Verdunstung. Physikalische Grundlagen und regionale bis globale Verteilung

Gliederung

1. Einleitung

2. AllgemeineszurVerdunstung

3. Physikalische Grundlagen
3.1 Evaporation
3.2 Transpiration

4. Regionale Verdunstungsverteilung

5. Globale Verdunstungsverteilung

6. Fazit

Abbildungsverzeichnis

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis:

Abbildung 1: Der Wasserkreislauf

Abbildung 2: Schema der Relation von Evaporation und Transpiration

Abbildung 3: Tatsächliche Verdunstung

Abbildung 4: Potentielle Verdunstung

Abbildung 5: The land surface process model

Abbildung 6: Mittlere Jahresverdunstung in der Schweiz

Abbildung 7: Isoliniendarstellung mittlererj ährlicher Verdunstungshöhen

Abbildung 8: Reliefkarte Schweiz

Abbildung 9: Räumliche Verteilung der Jahresmitteltemperatur in der Schweiz

Abbildung 10: Mittlerejährliche Verdunstung weltweit in cm

1. Einleitung

Die Verdunstung spielt im Wasserkreislauf eine ganz entscheidende und gewichtige Rolle. Ihre Ermittlung ist neben Niederschlag und Abfluss eine der wichtigsten Größen der Wasserbilanz und gehört in der hydrologischen Grundlagenforschung seit mehreren Jahren zu den bevorzugten Themen (KELLER 1980, 27).

Anhand der folgenden Abbildung, möchte ich kurz noch näher auf den Stellenwert eingehen, den die Verdunstung im Wasserkreislauf einnimmt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Der Wasserkreislauf, http://www.geolinde.musin.de/glossar/themen/wasserkreislauf.htm

Deutlich erkennbar ist, dass Verdunstung über dem Meer als große freie Wasserfläche ebenso stattfindet, wie über Seen und Flüssen. Ferner gibt es auch Verdunstung über mit Pflanzenwuchs und Schnee bedeckten Gebieten. Verdunstung findet allgemein gesagt also auf der gesamten Erdoberfläche statt und ist somit enorm wichtig für das Gleichgewicht des Wasserhaushaltes. Wie es sich nun in verschiedenen Gebieten jeweils mit der Verdunstung verhält und welche physikalischen Grundlagen zu diesem Vorgang gehören, werde ich in der vorliegenden Arbeit erörtern.

2. Allgemeines zur Verdunstung

Unter Verdunstung wird der Übergang des Wassers vom flüssigen oder festen in den gasförmigen Zustand verstanden, wobei dazu die Aufnahme von latenter Wärme notwendig ist. Mit latenter Wärme ist der Wert von 2453,4 J/g bei einer Temperatur von 20°C und einem konstanten Druck von 1013hPa gemeint. (WILHELM 1997, 145) Der Wasserdampf gelangt durch den Verdunstungsvorgang dann von den Wasseroberflächen oder vom Festland in die Atmosphäre. (LAUER 1993, 66) Neben den Niederschlägen stellt der Vorgang der Verdunstung die Verbindung zwischen den getrennten Wasservorkommen der Erde, womit das Vorhandensein von Wasser im Meer, der Atmosphäre und auf dem Festland gemeint ist, her. (WECHMANN 1964, 381) Ferner ist es die Höhe der Verdunstung, die darüber entscheidet, „was von der Wassereinnahme aus dem Niederschlag für den Abfluss und damit für die weitere Wassernutzung übrig bleibt.“ (KELLER 1980, 27) Insgesamt ist es so, dass 64% auf den Landflächen, auf dem Weltmeer 103-116% und auf der gesamten Erde 100% des Niederschlagsvolumens von 973 l/m3 verdunsten. Allerdings entziehen sich die verdunsteten Wassermengen zum größten Teil der Wasserbewirtschaftung. Die Verdunstung ist aber nicht nur ein wichtiger Teil des Wasserhaushaltes, sondern auch des Wärmehaushaltes der Erde. Sie ist durch die energetische Verflechtung ein extrem wichtiger Faktor für die atmosphärische Zirkulation sowie für das Klima. (BAUMGARTNER 1990, 327)

