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Das globale Ökosystem

Die Quelle des Lebens
Die Hydrosphäre

Die Erde ist vom Weltall aus betrachtet ein blauer Planet – dies ist die Farbe des Wassers, das fast drei Viertel seiner Oberfläche bedeckt. Erst das Vorhandensein von Wasser ermöglicht Leben. Aus diesem Grund suchen Raumsonden auf anderen Planeten nach Wasser – ohne Wasser werden dort mit Sicherheit keine Lebewesen gefunden. Auf der Erde ist Wasser reichlich vorhanden, 1,4 Milliarden Kubikkilometer insgesamt. Allerdings ist das Wasser über die Erde und über das Jahr ungleichmäßig verteilt, so dass es an vielen Orten aus Sicht des Menschen entweder zu viel oder zu wenig Wasser gibt.

Foto, das flüssiges Wasser, Eis und Wolken zeigt

Wasser kommt auf der Erde flüssig, als Eis oder (hier als Wolke) als Gas vor.
Das Foto zeigt einen Eisberg im Largo Argentino, aus wikipedia, Beitrag “Wasser”,
abgerufen am 17.06.2006. Foto: Ilya Haykinson, Lizenz: Creative Commons
Attribution 2.0

Die gesamte Wassermenge der Erde wird auf 1,4 Milliarden Kubikkilometer geschätzt (1; ohne die unbekannte Menge, die tief im Erdinneren in Gesteinen eingeschlossen ist, mehr dazu >> hier). Davon sind gut 97 Prozent Salzwasser; nur 2,75 Prozent (38,5 Millionen Kubikkilometer) sind Süßwasser. Obwohl unsere ganz frühen Vorfahren wie alles Leben auf dem Land aus den Ozeanen gekommen sind (siehe >> hier) - der salzige Geschmack unseres Blutes erinnert daran, dass auch dieser Apfel nicht weit vom Baum gefallen ist -, können wir heute vom Salzwasser nicht leben: wir brauchen Süßwasser. Von diesem steckt das meiste im antarktischen Eis - insgesamt sind rund drei Viertel des Süßwassers (29 Millionen Kubikkilometer) in Gletschern und Eisdecken gebunden. Und 98,5 Prozent des flüssigen Süßwassers (9,5 Millionen Kubikkilometer) sind als Grundwasser in den Hohlräumen der Lithosphäre eingelagert - nur ein kleiner Teil davon, und der kleine Rest von 144.000 Kubikkilometern, 0,0001 Prozent des gesamten Wassers auf der Erde, finden sich leicht zugänglich in Flüssen und Seen, im Boden, in Lebewesen und in der Atmosphäre. Dieses Wasser verdanken wir dem Wasserkreislauf der Erde.

Nur 0,0001 Prozent des Wasser auf der Erde sind
leicht zugängliches Süßwasser

Der Wasserkreislauf der Erde

Alle Wasserreservoire hängen zusammen, sie bilden den Wasserkreislauf der Erde. Dieser lässt Süßwasser aus den riesigen Salzwasservorräten der Ozeane entstehen und sorgt so dafür, dass die Süßwasservorräte ständig erneuert werden. Angetrieben wird der Wasserkreislauf von der Sonne: Sonnenstrahlung lässt Wasser aus den Ozeanen, Seen und Flüssen, dem Boden und den Lebewesen verdunsten. So gelangt es in die >> Atmosphäre. Durch die Winde wird der Wasserdampf über die Erde verteilt, bis er irgendwo abkühlt, dadurch wieder flüssig wird und schließlich als Niederschlag (Regen, Schnee oder Hagel) wieder in Ozeane, Seen, Flüsse und in den Boden gelangt, und von hier in die Lebewesen. Ein Teil des Wasser versickert und führt zur Neubildung von Grundwasser (siehe Abbildung):

Zeichnung des Wasserkreislaufs der Erde

Schema des globalen Wasserkreislaufs. Eigene Abbildung,  verändert nach Raven et al.,
Environment (1993), S. 82.

