Hydrosphäre - Teil Oberflächengewässer
ETH Zürich, Umweltnaturwissenschaften, Bacherlor, 3. Semester, Fach: Hydrosphäre Vorlesung der Professoren: Rolf Kipfer und Peter Bayer Alle Information aus ihren Unterlagen & eigenen Ergänzungen und Notizen
ETH Zürich, Umweltnaturwissenschaften, Bacherlor, 3. Semester, Fach: Hydrosphäre Vorlesung der Professoren: Rolf Kipfer und Peter Bayer Alle Information aus ihren Unterlagen & eigenen Ergänzungen und Notizen
Wie kann sich eine Durchmischte Oberflächenschicht bilden?
Durch Wind
Durch Konvektion
Wie kann die Existenz einer durchmischten Oberflächenschicht (Epilimnion) beeinflusst werden?
- Schichterhaltend: Eintrag von Epot -> z.B. durch wärmeeintrag
- Schichtzerstörend: Eintrag von Ekin -> z.B. wegen Wind
Was versteht man unter Costal Upwelling und Downwelling?
Upwelling: Wenn der Wind von Norden kommt wird aufgrund der Corioliskraft das Oberflächenwasser abgelenkt und fliesst von der Küste weg --> Nährstoffreiches wasser wird an der Küstenlinie von unten Angesaugt!
Downwelling: Wind kommt von Süden --> corioliskraft lenkt wasser zur küste hind --> türmt sich auf und sinkt dann ab
--> Beide Prozesse werden auch von Ekmann beschrieben
siehe grafik
Wo kommt es zu upwelling und downwelling?
siehe grafik
Welchen Spezialfall des Upwelling gibt es?
Äquatoriales Upwelling --> Am Äquator gilt die Ekman näherung zum Upwelling nicht. (normalerweise upwelling usw nur an der küste)
Bläst der Wind paralell zum Äquator wird das WAsser weggeschoben und es wird ebenfalls Wasser aus der Tiefe nachgezogen
Was versteht man unter dem Ekman pumping?
Durch den Wind kommt es zu strömungen welche durch corioliskraft immer in kreisbahnen abgelenkt werden und dann sich spiralförmig in die Tiefe boren, wodurch es zu upwelling oder downwelling kommt
Auf der Nordhemisphäre gilt:
- Dreht sich die Strömung angetrieben durch den Wind im Uhrzeiger sinn, wird diese Bewegung durch di Corioliskraft verstärkt und es strömung geht spiralförmig nach innen --> Downwelling
- Dreht sich die Strömung angetrieben durch den Wind im Gegenuhrzeiger sinn, wirkt die Corioliskraft dieser Strömung entgegen und drückt sie auseinander --> Spirale gegen aussen --> Upwelling
siehe grafik
Welchen Einfluss hat wind auf die Meeresspiegelhöhe?
--> Ekman Transport verschiebt oberflächenwasser --> dadruch werden "Täler" und "Berge" erzeugt --> es entsteht ein wasserrelief von mehreren dezimetern
siehe grafik
Wie kommt eine geostrophische Strömung zu stande?
der Ekman transport türmt Wasser auf oder schiebt es weg --> dadurch wird ein Druckgradient erzeugt im Ozean (oder See) --> ähnlich wie in der Atmosphäre kommt es dann aufgrund des Kräftegleichgewichts zwischen Druckgradienten (hoch und Tiefdruckgebieten in der Atmosphäre, aufgetürmtes und weggeblasenen Wasser im Ozean) und der Corioliskraft zu einer Geostrophischen strömung
grafik: bsp von grossen geostrophischen strömungen
welche beiden arten von Druckgradienten bei geostrophischen Strömungen gibt es?
- barotrop
- durch wind verursacht
- auslenkung an der Oberfläche
- Isopykne (linie gleicher Dichte) sind paralell zu isobaren
- baroklin
- horizontale Dichtegradienten
- Isopyknen shcneiden isobare
Wo treten welche Druckgradienten auf?
