2.1 Speicherung von Wasser in der Hydrosphäre

Die Hydrosphäre umfasst die Teile der Erde, die hauptsächlich aus Wasser bestehen, wie die Ozeane, Eiskappen, Seen und Flüsse. Die verschiedenen Teile der Hydrosphäre sind in Abbildung 2.1 zu sehen. Die Ozeane sind blau; Schnee und Eis sind weiß in den Eiskappen der Antarktis und auf hohen Bergen wie dem Kilimandscharo. (Die gelben und braunen Bereiche sind Wüsten, und die Vegetation erscheint grau-grün.)

Abbildung 2.1 Ein Blick auf die Erde von Apollo 17 im Jahr 1972. Die blauen Flächen sind Ozeane, die weißen Wirbel sind Wolken und die gleichmäßig weiße Fläche ist die antarktische Eiskappe.

Wasser bewegt sich über, auf und durch die Erde in einem kontinuierlichen Kreislauf, der von der Sonne und der Schwerkraft angetrieben wird. Er ist als Wasserkreislauf oder hydrologischer Kreislauf bekannt (dargestellt durch die blauen Pfeile in Abbildung 2.2) und umfasst Wasser in flüssiger, fester (Eis und Schnee) und gasförmiger Form (Wasserdampf). Das Wasser kann viele verschiedene Wege durch den Kreislauf nehmen, aber das Gesamtvolumen des Wassers im Wasserkreislauf bleibt praktisch konstant. Es gibt zwei Haupttypen von Wasser im Kreislauf:

1. Meteorwasser, das durch Kondensation aus der Atmosphäre gewonnene Süßwasser, das sich als Oberflächenwasser (Flüsse und Süßwasserseen) und unterirdisches Wasser ansammelt;

2. Salzwasser, das Meerwasser der Ozeane und vieler Seen.

Abbildung 2.2 Der Wasserkreislauf oder hydrologische Kreislauf. Wasser bewegt sich (blaue Pfeile) zwischen den Reservoiren (Kästen) der Hydrosphäre.

Geringe Mengen magmatischen Wassers aus dem Erdinneren werden dem Kreislauf durch Vulkanausbrüche zugeführt. Andererseits ist Wasser, das in den Poren von Sedimenten eingeschlossen ist (Formationswasser), zumindest kurzfristig vom Wasserkreislauf isoliert. Dabei kann es sich entweder um Wasser handeln, das ursprünglich bei der Bildung der Sedimente eingeschlossen wurde, oder um Wasser, das später in das Gestein eingesickert ist. Formationswasser ist in der Regel salzhaltig, vor allem weil die meisten Sedimente marin sind und das in den Sedimenten eingeschlossene Wasser Meerwasser ist.

Alle Teile der Hydrosphäre speichern vorübergehend Wasser und werden als Reservoirs bezeichnet. Diese natürlichen Reservoirs der Hydrosphäre sind nicht zu verwechseln mit den vom Menschen errichteten Reservoirs, in denen Wasser an Land gespeichert wird: die Atmosphäre ist beispielsweise ein Reservoir, das 13 × 1015 kg Wasser enthält. Die Untersuchung der Wasserbewegung auf und unter dem Boden sowie der Physik und Chemie des Wassers wird Hydrologie genannt.

Wasser verweilt unterschiedlich lange in den verschiedenen Reservoirs. Die durchschnittliche Zeit, die das Wasser in einem Reservoir verweilt, bevor es in ein anderes übergeht, wird als Verweilzeit für dieses Reservoir bezeichnet (Tabelle 2.1). Ein hydrosphärisches Reservoir entleert sich und füllt sich in gleichem Maße wieder auf, und die Verweilzeit wird aus der Auffüllungsrate im Verhältnis zum Volumen des Reservoirs berechnet. Es kann mehrere Wege geben, auf denen Wasser in ein und aus einem Reservoir übertragen wird (Abbildung 2.2).

