Frage 1. Salinität i. Idee: Zuflüsse, sprich die Wolga, müssen das Salz im Kaspischen Meer liefern. formal. 7.8 # # 12.

Transkript

1 FALLBEISPIEL: KASPISCHES MEER Teil Hydrosphäre DAS KASPISCHE MEER: SALINITÄT, MISCHUNGSDYNAMIK, MEERESSPIEGEL- SCHWANKUNGEN, ÖLFÖRDERUNG Lösungen. Frage 1. Salinität Idee: Zuflüsse, sprich die Wolga, müssen das Salz im Kaspischen Meer liefern. mit: dm Salz,KM ~ V KM d "t ~ V KM # " ~ V KM # Q Wolga S Wolga Q Wolga = Q in=wolga! S in=wolga S Wolga = M Salz,KM : Salzmenge im Kaspischen Meer [kg] 7.8 # # 12.3 ~ 16 '000 y 0.2 V KM : Volumen des Kaspischen Meeres Q Wolga : Zufluss Wolga [km 3 y -1 ], S Wolga : Salinität im Kaspischen Meer und in der Wolga [g kg -1 ] qualitativ. Der Karabaraz Golf (KG) ist für die Wasserbilanz des KMs völlig vernachlässigbar. Doch als Salzpfanne, wo effektiv Salz als 'Sediment' abgelagert wird, kontrolliert / reguliert er den Salzhaushalt und das Salzbudget des KMs. dm Salz,KM d( V ~ V KM! ) KM = " Salzflüsse = Q Wolga # S Wolga + Q Niederschlag # Q Niederschlag $ Q Verdunstung # S Verdunstung $ Q KG # Annahmen: a. Seespiegelschwankungen gegenüber V KM klein b. S Niederschlag = S Verdunstung = 0 Hydrosphäre 'Kaspisches Meer' Seite 1 von 7

2 d( V KM! ) = V KM! d c. Steady state: d/ = 0 = Q Wolga " S Wolga # Q KG " V KM! d = 0 = Q Wolga " S Wolga # Q KG " $ Q KB = Q Wolga " S Wolga 300 " 0.2 = ~ 5 km! yr # Abfluss in den KM, Q KG, beträgt nur ~ 1.5% des Wolga-Zuflusses. Die Frage ist, wie (geochemisch) konservativ verhält sich die Salinität. Eine (noch) 2! robustere Abschätzung beruht auf effektiv (geochemisch) konservativen Ionen, wie SO 4 - Ionen. Diese robustere Abschätzung ergibt: Q KG Q Wolga = 1.6% iv. Nein, da sonst der Salzgehalt deutlich höher wäre. Aus i. folgt, dass sich der Salzgehalt bereits nach 16 kyr verdoppeln würde. Frage 2. Mischungsdynamik Idee: Vergleich der Temperatur der maximalen Dichte und Schmelzpunktstemperatur (siehe Skript). a. Temperatur der Maimalen Dichte T ρmax T ρmax = x S [ o C] mit S = 12.3 folgt T ρmax ~ 1.3 o C b. Schmelztemperatur T SP T SP = x S [ o C] mit S = 12.3 folgt T SP ~ -0.7 o C T ρmax > T SP Das KM-Wasser verhält sich damit physikalisch ähnlich wie Süsswasser und damit gleicht das KM in seinem physikalischen Verhalten einem (Frischwasser) See. Hydrosphäre 'Kaspisches Meer' Seite 2 von 7

3 Idee: Dichte im Oberflächenwasser mit Dichte im Tiefenwasser vergleichen. Die Wasserdichte ihrerseits ist aber eine Funktion von Temperatur T und Salinität S. 1. Sommer Situation im Mittelbecken (siehe Figur 1) T Oberfläche ~ 20 o C, S Oberfläche ~ 12.1, T Tiefenwasser ~ 4.8 o C, S Tiefenwasser ~ Dichteunterschied zwischen Oberflächen- und Tiefenwasser: a. Temperatur ρ T = ρ TW - ρ OW = x [( ) 2 - (20-1.3) 2 ] = kg m -3 b. Salz Nach Figur 1 ist die Salinität des Oberflächenwassers ~ 0.47 geringer als im Tiefenwasser (warum?) S = S TW - S OW = 0.47 ρ S ~1000 x S = 0.47 kg m -3 c. Total ρ Total = ρ T + ρ S ~ 2.6 kg m Winter Situation im Mittelbecken: maximaler Dichte Unterschied, wenn Oberflächenwasser auf T = T ρmax auskühlt. T Oberfläche ~ 1.3 o C, S Oberfläche ~ 12.1, T Tiefenwasser ~ 4.8 o C, S Tiefenwasser ~ Dichteunterschied zwischen Oberflächen- und Tiefenwasser: a. Temperatur ρ T = kg m -3 b. Salz Gleich wie in der Sommersituation. S = S TW - S OW = 0.47 ρ S ~1000 x S = 0.47 kg m -3 c. Total ρ Total = ρ T + ρ S ~ 0.33 kg m -3 Im Sommer ist das KM stark geschichtet. Im Winter ist die Schichtung zwar schwächer, bleibt jedoch vorhanden, da die mit der Tiefe zunehmende Salinität die Wassersäule stabil hält. Hydrosphäre 'Kaspisches Meer' Seite 3 von 7

