Wasser

Wasser (H2O) ist eine chemische Verbindung aus den Elementen Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H). Es besteht aus Molekülen, gebildet aus je zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Wasser bedeckt 71 % der Erdoberfläche und doch ist flüssiges Wasser im Universum eher eine Rarität. Bislang sucht man es im Weltall jedenfalls vergebens. Wasser kann je nach Druck und Temperatur auch fest oder gasförmig sein und ist über einer kritischen Temperatur gar keinem Aggregatzustand mehr zuzuordnen. So kann Eis in zehn verschiedenen Formen vorkommen, wie Forscher herausfanden.

Im täglichen Leben kommt Wasser in allen drei Aggregatzuständen vor:

• fest, z.B. als Eiswürfel,
• flüssig, z.B. im Trinkglas und
• gasförmig, z.B. im Dampfkochtopf.

Nur wenn flüssiges Wasser vorhanden ist, kann sich eine belebte Natur entwickeln, wie wir sie kennen. In den Ökosystemen ist Wasser begrenzender Faktor der Produktivität. Es ist essentiell für den Stoffwechsel von Lebewesen (Biosphäre) sowie für die Herausbildung und Prägung ihrer Standorte (Erdatmosphäre/Klima). Niederschläge speisen Gewässer und Grundwasser als Ressource für das Pflanzenwachstum und als Trinkwasser für Mensch und Tier.

„Es ist wohl ausgemacht, daß nächst dem Wasser, das Leben das Beste ist, was der Mensch hat...“, schreibt Georg Christoph Lichtenberg (1742 – 1799) in seinen berühmten Sudelbüchern. Tatsächlich besteht der Mensch zu mehr als zwei Dritteln aus Wasser. Es ist nicht nur Lösungsmittel für viele Stoffe, sondern wirkt aktiv an biomolekularen Prozessen mit. Will man diese Funktionen verstehen, muß man die Eigenschaften des Wassers auch über weite Temperatur- und Druckbereiche kennen.

Weitere Einzelheiten zum Thema stehen auch im Kapitel Physik des Wassers.

Phasenübergänge des Wassers

Die wichtigste Energiequelle, aus der sich die enorme Wetterwirksamkeit des Wasser speist, sind die Phasenübergänge zwischen den verschiedenen Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig. Die verschiedenen Aggregatzustandsänderungen haben spezielle Bezeichnungen:

• Schmelzen und Erstarren,
• Sieden und Kondensieren,
• Sublimieren und Resublimieren,
• Verdunsten und Verdampfen.

Jeder dieser Übergange des Wassers ist mit einer Energieänderung verbunden. Dies bedeutet, daß entweder Energie aufgewendet werden muß oder aber Energie frei wird. Für alle diese Änderungen gilt:

• Während einer Aggregatzustandsänderung bleibt die Temperatur des betreffenden Körpers gleich.
• Während einer Aggregatzustandsänderung ändert sich die thermische Energie eines Körpers.
• Mit einer Aggregatzustandsänderung verändert sich zumeist auch das Volumen des Körpers.

Bereits zum Thema "Kinetische Gastheorie" wurde dargestellt, wie ein trockenes Gas durch eine Änderung seiner Temperatur auch sein Volumen ändert und es dadurch zu Aufstiegs- und Absinkvorgängen kommt. Soeben im Abschnitt "Wasserdampf und Luftdichte" ist ausgeführt worden, daß feuchte Luft eine geringere Dichte als trockene Luft aufweist, was allein schon zu Hebungsvorgängen führt. Entscheidend für die besondere Wetterwirksamkeit des Wasserdampfs der Atmosphäre sind jedoch die Phasenübergänge des Wassers. Wie das Schaubild rechts oben zeigt, ist jeder dieser Übergange des Wassers ist mit einer Energieänderung verbunden. Dies bedeutet, daß für jeden Phasenübergang entweder Energie aufgewendet werden muß oder aber Energie frei wird.