Zum Beispiel die Verweilzeit für Flüsse, wenn man annimmt, dass der einzige signifikante Transfer von Flüssen durch Abfluss erfolgt:

Die Aufenthaltszeit ist ein Konzept, das auf jeden zyklischen Prozess angewendet werden kann, nicht nur auf den Wasserkreislauf. Abbildung 2.2 zeigt, dass die Übertragungen des Kreislaufs im Gleichgewicht sind: insbesondere wird der Wasserverlust an die Atmosphäre durch Verdunstung und Transpiration durch den Wasserrückfluss durch Niederschläge ausgeglichen. Die Verweilzeit gibt einen Hinweis darauf, wie schnell sich das Wasser in einem Hydrosphärenreservoir erneuern kann. Die kürzeste Verweilzeit von 11 Tagen gilt für Wasserdampf in der Atmosphäre, der durch Verdunstung aus den Ozeanen und vom Land ständig erneuert wird und durch Niederschläge verloren geht. Dies ist ein schneller Teilzyklus des Wasserkreislaufs. Die Teilkreisläufe, die die Ozeane, die Eiskappen und das unterirdische Wasser einbeziehen, sind viel langsamer (Tabelle 2.1).

Es gibt eine große Menge Süßwasser, das in den Eiskappen der Pole eingeschlossen ist (Tabelle 2.1), aber diese sind weit entfernt von den Bevölkerungszentren und den trockenen Ländern, die es brauchen. Es ist derzeit nicht wirtschaftlich, dieses Wasser zu transportieren, aber in Zukunft könnte dies der Fall sein.

Abgesehen von den Ozeanen und den Eiskappen befindet sich das größte Wasservolumen im Untergrund, der in porösem Gestein unter der Erdoberfläche gespeichert ist. Das flachere unterirdische Wasser bewegt sich recht schnell durch den Kreislauf und ist Süßwasser, so dass es für Wasserressourcen genutzt werden kann. Es macht jedoch nur einen kleinen Teil des gesamten unterirdischen Wassers aus, und seine Verweildauer ist relativ kurz und reicht von einigen Wochen bis zu einigen Jahren. Unterirdisches Wasser, das sich in einer Tiefe von einigen hundert Metern befindet, bewegt sich langsamer durch den Kreislauf, und die Verweildauer ist viel länger und kann bis zu zehntausend Jahre betragen (Tabelle 2.1). Ein großer Teil dieses Wassers ist salzhaltig, entweder weil es Zeit hatte, Salze aus dem Gestein zu lösen, oder weil es aus Meerwasser stammt.

Die Seen der Welt enthalten große Wasservolumina (Tabelle 2.1) und sind besser zugänglich als die polaren Eiskappen. Mehr als die Hälfte dieser Seen ist jedoch salzhaltig (Abbildung 2.3), und 80 % des Wassers in den Süßwasserseen kommt in nur 40 großen Seen vor, darunter die Großen Seen in Nordamerika (32 × 1015 kg) und der Baikalsee in Asien (22 × 1015 kg). Flüsse sind sehr nützlich für die Wasserressourcen. Obwohl sie sehr wenig Wasser speichern (Tabelle 2.1), wird das Wasser in ihnen schnell erneuert – es hat eine Verweilzeit von nur wenigen Wochen.

Abbildung 2.3 Das Tote Meer im Nahen Osten. Dieser See enthält große Mengen Wasser, ist aber noch salziger als das Meerwasser, so dass es nicht sinnvoll ist, ihn als Wasserressource zu nutzen.

Das Wasser, das sich im Untergrund und in den Eiskappen, Seen und Flüssen befindet, macht etwa 4 % der Gesamtmenge des Wasserkreislaufs aus; da aber das tiefere Untergrundwasser, die Eiskappen und die salzhaltigen Seen derzeit nicht als Wasserquellen nutzbar sind, ist die Wassermenge, die für Wasserressourcen genutzt werden kann, viel geringer, nämlich nur etwa 1 % der Gesamtmenge. Dieses Wasser ist sehr ungleich verteilt, wie man an den weit verbreiteten Wasserknappheiten und Dürreperioden in vielen Teilen der Welt erkennen kann. Um die Probleme der Wasserverfügbarkeit und -verteilung besser zu verstehen, werden wir uns nun mit den Prozessen des Wasserkreislaufs befassen, die das Wasser zwischen den Reservoirs der Hydrosphäre transportieren.