Im Ozean werden barokline und barotrope Näherungen gebraucht um das strömungsmodell zu beschreiben
In seen nur baroklin
Weche STrömungen gibt es alles? was spielt bei ihnen eine rolle? mache eine zusammenfassugns
siehe grafik
wichtig!
Was ist der Conveyer Blet?
--> Kombination von Meeresstörmungen welche 5 Ozeane miteinander verbinden. WErden angetreiben durch die drei Oberflächenströmungsarten (initialströmung, ekmann strömung und geostrophes strömung) und von der Tiefenwasserbildung ergänzt.
siehe grafik
WAs ist in der Grafik umkreist?
GEbiete in denen das WAsser vorallem in tiefenströmungen fliesst: Dies ist so da dort das wasser extrem kalt uns salzig ist --> höhere dichte es sinkt ab und wir im tiefenwasser bewegt
wieso ist wasser gerade an den Polen am salzigsten (und somit am schwersten und sinkt ab<??
Durch kalte temp gefriert das Wasser zu packeis, salz bleibt übrig macht das wasser schwer --> wasser sink somit.
Welcher Ozean ist klimarelevant und wieso'
Der Nordatlantik ist vorallem Klimarelevant, da dort Tiefenwasserbildung statt findet.
Welcher schweizer see weist am meisten gemeinsamkeiten mit einem Ozean?
Vierwaldstättersee!
Was ist das Problem bei eutrophen Seen im Sommer?
- Wärme führt zu einer Stabilen Schichtung --> kein Sauerstoffaustausch mit den darunterliegenden schichten
- Wärme und viele Nährstoffe führen zu starkem Algenwachstum an der Oberfläche --> dort Sauerstoffproduktion aber keine Mischung nach unten.
- Warm und viele Nährstoffe führen zu vermehrter Mikrobieller Aktivität --> viel mehr Atmung --> Sauerstoff wird aufgebraucht beim Abbau der abgestorbenen Algen!
Nur noch an der Oberfläche wo Algen O2 Produzieren können dann noch Fische hin um O2 zu kriegen. dort wasser allerdings sehr warm. Kaltwasserfische haben keine chance.
Erkläre anhand der folgenden Grafik, wieso das Meerwasser immer dichter wird je kälter Meerwasser wird?
Meerwasser hat keine Dichteanomalie, deshalb wird es immer dichter, je kälter es wird bis es gefriert. Dies kann man mit der obigen Grafik beweisen. Ab einer Salinität von 24.8 % ist die Temperatur der maximalen Dichte (\(T_{\rho max}\)) kleiner als die Schmelztermperatur Ts (= Temperatur bei dem Wasser gefriert). Folglich kann Meerwasser gar nie die Tempertaur der Maximalen Dichte (\(T_{\rho max}\)) erreichen.
Eis schmilzt und mischt sich mit Meerwasser der Salinität 35g/kg. Wird dieser Effekt den Gefrierpunkt des Meerwassers erhöhen oder erniedrigen (1)? Wird durch diesen Effekt, beim Abkühlen der Luft das Meerwasser schneller gefrieren (2)?
(1): Der Gefrierpunkt wird erhöht, wasser kann früher gefrieren.
(2): Eigentlich ja, aber ab einer Salinität <24.8 Promille ist die Temp der Maximalen Dichte ((\(T_{\rho max}\)) plötlich wieder grösser als die Schmelztemperatur Ts deshalb kommt es zu einer Durchmischung, da das Wasser nun zuerst Absinkt bevor es gefrieren kann!
Wie wird die Leistung eines Hurrikans berechnet? (Energie sowie Zeit bekannt)
\(p= {E\over t} \), gesetz aus der Elektrik, mit E= Energiemenge, welche umgesetzt wird und t = Zeitdauer welche der Sturm lebt
Woher kam das Wasser auf die Erde?
Wasser ist oft im festen Gestein/Erde gebunden.
