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Niederschlag

Niederschlag

Der Begriff Niederschlag bezeichnet in der Meteorologie Wasser, das in flüssiger oder fester Form aus der Atmosphäre auf die Erde fällt. Er entsteht durch Kondensation der Feuchtigkeit in der Luft. Die Größe der kondensierten Teilchen muß einen bestimmten Wert überschreiten, damit der Niederschlag die Erdoberfläche erreicht. Durch den Niederschlag wird der atmosphärische Wasserkreislauf geschlossen. Die Häufigkeit und die durchschnittliche Menge des Niederschlages sind charakteristisch für geographische Gebiete. Der Niederschlag ist ein Faktor der das lokale Klima bestimmt. Besonders für die Landwirtschaft ist dies relevant, da erst ab einer bestimmten Niederschlagsmenge erfolgreicher Regenfeldbau möglich ist und verschiedenen Niederschlagsmengen bestimmte Vegetationsformen zugeordnet werden können.

Niederschlagsmessung

Die Messung des Niederschlags geschieht mit verschiedenen Messgeräten. Die meisten Niederschlagsmesser sammeln den Niederschlag in einem Messgefäss. Dies entspricht einer punktuellen Niederschlagsmessung. Die Messeinheit beträgt mm. Ein mm entspricht dabei der Wasserhöhe von 1 mm, welche sich ergeben würde, wenn kein Wasser abfließt. Alternativ wird oft auch die Wassermenge in l/m² (ebene Fläche) angegeben. 1 mm entspricht dabei genau 1 Liter/Quadratmeter. Durch den Einsatz von Niederschlagsradar sind inzwischen auch flächendeckende Erfassungen möglich, welche wiederum durch punktuelle Messwerte verifiziert bzw. kalibriert werden können. Diese flächendeckenden Erfassungen sind vor allem im Bereich des Hochwassermanagements von Bedeutung. Neben der reinen Niederschlagsmenge sind vor allem die Niederschlagsintensität und die Niederschlagsdauer charakteristisch. Aus langfristigen (klimatologischen) Niederschlagsmessungen lassen sich statistische Berechnungen durchführen, um die mittlere Häufigkeit von unterschiedlichen Niederschlagsereignissen (v.a. Starkregenereignisse) anzugeben, welche Intensität und Dauer zueinander in Bezug setzt.

künstlicher Niederschlag

Niederschlag kann in bestimmten meteriologischen Konstellationen künstlich erzeugt werden, indem eine große Menge an Kondensationskernen (Silberjodid) in unterkühlte Wolken ausgebracht wird. Siehe dazu Hagelflieger.

Gesetzmäßigkeiten der räumlichen Verbreitung der Niederschläge

(1) In den Gebirgen hängen die Niederschlagsmengen von der Streichrichtung zum herrschenden Luftstrom ab. (2) Festlandgebiete erhalten geringere Niederschläge als Meeresgebiete auf gleicher geographischer Breite. (3) Hohe Niederschlagssummen in Äquatornähe und gemäßigten Breiten wechseln mit niedrigen Niederschlagssummen in den Außeräquatoriellen Tropen und Polargebieten ab. (4) In den Tropen sind die Ostteile der tropischen Meere ganzjährig Feucht. Dagegen sind die Westteile nur im Sommer und im Herbst feucht. Siehe auch: Klima, Wolkenbruch Kategorie:Niederschlag Kategorie:Wasser simple:Precipitation

Meteorologie

Die Meteorologie ist ein Teilgebiet der Physik, wird jedoch in vielen Universitäten auch als Teil der Geowissenschaften verstanden und deren Fakultäten angegliedert. Das heutige Verständnis der Meteorologie ist vom Leitbegriff der „Physik der Atmosphären“ (kurz: Atmosphärenphysik) geprägt. Die Meteorologie ist somit ein Teil der Atmosphärenwissenschaften und konzentriert sich hierbei unter anderem auf die Dynamik der unteren Erdatmosphäre und das dadurch hervorgerufene Wetter. Die Klimatologie ist ebenfalls ein wichtiges und in den letzten Jahren allgemein bekannt gewordenes Teilgebiet der Meteorologie. Im Unterschied zur dynamischen Betrachtung der unteren Erdatmosphäre sind hierbei die zeitlichen Betrachtungsskalen (Wetter - Klima) wesentlich größer. Daraus ergeben sich Konsequenzen für Methodik und Berufspraxis in beiden Feldern. Ein weiteres wichtiges Feld der Meteorologie ist die Beobachtung von klima- und wetterrelevanten Vorgängen in der Atmosphäre vom Boden, aus der Luft und aus dem Weltraum. Klima

Aspekte der Meteorologie

Zwar ist der Hauptfokus der Meteorologie auf die großskaligen dynamischen Prozesse innerhalb der heutigen Erdatmosphäre gerichtet, jedoch sind die im Rahmen eines besseren Verständnisses der Wetterdynamik entwickelten Modellvorstellungen desselben auch in gleicher Weise auf andere Systeme übertragbar. Man zählt daher auch begrenzte Raumklimate bzw. Stadtklimate, extraterrestrische Atmosphären oder Atmosphären vergangener Zeitalter (Paläoklimatologie) zu den Studienobjekten der Meteorologie. Diese spielen jedoch meist nur in der Forschung eine größere Rolle, wo sie auch teilweise als 'Spielwiese' zur Verbesserung derjenigen Modelle dienen, die auch die derzeitige Erdatmosphäre beschreiben. Man versucht daher durch genaue Beobachtungen der Erdatmosphäre eine gesicherte Datengrundlage auszubilden und gleichzeitig diese Daten für die Schaffung eines immer besseren Verständnisses meteorologischer Prozessabläufe heranzuziehen.

Einordnung in den Fächerkanon und Teilgebiete

Viele Methoden, Herangehensweisen und Ideen der dynamischen Meteorologie entspringen der allgemeinen Fluiddynamik und finden weitere Anwendung in Meereskunde, Geophysik und Ingenieurwissenschaft, sowie in fast allen Umweltwissenschaften. Die Meteorologie ist abgesehen von der Wetterbeobachtung (Wetterkunde) eine junge Wissenschaft. Sie besitzt einen außerordentlich interdisziplinären Anspruch, vereint also sehr viele verschiedene Wissenschaften in sich. Die wissenschaftlichen Fachgebiete, die von der Meteorologie genutzt bzw. berührt werden, sind unter anderen:
- Physik (Hydrodynamik, Thermodynamik, Optik, Elektrodynamik, Quantenmechanik)
- Chemie (Ozonchemie, Stickstoffchemie)
- Agrarwissenschaft (Niederschlagsprognosen)
- Biologie (Climate Impact, Einfluss von Bewuchs auf Wetter/Klima)
- Geowissenschaften (Klimavariabilität)
- Medizin (Humanbiometeorologie, Arbeitsmedizin, Belastungsfaktoren)
- Mathematik, (Numerik, partielle Differentialgleichungen, Operatortheorie, Lineare Algebra)
- Informatik (Programmiersprachen, Algorithmik, Behandlung großer Datenmengen, Just-in-Time Verfahren, Präsentation)
- Jura/Wirtschaftswissenschaften (Energiehandel, Emissionshandel, internationale Abkommen) Die Meteorologie selbst lässt sich nach verschiedenen Richtungen unterteilen, wobei sich diese jedoch auch sehr stark überschneiden. Grundlagendisziplinen:
- Experimentelle Meteorologie – Messmethoden und -geräte der Meteorologie sowie Simulation und Durchführung von Experimenten. Als Sonderbereich beschäftigt sich die Satellitenmeteorologie mit Satellitenmessungen.
- Theoretische Meteorologie – Beschreibung der Atmosphäre und insbesondere deren Dynamik durch mathematisch-physikalische Methoden.
- Synoptische Meteorologie – Untersuchung des Wetters und seinen Änderungen, mit dessen Darstellung und Vorhersage.
- Atmosphärenchemie – Erforschung chemische Reaktionen in der Erdatmosphäre.
- Klimatologie – Trendanalyse langfristiger Änderungen innerhalb der Amtosphärendynamik.
- Extraterrestrische Meteorologie – Meteorologie anderer Himmelskörper. Angewandte Bereiche:
- Wettervorhersage – Kurzfristige Prognose der Wetterentwicklung.
- Technische Meteorologie – Auswirkung meteologischer Zusammenhänge auf technische Bereiche.
- Agrar- und Biometeorologie – Einflüsse des Wetters auf Lebewesen bzw. die Biosphäre im weitesten Sinne.
- Verkehrsmeteorologie - Beratung und Sicherung in Bezug auf die Bedeutung meteorologischer Gegebenheiten auf Straßenverkehr, Schifffahrt und insbesondere Luftfahrt (siehe Meteorologie in der Luftfahrt)
- Hydrometeorologie – Erforschung des Wasserkreislaufs in der Atmosphäre als gemeinsame Disziplin mit der Hydrologie. Die Zusammenstellung ist hierbei nicht vollständig. Insbesondere beschäftigt sich die Meteorologie nicht nur mit der Troposphäre, also der untersten Schicht der Atmosphäre, sondern auch mit Stratosphäre und in beschränktem Umfang sogar mit Mesosphäre und Thermosphäre. Hierbei spielen Radiosonden, Wetter- und Umweltsatelliten eine entscheidende Rolle. Der zugehörige Teilbereich der Meteorologie ist die Aerologie bzw. Aeronomie.