Dieser Wasserkreislauf bewegt gewaltige Mengen Wasser: Alljährlich verdunsten etwa 505.000 Kubikkilometer Wasser, davon 434.000 über den Ozeanen und 71.000 über dem Festland. Von diesem Wasser fallen 398.000 Kubikkilometer Niederschlag auf die Ozeane, und 107.000 auf das Festland - es findet in der Summe also jährlich ein Transport von etwa 36.000 Kubikkilometer (Süß-)Wasser von den Ozeanen auf das Festland statt. Dieses Wasser fließt letztendlich über die Flüsse oder als Grundwasserabfluss wieder in das Meer zurück. Dabei kann das stetig fließende Wasser hartes Gestein abtragen, Sand und Geröll von den Bergen ins Flachland und an die Küste transportieren; bei Sturm oder bei Überschwemmungen kann es auch Naturkatastrophen auslösen. Wasser formt damit die Landschaft der Erde. Eine wichtige Rolle im Wasserkreislauf spielen auch die Lebewesen, vor allem die Wälder: Wälder spielen die Rolle eines Schwammes, der das Wasser nach Regenfällen zurückhält und anschließend nach und nach wieder abgeben. Baumwurzeln halten den Boden fest, der Wasser speichert; Baumkronen geben Moosen und anderen Pflanzen Schatten, die Wasser speichern, und die Bäume verdunsten Wasser, der dann wieder als Niederschlag fällt - große Wälder machen einen Teil ihrer Niederschläge selbst und beeinflussen weiträumig den Wasserhaushalt.

Der von der Sonne angetriebene Wasserkreislauf
erneuert unablässig die Süßwasservorräte

Diese oben genannten Zahlen des Wasserkreislaufs bedeuten auch, dass die Zeit, die das Wasser in den verschiedenen Reservoiren verbringt, sehr unterschiedlich ist: Aus den Meeren mit 1,37 Milliarden Kubikkilometern verdunsten jährlich 434.000 Kubikkilometer, das Wasser wird also nur alle 3.200 Jahre komplett ausgetauscht. In der Atmosphäre finden sich dagegen nur 13.000 Kubikkilometer Wasser - 505.000 Kubikkilometer Niederschlag bedeuten, dass dieses Wasser etwa alle 9 Tage komplett erneuert wird.

Die Entstehung des Wasserkreislaufs

Flüssiges Wasser gab es erst, nachdem die in ihrer frühen Entwicklung heiße Erde soweit abgekühlt war, dass Wasser flüssig wurde und sich aus den Regenfällen ein erster Urozean bildete (siehe >> hier). Das Wasser wusch Mineralien aus den Gesteinen aus, und gemeinsam mit den Mineralsalzen aus Vulkanausbrüchen und Staub aus den Wüsten reicherten sich diese im Laufe der Zeit immer weiter an (Mineralsalze bleiben ja bei der Verdunstung im Meereswasser) - so entstand über die Jahrmilliarden allmählich der Salzgehalt der Meere, der heute zwischen 3,3 und 3,7 Prozent beträgt. (Das Ergebnis dieses Prozesses beeinflusst übrigens auch unser Klima: Der Salzgehalt bestimmt auch die Dichte des Meerwassers; und die Dichte und die Temperatur sind Antriebskräfte für Meeresströmungen wie das >> “globale Förderband” - siehe >> Klima der Erde.)

Möglicherweise hat das Leben selber dazu beigetragen, dass es heute noch Wasser auf der Erde gibt: Die Reaktion von Oxiden aus Basaltgestein mit Kohlendioxid aus der Luft und Wasser führte zu Bildung verschiedener Karbonate, dabei wurde Wasserstoff in die Atmosphäre freigesetzt. Wasserstoff ist aber so leicht, dass er von der Anziehungskraft der Erde nicht festgehalten werden kann - er entweicht in den Weltraum. Mit der Erfindung der Fotosynthese wurde Wasserstoff aber in das Molekül Glucose eingebunden (mehr dazu siehe >> hier); außerdem nutzten Bakterien den Wasserstoff als Energieträger. Ohne diese “Nebenwirkungen” des Lebens gäbe es womöglich keinen Wasserstoff mehr auf der Erde.

Wasser - ein ganz besonderes Molekül

Schemazeichnung des Wassermoleküls
Das Wassermolekül:
weiß = Wasserstoff,
rot = Sauerstoff.
Das Molekül besitzt eine negativ und eine positiv geladene Seite.

Zeichnung der Wasserstoffbrückenbindung
Wasserstoffbrückenbindungen (gestrichelte Linien) ermöglichen die Entstehung eines “Netzes”, das die besonderen Eigenschaften des Wassers erklärt.

Die chemische Formel von Wasser - H2O - ist wahrscheinlich die bekannteste der Welt; und dennoch überrascht Wasser die Chemiker bis heute. In vielen Punkten ist Wasser nämlich nicht “normal” - und das ist gut so. So hat Wasser für ein Molekül seiner Größe eigentlich einen viel zu hohen Schmelzpunkt (0 °C), und verdampft erst bei 100 °C; nur darum gibt es Flüsse und Seen auf der Erde. “Normalerweise” werden Stoffe immer dichter, je kälter sie werden - Wasser nicht. Daher schwimmt Eis auf dem Wasser (und können Lebewesen unter der Eisdecke überleben). Auch die Wärmespeicherkapazität von Wasser ist viel größer, als es einem Molekül seiner Größe zukommt - nur daher können Meeresströmungen das Klima in Europa so angenehm machen.

