Lehrerinfos zum Kit 8: Das Wasser der Erde
Über Satellitenbilder den globalen Wasserkreislauf erkunden;
Wetter&Klima

Das Themenset Nr. 8 befasst sich mit dem Wasserkreislauf, der in den Lehrplänen der Fächer Biologie, Geologie, Physik, Chemie und Geografie vorgesehen ist.

Das Themenset bietet folgende Möglichkeiten:

• Beschreibung der Verteilung der Wasservorkommen auf der Erde (Ozeane, Meere, Flüsse, Bäche, Seen, Polkappen, Packeis, Grundwasser, Atmosphäre, lebende Arten, …);
• Beschreibung und Erklärung der verschiedenen globalen Großzirkulationen als Transportmittel für Wasser;
• Darstellung der Bedeutung des Wassers für Mensch, Tier, Pflanze, Geomorphologie, z.B. als Grundnahrungsmittel, als Transportmittel, als Lösungsmittel, als Energieträger, ...

Der Wasserkreislauf

Ursachen für den lokalen, regionalen oder globalen Wasserkreislauf sind Sonneneinstrahlung, Schwerkraft und Erdrotation. Die unterschiedlichen Zustandsformen von Wasser in fester, flüssiger und gasförmiger Form bestimmen Art und Intensität des Transportgeschehens. Je nach geografischer Breite variiert die Sonneneinstrahlung auf der Erde erheblich, was zum Energieaustausch zwischen Kontinenten, Ozeanen und der Atmosphäre führt. Diese Phänomene beschreibt man mit „Atmosphärische Großzirkulation“ bzw. „Meeresströmungen“.

Ein weiterer wichtiger Gedanke ist die Beständigkeit der Wassermenge innerhalb dieser Kreisläufe: die auf der Erde vorhandene Wassermenge verändert sich nicht und das bereits seit mindestens zwei Milliarden Jahren. Auch das Volumen der in den Ozeanen, auf den Kontinenten und in der Atmosphäre vorhandenen Wassers bleibt langfristig weitgehend konstant. Nur ein Klimawandel führt zur Neuverteilung der Wassermassen auf der Erde. In Eiszeiten sind die Meeresspiegel niedriger, die Eismassen an Land vergrößern sich und die kältere Atmosphäre enthält weniger Wasser. In Warmzeiten ist es umgekehrt.

Die innerhalb eines Jahres weltweit transportierte Wassermenge erreicht 920 000 km3. Dies erscheint im Vergleich zur gesamten auf der Erde vorhandenen Wassermenge von ca. 1 390 000 000 km3 gering. Ein Vergleich: Das Austauschvolumen entspricht einer globalen Wasserschicht von 1,8 m im Vergleich zu 2,7 km, die der Gesamtwassermenge entspricht.

Ein dritter Aspekt: Die schematische Darstellung des Wasserkreislaufs täuscht über große regionale Unterschiede hinweg: in der chilenischen Atacamawüste regnet es kaum alle Hundert Jahre einmal, während in Ostindien in der Region Shillon jährlich knapp 12 m Regen fallen. Ein weiteres Beispiel: der Atlantik und der Indische Ozean geben Wasser an die Kontinente ab, während der Pazifik Wasser aufnimmt, da in der Pazifikregion die Niederschläge die Verdunstung übertreffen.

Die Erklärung der atmosphärischen Großzirkulation ist eine komplexe Aufgabe, an der vor allem die Meteorologie arbeitet. Da die Sonneneinstrahlung am Äquator stärker ist als an den Polen steigen die Luftmassen am Äquator nach oben und bewegen sich in Richtung Pole. Auch die Erdrotation spielt hierbei eine wichtige Rolle (Corioliskraft): sie erklärt die großen Strömungszellen, in denen die Luftmassen auf der Erde bewegt werden (Hadley-Zelle, Ferrel-Zelle, Polarzelle) sowie die Existenz tropischer Passatwinde, die Westwinde in den mittleren Breiten, Strahlströme an der Obergrenze der Troposphäre, Hochdruckgebiete (in der Zone der Wendekreise, wo sich die meisten großen Wüsten befinden und an den Polen) und Tiefdruckgebiete (am Äquator und in den gemäßigten Breiten). Die Meeresströme sind eine Folge der atmosphärischen Großzirkulation, sie werden in ihrer Bedeutung für den Energietransport und damit wieder für den Luftmassenaustausch häufig unterschätzt. Die Schwerkraft (wegen unterschiedlichem Salzgehalt und unterschiedlicher Wassertemperatur) und die Erdrotation spielen auch für die Meeresströme eine sehr große Rolle.