3. Physikalische Grundlagen

Aus physikalischer Sicht ist die Verdunstung als „der unterhalb des Siedepunktes erfolgende langsame Übergang einer Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand“ definiert. Im Hinblick auf das Wasser ist hiermit dessen Übergang vom flüssigen bzw. festen Zustand in die Form von Wasserdampf zu verstehen. (WECHMANN 1964, 379) Damit Verdunstung stattfinden kann, wird Wärmeenergie benötigt, welche aus der umgebenden Luft bezogen wird. Aufgrund dessen ist die Verdunstung ein Prozess, der mit Abkühlung verbunden ist. Spricht man von Sublimation, so ist die Verdunstung von Eis- und Schneeflächen gemeint. Diese Art der direkten Verdunstung benötigt eine ca. 10% höhere Energiemenge als die zur Verdunstung von Wasser benötigte, die bei 2374 Joule pro Gramm liegt. (LAUER 1993, 67)

Spricht man von Verdunstung, so lässt sich dieser Vorgang generell in zwei verschiedene Arten untergliedern: Zum einen gibt es die Evaporation. Hiermit ist die passive Verdunstung der vegetationsfreien Landoberfläche (BENDIX 2004, 110) beziehungsweise die Verdunstung gemeint, die überall dort stattfindet, wo Wasser in jedweder Form vorhanden ist. Damit sind Eis- wie auch Wasserflächen jeder Art gemeint. Über den großen Wasserflächen der Meere ist die Evaporation am bedeutendsten. (WECHMANN 1964, 381) Zum anderen gibt es noch den Vorgang der sogenannten Transpiration. Mit diesem Begriff ist die aktive Verdunstung der Vegetation gemeint. (BENDIX 2004, 110) Hierbei wird das Wasser, „das zum Nährstofftransport aus dem Boden und in der Pflanze benötigt wurde, durch die Stomata, die Spaltöffnungen an den Blattunterseiten, abgegeben.“ (WILHELM 1997, 144)

Die Summe von Evaporation und Transpiration wird als Evapotranspiration bezeichnet. Sie bezeichnet die Gesamt- oder auch Landverdunstung von bewachsenen und unbewachsenen Oberflächen: ET = E + T

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Schema der Relation von Evaporation und Transpiration. LAUER 1993, 67

Abbildung 2 zeigt das Schema der Relation von Evaporation und Transpiration. Es wird deutlich, dass die Evaporation, nachdem sie mit zunehmendem Wasserangebot ein Verdunstungsmaximum erreicht hat, leicht abfällt, um dann stetig gleichzubleiben, wohingegen die Rate der Transpiration zwar später ihr Maximum erreicht, diesesjedoch länger beibehält, um dann stetig eine größere Verdunstungshöhe aufzuweisen als die Evaporation. Die Evapotranspiration ist hier als die Summe aus den beiden zuvor genannten Vorgängen dargestellt. Dass die Transpiration später ihr

Verdunstungsmaximum erreicht als die Evaporation, kann daran liegen, dass das Wasser erst durch die Pflanze aus dem Boden wieder an die Oberfläche gelangen muss und natürlich auch Wasser in der Pflanze behalten wird, um deren lebenswichtige Funktionen zu versorgen. Somit geben Pflanzen dann erst bei einem größeren Wasserangebot Wasser zur Verdunstung frei, als dies bei unbewachsenen Flächen geschieht, da hier das Wasser „nur“ aus dem Boden gezogen werden muss.

Bezieht man noch mit ein, dass bei geschlossenen Pflanzenbeständen ein Teil des Niederschlags durch das Blattwerk zurückgehalten wird und somit nicht den Boden erreicht, sondern sofort verdunstet wird (= Interzeption), setzt sich die Gesamtverdunstung (V) einer bewachsenen Oberfläche aus den Komponenten der Evaporation (E), Transpiration (T) und der Interzeption (I) zusammen: V = E + T + I.