Der Grund für dieses Verhalten liegt in der Struktur des Das Wassermolekül: weiß = Wasserstoff, rot = Sauerstoff. Das Molekül besitzt eine negativ und eine positiv geladene Seite. Wassermoleküls: Das Molekül ist aufgebaut wie ein V (siehe obere Abbildung rechts): Auf einer Seite sitzt das Sauerstoff- Atom, auf der anderen die beiden Wasserstoff-Atome. Diese sind positiv geladen, das Sauerstoff-Atom jedoch negativ. Und so können sich die Wasserstoff-Atome eines Wasser-Moleküls (über eine sogenannte Wasserstoffbrücken-Bindung) an die Sauerstoff-Atome eines anderen Wasser-Moleküls anlagern; und daher bilden sie Verbände, die größer sind und andere Eigenschaften haben als das eigentliche Wasser-Molekül (untere Abbildung).

Diese Eigenschaften machen Wasser auch zu einem zentralen Element des Lebens: Einerseits kann es durch seine polare Struktur viele Stoffe lösen und ist dadurch das universale Lösemittel des Lebens, andererseits kann es durch seine stabile Struktur auch andere Stoffe stabilisieren, etwa Eiweiße oder die Erbsubstanz DNA. Wie wichtig Wasser ist, mag eine Zahl verdeutlichen: Der Körper des Menschen besteht zu etwa 60 Prozent aus Wasser, das Gehirn gar zu 70 bis 75 Prozent.

Die Hydrosphäre im >> Konzert der Sphären

Wasser und Klima

Auch energetisch ist Wasser ein besonderes Molekül: Um Wasser zu erwärmen, ist sehr viel Energie notwendig. Daher speichert Wasser in Seen und Ozeanen viel Wärme, und wirkt ausgleichend auf das Klima - in Meeresnähe oder nahe großer Seen ist das Klima ausgeglichener als fernab vom Wasser. Und Meeresströmungen, zum Beispiel das >> Globale Förderband, transportieren riesige Wärmemengen aus tropischen Regionen in nördliche Breiten und machen hier das >> Klima angenehmer. Auch verdunstetes Wasser in der >> Atmosphäre trägt wesentlich zum Wärmetransport durch die Winde bei; bei der Verdunstung wird nämlich noch mehr Wärmeenergie im Wasserdampf gespeichert (die sogenannte “latente (da nicht fühlbare) Wärme”; diese wird freigesetzt, wenn der Wasserdampf wieder flüssig wird, also beim Abregnen wird. Außerdem ist Wasserdampf ein Treibhausgas; sein Anteil am natürlichen Treibhauseffekt (mehr dazu >> hier) beträgt etwa 60 Prozent. Auch Wolken beeinflussen das Klima, indem sie einerseits Sonnenlicht reflektieren, zum anderen aber auch Wärmestrahlung zurückhalten. Ob Wolken letztendlich zur Erwärmung oder aber zur Abkühlung führen, hängt von ihrer Höhe und von ihrer Form ab - tiefe, wasserreiche Wolken kühlen, hohe Eiswolken wärmen. Die in den Wolken transportierte Feuchtigkeit bestimmt natürlich auch und vor allem die Niederschlagsmenge, einen weiteren wichtigen Klimafaktor.

Wasser und Gestein

Wasser ist eines der wichtigsten Kräfte für die Erosion - Niederschläge tragen Gebirge ab und lassen ganze Inseln wieder vergehen; Gezeiten und brechende Wellen formen die Küstenlinie. Damit formt der Wasserkreislauf das Gesicht der Erde. Dabei kann er sogar geologische Vorgänge tief unter der Erde beeinflussen, wie am Beispiel des Himalaya gezeigt wurde (mehr dazu >> hier).

Wasser und Leben

Wasser ist die “Matrix des Lebens”: Alle physiologischen Prozesse laufen in wässriger Umgebung ab. Erst beim Kontakt mit Wasser falten sich die Eiweiße so, wie es für ihre Funktion notwendig ist; biochemischen Reaktionen benutzen Wasser als ein “Schmiermittel” und für den Transport von Protonen (positiv geladene Wasserstoffatome). Auch die DNS, der Träger der Erbinformation, nimmt ihre berühmte Form der Doppelhelix nur ein, wenn Wasser vorhanden ist. Wasser bringt die Nährstoffe aus der Nahrung in die Zellen und entfernt Reststoffe. Die Folge: Ohne Wasser sterben die meisten Lebewesen viel schneller als ohne Nahrung (und die wenigen Ausnahmen fallen in einen inaktiven Zustand); nur die Luft ist noch wichtiger. Da das Wasser in den Lebewesen beständig erneuert wird, verbindet Wasser - ähnlich wie die Luft, siehe >> hier - alle Lebewesen mit ihrer Umwelt und untereinander.