Damit Wasser vom festen in den flüssigen Zustand übergeht, sind unter Standardbedingungen ca. 334 J/kg Energie erforderlich (Schmelzenergie). Für den Übergang von der flüssigen in die gasförmige Phase ist eine Energiemenge erforderlich, die als Verdunstungs- bzw. Verdampfungsenergie bezeichnet wird. Der dafür erforderliche Energieaufwand ist von der Temperatur abhängig: bei 100 °C sind es ca. 2.260 J (Verdampfen), bei 15 °C hingegen 2.501 J/g (Verdunsten). Wasser benötigt übrigens wieder die größte Verdampfungswärme von allen Stoffen (2,26 MJ/kg). Diese Energie "steckt" im gasförmigen Zustand als sog. latente Energie (siehe dazu auch: Latente Energie - die verborgene Kraft des Wassers). Das Wasser befindet sich damit in der energetisch höchsten Phase. Bei den umgekehrten Prozessen, Kondensation und Gefrieren, wird die aufgewendete Verdunstungs- und Schmelzenergie wieder frei. Wasser kann aber auch direkt von der energetisch niedrigsten Phase (fest) in die höchste, gasförmige Phase übergehen. Dazu ist die Sublimationsenergie von 2.835 J/g erforderlich, die im umgekehrten Fall wieder frei wird. Diese Sublimationsenergie setzt sich ungefähr aus Verdunstungs- und Schmelzenergie zusammen.

Diese latente Wärme spielt in Bezug auf die Phasenübergänge des Wassers in der Erdatmosphäre in der Meteorologie eine wichtige Rolle. Ein Großteil der Sonnenenergie, welche auf die Erde trifft, z.B. auf feuchte Oberflächen oder auf Wasserflächen, wird in die Verdunstung von Wasser investiert. Dabei werden bei 20 °C etwa 2.450 Kilojoule pro Kilogramm Wasser umgesetzt. Eine Änderung der Lufttemperatur tritt dabei nicht auf, vielmehr bleibt die Energie im gasförmigen Aggregatzustand des Wassers als latente Wärme gespeichert. Da diese Speicherung reversibel ist, wird diese Energiemenge wieder frei, wenn ein aufsteigendes Luftpaket das Kondensationsniveau erreicht und der Wasserdampf kondensiert. Die ursprünglich am Boden durch die Sonneneinstrahlung aufgenommene Energie wird also in größeren Höhen wieder frei und führt dort zu einer Temperaturerhöhung. Dadurch kommt es zur Ausbildung eines feuchtadiabatischen Temperaturgradienten, die Atmosphäre wird also nach oben langsamer kälter, als ohne die latente Wärme bei einem trockenadiabatischen Gradienten zu erwarten wäre

Diese Phasenübergänge und die damit verbundenen energetischen Prozesse (Ernergieaufwand bzw. Energiefreisetzung sind die wesentlichen Antriebe für unser Wetter. Weitere Einzelheiten dazu stehen im Abschnitt Thermodynamik bzw. in den Kapiteln Temperaturgradient und Wasserdampf.

Verdunstung und Kondensation

Betrachten wir den Fall der Verdunstung und Kondensation von Wasser. Regenwasser verdunstet in der Sonne, da die durch die Strahlung zugeführte Wärmeenergie das Wasser vom flüssigen Zustand in den gasförmigen Zustand (Wasserdampf) überführt. Führt man etwa beim Kochen von Wasser auf einer Herdplatte relativ viel Energie zu, wird ebenfalls das Wasser verdampfen. Prinzipiell ist übrigens Verdunstung und Verdampfung dasselbe, es unterscheidet sich nur dadurch, daß es einmal unterhalb, das andere Mal oberhalb des Siedepunkts erfolgt.