4 Antwort folgt unmittelbar aus ii: Die winterliche Auskühung reicht nicht aus, um die Dichteschichtung infolge der mit Tiefe zunehmenden Salinität zu überwinden, selbst wenn das OW auf T ρmax ~ 1.3 o C abkühlt Tiefenwasser kann nur gebildet werden, wenn das Oberflächenwasser dichter als das Tiefenwasser ist: ρ OW > ρ TW Damit das gilt, muss dem OW Salz zugefügt werden! Die Salinität im OW kann zu nehmen durch: a. Eisbildung: Salz wird im Wasser aufkonzentriert. b. OW muss über die Sommer 'eingedickt' werden, d.h. die Verdunstung erhöht die OW Salinität. Dies kann geschehen: b1. durch stärkere Evaporation (eher unwahrscheinlich, warum?) b2. Weniger Frischwasserzufluss. Doch fliesst weniger Wasser zu, wird der Seespiegel des KMs fallen. Fallende Seespiegel begünstigen die Tiefenwassererneuerung. iv. Dichte im Mittelbecken ρ MB ist grösser als die Dichte im Südbecken ρ SB, da T MB < T SB, Koeffizient der thermischen Expansion α > 0 S MB > S SB Daraus ergibt sich aber ein Problem. Die grossen Zuflüsse münden ins Nord- und ins Mittelbecken. Deshalb wäre zu erwarten, dass das Mittelbecken weniger salzig als das Südbecken wäre. Die erhöhte Salinität im Tiefenwasser des MB könnte damit ein Hinweis sein, dass im Winter (und nahe bei der Eiskante im Norden) effektiv kaltes & salziges Wasser gebildet wird, dass dann wegen seiner grossen Dichte an die nächste tiefste Stelle, d.h. in den tiefsten Bereich des MBs absinkt. Über die gesamte Wassersäule ist die Dichte im Mittelbecken in jeder Tiefe grösser als die Dichte im Südbecken. ρ MB [z] > ρ SB [z], da T MB [z] < T SB [z] und S MB [z] > S SB [z] Es treten damit ausgeprägte horizontale Dichtegradienten auf und Wasser muss horizontal von Norden nach Süden strömen: Mittelbeckenwasser strömt über die Schwelle bei Baku ins Südbecken. Hydrosphäre 'Kaspisches Meer' Seite 4 von 7

5 Frage 3. Meeresspiegelschwankungen Idee: Der Seespiegel und damit das Volumen [m 3 ] des KMs nehmen zu, wenn die Wassereinträge, gegeben durch Zufluss (Q [m 3 s -1 ]) und direkten Niederschlag (N [m 3 s -1 ]), grösser sind als Verdunstung / Evaporation, E [m 3 s -1 ]. Q, N und E sind alle zeitlich variabel und lassen sich als Summe von Mittelwert, x, und zeitlicher Fluktuationen x'(t) auffassen. dv = N + Q! E = N + N'(t) = N'(t) + Q '(t)! E'(t) V steigt, wenn: dv > 0! N'(t) + Q '(t) > E'(t) Volumen steigt, wenn ( ) + ( Q + Q '(t))! ( E + E'(t) ) - N'(t) und / oder Q'(t) grösser werden, oder - E'(t) kleiner wird. Zu den einzeln Termen: a. Evaporation E'(t): E'(t) wird durch Sonneneinstrahlung / Wärmeflüsse kontrolliert. Beide Faktoren ändern sich nur über lange Zeiträume und bleiben auf kurzen Zeitskalen praktisch konstant. b. Niederschlag N'(t), Zufluss Q'(t): N'(t) und Q'(t) hängen davon ab, wie viel Niederschlag direkt über dem KM oder seinem Einzugsgebiet (hauptsächlich das Einzugsgebiet der Wolga) niedergeht. Die Niederschlagsverhältnisse lassen sich kurzfristig stark ändern. Der Seespiegel des KMs (SSKM) wird zumindest kurzfristig durch Niederschläge gesteuert: SSKM (N, Q), SSKM (N, Q) Idee: Die Salzmenge im KM bleibt kurzfristig konstant. Damit wird die Salinität bei steigendem Seespiegel abnehmen, da das zuströmende Frischwasser das Wasser im KM 'verdünnt'. Hydrosphäre 'Kaspisches Meer' Seite 5 von 7

