04. August 2014

Wetterwerkstatt Wasser

Ein wahrhaft himmlisches wie rätselhaftes Wetterelement

Dossierbild

Antike Naturphilosophen vermuteten, dass alle Materie aus Mischungen der vier Urstoffe Erde, Wasser, Luft und Feuer bestehe. Aus diesen Urstoffen entstehen alle Dinge. Auch verändern sie ständig ihre Form. Sie erkannten die Materie als etwas Bewegtes und Dynamisches. Sie ist nichts Starres und Statisches. Die Urstoffe decken sich mit den drei Zustandsformen der Materie, also fest, flüssig und gasförmig. Das „Feuer“ passt nicht in das Schema, ist aber als Energielieferant unverzichtbar. Das „Licht“ nimmt eine Sonderstellung ein, denn es ist keine Erscheinungsform von Materie, sondern eine Folge von Materie, wie man bei der Herstellung von Eisen erkannte, und darum unlösbar mit Materie verbunden. Die gesamte lebendige Materie in Gestalt von Pflanzen, Tieren und Menschen ist zudem ohne das Licht nicht denkbar. Diese schlichte Wahrheit steckt in dem Wort „Photosynthese“, bei der grüne Pflanzen aus den zwei anorganischen Stoffen Kohlenstoffdioxid und Wasser mit Hilfe des Lichts organische Materie, also „Nahrung“ für Tier und Mensch, produzieren. Zudem wird dabei der zur Nahrungsverbrennung notwendige Sauerstoff durch Spaltung des Wassermoleküls freigesetzt.

Die Urstoffe wiederum seien aus kleinsten unteilbaren Materieteilchen zusammengesetzt, den Atomen. Diese Auffassung vertrat Demokrit (circa 460-370 vor Christus). Wenn ein Kind zu einem stattlichen Mensch heranwächst und als Greis stirbt und verwest, dann kehren, so Demokrit, die Atome, „die sich in uns für kurze Zeit zu Lust und Leid gefügt haben“, in den ewigen Kreislauf der Natur zurück. Man erkannte auch, dass die Atome von elementaren Kräften, der Anziehung und Abstoßung, beherrscht werden. Man sagte: „Das Lieben und Hassen der Atome verursacht die Unruhe der Welt.“ Wenn sich am Himmel eine Wolke bildet, sammeln sich die einzeln und unsichtbar herumfliegenden „Wasseratome“ zu sichtbarem Nebel, winzigen Wassertropfen. Diese können bald wieder verdunsten oder wachsen und als Regen zur Erde fallen. Verdunstet der Regen, dann steigen die „Atome“ wieder in die Atmosphäre auf und werden über die Erde, wenn auch extrem ungleichmäßig, verteilt. Heute wissen wir, dass sich das „Wasseratom“ aus drei Atomen (H2O) zusammensetzt, also ein aus Wasserstoff und Sauerstoff bestehendes „Wasserdampfmolekül“ ist, mit ungewöhnlichen Eigenschaften.

Der Regen fällt vom Himmel, doch wie kommt er in den Himmel?

Kluge Leute haben berechnet, dass die Lufthülle der Erde 13 x 1012 Kubikmeter Wasser enthält. Das sind 13 Billionen Tonnen. Wer jedoch hat die Kraft oder die Energie, diese Riesenmenge an Wasser in die Luft zu heben? Wie viele Tanklaster mit zehn Tonnen Fassungsvermögen braucht man dazu? Die Erdoberfläche insgesamt hat eine Fläche von 510 x 106 Quadratkilometern. Würde alles Wasser auf einen Schlag ausregnen und gleichmäßig über die Erde verteilt zu Boden fallen, dann würden auf jeden Quadratmeter 25 Liter (25 Millimeter) Regen fallen. Wäre dies die Jahresausbeute, die gesamte Erde wäre eine einzige Wüste. Walfischbai, eine Hafenstadt am Rande der Wüste Namib, einer typischen Küstenwüste in Namibia, misst im Mittel einen Jahresniederschlag von 22 Millimetern. In Aden im Jemen, der trockensten Stadt des Nahen Ostens, sind es 46 Millimeter.