Datenquellen und Datenqualität

Die wichtigste Aufgabe und zugleich das größte Problem der Meteorologie als empirischer Wissenschaft bestehen in der Erfassung, Bearbeitung und insbesondere in der Bewertung und dem Vergleich von Daten. Im Unterschied zu anderen Naturwissenschaften kann man in der Meteorologie dabei nur für eine kleine Minderheit von Fragestellungen kontrollierbare Laborbedingungen herstellen. Meteorologische Datenerfassung ist daher in der Regel an die von der Natur vorgegebene Rahmenbedingungen geknüpft, was die Reproduzierbarkeit von Messergebnissen einschränkt und insbesondere den Reduktionismus auf geschlossen durch eine Messung beantwortbare Fragestellungen erschwert. Die wichtigsten Grundgrößen sind: Grundgrößen
- Lufttemperatur
- Luftfeuchtigkeit (Taupunkt)
- Luftdruck
- Luftdichte
- Windrichtung bzw. Hauptwindrichtung
- Windstärke (phänomenologisch) bzw. Windgeschwindigkeit (Vektor, horizontal und vertikal)
- Niederschlagsart
- Niederschlagsmenge
- Bewölkung
- Sichtweite
- Globalstrahlung
- Albedo Diese Größen werden in verschiedenen Standardformaten, beispielsweise dem Meteorological Aviation Routine Weather Report gesammelt, oder nach bestimmten Mustern klassifiziert, wie beispielsweise der Beaufort-Skala oder der Zeichengebung einer Wetterkarte. Einige Daten werden täglich zu bestimmten Uhrzeiten erhoben, den Mannheimer Stunden. Sie werden durch eine Vielzahl von meteorologischen Messgeräten erfasst, wobei die folgende Aufzählung nur die wichtigsten Beispiele aus dieser Vielfalt auflistet: erfasst
- Thermometer bzw. Thermograph (Temperatur)
- Hygrometer bzw. Hygrograph (Luftfeuchtigkeit)
- Thermohygrograph (Temperatur/Luftfeuchtigkeit)
- Barometer bzw. Barograph (Luftdruck)
- Niederschlagsmesser bzw. Regenmesser/Ombrometer (Niederschlagsart/Niederschlagsmenge)
- Anemometer (Windgeschwindigkeit) bzw. Windsack (Windstärke/Windrichtung)
- Windfahne (Windrichtung)
- SODAR (Windgeschwindigkeit/Windrichtung)
- Aerograph
- Niederschlagsradar (Doppler-Radar)
- Wettersatellit
- Lysimeter (Versickerungs-Verdunstungs-Verhältnis > Evapotranspiration)
- Netradiometer/Netto Radiometer (Globalstrahlung)
- Pyranometer (Globalstrahlungsensor)
- Albedometer (Strahlungsbilanzsensor) Aus der Vielzahl von Messgeräten, der Art der Messgrößen und dem Ziel ihrer Verwendung, ergeben sich zahlreiche Probleme. Es gibt beispielsweise keine wirklich zufriedenstellende Messmethode zur quantitativen Erfassung des Niederschlags. Dieser ist vor allem in Form von Nebel, Tau, Schnee und Hagel nur schlecht und meist auch nur mit einem gesonderten Messgerät, damit aber auch mit verschiedenen Messfehlern, für jede Niederschlagsart einzeln zu erfassen. Nur durch geeignete und standortspezifische Korrekturfaktoren sowie eine hohe Messerfahrung lässt sich dieses Problem ausgleichen, was jedoch zwangsläufig auch die Frage nach der Vergleichbarkeit der Werte verschiedener Messstationen aufwirft. Problematisch sind hier auch Starkregenereignisse, die statistisch nachgewiesene Ablenkung von Niederschlagspartikeln durch das Messgerät selbst und auch die Frage nach der Übertragbarkeit der Niederschlagswerte auf die Umgebung des Messpunktes, besonders bei stark ausgeprägten topographischen Höhenunterschieden. Auch alle anderen Größen sind mit ähnlichen, wenn auch nicht so starken Problemen behaftet, beispielsweise konnte lange Zeit die vertikale Komponente der Windgeschwindigkeit nicht richtig erfasst werden und auch heute noch ist die Messung vertikaler Gradienten sehr aufwendig. Man beschränkt sich daher auch meist auf Bodenmessungen, wobei je nach Messgröße standardisierte Bodenabstände von meist zwei oder zehn Metern angewendet werden. Zu beachten gilt hierbei, dass eine einzelne meteorologische Messung nahezu bedeutungslos ist und die Wetterdynamik in größeren Raumskalen nur durch eine Vielzahl von Messungen verstanden und prognostiziert werden kann. Diese Messungen müssen hierfür jedoch vergleichbar sein, weshalb die Normung und Standardisierung von Messgeräten und Messverfahren eine außerordentliche Rolle in der Meteorologie spielt, jedoch aufgrund vielfältiger praktischer Probleme auch nur bedingt umgesetzt werden kann. Man spricht daher auch von Messnetzen und die Einrichtung von Wetterstationen. Diese befolgen in der Regel die VDI-Richtlinie 3786 oder anderen, teilweise weltweit durch die World Meteorological Organization standardisierten Richtlinien. Zu einer räumlichen Vergleichbarkeit der Daten, die zur Wettervorhersage notwendig ist, kommt jedoch auch eine zeitliche Vergleichbarkeit, die unter anderem für Klimaprognosen eine entscheidende Rolle spielt. Wird die Entwicklung der Messgeräte und damit der Messgenauigkeit bei der Analyse teilweise sehr alter Daten nicht berücksichtigt, so sind diese Daten wissenschaftlich beinahe wertlos, weshalb weltweit oft veraltete und seit Jahrzehnten unveränderte Messgeräte noch sehr weit verbreitet sind. Auch ist dies eine Kostenfrage, denn es ist hier nicht immer sinnvoll, die modernsten und damit teuersten Messgeräte zu verwenden, da diese nur für einzelne Länder bzw. Institute bezahlbar sind. Zudem ist jeder Wechsel der Messapparatur mit einem Wechsel der Datenqualität verknüpft, was bei längeren und sehr wertvollen Messreihen von vielen Jahrzehnten bis wenigen Jahrhunderten leicht zu falsch postulierten bzw. interpretierten Trends führen kann. Es wird also oft zugunsten der Vergleichbarkeit auf eine höhere Genauigkeit verzichtet. Bei einer globalen Erwärmung von wenigen Grad Celsius sind diese sehr alten Daten meist wenig hilfreich, da schon ihr Messfehler in der Regel den Effekt dieser möglichen Temperaturänderungen übersteigt. Ein großer Teil der Argumente von sogenannten „Klimaskeptikern“ basiert auf dieser teilweise umstrittenen Datenlage, es existieren jedoch auch andere natürliche Klimaarchive mit wesentlich genaueren Daten über sehr lange Zeiträume. Es ergibt sich also die Notwendigkeit, bedingt durch standortspezifische, personelle und messtechnische Faktoren, Messdaten kritisch zu hinterfragen und diese richtig einzuordnen. In der Meteorologie steht hierbei die räumliche Datenanalyse im Vordergrund, in der ansonsten eng verwandten Klimatologie spielt hingegen die zeitliche Datenanalyse (Zeitreihenanalyse) die Hauptrolle.

Strahlungsmessung

Die Gewinnung von physikalischen Größen aus Messungen in verschiedenen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums ist eine Herausforderung, die nur mit großem technischen Aufwand sowie durch Einsatz von Modellen gelingt.

Satellitenmessung

Ein wichtiges Hilfsmittel für Meteorologen, speziell der Satellitenmeteorologie, bildet heutzutage die Satelliten, insbesondere die Wettersatelliten und Umweltsatelliten. Man unterscheidet hierbei geostationäre Satelliten, die in einer Höhe von 36000 km stationär über der Erde verankert sind und Satelliten, die auf so genannten LEOs (Low Earth Orbits) in 400 bis 800 km die Erde umkreisen. Aufgrund der großflächigen Erfassung von Messdaten, lassen sich mit Satelliten globale Zusammenhänge erfassen und damit letztendlich auch verstehen. Um mit Satellitendaten arbeiten zu können, sind weit reichende Kenntnisse in der Datenverarbeitung notwendig. Satellitendaten können als Grundlage für die Klimatologie genutzt werden, um deren Modelle zu verbessern und eine umfassende und gleichmäßige Datenerfassung zu ermöglichen. Immer häufiger werden solche Daten daher benutzt, um Erkenntnisse über Regionen zu erhalten, die keiner anderen Messmethode zugänglich sind. Ein Beispiel sind hier Niederschlagsschätzungen oder Windgeschwindigkeitsbestimmungen über den Ozeanen. Dort hat man kein enges Messnetz zur Verfügung und war lange Zeit auf großflächige Datenextrapolationen angewiesen, was selbst heute noch dazu führt, dass bei stark marin geprägten Wetterlagen, beispielsweise an der Westküste Nordamerikas, wesentlich geringere Vorhersagequalitäten erreicht werden können als bei kontinental bestimmten Wetterlagen. Alle nicht satellitengestützten Datenerhebungen auf dem Ozean stammen hierbei aus Schiffs- oder Bojenmessungen, beziehungsweise von Messstationen auf vereinzelten Inseln. Kenntnisse zu den Wetterverhältnisse über den Ozeanen können daher zu einer Verbesserung der Gesamtvorhersagen von Niederschlagsereignissen an Küsten führen. Dies ist gerade für die vom Monsun betroffenen Länder, wie Indien, eine (lebens)wichtige Information.

Modelle und Simulationen

Besonders in der Klimatologie (Klimamodell), aber auch in der Meteorologie (Numerische Wettervorhersage) und Fernerkundung spielen Modelle eine herausragende Rolle. Sie gewinnen ihre Bedeutung durch verschiedene Faktoren:
- Mit zunehmender Entwicklung der Messtechnik und dem steigenden Anspruch an Wettervorhersagen steigt auch die Datenmenge enorm an. Dadurch ist eine schriftliche Auswertung der Daten auf Wetterkarten nicht mehr ausreichend. Vereinfachte Modelle und Rechnersimulationen sind daher schneller, kostengünstiger und ermöglichen erst die umfangreiche Datenauswertung.
- Der Zeiträume in denen viele Effekte, beispielsweise Meeresspiegelschwankungen, auftreten sind enorm hoch und können nur mit Modellen simuliert werden. Sie sind nicht direkt beobachtbar und zudem existieren keine durchgehenden und qualitativ ausreichenden Messreihen für solche Zeiträume. Meteorologen haben also in der Regel kein Labor, in dem sie Messungen durchführen können und sind daher auf theoretische Modelle angewiesen. Diese müssen daraufhin wiederum mit real beobachteten Effekten verglichen werden. Ausnahmen sind beispielsweise die Klimakammer AIDA des Forschungszentrums Karlsruhe und die Klimakammer am Forschungszentrum Jülich. Das Design von Modellen ist ebenso eine Herausforderung, wie deren inhaltliche Gestaltung. Nur Modelle, die die Natur möglichst adäquat beschreiben, sind in Forschung wie Praxis sinnvoll einsetzbar. Da solche Modelle wegen der Komplexität des modellierten Systems leicht ganze Rechenzentren beschäftigen können, ist eine effiziente Algorithmik, also die Natur vereinfachende statistische Annahmen, ein wichtiger Punkt bei der Entwicklung der Modelle. Nur auf diese Weise können Rechenzeit und somit die Kosten überschaubar gehalten werden. In den 20er Jahren des 19. Jahrhunderts hat der Mathematiker Lewis Fry Richardson Methoden entwickelt, mit Hilfe derer die enorme Komplexität mathematischer meteorologischer Modelle angegangen werden konnten. Diese sind heute noch häufig die Grundlage meteorologischer Simulationen (Simulationsmodell) auf Supercomputern. Diese dienen daher auch nicht ohne Grund in sehr vielen Fällen zur Simulation der Wetter- bzw. Klimadynamik, wobei diese ihre Grenzen, trotz teilweise gigantischer Größendimensionen, schnell erreichen. Es lassen sich verschiedene Arten von Atmosphärenmodellen grob unterscheiden: Strahlungstransfermodelle (bspw. KOPRA), Chemietransportmodelle (bspw. ECHAM) und dynamische Modelle. Der Trend geht jedoch zu integrierten Modellen oder „Weltmodellen“, die die gesamte Natur nachzeichnen (SIBERIA 2). Bei der Verbesserung der Qualität der Modelle fließen, wie überall in der physikalischen Modellierung, sowohl statistische Verfahrensweisen als auch experimentelle Beobachtungen, neue Ideen usw. in das Verfahren ein. Ein bekanntes Beispiel hierfür ist die Entwicklung, die zur Erkenntnis geführt hat, dass die Veränderung von Spurengasmengen in der Atmosphäre (bspw. Kohlendioxid oder Ozon) zu einer 'ungesunden' Wärmeentwicklung der Biosphäre führen können (bspw. Treibhauseffekt, Abkühlung der Stratosphäre). Auch die Entdeckung des Ozonloches und die Verstärkung des Augenmerkes der Wissenschaftler auf die damit zusammenhängende Atmosphärenchemie fällt in diese Kategorie. Einfachstes meteorologisches Modell und zugleich die erste Bewährungsprobe für alle neuentwickelten Modelle zur Wettervorhersage, ist die simple Übertragung des aktuellen Wetters auf die Zukunft. Es gilt hierbei der einfache Grundsatz eines konstanten Wetters, man nimmt also an, das Wetter des nächsten Tages wird dem des aktuellen Tages entsprechen. Da Wetterlagen oft lange nahezu gleichbleibend sind, hat diese einfache Annahme bereits eine Erfolgswahrscheinlichkeit von circa 60%.

