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Schär, ETH Zürich
1Vorlesung Erd- und Produktionssystseme, Herbstsemester 2007
Klimasystem und WasserkreislaufChristoph SchärInstitut für Atmosphäre und KlimaETH Zürichhttp://www.iac.ethz.ch/people/schaer
Fünf Vorlesungen zu den Themen• Wasserkreislauf• Klimasystem• Variabilität und Vorhersage• Extremereignisse• Anthropogene Effekte
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TEIL 1: WASSERKREISLAUFKapitel 1 Einleitung / Motivation:
- Globale Wasservorkommen- Wasserbedarf für Nahrungsmittelproduktion
Kapitel 2 Physikalische Grundlagen:- Zustandsgleichung für flüssiges Wasser- Zustandsgleichung idealer Gase- Wasserdampf
Kapitel 3 Globaler Wasserkreislauf
Kapitel 4 Elemente des Wasserkreislaufs- Wasser in der Atmosphäre- Niederschlag- Wasser im Boden- Abfluss- Verdunstung / Transpiration- atmosphärischer Transport
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Kapitel 1: Einleitung / Motivation
Elexier des Lebens- Wasservorkommen bestimmen Vegetation und Antlitz der Erde- Wichtige Grundlage der Nahrungsmittelproduktion- wichtigste nachhaltige Energiequelle der Gegenwart (Wasserkraft)- Wassermangel ist wichtige Quelle internationaler Konflikte
Gefahr für Leib und Gut: Extremereignisse- Starkniederschläge und Überschwemmungen- Trockenheit und Dürren- Wasser ist Energiequelle von Gefahren: Tornado, Hurrikane, Orkane
Wasser ist zentraler Faktor des Klimasystems- Wärmekapazität des Ozeans- verschiedene Aggregatszustände haben “Puffereffekt”- Wolkenbildung beeinflusst Strahlungsbilanz der Erde- Wasser ist das wichtigste Treibhausgas
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Wasservorkommen der Erde
Ozeane 2620 96.5Polares Eis / Meereis / Gletscher 47 1.7Grundwasser 46 1.7Permafrost 0.59 0.02Seen 0.35 0.013Bodenwasser 0.032 0.0012Atmosphäre 0.025 0.00093Sümpfe 0.023 0.00083Flüsse 0.0042 0.00015Biologisches Wasser 0.0022 0.000081
Globale mittlere ProzentualerTiefe [m] Anteil [%]
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Süsswasservorkommen der Erde
Ozeane 0Polares Eis / Meereis / Gletscher 47 68.7Grundwasser 21 30.1Permafrost 0.59 0.86Seen 0.18 0.26Bodenwasser 0.032 0.047Atmosphäre 0.025 0.037Sümpfe 0.023 0.033Flüsse 0.0042 0.0061Biologisches Wasser 0
Globale mittlere ProzentualerTiefe [m] Anteil [%]
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Süsswasservorkommen der Erde
Polares Eis, Gletscher, Schnee
d=358 km
Grundwasser,Bodenwasser,
Permafrost d=275 km
Seend=56 km
Flüsse, Sümpfed=30 km
Atmosphäred=29 km
0 100 200 km
Vergleich anhand von Kugeln mit entsprechendem Inhalt
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Durchschnittlicher Wasserbedarf pro Person und Jahr:
Wasserverbrauch (Westeuropa):• industrielle Produktion: ~ 150 m3
• Trink- und Brauchwasser: ~ 100 m3
(Zehnder, 1997)
Süsswasser: Bedarf und Angebot
Nahrungsmittelerzeugung (2‘500 kcal pro Tag):• vegetarische Diät: ~ 350 m3
• mit 20% Fleischanteil in Nahrung: ~ 1000 m3
Total pro Kopf: 800-1200 m3
Bei 6 Mia Menschen (heute): 4‘800-7‘200 km3
Niederschläge pro Jahr (global): 574‘000 km3
auf Kontinente: ~ 116‘000 km3
davon nutzbar: 9‘000 bis 14‘000 km3
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Entwicklung Süsswasserressourcen
(Zehnder, 1997)
1950 2000 2050 2100
15
10
5
0
Jahr
Wel
tbev
ölke
rung
(Mill
iard
en)
Süss
was
serb
edar
f (10
3 km
3 )
Bevölkerung (Milliarden)
verfüg- underneuerbar