Daß bei der Verdunstung von Wasser der Umgebung Energie entzogen wird, kennt jeder vom Schwimmbad her. Das Wasser verdunstet auf der Haut und kühlt diese dabei ab, man erlebt die sog. Verdunstungskälte. Bei der Verdunstung wird also Energie absorbiert. Der umgekehrte Vorgang, die Kondensation, setzt folglich Energie frei. Die Moleküle haben im gasförmigen Zustand relativ große freie Weglängen zwischen sich, bewegen sich daher mit hoher Geschwindigkeit und stoßen somit relativ selten zusammen. Beim Übergang zum flüssigen Zustand gehen die Moleküle auf einem niederenergetischen, geordneteren Zustand mit sehr viel kleineren Abständen untereinander zurück, wobei Energie freigesetzt wird. Der Wasserdampf ändert dabei seinen Aggregatzustand, er wird flüssig. Jeder kennt etwa das Kondenswasser an den Scheiben im Innern eines Autos oder an einer eisgekühlten Flasche aus dem Kühlschrank. Wasser benötigt übrigens in der freien Atmosphäre für den Kondensationsprozeß sog. Kondensationskerne in Form von fester Materie (z.B. Salzkristalle oder Staubteilchen). Ohne sie findet keine Kondensation und damit keine Wolkenbildung statt. Man hätte in einem solchen Fall unterkühlten Wasserdampf, der aber nicht auskondensiert. Betrachten wir den Fall der Verdunstung und Kondensation von Wasser. An einer Wasseroberfläche treten stets einzelne Wassermoleküle vom Wasservolumen in das Luftvolumen über. Im flüssigen Wasser sind die Wassermoleküle durch molekulare Kräfte, vor allem durch die Wasserstoffbrückenbindungen, vergleichsweise stark aneinander gebunden, wodurch sich der zusammenhängende Flüssigkeitsverbund überhaupt erst ausbilden kann. Infolge ihrer thermischen Bewegung ("Braunsche Molekularbewegung“) tragen die Wassermoleküle jedoch jeweils gewisse Beträge an kinetischer Energie, die um einen temperaturabhängigen Mittelwert herum streuen. Ein kleiner Anteil von Wassermolekülen hat daher stets genügend thermische Energie, um die Bindungskräfte der umgebenden Moleküle zu überwinden. Sie können dann die Wasseroberfläche verlassen und in das Luftvolumen übergehen, also verdunsten. Ist die Wasseroberfläche wie zum Beispiel bei einem Tropfen nach außen gekrümmt, so sind die Wassermoleküle an der Oberfläche weniger stark gebunden und können die Oberfläche leichter verlassen. Dieser Krümmungseffekt hat zur Folge, daß die Verdunstungsrate steigt. Wenn gesättigte Luft mit kleinen Nebeltröpfchen im Gleichgewicht steht, beträgt ihre relative Feuchtigkeit daher etwas über 100 %. Ist die Wasseroberfläche nach innen gekrümmt (wie zum Beispiel beim Meniskus in einer teilweise wassergefüllten Kapillare), so sind die Wassermoleküle an der Oberfläche stärker gebunden und können die Oberfläche weniger leicht verlassen – die Verdunstungsrate sinkt. Wenn gesättigte Luft in einem wasserhaltigen porösen Material mit den Menisken im Gleichgewicht steht, beträgt ihre relative Feuchtigkeit daher weniger als 100 %. Die Verdunstungsrate hängt vom Anteil derjenigen Moleküle ab, deren kinetische Energie die Bindungsenergie des Flüssigkeitsverbundes überschreitet und wird daher unter anderem von der herrschenden Temperatur bestimmt. 

Umgekehrt treffen verdunstete Wassermoleküle aus der Luft auch wieder auf die Wasseroberfläche und können dort je nach ihrer kinetischen Energie mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit vom Molekülverbund eingefangen werden, also kondensieren. Die Kondensationsrate ist sowohl abhängig von der Dichte der Wassermoleküle in der Luft als auch vom Luftdruck selbst. Die Abhängigkeit vom Umgebungsdruck bei gegebener Temperatur ist aber nur gering. Daskannbei Bedarf durch einen Korrekturfaktor berücksichtigt werden, der, abhängig von Temperatur und Druck, sich bei atmosphärischen Bedingungen im Bereich von 0,5 % bewegt.

