Löslichkeit von Gasen
Die Löslichkeit eines Gases i wird mit dem Henry-Dalton-Gesetz beschrieben:
Die Löslichkeit eines Gases ist proportional zu dessen Partialdruck, also seinem Volumenanteil multipliziert mit dem Gesamtdruck. Berechnet für Luft bei 10 °C, ergeben sich folgende Massenkonzentrationen:
pO2 = 210 hPa cO2 = 11,27 mg/l
pN2 = 780 hPa cN2 = 17,63 mg/l
pCO2 = 0,3 hPa cCO2 = 0,70 mg/l
Die Temperaturabhängigkeit der Henry-Konstanten für Sauerstoff bedingt eine fallende Sättigungskonzentration mit steigender Temperatur:
Merksatz: Die Viskosität des Wassers sinkt mit steigender Temperatur, wie auch die Dichte über 4°C, wodurch das Fließverhalten in allen Kompartimenten des Wasserkreislaufs deutlich beeinflusst wird.
20°C: cO2 = 9,08 mg/l
30°C: cO2 = 7,53 mg/l
Die wichtigsten Gase in natürlichen Wässern sind:
| → O2: | herausragende Bedeutung für Redoxprozesse und biologische Prozesse, |
| → CO2: | in der Luft nur ca. 0,6 mg/l, |
| → CH4: | Gas aus anaeroben Abbauprozessen organischer Stoffe, |
| → H2S: | aus Faulprozessen, also anaerob, durch Reduktion von Sulfationen, |
| → N2: | geringe Bedeutung, entsteht beim Nitratabbau. |
Suspension und Emulsion
Unter einer Suspension versteht man die Feinverteilung von Feststoffteilchen im Wasser. Die Feststoffe sind dabei als Partikel in einem weiten Größenbereich zu finden. Suspendierte Stoffe sind dabei größer als ca. 1 μm im Durchmesser. Nanopartikel, also Kolloide, liegen zwischen 0, 01 μm und 1 μm. Im Bereich unter 0,01 μm bzw. 10 nm finden sich die gelösten Moleküle. Suspendierte und kolloidale Stoffe erzeugen eine Lichtstreuung und führen daher zur Trübung des Wassers, ein wichtiger Qualitätsparameter.
Emulsionen entstehen durch eine Feinverteilung von flüssigen, nicht mit Wasser mischbaren Flüssigkeiten wie Ölen, wodurch sich Tröpfchen mit Durchmessern ab ca. 20 nm bis in den Bereich von 0,1 mm bilden. Bekanntestes Beispiel ist Milch als Fett-Wasser-Emulsion.
Weiterführende Literatur
Grohmann, A. N., Jekel, M., Grohmann, A., Szewzyk, U. und R. Szewzyk (2011): Wasser. Chemie, Mikrobiologie und nachhaltige Nutzung. Berlin.
Nießner, R., Höll, K. (Hrsg.) (2010): Wasser. Nutzung im Kreislauf. Hygiene, Analyse und Bewertung. 9. Auflage. Berlin/New York.
Sigg, L. und W. Stumm (2011): Aquatische Chemie. Zürich.
Worch, E. (2000): Wasser und Wasserinhaltsstoffe. Stuttgart.
| 3Globaler und regionaler Wasserkreislauf
Markus Weiler, Konrad Miegel
Inhalt
3.1 Wasservorkommen und Wasserkreislauf der Erde
3.2 Strahlung als Hauptantrieb des Wasserkreislaufs
3.3 Globale Unterschiede des Wasserhaushalts
Die globalen Wasservorkommen sind auf der Erde sehr unterschiedlich verteilt. Nur ein geringer Anteil davon ist Süßwasser. Durch die Sonnenstrahlung und die Gravitation wird der Wasserkreislauf angetrieben. Wasser verdunstet von den Ozeanen und Kontinenten und fällt als Niederschlag zurück auf die Erde. Dort fließt das Wasser oberirdisch in den Flüssen oder im Grundwasser den Ozeanen zu. Die Verweilzeiten in den verschiedenen Systemen sind sehr unterschiedlich. Die Sonnenstrahlung und die daraus resultierende Strahlungsbilanz treibt die Umverteilung von Wasser auf der Erde an, wodurch sich charakteristische Klimazonen ausbilden. Dies führt zu den immensen globalen Unterschieden des Wasserhaushalts, insbesondere Niederschlag, Verdunstung und Abfluss betreffend.
