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
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 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
Wie wird ie Wassersäule stabilisiert?
Im oberflächenwasser (epilimnion) durch die Temperatur
im Tiefenwasser (Hypolimnion) durch Temperatur und Salinität
Beantworte folgende Frage:
A & D
--> erhöht man den Druck nimmt auch die Dichte eines Fluids zu
--> Für die vertikale stabilität ist die Dichte nicht relevant!
Welche eigenschaften des Wassers werden durch Druck verändert?
Druckzunahme ändert die Temperatur der Maximalen Dichte!
Druckzunahme führt zu einer Adiabatischen Erwärmung: Wasser das nach oben steigt (Druck nimmt ab nach oben) verrichtet arbeit und kühlt sich ab, dafür wird innere energie verwendet.
Siehe grafik
erkläre den begriff der Potentiellen Temperatur im See
Ähnlich wie bei der Atmosphäre erwärmt sich das Wasser durch zunehmenden Druck, bzw kühl sich ab durch abnehmenden druck. Das heisst es kann sein, dass die Temperatur mit zunehmender Tiefe plötzlich wieder zunimmt.
Würde man aber alles Wasser vertikal gesehen auf den gleichen Druck bringen würd sich die Temperatur verändern. Diese neue Temperatur mit normiertem Druck nennt man Potentielle Temperatur.
Von was hängt die Stabilität der Schichtung in einem See ab?
Vorallem von der Dichte! Wenn immer die dichte mit der Tiefe zunimmt ist ein See stabil geschichtet.
Bei relativ warmen sehen (ca. > 8°) auch von der potentiellen Temperatur! nimmt diese mit Zunehmender Tiefe immer ab spricht man von einer stabilen schichtung.
Siehe grafik links! See ist stabil geschichtet, da die potentielle Temp mit der tiefe immer abnimmt.
Was ist ein Thermobarer effekt?
--> Dichtegetreibene Strömungen in sehr tiefen sehen nahe der Temperatur der maximalen Dichte
Die kompressibilität von Wasser ist Temperaturabhängig. Die Temperatur der maximalen Dichte (bei atmosphärendruck bei 4°) nimmt mit der Tiefe (--> immer höherer Druck) ab (Temperatur der maximalen Dichte wird mit der Tiefe immer kleiner).
siehe grafik. als beispiel Baikalsee.
Was versteht man unter der Lapse Rate?
Temperaturerhöhung pro Druckeinheit
Wie kann Stabilität über ein Wasserpaket definiert werden?
Erfährt ein Wasserpaket bei einer Auslenkung in Vertikale Richtung (nach oben oder unten) eine Auslenkungskraft K, dann ist die Wassersäule Stabil geschichtet.
Was versteht man unter Stabilitätsfrequenz?
= Väisälä-Frequenz:
wird ein WAsserpaket beschleunigt und erfährt es eine Rücktreibende Kraft K beginnt es zu schwingen. Die Stabilitätsfrequenz N bezeichnet die Frequenz mit welcher das Wasserpaket getrieben durch die anfängliche Auslenkung und die Rücktreibende Kraft K um einen Gleichgewichtszustand osziliert.
Die Stabilitätsfrequenz kann auch als Mass für die Stabilität einer Wassersäule herangezogen werden.
Welche Energieflüsse und -inhalte herschen in einem See?
Energieflüsse: Energie wird haupstächlich von der Sonne eingetragen, ganz wenig vom Wind und von Turbulenzen.
Energieinhalte: Energie wird in Form von Potentieller Energie, Kinetischer Energie und (Thermischer Energie) "gespeichert". Der Wärmegehalt (= thermische Energie) verändert sich sehr stark von Sommer zu Winter --> hohe delta Wärme)
Wo findet der Energieaustausch statt?
An der Grenzfläche zwischen luft und Wasser!
Was besagen der 1. und der 2. Hauptsatz der Thermodynamik?
1. Hauptsatz: Energie kann nicht generiert oder zerstört werden! Sie kann nur in andere Energieformen umgewandelt werdne!
2. Hauptsatz: Wärmeenergie fliesst niemals von alleine von einem kalten Kérper zu einem Warmen (kalter Körper wird noch kälter, warmer Körper wird noch wärmer), es gibt auch keine Maschine welche Wärme fortlaufend und Vollständig in Arbeit umwandelt!
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.
