern: - Bildung einer partiellen Schmelze in der Asthenosphäre oder im oberen Mantel Hypomagma - Aufstieg in Folge der geringeren Dichte (Volumenvergrößerung) der Schmelze Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 8 von 62 - Aufstieg der Schmelze und beginnende Differentiation: Freisetzung von Lösungen und Gasen (Volatile) in Folge des geringeren Druckes Pyromagma Bildung von Magmenkammern in der Kruste Weitere Differentiation Eruption Magmatische Differentiation: - partielles Auskristallisieren - Absinken der Kristalle - Verarmung der Schmelze - Schmelze wird saurer - Anreicherung der Kristalle am Boden - Gravitative und fraktionierte (Zusammensetzung) Kristallisation innerhalb einer Magmenkammer - Es entwickeln sich Risse durch entweichende leichtflüchtige Bestandteile in Gasen und überhitzten (superkritischen) Lösungen Beim Aufstieg des Pyromagmas scheiden sich bereits erste kristalline Phasen (Minerale und Elemente mit hohem Schmelzpunkt) ab. Das Magma besteht dann aus einer gasförmigen, flüssigen und mehreren festen Phasen (eine Art Kristallbrei). Endet der Aufstieg (Intrusion = Eindringen) innerhalb der Kruste, so kann das Magma allmählich abkühlen. Dabei kommt es zu einer weiteren gravitativen und fraktionierten Kristallisation. Trennt sich die gasförmige Phase fast vollständig von dem Magma, dann entsteht das so genannte Epimagma. Kristallisation und Differentiation: - Bildung von wasserfreien Mineralien, relative Anreicherung von Volatilen (Schmelztemperatur carbonatischer Magma: 590°C, sehr explosiv) - Fraktionelle Kristallisation: Bildung von Mineralen mit hoher Schmelztemperatur, relative Anreicherung von Mineralien mit niedriger Schmelztemperatur - Neugebildete, schwere Minerale sinken gravitativ ab - Kristallisationswärme wird frei - Aufschmelzen von „leichtem“ Nebengestein - Druckentlastung Magma wird leichter und arbeitet sich nach oben durch km-mächtige Lithosphäre hindurch (häufig an Störungen) 5.2 Plutonformen und subvulkanische Strukturen Intrusivformen (Plutonite): - Batholith - Xenolith - Sill - Lakkolith - Stock - Gang, Dike - Vertikal stehende Schicht: diskordant - Horizontal stehende Schicht: konkordant Diapirismus: - Diapir: geologische Struktur, bei der kriechfähiges Material (Salz, Ton, Magma) aufgestiegen ist und seine ehemalige Überdeckung aus jüngeren Schichten durchstoßen hat - Vorraussetzung: Plastizität des Materials, Dichtekontrast zur Umgebung - Salzdiapire: Salz dringt an bruchtektonischen Lineamenten nach oben (Zechsteinsalze in Norddeutschland) - Manteldiapire: langlebige Röhren zwischen dem tiefen Erdmantel und der Erdoberfläche, in denen heißes Mantelmaterial aufsteigt - Hot spot bleibt fix, Platte schiebt sich über Hot spot Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 9 von 62 6. Vulkanismus 6.1 Magmatische Schmelzen Pahoehoe-Lava: - dünne Schmelze - breitet sich schichtförmig aus - dünne, glasige Haut erstarrt - wird zu strickförmigen Fliesswülsten zusammen geschoben Aa-Lava: - gasfrei - Zähflüssiger - Bewegt sich langsamer - Es entsteht dicke Kruste - Steiler Lavastrom - Oberfläche zerbricht in raue, scharfkantige Blöcke Pillow-Lava: - Untermeerische Bildung Pyroklast: - pyros = Feuer, klastein = zerbrechen - einzelner Partikel - gasreiche, hoch viskose rhyolitische oder andesitische Lava Tephra: - unverfestigtes vulkanisches Lockermaterial - Asche < 2 mm; Lapilli 2 – 64 mm; Bomben > 64 mm; Blöcke Tuff: - verfestigte Asche - tuffitische Sedimente: durch Wind oder Wasser transportiert Schlacke: - blasenreiche erstarrte Lava Bimsstein vulkanische Breccie: - Gemisch aus größeren Fragmenten vulkanische Asche: Tuffe + Lapilli + vulkanische Bomben vulkanisches Glas: ein amorphes Gestein Obsidian 6.2 Ausbruchstypen von Vulkanen Eruption: vulkanischer Ausbruch allgemein Effusion: Ausfließen von Lava Ejektion: Auswurf von Lavatröpfchen und Lavafetzen (Lapilli, Schlacke) Explosion: Herausschießen von Gasen, feinsten Partikeln (Asche) und Gesteinsbruchstücken Effussivgesteine: Vulkanite, Ergussgesteine; an der Oberfläche erstarrt Basalt Intrusivgesteine: Plutonite, Erstarrungsgestein; in Magmenkammer erstarrt Granit Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 10 von 62 6.3 Vulkanbauten Schildvulkane: - sehr flach und breit (z.B. Mauna Loa) - bestehen aus ausbrechendem Basalt - bis ca. 5° Hangneigung leichtflüssige Basaltlava fließt hinab Schichtvulkan / Stratovulkan: - Wechsel von Lava und Pyroklastika - Durch zusammengesetzte Eruption explosiv, ejektiv und danach effusiv - Oft mit Explosionstrichter und Staukuppe - Häufigste Form der großen Vulkane (Fujiyama, Vesuv, Mt St. Helens) - Konkave Form breite Basis, sehr schmale Spitze, sehr steil Aschenkegel / Schlackenkegel: - durch strombolianische Eruption - häufig aufsitzende Sekundärvulkane - 10 – 100 m Höhe, kurzlebig Eifelvulkane Maare: - phreato-magmatische Explosion - eingetiefter Sprengtrichter - geringe Magmaförderung - flacher Tephraring Eifelmaare Caldera: - einstürzte Magmenkammer - steilwandiger sehr großer Krater - häufig mit Wasser gefüllt (z.B. Santorin) - evtl. wiederaufleben der Caldera resurgente Caldera Kausalkette: Ausbruchstyp – Form – Herdtiefe – Chemismus – Viskosität (Zähflüssigkeit) - effusiv (Ausfließen) Schildvulkan breite, flache Formen basaltische Magma ozeanische Kruste / Mantelmaterial SiO2-arm (< 52 %), basisch gering viskos, > 1000° C - ejektiv (Auswerfen) Schlackenvulkan pulsierendes Ausstoßen intermediäre Lava mittlere Viskosität - explosiv (Explodieren) Staukuppe, Explosionstrichter rhyolithische oft gasreiche Magma kontinentale Kruste SiO2-reich (> 65 %), sauer hoch viskos, 700° C – 900° C pyroklastisches Material Aber: Zugehörigkeit / Zusammenhänge sind nicht ausschließlich und nicht immer eindeutig!! Z.B. Stratovulkan: zusammengesetzte Eruption, effusiv-explosiv 6.4 Weitere vulkanische Erscheinungsformen - Lahare: Muren aus vulkanischem Material; ausgelöst durch Schneeschmelze, Kraterwandbruch oder Regen auf vulkanische Asche - Fumarolen: heiße (200° C – 800° C) vorwiegend Wasserdampfexhalationen, bunt gefärbte Abscheidungen (Eisenverbindungen) - Solfataren: nieder temperierte Gasexhalationen mit höherem Anteil an Schwefelverbindungen (gelbe Abscheidungen) - Mofetten: Exhalationen von Kohlendioxid unter 100° C (Schwäbische Alb, Eifel) - Heiße Quellen und Geysire: in späten Stadien vulkanischer Aktivität; Geysire sind heiße Springquellen, die intermittierend mit großer Kraft Wasser ausstoßen (Old Faithful im Yellowstone Park alle 65 min, 60 m hoch) Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 11 von 62 7. Gesteine - Kristall: Festkörper mit dreidimensional regelmäßiger Anordnung der Atome (typische Gitterstruktur), z.B. Bergkristall, Diamant, Salz Mineral: natürlich entstandener, physikalisch und chemisch homogener Festkörper, kann aus mehreren Kristallen bestehen und amorphe Struktur haben Gestein: Gemenge aus verschiedenen Mineralen beziehungsweise Kristallen mit gleichartiger Zusammensetzung innerhalb eines geologischen Körpers z.B. Granit, Kalkstein 7.1 Gesteinskreislauf Ablagerung auf Festland oder im Meer Sediment (Lockergestein) durch Versenkung, Diagenese: Sedimentit (Festgestein) durch Temperatur, Druck: Metamorphit durch Aufschmelzung (Anatexis): Magma durch Abkühlung: Magmatit Hebung Ablagerung auf Festland oder im Meer ….. Siehe Skript!! 7.2 Gesteinsarten Magmatite (Erstarrungsgesteine): - Plutonite (Tiefengestein): Gabbbro, Granit - Vulkanite (Ergussgestein): Basalt, Rhyolith, Andesit; Tuff, Obsidian Sedimente und Sedimentite (Ablagerungsgesteine): Sedimente (z.B. Sandkörner) entstehen an Erdoberfläche durch Verwitterung und Ablagerung. Mechanisch abgelagerte Sedimentpartikel: klastische Sedimente, durch Agenzien transportiert Kennzeichen: Schichtung Verwitterung und Abtragung Festland: Transport und Ablagerung durch Flüsse, Wind und Eis Ozean: Transport und Ablagerung durch Strömung und chemische Fällung Versenkung und Diagenese, Übergang vom Locker- in Festgestein Diagenese-Prozesse: - Kompaktion: Zusammenpressen der Körner, Herausdrücken von Teilen des Porenwassers - Zementierung: In den Poren kommt es, wegen der chemischen Übersättigung der Porenlösung, zur Ausfällung und Neubildung von Mineralen, die die „Körner“ verkitten Klastische Sedimentgesteine: - Konglomerat gerundete Steine und Kiese in einer feinen Matrix - Breckzie kantige Steine in einer feinen Matrix - Sandstein (gerundete Quarzkörner), Grauwacke (enthält Fragmente anderer Gesteine), Arkose (feldspathaltiger Sandstein) überwiegend Korngrößen von 2 – 0,063 mm - Schluff oder Siltstein überwiegend Korngrößen von 0,063 – 0,002 mm - Tonstein überwiegend Korngrößen < 0,002 mm Unterscheidung nach der Korngröße in Psephite, Psammite und Pelite Chemische und biogene Sedimentgesteine: - Bioklasten, biogene Sedimentgesteine: Riffkalke, Muschelkalk, Kohle, Bernstein - Carbonatgesteine: Oolith (Muschelbruch mit Kalkhäutchen), Dolomit - Evaporite (Verdunstungsgesteine): Gips, Halite (Steinsalz, Bittersalz) Sulfate (Anhydrit) Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 12 von 62 Metamorphe Gesteine (Umwandlungsgesteine): Hoher Druck und hohe Temperatur verändern isochemisch den Mineralbestand und das Gefüge Kontaktmetamorphose: - am Rand von Magmenintrusionen - durch hohe Temperatur des Intrusionskörpers wir das angrenzende Gestein kontaktmetamorph umgewandelt - richtungsloses, körniges Gefüge - dichte Gesteine (Hornstein) - z.B. Marmor Regionalmetamorphose: - tektonische Deformation durch Kollision von Lithosphärenplatte: hoher Druck - Platten tief in Erdmantel gedrückt: hohe Temperaturen - Schieferungen und orientiertes Gefüge - z.B. Tonschiefer, Glimmerschiefer, Gneis Metamorphe Gesteine und ihr Ausgangsmaterial (von oben nach unten Zunahme des Druckes und der Temperatur): Schiefer (z.B. Tonschiefer) Tonstein, Schluffstein Marmor – ungeschiefert Kalkstein Quarzit – ungeschiefert Sandstein Glimmerschiefer Ton-Schluffsteine, Grauwacken, Kalksilikatgestein Gneis, Granulite, Eklogite Feldspathaltige Gesteine, Grauwacken, Granit, vulkanische Gesteine B) Klimageographie 1. Definitionen und allgemeine Einführung 1.1 Abgrenzung Klimageographie: - befasst sich mit der gegenseitigen Beeinflussung und Abhängigkeit zwischen Erdatmosphäre und Erdoberfläche - „Geographieorientierte Klimakunde“ als Teilgebiet der Physischen Geographie Meteorologie: - Lehre von der Lufthülle der Erde - Wissenschaft von den physikalischen Erscheinungen der Atmosphäre - Beschäftigt sich mit den physikalischen und chemischen Prozessen in der Atmosphäre sowie mit den Eigenschaften und Ursachen des Wettergeschehens - Synoptik: Wettervorhersage - Aerologie: Meteorologie der höheren Luftschichten (Atmosphärenphysik) Klimatologie: - Als Teilgebiet der Meteorologie befasst sie sich mit den Bedingungen und Abläufen der physikalischen Erscheinungen in der Atmosphäre - Schwerpunkt ist die Betrachtung der physikalischen Zustände in der mittleren und höheren Atmosphäre und die Einflüsse auf das Klimageschehen an der Erdoberfläche Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 13 von 62 1.2 Wetter – Witterung – Klima Wetter: Der augenblickliche Zustand der Atmosphäre über einem bestimmten Ort zu einer bestimmten Zeit. Witterung: Die abgrenzbare, für die jeweilige Jahreszeit typische Abfolge der atmosphärischen Zustände in einem Gebiet. Klima: Das Klima ist die Zusammenfassung der erdnahen und die Erdoberfläche beeinflussenden atmosphärischen Zustände und Witterungsvorgänge für einen Ort, eine Landschaft oder einen größeren Raum während eines längeren Zeitraumes. Das heißt: Die statistischen Gesamteigenschaften (z.B. Mittelwerte, Streuungen, Extremwerte, Häufigkeitsverteilungen etc.) werden über eine genügend lange Zeitperiode erfasst – nach WHO definiert: Beobachtungszeitraum von 30 Jahren 1.3 Skalen Das Klima hat eine räumliche und eine zeitliche Dimension und wird in verschiedenen Skalen (Größenordnungen) betrachtet: - Makroklima: Klima einer Zone, Region, Kontinentteils - Mesoklima: Klima einer Landschaft - Mikroklima: Klima der bodennahen Luftschicht eines Standortes 1.4 Klimaelemente und Klimafaktoren Klimaelemente = messbare Erscheinungen in der Atmosphäre: - Strahlung Pyrrheliometer - Luftdruck - Luftfeuchtigkeit (Wasserdampfgehalt in der Luft) - Temperatur - Wind Schalenkreuzanemometer - Verdunstung Hellmann-Totalisator - Niederschlag - Bewölkung Klimafaktoren = geographisch bedingte Gegebenheiten eines Gebietes: - geographische Breitenlage - Meereshöhe - Land-Wasserverteilung - Relief (Oberflächengestalt der Erde) - Bodenbedeckung - Exposition (Hangneigungsrichtung) 1.5 Das Sphärenmodell Die verschiedenen Sphären (Atmosphäre, Hydrosphäre, Pedosphäre, Biosphäre, Lithosphäre, Morphosphäre) stehen untereinander in einem komplexen Wirkungsgefüge. Abhängigkeiten bestehen auch zwischen den klimatologischen Messgrößen (Niederschlag, Verdunstung, Temperatur, Luftfeuchte). Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 14 von 62 1.6 Das globale Klimasystem Der Zustand des Klimas wird durch die komplexen Wechselwirkungen der einzelnen Komponenten im Klimasystem bestimmt. Das Klimasystem besteht vereinfacht aus: - Sonne: Hauptmotor im Klimasystem Energielieferant; der zeitliche Ablauf des Klimas wird von der sich ständig ändernden Stellung der Erde zur Sonne bestimmt (räumliche Verteilung der Einstrahlung) - Atmosphäre: Zusammensetzung der Atmosphäre steuert den Temperaturhaushalt - Wasserkreislauf: Über Verdunstung, Transport und Niederschlag beeinflusst der Wasserkreislauf die Energieverteilung und bestimmt maßgeblich die Klimazonen und damit die Lebensbedingungen auf der Erde - Biosphäre: Die Biosphäre beeinflusst das Klima insbesondere über den Kohlenstoffkreislauf und die Sauerstoffproduktion - Archiven: Wechselhaftigkeit des Klimasystems ist in natürlichen Speichern wie Ozean- und Seesedimenten, Baumringen, fossilen Böden, Eiskernen etc. verschlüsselt festgehalten 2. Kennzeichnung und Gliederung der Atmosphäre 2.1 Definition Atmosphäre: Gashülle, die aufgrund der Massenanziehung an einen bestimmten Himmelskörper gebunden ist. Erdatmosphäre: Zeichnet sich gegenüber den Gashüllen anderer Planeten durch das Vorhandensein von Wasserdampf und Sauerstoff aus. 2.2 Chemische Zusammensetzung der Atmosphäre gasförmige Bestandteile der heutigen unteren Erdatmosphäre: - 78% Stickstoff (N2): Freisetzung in die Atmosphäre durch denitrifizierende Bakterien - 21% Sauerstoff (O2): Produktion durch Photosynthese von Pflanzen - 0,93% Argon (Ar): stammt wie die anderen Edelgase (Ne, He, Xe, Kr) aus radioaktiven Zerfallsprodukten der Erdkruste - 0,03% Kohlendioxid (CO2): Produktion bei Atmung, Verwesung, Bränden, vulkanischen Ausgasungen; Durch die Fähigkeit, Wärmestrahlung von der Sonne und vom Erdboden zu absorbieren, wird eine Erwärmung der unteren Atmosphäre ermöglicht Die angegebenen Volumenanteile beziehen sich auf reine, trockene Luft. 2.3 Homosphäre / Heterosphäre Aus der Zusammensetzung der Atmosphäre ergibt sich folgendes Unterscheidungskriterium: Homosphäre: - nahezu homogene Zusammensetzung der Luft hinsichtlich des proportionalen Anteils der beteiligten Gase - reicht vom Erdboden bis in eine Höhe von ca. 80 – 100 km - es findet eine konvektive und turbulente Durchmischung statt Heterosphäre: - keine Durchmischung Entmischung der verschiedenen Bestandteile nach Molekulargewicht (nur Diffusionsvorgänge) Schichtung - zwischen ca. 120 – 170 km Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 15 von 62 2.4 Stockwerke der Erdatmosphäre Gliederungsmöglichkeiten der Erdatmosphäre: - Vertikale Gliederung nach Temperatur, Dichte, Luftdruck, Zusammensetzung - Weitere Differenzierung nach thermischen und dynamischen Gesichtspunkten Troposphäre: - unterstes Stockwerk - enthält ¾ der Masse der gesamten Atmosphäre - physikalisches Hauptmerkmal ist die stetige Abnahme der Lufttemperatur mit der Höhe mittlerer vertikaler / geometrischer Temperaturgradient: 0,65°C / 100 m - die Troposphäre hat dynamische Funktion - in ihr spielt sich Wetter, Witterung und Klima ab - vertikale Erstreckung der Troposphäre ergibt sich in Abhängigkeit von der Erwärmung der Erdoberfläche und von der dort ausgehenden konvektiven Durchmischung Stratosphäre: - oberhalb der Tropopause - abrupte Änderung des vertikalen Temperaturgradienten - zunächst stabile Schicht gleich bleibender Temperatur Isothermie; beziehungsweise leichte Temperaturzunahme Inversion - oberhalb von 30 km Höhe verstärkte Temperaturzunahme 0,3 K / 100 m - Bildung und Zerstörung von Ozon durch kurzwellige Sonnenstrahlung der Wellenlängen zwischen 200 nm und 310 nm Bildung der Ozonschicht mit dem Maximum des O3-Gehaltes in 15 – 25 km Höhe - Folge: Absorption energiereicher kurzwelliger Ultraviolettstrahlung der Sonne (< 0,29 µm), Temperaturzunahme Mesosphäre: - oberhalb der Stratopause - erneute Temperaturabnahme Thermosphäre / Ionosphäre: - oberhalb der Mesopause - verstärkter Temperaturanstieg als Maß für die kinetische Energie der Teilchen und nicht der Wärmeleitung - Übergangsbereich Homosphäre – Heterosphäre 2.5 Thermodynamische Zustandsgrößen Das ideale Gasgesetz: p = m/V · RL · T p = ρ · RL · T p = Druck; ρ = Dichte = m/V = Masse/Volumen; RL = spezielle Gaskonstante; T = Temperatur Luftdruck: Als Luftdruck bezeichnet man die Kraft, die die Luftsäule aufgrund der Schwerkraft auf die Unterlage ausübt. Die Gewichtskraft [N] ergibt sich aus der Multiplikation der Masse der Luftsäule [kg] mit der Schwerebeschleunigung g [m/s²] Höhenprofil: - auf Meeresspiegelniveau herrscht ein Druck von ca. 1013 hPa (mbar) - bereits in 5,5 km Höhe ist der Druck auf die Hälfte reduziert - in 30 km ist der Druck auf ca. 1% im Vergleich zum Wert auf Meeresspiegelniveau abgesunken Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 16 von 62 Barometrische Höhenformel (Luftdruckabnahme mit der Höhe): dp g =− ⋅ dz p RL ⋅T dp = Änderung des Druckes; dz = Änderung der Höhe; p = Luftdruck; g = allg. Erdbeschleunigung; RL = allg. Gaskonstante; T = absolute Temperatur für die betrachtete Luftschicht; - dp ~ dz: Die Änderung des Luftdruckes ist der Höhenänderung proportional – das heißt der Luftdruck nimmt mit zunehmender Höhe über dem Erdboden fast linear ab. - dp ~ 1/T: Der Luftdruck nimmt in einer dichten, kalten Atmosphäre nach oben rascher ab, als in einer weniger dichten, warmen Atmosphäre Konstanter Druck: - p = m/V · RL · T - Zusammenhang zwischen Luftdruck (p), Temperatur (T) und Volumen (V) - Gay-Lussac: Konstanter Druck bei p = const. wächst das Volumen eines idealen Gases linear mit der Temperatur - Das Volumen eines Luftpaketes verhält sich direkt proportional zur Temperatur - Das Gas dehnt sich bei Erwärmung aus (Dichteverminderung Dilatation) - Das Gas zieht sich bei Abkühlung zusammen - V ~ T (const.) Temperatur: Die Zustandsgröße Temperatur ist ein Maß für die mittlere kinetische Energie der Moleküle in einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Festkörper. SI-Einheit ist Kelvin (K): 0°C = 273,15 K Erst am absoluten Nullpunkt haben die Teilchen keine kinetische Energie mehr. Konstante Temperatur: - Boyle-Mariotte: Der Druck eines Luftpaketes verhält sich indirekt proportional zum Volumen - V ~ 1/P (T = const.) (Trocken-)adiabatischer Aufstieg: - Adiabatisch: ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung - Luftpaket wärmt sich an der Erdoberfläche auf, dehnt sich aus und erfährt deshalb einen Auftrieb - Kein Wärmetausch mit der Umgebung trockenadiabatischer Aufstieg; Temperaturabnahme mit der Höhe - ∆T/ ∆z = - 1 K/100 m trockenadiabatischer Temperaturgradient Wasserdampf in der Atmosphäre: aufsteigende Luft adiabatischer Aufstieg von Luft Kondensation / Verdunstung beeinflusst stark den Temperaturgradienten, da Wasser eine hohe spezifische Wärmekapazität aufweist Luftdichte: - Verhältnis der Masse eines Luftquantums zu seinem Volumen [kg/m³], [g/cm³] - Höchster Wert im Bereich des Meeresniveaus (1,1225 kg/m³) - mit zunehmender Höhe erfolgt eine logarithmische Abnahme der Luftdichte - die Luftdichte ist abhängig von Luftdruck und Temperatur Vergleich Wasser / Luft: - die Dichte des Wassers verändert sich bei Druckeinwirkung fast nicht das Gewicht des Wasservolumens ist also unabhängig von dem auf ihm lastenden Gewicht - Luft ist dagegen komprimierbar: die untersten Luftschichten werden am stärksten zusammengepresst und besitzen daher die größte Dichte entsprechend nehmen Dichte und Druck der Luft nach oben hin ab; somit wirkt nach oben hin immer weniger Last auf die entsprechende Flächeneinheit ein Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 17 von 62 Aerologisches Grundgesetz: - Barometrische Höhenformel Zusammenhang zwischen Temperatur und Luftdruck Luftdruck nimmt in einer kalten, dichten Atmosphäre mit der Höhe rascher ab, als in einer weniger dichten, warmen Atmosphäre - Ableitung: Gleicher Druck am Boden vorausgesetzt ergibt sich über Kaltluft in der Höhe tiefer Druck und über Warmluft in der Höhe hoher Druck - erklärt unterschiedliche Temperatur- und Druckverhältnisse - bedingt Energiegefälle zwischen Äquator und den Polen Frontalzone 3. Strahlungs- und Wärmehaushalt 3.1 Sonneneinstrahlung Unterschiedliche Einfallswinkel der Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche beeinflussen die tägliche Bahn der Sonne über den Himmel, unterschiedliche Tages- und Nachtlängen und den Rhythmus der Jahreszeiten. Hierüber werden im Wesentlichen die klimatologischen Parameter gesteuert: Lufttemperatur, Windverhältnisse, Niederschlag, Meeresströmung. Umweltbedingungen auf der erde hängen im Wesentlichen von der Art ab, in der die Sonnenstrahlen auf die kugelförmige Erde fallen. 3.2 Strahlung Definition: - Unter Strahlung versteht man allgemein den Transport von Energie mittels elektromagnetischer Wellen - Diese Energie misst man als Energie pro Fläche und Zeit und gibt sie als Strahlungsstromdichte mit der Einheit W/m² an - Den außerhalb der Atmosphäre gemessen Strahlungsstrom bezeichnet man als extraterrestrische Strahlung dynamische Solarkonstante: 1370 W/m² Wellenform: - Strahlung ist der Energiefluss in Form von Wellen - Elektromagnetische Strahlung ist gekennzeichnet durch die Wellenlänge und die Frequenz - Elektromagnetische Strahlung kann als Wellenstrahlung aufgefasst werden, das heißt als ein periodisch änderndes elektromagnetisches Feld Spektrum: - Die Sonnenstrahlung ist ein Bündel elektromagnetischer Wellen unterschiedlicher Wellenlängen - Ultravioletter Spektralbereich: unter 0,36 µm (UV-Strahlung) - Sichtbares Licht: 0,36 – 0,76 µm (blau, grün, gelb, rot) - Infraroter Spektralbereich: oberhalb von 0,8 µm nahes Infrarot (0,8 – 2 µm), fernes Infrarot (ab 2 µm) Schwarze Körper: - Alle Objekte mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunktes von 0 K geben Energie als elektromagnetische Strahlung (EMS) ab - Als ideale Strahlungsquelle wurde der schwarze Körper definiert - Ein schwarzer („idealer“) Körper absorbiert vollständig die Strahlung jeder Wellenlänge Idealer Strahler: - Im Bereich der langwelligen Strahlung stellen auf der Erde (T = 200..300..350 K) alle festen und flüssigen Körper annähernd ideale Strahler dar - Sie sind in der Lage, Energie in Form fühlbarer Wärme (Infrarotstrahlung) zu emittieren Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 18 von 62 Sonne / Erde als Strahler: Die Temperatur eines Körpers bestimmt den Wellenlängenbereich: Je wärmer ein Körper, desto stärker ist die Strahlung im kurzwelligen Bereich. Je kälter der Körper, desto stärker ist die Strahlung im langwelligen Bereich. Vergleich der Intensitäten der von der Sonne und von der Erde ausgesandten Strahlung ( idealisierte Energiekurven = sog. Schwarze Körper): - Strahlungskurve der Sonne bei einer Temperatur von 6000 K; die Maximalintensität der Energieerzeugung liegt im Bereich des sichtbaren Lichts - Ideale Strahlungskurve der Erde bei einer Temperatur von 300 K; die Kurve liegt vollständig im langwelligen Bereich des elektromagnetischen Spektrums, das Maximum liegt bei 10 µm Planck’sches Strahlungsgesetz: - Das Planck’sche Strahlungsgesetz erlaubt die Bestimmung des Spektrums der durch einen schwarzen Körper emittierten Energie - Das Spektrum variiert je nach Temperatur des Körpers - Das Planck’sche Strahlungsgesetz gibt die spektrale Strahldichte eines Körpers in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ und der absoluten Temperatur T der Oberfläche an - Ein strahlender Körper sendet prinzipiell alle Wellenlängenbereiche des elektromagnetischen Spektrums aus, jedoch wird die Intensität umso schwächer, je weiter man sich von der Wellenlänge mit maximaler Strahlungsabgabe (λmax) entfernt. - Funktion von Wellenlänge und Temperatur: f(λ,T) die Ausstrahlung eines Körpers ist umso größer, je höher seine Temperatur ist - unsymmetrische Glockenform der Planck’schen Kurve graphisch ist die Fläche unter der Planck’schen Kurve als gesamte abgestrahlte Energie zu deuten Wien’sches Verschiebungsgesetz: - beschreibt Zusammenhang zwischen Temperatur und Wellenlänge, wobei λmax die Wellenlänge ist, bei der ein Körper die meiste Energie transportiert - das Maximum der abgestrahlten Energie verschiebt sich mit zunehmender Temperatur zu den kürzeren Wellenlängen λmax = A/T [µm] T = absolute Temperatur in K; λmax = max. Wellenlänge der maximalen spektralen Ausstrahlung; A = Wien’sche (Natur)konstante [2897,8 µm] Gesetz von Stefan und Boltzmann: - beschreibt die Menge W der ausgestrahlten Energie - W = σ · T4 - W = Strahlungsstrom (ges. Ausstrahlung) eines Körpers; σ = Stefan-Boltzmann-Konstante = 1,381 · 10-23 J/K - Die Energieabgabe eines Körpers wächst mit der vierten Potenz seiner absoluten Temperatur - Der abgegebene Strahlungsstrom hängt ausschließlich von der Temperatur der strahlenden Oberfläche ab (Farbtemperatur) Gesetz gilt für sog. schwarze Körper Das Prinzip der negativen Rückkopplung: - Eine kleine Temperaturerhöhung bedeutet bereits eine beträchtliche Erhöhung der abgestrahlten Energie - Bei einer Temperaturerniedrigung wird wesentlich weniger Energie abgegeben (weniger Energieverlust) - Erwärmung: Temperatur nähert sich asymptotisch oberem Wert an - Abkühlung: Temperatur nähert sich asymptotisch einem untern Wert an Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 19 von 62 3.3 Strahlungsbilanz Kurzwellige Einstrahlung: Die Sonne ist die Hauptenergiequelle der Erde kurzwellige Strahlung: - ein Teil von ihr wird reflektiert - die Umwandlung in langwellige Strahlung erfolgt in der Atmosphäre und an der Erdoberfläche Rolle der Atmosphäre: Die Sonnenstrahlung unterliegt einem Energieverlust: - Schwächung der Gesamtenergie - Partielle Auslöschung der Strahlung in begrenzten Spektralbereichen - Wellenlängenabhängige Extinktion Diffuse Reflexion: - diffus: Streuung der Strahlung in alle Richtungen - starke Richtungsänderung der einfallenden Strahlung nach Auftreffen auf eine (feste oder flüssige) Oberfläche, z.B. an Wolken, Aerosolen sowie Luftmolekülen (verantwortlich für die Streuung) - lediglich Veränderung der Strahlungsrichtung die Wellenlänge der Strahlung bleibt jedoch gleich Selektive Absorption: - Absorption: Aufnahme elektromagnetischer Wellenenergie und Umwandlung in Wärmeenergie - Selektive Absorption: durch Gase (u.a. O3, CO2 und H2O-gasförmig), die nur bestimmte Wellenlängenbereiche herausfiltern Transmission: - spektrale Durchlässigkeit der Atmosphäre für die Strahlung - v.a. atmosphärische Fenster Abschnitte im Spektrum mit nahezu ungestörter Transmission - Teil der langwelligen Ausstrahlung der Erdoberfläche kann Atmosphäre ungehindert durchdringen Absorptionsbanden: - Bereiche in denen absorbiert wird - Liegen zwischen 2,5 – 3,0µm, 5 – 8 µm und über 14 µm - Absorption der IR-Strahlung Atmosphärische Fenster: - im Gegensatz zu den Absorptionsbanden - Wellenlängenbereiche in den die terrestrische Strahlung ungehindert die Atmosphäre „verlassen kann“ - Zwischen 4,5 – 5 µm und 8 – 13 µm Albedo: - Reflexionsvermögen von Materialien - Der von einer Oberfläche reflektierte Anteil der auftreffenden Strahlung (real: keine schwarzen Körper!) - Die Albedo (α) eines Körpers ist das Verhältnis von reflektierter zu eingefallener Gesamtenergie (Gesamtstrahlung). Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 20 von 62 Bilanzierung: Weltraum Einstrahlung = Ausstrahlung Erdoberfläche Einstrahlung > Ausstrahlung System Erde + Atmosphäre mit der Sonne als Hauptenergiequelle: - kurzwellige Strahlung von der Sonne auf die Erde - langwellige Wärmestrahlung durch Umwandlung kurzwelliger Strahlung in Atmosphäre und an Erdoberfläche - Erdoberfläche = Heizfläche Wärmequelle der Atmosphäre Umwandlungsvorgänge spielen eine entscheidende Rolle für das Klima! Kurzwellige Strahlung: Bilanzierung kurzwelliger Strahlungsströme: Globalstrahlung – Albedo = effektive Einstrahlung - direkte (Sonnenein-) Strahlung [Q] - diffuse (Himmels-) Strahlung [q] - Reflexion der kurzwelligen Strahlung an: Erdoberfläche, Atmosphäre, Wolken - Globalstrahlung: [Q + q] - Albedo: [Q + q] · α planetarische Albedo Langwellige Strahlung: - langwellige Ausstrahlung über atmosphärische Fenster [- A] - Absorption langwelliger Strahlung in Strahlungsbanden der Atmosphäre: des Wasserdampfes, der atmosphärischen Spurengase (CO2, O3, CH4….), der Wolken - direkte Ausstrahlung von Erdoberfläche (= Verlust) - atmosphärische Gegenstrahlung (= Gewinn) [G] - langwellige Ausstrahlung der Atmosphäre (= Verlust) - Ausstrahlung (negativ) + atmosphärischer Gegenstrahlung (positiv) = effektive Ausstrahlung Strahlungsbilanz für Erde + Atmosphäre: Strahlungsbilanz für System Erde und Atmosphäre an der Erdoberfläche: (1 – α) · (Q + q) – A + G Q = direkte Strahlung, q = diffuse Strahlung Q + q = Globalstrahlung; α = mittlere Albedo; A = Ausstrahlung; G = Gegenstrahlung der Atmosphäre Vertikales Energiegefälle: - Haupteinnahmequelle der Energie ist die Erdoberfläche (unterste Ebene) Heizfläche / Wärmequelle - Hauptausgabestelle für Energieabgabe ist die mittlere Ebene in der Atmosphäre Abkühlungsfläche / Kältesenke - vertikales Energiegefälle zwischen Wärmequelle und Kältesenke ist der Antrieb für vertikale Transporte von der Erdoberfläche in die Atmosphäre - turbulente Wärmeströme: latente Wärme [LE] und fühlbare Wärme [W] Vertikaler Energieaustausch: Austausch fühlbarer und latenter Wärme mit Hilfe von „wärmebeladenen“ Luftpaketen. Latenter Wärmestrom LE: - bei Kondensation des Wasserdampfes beziehungsweise - bei Verdunstung des Wassers (Verdampfungswärme) - Freisetzung von latenter Wärme, Wasserdampftransport ist eng verbunden Energieumwandlung mit fühlbarer Wärmestrom W: - über konvektiven Transport von Luftmassen - Resultat fühlbarer Wärme (molekulare Bewegungsenergie in einem Körper) Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 21 von 62 - Ausgleich des vertikalen Energiegefälles erfolgt über vertikale turbulente Flüsse Transport latenter und fühlbarer Wärme von der Erdoberfläche in die Atmosphäre Wärmehaushaltsgleichung: (1 – α) · (Q + q) – A + G – W – LE Q = direkte Strahlung, q = diffuse Strahlung Q + q = Globalstrahlung; α = mittlere Albedo; A = Ausstrahlung; G = Gegenstrahlung der Atmosphäre; W = fühlbare Wärme; LE = latente Wärme 3.4 Treibhauseffekt Strahlungs- und Wärmehaushalt zeigen, dass die Atmosphäre wie ein Treibhaus wirkt: - Durchlässigkeit für den kurzwelligen Anteil der Sonnenstrahlung aber - Atmosphärische Gegenstrahlung hält großen Anteil der Wärmeausstrahlung der Erde zurück natürlicher Treibhauseffekt (globale Durchschnittstemperatur läge sonst bei -18°C!!) Treibhauseffekt / Glashauseffekt: Kurzwellige Strahlung - dringt unbeeinflusst in das Innere ein - großer Teil wird absorbiert Langwellige Strahlung - Abgabe der absorbierten Strahlungsmenge in Form von langwelliger Strahlung - Alle Wellenlängen größer 3µm werden vollständig absorbiert - das heißt aus dem Inneren des Gewächshauses geht praktisch keine langwellige Strahlung nach außen - Glasdach erhitzt sich durch ständige Energiezufuhr - Wärmeabgabe nach innen und nach außen 3.5 Räumliche Verteilung Strahlung: Die Erde besitzt eine Kugelgestalt Unterschiedliche Verteilung der Strahlungsmenge Kugelgestalt: - Bedingt unterschiedlichen Einfallswinkel - Unterschiedlicher Strahlungsgenuss Einstrahlungswinkel: COS-Satz nach Lambert Die Erdoberfläche steht schräg zur Sonne die Sonneneinstrahlung verteilt sich auf größere Fläche Resultat: geringere Strahlungsintensität Daraus folgt: Je senkrechter die Sonnenstrahlung, umso größer der Energiegewinn pro Flächeneinheit Zonierung: Himmelsmechanik, Strahlungsklimatische Zonierung: 1. Erdrevolution: Umlauf der Erde um die Sonne (Umlaufzeit 365,25 Tage) 2. Schiefe der Ekliptik: Neigung der Erdachse gegenüber Erdbahn von 23,5° 3. Erdrotation: Drehung der Erde um die eigene Achse Ort größter Sonnennähe (= Perihel) Ort größter Sonnenferne (=Aphel) Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 22 von 62 - Erdrevolution und Ekliptikschiefe unterschiedliche Beleuchtungs- und Strahlungszonen - Erdrotation und Ekliptikschiefe unterschiedliche Tages- und Nachtlängen (Breitengradsabhängigkeit) - Kugelgestalt (geographische Breite) und Jahreszeiten-Differenzierung Sonnenlicht trifft mit unterschiedlichem Winkel auf Erdoberfläche Globalstrahlung: Karte der Jahressummen der Globalstrahlung: - am höchsten in den Gebieten des subtropischen Hochdruckgürtels (Sahara) keine Wolken, die die Einstrahlung behindern - über Land höher als über dem Meer Wolkenbildung über dem Meer Strahlungsbilanz: Karte der jährlichen Gesamtstrahlungsbilanz: - Kontinente weisen eine höhere Globalstrahlung auf als Ozeane aber - Ozeane haben zum Teil eine doppelt so hohe Strahlungsbilanz als die in gleicher geographischer Breite gelegenen Kontinentflächen Breitenkreisabhängigkeit: Aus Kugelgestalt, Erdrevolution und Ekliptikschiefe resultieren breitenkreisabhängig: - unterschiedliche Differenzierung nach Jahreszeiten - unterschiedliche Tag-/Nachtlängen im Jahresverlauf - unterschiedliche Beleuchtungszonen Aus der Breitenkreisabhängigkeit resultiert eine ungleiche Strahlungsverteilung Energieüberschuss am Äquator und Energiedefizit an den Polen meridionales Energiegefälle 4. Dynamik der Atmosphäre, allgemeine Zirkulation der Atmosphäre 4.1 Energiegefälle Luftmassenaustausch: Konsequenz aus dem großräumigen Energiegefälle (Äquator – Pol): - Bewegungsmechanismus in Form von Zirkulationen - Luftmassenaustausch (Winde) überschüssige Energie wird vom Äquator zum Pol geleitet - Somit globaler Ausgleich von Wärme, Masse und Bewegungsenergie Einfaches Modell für den Energietransport vom Äquator zum Pol: - aus Energiedefizitgebiet kalte polare Luftmassen nach Süden - aus Energieüberschussgebiet warme tropische Luftmassen nach Norden - eine meridionale Zirkulationszelle: mit aufsteigendem Ast über den Tropen und mit absteigendem Ast über den Polargebieten Allgemeine Zirkulation: Dynamik der Luftbewegungen: - horizontaler Luftdruckgradient (Druck-)Gradientkraft - beschleunigende, bewegungseinleitende Kraft - Luftmassentransporte führen zum Ausgleich von Energieunterschieden Definition von Wind: r - der Wind ist eine vektorielle Größe (Windvektor υ ), die durch Richtung und skalaren Betrag (=Windgeschwindigkeit) beschrieben wird - Windrichtung = Richtung aus der der Wind weht - das 2. Newton’sche Gesetz beschreibt durch Kräfte verursachte Bewegungen von Luftmassen über folgende Gleichung: Kraft [F] = Masse [m] · Beschleunigung [b] Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 23 von 62 Dynamik der Luftbewegung: - Gradientkraft ist vom hohen zum tiefen Druck hin gerichtet - Gradientkraft ist bedingt durch horizontale Luftdruckunterschiede Gradientkraft: Wirkung des horizontalen Druckgradienten: - die Gradientkraft wirkt senkrecht zu den Isobaren und in Richtung des tiefen Drucks - Ausgleich der Druckunterschiede und bestehender Energiedifferenzen - Größeres Druckgefälle größere Druckunterschiede stärkere Temperaturgegensätze höhere Beschleunigung beziehungsweise Windgeschwindigkeiten Windgeschwindigkeiten: - Luftmassentransporte (Winde) setzen ein, wenn an zwei Orten unterschiedlicher Luftdruck herrscht - Der Ausgleich zwischen den Luftdruckgegensätzen führt zur Windstille Zwei-Kammer Modell: Das Zwei-Kammer Modell ist ein atmosphärisches Zirkulationsmodell ohne die Rotation der Erde um die eigene Achse. 4.2 Wirkung der Erdrotation Rotationsgeschwindigkeiten in Abhängigkeit der: - Erdrotation - breitenkreisabhängigen Entfernung zur Erdachse Erdrotation: - verhindert einfaches Modell der meridionalen Zirkulationszelle - nimmt Einfluss auf die sich bewegenden Luftmassen 4.3 Kräfte auf Luftbewegung Sekundäre physikalische Kräfte, die bei Luftbewegung wirken: - Corioliskraft - Reibungskraft - Fliehkraft (Zentrifugalkraft) - Erdanziehung (Gravitation, der jeder Körper unterliegt) wirken richtungsverändernd und bewegungshemmend Corioliskraft: - Die Corioliskraft ist eine Beschleunigung, die auf alle frei beweglichen Körper in einem rotierenden Bezugssystem (Erde) wirkt. - Resultat der Erdrotation (West Ost) - Wirkt ausschließlich auf bewegte Luftmassen Scheinkraft - Steht senkrecht auf dem Bewegungsvektor Kräfteparallelogramm - Wirkt richtungsablenkend: auf der Nordhalbkugel nach rechts; auf der Südhalbkugel nach links Beispiel: Äquator Pol: Luftmassen werden von Punkt A (0° Geogr. Br.) nordwärts zum Punkt B (30° N) geführt: - meridionale Luftbewegungen auf der rotierenden (nicht ruhenden) Erde - Luftmassen gelangen in Gebiete geringerer Drehgeschwindigkeit - trägheitsbedingt eilt das Luftpaket den nördlicheren Drehgeschwindigkeitsbedingungen voraus Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 24 von 62 Beispiel: Pol Äquator: Luftpaket soll sich vom Nordpol südwärts zum Punkt A mit Horizontalgeschwindigkeit (υ) bewegen: - gerät unter Einfluss der Erdrotation im Gebiet mit höherer Mitführungsgeschwindigkeit Zunahme der Rotationsgeschwindigkeit vom Pol Richtung Süden zum Äquator - Folge: Luftteilchen bewegt sich in der Zeit (t) trägheitsbedingt langsamer als es der neuen Breitenkreislage entsprechen müsste - Ergebnis auf der Nordhalbkugel: verzögerungsbedingt erfährt Luftpaket eine Rechtsablenkung (vom Pol aus gesehen) Berechnung: In nahezu reibungsfreier Atmosphäre (> 1000 m) ergibt sich vom Standpunkt eines mitrotierenden Beobachters die ablenkende Scheinkraft (C). Die horizontale Komponente ist abhängig von: - der Geschwindigkeit (v) des bewegten Teilchens - der Rotationsgeschwindigkeit der festen Erde (ω); ω = 2π / 24h = 7,29 · 10-5 / s - vom Sinus der geographischen Breite (φ) - C = 2 · ω · sin φ · v - Gleichung belegt Breitenkreisabhängigkeit - keine Wirkung am Äquator (φ = 0° sin φ = 0) - wächst mit zunehmender geographischer Breite (Pol: φ = 90° sin φ = 1) - je höher die Windgeschwindigkeit, umso stärker ihr Einfluss (denn: C ~ v) Luftmassen müssen in Bewegung sein (v ≠ 0) Wirkung: Zunehmende Entfernung vom Äquator: - Rotationsgeschwindigkeit und Eigengeschwindigkeit der Luftmassen stimmen nicht überein - Zunehmende Beeinflussung der Luftmassenbewegung durch Corioliskraft - Fortgesetzte Wirkung der Corioliskraft wirkt bis Maximalablenkung der Bewegungsrichtung - Bewegungsrichtung steht im rechten Winkel zur Gradientkraft geostrophische Windrichtung (isobarenparallel) Druckausgleich ist somit nicht möglich! Alle wirkenden Kräfte: Zusammenfassend wirken auf bewegte Luftpakete folgende Kräfte ein: - Die Kraft des Luftdruckgefälles (Gradientkraft G) - Die ablenkende Kraft der Erdrotation (Corioliskraft C) - Die Schwerkraft, die nur bei der vertikalen Komponente des Windes eine Rolle spielt - Die Reibung (R) am Erdboden; > 1000 m zu vernachlässigen Geostrophischer Wind: Beeinflussung der Luftmassen Gradient- und Corioliskraft im Kräfteverhältnis: - Gradientkraft: senkrecht zu den Isobaren, zum niedrigen Druck hin gerichtet (nach oben) - Corioliskraft: entgegengesetzt zur Gradientkraft und senkrecht zur Bewegungsrichtung - Druckgradientkraft und Corioliskraft sind im Gleichgewicht Geostrophischer Wind - Aus Maximalablenkung bei gleichsinnigem Druckgefälle resultiert isobarenparalleler Strömungsverlauf - Corioliskraft und Windvektor bilden einen Winkel von 90° - Isobarenparallele Luftströmung verhindert jeglichen Druckausgleich - Diese Verhältnisse finden wir im Bereich der Höhenwestwinde Ageostrophischer Wind: Beeinflussung der Luftmassen Gradient-, Coriolis- und Reibungskraft im Kräfteverhältnis: - Gradientkraft: senkrecht zu den Isobaren zum Tief bewegungseinleitend - Corioliskraft: senkrecht zur Bewegungsrichtung - Reibungskraft: entgegen der Bewegungsrichtung Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 25 von 62 Reibungskraft am Boden bremsende Wirkung auf Luftpaket Corioliskraft verliert an Wirkung - Reibungsbedingt ageostrophischer Wind führt über längeren Weg zum Druckausgleich - Ageostrophische Komponente: Winkelbetrag, den der abgelenkte Wind mit den Isobaren einschließt Windkomponente, die die Abweichung vom geostrophischen Wind charakterisiert: - Reibung wirkt der Bewegung direkt entgegen - Damit setzt der Reibungsfluss (Land-, Wasseroberfläche) die Windgeschwindigkeit herab - Entsprechend verringert sich der Einfluss der Corioliskraft C = 2 · ω · sin φ · v - Der Druckgradient wird jedoch nicht beeinflusst, da die Druckgegensätze gleich geblieben sind. - Hierdurch lenkt der Druckgradient den Wind in einem bestimmten Winkel zu den Isobaren in das Gebiet niedrigern Druckes. - Ageostrophische Komponente = Winkelbetrag, den der Wind(-vektor) mit den Isobaren einschließt - Luftströmungen unter Reibungseinfluss haben eine druckausgleichende Wirkung - je stärker die ageostrophische Komponente des Windes, desto rascher ist der Druckausgleich zu erreichen - 4.4 Dynamische Komponenten Horizontale Veränderlichkeit in den Druckverhältnissen, und daraus ableitbare dynamische Entwicklung von Druckunterschieden am Boden. Höhenströmung – Konvergenz: Ausgangssituation: Geostrophisch bedingte Luftmassen Einströmung erfolgt in Gebiet mit: - größerem Druckgradienten - somit höheren Geschwindigkeitsverhältnissen Konvergenzgebiet der Höhenströmung Massenträgheitsbedingt erfolgt: - Verringerung der Corioliskraft - Verstärkte Gradientkraft (anwachsen des Druckgradienten) führt somit zum Strömungsversatz zum tieferen Druck hin Anisobarer Massenversatz nach Norden Höhenströmung – Divergenz: Ausgangssituation: Geostrophisch bedingte Luftmassen im verengten Luftdruckfeld Einströmung erfolgt in Gebiet mit: - kleinerem Druckgradienten - somit geringeren Geschwindigkeitsverhältnissen Divergenzgebiet der Höhenströmung Massenträgheit bedingt: - Überwiegen der Corioliskraft - eine verminderte Gradientkraft (Abflachen des Druckgradienten) bewirkt Strömungsversatz zum höheren Druck hin Effekt der Massenträgheit, Anisobarer Massenversatz nach Süden Druckgebilde am Boden: Schema: Konvergenzen beziehungsweise Divergenzen in der Höhenströmung Luftmassen müssen unterschiedliche Luftdruckfelder durchströmen - Massenverlust Bodendruckabfall bodennahes Tief (dynamisch bedingtes Bodentief) - Verstärkter anisobarer Massenversatz (Gewinn) Bodendruckanstieg bodennahes Hoch (dynamisch bedingtes Bodenhoch) Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 26 von 62 Mittlere Breiten: - Als Folge der Wechselwirkung zwischen Erdrotation, Gradientkraft und Corioliskraft. - Somit nach den Gesetzen des geostrophischen Windes verursacht das polwärts gerichtete Druckbeziehungsweise Energiegefälle eine westliche Höhenströmung. - Das heißt: erdumspannende zonale Strömungen von W nach E - Als isobarenparallele Strömung kann diese keine Wirkung haben - Ableitbare Konsequenz: der thermische Gegensatz zwischen Tropen (niederen Breiten) und hohen Breiten müsste sich immer weiter verstärken, aber… (siehe oben!) Hohe Westwinddrift: Dynamische Instabilität der Hohen Westwinddrift (WWD) – (mittlere Troposphäre ~ 500 hPa-Niveau der mittleren Breiten) Planetarische Höhenströmung ~ Hohe Westwinddrift (HWWD) Kennzeichen: - Aufeinandertreffen unterschiedlich temperierter Luftmassen (tropisch – warm und polar – kalt) - Dynamische Instabilität - Vertikale Windscherung - Mäanderförmiger Verlauf (Rossby-Wellen) Umbau der Strömungsverhältnisse Ursachen für Instabilität und Mäanderbildung: - meridionaler Temperaturgradient von 6°C / 1000 km überschritten - Breitenkreisrauhigkeit Übertritt der Luftmassen vom Ozean auf den Kontinent; Überqueren der Luftmassen von meridional verlaufenden Gebirgsketten (= Anchoring-Effekt) - Führt zu einer erdumspannenden Wellenzirkulation von W nach E - Im statistischen Mittel bilden sich 5 bis 6 Wellen aus Umbau der Zirkulation: - Zonal / High-Index-Zirkulation: breitenkreisparalleler Verlauf der hohen WWD meridionale thermische Gegensätze bleiben bestehen; kein Druck- oder Energieaustausch möglich - Wellenbildung: mäanderartige Wellen = Rossby-Wellen bewirken Auslenkung der Westwindzone (Frontalzone) nach N beziehungsweise S; dadurch einsetzender Energieaustausch zwischen den niederen und höheren Breiten - Meridional / Low-Index-Zirkulation: starke Mäandrierung der Höhenströmung Höhenrücken (Hochdruckkeil); Höhentrog (Tiefdrucktrog); Energieaustausch über meridionalen Strömungsverlauf - Cut-off-Effekt / blocking action: Anwachsen der Schwingungsamplitude führt zu einer Spaltung der Höhenströmung in N- und S-Ast; zu abgeschnittenen Warmluft- (H) und Kaltluftinseln (T); Blockierung der Höhenströmung (Frontalzone, HWWD) - Ausbildung von Nährwirbeln in der HWWD als aerodynamische Folge der Mäanderwellen, Konvergenz und Divergenz, Höhenrücken und Höhentrog polwärts als Zyklone (Höhentrog) und äquatorwärts als Antizyklone (Höhenrücken) - Antizyklonale und zyklonale Wirbel ziehen mit der Höhenströmung 4.5 Luftdruck- und Windgürtel Dynamisch bedingte Druckgürtel: - Subtropisch-randtropischer Hochdruckgürtel SRH [Hh] - Subpolare Tiefdruckrinne SPT [Tt] Thermisch bedingte Druckgürtel: - Äquatoriale Tiefdruckrinne ÄT [Ht] - Polares Hoch PH [Th] Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 27 von 62 - resultieren primär aus thermischen Vorgängen (Erwärmung, Abkühlung) in Abhängigkeit von der Unterlage Meridionale Querzirkulation: Schematischer Vertikalschnitt durch eine meridionale Querzirkulation auf einer Halbkugel: - ÄT / ITC: thermische Druckgebilde Hitzetief am Boden - SRH (~ 30°): dynamische Druckgebilde am Boden dynamisches Hoch - SPT (~ 60°): dynamische Druckgebilde am Boden dynamisches Tief - PH: thermisches Druckgebilde Kältehoch am Boden Drei-Zellen-Struktur: Vereinfachtes Schema der Drei-Zellen-Struktur der mittleren meridionalen Zirkulation: - Tropische Zirkulationen: Innertropische Konvergenz und Konvektion (ITC); Passatzirkulation Sonderform: tropische Monsune - Mittelbreiten: Ferrel-Typ der Zirkulation Zyklogenese - Hohe Breiten: Polar-Zirkulation Zellen stehen untereinander in Verbindung und durchlaufen einen Jahresgang bezüglich Lage und Intensität Tropische Zirkulation: Situation am Boden: - Bereich hoher Einstrahlung starke Konvektion, Aufstieg warmer Luftmassen - Bereich starker Strömungskonvergenz Passate beider Halbkugeln strömen hier zusammen - Innertropische Konvergenz- und Konvektionszone vertikale Bewegungen, aufsteigender Ast einer Meridionalzirkulation Situation in der Höhe: - Divergenzbereich in der Höhe polwärts gerichteter Luftmassenabfluss in der Höhe - Höhenbereich der SRH Absinkbewegung zum Boden Bodennaher Divergenzbereich: äquatorwärts gerichtete horizontale Luftmassenströmung = Passate; Teile der divergierenden Luftmassen werden in Ferrel-Zelle eingespeist Hadley-Zelle: Passatzirkulation: Druckgefälle SRH zur ÄT (NHK beziehungsweise SHK) geostrophisch E-Wind (Ostpassat / Urpassat) Bereich zwischen SRH und ÄT: - dynamisch bedingt Ausbildung einer Passatinversion - Höhenanstieg der Passatinversion von SRH zur ÄT Trennung aufsteigender, relativ wasserdampfhaltiger Luftmassen im Bodenbereich ( trocken- / feuchtadiabatische Abkühlung beim Aufstieg) von absteigenden, relativ trockenen und wärmeren Luftmassen ( trockenadiabatische Erwärmung beim Absinken) Passatinversion SRH in Richtung zur ÄT Annäherung zum Äquator - Schwächung der Stabilität der Passatströmung - Feuchte Luftmassen der bodennahen Luftschicht können immer höher aufsteigen Verstärkung der vertikalen Aufstiegstendenz - Anstieg der Passatinversion Aufbrechen der Passatinversion im Bereich der ITC Passat-Inversion: - Höhe: Absinktendenz; meridionale Komponente der Luftmassen - Bodennah: thermisch bedingter Aufstieg und Abkühlung (T-) stabile Luftschichtung - Temperaturinversion verhindert als Sperrschicht weitgehend vertikale Luftbewegungen Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 28 von 62 Ferrel-Zelle: - polwärts der Hadley-Zelle - absteigende Luftmassen im SRH - aufsteigende Luftmassen in den Zyklonen der mittleren Breiten - Teil der Luftmassen zurück zur SRH - über Höhenströmung besteht Verbindung zur polaren Zelle - Polarfront in vertikaler Struktur eine Aufgleitfront Typisch: zyklonale und antizyklonale Wirbel Wärmeaustausch zwischen Niederen und Hohen Breiten Höhe: Westwinddrift Bodennah: Zyklogenese Polarzelle: - vertikal geringmächtig ausgebildet - thermisch bedingte Zirkulationsform - aufsteigende Luftmassen in den Tiefdruckgebieten der gemäßigten Breiten - in der Höhe polwärts geführte Luftmassen - Absinken in Polarregion - bodennahes Abfließen in Richtung Äquator - mögliche Verbindung zur Hadley-Zelle - möglicher Kaltlufteinbruch bis in den subtropischen Bereich Hoch- und Tiefdruck: Tief: - aufsteigende Luftmassenbewegung - trocken- / feuchtadiabatische Abkühlung - Kondensation - Wolkenbildung - Niederschlag - Temperatur: feucht-warm / feucht-kühl Hoch: - absteigende Luftmassenbewegung trockenadiabatische Erwärmung Wolkenauflösung Schönwetter Temperatur: warm / kalt Hadley-Zelle im Detail: Lage der ITC / Hadley-Zelle: Die Lage der ITC wandert mit dem Sonnenhöchststand, „hinkt“ ihm jedoch etwas hinterher und erreicht die Wendekreise nicht. Ausnahme: Kontinental-Masseneffekt in Asien! Struktur der ITC: - durchlöchertes Wolkenband der ITC - zellularer Aufbau der ITC, stärkere Verdichtungen über Land in Mittelamerika, Süd- und Südostasien und Westafrika (viele einzelne lokale Gewitter!!) Die ITC über Afrika: Am Beispiel Afrikas erkennt man: - das gegenüber dem Sonnenhöchststand verzögerte und räumlich weniger ausgedehnte Nachfolgen der ITC - die Trockengebiete außerhalb der ITC am Rande der Tropen Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 29 von 62 Die ITC im Januar: - SRH und ÄT: jahresperiodische, meridionale Verschiebung mit dem Sonnenstand - Verlagerung der Passatzone und ITCZ (meteorologischer Äquator) auf die SHK - Wolkenband der ITC sehr weit im Süden - Trockengebiete in Südafrika und im südlichen Südamerika Die ITC im Juli: - Sommer auf der NHK Indischer Monsun (SW-Wind) - Indien: starke Bewölkung zeigt starke Monsuntätigkeit Der Monsun: - Aufgrund der Ekliptikschiefe wandert der Sonnenhöchststand und damit die Zone maximaler Einstrahlung im Laufe des Jahres zwischen den beiden Wendekreisen. - Dadurch verlagern sich auch die planetarischen Wind- und Luftdruckgürtel. - Dies ist besonders über den Landmassen der Fall tellurischer / monsunaler Effekt - Der Subtropisch-randtropische Hochdruckgürtel wird durch Ferrel’sche Hitzetiefs unterbrochen Für den Monsun gibt es 3 Kriterien (je nach Autor): - ein jahreszeitlicher Wechsel der Windrichtung um mindestens 120° (Monsunwinkel) - ein dem Monsungang paralleler Gang der Klimaelemente Niederschlag, Bewölkung, Temperatur und relative Luftfeuchte (z.B. Wechsel von Trocken- und Regenzeit) - die Winde wehen im Sommer landeinwärts, im Winter seewärts - Prototyp für einen tropischen Monsun ist der Indische Monsun - es wechseln NE-Winde (Passate) im Winter und äquatoriale SW-Winde im Sommer - charakterisiert durch deutlich voneinander abweichende Witterung (trocken im Winter / feucht und Extremniederschläge im Sommer) Ferell-Zelle: Außertropische Zirkulation Mesoscale Zirkulation der Ferrel-Zelle Tropopausensprünge und Jetstreams: - entstehen durch unterschiedliche Höhe der Tropopause - Entstehung von Jetstreams / Frontalzonen im Bereich der Tropopausensprünge Kopplung an Höhenströmung: - Höhenströmung (6 – 10 km) Wellenzyklonen - Antizyklone: Konvergenz in der Höhe Divergenz am Boden Pumpeffekt - Zyklone: Divergenz in der Höhe Konvergenz am Boden Saugeffekt Mesoscale-Zirkulation: - Druckzentren und daran gekoppelte Luftströmungen im Bereich der Westwindzone: Polarfront, Zyklonen, Zyklonenfamilien (NHK) - Mesoscale-Zirkulation als Unterlagerung der Long-scale-Wellen (Höhenströmung der WWD) Aktionszentren: - Polarfront unterschiedlich temperierte Luftmassen treffen aufeinander - Verschärfung des meridionalen Druckgefälles an so genannten frontogenetischen Punkten = Aktionszentren - Instabilität der Polarfrontfläche wellenartige Ausschläge - Ausbildung von Wellenzyklonen / Mesoscale-Wellen, NO-gerichtet - Ferrelzirkulation energetischer Austausch kann stattfinden Typischer Frontenverlauf: Darstellung auf polständiger Karte: Zyklone mit Fronten auf Meeresniveau; Rossby-Wellen als Höhenisobaren sichtbar Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 30 von 62 Lebenszyklus einer Wellenzyklone: - Frühstadium Okklusion offenes Stadium Auflösung - Dynamische Entwicklungsstadien Aufbau einer offenen Zyklone: - Warmfront mit Aufgleitregen an der Vorderseite - Warmsektor mit Schauern und Regen zwischen den Fronten - Kaltfront an der Rückseite Querschnitt durch Idealzyklone: - Warmfront trifft auf Kaltluft Entstehung einer Aufgleitfläche mit Schichtbewölkung (Nimbostratus) advektive Niederschläge - Kaltfront trifft auf Warmluft Entstehung einer Einbruchsfront mit Konvektionsbewölkung (Cumulonimbus) konvektive Niederschläge Offene Zyklone (Warm- / Kaltfront): - zwischen Warmfront mit advektiven Niederschlägen und Kaltfront Niederschlägen Warmluft mit (leichter) Bewölkung, kaum Niederschläge mit konvektiven Okklusion: - okkludierende Front - Kaltluft an der Vorderseite und Rückseite - Warmluft ist aufgestiegen advektive und konvektive Niederschläge entstehen in der Höhe! Wellenzyklonfamilie: Besteht aus: - jüngeren Zyklonen kalte polare und arktische beginnt sich mit warmer tropischer Luft zu vermischen - älteren Zyklonen Polarluftvorstoß in warme tropische Luft Typische Wetterlage Juli / August: Das Beispiel für eine typische Wetterlage im August zeigt auf der NHK 3 Zyklonenfamilien, deren Zugbahnen nach Nordosten gerichtet sind. Kalt- / Warmfront: Kaltfront: - Wolken- und Niederschlagsbildung - Kaltlufteinbruch unter Warmluft an Kaltfront erzwungene Konvektion - nachrückende Kaltluft Schauer möglich Warmfront: - Wolken- und Niederschlagsbildung - Aufgleiten wärmer Luft über kältere Luft an Warmfront advektiver Vorgang Wichtige Wolkentypen: - Cumulus: haufenförmig - Stratus: schichtförmig - Cirrus: schleierförmig Konvektion / Advektion: - Kombination aus starker sommerlicher Erwärmung und feuchtlabilen Luftmassen fördert die Entstehung von Konvektionsniederschlag extrem im ITC-Bereich - Hebung der Luftmassen an Hindernis (z.B. Gebirge) orographisch bedingte Niederschläge = erzwungene Konvektion (Leeseite im Regenschatten) Passate an Ostküsten Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 31 von 62 5. Klimaklassifikationen 5.1 Genetische Klimaklassifikation (Flohn) Genetische Klimaklassifikation nach Flohn: - Klimarübe (1950) beruhend auf der AZA - Von Wasserflächen umgebener Idealkontinent Flohn geht von vier Windgürteln aus: - der äquatorialen Westwindzone - der subtropischen Trocken- oder Passatzone - der außertropischen Westwindzone - der hochpolaren Ostwindzone Klimazonen bezogen auf den Idealkontinent: 1) Äquatoriale Westwindzone mit den innertropischen Konvergenzen homogen 2) Randtropen mit sommerlichem Zenitalregen und winterlichem Passat alternierend 3) Subtropische Trocken- und Passatzone homogen 4) Subtropische Winterregenzone (Mittelmeerklima) alternierend 5) Außertropische Westwindzone homogen 6) Subpolarzone mit sommerlichen polaren Ostwinden alternierend 6a) Kontinentaler Untertyp: boreale Zone (nur auf NHK) 7) Hochpolare Ostwindzone homogen In der Flohn’schen Klimarübe fällt auf: - asymmetrische Ausbildung der Klimazonen (Idealkontinent) Zone 3 und 4 sind an den Ostseiten abgequetscht - dadurch Annäherung der Zonen 2 und 5 an den Ostseiten der Kontinente - Monsunklima fehlt als genetischer Klimatyp völlig - die boreale Zone 6a lediglich auf NHK kontinentaler Effekt - Unterschied in der Aufeinanderfolge der Klimazonen 1 – 7 im Vergleich West- und Ostküsten Unterschied: Maritimität / Kontinentalität - Vergleich NHK / SHK: Abweichungen in Anordnung der Klimazonen unterschiedliche LandWasser-Anteile 5.2 Effektive Klimaklassifikation (Köppen & Geiger) - geringe Anzahl von Klimazonen Grundlage: Grenz- und Schwellenwerte (Temperatur, Niederschlag) Rückschlüsse auf Genese (AZA) möglich das heißt: Luftdruck- und Windgürtel 4 große Klimazonen und eine Sonderform Klimaformel Kombination aus Groß- und Kleinbuchstaben Großbuchstaben: Differenzierung der Klimazonen: A) Tropische Klimate kein Monatsmittel < 18°C B) Trockenklimate BW = Wüstenklimate / BS = Savannen-, Steppenklimate (Abgrenzung gegenüber anderen Klimaten mittels Trockengrenzformel) C) Warm-gemäßigte (Regen-) Klimate kältester Monat zwischen 18°C und -3°C D) Boreale, subarktische (Schnee-Wald-) Klimate kältester Monat unter -3°C, wärmster über 10°C E) Schneereiche, kalte Klimate / Eisklimate wärmster Monat unter 10°C Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 32 von 62 Kleinbuchstaben: Kleinbuchstabe in Kombination mit Großbuchstabe: Als 2. Buchstabe: f) immerfeucht m) tropisches Monsunklima (Sonderbuchstabe) w) wintertrocken s) sommertrocken Als 3. Buchstabe: a) heiße Sommer wärmster Monat > 22°C; ≥ 4 Monate > 10°C b) warme Sommer wärmster Monat < 22°C; ≥ 4 Monate > 10°C c) kühle Sommer < 4 Monate > 10°C; kältester Monat > -38°C d) strenge Winter < 4 Monate > 10°C; kältester Monat < -38°C h) heiß nur bei B-Klimaten k) kalt nur bei B-Klimaten B-Klimate: - B-Klimate = Trockenklimate - Abgrenzung gegenüber anderen Klimazonen (A, C, D, E) mit Hilfe der Trockengrenzformel - Notwendige Parameter: N = mittlerer Jahresniederschlag [cm], T = mittlere Jahrestemperatur [°C] BS-Klimate: - Savannenklima BSh / Steppenklima BSk - Ganzjährig Regen: T + 7 ≤ N ≤ 2 · (T + 7) - Sommerregengebiete: T + 14 ≤ N ≤ 2 · (T + 14) - Winterregengebiete: T ≤ N ≤ 2 · T - h: heiß Jahresmitteltemperatur > 18°C - k: kalt Jahresmitteltemperatur < 18°C BW-Klimate: - Wüstenklima - Ganzjährig Regen: N ≤ T + 7 - Sommerregengebiete: N ≤ T + 14 - Winterregengebiete: N ≤ T - h: heiß Jahresmitteltemperatur > 18°C - k: kalt Jahresmitteltemperatur < 18°C Beispiel für B-Klimat: - ganzjährig Niederschlag: 33,7 > 14,9 + 7 N > T kein BW-Klimat - ganzjährig Niederschlag: 33,7 < 2 · (14,9 + 7) BS-Klimat - Jahresmitteltemperatur < 18°C BSk-Klimat Idealkontinent: Der Idealkontinent ermöglicht auch Rückschlüsse auf genetische (Luftdruck- und Windgürtel, tellurische Effekte) Bedingungen. am Beispiel von Nord- und Südamerika: - alle Klimazonen sind vertreten - reicht vom Nordpolgebiet bis zum Südpolgebiet - durch küstenparalleles Gebirge sind alle Klimate vertreten Verwendung: Effektive Klimaklassifikation: - erleichtert die Vergleichbarkeit geographischer Räume über Kontinentgrenzen hinweg - zeigt die starke Abweichung von einer breitenkreisparallelen Klimazonierung über den Landmassen Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 33 von 62 - gibt Auskunft über die Verteilung der Klimaelemente: Temperatur, Niederschlag und Verdunstung Achtung: statistisches Mittel, das heißt keine Extremwerte, Einzelwerte; kein Maß für Variabilität Betrachtung möglichst verbinden mit der Betrachtung von Messdaten (Klimadiagramme, Zeitreihen) 5.3 Effektive Klimaklassifikation (Troll & Pfaffen) - berücksichtigt Vegetation unterscheidet Aridität / Humidität nach Anzahl humider beziehungsweise arider Monate unterscheidet Maritimität / Kontinentalität über Jahresamplitude der Temperatur tages- und jahreszeitliche Unterschiede Gebirgsklimate eingeschwärzte Höhenzüge (vgl. Köppen & Geiger Cw oder E) Einteilung der Klimazonen: - 5 Hauptklimazonen (I – V) mit weiterer Untergliederung - Beispiel Tropenzone (V): V,1 immergrüne tropische Regenwälder / V,2 Feuchtwälder und feuchte Grassavannen / V,3 Trockensavanne / V,4 Dornstrauchsavanne / V,5 tropische Halbwüste und (Voll-) Wüste - Differenzierung nach Anzahl der humiden / ariden Monate 5.4 Klimadiagramm nach Walter & Lieth Darstellung der Klimaelemente Temperatur und Niederschlag: - feucht (humid): Niederschlagssäulen ragen über Temperaturkurve hinaus; N > V - trocken (arid): Niederschlagssäulen bleiben unterhalb der Temperaturkurve; N < V - wechselfeucht: Niederschlagssäulen sowohl über als auch unter der Temperaturkurve; N < V und N>V Bewertung der klimatologischen Größe Verdunstung (V) über Betrachtung von Temperatur (T) und Niederschlag (N) im Jahresgang (Monatswerte) aus dem Verhältnis N zu V Ableitung von Humidität beziehungsweise Aridität; nach Penck (1910): - N > V = humid - N < V = arid - N > V = nival (wenn Niederschlag in Form von Schnee) Formalismen: x-Achse: - NHK: Monate Januar bis Dezember - SHK: Monate Juli bis Juni - warme Jahreszeit liegt in der Mitte des Diagramms y-Achse: - Temperatur in °C - Niederschlag im mm - ein Teilstrich = ca. 10°C beziehungsweise 20 mm Niederschlag Interpretationshilfen: - Humide Jahreszeit schraffiert - Übersteigt mittlere monatliche Niederschlagsmenge 100 mm Maßstabsreduzierung auf 1/10 - Relative Trocken-/Dürrezeit (aride Monate) punktiert Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 34 von 62 Klimadiagramme im Süd-Nord-Profil (Äquator – Pol): Differenzierung nach Dauer und Intensität von Regen- und Trockenzeit, das heißt: Aridität / Humidität: - Humides äquatorisches Tageszeitenklima (tropisches Regenwaldklima) - Wechselfeuchtes tropisches Sommerregenklima (Savannenklima) - Subtropisches Wüstenklima (arid) - Mediterranes Winterregenklima (semi-arid) - Humides, gemäßigtes Klima - Arktisches Tundrenklima Gemäßigte Klimate: Differenzierung nach Maritimität beziehungsweise Kontinentalität in Abhängigkeit der Stationslage: - Meeresnähe oder Meeresferne West-Ost-Differenzierung - Nach Osten zunehmende Verstärkung der Temperaturamplitude - zunehmende Konzentration der Niederschlagsmengen im Sommer (konvektive Niederschläge) - insgesamt Abnahme der Jahresniederschlagsmenge von West nach Ost Ökologisches Klimadiagramm nach Walter & Breckle (1983): - fiktiver Ort: im Bereich der winterfeuchten Subtropen (Mediterran-Gebiet) - Darstellung von Extremwerten der Temperatur (absolutes Minimum / Maximum, mittleres tägliches Maximum des wärmsten Monats) - Erlaubt mehr Rückschlüsse auf reale Wuchsbedingungen für Vegetation 6. Lokale Windsysteme und Wetterkarten 6.1 Föhn – Warmer Fallwind Luv-Seite: - erzwungene Konvektion - Abkühlung - Temperaturgradient: trockenadiabatisch (1°C/100 m) Bewölkung, ab Kondensationsniveau Niederschlag - Temperaturgradient: weiter feuchtadiabatisch (0,6°C/100 m) Aufstieg - verschiedene thermodynamische Zustandsänderungen Lee-Seite: - Regenschattenseite - Absinken von Luftmassen - Erwärmung - über kurze Strecke feuchtadiabatisch kein Niederschlag, Wolkenauflösung - dann zunehmend trockenadiabatisch Luftmasse hat auf Leeseite des Gebirges höhere Temperatur im Vergleich zur Luvseite (vergleichbares Höhenniveau) 6.2 Vertikale Luftbewegungen Adiabatisch: kein Wärmeaustausch zwischen bewegtem Luftpaket und umgebender Luft Adiabatischer Temperaturgradient setzt Vertikalbewegung von Luftvolumina voraus Beispiele für adiabatische Prozesse bei vertikalen Luftbewegungen (aufsteigend / absteigend): - Überströmen eines Hindernisses - Beim Aufgleiten an einer Front - In Gewitterzellen Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 35 von 62 Adiabatische Temperaturänderung: Trockenadiabatische Temperaturänderung: - Phasenänderungen des Wasserdampfes finden nicht statt - Wasserdampf in Luft vorhanden (nicht gesättigt) - 1°C / 100 m - mit erreichen des Kondensationsniveaus Wärmeenergie wird freigesetzt / Temperaturabnahme mit der Höhe wird dadurch geringer Feuchtadiabatische Temperaturänderung: - Wasser kommt in allen drei Aggregatzuständen vor - Phasenumwandlungen verbunden mit Energieumsetzungen - 0,6°C / 100 m - Regionale Beispiele (Abhängig von Temperaturniveau): Tropen (0,3°C / 100 m); Polargebiete (0,95°C / 100 m) Sättigungsdampfdruckkurve: Sättigungsdampfdruck: Druckanteil des Wasserdampfes, der pro 1013 hPa Luft (Bezugsdruck auf Meeresniveau) maximal enthalten sein kann. Rechenbeispiel: - Luft von 20°C und 80% relativer Feuchte wird auf 0°C abgekühlt. - 17,6 hPa (= 0,8 · 22 hPa) Partialdruck bei 20°C - 6 hPa Partialdruck bei 0°C - 13,84 g (=0,8 · 17,3) bei 20°C; 4,8 g bei 0°C - 9,04 g Wasserdampf kondensieren pro m³ Luft Vertikaler Luftaufstieg: Unterschiedliche Schichtungsverhältnisse in der unteren Troposphäre: Vergleich zwischen Temperatur der Umgebungsluft mit der eines Luftpaketes und daraus resultierende Vertikalbewegungen (Aufstieg / Abstieg) der sich bewegenden Luftmassen Luftmassenaufstieg Abkühlung des Luftpaketes trockenadiabatisch (1°C / 100 m): - Schichtungsgradient der ruhenden Luft > 1°C / 100 m Schichtungsverhältnis der Umgebungsluft: instabil (labil) Vertikalbewegung der Luftmassen: begünstigt - Schichtungsgradient der ruhenden Luft < 1°C / 100 m Schichtungsverhältnis der Umgebungsluft: stabil Vertikalbewegung der Luftmassen: weiter nach oben nicht möglich - Schichtungsgradient der ruhenden Luft = 1°C / 100 m Schichtungsverhältnis der Umgebungsluft: indifferent, stationär, isotherm Vertikalbewegung der Luftmassen: stationär Schichtungsverhältnisse: Nicht gesättigt / trocken (ohne Kondensation) = 1°C / 100 m: - stabil: Schichtungsgradient der ruhenden Luft kleiner als 1°C / 100 m - labil: Schichtungsgradient der ruhenden Luft größer als 1°C / 100 m - indifferent: Schichtungsgradient der ruhenden Luft gleich 1°C / 100 m Gesättigt / feucht (mit Kondensation) = 0,6°C / 100 m: - stabil: Schichtungsgradient der ruhenden Luft kleiner als 0,6°C / 100 m - labil: Schichtungsgradient der ruhenden Luft größer als 0,6°C / 100 m - indifferent: Schichtungsgradient der ruhenden Luft gleich 0,6°C / 100 m Temperatur in der Atmosphäre: Troposphäre: unterstes Stockwerk; physikalisches Hauptmerkmal ist die stetige Abnahme der Lufttemperatur mit der Höhe mittlerer vertikaler / geometrischer Temperaturgradient beträgt 0,65 K / 100 m Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 36 von 62 6.3 Land-Seewind - Tag: Nacht: - Thermisches Lokalwindsystem Ursache: im tageszeitlichen Gang deutliche Unterschiede in der Erwärmung von Land / Wasser lokale, bodennahe Druckunterschiede eine bodennahe Luftzirkulation wird in Gang gesetzt Land erhitzt sich schneller als das Meer Luft über dem Gebiet wird erhitzt, steigt auf und bildet ein Gebiet tiefen Drucks Abkühlung der Luft kann zu Wolkenbildung führen Luft strömt zum Meer, kühlt sich ab, wird dichter und sinkt ab Absinkende Luft bildet ein Gebiet hohen Drucks Seewind weht vom hohen zum tiefen Druck Meer speichert die Wärme länger als das Land relativ warme Luft steigt auf und bildet ein Gebiet tiefen Drucks Luft strömt zum Land, kühlt sich ab, wird dichter und sinkt ab Absinkende Luft bildet ein Gebiet hohen Drucks Land kühlt sich schneller ab als das Meer Landwind weht vom hohen zum tiefen Druck 6.4 Berg-Talwindsystem - Thermisches Lokalwindsystem Ursache: Unterschiedliche Erwärmung von Berghängen und Tälern und Hochlagen im Gebirge Typisch für Hochdruckwetterlagen mit starker Sonneneinstrahlung Von morgens bis zum späten Nachmittag Talwind (Tal ist wärmer) Abends und nachts Bergwind (Tal kühlt schneller ab) 6.5 Wetterkarten Höhenwetterkarte: - dargestellt ist das 500 hPa-Niveau - die Höhenlage dieser Druckniveaufläche kann über die Isohypsen (Linien gleicher Höhe) abgelesen werden Bodenwetterkarte: - Isobaren (Linien gleichen Drucks) - Diese Linien spiegeln die Luftdruckverhältnisse am Boden wieder - Vergleichbarkeit der Werte erfordert die Reduzierung auf Meeresniveau Windfeld am Boden: - Hoch dreht sich im Uhrzeigersinn (Antizyklone / heraus) - Tief dreht sich gegen den Uhrzeigersinn (Zyklone / hinein) - Tiefdruck am Boden an Mäander der Rossby-Welle gekoppelt Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 37 von 62 C) Bodengeographie 1. Einführung 1.1 Bodendefinitionen Boden ist ein Umwandlungsprodukt mineralischer und organischer Substanzen, das mit Wasser, Luft und Lebewesen durchsetzt und unter dem Einfluss der Umweltfaktoren an der Erdoberfläche im Laufe der Zeit entstanden ist und sich ständig weiterentwickelt. Der Boden hat eine eigene morphologische Organisation, das heißt er ist in der Lage, höheren Pflanzen als Standort zu dienen. Er ist Lebensgrundlage für Tiere und für den Menschen. Als Raum/Zeit-Struktur ist der Boden ein vierdimensionales System. 1.2 Bodengeographie - Bodengeographie ist eine eigenständige Teildisziplin der Physischen Geographie Bodengeographie hat die Aufgabe, Entstehung und Verbreitung verschiedener Bodentypen und Bodengesellschaften darzustellen und deren Verbreitung zu erklären Sie beschäftigt sich mit den komplexen raum-zeitlichen Wechselwirkungen, die in der Pedosphäre in unterschiedlichen Landschaften ablaufen 1.3 Maßstabsebenen - Pedon / Peda Pedotop (Bodenform) Pedokomplexe (Bodenlandschaften mit Catenen) verschiedene Bodenformen innerhalb einer Bodenlandschaft bilden eine Bodengesellschaft. Typisches Profil durch eine Bodenlandschaft ist eine Catena. Toposequenz: regelhafte Bodenabfolge in einer Landschaft - Gefälle muss nicht gerichtet sein - Bestimmte Reliefabschnitte weisen die gleichen Bodenformen auf - Bodenlandschaft (Ausgangsgestein) Bodenregion (Bergländer, Hochgebirge) Bodenzone (Ökozonen der Erde) 1.4 Bodenzonierung Bodenzonen: 1895 Sibirzew: 1. Böden- und Bodengesellschaften in waldfreien Polar- und Subpolargebieten 2. Böden- und Bodengesellschaften in den borealen Waldgebieten 3. Böden in den feuchten Mittelbreiten 4. Böden in des trockenen Mittelbreiten (Steppenlandschaften) 5. Böden in den Wüsten und Halbwüsten unserer Erde 6. Böden in den winterfeuchten Subtropen 7. Böden in den immerfeuchten Subtropen 8. Böden in den sommer- und immerfeuchten Subtropen 9. Böden der Hochgebirge Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 38 von 62 zonale Böden: - durch Klima entstandene Böden, intrazonale Böden - Böden innerhalb einer Bodenzone gebildet von anderen Ausgangsgestein oder Wasser Bodenbildungsfaktoren wie azonale Böden: - nur schwach entwickelte Böden oder Rohböden unabhängig von Klimazone und Ausgangsgestein 2. Verwitterung - Physikalische Verwitterung Zerfall der Gesteine in kleinere Bestandteile Chemische Verwitterung Auflösung der Gesteine in ihre Bestandteile zum Beispiel durch Säuren, Basen und Redox-Reaktionen (Reduktions- und Oxidationsvorgänge) Verwitterung ist Vorraussetzung für Bodenbildung 2.1 Physikalische Verwitterung Temperaturverwitterung / Insolationsverwitterung: - „Einstrahlungsverwitterung“ - Temperaturunterschiede zwischen Sonn- und Schattenseite - Spannung zwischen einzelnen Mineralkörnern (bes. grobkristalline Gesteine) - Granit: ∆temp 50°C Ausdehnung 0,25 – 0,6 mm/m) - Unterschiedliche Kristallgitter - Mineralfarbe Spreitungsdruck durch Wasser: helles und dunkles Mineral nebeneinander unterschiedliche Ausdehnung Spannung und Brüche, in die Wasser eindringen kann Riss kann sich durch Wasser nicht mehr schießen Ausdehnungskoeffizienten einiger Minerale und Gesteine: - Quarz parallel zur Hauptachse: linear 8 · 10-6 / räumlich 35 · 10-6 - Quarz senkrecht zur Hauptachse: linear 18 · 10-6 / räumlich 35 · 10-6 - Sandstein: räumlich 5 – 20 · 10-6 - Kalkstein: räumlich 10 – 25 · 10-6 - Granit: räumlich 6 – 20 · 10-6 Temperaturgefälle (-gradient) zwischen Gesteinsoberfläche und Gesteinsinneren: - Abgrusen (Abbröckeln von Material) und Abschuppung Desquamation - Abschalung (Exfoliation) - Körniger Zerfall - Kernsprünge Verwitterung durch Kristallisationsdruck: Frostsprengung (kryoklastischer Druck): - Volumenzunahme beim Übergang von Wasser zu Eis um 9% - Druck zum Beispiel bei -5°C etwa 60 MPa (610 kp/cm²) bis maximal 220 MPa (2200 kp/cm²) bei -22°C (Zugfestigkeit der meisten Gesteine liegt zwischen 2 – 20 MPa) - Gefrierfont dringt von außen nach innen vor - Die Sprengwirkung ist am größten in geschlossenen Systemen - Die Wirksamkeit nimmt mit der Zahl der Frostwechsel zu Vorraussetzungen: - Klüftigkeit des Gesteins Wasser unter Druck gefriert nicht - Vorhandensein von Wasser - Häufiger Frostwechsel Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 39 von 62 Salzsprengung (haloklastischer Druck): Mechanismen: - Wasser dringt in Gestein ein und löst Salze - Salzhaltige Lösungen steigen auf, verdunsten und Salze kristallisieren aus - Volumenzunahme durch Anlagerung von Wasser Hydration (alt: Hydratation) - Zusammenwirken mit Insolationsverwitterung - Abgrusung und Abschuppung - Hydration Hydratation: - Wasserhülle um Minerale: 1. Abstoßung der Hydrathüllen; 2. Absättigung der Bindungskräfte - Einbau von Wasser ins Kristallgitter Anlagerung der als Dipol wirkenden Wassermoleküle an Ionen; gelöste Ionen werden von einer Hydrathülle umgeben - Volumenvergrößerung und Quellung sowie gleichzeitige Abstoßung der Hydrathüllen führt zu Sprengung (Haarrisse) - z.B. Anhydrit wird zu Gips: Volumenzunahme bis 60% - Druck: bis maximal 100 MPa, meist aber zwischen 10 und 30 MPa Carbonatverwitterung (calciklastischer Druck): Mechanismen: - Carbonate (CaCO3) als Verwitterungsagens - Lösung von Kalkstein (ein chemischer Vorgang) und Rekristallisation üben ähnliche Wirkung auf das Gestein aus wie bei Salzverwitterung - Tau und Nebel an Küstenwüsten Physikalisch-biogene Verwitterung (botanische und zoogene Verwitterung): Wurzelsprengung: Mechanismen: - osmotischer Druck des Zellplasmas - Druckwirkung auf die umliegende Gesteine bis ca. 1 MPa bei Bäumen - Dickenwachstum von Wurzeln in Fugen und Klüften - Flechten - zum Beispiel: Stieleiche, Hainbuche, Tanne, Douglasie, Weinstöcke Zoogene Verwitterung: Mechanismen: - Bohrmuscheln - Kalkfressende Schnecken (Patella spec., Littorina neritoides) - Hummer an Korallenriffen etc. - Säugetiere: Wühltätigkeit, Mischung, Wasserzugang (Fuchs, Kaninchen, Wühlmaus, Maulwurf..) - Regenwürmer Druckentlastung: - Abtrag aufliegender Gesteinsmassen - Abschmelzen von Eis (Polarregionen und Hochgebirge) Mechanismus: Entlastungsklüfte parallel zu der Entlastungsfläche Korngrößen und Bodenarten: Grobboden: > 2mm Korndurchmesser (Grus, Steine, Blöcke) Feinboden: < 2mm Korndurchmesser (Sand, Schluff, Ton) Korngrößenanalyse zur Bestimmung der Bodenart wir schließen auf: - Verwitterungsart - Herkunft des Materials Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 40 von 62 - Transport-Agens (Wasser, Wind, Eis) Genese des Substrates Bestimmung der Bodenart mittels Fingerprobe im Gelände: - Bindigkeit und Formbarkeit - Mehlig: hoher Schluffanteil - Reibt: Sandanteil - Klebt: Tonanteil 2.2 Chemische Verwitterung - chemische Zersetzung, stoffliche