4. Wasser in der Natur : Ausgewählte Beispiele

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1 4. Wasser in der Natur : Ausgewählte Beispiele

2 4. 1 Uebersicht 160 Einige Beispiele Die Welt der Wolken Wassertropfen und Niederschläge Vereiste Seen, vertikale Temperatur - Verteilung Photosynthese Beispiele aus der Biologie Der Aufstieg von Wasser in hohen Bäumen Wasserpflanzen

3 4. 2 Die Welt der Wolken 162 Bildung von Wolken Warme und feuchte Luft ist leichter als die sie umgebende Luft und steigt deshalb in die Höhe. Während des Aufsteigens kühlt sie sich ab, sodass der (molekulare) Dampf zu mikroskopisch kleinen Wassertröpfchen kondensiert : Es entsteht eine Wolke

4 Tröpfchen und Kristallite in Wolken unterkühlter kleiner Wasser - tropfen (oft bis ca o C (!) sehr kleiner Schnee - kristall Luft mit Wasser - dampf und Konden - sationskeimen (durchsichtig!) Aerosol - Keim Wasser - Tropfen Schönwetter - Wolke : Ansammlung von Wassertröpfchen mit Durchmessern im Bereich zwischen 1 bis 15 mm (1 mm = m). Tröpfchen bilden sich oft an Kondensationskeimen (Aerosole). (Man beachte, dass die Tröpfchen viel zu gross gezeichnet sind!) Regenwolken : Tröpfchen - Durchmesser bis zu 2 mm Ausregnung 164 Cumulus - Wolke Cumulus - Wolke mit Amboss (Amboss Wolke) : besteht aus sehr kleinen Wassertröpfchen

5 Weshalb Wolken nicht vom Himmel fallen Ein Wassertröpfchen in einer Wolke hat einen typischen Durch - messer von 10 mm und eine kleine Fallgeschwindigkeit von einigen cm / s (einige 100 m / h). Diesen kleinen Fallgeschwindigkeiten wirken die Aufwinde entgegen, sodass die Tropfen schweben oder sich sogar nach oben bewegen. 166 Farben von Wolken : weiss Diese Wolke enhält sehr kleine und dicht gepackte Wassertröpfchen, sodass das Sonnenlicht nicht tief eindringen kann, bevor es reflektiert wird. Im reflektierten Licht sind alle Farben vorhanden ; die Mischung dieser Farben erzeugt die charakteristische weisse Farbe

6 Farben von Wolken : blau - weiss Das Sonnenlicht enthält ver - schiedene Farben (rot - grüngelb - blau,...), die zusammen weiss ergeben. Die Farbe der Wolke wird durch die Streuung dieses LIchtes an den Wassertröpfchen erzeugt. Unser Auge sieht das gestreute (und reflektierte) Licht. Dieses hängt von verschiedenen Faktoren ab, z. B. von der Tröpfchengrösse, dem Blickwinkel, der Distanz und dem Dunst zwischen Wolke und Beobachter. 168 Farben von Wolken : weiss - grau - dunkelgrau Wenn sich viele kleine Tröpfchen zu grossen Regentropfen vereinigen, dann werden die Zwischenräume zwischen den Tropfen grösser. Das Licht kann dann viel tiefer in die Wolke eindringen und wird z.t. reflektiert und z.t. absorbiert. Dieser Reflexions - Absorptions- Prozess erzeugt einen Bereich von Wolkenfarben, der sich von weiss zu grau bis zu schwarz erstreckt

7 Wolken bei Sonnenaufgang : dunkel-rot - orange-rosa Solche Wolken erscheinen fast immer beim Sonnenaufgang oder Sonnenniedergang und ihre Farbe ist das Resultat der Streuung des Sonnenlichtes an der Atmosphäre, welche das kurzwellige blaue Licht am stärksten streut. Die Wolken reflektieren dann das restliche Licht, welches vor allem aus dem langwelligen roten Licht besteht. 170 Struktur und Ladungsverteilung in Gewitterwolken positives Ladungsgebiet, das sich bis in den Amboss hinein erstrecken kann. negatives Ladungsgebiet im unteren Teil der Wolke. kleines positives Gebiet nahe der Wolkenbasis, das durch Niederschlag entsteht. Der genaue Mechanismus der Ladungsbildung und der Ladungs - trennung ist bis heute noch nicht vollständig geklärt

8 Bedrohliche Gewitterwolke

9 4. 3 Niederschläge 173 Form eines Regentropfens in einem Windkanal Wind - Kanal Luft - Strömung Simulation eines fallenden Regentropfens Nur sehr kleine Regentropfen, deren Durchmesser kleiner als d = 140 mm betragen, sind wegen der grossen Oberflächenspannung des Wassers perfekt kugelförmige. Grössere Tropfen sind dagegen abgeflacht. Wenn grössere Regentropfen zu fallen beginnen, dann sind sie zuerst ebenfalls kugelförmig. Aber dann verändert sich ihre Form in kurzer Zeit in eine Hamburger ähnliche Form : eine flache Grundbasis und eine abgerundete obere Fläche (s. neben - stehende Figur). Diese Verformung wird durch die relative Bewegung gegen die Luft verursacht, welche zu einer Abflachung der unteren Fläche des Tropfens führt. Diese Pfannkuchen - artige Form wird bei den einzelnen Tropfen eines gleichmässig fallenden Regens beobachtet. In einem Regen existieren Tropfen mit einer ganzen Verteilung von Tropfendurchmessern. Fallgeschwindigkeiten : d = 0.5 mm : 7 km / h ; d = 1 mm : 14 km / h d = 3 mm : 29 km / h ; d = 8 mm : 43 km / h

10 Formen von vertikal fallenden Wassertropfen verschiedener Grössen d Formen von Wassertropfen verschiedener Grössen (d in mm) Die weissen Pfeile geben die Luftströmung um den fallenden Tropfen an. 175 Bergeron Findeisen : Bildung und Morphologie von Schneeflocken abdampfendes Wassermolekül unterkühlter Wassertropfen Bildung eines Schneekristalls Bild links : Schneekristalle entstehen, wenn Wasserdampf - Moleküle von unterkühlten Wassertropfen direkt zu Eis kondensieren was zu einem Wachstum der Eiskristalle führt. Bild rechts : Die hexagonale Symmetrie eines Schneekristalls entsteht letztlich durch die hexagonale Symmetrie von Eis Ih, welche ihrerseits durch die hexagonale Symmetrie von H 2 O Clustern entsteht (pp 41, 50). Für die Form der Schneeflocken sind mehrere Faktoren verantwortlich, wie z.b. Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit und Luftströmungen. Die Water saturation Kurve entspricht der Differenz zwischen den Sättigungsdampfdrucken von unterkühlten Wassertröpfchen und Schneekristallen (s. Anhang 4_A_3_1)

11 Die Faszination von Schneeflocken Schneeflocken besitzen immer eine sechseckige (hexagonale) Form ; diese ist schon in der hexagonalen Kristall - Struktur vorgeprägt. Nach Bentley (1880), der während 40 Winter tausende von Schneeflocken sammelte und studierte, waren alle in ihrer Form verschieden!! 177 Alle Schneeflocken besitzen hexagonale Symmetrie Alle Schneeflocken haben hexagonale Symmetrie, aber im Detail sind alle Flocken voneinander verschieden!