Wieviel % der Erdmasse ist Wasser?
ungefähr 3% der Erdmasse (festes Gestein und Erde) besteht aus Wasser, also Wasser das im Gestein und der Erde gebunden ist.
entspricht etwa 10 Mal mehr als in allen Ozean der Welt an Wasser vorhanden ist
Wie sind die Wasserresourcen auf der Erde verteilt (flüssig)?
96.3 % Salzwasser
3.7% rest
Wie ist der Rest (=3.7%) aufgeteilt?
ca 50% Grundwasser (wovon wiederum 50% salzig und 50% süsses Grundwasser ist)
ca. 50% rezentes Eis
Welches ist der Grösste See der erde?=
Kaspisches meer --> allerdings salinität von 12 promille
Baikalsee --> Salinität von 0 Promille, tiefster See der Erde, grösster "richtiger" see (keine salinität)
Wie viel Wasserverdunstet aus den ozeanen?
pro Jahr 1-1.4 Meter Meer weltweit verdunsten
Wie entstehen Seen?
haupturache ist Gletscher. Je grösser die Seen werden desto mehr spielt auch tektonik eine rolle bei der entstehung. siehe grafik
logisch: anzahl seen mit einer gewissen grösse nimmt ab je grösser die seen werden!
Siehe grafik
Nenne einige Wichtige Eigenschaften von Wasesr
- häufigstes Molekül in der Biosphäre
- Extreme Physikalische Eigenschaften
- Wichtigste Flüssigkeit in der Hydrosphäre
Nenne die Extremen Eigenschaften des Wassers
(wichtig)
- hohe spezifische Wärme von 4.2 kJ pro Kilogramm pro Kalvin. --> grösste Wärmekapazität!
- Extrem hohe latente Wärme (Phasenübergägne) --> 2.4 MJ pro kg.
- 1/4 der Sonneneinstrahlung gehen in den Wasserkreislauf (also in die Phasenübergänge)
- grosse Wärmeleitfähigkeit (am grössten von allen Flüssigkeiten)
- hohe Oberflächenspannung (nur Quecksilber grösser)
- Adhäsions und Kohäsionskräfte --> wichtig für physiologie der Zelle und Wasser in Böden
- Molekulare viskosität relativ gering --> fliesst gut, wichtig für Grundwasser
- Lösungsvermögen
- Volumen und Dirchte als Funktion der Temperatur
- dichte von Festem Wasser kleiner als von flüssigem
- Maximale dichte bei 4°
- Transparent für licht, sehr schwach transparent für UV und IR --> Photosynthese in tiefem wasser möglich
- Wasserstoffbrücken
Was unterscheidet die Erde von anderen Planeten?
Dass das Klima gerade so stimmt, dass Wasser in allen drei Aggregatszuständen vorkommt. Oftmals ist es zu kalt (mars) --> alles Wasser gefroren, oder zu heiss --> alles dampfförmig.
(Vergleiche karte aus anderer Vorlesung)
Was ist eine Wasserstoffbrücke?
Wasser ist ein permanenter Dipol. Es kann also eine schwache Bindung zwischen den elektrischen Dipolen des Wassers entstehen
Wieso ist flüssiges Wasser dichter als Eis?
Im Festen Zustand bildet wasser genau 4 Wasserstoffbrücken aus pro H2O.
Ist es Flüssig ist es sehr dynamisch und bildet zwische 1 bis 5 Wasserstoffbrücken pro H2O aus. kann also mehr Brücken bilden und ist somit enger gepackt --> höhere dichte
siehe grafik
Von welchen grössen hängt die Dichte von Wasser ab?
Temperatur, salzgehalt, Druck
Beantworte folgende Frage:
B
Wie ändert sich die Dichte von Wasser?
von 4 auf 5° --> - 7 ppm <-- Dichte nimmt Ab
Durch zugabe von 1 mg/l Salz --> + 1 ppm <-- dichte nimmt zu
Was passiert mit Seen aufgrund der dichteanomalie?
sie werden gemischt! Siehe grafik: Wasser an den rot umkreisten Grenzen hat eine höhere Dichte und sinkt somit ab! --> dies führt zu einer durchmischung des sees
Wie kommt die eletkrische Leitfähigkeit zu Stande?