Weiterführendes

Die Sonne als Basis des Wetters


- Sonne
- Strahlungshaushalt der Erde
- Sonnenschein
- Solarkonstante
- Solarstrahlung
- Sonnenstrahlung
- Sonnenenergie
- Kosmische Strahlung
- Treibhauseffekt
- Milanković-Zyklen

Rolle des Wassers


- Wasser
- Wasserdampf
- Eis
- Luftfeuchtigkeit
- Wasserkreislauf

Listen


- Themenliste Wetter und Klima
- Liste der Abkürzungen in der Meteorologie
- Kategorien Meteorologie, Meteorologen und meteorologische Messgeräte

Behörden, Verbände, Firmen

Deutschland
- Deutsche Meteorologische Gesellschaft
- Deutscher Wetterdienst
- Verband Deutscher Wetterdienstleister (zahlreiche private Wetterdienste)
- Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt USA
- American Meteorological Society
- National Center for Atmospheric Research
- National Oceanic and Atmospheric Administration :
- National Severe Storms Laboratory :
- National Weather Service :
- Storm Prediction Center :
- National Hurricane Center :
- National Climatic Data Center
- American Geophysical Union Großbritannien
- Royal Meteorological Society
- Met Office - Wetterdienst des Vereinigten Königreichs GB Frankreich
- Meteo France Europa
- European Centre for Medium-Range Weather Forecasts
- EUMETSAT - European Meteorological Satellite Organisation International
- World Meteorological Organization
- International Association of Broadcast Meteorology
- World Data Center for Remote Sensing of the Atmosphere
- Internationale Union für Geodäsie und Geophysik

Literatur

Deutschsprachige Lehrbücher
- Malberg, H. (2002): Meteorologie und Klimatologie. Eine Einführung. (4., aktualisierte u. erweiterte Aufl.). Springer, Berlin. ISBN 3540429190
- Weischet, W. (2002): Einführung in die allgemeine Klimatologie: physikalische und meteorologische Grundlagen. (6., überarb. Aufl.). Borntraeger, Berlin. ISBN 3443071236
- Häckel H. (1999): Meteorologie. 4. Aufl. Ulmer Verlag, Stuttgart; UTB 1338; 448 S. ISBN 3825213382
- Zmarsly, Kuttler W., Pethe H. (2002): Meteorologisch-klimatologisches Grundwissen. Eine Einführung mit Übungen, Aufgaben und Lösungen. Ulmer Verlag, Stuttgart; ISBN 3825222810 Deutschsprachige Sachbücher
- Kachelmann J., Schöpfer S. (2004): Wie wird das Wetter? Rowohlt, Reinbek. ISBN 3498063774
- Klage J. (2002): Wetter macht Geschichte. Der Einfluß des Wetters auf den Lauf der Geschichte. FAZ-Buch, Frankfurt; 236 S. ISBN 3898430979 Andere Sprachen
- Barry R. G., Chorley R. J. (2003): Atmosphere, Weather and Climate. 8th ed., Routledge, London; 536 pp. ISBN 0415271703
- Frater H. (1999): Weather and Climate. CD-ROM, Springer Verlag, Berlin.
- Holton J. R. et. al. (2002): Encyplopedia of Atmospheric Sciences. San Diego, London, Academic Press. ISBN 0122270908
- Schaefer J., Day J.A. (1981): Atmosphere. Clouds, rain, snow, storms. Peterson Field Guides. Houghton Mifflin Company, Boston, New York.

Weblinks

Portale und Communitys
- [http://www.geosciences-forum.com/ Geosciences-Forum: Meteorologie]
- [http://www.meteo.ch/ Schweizer Wetterportal]
- [http://www.wetterzentrale.de/ Sehr gute deutsche Webseite für Wetterkarten (auch ältere), Vorhersagediagramme und Satellitenbilder mit dem wohl meistbesuchten deutschsprachigen Diskussionsforum für Hobbymeteorologen, Chat, Bildergalerie und vielem mehr.]
- [http://www.wetterstationen.info/ Tests von Wetterstationen für Privatanwender, Forum]
- [http://www.wetterturnier.de/ Wer macht die beste Wettervorhersage?]
- [http://www.wetterforum.com/ Wetterforum.com] Daten- und Bildmaterialien
- [http://de.allmetsat.com/ Beobachtungen und Wetterprognosen - Bilder der Satelliten]
- [http://www.top-wetter.de/ Bildergalerien, Klimadiagramme, Ausführliche Linksammlung]
- http://www.wetteronline.de/ - Allgemeine Informationen zum Wetter mit detaillierten Windkarten für Nordsee, Ostsee und Mittelmeer.
- [http://www.wolkenatlas.de/ Informationen und Bilder rund um das Thema Wolken.] Sonstiges
- http://www.wetterpate.de - Erwerbbare Patenschaften für Hoch- und Tiefdruckgebiete beim Institut für Meteorologie der FU Berlin. Kategorie:Naturwissenschaft ! Kategorie:Geowissenschaft Kategorie:Physik ja:気象学 ko:기상학 ms:Meteorologi

Wasser

Wasser ist eine chemische Verbindung aus den Elementen Sauerstoff und Wasserstoff. Die Bezeichnung Wasser wird besonders für den flüssigen Aggregatzustand verwendet, im festen, also gefrorenen Zustand wird es Eis genannt, im gasförmigen Zustand Wasserdampf oder einfach nur Dampf. Dampf

Etymologie und alternative Bezeichnungen

Das Wort Wasser leitet sich vom althochdeutschen wazzar „das Feuchte, Fließende“ ab. Andere chemische Bezeichnungen für Wasser sind:
- Wasserstoffoxid (auf deutsch die korrekte, weil einfachste Bezeichnung)
- Diwasserstoffmonoxid, Wasserstoffhydroxid, Dihydrogeniumoxid, Hydrogeniumoxid, Hydrogeniumhydroxid oder Dihydrogenmonoxid

Vorkommen

Erde

Große Teile der Erde sind vom Wasser bedeckt, wobei dies besonders auf der Südhalbkugel der Fall ist und sich als Extrem an der Wasserhalbkugel zeigt. Die Versorgung der Weltbevölkerung mit hygienisch und toxikologisch unbedenklichem Trinkwasser, sowie einer ausreichenden Menge Nutzwasser, stellt eine der größten Herausforderungen der Menschheit in den nächsten Jahrzehnten dar. Die Wasservorkommen der Erde belaufen sich auf circa 1 386 Millionen km3, wovon allein 1 338 Millionen km3 (96,5 %) auf das Salzwasser der Weltmeere entfallen. Nur 48 Millionen km3 (3,5 %) des irdischen Wassers liegen als Süßwasser vor. Das mit 24,4 Millionen km3 (1,77 %) meiste Süßwasser ist dabei als Eis an den Polen, Gletschern und Dauerfrostböden gebunden und somit nicht der Nutzung zugänglich. Einen weiteren wichtigen Anteil macht das Grundwasser mit 23,4 Millionen km3 aus. Das Wasser der Fließgewässer und Binnenseen (190 000 km3), der Atmosphäre (13 000 km3), des Bodens (16 500 km3) und der Lebewesen (1 100 km3) ist im Vergleich rein mengenmäßig recht unbedeutend. Dabei ist jedoch nur ein geringer Teil des Süßwassers auch als Trinkwasser verfügbar. Insgesamt liegen 98,233 % des Wassers in flüssiger, 1,766 % in fester und 0,001 % in gasförmiger Form vor. In seinen unterschiedlichen Formen weist das Wasser dabei spezifische Verweilzeiten auf und zirkuliert fortwährend im globalen Wasserkreislauf. Diese Anteile sind jedoch nur näherungsweise bestimmbar und wandelten sich auch stark im Laufe der Klimageschichte, wobei im Zuge der globalen Erwärmung von einem Anstieg des Wasserdampfanteils ausgegangen wird.

Sonnensystem

Auch außerhalb der Erde kommt zwar Wasser vor, aber nur in sehr geringen Mengen und dann als Eis oder Wasserdampf. Als Eis wurde Wasser in Kometen („schmutzige Schneebälle“), auf dem Mars und auf einigen Monden der äußeren Planeten nachgewiesen. Viele Hinweise deuten darauf hin, dass der Mars in der Frühzeit seiner Entwicklung offene Wasserflächen enthielt. Zu den Monden zählen die Jupitermonde Europa, Ganymed und Kallisto, der Neptunmond Triton, sowie Charon, der einzige bekannte Mond Plutos. Hinweise auf das Vorhandensein von Eis in Meteoritenkratern in Polnähe gibt es sogar bei Merkur, dem sonnennächsten Planeten. Es ist möglich, dass auf dem Erdenmond in den Polregionen am Grund tiefer Krater Eisvorkommen als Relikte von Kometeneinschlägen überlebt haben. Solche Vorkommen wären wichtige Wasser- und Sauerstoffquellen für künftige Mondbasen, sind jedoch bis auf weiteres spekulativ.