3.1 | Wasservorkommen und Wasserkreislauf der Erde
Die Hydrosphäre umfasst alle ober- und unterirdischen Wasservorkommen.
Globale Wasservorkommen
Die Hydrosphäre ist der Teil der Erde, der die ober- und unterirdischen Wasservorkommen umfasst. Dazu gehören die Meere, die oberirdischen Wasservorkommen des Festlands wie Flüsse, Seen, Moore, Feuchtgebiete, Gletschereis und Schnee, Boden- und Grundwasser und nicht zuletzt das Wasser der Atmosphäre. Die oft verwendete Bezeichnung «Wasserhülle der Erde» ist jedoch eher irreführend, weil es sich – abgesehen von der Atmosphäre – nicht um eine in sich geschlossene homogene Sphäre handelt. Wasser ist räumlich sehr unterschiedlich verteilt, was v.a. an der Land-Meer-Verteilung oder der Verteilung von Eis und Schnee deutlich wird. Das Wasser der Atmosphäre ist hauptsächlich Gegenstand der Meteorologie. Es findet ein ständiger Wasseraustausch zwischen der Atmosphäre einerseits sowie den Meeren und Landmassen andererseits durch die Prozesse Niederschlag (→ Kap. 4) und Verdunstung (→ Kap. 7) statt.
Die mengenmäßige Abschätzung der globalen Wasservorkommen ist schwierig. Dies liegt nicht nur an ihrer räumlich und zeitlich unterschiedlichen Verteilung, sondern auch daran, dass ein Teil davon durch den Wasserkreislauf in ständiger Bewegung ist. Zusätzlich ist weder eine klare Abgrenzung des Grundwassers (→ Kap. 6) nach unten noch die genaue Quantifizierung der Bodenwasser- und Grundwasservorkommen möglich. Aus diesen Gründen sind ungenaue Angaben unvermeidbar, auch wenn moderne Verfahren wie die Satellitenfernerkundung (→ Kap. 17) eine genauere Sondierung der Landoberfläche und hydrologische Modelle (→ Kap. 15) die Abschätzung dieser schwer messbaren Größen ermöglichen.
Tab. 3-1 | Die Wasserspeicher auf der Erde, Anteile von Süßwasser und die mittlere Verweilzeit in den Speicherräumen (nach Korzun 1978). Die Wasserhöhe bezieht sich auf die jeweilige Fläche.
Die globalen Wasservorkommen sind sehr unterschiedlich auf der Erde verteilt.
Tab. 3-1 macht deutlich, dass der Hauptteil der Wasservorkommen in den Weltmeeren zu finden ist. Gemessen an der Gesamtwassermenge, liegen 98,23 % in flüssiger, 1,76 % in fester und 0,001 % in dampfförmiger Phase vor. Nur ein sehr kleiner Teil, d. h. etwa 2,5 %, ist Süßwasser. Davon ist wiederum weniger als ein Drittel für den Menschen als Grundwasser, Wasser in Seen und in Flüssen direkt nutzbar, der größere Teil ist in den polaren Eiskappen gebunden. Noch überraschender ist der extrem kleine Anteil der Süßwasserseen (→ Kap. 10), der trotz der vielen großen Seen in Nordamerika, Afrika und Asien nur 0,007 % der Gesamtwassermenge ausmacht. Im Grundwasser ist über 250-mal mehr Wasser gespeichert als in allen Seen der Welt zusammen.
In der Hydrologie ist es üblich, Wassermengen als Höhe einer Wasserschicht