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Verteilung der Süsswasserresourcen
(Zehnder, 1999)
Wasser, Boden, Klima erlaubt Nahrungsmittelproduktion für ExportWasser für eigene ausreichende Nahrungsmittelproduktion fehlt (< 1000 m3 pro Kopf und Jahr)Nur genügend Wasser falls Flüsse vollständig gestaut werdenGenügend Wasser für eigene Nahrungsmittelproduktion
Landwirtschafts-gürtel
1998
2025
Dieses Szenario berücksichtigtBevölkerungsentwicklung,aber nicht Klimawandel
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Virtueller Wasserhandel
Der Handel mit Nahrungsmitteln beinhalteteinen virtuellen Handel mit Wasser. Länder mitWassermangel sind meist Getreideimporteure,
und importieren damit „Virtuelles Wasser“.(Oki and Kanae 2004, Islam et al. 2007)
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Kapitel 2: Physikalische Grundlagen
Zustandsgleichung von Süsswasser und Meerwasser
Zustandsgleichung idealer Gase
Atmosphärische Feuchte
Wasser in der Atmosphäre
Wasser im Boden
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Zustandsgleichung
Beispiele von Zustandsvariablenp Druck [hPa, 1 hPa = 100 Pa = 100 N/m2]T Temperatur [oC, K]ρ Dichte [kg/m3]für flüssiges Wasser:s Salinität [g Salz / g Wasser, ‰], Meerwasser hat s ≈ 35 ‰
für Luft:α spezifisches Volumen α = 1/ρq spezifische Feuchte [g H2O-Dampf / kg Luft]
Im thermodynamischen Gleichgewicht sind nur bestimmteKombinationen der Zustandsvariablen möglich:=> Zustandsgleichung für flüssiges Wasser
ρ = ρ (s, T, p)
=> Zustandsgleichung für feuchte Luftp = p (ρ, T, q)
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Zustandsgleichung von Süsswasser
Süsswasser: gemessene Zustandsgleichung unter Normaldruck:
• Maximale Dichte bei 3.98°C: 1000 kg/m3
• Dichte von Eis bei 0°C: 917 kg/m3
• Dichteanomalie ist wichtig für Oberflächengewässer (Bsp. Zirkulation in Seen)
Temperatur [oC]
Dic
hte
[103
kg/
m3 ]
1.000
0.999
0.998
0.997
0.996
–5 0 5 10 15 20 25 30 35
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Meerwasser mit s ≈ 35 ‰:• hat keine Dichteanomalie: ∂ρ/∂T < 0• Dichte hängt von Salinität ab: ∂ρ/∂s > 0• Dichte von Meerwasser (NTP): 1028 kg/m3
Die Allgemeine Form der Zustandsgleichung ρ = ρ(s, T, p) ist sehr komplexund muss aus Tabellen oder Näherungsformeln bestimmt werden.
ρ–ρο [kg/m3]mit ρο=1000 kg/m3
Zustandsgleichung von Salzwasser
Süsswasser >
Meerwasser >
(Hartmann 1994)
Temperatur [ºC]
Salin
ität [
‰]
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Zustandsgleichung idealer Gase
pa = ρa R T
R = 287.04 J kg−1 K−1
Gasgleichung für reinen Wasserdampf:
Gaskonstante für H2O-Dampf: Rv =R*/MW
Dampfdruck: eMolgewicht von Wasser: MW=18 g Mol-1
e = ρv Rv T = ρv R ε( )Tε = R/ Rv = MW /ML = 0.622
Ideale Gasgleichung für reine Luft:
Gaskonstante für reine Luft (R=R*/ML)universelle Gaskonstante: R*=8.3143 J Mol-1 K-1
Molgewicht von reiner Luft: ML=28.96 g Mol-1
Gasgleichung für feuchte Luft: Für feuchte Luft gilt in akzeptabler Approximation dieideale Gasgleichung für trockene Luft
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Partialdruckgesetz
Luft Wasserdampf
pa = ρa RT e = ρv R ε( )T
Wand entfernen:
Isotherme Kompression:
Feuchte Luft
p = pa + eTeilchenerhaltung
ρ = ρa +ρvMassenerhaltung
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Sät
tigun
gsda
mpf
druc
k [h
Pa]
Temperatur [oC]
Sättigungsdampf-druckkurve
Pro ºC Erwärmung kanndie Luft ~6% mehrWasserdampf aufnehmen.
