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
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
erkläre das austauschmodell grafisch:
siehe grafik
Wann ist ein Austausch "flüssigfilm kontrollier" (=wasserfilmkontrolliert) und wann ist er "Gasfilm kontrolliert"?
Falls Hc gross ist (Hc = Henry-Coeffizient, ist der Parameter welcher den Gasaustausch kontrolliert), und das Gas schlecht löslich ist ist es flüssig-Film kontrolliert. Bsp: Für O2, N2, Edelgase
Falls Hc klein ist und die Gase/Energie gut löslich sind ist es Gas-Film kontrolliert. Bsp: Wasserdampf, Temperatur
Wie unterscheidet sich die Geometrie (= Dicke der Grenzschicht, turbulenter Austausch) bei den verschiednen Gasen?
Geometrie ist bei allen Gasen gleich!
Wie beeinflusst der Wind den Gasaustausch?
Gasaustauschgeschwindigkeit nimmt mit der Windgeschwindigkeit zu
--> Bei schwachem Wind überwiegt Film-Modell (ungestörte Wasseroberfläche, geringe Turbulenz)
--> bei starkem Wind überwiegt das Austausch-Modell (dünne Grenzfilme, starke Turbulenz)
Was ist am Lake Nyos passiert?
Lake liegt auf einer Magmatischen Kammer. Von dort gab es einen Gaseintrag (co2 und ch4). Durch durchmischung wurde das gas nach oben getragen. Durch druckentlastung kam es zu Blasenbildung --> Blasen stiegen auf --> nochmalige Druckentlastung --> Blasenwachstum
--> viel gas in kurzer Zeit aus dem See ausgegast --> 1000 leute gestorben
Ab wann ist Blasenbildung im Wasser möglich?
Falls \(p_{tot} = \sum_i p_i, i= versch. Gase \) grösser ist als der Hydrostatische Druck (Druck der Wassersäule) bilden sich blasen
(p_tot = summer der partialdrücke)
Wie wurde das Problem am Lake Nyos gelöst?
zuerst Aktives Pumpen von Tiefenwasser
danach passiver transport durch blasen
(eher nicht wichtig)
Was beeinflusst den Sauerstoffgehalt von Gewässern?
- Erwärmung der Oberflächenwassers --> Gleichgewichtskonzentration von O2 nimmt ab! --> weniger O2 gelöst
- Photosynthese: --> Produziert allerdings nur tagsüber O2,
- Atmung braucht Sauerstoff
- Schichtung (Stratifizierung) --> im Sommer bilden sich in Gewässern stabile schichten aus, Sauerstoff wird nicht mehr nach unten gebracht.
- Nährstoffgehalt: bei eutrophen (nährstoffreichen) Gewässern hohes Wachstum an Biomasse --> braucht O2 durch gesteigerte Atmung!
Was kann man bei eutrophierten Gewässern tun?
Bei eutrophierten Gewässern (also Gewässer mit sehr viel Nährstoffen --> wenig Sauerstoff) kann man Gas einbringen durch einen Diffusor (hallwilersee, siehe grafik).
Eingebrachter Sauerstoff wird dank den vielen Nährstoffen extrem schnell wieder abgebaut, deshalb sieht man bei der betrachtung von O2 - Messungen keine grossen Unterschiede zum Normalzustand ohne Diffusor. Allerdings Messungen von Edelgasen haben gezeigt, dass Gaseintrag wirkt
Wie sieht die Tägliche O2 Schwankung in einem Fliessgewässer aus?
siehe grafik
Als was wird Stofftransport definiert?
transport von Masse pro Fläche und Zeit
--> Gradient ist vorhanden damit ein Transport von statten geht
Wo liegt das Problem beim Stofftransport
er ist nicht konstant, er fluktueirt!
--> es ist ein Krampf das zu berechnen, man versteht nicht genau wieso man es auf diese art berechnen kann, aber praxis hat bestätigt
Was sind Eigenschaften Turbulente MIschung?
1. Turbulenz ist eine Eigenschaft eines Strömungsfeldes, nicht eines Stoffes. --> Unabhängig vom Stoff, abhängig vom entsprechenden Konzetrationsgradienten.
2. Turbulenz ist gegenüber molekularer Diffusion viel stärker. (Turbulenz hat mischt ein System schneller als reine Diffusion, Bsp: Zucker im Tee: man muss Rühren damit sich die Süsse gut verteilt)
Wie ist die Strömungsgeschwindigkeit gerichtet? Durch was ist sie Bestimmt?
Immer in drei Dimensionen --> führt also immer zu einer Mischung von Untersch. Wasserpaketen
Geschwindigkeit ist bestimmt durch:
- Hydrodynamik in Ozeanen, Seen und Fliessgewässern
- Darcy-Gesetzt in Grundwasser und Boden
Was versteht man unter Diffusivität bzw. Dispersivität? Wodurch wird sie bestimmt?
Diffusivität (ungerichtet) und Dispersivität (gerichtet) führen zu einer Verteilung von Stoffen.
Beide (diffusivität und dispersivität) entstehen durch fluktuationen in den folgenden 3 Punkten:
1. Turbulenzen (in Ozeanen, Seen und flüssen)
2. Dispersion (=horizontale Mischung)
3. Bodenmatrix/Porenraum (im Grundwasser, in ungesättigter Zone)
Welche Kräfte wirken auf ein Wasserpaket, damit es zu Strömung kommt?
Wind
Gravitation