Andere kluge Leute haben ausgerechnet, dass der mittlere globale Niederschlag etwa 1000 Millimeter oder 1000 Liter pro Quadratmeter beträgt. Wenn dies wahr wäre, die Erde wäre keine Wüste, sondern grün, vorausgesetzt, der Regen wäre gleich verteilt und überall würde die „Globaltemperatur“ von 15 Grad Celsius herrschen. Dies zum Sinn oder Unsinn von Globalwerten. Sie sind „schön“, aber nirgends zu gebrauchen. Wenn 25 Millimeter an Wasser in der Atmosphäre sind, aber im Jahresverlauf 1000 Millimeter ausregnen, dann muss sich im Jahresverlauf die Wassermenge der Luft 40 Mal oder knapp alle zehn Tage komplett erneuern.

Machen wir mal eine Überschlagsrechnung: Pro Minute fällt auf der ganzen Erde eine Milliarde Tonnen Regen. Doch diese müssen zuerst einmal verdunsten und in den Himmel gehoben werden. Dazu wird Energie benötigt, die nicht der Mensch, sondern einzig und allein die Sonne zur Verfügung stellt. Um ein Liter Wasser zu verdunsten oder zu verdampfen, benötigt man etwa 0,63 Kilowattstunden. Bei einer Tonne sind dies 630 und bei einer Milliarde Tonnen 630 x 109 Kilowattstunden. Diese Leistung an Verdunstungsenergie muss permanent vorgehalten werden, damit der Wasserkreislauf zwischen Niederschlag und Verdunstung in Gang gehalten werden kann. Bei einem Preis von 20 Cent pro Kilowattstunde kosten 630 Kilowattstunden 126 Euro. Die Menschheit müsste also pro Minute rund 125 Milliarden Euro für Verdunstungskosten aufwenden, damit eine Milliarde Tonnen Regen vom Himmel fallen. Und das Jahr hat 8760 Stunden und diese wiederum 60 Minuten. Nach „Adam Riese“ (1492-1559) müsste die Sonne der Menschheit pro Jahr für die Belieferung mit Regen eine saftige Rechnung über 65.700 Billionen Euro schicken, Jahr für Jahr. Doch wegen der extrem ungleichmäßigen Verteilung des Regens –Arica in der Atacama-Wüste Chiles erhält 0,8 Millimeter und der Berg Wai’ale‘ale auf der Insel Kaua‘i in Hawaii im Mittel 11.684 Millimeter – gäbe es enormes Konfliktpotential, die Kosten einigermaßen „gerecht“ unter den Völkern aufzuteilen.

Diese Energie liefert einzig und allein die Sonne mittels Licht und Wärme. An der Obergrenze der Atmosphäre beträgt im Mittel die „Solarkonstante“ 1.368 Watt pro Quadratmeter. Kalkuliert man mit einem Verlust von 30 Prozent, dann kommen im Mittel an der Erdoberfläche 960 Watt pro Quadratmeter an und dienen deren Erwärmung. Von diesen müssen noch 30 Prozent für Verdunstung abgezogen werden. Bleiben 640 Watt pro Quadratmeter. Diese dienen der Erwärmung des Bodens und werden als Wärme per Leitung und Konvektion an die Atmosphäre weitergegeben. In Deutschland beträgt die mittlere Globalstrahlung etwa 1.000 Kilowattstunden pro Quadratmeter pro Jahr, ohne von der Sonne eine Rechnung zu erhalten.

Wärme als gestaltende Kraft der Natur

Speziell auf das Wasser bezogen, spielt die Wärme, also die Temperatur, eine wichtige Rolle. Wir kennen seine drei Aggregatzustände: fest, flüssig und gasförmig. Alle drei Zustände können gleichzeitig auftreten. Geht Eis in Wasser über und dieses in Wasserdampf, der für uns unsichtbar ist, dann ändert sich die Anordnung der Atome. Man spricht von Phasenübergängen, deren Ursache wiederum in der Energie liegt, die einem Stoff von außen zugeführt oder entzogen wird. Es ändern sich die Gitterstrukturen. Bei Eis sind die Atome zu Gittern montiert, ist jedes Atom über die Elektronen seiner äußeren Schale mit seinen Nachbaratomen fest verklammert. Wird dem Eis Wärme zugeführt, geraten die Atome immer mehr in Schwingung, bis irgendwann der Punkt erreicht ist, an dem sie so stark ausschwingen, dass die atomaren Bindungskräfte nicht mehr stark genug sind, die Atome an ihrem Ort im Gitter zu halten. Übersteigt die Bewegungsenergie die Bindungsenergie, dann geht der Körper in den flüssigen Zustand über, er schmilzt. Führt man dem Wasser weiterhin Energie zu, dann bewegen sich die Atome mit ständig wachsender Geschwindigkeit. Immer mehr Moleküle durchstoßen die Oberfläche des Wassers und entweichen gasförmig als Wasserdampf in die Luft.