Sättigungsdampfdruck:• Partialdruck des H2O-Dampfes
bei welchem Sättigung auftretenkann.
• ist allein von der Temperaturabhängig.
UntersättigungWasser verdunstet
ÜbersättigungWasserdampf
kondensiert
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0
Sät
tigun
gsda
mpf
druc
k [h
Pa]
Temperatur [oC]
Sättigungsdampf-druckkurve
ÜbersättigungWasserdampf
kondensiert
100%
80%
60%
40%
20%
0%
Rel
ativ
e Fe
ucht
e [%
]
T=30°CTropenklima
Wüstenklima
UntersättigtesLuftpacket
Relative Feuchte:• Wasserdampfgehalt relativ zur
Sättigung.
Sättigungsdampfdruck:• Partialdruck des H2O-Dampfes
bei welchem Sättigung auftretenkann.
• ist allein von der Temperaturabhängig.
Taupunkt:• Jene Temperatur, bei welcher
bei Abkühlung Sättigung auftritt.
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Sät
tigun
gsda
mpf
druc
k [h
Pa]
Temperatur [oC]
Sättigungsdampf-druckkurve
UntersättigungWasser verdunstet
ÜbersättigungWasserdampf
kondensiert
überWasser
überEis
unterkühltes Wasser
Unterkühltes Wasser:• In der Atmosphäre kann Wasser
auch bei Temperaturen < 0°Cin flüssiger Form auftreten.
• Der Sättigungsdampfdrucküber Wasser / Eis ist nichtidentisch!
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Beispiele
Sätti
gung
sdam
pfdr
uck
[hPa
]
Temperatur [oC]
Untersättigung
Übersättigung
Mischungsnebel
Mischung ungesättigterLuftmassen kann Sättigung
verursachen.
Strahlungsnebel
Nächtliche Wärmeabstrahlungführt zu Abkühlung und
Kondensation
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Kapitel 3: Globaler Wasserkreislauf
Atmosphäre12.9
Ozeane1,338,000
GletscherPolares Eis
24,000
Bodenwasser16.5
FlüsseSeen
Sümpfe104
Grundwasser10,800
116(780 mm/y)
71(470 mm/y)
~0 1 505(1400 mm/y)
458(1270 mm/y)
2.7 ~0
46 43.82.7
2.2
44.7
Angaben in Italic: Wasservorkommen [1000 km3]Angaben normal: Wasserflüsse [1000 km3/y](Angaben in Klammer): Wasserflüsse [mm/y], bezogen auf Ozean- beziehungsweise Landfläche
Die Bilanz (Zuflüsse minus Abflüsse) aller Vorkommen ist im langfristigen Mittel Null!(ist in dieser Grafik nur approximativ der Fall).