6 Die Veränderungen werden klar im Oberflächenwasser des KMs am stärksten sein, da sich Frischwasser hauptsächlich oberhalb der Sprungschicht einschichtet (siehe Figur 1). Deshalb sind Salinitätsänderungen hauptsächlich im Oberflächenwasser zu beobachten. Annahme: Salzmenge M S bleibt konstant. d [ V! KM]=! 0 = dv KM! + V KM! d " dv KM V KM = # d Salzveränderungen betreffen jedoch hauptsächlich Oberflächenwasser (OF), Tiefenwasserkörper (TW) bleibt praktisch unverändert. mit: dv KM = d( V TW +V OF ) =! dv OF V OF = z OF! A OF z OF : Tiefe der Oberflächenschicht [m], A OF : Fläche der Oberflächenschicht [m 2 ] dv OF = dz OF x A OF + z OF x da OF Annahmen: a. dz OF klein, da OF ~ 0 (sinnvoll?) b. Mächtigkeit der jährlich durchmischten Oberflächenschicht, z OF, ~ 50m, c. Seit 1977 stieg der Seespiegel des KMs um ~ zwei Meter: dz OF ~ 2m! d = dv KM V KM = dv OF V OF = dz OF z OF =! ds OF!dS OF = " dz OF z OF # 12.3 " 2 50 # 0.5 Diese Abschätzung passt gut zu den gemessenen Daten. Nach Figur 1 (siehe Lösung 2. ii.) weist das Oberflächenwasser im Mittelbecken eine um ~ 0.47 kleinere Salinität als das Tiefenwasser auf. Die Tracerdaten zeigen, dass die Tiefenwasserbildung ~ 1977 aussetzte, genau dann als der Seespiegel des KMs anzusteigen begann. Dies lässt sich verstehen: Seespiegel des KMs steigt Frischwasser schichtet sich im Oberflächenwasser des KMs ein und verhindert wegen seiner geringen Dichte die Tiefenwasserbildung. Sofern SSKM weiter steigt, bleibt die Tiefenwasserbildung weiter reduziert. Hydrosphäre 'Kaspisches Meer' Seite 6 von 7

7 Wegen der reduzierten Tiefenwassererneuerung nimmt der Sauerstoffkonzentration im Tiefenwasser ab und anoxische Verhältnisse breiten sich aus. Dieses Konzept der Tiefenwasserbildung des KMs passt gut den dokumentierten Daten überein. Frage 4. Ölförderung Leichtflüchtige Kohlenwasserstoffe (KW) entweichen durch Gasaustausch in Atmsphäre. Schwerflüchtige ('teerartige') KW sind dichter als Wasser und sinken damit auf Grund ab. Öl schwimmt auf Wasser und bildet einen Ölfilm. Dadurch wird die Verdunstung unterdrückt, so dass die Salinität im Oberflächenwasser über das Jahr hinweg weniger stark ansteigen kann. Dadurch wird in der Tendenz der Dichteunterschied zwischen Oberflächen- und Tiefenwasser verstärkt, was der Tiefenwasserbildung entgegen wirkt. Ölteppiche werden von den Oberflächenströmungen mitgenommen. Die Zuflüsse ('Wolga') münden im Norden. Das Flusswasser wird Coriolisablenkung folgend nach rechts also nach Süden ablenkt und erzeugt zusammen mit dem eingemischten KM-Wasser eine küstennahe Strömung in Richtung Baku und weiter ins Südbecken. Ölteppiche, erzeugt durch die Förderanlagen vor Baku, werden nach Süden in Richtung Iran treiben. Hydrosphäre 'Kaspisches Meer' Seite 7 von 7