Herkunft

Hauptartikel: Herkunft des irdischen Wassers Die Herkunft des Wassers auf der Erde, insbesondere die Frage, warum auf der Erde deutlich mehr Wasser vorkommt als auf den anderen erdähnlichen Planeten, ist bis heute nicht befriedigend geklärt. Ein Teil des Wassers dürfte durch das Ausgasen der Magma entstanden sein, also letztlich aus dem Erdinneren stammen. Ob dadurch aber die Menge an Wasser erklärt werden kann, ist fragwürdig. Weitere große Anteile könnten aber auch durch Einschläge von Kometen, transneptunischen Objekten oder wasserreichen Asteroiden (Protoplaneten) aus den äußeren Bereichen des Asteroidengürtels auf die Erde gekommen sein. Messungen des Isotopenverhältnisses von Deuterium zu Protium (D/H-Verhältnis) deuten dabei eher auf Asteroiden hin, da in Wassereinschlüssen in kohligen Chondriten ähnliche Verhältnisse gefunden wurden wie in ozeanischem Wasser, wohingegen bisherige Messungen dieses Isotopenverhältnisses an Kometen und transneptunischen Objekten nur schlecht mit irdischem Wasser übereinstimmten.

Wassermolekül

Chondriten Chondriten Hauptartikel: Wassermolekül Das Molekül des Wassers besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Geometrisch ist das Wassermolekül gewinkelt, so dass die zwei Wasserstoffatome und die zwei Elektronenpaare in die Ecken eines gedachten Tetraeders gerichtet sind. Der Winkel, den die beiden O-H-Bindungen einschließen beträgt 104,45°. Er weicht aufgrund des erhöhten Platzbedarfs der freien Elektronenpaare vom idealen Tetraederwinkel (~109,47°) ab. Die Bindungslänge der O-H-Bindungen beträgt jeweils 95,84 Picometer. Sauerstoff hat in der Pauling-Skala mit 3,5 eine höhere Elektronegativität als Wasserstoff mit 2,1. Das Wassermolekül weist dadurch ausgeprägte Partialladungen auf. In Kombination mit der dreieckigen Geometrie kommt es auf der Seite des Sauerstoffs zu einer negativen und auf der Seite der beiden Wasserstoffatome zu einer positiven Polarität. Diese bewirkt das Dipolmoment, das in der Gasphase 1,84 Debye beträgt. Wassermoleküle wechselwirken miteinander über Wasserstoffbrückenbindungen und besitzen dadurch ausgeprägte zwischenmolekulare Anziehungskräfte. Es handelt sich dabei um keine beständige, feste Verkettung. Der Verbund der über Wasserstoffbrückenbindungen unbeständig verketteten Wassermoleküle besteht nur Bruchteile von Sekunden, wonach sich die einzelnen Moleküle wieder aus dem Verbund lösen und sich in einem ebenso kurzen Zeitraum erneut verketten. Dieser Vorgang wiederholt sich ständig und führt letztendlich zur Ausbildung eines variablen Clusters. Hierdurch werden wichtige Eigenschaften wie die Dichteanomalie hervorgerufen. Je nach Isotopenzusammensetzung des Wassermoleküls unterscheidet man „schweres Wasser“, „halbschweres Wasser“ und „überschweres Wasser“.

Eigenschaften des Wassers

Hauptartikel: Eigenschaften des Wassers, Stoffdaten des Wassers

Synthese, Elektrolyse und Nachweis

Wasser wurde zum ersten Mal synthetisiert, als Henry Cavendish ein Gemisch aus Wasserstoff und Luft zum Explodieren brachte. Da Wasserstoff in der Zukunft Energieträger werden soll, ist geplant, durch die Elektrolyse des Wassers diesen Wasserstoff zu gewinnen. Allerdings ist ein hoher Energieaufwand für die Elektrolyse nötig. Mittlerweile ist es Forschern gelungen, Wasser durch Anwesenheit eines Katalysators nur mittels Sonnenlicht in Sauerstoff und Wasserstoff aufzuspalten: : \mathrm Wasser färbt weißes Kupfersulfat hellblau und blaues Cobalt(II)-chloridpapier wird durch Wasser rot gefärbt, Karl-Fischer-Titration.

Geschichte der Wassernutzung

Hauptartikel: Geschichte der Wassernutzung Die Geschichte der menschlichen Nutzung des Wassers und somit jene der Hydrologie, der Wasserwirtschaft und besonders des Wasserbaus, ist durch eine vergleichsweise geringe Zahl von Grundmotiven geprägt. Von den ersten sesshaftwerdenen Menschen zu den Hochkulturen der Antike über das Mittelalter bis zur Neuzeit, stand im Zentrum immer ein Konflikt zwischen einem zu viel und einem zu wenig an Wasser. Ihm war man dabei fast immer ausgeliefert, ob durch Dürren die Ernte einging oder Hochwasser Leben und Besitz bedrohte. Ohne die Kenntnis woher das Wasser kam und wohin es ging, wurde es zu einem Gegenstand der Mytholgie und später auch Naturphilosophie. Noch heute kommt dem Wasser in den meisten Religionen der Welt eine Sonderstellung zu, besonders dort, wo die Frage des Überlebens von der Lösung der zahleichen Wasserprobleme abhing. Ziel war es allen Nutzungsansprüchen gerecht zu werden und dabei auch jedem Menschen den ihm zustehenden Teil des Wassers zu garantieren. Hierzu wurde das Wasserrecht als eine der ersten Rechtsformen zum Mitbegründer der ersten zentralistischen Zivilisationen von Mesopotamien und Ägypten, bis in die Flusstäler Chinas und Indiens. Die lange Geschichte der Wassernutzung zeigt sich dabei, wie die Menschheitsgeschichte insgesamt, nicht als ein kontinuierlicher Entwicklungspfad. Sie wurde vor allem durch einzelne Zentren hohen wasserwirtschaftlichen Standards sowie immer wiederkehrende Brüche geprägt, neben oft Jahrhunderte lang währenden Stagnationsphasen. So beeindruckend die frühen wasserbaulichen Anlagen dabei auch waren, wie groß sich Innovationskraft und Kreativität unserer Vorfahren auch zeigte, letztlich war und ist man auch heute noch abhängig von der Natur, die man jedoch erst in vergleichsweise jüngster Zeit anfing wirklich zu verstehen.

Bedeutung des Wassers in den Wissenschaften

Zur Bedeutung für das Leben und die Welt allgemein siehe: Bedeutung des Wassers Wasser spielt wegen seiner besonderen chemischen und physikalischen Eigenschaften, vor allem des Dipolmoments, der Wasserstoffbrückenbindung und der Dichteanomalie, eine zentrale Rolle in vielen Wissenschaften und Anwendungsgebieten. Es ist der wahrscheinliche Entstehungsort des irdischen Lebens und unter Umständen auch eine Bedingung für dieses. In Organismen und in unbelebten Bestandteilen der Geosphäre spielt es als vorherrschendes Medium bei fast allen Stoffwechselvorgängen beziehungsweise geologischen und ökologischen Elementarprozessen eine entscheidende Rolle. Die Erdoberfläche ist zu circa 72 % von Wasser bedeckt, wobei Ozeane hieran den größten Anteil tragen. Süßwasserreserven bilden lediglich 2,53 % des irdischen Wassers und nur 0,3 % sind als Trinkwasser zu erschließen (Dyck 1995). Durch die Rolle des Wassers in Bezug auf Wetter und Klima, als Landschaftsgestalter im Zuge der Erosion und durch seine wirtschaftliche Bedeutung unter anderem in den Bereichen der Land-, Forst- und Energiewirtschaft ist dieses zudem in vielfältiger Weise mit Geschichte, Wirtschaft und Kultur der menschlichen Zivilisation verbunden. Die Wissenschaft, welche sich mit der räumlichen wie zeitlichen Verteilung des Wassers und dessen Eigenschaften beschäftigt, bezeichnet man als Hydrologie. Insbesondere untersucht die Ozeanologie das Wasser der Weltmeere, die Limnologie das Wasser der Binnengewässer, die Hydrogeologie das Grundwasser und die Aquifer, die Meteorologie den Wasserdampf der Atmosphäre und die Glaziologie das gefrorene Wasser unseres Planeten. In flüssiger Form wurde Wasser bislang nur auf der Erde nachgewiesen.

Wasserchemie

Die Chemie beschäftigt sich unter anderem mit der Analyse von im Wasser gelösten Stoffen, den Eigenschaften des Wassers, dessen Nutzung, dessen Verhaltensweise in verschiedenen Zusammenhängen. Wasser ist ein Lösungsmittel für viele Stoffe, für Ionenverbindungen, aber auch für hydrophile Gase und hydrophile organische Verbindungen. Sogar gemeinhin als in Wasser unlöslich geltende Verbindungen können in Spuren im Wasser enthalten sein. Daher liegt Wasser auf der Erde nirgends in reinem Zustand vor. Es hat je nach Herkunft die unterschiedlichsten Stoffe in mehr oder weniger großen Konzentrationen in sich gelöst. In der Analytik unterscheidet man unter anderem folgende Wassertypen:
- Reinstwasser
- Demineralisiertes Wasser
- Destilliertes Wasser
- Enteisentes Wasser
- Ätherisches Wasser
- Rohwasser
- Regenwasser
- Grundwasser
- Oberflächenwasser (Fließ- und Stehgewässer),
- Süßwasser/Salzwasser/Brackwasser
- Mineralwasser
- Trinkwasser
- schweres Wasser
- Abwasser, (Haushalts-Abwässer, landwirtschaftliche Abwässer,Industrie-Abwässer) Aber auch bei den wässrigen Auslaugungen (Eluaten) von Sedimenten, Schlämmen, Feststoffen, Abfällen und Böden wird die Wasseranalytik eingesetzt. Um die Eigenschaften des Wassers und eventuell darin gelöster Stoffe, bzw. damit in Kontakt stehender fester Phasen aufzuklären hat sich die Molekulardynamik-Simulation bewährt. Siehe auch: Wasserhärte, Gewässergüteklasse, Hydrophobie, Hydrophilie

Wasser in den Geowissenschaften

Hydrophilie In den Geowissenschaften haben sich Wissenschaften herausgebildet, die sich besonders mit dem Wasser beschäftigen: die Hydrogeologie, die Hydrologie, die Glaziologie, die Limnologie, die Meteorologie und die Ozeanographie. Besonders interessant für die Geowissenschaften ist, wie Wasser das Landschaftsbild verändert (von kleinen Veränderungen über einen großen Zeitraum bis hin zu Katastrophen, bei denen Wasser innerhalb weniger Stunden ganze Landstriche zerstört), dies geschieht zum Beispiel auf folgende Weisen:
- Flüsse oder Meere reißen Erdmassen mit sich und geben sie an anderer Stelle wieder ab (Erosion).
- Durch sich bewegende Gletscher werden ganze Landschaften umgestaltet.
- Wasser wird von Steinen gespeichert, gefriert in diesen und sprengt die Steine auseinander, weil es sich beim Gefrieren ausdehnt (Frostverwitterung).
- Durch Dürren werden die natürlichen Ökosysteme stark beeinflusst. Wasser ist nicht nur ein bedeutender Faktor für die mechanische und chemische Erosion von Gesteinen sondern auch für die klastische und chemische Sedimentation von Gesteinen. Dadurch entstehen unter anderem Grundwasserleiter. Auch interessiert Geowissenschaftler die Vorhersage des Wetters und besonders von Regenereignissen (Meteorologie). Siehe auch: Gewässer, Gletscher, Permafrostboden, Binnenmeer, Binnensee, Teich, Meer, Ozean, Fluss, Bach, Flussaue.