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Wasserbilanz der Kontinente
Kontinent:Europa 375 657 282 0.43Asien 420 696 276 0.40Afrika 582 696 114 0.16Australien 534 803 269 0.33Nordamerika 403 645 242 0.37Südamerika 946 1564 618 0.39Antarktis 28 169 141 0.83
Alle Landflächen 480 746 266 0.36
Ozeane:Arkt. Ozean 53 97 44 0.45Atlantik 1133 761 – 372 – 0.49Indischer Ozean 1294 1043 – 251 – 0.24Pazifik 1202 1292 90 0.07
Alle Ozeane 1176 1066 – 110 – 0.10
Globus 973 973 0
Verdunstung ET Niederschlag P Abfluss R=P–ET R/P[mm/y] [mm/y] [mm/y] [1]
(Baumgartner und Reichel, 1975)
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Zeitkonstanten
Fin FoutS
€
τ =SFin
=SFout
Im langfristigen Mittel gilt: Fin = Fout
Die mittlere Aufenthaltszeit τ eines Wassermoleküls im betrachtetenSpeicher ist dann bestimmt durch Speicherinhalt und Durchfluss:
S = SpeicherF = Flüsse
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Zeitkonstanten
Beispiel 1: Aufenthaltszeit in der AtmosphäreFout Landniederschlag 116'000 km3/y
Meerniederschlag 458'000 km3/yPolarer Niederschlag 2'700 km3/y
Total 576'700 km3/yS Speicher 12'900 km3
τ = S / Fout = 0.022 y = 8.2 d
Beispiel 2: Aufenthaltszeit im Grundwasser (globales Mittel)Fin Grundwasserneubildung 46'000 km3/y
S Speicher 10'800'000 km3
τ = S / Fin = 235 y
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Kapitel 4: Elemente des Wasserkreislaufs
• Wasser in der Atmosphäre
• Niederschlag
• Wasser im Boden
• Abfluss
• Verdunstung
• atmosphärischer Transport
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Wasser in der Atmosphäre
Wasserdampf
Flüssiges Wasser• Anlagerungen an hygroskopische Aerosole• Wolkentröpfchen• Regentropfen
Eis- und Schneepartikel• Eiskeime• Eiskristalle (Wolkeneis)• Schneeflocken• Graupel und Hagel
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Struktur der Atmosphäre
Mesosphere
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Height[km]
Stratosphere
Troposphere
Mesosphere
Thermosphere
Density[g/cm3]
10–3
1
10–1
10–2
10–4
10–6
10–5
–100 –80 –60 –40 –20 0 20 oC Temperature
10–4
10–3
10–2
10–1
1
10
102
103
Pressure[hPa]
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Messung atmosphärischer Feuchte
Beispiel: Messung mit TaupunktspiegelMessung der Taupunkttemperatur auf einem metallischem Spiegel.Spiegel wird abgekühlt bis Kondensation einsetzt.
Photo-MultiplierLeuchtdiode
Peltier-Element mit Spiegel
Temperatur-fühler
Unterhalb Taupunkttemperaturbeschlägt sich der Spiegel mitWassertröpfchen. StopptReflektion des Lichtstrahls.
Die Taupunkttemperatur kannmit der Lufttemperatur in relativeund absolute Feuchteumgerechnet werden.
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Verteilung der atmosphärischen Feuchte
(Peixoto and Oort 1992)
Dru
ck [1
00 h
Pa]
2
4
6
810
60S 30S EQ 30N 60N 0 5 10 15
Absolute Feuchte [g/kg]
10 km
0 km
Dru
ck [1
00 h
Pa]
2
4
6
810
60S 30S EQ 30N 60N 30% 50% 70% 90%
Relative Feuchte [%] (“relativ” bezieht sich auf den Sättigungsdampfdruck)
10 km
0 km
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Teilchen in der Atmosphäre
Grenze zwischen Regentropfen
und Wolkentropfenr = 100 µm = 0.1 mm
GrosserWolkentropfen
r = 50 µm
TypischerWolkentropfen
r = 10 µmTypischer Regentropfen
r = 1000 µm = 1 mm
.Typischer
Kondensationskeimr = 0.1 µm
(Mason 1975)
Typischer Wolken-Schneekristall
(Plättchen)r = 100 µm = 0.1 mm
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Schneekristalle
(Patricia Rasmussen: The Snowflake Winter’s Secret Beauty)
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Globale Wolkenverteilung
(ISCCP)
Subtropen
Subtropen
Tropen
Mittlere Breiten
MittlereBreiten
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Kapitel 4: Elemente des Wasserkreislaufs
• Wasser in der Atmosphäre
• Niederschlag
• Wasser im Boden
• Abfluss
• Verdunstung
• atmosphärischer Transport
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Niederschlagsmessung mit Pluviometer
Hellmann Totalisator
A: Auffanggefäss, abnehmbarB: SchneekreuzE: Entleerungshahn
F: AuffangöffnungG: Auffang/SammelgefässK: Sammelkanne
O: OelschichtT: TrichterW: Windschutz
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Niederschlagsmessung mit Radar
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Globale Niederschlagsverteilung
(GPCP, GPCC, DWD)Mittlere Niederschläge 1980-2000 [mm/month]
SubtropenAtla
ntischer
Stormtra
ck
Pazifischer
Stormtra
ck
InnertropischeKonvergenzzone Tropen
Stormtrack der Südhemisphäre
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Niederschlagsmessnetz Alpenraum
• Nationale Messnetze der letzten drei Jahrzehnte mit mehr als 7000Stationen
• Beobachtung durch nebenamtliche Beobachter, zum Teil automatisch.
