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Ein Buch Von Rainer Crummenerl Illustrationen von Gerd Ohnesorge
Vorwort Luft und Wasser sind etwas so Alltägliches und Selbstverständliches lohnt es sich, darüber nachzudenken, werden viele von uns fragen. Schließlich kommt Wasser aus dem Wasserhahn, und Luft zum Atmen ist ausreichend vorhanden. Sobald es aber im Sommer einige Wochen nicht geregnet hat, die Stadtluft nur noch nach Abgasen riecht und den Menschen das Atmen schwerfällt, wird sich manch einer schon bewusst, wie notwendig diese Elemente für das Leben auf der Erde sind: Der Mensch kann wochenlang ohne Nahrung überleben, aber nur wenige Tage ohne Wasser und keine 15 Minuten ohne den Sauerstoff der Luft. Schon vor Jahrhunderten waren die Gelehrten von diesen beiden Stoffen fasziniert, und sie bemühten sich, die Bestandteile und Eigenschaften der Luft und des Wassers zu ergründen. Dieses WAS IST WAS-Buch berichtet von den interessanten Erkenntnissen, die sie und Wissenschaftler aus neuerer Zeit über das Wesen dieser beiden Stoffe gewinnen konnten. Es zeigt aber auch das Wirken von Luft und Wasser in den unterschiedlichsten Bereichen der Natur, und es schildert, wie sehr unser Leben an diese beiden Stoffe gebunden ist. Darüber hinaus erfährt der Leser, wie der Mensch die Kraft des Wassers und auch die der Luft technisch nutzt und welche Anstrengungen es kostet, dass uns diese beiden wertvollen Rohstoffe auch weiterhin ausreichend und in guter Qualität zur Verfügung stehen. BAND 48 Die Schreibweise entspricht den Regeln der neuen Rechtschreibung. Bildquellennachweis: Fotos: Agentur Focus/Science Photo Library, Hamburg: S. 4r, 5om (2), 7u (2), 13r, 14r, 24or (Altostratus), 25or (Cirruswolken), 32ol; Archiv Tessloff Verlag, Nürnberg: S. 1, 2/3, 4l, 5l, 5u, 6o, 10ur, 15, 24mr, 25om (Cumuluswolken), 25um (2), 29, 31or, 31ml, 35u, 36o, 37, 38 (2), 40r, 41 (2); Corbis, Düsseldorf: S. 7o, 8 (4), 9 (2), 10ul, 10ol, 11, 13l, 14l, 16o, 17 (2), 18 (2), 19 (2), 20u (2), 22, 23 (2), 24ol, 26 (3), 27, 28, 28/29, 31ur, 32mr, 32ur (Kind), 34, 35o, 39 (2), 43m, 48; Picture-Alliance, Frankfurt: S. 12, 16u, 20o, 21, 33, 36u, 40l, 42, 43o, 44, 45, 46, 47 (2) Umschlagfotos: Corbis Images: J. Merrill (Baum); Getty Images: Drachenflieger; istockphoto: A. Weber (Wolkenhimmel), Pgiam (Luftblase), Plainview (Wasseroberfläche), Sturmwarnung (Eiswasser) Covergestaltung: Antje Ickler; Grafik: Johannes Blendinger, Nürnberg; Illustrationen: Gerd Ohnesorge Halle/Saale; Bildredaktion: Katja Filler; Christine Schmidt-Rudloff; Lektorat: Sabine Stauber Copyright 2010, 2006 TESSLOFF VERLAG, Burgschmietstraße 2 4, 90419 Nürnberg www.tessloff.com www.wasistwas.de Das für diese Produktion verwendete Inhaltspapier Arctic matt liefert Gryxbo, Schweden. Die Verbreitung dieses Buches oder von Teilen daraus durch Film, Funk oder Fernsehen, der Nachdruck, die fotomechanische Wiedergabe sowie die Einspeicherung in elektronische Systeme sind nur mit Genehmigung des Tessloff Verlages gestattet. ISBN: 978-3-7886-2880-2 2
Inhalt Ein Blick in die Geschichte Gab es schon immer Luft? 4 Woher kam das Wasser der Erde? 6 Entstand das Leben im Wasser? 6 Gibt es Leben ohne Luft und Wasser? 7 Was bedeuteten Luft und Wasser im Altertum? 9 Die wichtigsten Eigenschaften von Luft und Wasser Woraus besteht Luft? 10 Hat Luft ein Gewicht? 11 Kann man Luft zusammenpressen? 12 Die erste Luftpumpe 13 Woraus setzt sich Wasser zusammen? 13 Die Aggregatzustände des Wassers 14 Warum frieren Seen nicht vom Grund her zu? 15 Warum platzen Wasserrohre im Winter? 16 Hat Wasser eine Haut? 16 Die schwimmende Büroklammer 17 Was bewirkt Seife beim Waschen? 