Wasser in der Hydrodynamik

Die verschiedenen strömungstechnischen Eigenschaften und Wellentypen auf mikroskopischer und makroskopischer Ebene werden intensiv untersucht, wobei folgende Fragestellungen im Mittelpunkt stehen:
- Optimierung von Bootskörpern und exponierter Baukörper (zum Beispiel Wehre) - Minimierung des Strömungswiderstandes
- Optimierung des Wirkungsgrades von wassergetriebenen Turbinenrädern
- Untersuchung von Strömungsphänomenen und Resonanzkatastrophen (Tsunami, Monsterwellen)
- Untersuchung der Konsistenz und Qualität des Mediums Wasser aus der Analyse seiner charakterisierenden Strömungseigenschaften. Mit diesem Aspekt beschäftigt sich das Institut für Strömungswissenschaften in Herrischried im Südschwarzwald.

Kulturelle Bedeutung des Wassers

Aufgrund der großen Bedeutung des Wassers wurde es nicht zufällig bereits bei den frühesten Philosophen zu den vier Urelementen gezählt. Thales von Milet sah im Wasser sogar den Urstoff allen Seins.

Wasser in der Mythologie

Thales von Milet Wasser ist in der von Empedokles eingeführten und dann vor allem von Aristoteles vertretenen Vier-Elemente-Lehre neben Feuer, Luft und Erde ein Element. Ebenso ist Wasser in der taoistischen Fünf-Elemente-Lehre (neben Holz, Feuer, Erde, Metall) vertreten. Die Bezeichnung Elemente ist hier jedoch etwas irreführend, da es sich um verschiedene Wandlungsaspekte eines zyklischen Prozesses handelt. Im antiken Griechenland wurde dem Element Wasser das Ikosaeder als einer der fünf Platonischen Körper zugeordnet.

Wasser in der Religion

In den Religionen hat Wasser häufig einen hohen Stellenwert. Oft wird die reinigende Kraft des Wassers beschworen, zum Beispiel bei den Moslems in Form der rituellen Fußwaschung vor dem Betreten einer Moschee, oder im Hindu-Glauben beim rituellen Bad im Ganges. Die christliche Taufe wurde bis ins späte Mittelalter durch Untertauchen oder Übergießen mit Wasser als Ganzkörpertaufe vollzogen, im Westen heute meist nur noch durch Besprengen mit Wasser. Die Taufe bedeutet Hinwendung zu Christus und Aufnahme in die Kirche. Sie steht auch symbolisch für Sterben (Untertauchen) und Auferstehen (ankommen am Ufer des neuen Lebens). In der katholischen und orthodoxen Kirche spielt das Weihwasser eine besondere Rolle. Vor allem die reinigende Kraft des Wassers gab immer wieder Anlass, über die Bedeutung des Wassers für das Leben und auch für ein Leben nach dem Tod nachzudenken.

Wasser in der Esoterik

In der Esoterik heißt es, Wasser sei in seiner Struktur veränderbar und übertrage so Informationen. Diese Wasser werden als "Polywasser", "levitertes", "formatiertes" oder Belebtes Wasser bezeichnet und gehen zum Teil zurück auf Masaru Emoto, Viktor Schauberger oder Wilfried Hacheney.

Wasser als Trinkwasser und Produkt

Wilfried Hacheney Die zur Trinkwasserversorgung nutzbaren Wasservorkommen werden unterschieden in Niederschlagswasser, Oberflächenwasser in Flüssen, Seen, Talsperren, Grundwasser, Mineralwasser und Quellwasser. Die Nutzung der Gewässer wird im Wasserhaushaltsgesetz (in Deutschland, Österreich und der Schweiz (?)) geregelt. In Mitteleuropa gibt es eine zuverlässige, weitgehend kostendeckende und hochwertige Wasserversorgung, meist noch durch öffentliche Anbieter. Meist kommt Leitungswasser aus der näheren Region, für die der kommunale Versorger auch ökologisch Verantwortung übernimmt. Der weltweite Wassermarkt hat ein Wachstum wie kaum eine andere Branche. Deshalb haben private Anbieter großes Interesse, Wasser als Handelsware zu definieren, um diesen Markt zu übernehmen. Auch wenn das normale Trinkwasser nicht direkt eine Handelsware darstellt, so wird auch von manchen Organisationen ins Treffen geführt, dass durch die Globalisierung auch ein indirekter Wasserexport, vor allem der Länder der dritten Welt, stattfindet. Das bedeutet beispielsweise, dass für den Anbau von Bananen 1.000 l/m² Boden notwendig ist. Durch Produktionssteigerungen, die für den Export bestimmt sind, fehlt das Wasser der einheimischen Bevölkerung. (Quelle: Wuppertaler Institut)

Wasserverbrauch

Der Wasserverbrauch ist das für den menschlichen Verbrauch benötigte Wasser. Dieses umfasst den unmittelbaren menschlichen Genuss (Trinkwasser) ebenso wie den zum alltägliche Leben (Waschen, Kochen etc.) sowie für die Landwirtschaft, das Gewerbe und die Industrie (siehe Nutzwasser) gegebenen Bedarf. Wie der Wortsinn - verbrauch darlegt, wird hierbei das Wasser im Hinblick auf seine Menge und Qualität geändert. Der Wasserverbrauch ist daher nicht nur eine Kenngröße für die nachgefragte Wassermenge, sondern zumeist auch für die Entsorgung (Kanalisation, Kläranlage) Der Wasserbedarf in Deutschland betrug 1991 47,9 Milliarden m3, wovon allein 29 Milliarden m3 als Kühlwasser in Kraftwerken dienten. Rund 11 Milliarden m3 wurden direkt von der Industrie genutzt, 1,6 Milliarden m3 von der Landwirtschaft. Nur 6,5 Milliarden m3 dienten der Trinkwasserversorgung. Der durchschnittliche Wasserverbrauch beträgt rund 130 Liter pro Einwohner und Tag (davon etwa 1 Liter zum Trinken, neben Cola, Bier oder anderen Getränken welche ebenfalls Wasser enthalten). Siehe auch: Abwasser, Nutzwasser, Verbrauch

Wasserversorgung

Verbrauch Die Versorgung der Menschheit mit sauberem Wasser stellt Menschen nicht nur in den Entwicklungsländern vor ein großes logistisches Problem. Nur 0,3 % der weltweiten Wasservorräte sind als Trinkwasser verfügbar, das sind 3,6 Millionen km3 von insgesamt ca. 1,38 Milliarden km3. Um die Wasserknappheit in niederschlagsarmen Ländern zu lindern, wurden schon verrückt erscheinende Ideen erwogen: so wurde vorgeschlagen, mit Schleppern einen riesigen Eisberg über das Meer zu schleppen, der nur zum Teil schmelzen würde, und von dem auftauenden Eisberg Trinkwasser aufzufangen. Siehe auch: Wasserverteilungssystem, Wasseraufbereitung, Wasseraufbereitungsanlage, Wasserwirtschaft, Wasserreinhaltung

Gesetzliche Grundlagen und Behörden

Hauptartikel: Wasserrecht Die wasserrechtlichen Grundlagen der Wasserwirtschaft und des öffentlichen Umganges mit den Wasserresourcen bilden in Deutschland das Wasserhaushaltsgesetz und die Europäische Wasserrahmenrichtlinie. Wichtige Behörden und Institutionen sind:
- Wasser- und Schifffahrtsamt
- LAWA (Arbeitsgemeinschaft)

Ausstellungen und Veranstaltungen rund ums Wasser


- Von 2005 bis 2014 hat die UNO zur Internationalen Aktionsdekade „Wasser – Quelle des Lebens“ aufgerufen
- Weltwasserforum
- Weltwassertag
- [http://www.hww-hamburg.de/hww_prod_engine.shtml?id=137 Museum Wasserforum HWW (Hamburger Wasserwerke)]

Siehe auch


- Trinkwasser, Mineralwasser, Aquavit - Wasser als Getränk
- Brackwasser, Salzwasser und Süßwasser - Wasserarten nach Salzgehalt
- Gewässer - Allgemeine Bezeichnung für natürliche und künstliche Wasseransammlungen
- Wasser als Handelsware, Umwelt- und Ressourcenkonflikte
- Weihwasser - als Symbol in der Religionsgeschichte
- Wasser - Der Film, einen Film aus Großbritannien, 1985, mit deutschem Titel
- Mpemba-Effekt, abnormaler Gefriervorgang

Literatur

Allgemeine Inhalte
- Karl Höll, Andreas Grohmann et. al. (2002): Wasser. Nutzung im Kreislauf. Hygiene, Analyse und Bewertung. 8. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin - New York.
- Dyck & Peschke (1995): Grundlagen der Hydrologie. 3. Auflage, Verlag Bauwesen. ISBN 3345005867
- Philip Ball (2001): H2O – Biographie des Wassers. Piper Verlag. ISBN 3492041566 Wasserchemie
- Günter Wieland (1999): Wasserchemie. 12. Auflage, Essen. ISBN 3802725425
- Bernd Naumann (1994): Chemische Untersuchungen der Lebensgrundlage Wasser. Herausgeber: Landesinstitut für Lehrerfortbildung, Lehrerweiterbildung und Unterrichtsforschung von Sachsen-Anhalt (LISA)], (=Anregungen zur ökologischen Bildung, Bd. 2), Halle. Nutzung und Schutz
- Christian Opp (Hrsg.): Wasserressourcen - Nutzung und Schutz (=Beiträge zum Internationalen Jahr des Süßwassers 2003) Marburg/Lahn 2004, 320 S., ISBN 388353049 Gesundheit/Esoterik
- Batmanghelidj, F. (2002): Wasser - die gesunde Lösung. Ein Umlernbuch. VAK Verlag. ISBN 3924077835
- Batmanghelidj, F. (2003): Sie sind nicht krank, Sie sind durstig! Heilung von innen mit Wasser und Salz. VAK Verlag. ISBN 3935767250