12 Zeus schlägt zu!! Elektrische Spannungen : einige 100 Millionen Volt! Elektrische Ströme : mehrere Ampère! Max. Lufttemperaturen : bis o C! Lokaler Luftdruck : bis 100 Atmosphären! Explosion der Luft : Donner! 179 Hagel Entstehung : Hagelkörner entstehen in den inneren Schichten einer Gewitterzelle durch unterkühltes Wasser, das an Kristallisations - Kernen zu Eis gefriert. Kreislauf der Eiskörner : Zunächst werden sie durch den Aufwind angehoben, fallen dann wieder in tiefere Luftschichten, nehmen weiteres Wasser auf, werden wieder nach oben gerissen, und zusätzliches Wasser gefriert an. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis ein Hagelkorn zu schwer wird, um von den Aufwinden getragen zu werden. Fallgeschwindigkeit : normalerweise betragen die Durchmesser d ca. 0.6 bis 3 cm. Bei d = 3 cm beträgt die Fallgeschwindigkeit ca. 90 km /h. aber : Durchmesser bis zu 10 cm mit Gewichten von über ein Kilo - gramm und Fallgeschwindigkeiten von über 150 km / h werden beobachtet!!

13 Hagelkörner nach einem Hagelsturm Nach einem Hagelsturm Bild eines der grössten Hagelkörner : ca. 10 cm, Gewicht : 154 g, (von M. Schletter) Als Grössenvergleich eine 9 Volt Batterie. [Gut ist die igelartige Struktur zu erkennen, die auf das Anfrieren von kleineren Körnern an ein grösseres hindeutet. 181 Querschnitt durch ein Hagelkorn Die Ringe zeugen von den verschiedenen Anlagerungen während der komplizierten vertikalen Bewegung des Korns

14 Dichte (g / cm 3 ) 4. 4 Limnologie : Wissenschaft von Binnengewässern als Oekosysteme Die Limnologie ist die Wissenschaft von Binnengewässern als Oekosysteme, deren Struktur, Stoff - und Energiehaushalt, biolo gische Struktur und Funktion sie erforscht, und deren abiotische und biotopische Prozesse sie zu quantifizieren sucht. Binnengewässer umfassen stehende Gewässer, wie Weiher und Seen ohne Verbindung zu den Ozeanen, Fliessgewässer und Grundwasser - körper. Ausser Süsswasser Oekosysteme gehören auch Salzwasser - Binnengewässersysteme (z.b. selbst das Tote Meer, p. 140) zum Gegenstand der Limnologie. 183 Bedeutung der Dichte - Anomalie von Wasser für Seen Temperatur ( o C) s. p Maximale Dichte bei 4 o C Das leichtere Eis schwimmt auf dem See. Eis : gute thermische Isolation weiteres Zufrieren des darunter liegenden Wassers wird verhindert. biologisches System kann im Wasser überleben! Grenzfläche Eis / Wasser : 0 o C Das dichteste Wasser bei 4 o C befindet sich auf dem Seegrund

15 Die Oberfläche von Eis ist nass! Ermöglicht das Schlittschuhfahren auf Eis (s. p. 184) Luft Wasser - ähnlicher Oberflächen - Fim (~ 2 nm) unregelmässig angeordnete O - Atome Eis : (nur die O - Atome sind eingezeichnet) regelmässige Gitterstruktur 185 Ein Glass mit Eis Wasser gefüllt Ungerührtes Eiswasser in einem Wasserglas : Das Thermometer zeigt am Boden eine Temperatur von 4 o C an

16 Temperatur - und Dichteprofile in Seen Die Tiefen-Abhängigkeit der Dichte ist im wesentlichen durch die Tiefen Abhängigkeit der Temperatur bestimmt. Die letztere ist im Winter relativ klein (zwischen 0 o C und 4 o C), im Sommer dagegen gross (zwischen ca. 25 o C und 4 o C) wie auch die Messungen auf p. 188 zeigen. Da die Kompressibilität von Wasser sehr klein ist, ist ihr Einfluss auf die Dichte sehr gering, selbst in tiefen Ozeanen. D. M. Imboden und A. Wüest : Umweltphysik (Eawag) 187 Gemessene Tiefenprofile der Temperatur in Seen o C m 3 Januar 13 Febr. 2 März m März Juli April August Mai Juni o C Winter und Frühling : Beaver Pond Lake mit Eis bedeckt, in Massachusetts : Die Messungen zeigen einen Uebergang von 0 o C direkt unter dem Eis bis zu 4 oder 5 o C am Boden. Frühling und Sommer : Zürich - See : Symbole : Messungen Kurven : Berechnungen von Eawag

17 Crater Lake in Oregon (USA) - 1 Die tiefblaue Farbe des Crater Lakes entsteht durch die grosse Tiefe, die Klarheit und die Reinheit des Wassers, sowie durch die selektive Absorption des Sonnenlichtes : Rot, orange, gelb und grün werden stärker absorbiert als blau. Blaues Licht wird im Wasser aber stärker gestreut und ein Teil des gestreuten blauen Lichtes kehrt wieder zur Oberfläche zurück, wo es beobachtet werden kann. 189 Zur Entstehung der Farbe eines Sees In reinen und tiefen Seen werden rot, orange, gelb und grün stärker absorbiert als blau. Blaues Licht dringt deshalb am tiefsten ein und wird zudem am stärksten von den Wasser - Molekülen gestreut. Ein Teil dieses gestreuten Lichtes kehrt wieder zur Oberfläche zurück, wo es beobachtet werden kann

18 Grundwasser wasserdurchlässige Schicht wasserundurchlässige Schicht Grundwasserspiegel Artesischer Brunnen Grundwasser ist unsere wichtigste Trinkwasserquelle! Das Grundwasser ist Teil des Wasserkreislaufes (s. Kapitel 1, p. 20). Es besteht aus unterirdischem Wasser, das die Hohlräume der Erdrinde ausfüllt, und dessen Bewegung fast ausschliesslich von der Schwerkraft und dem durch die Bewegung selbst ausgelösten Reibungskräfte bestimmt ist. Der Gesteinskörper, in dem sich das Grundwasser aufhält und fliesst, wird als Grundwasserleiter oder Aquifer bezeichnet. Grundwasser entsteht dadurch, dass Niederschläge versickern oder Wasser im Sohlund Uferbereich von Oberflächengewässern durch Filtration (Uferfiltrat) oder anderweitige Anreicherungen in den Untergrund infiltriert. Ein artesischer Brunnen ist ein Brunnen in einer Senke, in welcher das Grund wasser unter einem gewissen Druck steht. Dieser Druck ist so hoch, dass das Wasser von selbst, d.h. ohne Pumpen, bis zur Erdoberfläche oder höher aufsteigt. Ein artesischer Brunnen wird durch eine Bohrung erzeugt

19 4. 5 Wasser in der Biologie 192 Wasser im Leben vor der Geburt Enbryo im Fruchtwasser (amniotische Flüssigkeit) Das Fruchtwasser ist eine klare, leicht gelbliche wässrige Lösung, welche das ungeborene Baby (Embryo) während der Schwangerschaft umhüllt. Diese Flüssigkeit ist von der Fruchtblase, dem amniotischen Beutel umgeben. Die amniotische Flüssigkeit besteht aus % Wasser! 193 Der Embryo besteht aus mehr als 85 % Wasser! 4-18

20 Wassergehalt (Gew. %) Dehydrierung des Menschen mit zunehmendem Alter H 2 O Alter (Jahren) 48 % Alter (Jahre) Wasser ist in allen Körperflüssigkeiten wie Schweiss, Urin, Tränen und Blut enthalten! Funktionen des Wassers im Körper : Transport - und Lösungsmittel, Kühl - und Heiz mittel, chemischer Reaktionspartner. Man beachte auch die Figur auf p Dehydrierung des Menschen mit zunehmendem Alter - 2 In dieser Figur ist der Wasseranteil des Säuglings deutlich kleiner als in der Figur auf p. 194, was vermutlich realistischer ist. Die beiden Symbole (*) bedeuten, dass es sich aber auch hier nur um ungefähre Werte handelt. Man beachte die starke Zunahme des Fettgehaltes mit zunehmendem Alter!