Ein vierter Gesichtspunkt: Die mittlere Verweildauer des Wassers an den verschiedenen Orten weist große Unterschiede auf – im Schnitt zehn Tage in der Atmosphäre, einige Wochen in Bächen und Flüssen, einige Dutzend Jahre in Seen und Hunderte bis Millionen von Jahren in den etwas tieferen Erdschichten.

Der Wasserkreislauf ist nicht unveränderlich: Im Laufe der großen Klimaperioden (Eiszeit/Erwärmung) wandelt er sich auf ganz natürliche Weise. Zudem erscheint ab dem 19. Jahrhundert ein neues Phänomen, die Veränderung der Atmosphäre durch die industrielle Tätigkeit des Menschen. So stieg die Volumenkonzentration von Kohlendioxid aufgrund der Verbrennung fossiler Energieträger von 0,028 % im Jahr 1800 auf 0,037 % im Jahr 2000. Das Treibhausgas Kohlendioxid führt zu einer Erhöhung der Durchschnittstemperatur auf der Erdoberfläche, die den Wasserkreislauf beschleunigt, wodurch die in der Atmosphäre vorhandene Wassermenge steigt, was wiederum den Treibhauseffekt verstärkt. Zusätzlich wird der Wasserkreislauf lokal durch den Bau großer Staudämme beeinträchtigt. Auch die massive Entwaldung, durch die die Evapotranspiration zugunsten des Abflusses zurückgeht, verändert den Wasserkreislauf. Ferner wird in manchen Regionen (Westen der USA, Saudiarabien) wesentlich mehr Grundwasser entnommen, als durch Regen hinzukommt.

Obwohl Veränderungen des Wasserkreislaufs mit weitreichenden Konsequenzen verbunden sind, liegen die großen und unmittelbaren Wasserprobleme einerseits in dessen äußerst ungleicher Verteilung auf der Erdoberfläche und andererseits in der zunehmenden Verschmutzung des für den Menschen verfügbaren Wassers.

Deckblatt

Aufnahme Deckblatt: Tiefdruckgebiet südlich von Island (Envisat / MERIS)

Wolkenstrukturen sind im sichtbaren Licht gut zu erkennen. Diese Wolkenformation ist ca. 600 km breit, nur tropische Hurricans haben bei ähnlichem Aussehen eine noch größere Ausdehnung.

Die genaue Analyse der vertikalen Wolkenstruktur erfolgt entweder über Radar oder bei Wettersatelliten über die Temperaturmessung (thermales Infrarot), denn mit der Höhe nimmt die Temperatur ab. Die Bestimmung der Regenmenge unterhalb der Wolken ist nur über Radar zu leisten, da die Wolken den Blick auf den Regen versperren. Teilweise schließt man aus den Wolkentemperaturen auf die Regenmengen.

Mittelteil

Bilder Nr. 1, 2, 3: Die Erde (Meteosat)

Diese Aufnahme der Erde wurde in drei Teilen erstellt, um die drei wichtigsten Etappen der Wasserzirkulation in der Atmosphäre darzustellen: Verdunstung über dem Atlantik, Bewegung des Tiefdruckgebiets von Westen nach Osten und Niederschläge über Eurasien. Selbstverständlich gehen auch über den Ozeanen Niederschläge nieder und die Verdunstung existiert ebenfalls über den Kontinenten, aber diese Aufteilung zeigt die allgemeine Abfolge, wie aus der darunter aufgeführten Grafik zu entnehmen ist.