Weblinks

Allgemeine Inhalte
- [http://www.quarks.de/dyn/15851.phtml Quarks & Co: Lebensquell Wasser]
- [http://www.wasser-wissen.de/ Wasserlexikon der Uni Bremen]
- [http://www.grundschule-friedrichsfehn.de/projekte/wasserwanderweg/index.html Wasserwanderweg]
- [http://www.wasser.de Informationen über Wasser] Informationen zum Wasser für Kinder
- [http://www.klasse-wasser.de/ bei klasse-wasser.de]
- [http://www.grundschule-friedrichsfehn.de/projekte/wassertropfen/index.html Ein Wassertropfen auf Reisen]
- [http://www.grundschule-friedrichsfehn.de/projekte/wasserumwelt/index.html Wasser Umwelt] Multimedialinks
- Real Video (Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri):
  - [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&g2=1&f=021027.rm Ist Wasser magisch?] Kategorie:Alkoholfreies Getränk Kategorie:Wasserwirtschaft Kategorie:Ernährung Kategorie:Flüssigkeit Kategorie:Chemische Verbindung als:Wasser ja:水 ko:물 ms:Air simple:Water th:น้ำ zh-min-nan:Chúi

Festkörper

In Physik und Chemie bezeichnet der Begriff Festkörper Materie im festen Aggregatzustand. Dies ist ein Spezialfall der kondensierten Materie. Im engeren Sinne versteht man hierunter auch einen Stoff, welcher bei einer Temperatur von 20 °C einen festen Aggregatzustand aufweist, wobei die Bezeichnung Feststoff in diesem Fall stoffspezifisch, jedoch nicht temperaturspezifisch ist. Die Physik und Chemie der Festkörper unterscheiden sich aufgrund der gegenseitigen Wechselwirkung der Bausteine der Materie erheblich von der Physik und Chemie freier Teilchen oder in Lösung. Besonderes Kennzeichen von Festkörpern ist die Beständigkeit der Ordnung (amorph oder kristallin) ihrer Bausteine.

Aufbau von Festkörpern

Festkörper haben im technischen Sprachgebrauch eine gewisse Mindest-Ausdehnung, die aber nicht scharf definiert ist. Sie sind demnach makroskopische Körper - im Gegensatz zu mikroskopischen Körpern. Zum Beispiel gilt im Regelfall ein Makromolekül für sich allein noch nicht als Festkörper. Alle Festkörper kann man sich aus Bausteinen zusammengesetzt vorstellen. Ein Baustein kann dabei ein einzelnes Atom oder Molekül, aber auch eine Gruppe davon sein. Sind alle Bausteine gleichartig, so spricht man von Monostrukturen, andernfalls von Heterostrukturen.

Typen

Man unterscheidet zwischen amorphen (im kleinsten "gestaltlosen") und kristallinen Festkörpern. Die Festkörperphysik beschäftigt sich vorwiegend mit den Eigenschaften kristalliner Festkörper. Darunter wird - wie in der Geologie - ein feines Gefüge verstanden, wie es beispielsweise beim Marmor am Funkeln kleinster Körner erkennbar ist. Das Wort kristallin bedeutet quasi Miniaturkristalle. Im Gegensatz zu Gesteinen ist jedoch dieses Gefüge bei den meisten in Festkörper- oder Geophysik, Industrie und Technik betrachteten oder verwendeten Festkörpern viel feiner und selbst im Mikroskop bei stärkster Vergrößerung kaum erkennbar. Eine Ausnahme davon sind beispielsweise die Weißschen Bezirke von Metallen, die für den Ferromagnetismus verantwortlich sind. ; Einkristalle : Kennzeichnendes Merkmal von Kristallen ist die regelmäßige Anordnung ihrer Bausteine. Die Art der zugrundeliegenden Struktur ist verantwortlich für viele Eigenschaften eines Festkörpers. Beispielsweise besitzt Kohlenstoff zwei verschiedene Kristallstrukturen -- Graphit und Diamant -- welche völlig verschiedene elektrische Leitfähigkeiten haben (Graphit ist ein Halbmetall, Diamant ein Isolator). ; Amorphe Festkörper : Die Physik der amorphen Festkörper ist vielschichtig, weil hierunter alle Festkörper zusammengefasst werden, die keine regelmäßige Struktur besitzen. Wassereis, Gläser oder erstarrte Flüssigkeiten sind nur einige Vertreter dieser Gattung. Mit dem Verlust einer makroskopischen Struktur gehen auch viele typische Eigenschaften eines Kristalls verloren. Beispielsweise sind die meisten amorphen Festkörper schlechte elektrische Leiter. Dennoch stellt dieses Gebiet ein interessantes Thema in der Forschung dar, da ein Fehlen der Kristallstruktur auch ein Fehlen von Anisotropie-Effekten bedeutet. ; Polykristalline Festkörper : Kristallin und amorph sind nicht die einzigmöglichen Erscheinungsformen von Festkörpern. Dazwischen gibt es einen Bereich, der gewissermaßen eine Mischform darstellt: Die polykristallinen Festkörper. Diese bestehen aus einer Ansammlung von kleinen Einkristallen, die ungeordnet zu einem großen Ganzen verbaut sind.

Bindungen

Der Zusammenhalt eines Festkörpers beruht auf einer attraktiven Wechselwirkungen zwischen den Atomen bzw. Molekülen auf großen Distanzen und einer repulsiven auf kurzen. Den energetisch günstigsten Abstand nennt man Gleichgewichtsabstand. Ist die thermische Energie der Atome zu niedrig um dieser Potenzialfalle zu entkommen, so bilden sich starre Anordnungen aus – die Atome sind aneinander gebunden. Es gibt im wesentlichen vier Bindungsarten, welche den Aufbau und die Eigenschaften eines Festkörpers maßgeblich beeinflussen. ; Ionenbindung : Diese Art der Bindung tritt – zumindest anteilig – immer auf, wenn der Festkörper aus unterschliedlichen Elementen aufgebaut ist, welche eine unterschiedliche Elektronegativität besitzen. Dabei gibt das eine Element dem anderen ein Elektron ab, also das eine zum Anion und das andere zum Kation wird. Die unterschiedlichen Ladungen bewirken eine elektrostatische Anziehung. Salze sind ein typischer Vertreter dieser Bindungsart. ; Atombindung : Diese, auch kovalent genannte, Bindung beruht auf einem Absenken der elektronischen Energie. Das Prinzip das gleiche wie bei der Bildung von Molekülen wie z.B. O2. Elemente der vierten Hauptgruppe (Kohlenstoff, Silizium, Germanium) sind auf diese Art gebunden. ; Metallbindung : Die Metallbindung ist ein Extremfall der Atombindung. Auch diese Bindung ist durch eine Absenkung der elektronischen Energie bedingt. Nur ist hier der Überlapp der Orbitale der Atome so groß, dass diese auch noch mit denen seinen übernächsten (oder noch mehr) Nachbarn wechselwirken. Man kann es sich so vorstellen, dass die Ionenrümpfe der Atome in einen Elektronensee eingebettet sind. Wie der Name bereits andeutet, bilden Metalle diese Bindung aus. ;Van-der-Waals-Bindung : Die Van-der-Waals-Bindung tritt grundsätzlich immer auf, ist allerdings so schwach, das sie sich nur bei Abwesenheit einer anderen Bindungsart bemerkbar macht. Die anziehende Kraft ist eine elektrostatische, wird hier jedoch durch induzierte Dipolmomente verursacht. Edelgas- und Molekülkristalle werden nur von diesen zusammengehalten. Diese Bindungsarten sind keineswegs isolierte Fälle, die nur entweder-oder auftreten. Der Übergang von ionischer zu kovalenter zu metallischer Bindung ist fließend. Zudem können in Festkörpern verschiedene Bindungen nebeneinander auftreten. Graphit z.B. besteht aus Schichten kovalent gebundener Kohlenstoffatome, während die Schichten als Ganzes untereinander über Van-der-Waals Bindungen zusammenhalten. Da letztere Bindung so schwach ist, nutzt man Graphit als Bleistiftminen – beim Reiben über Papier reißen die Bindungen bereits auf.

Oberflächen

Mit der Oberfläche meint man die abschließenden 1–3 Atomlagen an der Grenze zum Vakuum. Das Fehlen von Bindungspartnern zu einer Seite zieht für Atome dieser Schichten überlichlicherweise eine Relaxation oder Rekombination nach sich. Dabei versuchen die Atome durch Ändern ihrer Bindungslänge zu tieferliegenden Schichten (Relaxation) oder durch Umordnung ihrer Positionen und Absättigen offener Bindungen (Rekombination) einen energetisch günstigeren Zustand einzunehmen. Das Resultat sind neue Oberflächenstrukturen, die eine andere Periodizität als das Substrat (tieferliegende Schichten) aufweisen können. Eine weitere Besonderheit ist das Auftreten von Oberflächenzuständen. Das bedeutet, dass in den sonst für energetisch verbotenen Bereichen -- den Bandlücken -- erlaubte Energiezustände für Elektronen entstehen können. Bei Halbleitern sorgen diese neuen Zustände für eine Verbiegung der Bänder und damit einer Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit. Es können so Leitungskanäle entstehen, was zum Beispiel für Feldeffekttransistoren genutzt wird.