17 Luft und Wasser in der Natur Gibt es auch im Weltall Luft? 18 Gefährliches Ozonloch 19 Was bedeutet Luftdruck? 19 Luft und Wasser auf anderen Planeten 20 Warum werden wir nicht von der Luft erdrückt? 21 Wie kann man den Luftdruck messen? 21 Warum trocknet Wäsche? 22 Luft, Wasser und das Wetter 24 Woher kommt der saure Regen? 26 Warum müssen wir mit Wasser sparsam umgehen? 26 Luft und Wasser im täglichen Leben Warum brauchen wir Sauerstoff zum Atmen? 28 Atmen auch die Pflanzen? 29 Atmung der Pflanzen 29 Wie trinken Bäume? 30 Was heißt ein Gewässer kippt um? 31 Leben im Wassertropfen 32 Wie wird schmutziges Wasser wieder sauber? 32 Gibt es flüssige Luft? 34 Wie wird aus dem Stickstoff der Luft Pflanzendünger? 35 Kann Wasserstoff Benzin ersetzen? 36 Knöllchenbakterien 36 Was ist Aqua destillata? 37 Wie die Kraft des Wassers und der Luft genutzt wird Wer erfand das Segelschiff? 38 Wie arbeitet ein Wasserrad? 39 Was ist ein Windpark? 40 Fliegen, Schwimmen, Tauchen 40 Warum steigt ein Drachen? 41 Wer war Archimedes? 42 Wie sinken und steigen U-Boote? 44 Wie hoch kann ein Ballon steigen? 44 Was heißt hydraulisch? 45 Wie funktioniert eine Dampfmaschine? 46 Index 48 3
Ein Blick in die Geschichte Wir atmen sie ein, können sie aber weder sehen Gab es schon immer Luft? noch fassen und auch nicht riechen oder schmecken. Nur der Wind lässt uns fühlen, dass da etwas ist Luft. Atmosphäre (griechisch: atmos = Dampf; sphaira = Kugel) nennen wir die jetzige Lufthülle unserer Erde. Heute wissen wir, dass die Atmosphäre nicht immer so beschaffen war wie die gegenwärtige. Unser Planet muss im Laufe seiner Geschichte von drei anders zusammengesetzten gasförmigen Hüllen umgeben gewesen sein. Die erste wurde aus dem Rest des Urnebels bei der Unsere Erde vor etwa vier Milliarden Jahren; in den Meeren leben bereits Einzeller. In der Atmosphäre ist noch sehr wenig Sauerstoff vorhanden. Aufgrund ihres großen Wasserreichtums wird die Erde auch blauer Planet genannt. 4
WASSERREICHER PLANET Der gesamte Wasserschatz der Erde beträgt rund 1.386.000.000 Milliarden Kubikmeter. Das entspricht nahezu 28 Millionen Mal dem Inhalt des Bodensees. Die Salzwassermassen der Ozeane bedecken fast drei Viertel der Erdoberfläche. Süßwasser gibt es sehr viel weniger. Es ist in Eisbergen und Gletschern, in Flüssen und Seen, aber auch unterirdisch gespeichert. Kein anderer Planet unseres Sonnensystems verfügt über so viel Wasser wie unsere Erde. Die anderen Himmelskörper umkreisen die Sonne in solchen Abständen, dass das Wasser entweder zu ewigem Eis erstarrt oder verdampft ist. Drei Viertel der Süßwasserreserven sind im Eis der Antarktis gespeichert. LUFT- UND WASSERMENGE DER ERDE Die gesamte Luft- und Wassermenge der Erde, dargestellt in Kugelform. In dieser Darstellung wird deutlich, wie begrenzt unser Vorrat an Wasser (blaue Kugel, Durchmesser 1 390 Kilometer) und Luft (rosa Kugel, Durchmesser 1 999 Kilometer) ist. Entstehung der Erde vor vier oder fünf Milliarden Jahren gebildet. Sie bestand aus den leichten Gasen Helium und Wasserstoff, Stickstoff und Kohlenstoff. Kohlenstoff verband sich mit Wasserstoff zu Methan. Aus Stickstoff und Wasserstoff entstand Ammoniak und Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff, der bisher nur in geringen Mengen vorhanden war. In dieser zweiten Atmosphäre gab es bereits Leben: Archaebakterien, die Methan und andere Gase veratmen. Dabei produzierten sie in den Urgesteinen nachweisbare Verbindungen aus Kohlenstoff. Mithilfe der Ultraviolettstrahlung der Sonne verbanden sich Kohlenstoff und Sauerstoff zu Kohlendioxid, Stickstoff blieb frei die dritte Atmosphäre war geboren, vermutlich vor zwei Milliarden Jahren. Wahrscheinlich gäbe es