21 Wassergehalt im menschlichen Körper - 1 Eine Handvoll Salze und Eiweissverbindungen in Wasser gelöst! Körpermasse 70 kg 50 kg Wasser ca. 72 % Wasser Organ, bzw. Gewebe % Wassergehalt Zähne (ohne Haare!) 10 Skelett 22 Blut 69 Leber, Rückenmark 70 Haut 72 Gehirn 75 man vergleiche mit der Tabelle auf p. 197 Lunge 79 Nieren 83 Glaskörper des Auges Wassergehalt im menschlichen Körper

22 Diffusion von Grotthus ( ) Vom Hydronium - Ion, H 3 O +, (hellblau hinterlegt, links), springt ein Proton auf das nächste H 2 O - Molekül über, und dieser Sprung - Mechanismus wiederholt sich immer wieder. Obwohl sich bei diesen Elementar - Sprüngen die einzelnen Protonen nur um ca. 0.7 Angström verschieben, wandert das H 3 O + - Ion mit grosser Geschwindigkeit nach rechts und erreicht schliesslich die Position auf der rechten Seite (blau hinterlegt, rechts). Wichtig für Informations - Uebertragung bei der Nervenleitung! 198 Der Code des Lebens ist die DNA : sie ist die Trägerin der Erbinformationen Holme der Wendel - Treppe Sprossen 34 Å = 3.4 nm Sprosse : besteht aus einem Basen - paar, das via Wasserstoffbrücken N--- H... O oder N --- H... N mit - einander verbunden ist. 10 Å Schematische Struktur einer DNA - Doppel - Helix Å Holm : besteht aus einer sehr grossen Zahl von sich abwechselnden Zucker - (Desoxyribose) und Phosphatbausteinen. 4 21

23 DNA : Struktur und Wasserstoffbrücken Bindungen - 1 C G T A Zucker PO 4 Räumliches Modell der DNA, Die Nukleinsäure KK speichert genetische Informationen. 200 Aufgefaltete DNA : Die Stränge bestehen aus Phosphatgruppen, PO 4, und aus Zucker (Desoxyribose). Die beiden Seitenstränge sind via Wasserstoffbrücken verbunden, nämlich durch N H ---- O ( ) und durch N H ---- N ( ) ; (s. Symbole in der obigen Figur). Jede H Bindung verknüpft zwei Basen, nämlich ( C : Cytosine ; G : Guanine ) und ( T : Thymine ; A : Adenine ) (s. Anhang 4-A-5-1). DNA und Wasserstoff - Brücken Bindungen - 2 Ein Seitenstrang der DNA O--H... O Wasserstoff - Brücken Bindung Die negativ geladenen Phosphat - Gruppen werden durch ange - lagerte Wassermoleküle von - einander abgeschirmt, wodurch ihre Coulomb - Abstossung stark reduziert wird. N--H... O Wasserstoff - brücken Bindung Wasser muss zweifellos als integraler Bestandteil von biologischen Molekülen wie z.b. der DNA betrachtet werden! Beispiel : Wasser stabilisiert die DNA Moleküle, nämlich durch Reduktion der Coulomb Wechselwirkungen zwischen den Phosphat Gruppen

24 Wasser und Photosynthese Licht Aus Kohlenstoff - Dioxid (CO 2 ) und Wasser (H 2 O) entstehen mit Licht und dem Pigment Chlorophyll (Blattgrün) die Produkte Traubenzucker (Glukose) und Sauerstoff (O 2 ). Blatt Spross H 2 O Brutto Reaktion : 6 CO H 2 O + Licht C 6 H 12 O O 2 Wurzel werk H O H Glukose = Traubenzucker Bemerkung : Chlorophyll ist in den Chloroplasten enthalten (s. p. 218)

25 4. 6 Zum Aufstieg des Wassers in hohen Bäumen Bemerkungen : Für den Aufstieg von Wasser in Pflanzen und Bäumen (Langstreckentransport) sind mehrere Mechanismen verantwortlich oder vorgeschlagen worden, u. a. 1) Kapillarität (p. 209) 2) Wurzeldruck und Osmose pp ) 3) Transpiration Kohäsion Zugspannung (pp ) Beim Aufstieg in hohen und sehr hohen Bäumen (Langstreckentransport) dominiert der dritte Mechanismus, der durch die Kapillarität in den Mesophyll Zellen der Blätter abgelöst wird (pp ). Für Experimente der Zugspannung in Abhängigkeit der Höhe von Küsten Redwood Bäumen s. p Zum Aufstieg von Wassers in sehr hohen Bäumen Wie gelangt das Wasser gegen die Schwerkraft in die Blätter der bis zu über 100 m hohen Eukalyptus - und Redwood Bäume? Bemerkung : an einem heissen Sommertag verdampft eine mittlere Buche bis zu 600 Liter Wasser pro Tag! Was ist der Mechanismus des Wassertransportes in hohen Bäumen? Der Riesen Eukalyptus Baum ist einer der höchsten Bäume ( m)! Kapillarität? Wurzeldruck/ Osmose? Wurzeldruck / Guttation? Transpiration Verdunstung? Eine Kombination? Ein riesiger Coast Redwood Baum mit einer Höhe von 115 m!

26 Anatomie eines Anatomie ausgewachsenen eines Baumstammes Baumstammes Wachstumsring sekundäres Xylem Xylem sekundäres Markstrahl Jahresring Rinde Mark Kernholz Splintholz vaskuläres Kambium : vaskuläres Kambium : Gefäss-Bildungsgewebe Gefäss-Bildungsgewebe sekundäres Phloem (Bast) Borkenschicht primäres Xylem : während des primären Wachstums gebildet 213 sekundäres Xylem : durch Zellteilung des Kambiums (zwischen Xylem und Phloem) gebildet primäres Phloem : Phloem vor dem sekundären Dickenwachstum sekundäres Phloem : im sekundären Dickenwachstum von Sprossachsen und Wurzeln gebildet Saft Transport in Xylem und Phloem Leiterbahnen 4) Durch die Stomata in den Blättern entsteht Austausch von Gasen (CO 2 und O 2 ) 3) Durch Sonnenstrahlung : Verdunstung des Wassers an den Blättern ; dadurch entsteht ein Sog in den Xylem - Leiterbahnen 2) Wasser und Mineralien werden durch die Wurzelgewebe ins Xylem transportiert 5) Durch Photosyn these wird in den Blättern Zucker produziert 6) Im Phloem wird Zucker in andere Bereiche der Pflanze transportiert (z.b. in die Wurzeln) Drei Bereiche von Wassertransport in Pflanzen : a) In individuellen Zellen (Membran Transport) - Aufnahme und Export von Materialien in Wurzelzellen 1) Die Wurzeln absorbieren Wasser und gelöste Mineralien aus der Erde 206 b) Von Zelle zu Zelle durch das Mesophyll - Zucker vom Mesophyll zum Phloem c) Langstrecken Transport durch Sprosse oder von Organ zu Organ - Xylem und Phloem 4-25