Umbildung der Gesteine Bestandteile der Gesteine gehen in Lösungen über, werden vom Wasser abtransportiert Kalke, Dolomite, Salze, Gipse Intensität der Lösungsverwitterung ist abhängig von: - Gesteinsart - Wassertemperatur - Lösungssättigung (Protonen, H+-Ionen) - Säuregrad (bei den meisten Verwitterungsvorgängen muss durch Zufuhr von Atomsphärilien CO2, SO2, NO3, HCl oder durch Zufuhr saurer Bodenlösungen der pH-Wert gesenkt werden) Lösung: - der Vorgang der Lösung von Salzen im Wasser ist im eigentlichen Sinn kein chemischer, sondern ein physikalischer Vorgang - bei der Lösung in Wasser werden die Salze in ihre Kationen und Anionen zerlegt und von Wassermolekülen umgeben - das Wasser ist dabei wegen seines Dipolcharakters und wegen der hohen Dielektrizitätskonstante (81) besonders zur Lösung geeignet - Lösungsvorgänge sind umkehrbar (reversibel) Kohlensäurelösung: - die Kohlensäureverwitterung ist vor allem bei carbonathaltigen Gesteinen und Carbonaten (zum Beispiel Kalkstein, Dolomit oder auch in mergeligen Gesteinen tonig-kalkige Gesteine) von Bedeutung - das zur Bildung der Kohlensäure notwendige CO2 wird vom Wasser in der Atmosphäre aufgenommen. Die Aufnahme von CO2 ist im Boden meist wegen der längeren Verweilzeit des Wassers und des höheren CO2-Gehaltes in der Bodenluft größer - in Kalksteinen führt diese Form der Verwitterung zur Entwicklung von Karstformen - der umgekehrte Vorgang, die Ausfällung von „Carbonaten“ führt zur Bildung von Kalktuff oder auch Travertin H2O + CO2 H2CO3 (Kohlensäure) H2CO3 H+ + HCO3- (Hydrogencarbonat) Ca[2+]CO3 + H2CO3 Ca[HCO3]2 (Calciumhydrogencarbonat) Lösungsverwitterungsraten: - Kalkstein: gemäßigtes Klima der Mittelbreiten (800 mm Niederschlag) Lösungsverwitterungsbetrag von ca. 1 mm/100 a - Steinsalz: 360 g/1 l Wasser (20°C) - Gips: 2,6 g/1 l Wasser Aufweitung des Kristallgitters Angriff weiterer H+-Ionen Fortschreiten der Hydrolyse und der Hydratation Aufbrechen des Kristallgitters Volumenvergrößerung Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 41 von 62 Hydrolyse (Silikatverwitterung): - Hydrolyse wirkt vor allem auf Silikate: Feldspäte (58%), Glimmer, Hornblende, Augit, Olivin (75% aller gesteinsbildenden Minerale) - Zerlegung in Folge der Dissoziation des Wassers in H+- und in OH—Ionen - Stoffliche Veränderungen in den Silikatmineralien - Hydratation als wichtigste Vorraussetzung, bewirkt Gesteinslockerung an Grenzflächenionen - bei der Hydrolyse werden Na+, Mg2+, Ca2+, Fe2+, K+ gegen Protonen des Wassers (H+-Ionen) ausgetauscht - gelöste beziehungsweise ausgetauschte Ionen werden ausgewaschen Faktoren der Hydrolyse: - Austausch wird durch Säuren verstärkt (Kohlensäure, Schwefelsäure, Salpetersäure, organische Säuren wie Fulvosäuren und andere Huminsäuren) - Je niedriger der pH-Wert, je wärmer und je feuchter das Klima desto intensiver ist die Hydrolyse und umso rascher erfolgt die Abfuhr der ausgetauschten Ionen in Lösung Fortgesetzte Silikatverwitterung: - Aufweitung und Zerfall des Gesteins - Hydrolyse des Kalifeldspates (Orthoklas) - Kalifeldspat + Wasser Kaliumhydroxid (KOH) + Aluminiumhydroxid (Al[OH]3) + Kieselsäure (H4SiO4) Tonmineralneubildung: - Si-O-Tetraeder: SiO4 - Al-OH-Oktaeder: Al(OH)6 - Tonminerale sind Schichtsilikate in der Größenordnung der Tonfraktion, die durch die Verwitterung von Feldspäten und Glimmern entstehen oder aus Zerfallsprodukten neu gebildet werden - Aufbau von Tonmineralen: Wechsel von Si-Tetraeder- und Al-Oktaeder-Schichten Zweischicht- und Dreischichttonminerale - Zweischichttonmineral: Tetraeder-Oktaeder Kaolinit (Basisabstand: 0,7 nm) - Dreischichttonmineral: Tetraeder-Oktaeder-Tetraeder Illit (BA: 1,0 nm), Smectit (BA: 2,0 nm) - 800 m² innere Oberfläche pro 1 g Tonminerale! - Isomorph besetzte Kationenstellen bei Dreischichttonmineralen: Si-O-Tetraeder Al3+ statt Si4+; Al-OH-Oktaeder Mg2+ statt Al3+ Oxidationsverwitterung: - Redox-Reaktionen - Fe2+ Fe3+: Fe3+-Hydroxide, Fe3+-Oxide; Roteisen: Hämatit; Brauneisen: Goethit, Liomnit - Mn2+ Mn3+: Mn3+-Oxid, Mn4+-Dioxid - Anlagerung von Sauerstoff - Oxidationsverwitterung als natürlicher und anthropogener Prozess: SO2 + H2O (schwefelige Säure) H2SO3 + O H2SO4 (Schwefelsäure) - Oxidation von Pyrit (FeS) in Gesteinen: 4 FeS + 15 O2 + 2 H2O 2 Fe2(SO4)3 + 2 H2SO4 - 2 Fe2(SO4)3 + 8 H2O 4 FeOOH + 6 H2SO4 (Limonit beziehungsweise Goethit) Chemisch-biogene Verwitterung: - Gesteinszersetzung durch Organismen, Kohlensäure oder organische Säuren - Zersetzung von organischem Material fördert H+-Ionenbildung in Bodenlösung und vermindert den pH-Wert Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 42 von 62 Zusammenfassung: Physikalische Verwitterung: - starke Temperaturschwankungen - bei Insolationsverwitterung: Tageserhitzung Nachtabkühlung; je größer, desto intensiver - bei Frostverwitterung: Wechsel von Temperatur > 0°C und < 0°C; je häufiger, desto intensiver Chemische Verwitterung: - Wasser im oberflächennahen Untergrund: je feuchter, desto intensiver sind die chemischen Prozesse - Temperatur: je wärmer, desto intensiver sind die chemischen Prozesse - Ausnahme Kalklösung: CO2-Gehalt in kaltem Wasser höher (Sprudelflasche!) Löslichkeit verschiedener Minerale bei 25°C: - Steinsalz (NaCl): 263,00 g/l - Gips (CaSO4 2H2O): 1,9 g/l - Calcit (CaCO3): 0,014 g/l - Quarz (SiO2): 0,006 g/l - Gibbsit: (Al[OH]3): 0,000003 g/l H+-Ionenkonzentration ist von der Intensität der biogenen Umsetzungsprozesse abhängig: je mehr Vegetation, das heißt je größer die biologische Aktivität, desto stärker ist ihre Wirkung. Weitere Faktoren sind: die spezifische Oberfläche (Korngröße) je kleiner die Bestandteile, desto intensiver sind die Umsetzungen. Höhere Niederschläge höhere Versickerung stärkere Durchfeuchtung tiefer reichende Verwitterung intensivere Verwitterung 3. Bodengenese - Bodenart: Korngröße (z.B. Sand: 2 – 0,063 mm) Bodensubstrat: chemische Zusammensetzung Bodentyp: Aufbau Art und Anzahl der Horizonte (Parabraunerde, Podsol, ….) 3.1 Bodenbildende Faktoren - Boden ist das Produkt seiner Umwelt Genese des Bodens ist Funktion aus Klima, Gestein, Reliefeinfluss, Wasser, Tiere, Vegetation, Wirtschaftsweise des Menschen und Zeit Alle Faktoren beeinflussen sich gegenseitig Klima: - Niederschlag - Temperatur - Verdunstung - Klima ist die entscheidende Größe für Bodenwasserhaushalt - Klima übertrifft oft die Auswirkungen aller anderen bodenbildenden Faktoren - Klima steuert Materialtransporte an der Landoberfläche - gleichmäßige und ausreichende Niederschläge bieten Pflanzen gute Lebensbedingungen dichte Bedeckung ist der beste Schutz vor Abtragungsprozessen - hohe Temperaturen trocknen den Boden aus und behindern das Pflanzenwachstum unter diesen Bedingungen ist die Bodenoberfläche bei Starkregen dem Niederschlag schutzlos ausgeliefert flächenhafte Bodenumlagerung / linienhafter Bodenabtrag Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 43 von 62 - versickernder Niederschlag mit steigendem Niederschlag und abnehmenden Temperatur-mittelwerten erfolgt Erhöhung der Versickerungsrate, weil Verdunstung geringer ist Erhöhung der Tonmineralneubildung, Zunahme der Verwitterungstiefe und Abnahme des pHWertes Zonen mit jährlich gleichen Temperatur- und Niederschlagsmitteln können unterschiedliche Bodenbildung aufweisen: - lang anhaltende Niederschläge mit geringer Niederschlagsmenge bessere Durchfeuchtung - kurzfristige Starkregen fließen oberflächlich ab Bodenerosionsprozesse - in Klimaten mit N > ET (potentielle Verdunstung) herrscht in der Regel eine abwärts gerichtete (deszendente) Wasser-bewegung vor - bei N < ET herrscht eine aufwärts gerichtete (azendente) Wasserbewegung vor Minerale steigen mit Wasser auf, evtl. Krustenbildung an der Oberfläche (Versalzung) Wind als Klimafaktor für Bodenbildung: - Wind kann Bodenpartikel abtragen, transportieren und ablagern - Entscheidend für: Winderosion ist Vegetationsbedeckung Transportstrecke ist Korngröße Gestein: - Physikalische Beschaffenheit des Ausgangsgesteins zum Beispiel Fest-, Lockergestein, Klüftung, Porosität, Korngröße - Mineralogische Zusammensetzung Größe, Struktur, Spaltbarkeit und chemische Zusammensetzung der Minerale - Die Anfälligkeit einzelner Minerale gegenüber der chemischen Verwitterung lässt sich vereinfacht durch die Abfolge stabil extrem anfällig Quarz, Muskovit, Feldspat, Biotit, Amphibol, Pyroxen, Granat, Apatit, Olivin ausdrücken. Löss: - Löss ist ein äolisch gebildetes Sediment mit einer Korngröße von 0,06 – 0,002 mm (entspricht der Korngröße des Schluffs) - Die Lössdecken im Vorland der Mittelgebirge und in den Mittelgebirgen Mitteleuropas sind während der Eiszeiten aus den Überschwemmungsebenen und Sanderflächen im Vorland der Gletscher ausgeweht worden. Deckschichten: - in vielen Gebieten bilden so genannte Deckschichten und nicht das feste anstehende Gestein das Ausgangssubstrat für die Bodenbildung - Deckschichten sind meist durch Transportvorgänge (zum Beispiel Verspülungen, Gekriech, Rutschungen), durch Gletscher (zum Beispiel Moränen), durch Flüsse oder durch Wind über dem Ausgangsgestein als Sedimente abgelagert worden - Deckschichten unterschieden sich sedimentologisch und petrographisch vom darunter liegenden Festegestein: lockere Sedimente unterschiedlicher Korngröße petrographisch geprägt von dem am Hang oberhalb anstehendem Festgestein Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 44 von 62 Schichtenabfolge in einer Hangschuttdecke (regelhafte Abfolge): 1. Granit (alt) 2. Intrusion eines basischen Ganges 3. Abtragung, das Gestein kommt an die Oberfläche Verwitterung 4. Abtragung und Bildung einer Erosionsdiskordanz 5. Ablagerung von Material und Bodenbildung (jung) Relief: - Höhenunterschied zwischen zwei Punkten - Allgemeine Kennzeichnung der Oberfläche eines Gebietes - Das Relief bestimmt Abtragung und Ablagerung an der Geländeoberfläche - Darüber hinaus bestehen auch Wechselwirkungen zwischen Relief und Klima: absolute Höhe über NN Temperatur, Dauer der Besonnung und Niederschlag Exposition (Hangausrichtung nach N,O,S,W) - Erosion an der Wetterseite deutlich stärker als an der wetterabgewandten Seite - Spülprozesse in Trockengebieten hill wash Wasser: Wasser ist an allen bodenbildenden Prozessen beteiligt. Seine Verfügbarkeit im Boden ist abhängig von: - Niederschlagsmenge - Temperaturgesteuerter Verdunstung beziehungsweise der Evapotranspiration - Bodenart (bestimmt die Porosität und die Größe der Hohlräume im Boden) - Position des betrachteten Bodenausschnitts im Relief (zum Beispiel an einem Steilhang, in einer Senke) Unterschiedliche Formen des Wassers: - Niederschlagswasser Interzeption - Oberflächenabfluss Evaporation - Verdunstungswasser Transpiration - Kondensationswasser Evapotranspiration - Haftwasser = Adsorptions- und Kapillarwasser - Sickerwasser Bodenwasser - Stauwasser Grundwasserleiter - Grundwasser Grundwassersohle Der Grenzwert des Porendurchmessers für die Tragfähigkeit der Menisken gegen die Schwerkraft beträgt 10 µm. Die Feldkapazität kennzeichnet den Anteil des Bodenwassers der gegen die Schwerkraft gehalten wird. Haftwasser: Saugspannung ausgeübt von der Oberfläche der Bodenteichen - frei versickerndes Wasser: Wasserspannung = 0 bar - Adsorptionswassers in Kapillaren von 10 µm: Wasserspannung 0,3 bar - lufttrockener Boden: Wasserspannung = ca. 220 bar - absolut trockener Boden: Wasserspannung = ca. 10.000 bar Bodenfauna: - Bodentiere (im Boden lebende Tiere) sorgen für Durchmischung des Mineralbodens mit humifizierten Rückständen der Biomasse Bioturbation - Makrofauna (> 1 cm): Maulwurf, Wühlmaus, Ziesel, Murmeltier, Hamster, Kaninchen, Regenwurm - Mesofauna (100 µm – 1 cm): überwiegend Gliederfüßler, Milben, Springschwänze, Borstenwürmer Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 45 von 62 - Mikrofauna (< 100 µm): Einzeller Flagellaten (Geißeltierchen), Rhizopoden (Wurzelfüßler), Amöben, Wimperntierchen Bodenflora: - schützt den Boden gegen Abtragung: Hierbei existieren zahlreiche Wechselwirkungen zum Wasserhaushalt und zum Abtragungsschutz - Interzeption - Transpiration - Bestandsabfall (Humus) - Das Edaphon (Pflanzen und Tiere im Boden) baut den Bestandsabfall (abgestorbene organische Streu) um und ab Humifizierung Remineralisierung - Lebende und tote Pflanzensubstanz (Wurzeln); Mikroorganismen (Bakterien, Pilze, Algen) Bakterien: - sind mikroskopische kleine einzellige Organismen (0,5 – 3 µm Durchmesser) - man unterscheidet Kokken, Stäbchen, Spirillen - verwerten Kohlenstoff (Zucker, Stärke, Cellulose) Pilze: - Mycel-Ausbildung (2,5 – 10 µm Durchmesser) - Pektin, Cellulose, Lignin als Nahrung - Mykkorrhiza-Pilze Algen (Cyano-Bakterien): - Chlorophyll zeigt Photosynthese an - Auf Bodenoberfläche beschränkt - An Bodenoberfläche entscheidend für Infiltration, Oberflächenabfluss Mensch als bodenbildender Faktor: - Mensch verändert Zusammenwirken bodenbildender Faktoren - Bodenbildende Prozesse können beschleunigt, verlangsamt oder zum Stillstand gebracht werden - Menschliche Aktivitäten sind in der Regel mit einer Degradation verbunden - Der Eingriff in Vegetation/Boden-Gefüge bewirkt unter anderem Veränderung Feuchtigkeitshaushalt und in der Geomorphodynamik Zeit: Klimaxstadium der Bodenentwicklung? Bodenentwicklung hinkt der Veränderung der bodenbildenden Faktoren hinterher Böden oft polygenetisch Entwickeln sich durch veränderte Faktorkombinationen weiter bzw. werden überprägt Archivfunktion fossiler Böden Klimawandel im Holozän Periglazial Kalt 0°C >10.000 a Rohböden frühe Wärmezeit warm trocken 10- 11° C 9 – 6.000 a Schwarzerden Subatlantikum kühler feuchter 8,5°C letzte 2.000 a Parabraunerden Chromosequenz Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 46 von 62 3.2 Bodenbildende Prozesse Humifizierung und Remineralisierung: Edaphon: - baut Bestandsabfall um Humus (komplexe organische Stoffe) - baut Bestandsabfall ab Zerlegung organischer Substanzen in mineralische Bestandteile - es bilden sich Huminstoffe und Tonmineralkomplexe Humifizierung ist abhängig von: - Zusammensetzung des Bestandsabfalls - Menge der Mikroorganismen - Bodentemperaturen - pH-Wert - Feuchtegrad - Durchlüftung Humusformen: - Mull-Humus: leicht zersetzbarer Bestandsabfall, gut mit mineralischen Bestandteilen vermischt - Moder-Humus: schwer zersetzbarer Bestandsabfall (zum Beispiel Buchenlaub), geringere Zersetzung und Durchmischung mit Mineralboden - Roh-Humus: sehr schwer zersetzbarer Bestandsabfall (zum Beispiel Ginster, Heidekraut, Heidelbeere, Kiefernnadeln), schwer und langsam zersetzbar; keine Durchmischung mit Mineralboden, da nur geringe Bodenfauna, sehr sauer Prozesse der Bodendurchmischung und der Bodenentmischung (Turbation): Vorgänge der Durch- und Entmischung: - Pedoturbation = Hydro- oder Peloturbation: Quellung und Schrumpfung von Tonmineralen durch Hydratation und Dehydratation zum Beispiel in Tonböden - Agroturbation (Pflügen und Tiefpflügen) - Bioturbation: Durchmischung durch Tiere (zum Beispiel Wühl- und Grabtätigkeit, Termitenbauten, Regenwürmer, etc.) - Kryoturbation: Durchmischung