sie auch heute noch, wenn sie nicht durch etwas verändert worden wäre, zu dessen Existenz sie selbst beigetragen hatte: durch das Leben auf der Erde. Die (grünen) Pflanzen waren es, die durch die Umwandlung von Kohlendioxid mithilfe von Sonnenenergie, Wasser und Chlorophyll (grüner Farbstoff) in Sauerstoff und Kohlenhydrate (Zucker) zu unserer heutigen Atmosphäre beitrugen. Bei diesem Vorgang, den wir als Photosynthese bezeichnen, entstehen aus anorganischen Stoffen (Kohlendioxid, Wasser) organische Stoffe (Zucker, Stärke) und Sauerstoff. Der Sauerstoffgehalt der Lufthülle unseres Planeten stieg durch die Photosynthese der Pflanzen an. Jetzt erst konnten sich Sauerstoff atmende Tiere entwickeln. Durch die Photosynthese der grünen Pflanzen erhöhte sich die Menge des Sauerstoffs in der Atmosphäre. 5
Woher kam das Wasser der Erde? Als die Erde von ihrer zweiten Atmosphäre umgeben war, entstand Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff. Es bildeten sich schließlich jene riesigen Wassermengen, die als sintflutartige Wolkenbrüche oder, wie manche Wissenschaftler meinen, schwere Eisbrocken auf die immer noch heiße Erdoberfläche niedergingen. Anfangs verdampfte das Wasser noch und kehrte in die Atmosphäre zurück. Aber allmählich kühlte sich die Erde ab. Nach Millionen von Jahren war ihre Temperatur so weit gesunken, dass sich das Regenwasser in flachen Tälern und tiefen Seen sammeln konnte; das Urmeer entstand. Sein Wasser enthielt wie alle gegenwärtigen Meere bereits Salze, die der Jahrtausende währende Regen aus den Gesteinen der Erdkruste gelöst hatte. Da aus dem Meer jährlich eine Wasserschicht von über einem Meter Dicke zu Wolken verdampft, das Salz jedoch zurückbleibt, enthält jeder Liter Ozeanwasser heute 35 Gramm Salz. Erst Wasser, darüber sind sich Forscher heute einig, ermöglichte die Ent- Entstand das Leben wicklung von im Wasser? Pflanzen und Tieren. Vermutlich begann das Leben bereits vor vier Milliarden Jahren kaum dass sich die zweite Atmosphäre und Wasser gebildet hatten. In jener Zeit entstanden in flachen Buchten des Urozeans chemische Verbindungen, die sich vermehren und zu neuen Formen umgestalten konnten die allerersten Bausteine des Lebens. Das Sonnenlicht und die gewaltigen elektrischen Entladungen der in den heißen Wolken tobenden Gewitter wirkten dabei als Energiespender. Andere Wissenschaftler vermuten den Ursprung des Lebens in der Nähe heißer Quellen am Boden der Ozeane. Dort, so glauben sie, hätten Als die Temperatur auf der urzeitlichen Erde weit genug abgesunken war, entstand das Urmeer. 6
Die Frühzeit des Lebens dauerte zwei bis drei Milliarden Jahre. Damals existierten nur winzige Einzeller, Blaualgen und Urbakterien. Höher entwickelte Meeresalgen sowie Meerestiere traten erst im Erdaltertum vor 570 Millionen Jahren auf. Wir kennen sie von vielen Versteinerungen. Noch viel später, vor etwa 350 Millionen Jahren, wuchsen Landpflanzen, und die ersten Wirbeltiere verließen das Wasser und bewegten sich vierfüßig an Land. Unabhängig vom Wasser sind Pflanzen und Tiere aber nie geworden. Nahe heißer Quellen vermuten einige Wissenschaftler den Ursprung des Lebens; hier eine heiße Quelle im Yellowstone National Park (USA). sich Moleküle an schwefligen Mineralbrocken angelagert und so den Ur-Stoffwechsel ausgelöst. Die Energie für diese chemischen Reaktionen habe die Verbrennung des Schwefelwasserstoffs geliefert. Diese Auffassung vertreten immer mehr Wissenschaftler, seit Meeresforscher vor wenigen Jahren in den Vulkanregionen der Tiefsee heiße Quellen und Hitze liebende Bakterien entdeckt haben. Diese Bakterien zählen zur Gruppe der Archaebakterien und decken ihren Energiebedarf