Sechs Fotografien bzw. Satellitenaufnahmen zeigen sehr verschiedene Wasserlagerstätten auf der Erde, unter anderem das Packeis der Antarktis, den Tschadsee als oberirdischer natürlicher Speicher von Wasser aus der Regenzeit für die lange Trockenzeit, die libysche Wüste mit der Nutzung unterirdischer fossiler Wasserspeicher und das Amazonasbecken mit ganzjährigem Wasserangebot.

Bild Nr. 5: Inseln im Meer

Der Vorgang der Verdunstung und der Reinigung von Wasser bei der Verdunstung und die erneute Verschmutzung von Wasser, wenn er als Regen durch „verschmutzte“ Luft fällt und diese auswäscht, ist ein wichtiges Thema zum Wasserkreislauf. Auch die physikalische Begründung für das Funktionieren einer Meerwasserentsalzungsanlage gehört hierher: Künstliche Verdunstung (Verdampfen) und nachfolgende Kondensation oder die Verwendung semipermeabler Membranen, die keine Salzmoleküle durchlassen.

Das abdriftende Inlandeis im nachfolgenden Bild enthält (gereinigtes) Süßwasser, weil hier die Atmosphäre sauber war, als vor langer Zeit die Niederschläge in Form von Schnee zum Wachsen der Gletscher beitrugen.

Bild Nr. 6: Die Antarktische Halbinsel (Envisat)

Die Auswirkungen des Klimawandels sind in der Antarktis besonders ausgeprägt. Auf diesem im März 2002 aufgenommenen Bild ist das Auseinanderbrechen des Larsen-Eisschelfs in zahlreiche Tafel-Eisberge zu sehen, die anschließend in das Wedell-Meer abdriften. Die Breite der Aufnahme beträgt 400 km. Bei diesem Bild handelt es sich um Inlandeis und nicht um Packeis.

Bild Nr. 8: Der Tschadsee (Envisat)

Auf dieser Aufnahme sind die negativen Auswirkungen des Klimawandels auf die Süßwasserreserven der Erde ebenfalls erkennbar. Die den See umgebende Vegetationszone entspricht dessen Ausdehnung noch vor ca. 30 Jahren, seither wird mehr Wasser verbraucht als in der Regenzeit durch die Flüsse zugeführt wird.

Bild Nr. 9: Die Libysche Wüste (Spot-5)

Das tief unter der Erde gespeicherte Grundwasser erneuert sich nur sehr langsam (ca. 1 % pro Jahr). Manche tiefen Grundwasserreserven entstanden über einen Zeitraum von Hunderttausenden von Jahren. Die Nutzung des fossilen Wassers erfolgt in der Regel ohne Rücksicht auf ihre Erneuerung. Im Bild sind die Bewässerungskarusells zur automatischen Bewässerung zu sehen.

Bild Nr. 10: Das Amazonasbecken (Envisat)

Der Amazonas gehört zu den längsten Flüssen der Welt und transportiert die größte Süßwassermenge ins Meer. Auf diesem Bild ist der Rio Negro schwarz zu sehen, da er im Gegensatz zum Solimões (unten rechts auf dem Bild) keine oder kaum Sedimente (Schwebstoffe) mit sich führt. Rechts auf dem Bild sind eine Straße sowie die an ihr entlang gerodeten Flächen zu erkennen.

Seite 5 – Wasser und Mensch

Drei Satellitenaufnahmen zeigen einige Aspekte der Bedeutung des Wassers für die menschlichen Aktivitäten Transport, Energieproduktion und Bewässerung.

Der zweite Teil dieser Seite zeigt anhand des im Dezember 2004 im Indischen Ozean aufgetretenen Tsunami die Risiken zum Thema Wasser.

Bild Nr. 11: Die Donau (Spot-5)

Die Donau ist mit 2 850 km der längste Fluss Europas und durchquert 17 Länder.

Bild Nr. 12: Reisfelder im Mekong-Delta (Spot-5)

Das südostasiatische Monsunklima ist hervorragend für den Reisanbau geeignet. Reis ist eine anspruchsvolle Pflanze, die für ihr Wachstum 30 000 m3 Wasser pro Hektar benötigt. Im Jahr 2003 lag die Reisproduktion von Vietnam bei knapp 35 Millionen Tonnen. Im Themenset Nr. 5 „Asien und die Reiskultur“ wird dieses Thema näher behandelt.