durch häufiges Gefrieren des Bodenwassers und durch Dehydratationsvorgänge im Boden Volumenzunahme beim Gefrieren des Bodenwassers führt zu Druckerhöhung gegenüber ungefrorenen Bodenbereichen 1. Gefrierfront dringt von oben in den Boden ein 2. Permafrostboden weitet sich von unten aus wasserübersättigter Boden dazwischen gerät von zwei Seiten unter Druck typische Kryoturbationserscheinungen Böden mit A-C-Horizonten (Leptosole): Leptosole sind schwach entwickelte, flachgründige, skelettreiche Böden aus Festgestein, Horizontfolge: A/C Lithic Leptosol Ranker Umbric Leptosol Rendzina Rendzic Leptosol Tonmineralneubildung und –umwandlung: - Bei der Verwitterung kommt es in den Böden zur Tonmineralneubildung (= Verlehmung) und Bildung von Eisenoxiden (= Verbraunung) - Innere Oberfläche nimmt zu (hohe KAK, hohe Quellfähigkeit der Tonminerale) - Je nach Mineralgehalt oder klimatischen Verhältnissen entstehen unterschiedliche Tonminerale: Immerfeuchte Tropen sehr starke Verwitterung Silikat ist ausgewaschen Kaolinit Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 47 von 62 Aride Tropen Anreicherung von Na+, Ca2+, Mg2+ und starke chemische Verwitterung Vermiculit, Smectit (bei Kaliumüberschuss zum Beispiel durch Düngung: Vermiculit Illit) Gemäßigte Breiten gemäßigte Verwitterung Illit Die humifizierte organische Substanz ist zusammen mit den bei der Verwitterung entstandenen Tonmineralen für die Fähigkeit des Bodens Kationen und Anionen zu adsorbieren verantwortlich. Tonmineralneubildung durch chemische Verwitterungsprozesse: Hydrolyse der Silikate und Neosynthese von Tonmineralen Wichtigste Tonminerale: - Dreischicht-Tonminerale (TOT): Illit (wichtigstes Tonmineral in mitteleuropäischen Böden 90%), Vermiculit, Smektit (Montmorillonit) - Zweischicht-Tonmineral (TO): Kaolinit Kalifeldspat + Wasser Kaliumhydroxid + Aluminiumhydroxid + Kieselsäure Kationenaustauschkapazität (KAK): - ist ein Maß für Fähigkeit, Nährstoffe aufzunehmen und diese in die Bodenlösung wieder abzugeben - ist die Summe aller austauschbaren Kationen - je höher die KAK, desto fruchtbarer ist der Boden - die KAK ist abhängig vom pH-Wert, von der spezifischen Oberfläche der Austauscher und von der Konzentration der Bodenlösung: Mull-Humus Spez. Oberfläche (m²/g) 800 – 1000 Smectit, Vermikulit 600 – 800 (Dreischicht TOT) Illit 50 – 200 (Dreischicht TOT) Kaolinit max. 50 (Zweischicht TO) Sand 0,1 - Je höher die Wertigkeit der Kationen (Ca, Mg, Na, K) und je größer innerhalb einer Wertigkeitsstufe die Ionenradien (R) sind, desto stärker ist die Eintauschstärke - Die Eintauschstärke nimmt von Ba2+ (R = 1,35) Ca2+ (0,99) Mg2+ (0,56) K1+ (1,33) Na1+ (0,95) ab. Ionenradien R in [nm] Tonverlagerung (Lessivierung): - Verlagerung der Tonfraktion durch Sickerwasser in tiefere Bodenschichten - Besonders auf mergeligem Substrat Ton als Lösungsrückstand - 3 Teilprozesse: Dispergierung (Aggregat-Zerlegung, Zusammenhaften der Tonteilchen): nur zwischen pH 6,5 – 5 Transport: ausreichend Niederschlag Mittelporen Ablagerung: durch verengte Poren oder pH-Anstieg - Erkennbar an Toncutanen (Tonhäutchen auf Aggregaten) Podsolierung: - vertikale Verlagerung von Eisen und Aluminium mittels löslicher Huminstoffe - im kühl-feuchten Klima und bei schwer zersetzbarer Streu (zum Beispiel Nadeln) entstehen starke Huminsäuren, die mit Fe und Al metallorganische Komplexe bilden und mit dem Sickerwasser leicht ausgewaschen werden starke Bleichung des Oberbodens - Anreicherung von Huminstoffen und Sesquioxiden (zum Beispiel Fe- oder Al-Oxide) im Unterboden, sobald pH-Wert zunimmt schwarz-roter Horizont im Unterboden, der verhärten kann (Ortsstein) - Vorraussetzungen: gute Substratdurchlässigkeit; hohe Niederschläge (> 1000 mm/a); geringe KAK; niedriger pH-Wert (< 5) Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 48 von 62 Ferrallitisierung: - stetige Kieselsäureabfuhr - viel mehr 2-Schicht-Tonminerale - Anreicherung von Fe - und Al – Oxiden - Extreme Si – Auswaschung, Zerstörung aller Tonminerale - Fe - / Al – Oxidverbindungen (relative Anreicherung) Ferrallitisierung - (rote Farbe, Tropen, Subtropen) Vorraussetzungen: - hohe Temperaturen - starke Niederschläge - sehr saures Bodenmilieu - viel Zeit - verwitterungsintensivster Bodenbildungsprozess innere Tropen: - mächtige Zusatzzonen (Saphrolithe) wechselfeuchte Randtropen: - Fe - / Al – Krusten durch Aushärtung der Metalloxid – Anreicherungszonen nach Abspülung des Oberbodens Lateritisierung Hydromorphierung (Vergleyung, Pseudovergleyung): - Wasserübersättigung und Sauerstoffmangel im Grundwasserbereich - reduzierende Bedingungen - Fe – und Mn – Oxide werden gelöst, verlagert - Bleichhorizonte, Vergleyung (grau) Sauerstoffzufuhr: - oxidierende Bedingungen - gelöste Stoffe fällen aus - braunrote bis orangefarbene Flecken - Marmorierung - Oxidationshorizont (mit Rostflecken) Pseusovergleyung: - oberhalb von Stauhorizont durch Toneinwaschungshorizont - Oxide werden gelöst und in benachbarte Bodenbereiche hineintransportiert - in Trockenperioden fällen Oxide dort als Konkretionen, Flecken bzw. Streifen aus - rostrote Marmorierung Entkalkung und Salzverlagerung: humides Klima: - Absteigen = dominierende Bewegungsrichtung des Bodenwassers - Auswaschung von Kalk ist Vorstufe für Bodenentwicklung bzw. Bodenalterung - CaCO3 wird nach unten verlagert - über inter flow ausgetragen - Änderung des pH – Werts - Mehr freie H+ - Ionen für Hydrolyse CaCO3 – Anreicherung (Konkretionen) im Unterboden arides Klima: - Aufsteigen als dominierende Bewegungsrichtung des Bodenwassers - Mit Wasser steigen gelöste Salze und Kalke auf - Ausfällung an/unter der Geländeoberfläche Anreicherung von Salz und Kalk im Oberboden; Ausblühen von Salzkristallen; Bildung von Kalkkrusten Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 49 von 62 3.3 Bodenklassifikationen Deutsche Bodensystematik nach AG- Boden: - für mitteleuropäische Böden entwickelt - orientiert an bodenbildenden Prozessen und Faktoren bodengenetisches Klassifikationssystem Ah/Bv/Cv: - Humoser Oberboden über verwittertem Unterboden über verwittertem Ausgangsgestein - Bodenbildung über geolog./sedimentolog. Schichten - 2. Schicht: vorangestellte römische Zahl (Schichtwechsel) Ah/Bv/Cv/IIC Braunerde: - Ah/Ap: humoser Oberboden/Pflughrzt. - Bv: verbraunter Unterboden - C: Ausgangsgestein Parabraunerde: - Ah/Ap: humoser Oberboden - Al: lessivierter Horizont - (Al Bt: Übergangshorizont - Bt: Anreicherungshorizont - C: Löss Podsol: - O: organische Auflage - Ah(e): humusreicher Oberboden - Ae: gebleichter Oberboden - B(s)h: Sesquioxid- Horizont - B(h)s: Sesquioxid- Horizont mit Ortseinbildung - Cn: Ausgangsgestein Typ. Gley: - Ah: humusreicher Oberboden - Go: Oxidationshorizont - (Go/Gr): Übergangshorizont - Gr: Reduktionshorizont Deutsche Bodensystematik: - Braunerde - Parabraunerde - Podsol - Gley Internationale Bodenklassifikationen: - US- amerikanische Soil- Taxonomy - FAO- Classification (Klassifikation der UN) - Reference Base for Soil Ressources (WRB von 1998) auf Nutzung der Böden ausgerichtet Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 50 von 62 FAO- Classification: - Weltbodenkarte 1:5.000.000 - Kombination aus Soil- Taxonomy und andere Systematiken - Aktuelle Fassung 1997: 25 Hauptbodengruppen (Major-Soil-Groups) Bodeneinheiten (Soil units) Reference Base for Soil Ressources: Bessere Abstimmung zwischen nationalen Bodenklassifikationen von FAO- Nomenklatur: - WRB 1998: - 28 Hauptbodengruppen der FAO - +2 Hauptbodengruppen: Cryosols, Durosols 4. Bodenverbreitung „Geographie der Böden“ 4.1 Zonale Böden Verschiedene Bodenzonen: Podzol-Cambisol-Histosol-Zone: - boreale Zone Luvisol-Cambisol-Zone: - feuchte Mittelbreiten (unsere Böden) Kastanozem-Haplic Phaeozom-Chernozem-Zone: - trockene Mittelbreiten (Schwarzerdenzone) Calcisol-Cambis Arenosol-Solonetz-Zone: - trockene Tropen und Subtropen Leptosol- Arenosol-Solonchal-Zone: - trockene Tropen und Subtropen Chromic Luvisol-Calcaric Cambisol-Zone: - winterfeuchte Subtropen Acrisol-Lixisol-Nitisol-Zone: - sommer-/wechselfeuchte Tropen Acrisol-Zone: - Subtropen (saure Zone) Ferrasol-Zone: - immerfeuchte Tropen Polare und Subpolare Tundrenzone (Cryosolzone): - Polare Kältewüste, baumfreie Tundra - Frostschuttbildung durch physik. Verwitterung - Südl. Grenze: 10°C Juli- Isothermen - Tundra (Moose, Flechten, Zwerggehölze) - Wärmster Monat 3-10°C - Drei wärmste Monate >5°C - Schneedecke bis 300d - Permafrost - Gefrieren und Auftauen (active layer) - Anreicherung org. Substanzen Gleysol: - Bodentemperatur <0°C - Ausreichend Porenwassergehalt - Kryoturbationserscheinungen Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 51 von 62 - Eislinsenbildung - Keine durchgehende Bodenhorizontierung - geringes Nutzungspotential - extensive Weidefläche - sensible Ökosysteme - künstlich induzierter Thermokarst - geringe Abbaudynamik: Schadstoffe durch Bodenschätzeabbau Immissionen von PAK (global destillation) Boreale Zone: Klima und Vegetation: - größtes Waldökosystem (Nadelwälder) - kalt- kontinentaler Klimatyp an Ostseiten - kalt- ozeanischer Klimatyp an Westseiten - Klimatyp Df - Diskontinuierliche- sporadische Permafrostfläche - Waldbrände pedologisch- ökologischer Faktor Bodenbildung: - kühl- bis kaltgemäßigtes Klima - glaziale Sedimente (Moränen, Sander, Löss) - starke Auswaschung des Oberbodens und Verlagerung in Unterboden - Vergleyung und Moorbildung Gleysols, Histosols Histosol: - extrem geringe Lagerungsdichte - 0,05 bis 0,1 g/cm3 - extrem hohes Porenvolumen: bis 90% - hohe Wasserkapazität Moorentstehung: - BNWZ: 700Mrd t CO2 gebunden - Auf 21% Fläche sind 60% CO2 gebunden - Moore sind wichtigste CO2 Senken - Torfabbau und Rodung setzen CO2 frei Podzol: - starke Versauerung der Oberbodenhorizonte durch Zerstörung primärer und sekundärer Tonminerale - Verlagerung mit dem Sickerwasser in den Unterboden - Gebleichter aschgrauer E-Horizont - Anreicherung der organ. Substanz: Bh-Horizont - Anreicherung von Sequioxiden: Bs-Horizont - Schlechte Zersetzbarkeit der Nadelstreu durch saures Ausgangsmilieu Rohhumus - in A- und E-Horizonten Wasserstress - über Bs- Horizont häufig Wasserstauprozesse - niedrige pH-Werte - schlechte Nährstoffversorgung Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 52 von 62 Feuchte Mittelbreiten: - ökolog. Gunstklima - ausgeprägte Übergangsjahreszeiten - ganzjährig wirksame Westwinddrift - humides bis subhumides Klima (Cf oder Df) - Mitteltemperatur 6°-14°C (Vegetationszeit 6Monate) - Niederschlagsmenge 500-1000 mm/a - Regelmäßige Frostlage - Winterliche Schneedecke - Sommergrüner Laubwald - Klima ohne langandauernde Frost-, Nässe-, Trockenperiode - Austauschbare Dreischichttonminerale im gesamten Jahresverlauf keine Verarmung an Nährstoffen Cambisole (Braunerden): - periglaziale Decklagen - Mittelgebirge Luvisole (Parabraunerden): - Lössdecken - Moränen Cambisol: - schwach verwitterter Boden - cambic-Horizont (brauner Verwitterungshorizont) zwischen Ah und C mit hoher Wasserkapazität, Wasserleitfähigkeit Bw- Horizont: - hohe Porösität, Wasserkapazität, -leitfähigkeit - gute Nährstoffvorräte, -verfügbarkeit - hohe biolog. Aktivität, gut durchwurzelbar - Freisetzung von Fe2+ Ionen durch chemische Verwitterung (olivin, Pyroxen, Amphibol) - Oxidation zu Fe3+ braungefärbte Fe- Oxide, Goethit intensive Verbraunung im BW Verlehmung, Tonmineralbildung Luvisol: - Toncutane - Sehr fruchtbare Böden, E- und Bt- Horiziont - Typ. Horizontabfolge: Ah/E/Bt/C - Fahler E- Horizont durch Verlagerung von Feinton mit dem Sickerwasser aus dem Oberboden (dt. Al- Horizont) - Im dunkelbraunen Bt- Horizont werden die Ton- Kolloide als Toncutane ausgefällt - Verstopfung der Poren: Staueffekt (>8% Ton, dichter als A-,E- Horizonte) - Luvisole in Hanglagen erosionsgefährdet, besonders Ah- und E- Horizont - Kompakter Bt- Horizont widerständiger - Nährstoffvorräte und –verfügbarkeit gut bis sehr gut (Kalkgehalt Löss) - Aktives Bodenleben, gut durchwurzelbar - Vorkommen auf Lockersedimenten (Lössdecken, Geschiebemergel) - Typ. Für Weizenanbau, Rüben, Mais - Kultursteppen kein Wald! - In Mitteleuropa fruchtbare Böden, seit vielen 1000 Jahren ackerbaulich genutzt Bodenerosionserscheinungen: Hoher Feinkornanteil (Schlufffraktion) Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 53 von 62 Verschlämmung, Verdichtung Erosionsschutzmaßnahmen Trockene Mittelbreiten: - hochkontinentale Lage im Inneren des eurasiatischen Kontinents - Leelage im Windschatten der Amerikanischen Kordillere - Sommermonate 20°-30°C Monatsmittel, Wintermonate <0°C - Niederschlag 500-250mm - Evapotranspiration > Niederschlag - Breites Vegetationsspektrum: N: Mosaik aus Grasflächen und Laubmischwald Mitte: Grasland mit langhalmigen Gräsern und Kräutern S: Grasland mit kurzhalmigen xerophilen Gräsern, Kräutern, Kleinsträuchern - hohe Biomassenproduktion im Frühjahr, Frühsommer, Herbst - Bestandesabbau gehemmt im trockenen Sommer und kalten Winter Chernozem: - hohe Biomassenproduktion, mächtiger Ah-Horizont - Bioturbation durch Bodenwühler - Schluffiges Ausgangsgestein Löss, nährstoffreich - Hohe Wasserspeicherkapazität - >100cm mächtiger Ah-Horizont - intensive Durchmischung, Bioturbation - Krotowinen als Charakteristikum - Hohe Aggregatsstabilität, hohes Porenvolumen: 50-60% (max. bei Mittelporen) - De- und aszendente Wasserbewegung - Hohe Wasserspeicherkapazität - Wasser ist pflanzenverfügbar - Corg max 5-10% - Tonhumuskomplexe und hoher Humusanteil sehr hohe Nährstoffvorräte, -verfügbarkeit - Chernozem sehr fruchtbar: Bodenzahl 100 (für maximale Agrarproduktion) - Schwarze Farne des Ah durch Steppenbrände menschliche Aktivität (Jagd, Weide) natürliche Brände (Blitzabschlag) Winterfeuchte Subtropen: Klima und Vegetation - Jahresverlauf zweigeteilt Feuchter, milder Winter >5°C Trockener, heißer Sommer 18°-20°C - NS: 350 – 700mm - Submarines-semiarides Klima - Immergrüner Hartlaubwald degradiert zu sekundärer Strauchformation matorral (Feuer, Entwaldung, Überweidung) - Weitgehende Bodendegradation durch Bodenerosion → skelettreiche restböden Chromic-Cambisol (Bodengenese): - Entkalkung, Residualton-Anreicherung: - Feuchter Winter: Oberboden entkalkt, Anreicherung der Lösungsreste als Residualton - Trockener Winter: Im Unterboden fallen sekundäre Carbonate aus (aszendierende Wasserbewegung; Kalkkonkretionen, Kalkkrusten) - Tonverlagerung entlang von Trockenrissen - Ausbildung eines Bt-Hrzt - Typ. Boden des Mittelmeergebites Chromic-Cambisol (rubefizierte Braunerde) Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 54 von 62 - Rubefizierung durch Eisenbildung nach Eisenverlagerung (Umkristallation der Fe-Ionen zu Hämatit Rotfärbung Dt.: KA4: terra rossa Hrztabfolge: Ah/Bw/BwC/C (Carbonatgestein) Gute Aggregatstabilität, hohe Porosität Hohe Wasserkapazität, -leitfahigkeit Nährstoffvorräte mittel bis hoch Biolog. Aktivität nur in feuchter Jahreszeit Fruchtbarer Ackerboden, seit Jahrtausenden genutzt Hoher Steingehalt, nach Bodenerosion flachgründig Bei Bewässerung: ganzjährige ackerbauliche Nutzung