Duch ionen im Wasser!
Was ist speziell am Toten Meer?
Einziges Meer bei dem man von der Wasserkonzentration sprechen kann. Es hat soviele Salze gelöst, dass Wasser in der Unterzahl ist.
Gib die formel für eletkrische Leitfähigkeit
siehe grafik:
Äquivalenzleitfähigkeit ist tabelliert!
Hat Wasser immer eine Dichteanomalie?
nein ab 24.8 Promille (24.8 g Salz auf 1000g wasser) Salz tritt keine Dichteanomalie mehr auf!
--> Physik im Meer ist deshalb wesentlich einfacher
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Lernkarten
Wird die in ein Gewässer eintreffende strahlung/wärme komplett in Wärmeenergie umgewandelt?
Nein ein grosser Teil wird auch in kinetische Energie umgewandlet (aufstieg und absinken von Wasserpaketen, bildung von Turbulenzen).
Wie sieht der Weg der Energie (=Energiefluss) aus?
siehe grafik:
Entropie will zunehmen! nimmt in der Grafik zu!
Erkläre die Energiebilanz in einem See:
Quellen:
- Absorption kurzwelliger Strahlung = Hs
- Absorption langwelliger Strahlung = Ha
Senken:
- Thermische (infrarot) Abstrahlung
- Verdungstung
- Sensible (fühlbare)Wärme
Weitere Thermed wie Niederschläge, Schneeschmelze usw sind irrelevant
Wo findet der Austausch statt?
Austauschprozesse finden alle an der Oberfläche, innerhalb von wenigen Millimetern statt. Nur die Solarstrahlung dringt tiefer ein.
Welchen Einfluss hat der Wind auf den Austausch?
Wind strukturiert/ändert die Grenzschicht und verteilt die Wärme/Energie im Gewässer
Von was hängt die Absorption von Kurzwelliger Strahlung in einem Gewässer ab.
--> wieviel strahlung kommt ins Gewässer!
Hs= Absorption kurzwelliger sTrahlung im wasser. Hs0= Solare Einstrahlung bei klarem HImmel
Hs=Hs0 - (Reflektion des Wassers) - (Bewölkung!)
Für absorption ist also reflektion und Bewölkung sehr wichtig!
Von was hängt die Reflexion von Wasser ab?
Vom Einfallwinkel der Strahlung. Im Juli ist die Reflexion nur 4% --> Mehr Strahlung wird vom Ozean aufgenommen --> wärmere Temperaturen. Im Januar Reflexion 14% --> strahlung wird eher reflektiert --> kalte temperaturen.
Interessant: Im Sommer ist die Erde am weitesten von der Sonne entfernt, da der winkel aber günstiger ist, wird es tortzdem dann bei uns sommer. siehe grafik
Wieso ist Wind wesentlich Kraftvoller (besser zu spüren) als Wärme, obwohl Wärme viel mehr Energie enthält?
wärme ist ungerichtet, wind ist gerichtet
Welchen Einfluss hat die Sonne auf das Erdklima?
Sonnenkonstante (=Strahlungsdichte=Radianz) variiert, was zu einer änderung im klima führt. Sonne Schwankt um +/- 1.5 W/m2 --> dies entspricht dem gleichen Einflusswert wie das CO2 auf das klima hat
Grafik absorptionsspektrum von wasser. Wieso gibt es gerade diese Lücke (Pfeil)? In welchem bereich des Lichts liegt diese Lücke?
Durch Absorption der Strahlung mit kleinen Wellenlängen (links der lücke) werden die einzelnen Atome des Wassers angeregt, d.h. in Schwingung gesetzt. Durch absorption der Strahlung mit langen Wellenlängen (rechts der lücke) werden die ganzen Wassermoleküle in Schwingung versetzt. Zwischen der Schwingungsanregung der Atome und der Moleküle gibt es allerdings eine Lücke, in welcher Strahlung nicht absorbiert werden kann. Diese Lücke liegt genau im bereich des sichtbaren lichts.