27 Transpiration stream Xylem vessel Sieve tube (phloem ) Pressure flow Saft Fluss VERDUNSTUNG Xylem - Zelle Xylem Saft Mesophyll - Zellen Spaltöffnung Wasser Moleküle Atmosphäre Adhäsion Zell - wand Durch die Spaltöffnungen in die Atmosphäre Von den Mesophyll- Zellen der Blätter zu den Wasser - Luft - Hohlräumen Zu den Mesophyll Zellen der Blätter Von den Xylem Leiterbahnen der Wurzeln in die Xylem Leiterbahnen des Stamms KOHAESION UND ADHESION IN DEN XYLEM- LEITERBAHNEN WASSERAUFNAHME Wasseraufnahme AUS aus DER der Erde ERDE Kohäsion durch Wasserstoff - Brücken Wasser Molekül Wurzelhaare Boden Partikel Wasser 207 Von den Wurzeln in die Xylem Leiterbahnen der Wurzeln Durch die Wurzelhaare in die Wurzeln Wasser vom Film um die Boden - Partikel Xylem und Phloem sind in Gefässbündeln angeordnet Zirkulation des Wasser flusses durch Pflanzen Gefässbündel Gefässbündel Phloem Phloem Xylem Kambium Kortex Water Sucrose Water Epidermis Water Sucrose Das Xylem transportiert Wasser und Mineralsalze von der Wurzel zu den Blättern, wogegen das Phloem Zucker und andere Produkte der Photosynthese von den Blättern in die Wurzeln transportiert. Diese Produkte der Photosynthese sind in wässriger Lösung, wobei das Wasser aus dem Xylem stammt. Am Wurzelende werden die Zucker aus den Zellen extrahiert und für metabolische (d.h. für Stoffwechsel- Prozesse) benützt, wobei das Wasser durch Osmose in die inter-zellularen Bereiche fliesst. Ein Teil des Wassers, das von den Wurzeln ausfliesst, wird vom Xylem aufgenommen und wieder in die Blätter transportiert, wo es für die Photosynthese verwendet, durch Verdampfung verloren geht oder wieder ins Phloem zurück diffundiert und von dort zurück in die Wurzeln transportiert wird. Obwohl es im Prinzip zwei verschiedene Transportsysteme gibt, nämlich das Xylem und das Phloem, kann damit das Wasser zwischen den Blättern und den Wurzeln in einem geschlossenen Kreislauf transportiert werden, indem es via Xylem aufsteigt und via Phloem hinunter fliesst. Man kann daraus schliessen, dass Pflanzen über einen geschlossenen Kreislauf verfügen (Münch Modell : s. auch p. 4-A-6-1 und Referenzen R , R , R )

28 Wasseraufstieg via Kapillarität h = 2 s cos(q) / (r r g) Die Oberfläche ver hält sich wie eine gespannte Haut Kräfte auf ein Molekül an der Oberfläche ; Oberflächen spannung! Oberflächenspannung s H 2 O Die Kräfte auf ein Molekül im Innern heben sich auf H 2 O : s = N / m at 20 o C h 209 Dichte r 2 r q Beispiel : für r = 10 mm h ~ 1.5 m für Wasser mit vollständig benetz - baren Kapillaren : (q = 0) Wichtige Anmerkung : Das schwammartige Mesophyll Gewebe in den Blättern zwischen der Grenzfläche Wasser / Luft besitzt Radien zwischen r 5 bis 10 nm und ist hoch benetzbar : Es verhält sich wie sehr effiziente Kapillaren mit effektiven Steighöhen h bis zu 3 km (!) ; diese sind neben der Zug - spannung im Xylem (pp ) für den Aufstieg des Wassers in Bäumen von grosser Wichtigkeit (s. pp 218, 219). Wurzeldruck Osmose Lösung 2 : p osm H ~ p osm : ca. 1-3 bar H ~ 10 m - 30 m Lösung 1 : Konzentration c 1 H Konzentration c 2 > c 1 Semi - permeable Membran für H 2 O C 2 > C 1 es fliesst mehr Wasser von aussen nach innen als umgekehrt. Die Lösung wird verdünnt. Netto - Druck P osm = p ~ c 2 - c

29 Osmose und Turgor in Pflanzenzellen und Wurzeln Der osmotische Druck ist wichtig für den Unterhalt mancher Pflanzen und Bäume. Der osmotische Eintritt von Wasser erhöht den Turgor-Druck (*) gegen die Zellwand, bis dieser gleichgross wie der osmotische Druck ist, sodass ein stationärer Zustand entsteht. Eine Pflanzenzelle werde in ein Medium mit einer wässrigen Zucker - oder Salzlösung gebracht : Ist das Medium hypotonisch eine verdünnte Lösung mit einer höheren Wasserkonzentra - tion als in der Zelle - dann gewinnt die Zelle Wasser durch Osmose (Bild rechts). Ist das Medium hypertonisch - eine konzentrierte Lösung mit einer kleineren Wasserkon - zentration als in der Zelle - dann verliert die Zelle Wasser durch Osmose (Bild links). Ist das Medium isotonisch - eine Lösung mit genau der gleichen Wasserkonzentration als in der Zelle - dann existiert keine resultierende Wasserbewegung durch die Zellmembran (mittleres Bild). hypertonisch isotonisch hypotonisch plasmolisiert : flaccid : turgid : geschrumpft schlaff prall Im Bild rechts speichert die Pflanzenzelle Ionen, Zucker und andere gelöste Stoffe in seiner Vacuole wodurch Wasser in die Zelle fliesst. Dieser Fluss erzeugt einen hohen Turgor Druck auf die Zellwand. Dadurch werden Pflanzenzellen turgid, d.h. sie stehen aufrecht und welken nicht. 211 Vakuole Osmotische Zustände in einer Pflanze (*) Turgor : Druck des Zell saftes auf die Zellwand oder die Zellmembran (*) turgid : geschwollen Wurzeldruck und Guttation Der Wurzeldruck ist ein osmotischer Druck in den Zellen eines Wurzelsystems, welches das Wasser durch den Stamm zu den Blättern treibt. Er tritt in den Xylem-Gefässen mancher Pflanzen und Bäume auf, wenn die Bodenfeuchtigkeit in der Nacht hoch ist oder wenn die Verdunstung während des Tages gering ist. Wenn die Verdunstung gross ist, dann steht der Xylem-Saft (wässerige Lösung) nicht unter Druck sondern unter Zug und zwar wegen des Verdunstungs-Soges (pp ). Der Wurzeldruck erzeugt eine Kraft, welches das Wasser in die Stämme treibt, aber er reicht nicht aus, um das Wasser bis in die obersten Blätter von hohen und sehr hohen Bäumen zu transportieren. Der maximale Wurzeldruck, der in gewissen Bäumen gemessen wird, kann das Wasser nur bis ca. 20 m transportieren. Die Photographie auf der rechten Seite zeigt Tropfen von Xylem Wasser an den Spitzen oder Rändern von Blättern einiger vaskulärer Pflanzen, z. B. von Gräsern. Diese Erscheinung wird als Guttation bezeichnet. (Guttation sollte nicht mit der sog. Blutung verwechselt werden ; die letztere bezieht sich auf das Austreten von Wasser aus verletzten oder abgeschnittenen Aesten oder Blätter). Guttation darf auch nicht mit Tautropfen verwechselt werden, bei welchen es sich um kondensiertes Wasser aus der Atmosphäre handelt. Während der Nacht tritt in der Regel keine Verdunstung auf. Ist die Bodenfeuchtigkeit gross, dann tritt Wasser in die Wurzeln der Pflanzen ein, da das Wasserpotential der Wurzeln kleiner ist als jenes der Lösung im Boden. Das Wasser reichert sich in der Wurzel an, was zu einem kleinen Wurzeldruck führt. Wegen dieses Wurzeldrucks tritt etwas Wasser durch spezielle Blattöffnungen oder Randstrukturen, die sog. Hydathoden (Wasserspalten), wobei Tropfen gebildet werden (Guttation). Der Anstoss für diesen Wasserfluss stammt vom Wurzeldruck und nicht vom Transpirations Zug. 212 Guttation am Schachtelhalm 4-28

