Hydrosphäre und Wasserkreislauf. V Klima, Wasser Vegetation. Hydrosphäre und Wasserkreislauf. V Klima, Wasser Vegetation.

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1 V Klima, Wasser Vegetation Wasser als Stoff V Klima, Wasser Vegetation Wasser als Stoff Die Pfeile zeigen die möglichen Übergänge von einem Aggregatzustand in den anderen unter natürlichen Bedingungen, wobei Wärme entsprechend der jeweiligen Änderungsrichtung absorbiert oder freigesetzt wird. (Strahler und Strahler, 2006) Latente Wärme Resublimation Aggregatzustände von Wasser 1

2 Wasser als Stoff V Klima, Wasser Vegetation Wasserstoffbrückenbindungen Oberflächenspannung Hohe Siedetemperatur _ + H 2 0: 2 Wasserstoffatome, 1 Sauerstoffatom H 2 0: Molekühlmasse: 18u Sauerstoff mit 16u und Wasserstoff mit 1 u H 2 0: Wasserstoffbrückenbindungen erklären Oberflächenspannung und relativ hohen Siedepunkt (ohne bei -80 C) Wasser als Stoff V Klima, Wasser Vegetation Siedetemperaturen auf Gebirgen der Erde Baumgartner und Liebscher

3 Wasser als Stoff V Klima, Wasser Vegetation H 2 0: Molekül weist eine polare Bindung auf Dipoleigenschaften bedingen hohe Löslichkeit von Salzen Salzgehalt (%) und elektrische Leitfähigkeit (S/cm) Baumgartner und Liebscher 1996 Wasser als Stoff V Klima, Wasser Vegetation H 2 O: Wasser enthält im natürlichen Zustand Gase, entsprechend dem Partialdruck der betreffenden Gase über der Wasseroberfläche und in Abhängigkeit von der Wassertemperatur Löslichkeit von Gasen in Wasser 2H 2 O + CO 2 H 3 O + + HCO 3 - Temperatur in C 3

4 Wasser als Stoff V Klima, Wasser Vegetation Manoun-See 15. August 1984 Freisetzung von CO2 durch Erdrutsch 37 Tote Wasser als Stoff V Klima, Wasser Vegetation Volumen und Dichte von Wasser D Ans und Lax

5 Wasser als Stoff Volumen und Dichte von Wasser H 2 O: Dichteanomalie Baumgartner und Liebscher 1996 Hydrosphäre Weltweite Wasservorkommen Reservoire der Hydrosphäre: Beinahe die gesamte Wassermenge der Erde befindet sich in den Weltmeeren. Frisches Oberflächenwasser und das Bodenwasser machen nur einen Bruchteil der Gesamtmenge aus. (Strahler und Strahler 2006) 5

6 Wasserkreislauf Globale Wasserbilanz A = N - V V = N - A Die globale Wasserbilanz: Die Zahlen stehen für die durchschnittlichen Zu- und Abflüsse von Festland und Ozeanen. Die Werte sind in Kubikkilometern angegeben. Die globale Niederschlagsmenge entspricht der globalen Verdunstung. (Strahler und Strahler 2006) Wasserhaushaltsgleichung A = N -V N: Niederschlag [mm] A: Abflusshöhe [mm] V: Verdunstung [mm] Für welche Gebietsgröße gültig? Für welche zeitliche Dimension gültig? Was ist Niederschlag? Wie messe ich Niederschlag? Was ist Abfluss? Wie messe ich Abfluss? Was ist Verdunstung? Wie messe ich Verdunstung? 6

7 Niederschlag Wasser, dass aus der Atmosphäre durch Kondensation in flüssiger Form als Regen, sich niederschlagender Nebel oder in fester Form als Reif, Schnee, Graupel oder Hagel auf die Erdoberfläche oder die auf ihr befindlichen Objekte gelangt. Niederschlagshöhe [mm] Niederschlagsspende: [l/s km2] Quotient aus Niederschlag und Fläche des zugehörigen Einzugsgebiets Niederschlagsmesser 7

8 V Hydrogeographie Wasserbilanz/Deutschland N: Mittlere Jahresniederschläge in Deutschland ( ) <600 mm mm mm DWD 1994 >1200 mm Wasserbilanz/Deutschland V: Verdunstung [mm] Die potentielle Verdunstung [mm] ist gemäß DIN , die Verdunstungshöhe von Oberflächen bei gegebenen meteorologischen Bedingungen und unbegrenzt verfügbarem Wasser. Tatsächliche Messung über Evaporimeter oder Lysimeter (Grasreferenzverdunstung) Die tatsächliche Verdunstung ist gemäß DIN , die Verdunstungshöhe von Oberflächen bei gegebenen meteorologischen Bedingungen und begrenztem Wassernachschub. Eingangsgrößen nach Turc/Ivanov: Temperatur [ C], Relative Luftfeuchte [%], Globalstrahlung [W/m2] DWD

9 Verdunstungsmesser Lysimeter DWD

10 Tatsächliche Verdunstung (Evaporation / Evapotranspiration) DWD 2013 Wasserbilanz/Deutschland V: Mittlere Jahresverdunstung in Deutschland ( ) <450 mm mm mm >550 mm Wendland et al

11 Abfluss Abflusshöhe: [mm] Quotient aus Abflusssumme und zugehörigem Einzugsgebiet Abfluss: [l/s] oder [m3/s] Wassermenge aus einem Einzugsgebiet, die den Abflussquerschnitt in der Zeit durchfließt Abflussspende: [l/s km2] Quotient aus Abfluss und Fläche des zugehörigen Einzugsgebiets 11