Wieso ist wasser blau?
Blaue strahlung kann von Wasser am wenigsten Absorbiert werden und wird deshalb refelktiert --> wasser erscheint meist blau!
wieso werden Temperaturmessungen durch Sateliten Vorgenommen? (=Strahlungsmessungen)
Da exakte Temperaturbestimmung oft schwierig ist, das Wind ebenfalls einen einfluss hat
Welche Farbe hat die Erde?
nicht blau sondern grau
(wieso auch immer, so in den notizen --> hat etwas mit der Verdunstung zu tun, evt wolken?)
Wo bilden sich im Meer bevorzugt wolken?
Über Inseln, da Pflanzen besonders viel Wasser verdunsten
Wie verliert wasser Wärme?
durch verdunstung
Was ist die Treibende Kraft hinter der Verdunstung?
Die Luftfeuchte. es gilt
\(e_a \neq e_w, e_a = Luftfeuchte Atmosphäre, e_w= Luftfeuchte Grenzschicht\)
Grenzschicht ist immer 100% Wassergesättigt, ist Atmosphäre noch nicht 100% wassergesättigt, kann Wasser verdunsten.
siehe grafik.
Wieso entstehen Hurrikane in tropischen Gewässern?
Die Sättigungsdampfdruck ew steigt stark (exponentiell) mit zusnehmender Temperatur an! --> Hurrikane können sher viel energie aus der Differenz der Paritaldrücke (ew und ea) gewinnen.
Was bezeichnet Hv? Wann ist Hv =0?
Wärmeverlust durch verdunstung. diese ist 0 wenn die relative Luftfeuchtigkeit bei 100% ist (\(e_w=e_a \))
Was bezeichnen Hw, Hs, Hk und HA
HA= langwellige Einstralung
Hs= kurzwellige einstrahlung
Hw= langwellige Abstrahlung
Hk= Konvektion, übergang von fühlbarer wärme an die Luft
Was ist die Treibende Kraft hinter der konvektion?
\(T_a \neq T_w, a= Atmosphäre, w=Wasser\)
Wassertemperatur unterschiedlich zu Atmosphärentemperatur führt zu kionvektion
Was gilt bei \(T_w=T_a \)?
\(H_k=0, H_v \neq 0\)
Konvektion tritt nicht auf, es kann aber immer noch Wärme durch Verdunstung verloren gehen.
Welche beiden Fälle der Konvektoin gibt es?
1. \(T_w < T_A\), in diesem fall herrscht eine Stabile schichtung der Luft über dem Wasser. Es kommt zu einem Schwachen wärmeaustausch, da sich die luft nicht mischt (ähnlich wie Inversionslage bei wetter)
2. \(T_w> T_A\), in diesem fall herrscht eine instabile Schichtung der Luft über dem Wasser. es kommt zu einem Starken Wärmeaustausch, da auch eine Starke durchmischung stattfindet. --> Hurrikan!!
Erkläre den Amplitudenunterschied des Wärmegehalts des Wasser im Zürich see und im Lake Huron (Amerika)
Lake Huron hat ein Kontinentales klima, der Zürich See eher ein Ozeanisches klima (wir sind nicht soweit weg vom meer), deshalb im zürich see kleinere amplitude
Erkläre die folgende Grafik
Mischungstiefe des vierwaldstättersees. In den Sommermonaten wärmt sich das oberflächenwasser auf. Das oberflächenwasser ist seperiert vom tieferen wasser. In den Wintermonaten ist alles wasser gleich warm/kalt, das wasser wird komplettdurchmischt.
Spannend: feb 1963 extrem kalt --> eisbildung!
erkläre die folgende Grafik:
Urnersee und Glarnersee liegen nah beieinander. der Gersauersee reagiert allerdings schneller bezogen auf die Temperatur, er wird schneller warm im Frühling.