30 Tracheiden von Douglas - Bäumen Scanning Elektronen Mikroskopie des Querschnittes von Tracheiden eines unbe handelten Douglas Baumes (Sicht von oben), mit beinahe zerstörtem Altholz (unten) ; das Jungholz (oben) ist im Wesentlichen intakt ; (Vergrösserung : 175 x) Seitenansicht der Tracheiden eines Douglas Baumes mit bordered pits, d.h. Tüpfel zum Wassertransport von einer Tracheide zur andern Tracheide. Die Tüpfel ermöglichen also den raschen Transport von Wasser von einer Tracheide zu benachbarten Tracheiden. 213 Vakuum - Pumpe Vakuum (0 atm) Sonne Die Sonne ist die treibende Kraft für den Transpirations Sog! Verdunstung am Eiben - zweig Queck - silber (Hg) H = 760 mm 1 atm H 2 O Hg 1 atm entspricht 760 Torr = 760 mm Hg oder dem Druck einer Wassersäule von m Höhe ; eine Wassersäule von m Höhe erzeugt einen Druck von 1 bar. 214 Verdunstung am Eibenzweig : wegen des Transpirations - Sogs kann das Hg über 760 mm und damit das Wasser über m steigen! Zugspannung > 1 atm! 4-29

31 Die TKZ Theorie des Wasseraufstiegs in hohen Bäumen Im Folgenden fassen wir einige Ergebnisse zum Aufstieg von Wasser in hohen und sehr hohen Bäumen zusammen, welche aus der Transpirations Kohäsions Zugspannungs (TKZ) - Theorie folgen (Ref. R R.4.6.5, R , R ). Obwohl die TKZ - Theorie nicht alle Phänomene restlos zu erklären vermag, ist sie heute die von den meisten Pflanzenphysiologen akzeptierte Theorie. Während einem grossen Teil der Vegetations-Periode wird Wasser in den Bäumen nach oben gezogen und der Druck in den Xylem - Leiterbahnen ist kleiner als der Atmosphärendruck. Wird die Xylem- Leiterbahn während dieser aktiven Zeit aufgeschnitten, dann kann man sogar das pfeifende Geräusch der Luft hören, welche in die verletzte Leiterbahn eindringt. Der Motor des Aufstiegs des Wassers ist in der Krone des Baumes lokalisiert. Dieser Motor wird vom Sonnenlicht angetrieben. Die Energie des Sonnenlichtes stellt die Energie für die Verdunstung des Wassers, d.h. für das Aufbrechen der Wasserstoff-Brücken im flüssigen Wasser zur Verfügung. Etwa 99 % des Wasserdampfes wird in die Atmosphäre verdampft und der Rest wird für die Photosynthese verwendet. Der Wasserdampf entweicht durch die kleinen Spaltöffnungen (Stomata) an der unteren Oberfläche der Blätter ; die Moleküle, welche in die Atmosphäre entweichen, werden laufend durch Moleküle ersetzt, welche durch Oberflächenspannungskräfte nach oben transportiert werden. Die Wasserkolonnen sind zusammenhängend auf dem ganzen Weg von der Wurzel bis zu den Nanometer Hohlräumen zwischen den Mesophyllzellen der Blätter (s. pp 218, 219). Sie werden durch Kohäsions-Kräfte innerhalb des Wassers als auch durch Adhäsions-Kräfte zwischen dem Wasser und den Zellwänden stabilisiert. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass in einer engen und luftdichten Röhre das Wasser viel höher als 10 m steigen kann, in Bäumen höher als 100 m. Dadurch erreicht der Druck sehr grosse und negative Werte (einen negativen Druck von - 10 atm für einen 100 m hohen Baum), d.h. dass das Wasser sehr hohen Zugspannungen unterworfen ist (s. auch p. 122). Wird die Zugspannung zu gross, dann reisst das Wasser in den Xylem Leiterbahnen, was zu Luftblasen und Embolien führt. Ein Teil dieser Luftblasen kann durch spezifische Heilungsmechanismen eliminiert werden (s. p. 222 und Referenzen R und R ). 215 Baumhöhe versus Xylem Zugspannung an der Spitze eines Baumes Höhenprofile versus (negative) Xylem Drucke (Zugspannungen) in hohen Bäumen am Mittag (ausgefüllte Symbole) und bei Vormorgendämmerung (offene Symbole) für drei Küsten-Redwood Bäume [ 1 MPa = 10 bar = 9.87 atm ]. Man beachte, dass diese Experimente die TKZ Theorie (pp 214, 215) bestätigen

32 Blattseiten und Blattadern eines Laubblattes Adaxiale und abaxiale Blattoberflächen : links : adaxiale Blattseite : der Sprossachse (= Wachstumsrichtung) zugewandte Seite (Oberseite des Blattes). rechts : abaxiale Blattseite : der Sprossachse abgewandte Seite (Unterseite des Blattes ; trocknet weniger schnell aus). enthält die Blattadern (Xylem - und Phloem - Leiterbahnen zum Safttransport) und zur mechanischen Stabilisierung des Blattes. auf dieser Seite befinden sich auch die Spaltöffnungen (Stomata) für den Transport von Wasserdampf in die Atmosphäre. Blattadern an Unterseite eines Laubblattes : Die Blattrippen oder Blattadern von Blättern sind Gefässbündel. Diese transportieren Wasser und Produkte der Photosynthese via primärem Xylem und Phloem (s. pp 208 und 218). Die primäre Blattader liegt im Zentrum des Blattes und wird als Mittel - Rippe oder Mittelader be - zeichnet. Von dieser zentralen Blattader ver - zweigen sich die sekundären, und von diesen die tertiären Blattadern. 217 Zugspannung und Saftaufstieg durch Kapillarität in den Mesophyll - Zellen der Blätter und Verdunstung durch Spaltöffnungen AAder Cuticula Cuticula obere Epidermis pallisadische Mesophyll - Zelle dickwandige Bündelzelle Chloroplast untere Epidermis schwammige Mesophyll - Zelle Schutz - Zelle Schliesszelle : Atmosphärendruck In den Bäumen sind die relevanten Kapillaren nicht jene der relativ grossen Xylem Leiterbahnen (pp 213, 214). Vielmehr sind die relevanten Dimensionen durch die Wasser Luft - Hohlräume zwischen den hoch benetzbaren Mesophyll - Zellwänden bestimmt Diese Hohlräume besitzen effektive Radien von 5 bis 10 nm und stehen unter Atmosphärendruck. Die Chloroplasten enthalten das Chlorophyll (s. p. 202) Benachbarte Mesophyllzellen sind durch sog. Aquaporine verbunden (s. Anhang A-4-6-2). Wasser aus den Xylem Leiterbahnen tritt in die Mesophyllzellen ein. Von dort gelangt es durch die Zellwände in Hohlräume, wo es sehr dünne Filme als auch gefüllte Kapillaren mit Radien zwischen 5 10 nm bildet. Die dünnen Wasserfilme und die Meniski der Kapillaren werden von den Xylem-Leiter - bahnen laufend nachgefüllt. Die Wasserfilme und Meniski stehen unter Atmosphrendruck. Der entstehende Wasserdampf verlässt die Hohlräume durch die Stomata in die Luft. Der Wassertransport in den Bäumen beruht also auf dem TKZ Mechanismus (p. 215), wobei die treibende Kraft einerseits durch die Kapillarität in den sehr engen Hohlräumen zwischen den Mesophyllzellen und andererseits durch die von der Sonne getriebenen Verdampfung entsteht