(Frei und Schär, 1998)
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Mittlerer Jahresniederschlag 1971–1990
(Parameter-Elevation Regression on Independent Slopes Model, PRISM, Schwarb et al. 2001)
mm
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Stratiforme Niederschläge
Landregen:• Lange Dauer, kleine Niederschlagsraten• Vertikale Windgeschwindigkeit: < ~ 1 m/s• Horizontale Skala: ~ 100 km• Stabil geschichtete Atmosphäre
(Dichte nimmt mit der Höhe ab, unterdrückt Vertikalbewegung)• Hebung durch externe Faktoren (Tiefdruckgebiete, Topographie)• Bevorzugt in polaren Regionen, im Winterhalbjahr in mittleren Breiten
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Frontdurchgang mit stratiformen Niederschlägen
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Konvektive Niederschläge
Gewitter und Schauer:• Kurze Dauer, hohe Niederschlagsraten• Vertikale Windgeschwindigkeit O(10 m/s)• Horizontale Skala ~ 3-10 km (einzelne Zellen)• Hebung durch Destabilisierung (Erwärmung am Boden, Abkühlung in der Höhe,
freigesetzte latente Wärme)• Bevorzugt in den Tropen, im Sommerhalbjahr in mittleren Breiten, im Winter über
warmen Meeresoberflächen
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Sommerliche Konvektion
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Adiabatische Hebung eines Luftpackets• Adiabatisch:
kein Wärmeaustausch mit Umgebung
• Trockenadiabatische Hebung:Hebung feuchter Luft. Abwesenheit vonBewölkung und Kondensation.Luftpacket kühlt sich infolge Expansion(adiabatisch) ab:ΔT/Δz = 0.98 K / 100m
T2 T‘2 T1
z1
z2
p1
p2
Konvektive Niederschläge tretenauf, falls feuchtadiabatischangehobene Luftpackete wärmerwerden als ihreUmgebungstemperatur.
• Feuchtadiabatische HebungLuftpacket erleidet Sättigung, Hebungführt zu Kondenstation.Freiwerdende latente Wärme erwärmt dasansteigende Luftpacket (partielleKompensation der adiabatischenAbkühlung):ΔT/Δz ≈ 0.5 K / 100m
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Kapitel 4: Elemente des Wasserkreislaufs
• Wasser in der Atmosphäre
• Niederschlag
• Wasser im Boden
• Abfluss
• Verdunstung
• atmosphärischer Transport
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Ground water
Rechargetable
Wasser im Boden
UngesättigteBodenzonePoren mit Luftund Wasser
GesättigteBodenzone:Porenvolumen ist mitWasser gesättigt
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Messung des Bodenwassergehalts
mtrocken
Bodenprobegetrocknete
Probe(105°C, ca. 2 Tage)
Wägung einer Bodenprobe (Gravimetrische Methode):
mProbe
Volumen der Probe: VProbeDichte von Wasser: ρw
Volumetrischer Wassergehalt,Volumenanteil des Bodenwassers:
θ =VWasserVProbe
=(mProbe − mtrocken) ρw
VProbe
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Wertebereich von θ
ganzes Porenvolumenmit Wasser gefüllt
vollständig getrockneteProbe
Bode
nsub
stra
tW
asse
rLu
ft
0
1
Volumenanteil
n Porenvolumen
FK Feldkapazität
θ Wassergehalt
Bod
ensu
bstr
atLu
ftW
asse
r
0 ≤ θ ≤ n
Volumenanteil
Maximale Wassermenge,welche durch Kapillarkräftein Probe gehalten werdenkann
Feldkapazität FK
Wassergehalt θ
1
0
Porenvolumen n
Pflanzen vertrocknenWelkepunkt WP
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Typische Werte für n und FK
Volumenanteil
Porosität n 0.3 - 0.55Wasser versucht abzufliessen
Feldkapazität FK 0.1 - 0.35Wasser wird durch Kapillarkräfteim Boden gehalten
Welkepunkt WP 0.05 - 0.25
Pflanzen können dem Boden keinWasser mehr entziehen
Vollkommen getrocknet 0grobkörnig(z.B. Sand)
feinkörnig(z.B. Ton)
θ
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Grundwasser
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Messung des Grundwasserspiegels
Grundwasser-Monitoring im Wallis