Allgemein wird die Verdunstung genauso wie der Niederschlag in mm/Wasserhöhe (= Litemje m^[1] ) pro Zeiteinheit angegeben. (LAUER 1993, 67) Ferner wird noch zwischen der aktuellen und potentiellen Verdunstung unterschieden. Unter der aktuellen oder auch effektiven Verdunstung versteht man die von einer Landfläche real verdunstende Wassermenge. Diese hängt von der vorhandenen Energie und vom verfügbaren Wasser ab. Mit der potentiellen Evapotranspiration ist die klimatische Verdunstungskraft gemeint. Hiermit wird die Wassermenge bezeichnet, die bei gegebener Energie verdunsten würde, wenn die Landoberfläche vollkommen mit Pflanzen bei ausreichender Wasserversorgung bestanden wäre. (WILHELM 1997, 144) „Bei der Verdunstung von Wasserflächen erreichen beide Größen im Allgemeinen den gleichen Wert.“ (LAUER 1993, 68)

Die Abbildungen 4 und 5 zeigen stellen jeweils die reale und die potentielle Evaporation als Tageswert dar. Es wird hier deutlich, dass die potentielle Verdunstung die bei den meteorologischen Randbedingungen maximal mögliche Verdunstung darstellt wohingegen die tatsächliche Evaporation jenen Wert widerspiegelt, der durch die im Boden gegebenen Wasservorräte möglich ist. Die aktuelle Verdunstung ist immer kleiner bzw. gleich der potentiellen Verdunstung. Das Wachstum der Pflanzen ist immer dann reduziert, wenn die tatsächliche Verdunstung kleiner ist als die potentielle, da Pflanzen Wasser verdunsten müssen, um wachsen zu können. Herrscht eine niedrige Verdunstungsrate, so erwärmt sich die Luft stärker und daraus resultiert eine höhere potentielle Verdunstungsrate. (DWD 2008)

Die Verdunstung orientiert sich während des Tages an der Strahlungsbilanz, dem Sättigungsdefizit der Luft und an den Regelmöglichkeiten der Vegetation. Ebenso wie die Strahlungsbilanz zeigen auch der Niederschlag und die daraus resultierende Wasserverfügbarkeit im Boden deutliche Auswirkungen auf die Verdunstung. Der Bodenspeicher, der durch jeden Niederschlag aufgefüllt wird, erfährt ebenso in den darauf folgenden Trockenphasen aufgrund der kontinuierlichen Verdunstung eine Entleerung. Dauern Trockenphasen länger, so gerät die Vegetation unter Trockenstress und passt ihre Transpiration der Wasserverfügbarkeit an, wodurch die Evapotranspiration allgemein zurückgeht. (BENDIX 2004, 110 f.)

3.1. Evaporation

Unter Evaporation versteht man vom rein physikalischen Standpunkt betrachtet „die erfolgende Verdunstung der unbewachsenen Erdoberfläche (Boden-, Schnee-, Eisverdunstung), des auf Pflanzenoberflächen zurückgehaltenen Niederschlags (Interzeptionsverdunstung) und von freien Wasserflächen (Gewässerverdunstung).“ (DYCK 1995, 180) Der Wärmehaushalt des Wasserkörpers bestimmt den kinetischen Prozess des Verdampfens von Wasser aus einer freien Wasseroberfläche. Das Sättigungsdefizit stellt eine wichtige Einflussgröße dar und solange die Luft nicht vollkommen gesättigt ist, kann die Verdunstung von freien Gewässerflächen erfolgen. (DYCK 1995, 180f.) Die Verdunstung von Wasser erfolgt umso stärker, je geringer der Dampfdruck ist. Bei niedrigem Druck und der daraus resultierenden geringen Dichte der Luft werden mehr Wassermoleküle durch die Wasseroberfläche austreten als bei höherem Druck, da ihnen aufgrund der dichteren Packung der Luftmoleküle ein größerer Widerstand entgegenkommt. (WECHMANN 1964, 383/387) Der Abtransport des Wasserdampfes wird geregelt durch Diffusion ^[1], Konvektion^[2] und durch advektive Luftbewegungen ^[3]. (DYCK 1995, 180f.) Durch die Bewegung der Luft erfolgt ein direkter Lufttransport und somit ein Austausch der feuchtereichen und trockenen Luft.

[...]

^[1] vertikal aufsteigende Luftbewegung von Luftmassen, welche durch Einstrahlung erwärmt wurden

^[2] Zerstreuungs- und Vermischungsprozesse von Luftbestandteilen

^[3] Wind