Diesen Vorgang kann man in der Natur nach jedem Regen beim Abtrocknen der Straßen und dem Verschwinden der Pfützen beobachten. Auch das Trocknen der Wäsche auf der Leine geschieht ohne Zutun des Menschen. Immer herrschen winzige Luftbewegungen und Temperaturänderungen, mit denen sich die Aufnahmefähigkeit der Luft für Wasserdampf ändert. Schnell trocknen Straße und Wäsche, wenn das Sättigungsdefizit groß und die Aufnahmefähigkeit der Luft für Wasserdampf hoch ist. Bei null Grad Celsius kann die Luft maximal 4,8 Gramm H2O, bei zehn Grad Celsius schon 9,4 Gramm und bei 30 Grad Celsius ganze 30,3 Gramm pro Kubikmeter aufnehmen, bis zur Sättigung. Die Geschwindigkeit, mit der Boden abtrocknet, hängt vom Sättigungsdefizit der Luft wie dem Wind ab und nicht allein von der Temperatur. Extrem trockene und kalte Polarluft wirkt über dem warmen Golfstrom wie ein Schwamm und kann erhebliche Mengen an Wasserdampf aufnehmen und zu ergiebigen Regenfällen führen.

Ist Wasser zu Wasserdampf und damit zu einem unsichtbaren Gas geworden, dann sind die H2O-Moleküle vollkommen frei beweglich und rasen mit kaum vorstellbarer Geschwindigkeit umher, wobei sie sich ständig anrempeln und abstoßen. Ist der Raum begrenzt, wird Luft in einem Behälter eingefangen, stoßen die Moleküle nicht nur gegenseitig zusammen, sondern sie prallen auch auf die Gefäßwände und üben dadurch auf diese einen Druck aus. Erhöht man die Temperatur des eingeschlossenen Gases, dann erhöht sich die Geschwindigkeit der Moleküle, der Gasdruck wächst. Der Druck kann schließlich so groß und die Bewegungsenergie so heftig werden, dass der Behälter platzt. Unter freiem Himmel ist dies nicht möglich, da die von der Erde ausgeübte Schwerkraft proportional dem Quadrat der Entfernung abnimmt, der Raum größer wird. Mit zunehmender Höhe nehmen der Druck und die Temperatur ab. Ein Luftpaket, das thermisch aufsteigt, kühlt sich um ein Grad pro 100 Meter Höhe ab. Man nennt dies den „trockenadiabatischen Temperaturgradienten“. Die Temperaturabnahme mit der Höhe hat schon Alexander von Humboldt (1769-1859) bei seiner Amerikareise 1799-1804 untersucht und die Höhenstufen der Anden beschrieben von der Tierra Caliente bis zur Tierra Nevada oberhalb 5.000 Metern. Wird beim Aufsteigen der Luft der Taupunkt unterschritten, setzen Sättigung und Kondensation ein, dann wird die bei der Verdunstung benötigte Wärme als Kondensationswärme wieder freigesetzt und die Abkühlung der aufsteigenden Luft auf 0,5 Grad reduziert. Fließt Luft über ein Gebirge, so erklärt sich hieraus auf der Luvseite der Staueffekt und auf der Leeseite der Föhneffekt.

Struktur des Wassermoleküls bei den Phasenübergängen

Bevor der Mensch Temperatur und Wärme messen konnte, hatte er beobachtet, dass sich feste Körper bei Erhitzung ausdehnen und bei Abkühlung wieder zusammenziehen. Je höher die Temperatur wird, desto heftiger bewegen sich die Moleküle und desto mehr Raum beanspruchen sie. Beim Abkühlen nehmen die Eigenschwingungen der Moleküle ab, das Volumen verringert sich. Gehen Körper vom flüssigen in den festen Zustand über, dann nimmt das Volumen im Schnitt um zehn Prozent ab. Dies gilt allerdings nicht für das Wasser. Es ist ein einzigartiger Stoff. Eis, also Wasser im festen Zustand, hat eine geringere Dichte und ein größeres Volumen, und das ist der Grund, warum Eis schwimmt.