Verantwortlich in der Schweiz:Bundesamt für Umwelt (BAFU), Abteilung Hydrologiehttp://www.bafu.admin.ch/hydrologie/
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Beispiel: Töss-Aquifer
(Beyerle 1999)
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Vertikaler Querschnitt
(Beyerle 1999)
Aqu
ifer
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Kapitel 4: Elemente des Wasserkreislaufs
• Wasser in der Atmosphäre
• Niederschlag
• Wasser im Boden
• Abfluss
• Verdunstung
• atmosphärischer Transport
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75Abfluss eines Einzugsgebiets
Beispiel: Zentralschweiz
P NiederschlagET EvapotranspirationR Direkter AbflussGout Grundwasser-AbflussGin Grundwasser-Zufluss
(Hydrologischer Atlas der Schweiz)
Konzept eines Einzugsgebiets“A water catchment area is a drainage basin or watershed, the region ofland whose water drains past a specific point along a river or into aspecified body of water such as a lake” (Wikipedia)
Gout
P ET
GinR
Wasserscheide
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Pegelmessung an der Rhône
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Pegelmessung an der Emme (Emmenmatt)
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Pegelmessung an der Emme (Emmenmatt)
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Pegel-Abfluss Beziehung
Pegel-Abflussbeziehung wird ermittelt aus• direkten Messungen (z.B. mittels Verdünnungsmethode)• Hydraulik des Messwehrs
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Pegelmessung an der Massa (Aletschgletscher)
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82Einzugsgebiete
Siehe auch: http://www.iucn.org/themes/wani/eatlas/
Amazonas
Kongo
Yangtzekiang
Mississippi
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Die grössten Flüsse der Welt
Einzugsgebiet mittl. Abfluss Anteil(1) R/P(2)
[103 km2] [m3/s] [%] [1]
Amazonas 7‘180 210‘000 16.6 0.47Kongo 3‘822 42‘000 3.3 0.25Yangtzekiang 1‘970 35‘000 2.7 0.50Orinoco 1‘086 29‘000 2.3 0.46Brahmaputra 586 20‘000 1.6 0.65Parana 2‘650 19‘500 1.6 0.20
Donau 817 6‘400 0.5Rhein 190 2‘200 0.2 ca 0.5
(1)Anteil am globalen Abfluss (2)Abflussverhältnis: R/P = Mittlerer Abfluss / Mittlerer Gebietsniederschlag
(Baumgartner & Liebscher 1996, Dingman 1993)
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Kapitel 4: Elemente des Wasserkreislaufs
• Wasser in der Atmosphäre
• Niederschlag
• Wasser im Boden
• Abfluss
• Verdunstung
• atmosphärischer Transport
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Komponenten der Verdunstung
Totale Evapotranspiration ET : TotaleVerdunstung an der Erdoberfläche:
Komponenten:Eb: Verdunstung aus oberster
Schicht der Erdoberfläche(bare soil evaporation)
Ei: Verdunstung von Interzeptions-wasser (Erdoberfläche undVegetation)
Es: Sublimation von SchneeTR: Transpiration durch Vegetation
ET = Eb + Ei + Es + TR
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Verdunstung
Evapotranpiration, hängt ab von:• Angebot an Energie (d.h. Bodenenergiebilanz, siehe später)• Angebot an Wasser (Bodenfeuchte, Intezeptionswasser)• Vegetation (z.B. Wurzeltiefe, Vegetationsstand, Blattflächenindex)• Bodenstruktur (z.B. Bodentyp)• Zustand der bodennahen Luftschicht (Temperatur, Feuchte,
turbulente Struktur)
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Messung der Verdunstungdurch wägbares Lysimeter
<= Lysimeter Rietholzbach
Messung der totalenVerdunstung durchGewichtsänderung
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Auf 3 hydraulischen Waagen gelagert
Messgenauigkeit 100 gentspricht Wassersäulenänderungvon 0.03 mm
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Lysimeter Querschnitt