Daneben bildet Wasser für viele Lebewesen einen Lebensraum: Dies gilt zuallererst für die Ozeane, die über sieben Zehntel der Erdoberfläche einnehmen (>> Lebensräume des Ozeans), und indirekt auch für den Menschen: Die Mehrheit der Erdbevölkerung lebt am Rande der Kontinente, höchstens 100 km von den Ozeanen entfernt. Diese Tatsache zeigt die Bedeutung der Ozeane für die Menschen (und führt auch zu einer Belastung der Ozeane durch menschliche Aktivitäten). Dies gilt für die verschiedenen Süßwasserlebensräume, wie Flüsse und Seen, aber auch das Wasser im Boden, das für die Lebenswelt dort unverzichtbar ist. Im Bodenwasser sind Nährstoffe gelöst, es dient den Pflanzen zur Deckung ihres Wasser- und Nährstoffbedarfs und versorgt die Mikroorganismen, die organischen Kohlenstoff, aber auch Verunreinigungen abbauen können. Wesentlich vom Wasser werden auch die Feuchtgebiete beeinflusst, zu denen die Niederungsgebiete der großen Flüsse, Sümpfe, Moore und Feuchtwälder gehören. Diese Gebiete sind in der Regel sehr produktiv und regulieren den Wasserfluss, womit sie Hochwasser verhindern oder mildern und die Grundwasserbildung fördern.

Über die Niederschläge beeinflusst das Wasser im Zusammenspiel mit der Temperatur ganz wesentlich auch die Vegetation auf dem Festland (>> Lebensräume - Das Festland). Die Verfügbarkeit oder der Mangel an Wasser haben zudem im Laufe der Evolution zu einzigartigen Anpassungen der Lebewesen geführt, die gelernt haben, mit Wassermangel, Überflutungen und Gezeiten zurecht zu kommen. Außerdem beeinflusst die Vegetation wiederum die Verdunstung; manche Ökosysteme wie die tropischen Regenwälder schaffen sich einen großen Teil ihrer Niederschläge selbst.

Die Hydrosphäre in uns

Blutkreislauf des Menschen
Der Blutkreislauf des Menschen, das zentrale Verteilungssystem für Flüssigkeiten und die in ihnen gelösten Stoffe. Abbildung verändert aus Wikipedia Commons (abgerufen 21.07.2007), Lizenz: Creative Commons attribuition 2.5

Das Innere aller lebenden Zellen (früher “Protoplasma” genannt) besteht weitgehend aus Wasser; hier finden sich etwa 60 Prozent des Wassers eines menschlichen Körpers. Die anderen 40 Prozent zirkulieren außerhalb der Zellen, so bestehen etwa 90 - 95 Prozent des flüssigen Anteils unseres Blutes aus Wasser. Insgesamt besteht der Mensch zu etwa 60 Prozent aus Wasser (Babys zu 75 Prozent, alte Menschen zu 50 Prozent).

Wasser hilft beim Transport von Nährstoffen im Blut, beim Abtransport unerwünschter Stoffe (die in den Nieren ausgefiltert und mit dem Urin ausgeschieden werden), wirkt bei zahlreichen Reaktionen des Stoffwechsels mit und hilft über das Schwitzen bei der Regelung unserer Körpertemperatur.

Wasser nehmen wir durch Trinken (gut die Hälfte des Tagesbedarfs) und mit der Nahrung (ein weiteres gutes Drittel) auf, der Rest wird beim Stoffwechsel freigesetzt. Zu wenig Wasser löst ein Durstgefühl aus; zu viel Wasser führt dazu, dass die Nieren mehr Wasser abscheiden. So bleibt der Wasserhaushalt im Gleichgewicht, solange genug Wasser zur Verfügung steht. Ohne Wasser aber kann der Mensch nur ein paar Tage lang überleben ...