Somit beeinflussen 4 Größen die Menge dieses Stoffaustauschs:

• die Größe und Form der Oberfläche (Verwirbelungen erhöhen diesen Wert im Vergleich zum ruhenden Wasser),
• die Temperatur des Wassers,
• die Temperatur der Luft und
• der Sättigungsgrad der Luft.

Klima

Wasser ist für das Klima der Erde von entscheidender Bedeutung und ist die Grundlage nahezu aller Wettererscheinungen, vor allem wegen seiner hohen Mobilität und Wärmekapazität. Wie im Abschnitt Phasenübergänge schon gesehen, ist sehr viel Energie notwendig, um Wasser zu erwärmen. Zugleich hat Wasser eine außerordentlich hohe Wärmespeicherkapazität, so daß die einstrahlende Sonnenenergie in den Ozeanen gespeichert wird. Bei der Erwärmung verdunstet Wasser. Dabei werden immense Mengen an Wärmeenergie "verbraucht" und im Wasserdampf als sog. "latente Wärme” gespeichert. Es entsteht Verdunstungskälte. Als „trockener“ Dampf (nicht kondensierend) und als „nasser“ Dampf (kondensierend als Wolken oder Nebel) enthält und transportiert er diese latente Wärme, die für sämtliche Wetterphänomene grundlegend ist (siehe auch Luftschichtung), über große Entfernungen. Die im Wasserdampf gespeicherte Wärmeenergie wird freigesetzt, wenn er kondensiert, also wieder flüssig wird und abregnet. Das verdunstete Wasser in der Atmosphäre trägt so wesentlich zum globalen Wärmetransport durch die Winde bei. Die Wärmekapazität des Wassers und die Phänomene der Verdunstungskälte und der latenten Wärme wirken somit ausgleichend auf das Klima und sorgen z.B. in der Nähe von großen Gewässern für gemäßigte Klimate mit geringen Temperaturschwankungen im Jahres- und Tagesgang.

In der Atmosphäre ist Wasserdampf infolge der unterschiedlichen Umweltbedingungen in höchst unterschiedlichen Konzentrationen vorhanden. Zugleich kann die Luft, abhängig von ihrer Temperatur, nur eine bestimmte Menge an Wasserdampf aufnehmen und speichern. Je wärmer die Luft ist, desto mehr Wasserdampf kann in ihr enthalten sein. Dabei kann die Luft pro Grad Temperaturunterschied ca. 6 % mehr oder weniger Wasserdampf aufnehmen (vgl. Sättigung). Deswegen unterliegt die Feuchte der Luft zeitlich und örtlich beträchtlichen Schwankungen zwischen Null (bei extremer Kälte) und 4 Volumenprozent (tropisch-heiße Luft). Die atmosphärischen Vorgänge und das Wettergeschehen insgesamt werden durch die bei Verdunstung oder Kondensation bzw. Sublimation entstehende Umwandlungswärme bzw. -kälte angetrieben. Dunst, Nebel oder Wolken verändern auch den Strahlungshaushalt der Atmosphäre durch Reflexion. Mit maximal 4 Vol % in den Tropen ist der Anteil des Wasserdampfes an der Atmosphäre gleichwohl vergleichsweise gering. Trotzdem ist der Wasserdampfgehalt der Luft durch diese Umwandlungsprozesse für viele Abläufe verantwortlich. Aufgrund der Bedeutung des Wasserdampfes für Wetter und Klima gehört die Luftfeuchte zu den wetterwirksamsten meteorologischen Elementen überhaupt.