Legende:1 Kunststoffgefäss (zylindrisch,
Durchmesser 2 m)2 elektronische Waage
(Messung derGewichtsänderung)
3 Kellerraum4 Bodenkörper (Schichtfolge und Dichte möglichst
genau dem natürlichen Boden entsprechend)5 Bewuchs (der Umgebung entsprechend)6 Kies-Sand-Filter7 Drainage-Auslass (Messung des Sickerwasserabflusses)8 Niederschlagsmesser (bodeneben aufgestellt)
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Wasserbilanz eines Lysimeters mit Grundfläche A
∆S = P – ET – RS oder ET = P – RS – ∆S
wobei:
∆S Änderung des Wassergehalts im Lysimeter (Speicherung)[mm/∆t], ergibt sich aus der gemessenen Gewichts-änderung ∆G: ∆S = ∆G/(A ρw)
P Niederschlag, durch konventionelle Messung
RS Sickerwasserabfluss, durch Messwippe gemessenerAbfluss an der Basis des Lysimeters (spezifisch zurGrundfläche)
ET reale Evapotranspiration
Verdunstungsmessung durch Lysimeter
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JahresgangLysimeter
Niederschlag [mm/d]
Temperatur [oC]
Verdunstung [mm/d]
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Definition:• Wassertransfer aus dem Wurzelbereich
in die Atmosphäre.• Austausch erfolgt durch Stomatas
(Blattöffnungen).
Pflanzen benötigen für Photosynthese und Energiekreislauf:• Licht (PAR=photosynthetic active radiation, 0.4-0.72 µm)• CO2, O2
• Nährstoffe• H2O
Biophysikalische und physiologische Faktoren:• kontrollieren Photosynthese und Transpiration• beeinflussen den Wasserfluss Boden-Atmosphäre
Transpiration
Stomatadichte: 10‘000 - 100‘000 / cm2
Schär, ETH Zürich
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Offene Stomata-Öffnungen:• erlauben Luftkontakt mit dem
wassergesättigten Blattinneren• führt automatisch zu
Wasserverlust an Atmosphäre• Strategie der Pflanze:
Optimierung der Photosynthese beiminimiertem Wasserverlust (Stomatawerden bei Trockenheit und hoher Temperatur geschlossen)
Konsequenzen• Verdunstung wird durch Pflanzenwachstum und
Nährstoffangebot (N, P) beeinflusst.• Veränderte CO2-Konzentration beeinflusst Pflanzenphysiologie.
Erhöhte Konzentration könnte Verdunstung reduzieren, da derselbeC-Bedarf durch geringeren Austausch mit der Atmosphäre gedecktwerden kann.
Transpiration
Vegetations-Index (NDVI)(Reto Stöckli, ETH)
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Kapitel 4: Elemente des Wasserkreislaufs
• Wasser in der Atmosphäre
• Niederschlag
• Wasser im Boden
• Abfluss
• Verdunstung
• atmosphärischer Transport
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Transport in der Atmosphäre
Mittlere Aufenthaltszeit eines H2O-Moleküls in der Atmosphäre: ~8 Tage
Durchschnittlich zurückgelegte Strecke: ~7000 km (bei 10 m/s)
Anteil der Verdunstung von Landoberflächen: ~12%
⇒ Regionen hoher Verdunstung sind im Allgemeinen nicht mit Regionenhohen Niederschlags identisch
⇒ Verdunstung liefert kaum nennenswerten Beitrag zum Niederschlag inderselben Region
⇒ Atmosphärischer Transport ist entscheidend.Verständnis der Allgemeinen Zirkulation der Atmosphäre notwendig
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Schär, ETH Zürich
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Visualization of atmospheric moisture transport
Schär, ETH Zürich
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[kg s–1 m–1]
Totaler Transport:
Vergleich:Rhein (Rotterdam)Mississippi (Rang 8)Kongo (Rang 2)Amazonas (Rang 1)
Querschnitt Ligurien:
55’000 m3/s
2’200 m3/s 18’000 m3/s 42’000 m3/s
210’000 m3/s
(basiert auf SM Vorhersagen der MeteoSchweiz)
Beispiel: Wassertransport bei der Überschwemmung Okt. 2000
Vertikal integrierter Feuchtefluss15. Oktober 00 UTC (+24h SM Prognose)
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Überschwemmung Oktober 2000GondoBaltschieder
Locarno