Stark erodiert: nur Weideland Abb., S.35 Trockene Subtropen und Tropen: - Flächenmäßig große Bereiche: - Wüsten und Halbwüsten - Arenosole (Sandboden) weisen nur geringe Bodenbildung auf - Geringes Nutzpotential - Stark bodenerosionsgefärhrdet (Winderosion) Sommer(Wechsel)feuchte Tropen: Klima und Vegetation: - Savannenregionen - Passatwinde: semi-arides Klima Sommerliche Regenzeit Winterliche Trockenzeit - Alle Monate > 18°C - NS 500-1500mm - Savanne: tropisches Grasland - Unter Waldklima mit Grasunterwuchs und Baumbestand - Wechselfeuchtes Klima Periodische Befeuchtung der Böden Periodische Vegetationszeit - Gleichzeitig hohe Temperaturen: intensive chem. Verwitterung - Wichtiger ökolog. Faktor: Feuer beeinflusst selektiv Flora und Fauna (Pyrophyten); wirkt negativ auf Wasser-, Nährstoffhaushalt; - Fördert Phosphor-Dynamik - Fördert Bodenerosion - Gewitterregen zu Beginn der Regenzeit lösen auf noch spärlich bedecktem Boden starke Bodenabtragung aus - In d. Regenzeit wird d. Grasstreu rasch von Mikroorganismen zersetzt (Termiten) - Savannenböden sind häufig humusarm, ackerbaulich nur schwer nutzbar - Charakteristische Böden der Savannen: Lixisole (Ferasialite) Lixisole (Bodeneigenschaften): - Lixisol-Profilabfolge: A/E/Bt/C - Stark verwitterter trop. Boden - Tonverlagerung: Bt-Horizont - Zweischichttonminerale (Kaolinite) mit geringerer KAK - Geringe Aggregatstabilität, hohe Verschlämmbarkeit → sehr erosionsanfällig - Bt-Horizont führen in Regenzeit zu Wasserstau - In der Trockenzeit verhärtet Oberboden Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 55 von 62 - Schlechte Nährstoffversorgung wegen Zweischichttonmineralen Biolog. Aktivität durch Termiten Polygenetische Böden auf alten Landoberflächen In verschiedenen älteren Decksedimenten entwickelt Hill Wash (tropischer Decklehm), äolische Sande, Stäube Oft komplexer Profilaufbau Nutzung der Lixisole: - Nutzung durch Nährstoffarmut und hoher Erosionsgefahr eingeschränkt - gut geeignet für Extensive Weidewirtschaft, Forstwirtschaft, Baumkulturen (Cashewkerne, Fruchtbäume, Kaffe, Tee - schlecht für erosionsfördernde Kulturen (Mais, Erdnüsse, Süßkartoffeln) Immerfeuchte Subtropen: - Ostseite d. Kontinente - Ca. 4 Monate >18°C, kältester Monat >5°C - Ähnl. D. Wechselfeuchten Subtropen - NS ganzjährig, Max. immer Sommer (ca. 2000mm), monsunale Tiefdruckgebiete - Böden ausgebildet in stark verwitterten Deckschichten über saurem Ausgangsgestein (chem. Verwitterung) - Durch andauernde Feuchtigkeit noch sauer ausgeprägt (Acrisole) - Bodenbildende Prozesse laufen schneller ab - Haupttonmineral Kaolonit (geringere KAK) - Bt-Horizont: Wasserstau, Verhärtung - Niedrige pH-Werte erschweren Durchwurzelbarkeit - Acrisole eignen sich kaum zum Ackerbau - Wechsel von Acker- und Weidewirtschaft Immerfeuchte Tropen: - Typ. Tageszeitenklima - Ganzjährig NS - Nsmenge: Min.: 1600-1800mm / Max.: 8000mm - Mittlere Temperatur: 25°-27°C - Immergrüner trop. Regenwald - Mehrschichtiger Vegetationsaufbau - Hoher Interzeptionsverlust (Treibhaudklima) - Grötßer Artenreichtum alle Ökozonen - Traditionelle Form der Landnutzung: Brandrodung (shifting cultivation) Kurzzeitig Nährstoffe aus verbrannter Biomasse PH-Wert erhöht Einige Jahre Feldbau Danach Sekundärwaldbrache - Warmfeuchtes Klima bedingt tiefgründige chem. Verwitterung (Hydrolyse) - Saprolithe - Verwitterungsprodukte stark ausgewaschen → Versauerung, Desilifizierung - Nur noch geringes Nährstoffangebot (Kaolinit, Zweischichttonmineral) - Im UB: Anreicherung von Sesquioxiden: Hämatit, Goethit, Gibbsit → Ferralisation - Alte geolog. Schilde aus metamorphen und plutonischen Gesteinen - Saprolithische Verwitterungsdecken - Typ. Boden: Ferralsol - Abb. oben, S.36 - Tiefgründig intensiv verwitterter Boden. Mächtiges A/Bws/C-Profil (diffuse Horizontgrenzen) - Intensive chem. Verwitterung Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 56 von 62 - - Beschleunigte Abfuhr der Kieselsäure Akkumulation von Sesquioxiden im Bws-Hrzt Chem. Eigenschaften negativ: Kaum verwitterte Minerale Hoher Anteil von Sesquioxiden PH-Wert um 5 Zweischichttonminerale (Kaolinite), geringe KAK Nährstoffe werden leicht ausgewaschen Geschlossener Stoffkreislauf im Ökosystem: rasche Nährstoffaufnahme aus d. Auflage Bei dichter Vegetationsbedeckung kaum Auswaschung d. Nährstoffe Nach Rodung starker Schwund an Nährstoffen Traditionelles shifting cultivation ökolog. angepasst: Brandrodung, kurze agrarische Nutzung, Brachezeiten 10-30a Zusammenfassung Zonale Böden: - Polare und subpolare Zone (Tundrazone) Cryosol - Boreale Zone (Taigazone) Histosole, Podzole - Feuchte Mittelbreiten (gemäßigte Zone) Cambisole/Braunerde, Luvisole/Parabraunerde - Trockene Mittelbreiten (Steppengebiete) Chernozeme/Schwarzerden - Winterfeuchte Subtropen Chromic-Cambisole/terra rossa - Trockene Tropen, Subtropen (Wüstengebiete) Arenosole - Sommerfeuchte Tropen (Savannen) Lixisole - Immerfeuchte Subtropen Acrisole - Immerfeuchte Tropen Ferralsol 1. Klima steuert Bodengenese und damit räumliche Verbreitung der Böden weltweit 2. Horizontabfolgen sind Indikator für Klimate (rezente und/oder vergangene) 3. in Abhängigkeit von Relief und Nutzung spezifische Gefährdungen Degradationsstufen 4. an gekappten Profilen Degradation abzulesen und charakt. 4.2. Azonale und intrazonale Böden Azonale Böden (Rohböden): Leptosol: - schwach entwickelte, flachgründige, skelettreiche Böden aus Festgestein, Hrztabfolge: A/C oder A/R - Initialphase oder Degradationsstadien - Begrenzt durch kompakten Gesteinsverband, C- oder R-Hrzt in 25cm - oberste 75cm < 10% Feinerde - extrem skelettreich, geringe Wasserspeicherkapazität - eingewaschene Feinerde mit Humus - Verbraunung, Verlehumung, kein cambic-Hrzt - Dt. Ranker bei silikatischem Ausgangsgestein Rendzina bei carbonatischem Ausgangsgestein - Kaum Nährstoffvorräte - Humusakkumulation: Basenreiche humide Standorte: Mullhumus Saures Ausgangsgestein: Moder-, Rohhumus Trockene Standorte: generell Humusarm - In Gebirgsregionen, an Hängen mit Bodenerosion In allen Erdteilen und Höhenlagen Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 57 von 62 - Kaum Nutzungsmöglichkeiten, da Boden steinreich und flachgründig Erosionsschutzmaßnahmen notwendig Für Ackerbau ungeeignet, forstwirtschaftl., weidewirtschaftl. Nutzung Regosol: - Feinkörniges Gegenteil zu Leptosol - Mittel- bis feinkörniges Lockersubstrat - Junger, schwach entwickelte AC-Böden - AC-Böden mit schwach ausgeprägter Profildifferenzierung - Hohe Wasserdurchlässigkeit, geringe Wasserspeicherfähigkeit - Gut durchwurzelbar - Chemismus vom Ausgangsgestein bestimmt - Niedrige Nährstoffvorräte (pH-Werte 4-7) - Bodenleben ist eingeschränkt: Humid + basenarmes Substrat: höher Trocken + basenreiches Substrat: niedrig - Regosole entwickeln sich aus mittel- bis feinkörnigen Lockergesteinen Carbonatreich: Löss Carbonatfrei: SiO2- reiche Sande - Vorkommen 5 Mio. km2 Vegetationsarme Gebiete: Tundren + borealen Gebieten ca. 50% Gebirge ca. 7% Aride Tropen + Subtropen ca. 32% Semiaride Tropen + Subtropen ca. 10% - In Lösslandschaften häufig als Kolluvium - In semiariden Gebieten Bewässerung - Gefährdet gegenüber Wind- und Wassererosion Intrazonale Böden: abhängig vom Ausgangsgestein und Wasser Fluvisole: Lat. Fluvius = Fluss Aus fluviatilen, marinen oder lakustrinen Sedimenten, regelmäßig überflutet, frisches Sediment (dt. Auenböden) - regelmäßig überflutet, fisches Sediment - feingeschichtetes Bodenmaterial - schwache Profildifferenzierung - A-, C-Horizonte - Wasserbeeinflusst (hydromorphe Böden) - Überflutungen bewirken geschichtete Struktur - Hoher Tonanteil: geringe Wasserleitfähigkeit - Gute Nährstoffversorgung - Durchwurzelungstiefe, biologische Aktivität durch Grundwasserstand eingeschränkt - An Überstreifen von Flüssen und Seen, im Überschwemmungsbereich von Küsten, Deltas - Nutzungspotential generell hoch - Für Reisbau und Gemüseanbau genutzt Nährstoffreichtum Gute Wasserversorgung Flache Niederungsbereiche Leicht bearbeitbar - Erosion beschränkt auf Flüsse, Meeresabrasion - Keine Bodenerosion Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 58 von 62 Andosol: Jap. an = schwarz, do = Boden Junge Böden aus vulkanischen Aschen mit dunklem stark humosen lockeren Oberbodenhorizont - Horizontabfolge A/C Frische vulkanische Ascheablagerungen bestehen aus polymineralischen Gemenge aus vulkanischen Glas, deren Tonmineralverwitterungsprodukte (Allophane) Oberboden stark humos, ca. 8% organische Substanz Mikroaggregate mit hoher Stabilität Geringe Dispersionsneigung, keine Abschwemmung Lockere Lagerung, große Grobporosität Hohes Wasserhaltevermögen, hohe Wasserleitfähigkeit Hoher Gehalt unterschiedlichster Nährstoffe Biologische Eigenschaften sehr gut Andosole in allen Ökozonen (Stratovulkane) Günstige Ackerbaustandorte Wenig erosionsanfällig (nur Winderosion) Gefährdung durch aktive Vulkane Zusammenfassung Azonale Böden - Faktor Zeit: Rohböden, Leptosole und Regosole, als wenig entwickelte Böden können sich im Laufe der Zeit zu anderen Bodentypen weiterentwickeln Zusammenfassung Intrazonale Böden: - Faktor Ausgangssubstrat Fluvisole, Andosole 5. Bodenfunktionen und Bodengefährdung 5.1 Bodenfunktion und Bedeutung des Bodens 1. 2. 3. 4. Energiespeicherung im oberflächennahen Untergrund Wasseraufnahme, -transport, -speicherung Erhöhung der Luftfeuchtigkeit durch Evaporation Nährstoffaufnahme durch biochemische und geochemische Verwitterungsprozesse im Boden und an der Grenzfläche Boden/Gestein 5. Speicherung von Nährstoffen und Humus 6. Träger aller Ökosysteme (floristisches, faunistisches Bodenleben) 7. Produktionsfunktion 8. Reinigung von Bodenwasser durch Filtrierung der vertikalen und horizontalen Wasserströme 9. Pufferung und Transformation von Schadstoffen 10. Archivfunktion für Paläoumwelten und Bodenkulturdenkmäler Temperatur- und Energiespeicherung im oberflächennahen Untergrund: Wasseraufnahme, -transport, -speicherung: - Infiltration, Infiltrationskapazität - Porenvolumen - Porengrößen bzw. Porenraumverteilung in Abhängigkeit von Bodenarten - Kf- Wert (Durchlässigkeit) - pF- Wert (Wasserhaltefähigkeit) - Bodenwasserspeicher (Abflussverzögerung) Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 59 von 62 Erhöhung der Luftfeuchtigkeit durch Evaporation: - Evaporation - Transpiration bilden zusammen Evapotranspiration Tau-, Nebelbildung Nährstoffaufnahme durch biochemische und geochemische Verwitterungsprozesse im Boden und an der Grenzfläche Boden/Gestein: - chemische Verwitterung (primäre Nährstoffe) - feuchte Bodenschicht in direktem Kontakt zum unverwitterten Gestein Speicherung von im Boden befindlichen oder ihm zugeführten Nährstoffen und Humus: - Tonminerale speichern Nährstoffe zwischen Schichtpaketen, geben sie bei Bedarf wieder ab (KAK) primäre Nährstoffe und Dünger im Boden Auswaschungsgefahr Träger aller Ökosysteme, die auf und unterhalb der Bodenoberfläche Platz greifen, inbesondere das floristische und faunistische Bodenleben: - Verankerung der terrestrischen Ökosysteme - Wirkungsfeld des Menschen Produktionsfunktion: - Produktion von Biomasse zur Erhaltung tierischen und menschlichen Lebens in Form von Nahrungs- und Futtermitteln, erneuerbaren Rohstoffen - Bodenfruchtbarkeit, Ertragsfähigkeit, Produktivität des Bodens: Naturböden: - jährlicher Zuwachs an organischer Trockensubstanz (t/ha/a) - Biodiversität - Höhe der Ertragsschwankungen Kulturböden: - Ernteertrag in organ. Trockensubstanz (t/ha/a) - Qualitative Merkmale (Zucker-, Stärke-, Eiweiß-, Vitamingehalt) - Ausmaß von Ertragsschwankungen Potentielle Bodenfruchtbarkeit: - maximal erreichbare Fruchtbarkeit bei optimalen Bedingungen aller Faktoren (Wasserversorgung, Bearbeitung) aktuelle Bodenfruchtbarkeit: - bei gegebenen Bedingungen Chernoseme: - in russischer Steppe potentiell hohe, real nur geringe Bodenfruchtbarkeit (zu trocken) - in Hildesheimer/ Magdeburger Börde potentiell niedrigere, real höhere Bodenfruchtbarkeit (Kulturtechnik) Reinigung von Bodenwasser durch Filtrierung der vertikalen und horizontalen Wasserströme: Mechanische Filterwirkung: - Korngrößenzusammensetzung - Porenverteilung (limitiert durch größte Poren!) Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 60 von 62 Pufferung und Transformation von Schadstoffen: - physikalisch- chemisch, chemische Pufferung: Fällung und Adsorption schädlicher anorganischer und organischer (Schwermetalle, Pestizide) gelangen nicht ins Grundwasser, Nahrungskette - biologisch und biochemische Transformation durch mirkobiellen Abbau Archivfunktion für Paläoumwelten und Bodenkulturdenkmäler: Boden als Indikator der Landschaftsgeschichte Organische Reste als Zeitzeugen -? (palynologische) - Hölzer (paläobotanisch) Paläoumwelten - Tierreste (paläontologische) Ur- und frühgeschichtliche Funde im Boden (archäologische Zeitzeugen) Einfluss des Menschen auf seine Paläoumwelt Bandkeramische Hausgrundrisse bei Schwetzingen (ca. 7300 BP) Langhaus Hochpostenbauwerk Lehm aus Gruben um Häuser werden von Bewohnern als Müllgruben genutzt - Keltisch Wall-Grabenanlage (ca.2500 BP) - Spätneolithische Wall-Grabenanlage (ca.5500BP) bei Ottmaring-Niendorf 5.2. Bodenschädigung Ursachen der Bodenschädigung: - Bodenerosion durch Wasser und Wind - Nährstoffverlust - Bodenversauerung - Bodenversalzung - Verlust an organ. Substanz - Bodenverdichtung Verbreitung von Bodendegradation: Geographie der Schädigung des Bodens - Datenlage unsicher - GLASOD-Studie (Global Assessment of Soil Degradation) ISRIL, UN, UNED Weltweite Degradationsinventur Verbreitung der Schädigungsarten Schädigungsursachen Schädigungsursachen: - Wassererosion - Winderosion - chem.. Degradation - physische Degradation Grad der Schädigung wird gemessen in 4 Stufen: 1.leicht 2.mäßig 3.stark 4.extrem stark Ursachen der Schädigung - Entwaldung - Überweidung - falsche Bewirtschaftung Kategorien der Studie Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 61 von 62 - Übernutzung Eintrag von Schadstoffen Methodisches Vorgehen GLASOD-Bewertungsschema: Degraditionsstatus unserer Böden wird bewertet Degradierungszustand und Stärke: Asien und Afrika weisen die meisten degradierten Flächen auf. Europa und Mittelamerika sind potential am stärksten geschädigt. Wassererosion ist Hauptschädigungsfaktor (auch Versalzung) Zukünftige Entwicklung: - Weltbevölkerung steigt 2050 auf 10Mrd - Bevölkerung in Entwicklungsländern verdoppelt sich - Ackerfläche: Zunahme Verlust 1964-74 20Mio ha 5 bis 7Mio ha 1974-93 30Mio ha 12Mio ha - Ackerfläche je Einwohnerzahl schrumpft von 1986 0,33ha auf 2055 0,15ha Anzahl der Menschen größer Ackerflächen können nicht gesteigert werden Bodendegradation - Nutzungskonflikt - Produktionssteigerung „Grüne Revolution“ - Ausweitung des Bewässerungslandes (?) - Aus der Agrarfläche in steilere, entlegene Bereiche vermehrte Erosion - Steigerung der Flächenproduktivität stärkere chem. Degradation Schutz des Bodens als lebenswichtige Ressource Ressourcendiskussion: Boden Wasser Ohne Gewähr; Für Fehler keine Haftung; © by www.geo-net.de.vu Seite 62 von 62