Bild Nr. 13: Staudamm bei Gwadar in Pakistan (Spot-5)

Dieser Stausee versorgt die Stadt Gwadar, einen in der Nähe der iranischen Grenze in Pakistan gelegenen strategischen Tiefwasserhafen.

Bilder Nr. 17, 18: Der Tsunami von Dezember 2004

Diese beiden Aufnahmen des Tsunami stammen vom amerikanischen Satelliten Ikonos, der über eine Auflösung von einem Meter verfügt. Er befindet sich auf einer Umlaufbahn in 600 km Höhe.

Das erste Bild wurde am 10. Januar 2003 aufgenommen und zeigt die Nordküste der Provinz Aceh auf der indonesischen Insel Sumatra. Das zweite Bild wurde am 29. Dezember 2004, ein Tag nach der Naturkatastrophe, aufgenommen. und verdeutlicht das Ausmaß der Zerstörung.

Seite 6 – Die Funktionen von Erderkundungssatelliten

Bild Nr. 20: Wasserdampf in der Erdatmosphäre (Eumetsat)

Satellitenbilder, die den Wasserdampfgehalt der Atmosphäre zeigen, beruhen auf Lichtmessungen im mittleren Infrarotbereich. Das Sonnenlicht trifft auf die Erde, wird teilweise von dieser absorbiert. Die erwärmte Erdoberfläche gibt nun Wärmestrahlung ab. So wird sie selbst im Wellenlängenbereich zwischen 4 und 40 Mikrometer (µm) zum „Infrarotsender“. Die von der Erde abgegebene Strahlung wird von dem Satelliten gemessen. Auf dem Weg durch die Atmosphäre wird durch den vorhandenen Wasserdampf ein ganz bestimmter Frequenzbereich absorbiert. Die Satelliten Meteosat und GOES messen z. B. die von der Erde abgegebenen Strahlen auch in Wellenlängen um 6 µm, einem Bereich, der vom Wasserdampf absorbiert wird. Auf diese Weise zeigt die Intensität des aufgezeichneten Signals die mehr oder weniger große Präsenz von Wasserdampf in der Atmosphäre und ermöglich so die Erstellung von Bildern wie diesem. Weiß bedeutet viel Wasserdampf, die trockene Luft in Hochdruckgbieten, wie hier über der Sahara, erscheint dunkel.

Bild Nr. 21: Temperatur der Erdoberfläche (Eumetsat)

Diese Aufnahme im thermalen Infrarot (10-12 µm) ermöglicht die Bestimmung der Oberflächentemperatur von Wolken, Land und Meer. Da es sich um Strahlungstemperaturen handelt, sind auch nachts Messungen möglich.

Hohe Messwerte zeigen hohe Temperaturen, gewöhnlich weiß dargestellt, niedrige Messwerte zeigen Kälte, normal dunkel auf einer Grauskala dargestellt. Weil man aber mit dieser Temperaturmessung gleichzeitig Wolken darstellen möchte und diese in der Regel sehr kalte Oberflächen haben, hat man die Skalierung der Messwerte umgekehrt. Man sieht also bei Temperaturbildern grundsätzlich ein inverses Bild: Weiß bedeutet kalt, Schwarz bedeutet heiß.

Im gezeigten Bild handelt es sich um eine Mittagsaufnahme, die Wüstengebiete Afrikas sind aufgeheizt, deshalb dunkel. Sehr kalt sind die Oberseiten hoher tropischer Gewitterwolken, sind eshalb weiß. Niedrigere Wolken sind wärmer und erscheinen grau. Das warme Meer am Äquator erscheint noch etwas dunkler.

Unterrichtsideen

Level 1, Jgst. 5 und 6:

- zum Kit
- zum Thema Wasserkreislauf
- zum Thema Atmosphäre
- zum Thema Tsunami

Level 2, Jgst. 7 mit 9:

- zum Kit
- zum Thema Wasserkreislauf
- zum Thema Atmosphäre
- zum Thema Tsunami

Level 3, Jgst. 10 mit 12:

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- zum Thema Wasserkreislauf
- zum Thema Atmosphäre
- zum Thema Tsunami