33 Leitbündel im Blatt Die Leitbündel in einem Blatt enthalten das Xylem und das Phloem und sind oft von einer Epidermis umgeben, die als Bündelscheide oder Bündelzelle bezeichnet wird (s. p. 218). Die Leitbündel befinden sich oft an der Grenze zwischen Pallisaden - und Schwammparanchym. Das Xylem weist zur Blattoberfläche (obere Epidermis), das Phloem zur Blattunterseite (s. p. 218). Die Bündelscheide kontrolliert den Stoffaustausch zwischen Leitbündel (Xylem und Phloem) und dem Mesophyll. Die Leitbündel enden blind im Mesophyll. Dabei wird das Leitbündel immer stärker reduziert, bis die Siebröhren im Phloem ausfallen, und im Xylem- Teil verbleiben nur Schraubentracheiden, die schliesslich ebenfalls blind enden. Dies ermöglicht einen Austausch zwischen Xylem und Phloem, d.h. Wasser fliesst vom Xylem zum Phloem. Ein entsprechender Austausch ist in den Wurzeln möglich. Zusammen entsteht ein geschlossener Kreislauf zwischen Xylem und Phloem (s. p. 208 und Anhang 4-A-6-1 : Theorie von E. Münch) Das gesamte Blatt ist in der Regel so dicht mit Leitbündeln durchzogen, dass keine Blattzelle weiter als sieben Zellen von einem Leitbündel entfernt ist. Die sich daraus ergebenden kleinen Bereiche zwischen den Leitbündeln heissen Areolen oder Interkostalfelder. Die Funktion der Leitbündel besteht im Abtransport von Wasser und Mineralien im Blatt über das Xylem, sowie dem Abtransport von Photosyntheseprodukten über das Phloem aus dem Blatt. 219 Transpiration - Kohäsion : Wasser steht unter Zug! Wasser siedet, wenn der externe Druck P ext gleich oder kleiner als der Dampfdruck P w des Wassers ist. P w Beispiele : = P ext = 1 bar T Siede = 100 o C P w = bar ; ist P ext P w, dann siedet das Wasser bei oder unter halb T Siede = 25 o C siedendes Wasser mit Blasen Zur Vakuum - Pumpe P ext << 1 bar aber P ext > 0 P ext P w Bei sehr kleinen Drucken siedet das Wasser normalerweise ; und erst recht bei negativen Drucken, d.h. unter Zug! (s. p. 122) In den Bäumen siedet das Wasser aber nicht, obwohl es unter Zug steht! Wie ist das verständlich? Wasser ist in einem geschlossenen System und im überhitzten Zustand! kein Platz für Dampf! Wasser ist in einem metastabilen Zustand! In den Leiterbahnen der Bäume gibt es mehrere Mechanismen, die Blasenbildungen (Embolien!) erschweren und damit den überhitzten Zustand stabilisieren!

34 Ueberhitzte Zustände Schmelz - Kurve fest flüssig Dampf Verdampfungs - Kurve überhitztes Wasser durch Temperatur - Erhöhung bei konstantem Druck (metastabil!) H 2 O überhitztes Wasser durch Reduktion des Druckes bei konstanter Temperatur (metastabil!) Sublima - tions - Kurve Temperatur ( o C) 1 at = 1 kp / cm Verletzlichkeit von Xylem durch Kavitation und Embolien ; Reperatur - Mechanismen Pflanzen öffnen und schliessen ihre Spaltöffnungen während der Tageszeit je nach den äusseren Bedingungen wie Lichtintensität, Feuchtigkeit und CO 2 Konzentrationen. Ein Kavitations- Ereignis erzeugt eine schnelle Relaxation der Flüssigkeit unter Zug und erzeugt eine akustische Emission im Audio- und Ultraschall- Bereich. Die inneren Wände der Xylem Leiterbahnen sind extrem hydrophob, was die - Entstehung der Kavitation an der Grenzschicht Wasser / Wand stark reduziert. Zwei benachbarte Tracheiden sind miteinander verbunden. Bei Lufteinbruch in eine der Tracheide wird die zweite Tracheide durch eine Membran versiegelt, sodass diese zweite Tracheide weiterhin funktioniert. Kavitation ist biologisch wichtig, da Leiterbahnen, welche eine Embolie erlitten haben, die hydraulische Leitfähigkeit der Xylem - Gefässe stark reduzieren. Es besteht eine beträchtliche Evidenz dafür, dass Embolien, welche durch Wasser unter Zug induziert werden, via Luftansammlungen in den Poren der Membran Narben zwischen den Gefässen entstehen. Luft in den Blasen kann aufgelöst werden, und zwar durch Diffusion ins Wasser der Xylem - Kapillaren Entsteht eine kleine Luftblase, dann besteht die Möglichkeit, dass diese durch eine Energie - Barriere gehemmt werden kann

35 4. 7 Wasserpflanzen Pflanzenzone an flachem Seeufer Mit zunehmender Wassertiefe im See nimmt die Lichtmenge für die Photosynthese rasch ab. Dies führt zu einer Zonierung der Pflanzenbestände am Ufer, bei welcher die lichthungrigsten Pflanzen an den seichtesten Stellen wachsen und weiter unten immer genügsamere Arten auftreten. An einem natürlichen flachen See - oder Teich - ufer findet man deshalb in der Regel die oben angegebene Pflanzenzonierung. 223 Allgemeine Bemerkungen und Eigenschaften Die meisten höheren Pflanzen in unseren Seen gehören zu den Laich krautgewächsen und haben mit Seegras oder Algen nichts zu tun. Im Gegensatz zu den Landpflanzen besitzen Wasserpflanzen kein festes Stützgewebe ; wenn man sie aus dem Wasser nimmt, liegen sie schlaff da. Im Wasser stehen sie aber aufrecht und machen die Wasserbewegungen geschmeidig mit, ohne zu brechen. Ihre Stängel sind sehr zäh und elastisch. Wasserpflanzen brauchen keinen Verdunstungs - schutz wie die Landpflanzen, ihre Blätter sind daher sehr weich und dünn. Dies ermöglicht eine intensive Nährstoffaufnahme direkt aus dem Wasser über die Blätter. Die Wurzeln dienen in erster Linie der Verankerung im Boden und nicht der Wasser - und Nährstoffaufnahme. Gemäss der Figur auf p. 223 unterscheidet man folgende Arten von Wasserpflanzen : a) Röhrichtpflanzen b) Schwimmblattpflanzen c) Laichkrautpflanzen d) ganz untergetauchte Pflanzen

36 a ) Röhrichtpflanzen Als Röhrichtpflanzen werden eine Unter - gruppe der Sumpfpflanzen bezeichnet, die an Gewässerufern bis in etwa 1.5 m Wassertiefe vordringen und durch kräftige Rhizome (*) in der Lage sind, dichte Bestände, die Röhrichte, zu bilden. Ein wichtiges Beispiel ist das Schilfrohr. b) Schwimmblattpflanzen Eine Besonderheit stellen die Schwimmblattpflanzen dar (beispielsweise Seerosen und Lotusgewächse, s. p. 226, 227), die mit ihren Wurzeln im Untergrund haften, deren Blätter aber an der Oberfläche schwimmen. Die Blätter sind durch Luftkammern in der Lage, einerseits auf dem Wasser zu treiben, andererseits Luft durch den hohlen Stängel auch in die Wurzeln zu leiten, sodass diese im sauerstoffarmen Schlamm nicht ersticken. Die für die Atmung nötigen Spaltöffnungen (Stomata) der Blätter befinden sich - anders als bei Landpflanzen - auf der Blattoberseite. Die Blätter haben ausserdem weitmaschige Lufträume im Gewebe, von wo aus die durch die Spaltöffnungen aufgenommene Atemluft durch Luftkanäle im Blattstil zum Rhizom [(*) : ein meist unterirdisches oder dicht über dem Boden wachsendes Sprossachsensystem] geleitet werden. 225 Nymphaea alba, eine Seerosenart Blaue Seerose Luftkammern im Blattstiel Die Blätter einer normalen Seerose werden komplett vom Wasser benetzt (hydrophil) und die Spaltöffnungen (Stomata ) befinden sich auf der Blattoberseite