Das Wasser und die Menschheit

Die Bedeutung des Wassers hat dazu geführt, dass das Wasser in vielen Religionen als Quelle der Existenz beschrieben wird (das rituelle Bad der Hindus im Ganges, die rituelle Waschung der Moslems vor dem Betreten einer Moschee und die christliche Taufe erinnern daran); und dass der Mensch während seiner gesamten Geschichte die Nähe zum Wasser gesucht hat. Die ersten Siedlungen der Menschheit wurden dort angelegt, wo es genug Wasser gab (>> hier), viele große Städte sind an Flüssen oder dem Meer entstanden. Im Laufe der Zeit hat sich die Situation oft grundlegend geändert: War Mesopotamien vor 5.000 Jahren noch eine grüne Landwirtschaftsregion (>> hier), liegen hier heute die Wüsten des Irak; lag Tenochtitlàn, die Hauptstadt der Azteken (>> hier), noch auf einer Insel, ist Mexiko-City heute eine Stadt mit konstanten Wasserproblemen. Wasser ist in vielen Regionen der Welt knapp - 40 Prozent aller Haushalte in Afrika südlich der Sahara liegen über eine halbe Stunde von der nächsten Quelle entfernt.

Viele dieser Probleme hat der Mensch selbst verursacht. Entwaldung zerstört die Speicherfähigkeit der Ökosysteme; Niederschläge fallen heute oft nicht mehr auf den Boden, in Seen oder Flüsse, sondern auf vom Menschen versiegelte Fläche: auf Straßen, Parkplätze oder Gebäude. Dieser Niederschlag füllt dort kein Grundwasser mehr auf, sondern wird über die Kanalisation in die Flüsse geleitet und gelangt mit diesen ins Meer. (In Deutschland sind schätzungsweise sechs Prozent der Landfläche versiegelt, täglich kommen etwa 120 Hektar dazu - ein bedeutender Anteil des Wassers wird dadurch dem natürlichen Wasserkreislauf entzogen. Mehr zum Thema: >> hier). Die Wirkung der Bodenversiegelung wird noch dadurch verstärkt, dass viele Flüsse seit Beginn der Industrialisierung begradigt und eingedeicht wurden (>> mehr), wodurch ebenfalls der Abfluss beschleunigt und die Neubildung von Grundwasser verringert wurde. Erst in jüngster Zeit wird die Bedeutung der natürlichen Wasserspeicherung für die Ökosysteme und die Wasserversorgung der Menschen langsam erkannt, in einigen Regionen der Erde beginnt man bereits, Feuchtgebiete und Flusssysteme wieder in einen naturnahen Zustand zu versetzen.

Wassermangel kann man aber auch dadurch zu beheben versuchen, dass man Wasser aus weit entfernten, wasserreicheren Regionen, in die Städte führt. Aquädukte gehören fast so lange zur Geschichte der Menschheit wie der Bau von Städten (>> mehr); der Bau von Stauseen ebenso, erreichte aber im Industriezeitalter neue Dimensionen. Dabei entsteht Wassermangel heute nicht nur dadurch, dass zu wenig Wasser vorhanden ist, sondern auch dadurch, dass das verfügbare Wasser verschmutzt wird (>> mehr).

Mehr zum Thema Wasser:
>> Die Nutzung des Wassers durch den Menschen
>> Eine kleine Geschichte der Wasserverschmutzung
>> Lebensräume des Ozeans

Das globale Ökosystem - weiter mit:
>> Das Klima der Erde - die Hydrosphäre (Wasser)

Zur >> Übersicht

Anmerkung: Die Zahlen zum globalen Wasserkreislauf sind immer Schätzungen und schwanken daher je nach Quelle etwas. Die hier verwendeten Zahlen stammen aus PhysicalGeography.net >> Introduction to the Hydrosphere (eingesehen 26.2.2007).

© Jürgen Paeger 2006 - 2014

Wasser gibt es nicht nur auf der Erde, wie die Kometen und der Nachweis von Eis auf dem Mond im Jahr 2009 zeigen. In unserem Sonnensystem gibt es aber auch flüssiges Wasser, etwa auf den Jupitermonden Europa, Callisto und Ganymede und den Saturnmonden Titan und Enceladus, und zwar ein Vielfaches der Wassermenge auf der Erde. Das Wasser dort ist teilweise flüssig, weil es entweder durch heftige Gezeiten am Gefrieren gehindert wird (Europa, Ganymede), oder aber sein Gefrierpunkt durch gelöste Stoffe herabgesetzt (Titan) wird.

Salzwasser kann durch Entsalzungsanlagen in Süßwasser umgewandelt werden. Die gängigen Techniken kosten jedoch viel Energie - das macht die Entsalzung teuer - und als Abfall fällt eine Salzsole an, deren Entsorgung insbesondere an Standorten im Inland ein Problem darstellt. Der Energiebedarf kann zukünftig durch solare Anlagen umweltverträglicher gedeckt werden.