noch immer so wie einst. Alles, was lebt, muss auch den Sauerstoff der Gibt es Leben ohne Luft und Wasser? Luft atmen mit Ausnahme einiger mikroskopisch kleiner Organismen. Manche dieser Mikroben können bei Sauerstoffmangel auf eine Art Notatmung ausweichen. Die Gärung, so nennt man diesen Abbauvorgang ohne Sauerstoff, stammt aus der Urzeit des Lebens, als es auf der Erde noch keinen Sauerstoff gab. Für andere Mikroben wiederum, die Methanbakterien zum Beispiel, sind schon geringste Mengen von Sauer- Die ersten Einzeller entwickelten sich im Wasser; im linken Bild ein Strahlentierchen, rechts zahlreiche Augentierchen, die Photosynthese betreiben können. 7
BAND 48 BAND 48 Luft und Wasser sind für uns etwas Alltägliches: Von Luft sind wir umgeben. Wasser begegnet uns als Regen, in Seen oder in Flüssen und es kommt ganz selbstverständlich aus der Leitung. Ohne diese beiden Stoffe wäre das heutige Leben auf unserem Planeten nicht möglich. Woraus besteht Luft? Atmen auch die Pflanzen? Wie trinken Bäume? Warum steigen Drachen? Rainer Crummenerl berichtet in Rainer Crummenerl diesem WAS IST WAS-Buch von den Eigenschaften dieser für unsere Erde so notwendigen Stoffe. Er erklärt, wie Wind, Wolken, Regen und Schnee entstehen und wie Luft und Wasser zur Fortbewegung genutzt werden. Wir erfahren auch, wie schmutziges Wasser wieder sauber wird und warum wir mit Wasser sparsam umgehen müssen. In dieser Reihe bereits erschienen: 1 Unsere Erde 2 Der Mensch 3 Energie 4 Chemie 5 Entdecker und ihre Reisen 6 Die Sterne 7 Das Wetter 8 Das Mikroskop 9 Der Urmensch 10 Fliegerei und Luftfahrt 11 Hunde 12 Mathematik 13 Wilde Tiere 14 Versunkene Städte 15 Dinosaurier 16 Planeten und Raumfahrt 17 Licht und Farbe 18 Der Wilde Westen 19 Bienen, Wespen und Ameisen 20 Reptilien und Amphibien 21 Der Mond 23 Architektur 24 Elektrizität 25 Schiffe 27 Pferde 28 Akustik 29 Wissenschaften 30 Insekten 31 Bäume 32 Meereskunde 33 Pilze 34 Wüsten 35 Erfindungen 36 Polargebiete 37 Computer und Roboter 38 Säugetiere der Vorzeit 39 Magnetismus 40 Vögel 41 Fische 42 Indianer 43 Schmetterlinge 44 Die Bibel. Das Alte Testament 45 Mineralien und Gesteine 46 Mechanik 47 Elektronik 48 Luft und Wasser 49 Sport 50 Der menschliche Körper 51 Muscheln, Schnecken, Tintenfische 52 Briefmarken 53 Das Auto 54 Die Eisenbahn 55 Das alte Rom 56 Ausgestorbene und bedrohte Tiere 57 Vulkane 58 Die Wikinger 59 Katzen 60 Die Kreuzzüge 61 Pyramiden 62 Die Germanen 63 Fotografie 64 Die alten Griechen 65 Eiszeiten 66 Geschichte der Medizin 67 Die Völkerwanderung 68 Natur 69 Fossilien 70 Das alte Ägypten 71 Piraten 72 Heimtiere 73 Spinnen 74 Naturkatastrophen 75 Fahnen und Flaggen 76 Die Sonne 78 Geld 79 Moderne Physik 80 Tiere wie sie sehen, hören und fühlen 81 Die sieben Weltwunder 82 Gladiatoren 83 Höhlen 84 Mumien 85 Wale und Delfine 87 Türme und Wolkenkratzer 88 Ritter 89 Menschenaffen 90 Der Regenwald 91 Brücken und Tunnel 92 Papageien und Sittiche 93 Die Olympischen Spiele 94 Samurai 95 Haie und Rochen 96 Schatzsuche 97 Zauberer, Hexen und Magie 98 Kriminalistik 99 Sternbilder und Sternzeichen 100 Multimedia und virtuelle Welten 101 Geklärte und ungeklärte Phänomene 102 Unser Kosmos 104 Wölfe 105 Weltreligionen 106 Burgen 107 Pinguine 108 Das Gehirn 109 Das alte China 110 Tiere im Zoo 112 Fernsehen 113 Europa 114 Feuerwehr 115 Bären 116 Musikinstrumente 117 Bauernhof 118 Mittelalter 119 Gebirge 120 Polizei 121 Schlangen 122 Bionik 123 Päpste 124 Bergbau 125 Klima 126 Deutschland 127 Ernährung 128 Hamster, Biber und andere Nagetiere 129 Lkw, Bagger und Traktoren ISBN 978-3-7886-2880-2 0 0 9 9 5 08/10 9 7 8 3 7 8 8 6 2 8 8 0 2 Europreis [D] www.tessloff.com www.wasistwas.de