Dies ist so, da der Urnersee direkt in Windrichtung des Föhns liegt und somit gut durchmischt ist, es muss also auch das Tiefenwasser aufgeheizt werden. Der gersauersee liegt quer zum föhn --> nicht so gut durchmischt, oberes wasser daher schneller aufgewärmt
Was ist beim Wärmeaustausch in Fliessgewässern zu beachten?
KKW Mühleberg und Beznau kühlen mit Aarewasser.
--> das thermische Gedächtnis des Wassers spielt dabei eine wesentliche Rolle (wie lange bleibt wärme im System erhalten.
--> wärme hat einfluss auf die biologie: Sauerstoffbedarf steigt mit höherer temperatur
--> Schlussfolgerung: selbst an grossen Flüssen können nur 1(-2) KKW gekühlt werden! (Aare hat schon 2!) --> Gösgen musste kühlturm bauen.
--> Je stärker die Erwärmung desto grösser die Störung
Wann ist die Kritische zeit für die Einleitung von Wärme in Flüsse?
Im Winter, da dort der Fluss kälter ist, und der Wärmeeintrag relativgesehen grösser!
Wie verändern sich die energieflüsse durch die Einleitung von Wärme in Fliessgewässer?
Energieflüsse ändern sich schon bei kleinen mengen an eingeleiteter Wärme massiv!!
Wie findet der Gasaustausch statt zwischen WAsser und Luft? (ganz rudimentär)
siehe grafik
Erkläre das henry-gesetz
im Gleichgewicht ist die Konzentration Ci eines gelösten Gases i im Wasser proportional zum Partialdruck pi des Gases an der Wasseroberfläche
\(p_i =H_i * C_i\) Oder \(C_i= \lambda_i * p_i\) , Hi = Henrykoeffizient (\(\lambda_i\)= inverser Henrykoeffizient) beschreibt die löslichkeit des Gases i im Wasser
Welche Eigenschaften hat der Henrykoeffizient Hi?
er hängt von der Temperatur und Salinität des Wassers ab.
Hi kann von den chemischen Eigenschaften abhängen
Si-einheit: \({Pa*m^3}\over mol\)
Wie verändert sich die Gleichgewichtskonzentration von Gasesn uns Salzen im Wasser mit zunehmender Temperatur?
Gleichgewichtskonzentration der meisten Gase nimmt mit der Temperatur ab. (je höher temperatur, desto weniger gas gelöst)
--> Gilt nur solange Wassertemperatur kleiner als ungefähr 60°C ist. Bei höheren Temperaturen kann es auch wider zunehmen.
Gleichgewichtskonzentration nimmt für die meisten Salze mit der Temperatur zu (je höher temperatur, desto mehr salze gelöst)
Nenne die Barometerformel
\(p_{tot} \approx p_0 * e^{-h\over h_0}\), p0= 1013.25 hPa: Druck auf meeresniveau, h0= 8.3 km: Skalenhöhe, h: Höhe über Meer
Wie hängt der Totaldruck mit dem Partialdruck und dem Stoffmengenanteil zusammen?
Siehe Grafik
In welche Richtung läuft der Gasaustausch?
Vergleiche aktuelle Wasserkonzentration (Ci) mit Wasserkonzentration während des Gleichgewichts (Ci*)
\(C_i = C_i^* \) --> Gasfluss = 0 --> System ist im Gleichgewicht
\(C_i > C_i^*\) --> Netto Gasfluss von Wasser zu Luft
\(C_i < C_i^*\) --> Netto Gasfluss von Luft zu Wasser
Erkläre grafisch das Filmmodell
siehe grafik
Welche verschiednen Gasaustauschmodelle gibt es?
- Film-Modell
- Austauschmodell
Welchem gesetz folgen die Gasflüsse des Film-Modells?
Dem fick'schen Gesetz
Welche Gase verhalten sich meistens nach dem Film-modell?
Nur Gase mit einem grossen Henry-koeffizienten.
Was sind Typische Dicken für die Grenzfilme?
Gasfilmkontrollierter Austausch: 3mm
Wasserfilmkontrollierter Austausch: 0.2 mm