Eigenschaften von Festkörpern

Elektrische Leitfähigkeit

Alle Festkörper können nach ihrer Fähigkeit, elektrischen Strom zu leiten, den Leitern, Halbleitern oder Nichtleitern zugeordnet werden. Diese Einteilung wurde historisch so festgelegt. Eine Erklärung für die Unterschiede der Leitfähigkeit konnte jedoch erst das Bändermodell liefern. Heutzutage wird daher die Gruppenzuordnung durch die Größe der Bandlücke festgelegt. ; Leiter : Fast alle Metalle zählen zu den elektrisch guten Leitern. Die Leitungselektronen verhalten sich so, als ob sie sich frei im Festkörper bewegen können. Bei steigender Temperatur nimmt die Leitfähigkeit jedoch ab, was mit vermehrten Stößen der Elektronen untereinander und an Fehlstellen in der Kristallstruktur begründet werden kann. ; Halbleiter : Auffälligstes Merkmal der Leitfähigkeit von Halbleitern ist ihre starke Abhängigkeit von inneren (Reinheitsgrad) wie auch äußeren Parametern (Temperatur). Bei reinen (intrinsische) Halbleitern nimmt die Leitfähigkeit bei steigender Temperatur sehr stark zu -- oft um eine Größenordnung bei ca. 20 K Unterschied. Neben Elektronen tragen hier auch sogenannte Defektelektronen, auch Löcher genannt, zur Leitfähigkeit bei. Die Ladungsträgerdichten von Löchern und Elektronen sind in intrisischen Halbleitern gleich groß, das Verhältnis kann jedoch durch gezieltes Verunreinigen (Dotieren) einseitig verändert werden. ; Nichtleiter : Isolatoren leiten unter normalen Umständen praktisch keinen elektrischen Strom. Die elektrische Leitfähigkeit gehört zu den variabelsten Größen in der Physik, die möglichen Werte erstrecken sich über mehr als 30 Größenordnungen. Dabei zeigen die meisten nichtmagnetischen Festkörper bei sehr tiefen Temperaturen ein weiteren erstaunlichen Effekt: Unterhalb einer kritischen Temperatur verschwindet der elektrische Widerstand völlig, diesen Zustand nennt man supraleitende Phase.

Deformierbarkeit

Anders als bei Flüssigkeiten und Gasen sind die Teilchen im festen Aggregatzustand nur minimal gegenseitig verschiebbar - entsprechend ihrer kristallartigen Feinstruktur. Im kleinsten sind solche Deformationen nur schwer modellierbar, doch über Millionen oder Trillionen von Teilchen folgen sie klaren Gesetzen. Sie hängen mit der Elastizität und ihren Modulen zusammen, sowie mit der Form und Dimension der zu deformierenden Körper. Ein idealisierter Festkörper, der in der klassischen Mechanik als Modell eines Festkörpers verwendet wird, ist der starre Körper. Er unterliegt keinerlei Verformungen, kommt aber in der Natur nicht vor. In den meisten Fällen ist er ein gutes Modell für die realen Objekte in unserer Umwelt. Der reale Festkörper hingegen hat in der Regel keine einfache, sondern eine richtungsabhängige Verformbarkeit. Dies behandelt zum Beispiel die Festkörperphysik und die Theorie von Materiewellen.

Reaktivität

Im Vergleich zu Reaktionen in Lösung zeichnen sich Festkörperreaktionen normalerweise durch sehr hohe Aktivierungsbarrieren aus. Der Grund ist der Reaktionsmechanismus, nach dem Festkörperreaktionen ablaufen: Die Leerstellen im Kristallgitter wandern wie in einem "Schiebepuzzle". Dafür muss die Kristallstruktur deformiert werden, was einen großen Energieaufwand verursacht.

Andere Eigenschaften

Weitere typische Attribute von Festkörpern sind ihre Leitfähigkeit für Wärme oder elektrischen Strom. Diese beiden Eigenschaften sind meist eng gekoppelt.

Siehe auch


- Aggregat
- Klassische Mechanik
- Sir Isaac Newton
- Starrer Körper Kategorie:Festkörperphysik ja:固体 ko:고체 ms:Pepejal simple:Solid

Erdatmosphäre

Die Erdatmosphäre (von griechisch ατμός, atmós „Luft, Druck, Dampf“ und σφαίρα, sfära „Kugel“), die Atmosphäre der Erde, ist die gasförmige Hülle oberhalb der Erdoberfläche. Sie stellt eine der Geosphären dar und ihr Gasgemisch ist durch einen hohen Anteil an Stickstoff und Sauerstoff und somit oxidierende Verhältnisse geprägt. Eine Darstellung der Konzentration der Atmosphärengase sowie deren Charakteristika bietet der Artikel Luft.

Entwicklung

Luft Hauptartikel: Entwicklung der Erdatmosphäre Die Entwicklung der Erdatmosphäre ist ein Teil der chemischem Evolution der Erde und zudem ein wichtiges Element der Klimageschichte. Sie wird heute in vier wesentliche Entwicklungsstufen unterschieden. Am Anfang stand die Entstehung der Erde vor etwa 4,56 Milliarden Jahren. Dabei verfügte sie schon sehr früh über eine vermutlich aus Wasserstoff (H2) und Helium (He) bestehende Gashülle, die jedoch wieder verloren ging. Durch die langsame Abkühlung der Erde und den dabei auftretenden Vulkanismus kam es zu einer umfangreichen Ausgasung aus dem Erdinneren. Die dadurch erzeugte Atmosphäre bestand zu etwa 80 % aus Wasserdampf (H2O), zu 10 % aus Kohlendioxid (CO2) und zu 5 bis 7 % aus Schwefelwasserstoff. Dabei handelt es sich um ebenjene Produkte des Vulkanismus, wie wir sie auch heute noch beobachten können. Der hohe Anteil des Wasserdampfs erklärt sich dadurch, dass die Atmosphäre zu diesem Zeitpunkt noch zu warm war, um Niederschläge bilden zu können. Es gab also noch keine Gewässer auf der Erde. Der eigentliche Ursprung des Wassers ist umstritten. Nachdem die Temperatur der Atmosphäre unter den Siedepunkt des Wassers fiel, kam es zu einem extrem langen Dauerregen, nach dessen Ende sich die Ozeane gebildet hatten und dementsprechend die anderen Atmosphärengase relativ zum Wasserdampf angereichert wurden. Die hohe UV-Einstrahlung bedingte eine photochemische Zerlegung der Wasser-, Methan- und Ammoniakmoleküle, wodurch sich Kohlenstoffdioxid und Stickstoff ansammelten. Die leichten Gase wie Wasserstoff oder Helium verflüchtigten sich in den Weltraum, vor allem Kohlendioxid wurde in großen Mengen in den Ozeanen gelöst und dort in Form von Carbonatablagerungen. Einzig unbeeindruckt zeigte sich der inerte Stickstoff. Dieser sammelte sich mit der Zeit an und bildete vor etwa 3,4 Milliarden Jahren den Hauptbestandteil der Atmosphäre. Der Sauerstoff spielt die Hauptrolle bei der weiteren Entwicklung hin zu unserer heutigen Atmosphäre. Die ersten vor etwa 3,5 Milliarden Jahren photosynthetisch aktiven Cyanobakterien führten zwar zu einem Absinken der Kohlenstoffdioxidkonzentration, die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre blieb jedoch gering. Dieser wurde in den Ozeanen zur Oxidation von Eisenionen verbraucht und sammelte sich erst nach deren Knappheit vor etwa zwei Milliarden Jahren an. Vor einer Milliarden Jahre überstieg die Sauerstoffkonzentration die Marke von einem Prozent, wodurch sich wenige hundert Millionen Jahre später eine erste Ozonschicht bilden konnte. Der heutige Sauerstoffgehalt von knapp 21 % wurde schließlich vor 350 Millionen Jahren erreicht und blieb seitdem recht stabil.

Aufbau und Gradienten

Ozonschicht in Abhängkeit von der Höhe.]] Ozonschicht in Abhängkeit von der Höhe.]] Ozonschicht Die Erdatmosphäre weist eine Masse von zirka 4,9 · 1018 kg auf und teilt sich in Bezug auf ihren Temperaturverlauf in mehrere Schichten ein:
- Die Troposphäre von 0 km (Gebirge, Stratosphärendurchbruch) bis zwischen 7 (Polargebiete) und 17 km (Tropen), begrenzt durch die Tropopause,
- die Stratosphäre von zwischen 7 und 17 km bis 50 km, begrenzt durch die Stratopause,
- die Mesosphäre von 50 km bis zwischen 80 und 85 km, begrenzt durch die Mesopause und
- die Thermosphäre von zwischen 80 und 85 km bis über 640 km.
- die Exosphäre von zwischen 500 und 1.000 km bis etwa 100.000 km (in den interplanetaren Raum übergehend). Die Troposphäre wird auch als untere Atmosphäre, Mesosphäre und Stratosphäre gemeinsam als mittlere Atmosphäre und Thermosphäre und Exosphäre zusammen als obere Atmosphäre bezeichnet. Zudem zeigt sich vor allem in der Troposphäre – der Wettersphäre – eine Dynamik innerhalb der Temperaturschichtung, weshalb dort auch die jeweilige Schichtungsstabilität eine große Rolle spielt. Diese Gliederung gibt nur eine grobe Einteilung wieder und es ist auch möglich, die Atmosphäre nicht nach dem Temperaturverlauf, sondern nach anderen Gesichtspunkten zu gliedern, wie
- dem radio-physikalischen Zustand der Atmosphäre:
- # Ionosphäre
- # Magnetosphäre
- nach den physiko-chemischen Prozessen
- # Ozonosphäre / Ozonschicht (16-50 km)
- # Chemosphäre (20-600 km)
- der Lebenszone
- # Biosphäre (0-20km)
- dem Durchmischungsgrad
- # Homosphäre (0-100 km)
- # Homopause (100-120 km)
- # Heterosphäre (>120 km)
- dem aerodynamischen Zustand
- # Prandtl-Schicht (ca. 0-50 m)
- # Ekman-Schicht (ca. 50-1000 m)
- # Prandtl-Schicht + Ekman-Schicht = Planetare Grenzschicht (Peplosphäre)
- # Freie Atmosphäre (>1 km) Die bodennahen Schichten bis in etwa 90 km Höhe haben eine recht gleichförmige Zusammensetzung, weshalb dieser Abschnitt auch als Homosphäre bezeichnet wird. Was wir als Luft bezeichnen, besteht im Wesentlichen aus 78 % Stickstoff, 21 % Sauerstoff, 0,93 % Argon und anderen Edelgasen. Der Kohlendioxid-Gehalt beträgt nur 0,03 %, ist aber neben dem Wasserdampf der wichtigste Verursacher des natürlichen Treibhauseffektes, ohne den es auf der Erde bedeutend kälter wäre. Die oberen Schichten bestehen aus sehr dünnem Gas, das nicht mehr in Molekülen, sondern in Atomen und Ionen vorliegt (daher der Name Ionosphäre). Dies liegt daran, dass die von der Sonne eingestrahlte hochenergetische Strahlung die Moleküle dissoziieren lässt, die so entstehenden Ionen aber erst nach längerer Zeit auf einen Partner treffen. Ferner kommt es auch zu einer Entmischung der Bestandteile nach ihrer unterschiedlichen molaren Masse, weshalb sich mit zunehmender Höhe leichtere Gase wie Wasserstoff konzentrieren (siehe Abbildung 2). Diese sind unter Umständen auch in der Lage in den Weltraum zu entweichen, was sich jedoch aufgrund der extrem dünnen Atmosphäre in diesen Höhen und den dadurch sehr geringen Masseverlusten mit dem Eintrag beispielsweise durch den Sonnenwind ausgleicht. Für die Entstehung des Wetters ist neben der Energiezufuhr durch die Sonneneinstrahlung hauptsächlich der Gehalt an Wasserdampf verantwortlich. Dieser kommt in wechselnder Konzentration von 0 % Vol. bis etwa 4 % Vol. in der Luft vor.