12 Seilkrananlage mit Messpegel Abflussmessung mit Thomson-Wehr (Uni Greifswald) 12

13 Abflussmessung mit Thomson-Wehr (Uni Greifswald) Grundwasserneubildung Bayerisches Landesamt für Umwelt 13

14 Oberflächenabfluss, Zwischenabfluss, Basisabfluss DIN Schematische Hochwasserganglinie GeoDZ.com 14

15 Wasserstandsganglinie Pegel Burghausen (Inn) Best fit-kurven Zielhofer 2005 Z Geomorph 15

16 Abflussregime des Rheins GeoDZ.com Wasserbilanz/Deutschland A: Mittlerer Jahresabfluss in Deutschland ( ) <100 mm mm mm mm Wendland et al mm >800 mm 16

17 Hydroklimatische Klassifikation des Raumes nach Wasserbilanzgliedern A Abflussverhältnis: Abflusshöhe [mm] Niederschlag [mm] Abflussverhältnis < 0,1 => arid Hydroklimatische Klassifikation nach dem Abflussverhältnis Baumgartner und Liebscher

18 Hydrosphäre/Wasserkreislauf V Hydrogeographie Einzugsgebiete großer Flüsse Baumgartner und Liebscher 1996 Hydroklimatische Klassifikation des Raumes nach Wasserbilanzgliedern B Hydroklimate nach Penck (1910) N > V Humid 1. Polar Bodeneis statt Grundwasser Trockengrenze V > N Arid 2. Phreatisch Wasserinfiltration in Boden 3. Semiarid zeitweise Bodenwasser 4. Vollarid Boden nie durchfeuchtet 18

19 Hydroklimatische Klassifikation des Raumes nach Wasserbilanzgliedern B Hydroklimate nach Penck (1910) N > V Humid 1. Polar Trockengrenze V > N Arid 2. Phreatisch perennierend 3. Semiarid periodisch 4. Vollarid episodisch (ephimerisch) Hydroklimagramm zur hydrologischen Bewertung der Jahreswitterung Scultetus

20 Hydroklimatische Klassifikation des Raumes nach Wasserbilanzgliedern C Weltklima-Diagramm-Atlas nach Walter und Lieth (1967) 2 mal T [Monatsdurchschnittstemperatur in C] < N [Monatsniederschlag in mm]: humid 2 mal T > N: arid Atlas mit hohem Gebrauchswert wegen der weltweiten Auflistung von Stationen Arid/humid nach Walter und Lieth a Station b Höhe ü.n.n. c Zahl der Beobachtungsjahre (eventuell erste Zahl für Temperatur und zweite für Niederschläge) d mittlere Jahrestemperatur e mittlere jährliche Niederschlagsmenge f mittleres tägliches Minimum des kältesten Monats g absolutes Minimum (tiefste gemessene Temperatur) h mittleres tägliches Maximum des wärmsten Monats i absolutes Maximum (höchste gemessene Temperatur) j mittlere tägliche Temperaturschwankung k Kurve der mittleren Monatstemperaturen l Kurve der mittleren monatlichen Niederschläge (im Verhältnis 10 C = 20 mm) mdürrezeit (punktiert) n humide Jahreszeit (vertikal schraffiert) o mittlere monatliche Niederschläge, die 100 mm übersteigen (Maßstab auf 1/10 reduziert), schwarze Fläche p Monate mit absolutem Minimum unter 0 C (schräg schraffiert) q Monate mit mittlerem Tagesminimum unter 0 C (schwarz) r geographische Koordinaten s Kennzeichung des Jahreswechsels (Dezember-Januar), nur für Stationen südlich des Äquators 20

21 Klimadiagramm nach Walter/Liedt V Klima, Wasser Vegetation Klimadiagramm Aachen Klimadiagramm von Aachen. Die Niederschlagskurve liegt ganzjährig über der Temperaturkurve. Es handelt sich um ein vollhumides Klima. Rechts oben sind die langjährigen Mittelwerte der Lufttemperatur und der Jahresniederschlagshöhe angegeben. (Glaser et al. 2010, Datenquelle DWD) Arid/humid nach Walter und Lieth 2 mal T < N: humid 2 mal T > N: arid Zielhofer 2005 Praxis Geographie 21

22 Arid/humid nach Walter und Lieth 2 mal T > N: arid Arid/humid nach Walter und Lieth 22

23 Hydroklimatische Klassifikation des Raumes nach Wasserbilanzgliedern D Pluvio-thermischer Index nach Emberger (1955) Anwendung vor allem im Mediterranraum Neben Niederschlag wird Temperatur berücksichtigt (als Proxy für die Verdunstung) Zielhofer 2006 Geographische Rundschau 23

24 Pluviothermischer Index und bioklimatische Zonen (nach Emberger) Q2 = 2000 P / (M 2 -m 2 ) Hydroklimatische Klassifikation des Raumes nach Wasserbilanzgliedern E Klimatische Wasserbilanz nach Thornthwaite (1948) N = Verdunstung (E) + Abfluss (A) + Speicherglied (S) 24

25 Klimatische Wasserbilanz (nach Thornthwaite) Humid: P + S > pot Verdunstung (Ep) P: Monatsniederschlag in mm Ep: Pot. Verdunstung P in mm 2 mal T > N: arid S Thornthwaite 1948 Klimatische Wasserbilanz (DWD) DWD 2001/Zielhofer