Der in der Erdatmosphäre vorhandene Wasserdampf ist außerdem ein bedeutendes Treibhausgas und mit ca. 36 - 70 % für den natürlichen Treibhauseffekt mit verantwortlich. Dieser für den Strahlungshaushalt der Erde wichtige Effekt hat eine Erhöhung der globalen Durchschnittstemperatur von etwa -18 °C auf ein Niveau von +15 °C zur Folge. Das Leben auf der Erde wird dadurch überhaupt erst möglich. An der globalen Erwärmung ist Wasserdampf trotzdem wohl nur verstärkend, aber nicht ursächlich beteiligt, d.h. der Ausstoß von Wasserdampf (Kühltürme) trägt nicht zur Erwärmung der Erde bei. Andererseits gelten aber die in der Stratosphäre vorhandenen Spuren von Wasserdampf als besonders klimaschädlich. In den vergangenen 40 Jahren wurde in der Stratosphäre ein Zuwachs des Wasserdampfgehalts von 75 % beobachtet (polare Stratosphärenwolken) und für die Erhöhung der mittleren Temperaturen der Erde mitverantwortlich angesehen. Die Herkunft des Wasserdampfs in dieser Höhe ist wissenschaftlich noch nicht geklärt, es wird jedoch ein Zusammenhang mit der in den letzten Jahrzehnten stark angestiegenen Methanproduktion in der industriellen Landwirtschaft vermutet. Methan wird in diesen großen Höhen zu Kohlendioxid und Wasserdampf oxidiert, was allerdings nur die Hälfte des Zuwachses erklärt.

Als "trockene Luft" wird in der Meteorologie ein Luftgemisch ohne Wasserdampf bezeichnet. Von Bedeutung ist diese im wesentlichen nur bei theoretischen Überlegungen, da sie in der Natur praktisch nicht vorkommt. Tabellen zur Zusammensetzung der Luft beziehen sich in der Regel auf trockene Luft, da der Wasserdampfanteil feuchter Luft mit 0 - 4 Vol % vergleichsweise stark schwankt. Beeinflußt wird die Luftfeuchte naturgemäß von der Verfügbarkeit von Wasser, aber auch von der Temperatur und vom Grad der Durchmischung der Atmosphäre.

Auch Wolken beeinflussen das Klima, indem sie einerseits die Einstrahlung der Sonne dadurch verringern, daß ein Teil des Sonnenlichts durch Reflexion in den Weltraum zurückgestrahlt wird, zum anderen aber auch langwellige Wärmestrahlung zurückhalten. Ob Wolken letztlich zur Erwärmung oder aber zur Abkühlung führen, hängt entscheidend von ihrer Höhe und von ihrer Form ab - tiefe, wasserreiche Wolken kühlen, hohe Eiswolken wärmen. Die in den Wolken transportierte Feuchtigkeit bestimmt natürlich auch und vor allem die Niederschlagsmenge, ein weiterer wichtiger Klimafaktor.

Die regional unterschiedliche Erwärmung der Erde führt infolge der Verdunstung zu unterschiedlichen Konzentrationen der gelösten Stoffe in den offenen Meeren, da diese nicht mitverdunsten. Das führt u.a. zu einem höheren Salzgehalt. Dieses Konzentrationsgefälle erzeugt globale Meeresströmungen, die sehr große Energiemengen (Wärme) aus tropischen Regionen in nördliche Breiten transportieren (z. B. Golfstrom, Humboldtstrom, äquatorialer Strom, mitsamt ihren Gegenströmungen). Ohne den Golfstrom würde in Mitteleuropa arktisches Klima herrschen. Im Zusammenhang mit dem Treibhauseffekt stellen Ozeane die wirksamste CO2-Senke dar, da Gase wie Kohlendioxid in Wasser gelöst werden. Die mit der globalen Erwärmung einhergehende Temperaturerhöhung der Weltmeere führt zu einem geringeren Haltevermögen an Gasen (wie z.B. bei warmem Sprudel) und damit zu einem Anstieg des CO2 in der Atmosphäre.