37 Lotusblume Lotusfrucht Lotusblätter im Regen. Auf den Lotus blätter bilden sich Regentropfen, d.h. sie sind wasserabweisend (hydrophob). Seerosenblätter (unterer Bildrand) werden komplett vom Wasser benetzt, d.h. sie sind wasseranziehend (hydrophil). 227 Laichkräuter Die Laichkrautzone ist 2 5 m tief. Die Blätter dieser Pflanzen wachsen unter Wasser, nur die Blüten ragen über die Wasseroberfläche hinaus. In den dichten Laichkrautwäldern kann man im Sommer scharenweise Jungfische, alle möglichen Wirbellosen und oft auch lauernde Hechte beobachten. Auf den Blätter der Laichkreuter findet man Schnecken, Insekten larven, Hydren und Wassermilben in grosser Zahl. Einige Fischarten legen ihren Laich gerne auf diese Pflanzen ab. 228 Blühendes Alpenleichkraut : Einige Blütenstände haben die Wasseroberfläche bereits durch - drungen. 4-36

38 Ganz untergetauchte Pflanzen Diese Pflanzen blühen auch unter Wasser. Kein Teil der Pflanze erreicht im Normalfall je die Oberfläche. Die Blätter des Nixenkrauts sind dunkelgrün, hart und gezackt. Im Spätsommer findet man in den Blattachseln 2 3 mm grosse, nussartige Samen. Armleuchteralge : Dem Aussehen nach könnte man diese Pflanze leicht für eine Blütenpflanze halten, es ist aber eine Alge. Die kronleuchterartige Verzweigung und die spröde, brüchige Beschaffen - heit der Pflanze, die durch Einlagerung von Kieselsäure zustande kommt, sind typisch für Armleuchteralgen. 229 Plankton Plankton ist die Bezeichnung für Organismen, die im Wasser leben und deren Hauptmerkmal es ist, dass ihre Schwimmrichtung von den Wasserströmungen vorgegeben wird. Plankton gibt es in allen möglichen Formen und Grössen. Besonders kleine Organismen (2 20 mm) werden dem Nanoplankton zugeordnet. Die kleinsten Formen sind Bakterien. Phytoplanktonvertreter sind meist kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Auch beim Zooplankton gibt es winzige Formen ; aber auch bis zu 9 m Metern grosse Quallen, die nicht gegen Strömungen anschwimmen, sondern passiv driften, zählen zum Plankton. Man unterscheidet folgende Formen : Bakterioplankton (bakterielles Plankton) Phytoplankton (pflanzliches Plankton), z.b. Kieselalgen, Grünalgen, etc Zooplankton (tierisches Plankton) Phytoplankton Einzellige Kieselalgen machen den Hauptteil des Phytoplanktons aus. Die Zellen sind von einer zweiteiligen Schale aus Kieselalgen umgeben. Man unterscheidet heute rund Arten. Ihren Trivialnamen verdanken die Kieselalgen der Zellenhülle, die überwiegend aus Siliziumdioxid (SiO 2 ) besteht, dem Anhydrid der Kieselsäure mit der vereinfachten Summenformel SiO 2 n H 2 O. Das Phytoplankton wird auch als Urproduktion des Meeres bezeichnet, weil es die Nahrungsgrundlage für alle übrigen Lebewesen im Meer darstellt. Ohne Phytoplankton wäre kein Leben im Meer vorhanden! In Gewässern mit grünem Schimmer herrscht eine relativ hohe Phytoplanktonkonzentration. 230 Pennate (links) und zentrische Kieselalgen (rechts) sind Kunstformen der Natur (s. 4-A-7-1) 4-37

39 Anhang Kapitel 4 4-A-0 Wolken : Fallstreifen oder Virga Wörtlich aus dem Lateinischen übersetzt bedeutet Virga soviel wie dünner Zweig, Stab. In der Meteorologie handelt es sich um Niederschläge (Eiskristalle oder Regen), die aus der Basis der Wolken ausfallen, die aber auf ihrem Weg zum Erdboden schon wieder verdunsten und diesen somit nicht erreichen. Fallstreifen oder Virga kommen häufig vor, wenn eine sehr feuchte Luftschicht in der Höhe über einer trockenen darunter lagert. [Man beachte, dass bei den Schönwetterwolken von p. 164 Schneekristalle im oberen Bereich der Wolken auftreten können]. 4-A

40 Lebensdauer des Tropfens (s) Sättigungsdampfdruck (hpa) Sättigungsdampfdrucke von unterkühlten Wassertröpfchen und Schneekristallen in Wolken (Bergeron Prozess) Temperatur ( o C) Ueber Eis-Partikeln herrscht ein geringerer Sättigungsdampfdruck als über Wassertröpfchen gleicher Temperatur (maximale Differenz bei ca. 15 o C). Während über dem Eis-Partikel die Luft schon gesättigt ist, kann über dem Wassertropfen der gleichen Temperatur noch Wasser verdunsten. Kommt es zu einer Uebersättigung der Luft bezüglich des Eises, tritt Resublimation an vorhandenen Eiskristallen ein, wodurch diese durch Aufnahme von unterkühlten Wassertröpfchen wachsen (s. p. 109). Wenn sie gross genug sind, beginnen sie zu fallen. Dieser Prozess wird Bergeron - Findeisen - Prozess genannt (s. p. 176). (Zum Vergleich s. die Sättigungsdampfdrucke von bulk Eis und Wasser auf p. 2_A_8_1). 4-A Der Leidenfrost - Effekt Die rote Unterlage ist wesen t lich heisser als der Siedepunkt des Wassers Johann Gottlob Leidenfrost 10 Leidenfrost - Punkt Platten Temperatur ( o C) Mit dem Leidenfrost - Effekt, auch Leidenfrost Phänomen genannt, ist der Effekt des auf heissem Untergrund springenden ( tanzenden ) Wassertropfens gemeint, den Johann Gottlob Leidenfrost ( ) im Jahre 1756 beschrieben hat. Wenn die Unterlage deutlich heisser als der Siedepunkt des Wassers ist, verdampft nur die untere Schicht des Tropfens, während dieser im oberen Teil noch kühler ist. So bildet sich eine dünne Schicht aus Wasserdampf (0.1 bis 0.2 mm), die den Tropfen anhebt und ihn gleichsam schützt. Gase, also hier der Wasserdampf, sind schlechte Wärmeleiter. Auf diesem Dampfkissen gleitet der Wassertropfen hin und her. Die Figur auf der rechten Seite zeigt, dass die Lebensdauer eines Wassertropfens zwischen 100 und 200 o C sehr klein ist, und dann stark ansteigt. Beim sog. Leidenfrost - Punkt etwas oberhalb von 200 o C ist die Lebensdauer des Tropfens maximal, beim vorliegenden Versuch etwa 72 Sekunden. 4-A

41 DNA : Struktur, Chemie und H - Brücken A - T G - C Die A T (Adenine Thymine) und G C (Guanine Cytosine) Paare der DNA werden durch H Brücken zusammengehalten. Es sind genau diese H Brücken (N H----O und N H ----N) welche die beiden Ketten zusammenhalten (s. p. 200) 4-A-5-1 Hydraulische Kopplung zwischen Xylem und Phloem 4-A-6-1 s. auch p