Wasser, das abgekühlt wird, verhält sich anfangs wie alle anderen Stoffe auch, es wird dichter. Doch nur bis vier Grad Celsius. Dann beginnt es, sich wieder auszudehnen, bis es bei null Grad Celsius fest wird. Dieses ungewöhnliche Verhalten des H2O-Moleküls liegt an der einzigartigen Atombindung der beiden Wasserstoffatome und des Sauerstoffatoms. Die chemische Formel „H2O“ gilt strenggenommen nur für den Gaszustand, wo sich die einzelnen Moleküle frei im Raum bewegen, zwar gelegentlich zusammenstoßen, aber sonst nichts miteinander zu tun haben. Kühlt der Wasserdampf ab, dann nimmt nicht nur die Heftigkeit der Zusammenstöße ab, die Moleküle beginnen aneinander zu haften und ein lockeres „Flüssigkeitsgitter“ zu bilden. Der Grund liegt in der speziellen atomaren Bindung. Das O-Atom teilt sich mit jedem H-Atom ein Elektronenpaar und bildet eine stabile Achterschale. Geometrisch hat es die Form einer Pyramide, eines verzerrten Tetraeders, in dessen Zentrum das O-Atom sitzt. Die beiden H-Atome befinden sich an zwei der vier Ecken des Tetraeders. An den beiden anderen Ecken sammeln sich die Elektronen und bilden Wolken negativer Ladung. Dadurch wird das Wassermolekül polar, mit einem positiven und einem negativen Ladungspol. Diese Polarität führt zwischen einander berührenden Wassermolekülen zu Wasserstoffbrückenbindungen. So entstehen Riesenmoleküle, wobei im flüssigen Zustand ein andauernder Wechsel der Bindungspartner stattfindet.

Dies ändert sich schlagartig bei Unterschreiten der vier Grad Celsius. Das Knüpfen und Lösen von Wasserstoffbrücken hat ein Ende. Die Moleküle suchen sich einen festen Platz im sich verfestigenden Gitter, treten aber auch plötzlich in Distanz zueinander. Die Dichte des sich abkühlenden Wassers nimmt nicht weiter zu, sondern ab. Bei der Eisbildung werden regelrechte Hohlräume zwischen den Tetraeder-Molekülen gebildet. Diese machen etwa zehn Prozent des Gesamtvolumens aus, weshalb Eis um etwa zehn Prozent leichter ist als flüssiges Wasser und somit schwimmt. Die Tatsache, dass Eis leichter ist als flüssiges Wasser, bewirkt, dass Seen und Flüsse von der Oberfläche her und nicht vom Untergrund her zufrieren. Die oben schwimmende Eisdecke schützt das Leben in tieferen Gewässerschichten vor der Kälte des Winters, garantiert Fischen das Überleben im vier Grad „warmen“ Wasser. Die Fähigkeit, sehr viel Wärme zu speichern, ermöglicht die Entstehung großer warmer Meeresströmungen, etwa des Golfstroms als Art Warmwasserheizung für die Nordwestküsten Europas.

Die einzigartige molekulare Struktur des Wassers macht Wasser zu einem ungemein lösungsfreudigen Stoff. Die polare Ladungsverteilung bewirkt, dass sich Salze im Wasser in ihre Ionen auflösen, also Kochsalz in seine Ionen Na+ und Cl-. Wasser löst aber nicht nur Salz- und Zuckerkristalle auf, sondern auch Gase wie Sauerstoff (O2), Stickstoff (N2), Ammoniak (NH3) oder Kohlenstoffdioxid (CO2). Die Lösungsfreudigkeit des Wassers macht es erst möglich, dass Pflanzen in der Lage sind, die für ihr Wachstum lebenswichtigen Mineralien über die Wurzeln aufzunehmen. Fische können im Wasser nur leben, weil es sehr viel gelösten Sauerstoff enthält, den sie mit ihren Kiemen einatmen. Das CO2, das die Fische ausatmen, wird ebenfalls im Wasser gelöst und wird von den Wasserpflanzen genutzt, die ihrerseits H2O aufspalten und Sauerstoff abgeben, wie die grünen Landpflanzen auch.