Der aus Wolken fallende Niederschlag und der Wasserdampf (Auskämmung und Photosynthese bzw. Atmung) bewässern die terrestrischen Ökotope. Auf den Landmassen können so Gewässer oder Eismassen entstehen, die auch meso- und mikroklimatische Wirkungen haben. Das Verhältnis von Evapotranspiration (Gesamtverdunstung eines Gebietes) zu Niederschlag entscheidet, ob sich trockene (aride) Klimate mit Steppen, Wüsten oder feuchte (humide) Klimate mit Wälder, Waldsteppen bilden. Auf den Landmassen ist außerdem der Wasserhaushalt der Vegetation eine klimatische Größe.

Wasser und die atmosphärische Zirkulation

Wie soeben schon erwähnt, ist Wasserdampf ein überaus wirksames Treibhausgas. Die im Wasserdampf gespeicherte Wärmeenergie und die sich daraus ergebenden Wärmetransporte sind zugleich ein wesentlicher Antrieb für die atmosphärische Zirkulation. Der Einfluß des fühlbaren Wärmestromes ist dabei in den Subtropen der Winterhalbkugel am größten, seine vertikale Erstreckung überschreitet im Mittel jedoch auch in den äquatorialen Breiten 3 km nicht. Daher ist der Einfluß dieses Wärmestromes weitgehend auf die atmosphärische Grenzschicht beschränkt. Erst die Freisetzung der Kondensationswärme infolge des mit der Verdunstung von Wasser verbundenen latenten Wärmestroms bewirkt die für die Entstehung der großräumigen Zirkulation erforderlichen Erwärmungsunterschiede. Die entsprechenden Erwärmungsraten findet man in erster Linie in der Nähe des Äquators, wobei nur in der oberen und mittleren Troposphäre größere Beiträge erreicht werden. Weitere, allerdings schwächere Bereiche der Freisetzung von Kondensationswärme in der Troposphäre werden in den Breiten der sog. Ferrel-Zellen gefunden, in denen zyklonale Tätigkeit vorherrscht. In den Tiefdruckgebieten rufen die aufsteigenden Luftbewegungen Abkühlung, Kondensation (Freiwerden von Kondensationswärme) sowie dementsprechende Wolken und Niederschläge hervor. Faßt man die Wirkung der erörterten Prozesse auf die zonal gemittelten diabatischen Temperaturänderungen der Atmosphäre zusammen, so stehen der den gesamten Höhenbereich der Troposphäre erfassenden Abkühlung in den Breiten von 10° bis 30° N (mit Ausnahme der Grenzschichterwärmung) auf der Winterhalbkugel ausgeprägte Erwärmungsgebiete im Bereich des Äquators und in der Stratosphäre gegenüber. Für die Sommerhalbkugel sind die Gegensätze deutlich geringer. In der polaren Stratosphäre treten somit ebenso wie in der Troposphäre der mittleren und subpolaren Breiten Erwärmungen auf. Diese Erwärmungs- und Abkühlungsgebiete sind die primäre Ursache für die globale allgemeine Zirkulation der Atmosphäre. Dadurch kommt es zu einer stets vorhandenen, jedoch saisonal unterschiedlichen Neigung der Druckflächen in Troposphäre und Stratosphäre. Dabei verläuft die Neigung der isobaren Flächen nicht gleichmäßig von den niederen zu den höheren Breiten, wobei aber der Bereich der stärksten Neigung der Lage Frontalzone zwischen warmer und kalter Luft entspricht. Diesen Einflüssen der Komponenten des Wärmehaushaltes der Atmosphäre entsprechen die vertikalen Temperaturverteilungen. Für die Troposphäre geht aus der Lage der geneigten Linien gleicher Temperatur insoweit auch hervor, daß die Abnahme der Lufttemperatur mit der Höhe in kalter Luft wesentlich schneller erfolgt als in wärmerer Luft. Daraus folgt auch die unterschiedliche Höhenlage der Tropopause, die in den Subtropen und Tropen einer mehrfachen, blättrigen Struktur gleicht. Die im Mittel niedrigste Temperatur liegt dabei mit unter - 84 °C etwa 17 km über dem Äquator.