Grenze zum Weltraum

Der Übergang zwischen Exosphäre und Weltraum ist kontinuierlich und man kann daher perse keine scharfe Obergrenze der Erdatmosphäre ziehen. Seitens der Fédération Aéronautique Internationale wird daher die Homopause bzw. eine Höhe von rund 100 km als Grenze angesehen, da hier mit einer Temperatur von -90 ºC und einem Luftdruck von einem Hektopascal (0,1 % des Luftdrucks auf Meereshöhe) bereits nahezu Weltraumbedingungen herrschen. Diese Definition ist international weitesgehend anerkannt, wenn sie auch keine uneingeschränkte Gültigkeit besitzt. So wird zum Beispiel von der NASA die Mesopause (etwa 80 km) als Grenze definiert.

Erforschung

Die untere Atmosphäre, insbesondere die Troposphäre, ist das Forschungsfeld der Meteorologie, wohingegen die mittlere und obere Atmosphäre (Stratosphäre, Mesosphäre) in den Bereich der Aerologie gehören. Messungen erfolgen in Bodennähe mit dem vollen Spektrum der meteologischen Messgeräte. In der Höhe, besonders in Bezug auf Höhenprofile, stellen Radiosonden, meteorologische Raketen, Lidars, Radars und Wetter- beziehungsweise Umweltsatelliten die wichtigsten Messverfahren dar. In der Zukunft werden vorraussichtlich auch Höhenplattformen wie das High Altitude and Long Range Research Aircraft eine größere Rolle spielen.

Siehe auch

Atmosphäre, Schichtungsstabilität der Erdatmosphäre, Entwicklung der Erdatmosphäre, Ozonschicht, Luft, Luftfeuchtigkeit, Kohlenstoffkreislauf, Erdmagnetfeld

Weblinks


- [http://www.kowoma.de/gps/zusatzerklaerungen/atmosphaere.htm Erdatmosphäre, Aufbau und Bild]
- [http://www.astronomie.de/sonnensystem/erde/atme.htm Atmosphäre - Mesosophäre]
- [http://nssdc.gsfc.nasa.gov/space/model/models_home.html Atmosphärenmodelle des National Space Science Data Center] (Englisch) Kategorie:Erde Kategorie:Umweltschutz ja:大気 ko:대기권 ms:Atmosfera simple:Atmosphere

Kondensation

Als Kondensieren bezeichnet man das Übergehen eines Stoffes vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand. Den Vorgang selbst bezeichnet man als Kondensation bzw. physikalische Kondensation, das Produkt als Kondensat. Dieser Prozess erfolgt bei konstantem Druck immer bei einer bestimmten Temperatur, die Kondensationspunkt genannt wird. Während des Übergangs bleibt die Temperatur konstant, sämtliche entzogene Wärme wird in Form der Kondensationswärme in die Zustandsänderung investiert. Das Gegenteil des Kondensierens ist das Verdampfen oder die Verdunstung.

Großtechnische Anwendung

Dampfkraftwerk

Innerhalb von Dampfkraftwerken ist die Kondensation des Abdampfes aus der Dampfturbine am Kondensator ein wesentlicher Verfahrensabschnitt. Mit der Verflüssigung des Wasserdampfeses wird zu einem Speisewasser für den Dampferzeuger bereit gestellt, sowie der thermodynamisch notwendige Schritt des Entzugs der Abwärme aus dem Wasserdampf vollzogen.

Chemieanlagen

Bei großen Chemieparks ist die Kondensation von Wasserdampf eine wirtschaftliche bedeutende Größe. Die Energieversorgung für chemische Prozesse in den einzelnen Betrieben erfolgt mit Wasserdampf. Nach Abgabe der thermischen Energie liegt kondensiertes Wasser vor, das über Ringleitungen gesammelt wird. Dieses im Normalfall „reine“ Wasser wird nach Qualitätskontrollen und eventueller Aufbereitung wieder dem Dampferzeuger als sogenanntes Speisewasser zur Erzeugung von Dampf zugeführt. Durch eine solche Kondensatrückführung lassen sich je nach Größe des Chemieparks Einsparungen in Millionen Euro Höhe erzielen.

Siehe auch


- Kondensationsreaktion
- Kondensator Kategorie:Meteorologie Kategorie:Thermodynamik ja:凝縮 simple:Condensation

Wasserkreislauf

Als Wasserkreislauf bezeichnet man den Transport und die Speicherung von Wasser auf globaler wie regionaler Ebene. Hierbei wechselt das Wasser mehrmals seinen Aggregatzustand und durchläuft die einzelnen Sphären wie Hydrosphäre, Lithosphäre, Biosphäre und Atmosphäre der Erde. Die Zirkulation des Wassers vollzieht sich in der Regel zwischen Meer und Festland. Im Wasserkreislauf geht kein Wasser verloren, es ändert nur seinen Zustand. Diese Zustände werden durch die Wasserhaushaltsgrößen vertreten und folglich im Wasserhaushalt bilanziert.

Allgemeines Schema eines Wasserkreislaufes

Wasserhaushalt Durch Verdunstung an der Meeresoberfläche gelangt das Wasser als Luftfeuchtigkeit in die Atmosphäre. Spielen Kondensationsvorgänge eine Rolle, bildet sich Bewölkung, aus der das Wasser als Hydrometeore in Form von Regen oder Schnee wieder austritt und zur Erdoberfläche zurückfällt. Ein Teil regnet über den Meeren ab, ein anderer Teil gelangt über das Festland und gibt hier seinen Niederschlag ab. Ein Teil des Wassers verdunstet, ein anderer Teil versickert im Erdboden und gelangt über die pflanzliche Transpiration wieder in die Erdatmosphäre. Sickerwasser dient aber auch zur Auffüllung des Grundwassers, das wiederum in Wasserquellen zutage tritt oder unterirdisch direkt den Flüssen zugeführt wird. In den Polargebieten und in Hochgebirgen wird wiederum ein Teil der Niederschläge in fester Form als Eis gespeichert, wo es allerdings auch zum Teil wiederum durch Verdunstung in die Atmosphäre gelangt.

Grundgleichung des Wasserkreislaufs

Stark vereinfacht lässt sich der Wasserkreislauf mit folgender Grundgleichung beschreiben: :N = A + V \! Der Eintrag durch Niederschläge N resultiert in Abfluss A und Verdunstung V. Die hier genutzte Darstellung ist jedoch nur ein vereinfachtes Beispiel einer Wasserhaushaltsgleichung.

Wasser auf anderen Himmelskörpern

Nach Meinung einiger Wissenschaftler findet sich Wasser mit hoher Wahrscheinlichkeit auch auf anderen Himmelskörpern des Sonnensystems wie dem Mars. Der Kreislauf des Wassers wird allgemein als Voraussetzung für das Leben angesehen.

Geschichte

Im Laufe der Menschheitsgeschichte wurde der Kreislaufcharakter des Wassers schon früh erkannt oder zumindest erahnt . Das bekannteste damit in Zusammenhang stehende Prinzip lautet „panta rhei“ - alles fließt. Auch in der Bibel wird schon mehrmals auf den Wasserkreislauf Bezug genommen bzw. extreme Niederschläge in der Sintflut beschrieben. Verschiedene Theorien zum Wasserkreislauf und dessen Antrieb:
- meteorogener Wasserkreislauf: Theorie zum Wasserkreislauf nach heutigem Verständnis, welche wahrscheinlich von Xenophanes begründet wurde und unter anderem Diogenes und Hippokrates als frühe Vertreter besitzt.
- Theorie des Salzwasseraufstiegs: Umkehrung der Strömungsrichtung des meteorogenen Wasserkreislaufes, nachdem die Erde auf dem Wasser der Meere ruht und dieses alle oberidischen Quellen speist. Diese Theorie wurde von Thales begründet und hatte Hippon und Platon als frühe Vertreter.
- Theorie der Wasserentstehung aus der Luft: Das Wasser entsteht aus der Luft (Effekt der Kondensation) und würde über den Niederschlag die Quellen der Flüße speisen. Diese Theorie wurde von Aristoteles entwickelt und stellte die maßgebende Lehrmeinung bis etwas in das frühe 17. Jahrhundert dar. Kategorie:Hydrologie Kategorie:Wasser simple:Water cycle th:วัฏจักรของน้ำ

Klima

Der Begriff des Klimas steht für die Gesamtheit aller meteorologischen Erscheinungen, die für den gemittelten Zustand der Erdatmosphäre an einem Ort verantwortlich sind. Das Klima wird dabei jedoch nicht nur von Prozessen innerhalb der Atmosphäre, sondern vielmehr durch das Wechselspiel aller Sphären der Erde geprägt. Es umfasst zudem unterschiedlichste Größenordnungen, wobei vor allem die zeitliche und räumliche Dimension des Klimabegriffs von entscheidender Bedeutung für dessen Verständnis sind. Die Wissenschaft, die die Gesetzmäßigkeiten des Klimas, dessen Eigenschaften, Entwicklung und Erscheinungsbild erforscht, bezeichnet man als Klimatologie.

Der Klimabegriff

Etymologie

Das Wort Klima (Mehrzahl: Klimata, Klimate) stammt vom griechischen Verb κλίνειν [klinein], welches übersetzt „neigen“ bedeutet. Dies bezieht sich auf die Schiefe der Erdekliptik. Im 20. Jahrhundert hat sich dabei das Begriffsverständnis von der Wettergesamtheit (Fedoroff 1927) hin zur Synthese des Wetters (WMO 1979) entwickelt.

Zeitliche Dimension

Als Abgrenzung zum Wetter (Zeitrahmen: Stunden bis wenige Tage) und zur Witterung (Zeitrahmen: einige Tage bis circa eine Woche, im Extremfall auch ein Monat oder eine Jahreszeit) versteht man Klima als einen über einen Zeitraum von mehreren Jahrzehnten (meist 30 Jahre) statistisch bereinigten Zustand der Erdatmosphäre. Man bedient sich dieser statistischen Methoden, um kurzfristige Schwankungen des Wetters zu filtern und charakteristische Werte bezüglich verschiedener meteorologischer Größen zu erhalten, welche in ihrer Gesamtheit wiederum das Klima eines Ortes beschreiben. Hierbei stehen vor allem die