Wie „Klimaexperten“ die Natur uminterpretieren und auf den Kopf stellen

Alle Energie für alles organische Leben auf der Erde stammt als elektromagnetische Energie von der Sonne. Wie angenehm ist die wärmende Wirkung der Sonnenstrahlen bei Frost auf der Haut! Und wie erbarmungslos können sie die Haut erhitzen, bis zum Hitzschlag. Ist es dem Wüstensand „gleichgültig“, ob er am Tage auf über plus 70 Grad Celsius erhitzt wird und sich nachts auf unter null Grad Celsius abkühlt, so gilt dies nicht für „Warmblüter“ wie den Menschen. Er benötigt eine „konstante“ Körpertemperatur von plus 37 Grad Celsius und muss sich daher gleichermaßen vor Überhitzung wie Unterkühlung schützen. Die unbekleidete menschliche Körperoberfläche strahlt, wie jeder tote physikalische Körper, Wärme ab. Je höher die Temperatur, desto mehr. Die Wärmestrahlung steigt oder fällt mit der vierten Potenz der absoluten Temperatur, die in Kelvin angegeben wird. Bei wolkenlosem Himmel bei windschwachem Hochdruckwetter folgt die Bodentemperatur und auch die bodennahe Lufttemperatur dem Sonnengang, sommers wie winters. Es ist ein stetiges Wechselspiel zwischen der solaren Einstrahlung wie der terrestrischen Ausstrahlung, unter Abzug der Verdunstungsverluste.

Doch wie stark die Erdoberfläche erwärmt wird, hängt nicht nur vom Einfallswinkel der Sonnenstrahlen und der Wärmeaufnahmefähigkeit des Untergrunds ab. Die Feuchtigkeit des Bodens spielt eine ganz gewaltige Rolle. Wasserflächen werden nicht nur deswegen langsamer erwärmt als Fels- oder Sandboden, weil das Wasser die höchste spezifische Wärme hat, sondern weil dem Wasser und feuchten Boden durch Verdunstung immer wieder Wärme entzogen wird. In der Fachliteratur ist zu lesen, dass etwa 25 bis 30 Prozent der eingestrahlten Sonnenenergie allein ob der Verdunstung und der Aufrechterhaltung des Wasserkreislaufs „verbraucht“ werden. Diese Energie geht für die Erwärmung des Erdbodens „verloren“, sie ist aber dennoch nicht verloren, sondern steigt als „latente Wärme“ auf und wird bei der Kondensation mit der Bildung von Wolken wieder freigesetzt. Erst über die dann freigesetzte Kondensationswärme entwickeln Gewitter bei labil geschichteter Atmosphäre ihre volle Kraft und stoßen bis zur Tropopause vor, wo sie sich in Form eines Ambosses ausbreiten.

Wenn die beiden Klimaexperten des Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung S. Rahmstorf und H. J. Schellnhuber in der siebten Auflage ihres Buches „Der Klimawandel“ (2012) schreiben: „Unser Klima ist im globalen Mittel das Ergebnis einer einfachen Energiebilanz: Die von der Erde ins All abgestrahlte Wärmestrahlung muss die absorbierte Sonnenstrahlung im Mittel ausgleichen“, dann ist das schlichtweg einfach falsch! Die Erde muss gar nichts ausgleichen! Die Erde strahlt nur das an Energie ab, was sie vorher von der Sonne erhalten, sprich absorbiert, hat. Es ist einzig und allein die Sonne mit ihrer Strahlungsenergie, welche die Temperaturen auf der rotierenden Erdkugel bestimmt. Diese differieren je nach Tages- und Jahreszeit, je nach geographischer Breite oder Länge. Es gibt keine „Einheits- oder Globaltemperatur“, es gibt auch kein „Globalklima“, sondern eine Klimavielfalt, die anhand der irdischen Wettervielfalt berechnet wird.

Alle angestellten theoretischen Betrachtungen sind auch deswegen, und das sollte hier gezeigt werden, reine Fiktion, weil schlichtweg bei den Bilanzberechnungen rund ein Drittel der Solarenergie unterschlagen, unter den Tisch gekehrt wurde. Dieses Drittel dient nicht der Erderwärmung, sondern wird sinnvollerweise von der Natur in den Wasserkreislauf investiert. Was wäre das Leben ohne Wasser, was ein Himmel ohne Wind und Wolken, ohne Regen? Wer „Energiebilanzen“ betrachtet, sollte es sich nicht zu „einfach“ machen, wenn er sich nicht dem Vorwurf der gezielten Bilanzfälschung ausgesetzt sehen will. Bilanzfälschung ist kein Kavaliersdelikt, zumal der „Schutz des Globalklimas“ ohnehin ein leeres Versprechen ist!


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