42 Aquaporine : Wasserkanäle in der Wurzel und im Blatt Während in den Xylem Leiterbahnen der Langstreckentransport des Wassers von der Wurzel bis in die Blätter stattfindet (s. pp 206, 207), existiert sowohl in den Wurzeln als auch in den Blättern zusätzlich ein Kurzstreckentransport zwischen einzelnen Zellen. Für den Transport des Wassers zwischen den Zellen sind sog. Aquaporine zuständig ; Aquaporine sind Wasserporen zwischen benachbarten Zellen. Die Aquaporine sind keine Pumpen oder Austauscher und zum Transport wird keine Energie verbraucht. Der Transport des Wassers erfolgt vielmehr durch osmotische Gradienten. Der Kanal arbeitet bidirektional, d.h. Wasser kann in beiden Richtungen durch den Kanal wandern. Von Bedeutung sind die Aquaporine vor allem in Geweben, in denen ein hoher physiologischer Fluss vorkommt, z.b. beim Aufbau des Turgordruckes (p. 211) oder in den Nieren. CO 2 Wasser Luft Hohlräume Wasserdampf Cutikula Epidermis Xylem Gefäss Phloem Siebröhre Leitbbündelscheide Schliesszellen PIP1s TIP1s 4-A-6-2 Querschnitt durch ein Blatt mit eingezeichneten Aquaporinen (s. auch Figur auf p. 218). Aquaporin = Wasser + Pore Die Aqaporine PIP1s (Plasma membraine Intrinsic Proteins) regulieren die Wasserleitung durch die Zellen. Die Aquaporine TIPS1s (Tonoplast Intrinsic Proteins) sorgen während des Zellwachstums für die Volu - menzunahme der Zelle durch Wasseraufnahme. Die Blattfärbung im Herbst Die Photosynthese findet in den grünen Chloroplasten statt kleinen Körperchen im Innern der Mesophyllzellen (s. auch p. 218). Die Chloroplasten enthalten das Chlorophyll (Blattgrün). Chlorophyll ermöglicht zusammen mit CO 2 und Wasser die Photosynthese (s. p. 202). Im Sommer absorbiert Chlorophyll das Sonnenlicht selektiv (im blauen und im roten Spektralbereich), wogegen grün nicht absorbiert sondern gestreut wird, deshalb die grüne Farbe. Wenn im Herbst die Tage kürzer werden und es kälter wird, dann wird das Chlorophyll umgebaut und farblos. Dann kommen die gelben bis orangefarbenen Karotinoide zur Geltung, die schon immer im Blatt vorhanden waren. Das gelbe Karotin oder das rote Anthocyan können jetzt schöne leuchtende Herbstfarben erzeugen. 4-A

43 Immergrün - Pflanzen In der Botanik bezeichnet man immergrüne Pflanzen als Pflanzen, welche ihre Blätter das ganze Jahr tragen. Für dies Bäume existiert das individuelle Blatt mindestens 12 Monate. Immergrüne Pflanzen wachsen in nahezu allen Teilen des Globus. Sie haben das Problem des exzessiven Wasserverlustes durch ihre Blätter bei extremen Temperaturen weitgehend gelöst. Deshalb existieren immergrüne Bäume wie z.b. Nadelbäume bis in die nördliche Tundra, während alle tropischen Wälder reiche Vorkommen von sehr grossen Immergrün mit wachsigen Blättern besitzen. Auch in gemässigten Klimazonen existieren immergrüne Pflanzen wie z.b. die Stechpalme und der Lorbeerbaum. Pflanzen verlieren ihr Wasser durch die Blätter, und Immergrün-Pflanzen besitzen ein oder zwei Modifikationen zur Reduktion des Wasserverlustes : Die Blätter von immergrünen Nadelbäumen sind dünn und nadelförmig, sodass sie nur eine relativ kleine Oberfläche der Atmosphäre exponieren. Immergrüne Pflanzen in gemässigten und tropischen Klimata besitzen Blätter mit einer dicken Kutikula, einer Wachsschicht, welche das Gewebe vor Wasserverlust schützt. Ein Beispiel einer Immergrün-Pflanze ist der unten gezeigte Kirschlorbeer Oberseite mit Kutikula Unterseite Kirschlorbeer 4-A-6-4 Blätter eines Kirschlorbeers Ein anderer Mechanismus des Saftflusses : der Ahorn - Baum Ahornbaum im Herbst Anzapfung eines Ahorn- Baums im Winter oder Frühling Gewinnung von Ahorn Zuckersaft im Winter oder Frühling Während des Sommers verliert ein mittlerer Ahorn- Baum durch seine Blätter mehr als 200 L Wasser pro Stunde ; dieser Wasserverlust wird durch den Transpirations Kohäsions - Zugspannungs Mechanismus erzeugt, d.h. Wasser im Xylem steht unter negativem Druck (s. pp ). Im Winter und Frühling ist dagegen der Saftdruck im Xylem des Zucker-Ahorn grösser als der Atmosphärendruck, wodurch der Saft ausfliesst, so wie Blut aus einer Wunde fliesst. Betrachtet man einen Teil eines Baumstamms, der unter positivem Druck steht, dann rinnt durch ein in den Stamm gebohrtes Loch der Saft in Richtung des tieferen Druckes, d.h. in Richtung des atmosphärischen Druckes auf der Aussenseite des Stammes. Ein ähnliches Verhalten wird bei der Birke beobachtet. 4-A

44 Entwicklung der Frucht eines Apfelbaums Phloem Geleitzelle Frucht (Senke für Zucker) Für grosse Fruchtbäume ist die Kohäsions-Zugspannungs-Theorie (KZT) (s. p. 215) immer noch gültig, aber die Früchte stellen zusätzliche Senken für den Phloem Saft dar. Der durch die Photosynthese produzierte Zucker wird zu andern Teilen der Pflanze für den Metabolismus transportiert. Der Zucker wird durch aktiven Transport in das Phloem der Blätter transportiert. Eine wichtige Senke für Zucker ist eine sich entwickelnde Frucht. Zucker kann durch aktiven Transport aus dem Phloem in die Zellen der Frucht transportiert werden. Dadurch wird die Konzentration des Zuckers in der Frucht erhöht. Als Folge dieser Konzentrationserhöhung fliesst Wasser diesem Zucker via Osmose in die Frucht nach. 4-A-6-6 Phytoplankton : Kunstwerke der Natur! Pennate Kieselalge (pennate : bilateral symmetrisch) Zentrische Kieselalge (radial symmetrisch) Kieselalgen sind einzellig ; die Zellen sind Mikrometer lang 4-A

45 Referenzen : Kapitel 4 R Wasser in der Natur 4. 1 Einige ausgewählte Beispiele Auf die zentrale Rolle des Wassers in der Natur wurde schon im Abschnitt 1.2 hingewiesen. Im Folgenden diskutieren wir einige wichtige ausgewählte Beispiele. 4.2 Die Welt der Wolken R R R R A short Course in Cloude Physics (Ein kurzer Kurs über Wolken-Physik) R.R. Rogers and M.K. You Elsevier Science 1988 Oxford UK Cloud Physics (Wolkenphysik) A Popular Introduction to Applied Meterology Louis J. Battan Dover Publications.com ; Amazo.de Water from Heaven (Wasser vom Himmel) Robert Kandel Columbia University Press, New York Chapter 9 : p. 135 DIE ERFINDUNG DER Wolken : The invention of Clouds Richard Hambyn Suhrkamp Taschenbuch 3527 ; Erste Auflage 2003 R