Dieser Artikel befasst sich mit allgemeinen Fragen zum Wasser; für die physikalischen und chemischen Daten und Details hierzu sieheEigenschaften des Wassers. Weitere Bedeutungen sind unterWasser (Begriffsklärung) aufgeführt.
Die BezeichnungWasser wird dabei für den flüssigenAggregatzustand verwendet. Im festen Zustand spricht man vonEis, im gasförmigen Zustand vonWasserdampf. In der Natur kommt Wasser selten rein vor, sondern enthält meist gelöste Anteile von Salzen, Gasen und organischen Verbindungen.
Wasser ist die Grundlage allenLebens auf derErde. Als die wichtigste Flüssigkeit wird es auch als dasBlaue Gold bezeichnet. Die international anerkannteHydrologinMalin Falkenmark bezeichnete den Wasserkreislauf als den „Blutkreislauf der Biosphäre“.
Das deutsche WortWasser (mittelhochdeutschwazzer,althochdeutschwazzar) ist urverwandt mitindogermanisch*wódr̥ und*wédōr, das bereits inhethitischen Texten des 2. Jahrtausends v. Chr. (etwa alswatar) belegt ist. Das Wort gehört zur indogermanischen Wurzel *wēd oder *wŏd, vgl. englischwet, „feucht“.[9]
Verwandte Wörter finden sich in den meisten indogermanischen Sprachen, z. B.
Wasserstoffoxid: Es existieren allerdings noch weitereOxide des Wasserstoffs (sieheWasserstoffoxide).
Diwasserstoffmonoxid,Wasserstoffhydroxid,Dihydrogeniumoxid,Hydrogeniumoxid,Hydrogeniumhydroxid,Oxidan (IUPAC) oderDihydrogenmonoxid (DHMO). Dihydrogenmonooxid dient meist als wissenschaftlicher Scherz und wird nicht in einem professionellen Kontext verwendet.[10]
Nach der substitutivenIUPAC-Nomenklatur sollte Wasser eigentlichOxan genannt werden, daOxan aber bereits durch die Nomenklatur desHantzsch-Widman-Systems belegt ist, wurdeOxidan gewählt.
Oberflächenspannung von WasserGeometrie des WassermolekülsVerkettung der Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen zu einemWasserclusterEntstehung eines Tropfens
Wasser besteht ausMolekülen, gebildet aus je zweiWasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom.Sauerstoff hat auf derPauling-Skala mit 3,5 eine höhereElektronegativität als Wasserstoff mit 2,1. Das Wassermolekül weist dadurch ausgeprägtePartialladungen auf, mit einer negativenPolarität auf der Seite des Sauerstoffs und einer positiven auf der Seite der beiden Wasserstoffatome. Es resultiert einDipol, dessenDipolmoment in der Gasphase 1,84Debye beträgt.
Tritt Wasser alsLigand in einer Komplex-Bindung auf, so ist Wasser eineinzähniger Ligand.
Geometrisch ist das Wassermolekül gewinkelt, wobei die beiden Wasserstoffatome und die beiden Elektronenpaare in die Ecken eines gedachtenTetraeders gerichtet sind. Der Winkel, den die beiden O-H-Bindungen einschließen, beträgt 104,45°. Er weicht aufgrund des erhöhten Platzbedarfs der freien Elektronenpaare vom idealen Tetraederwinkel (~ 109,47°) ab. Die Bindungslänge der O-H-Bindungen beträgt jeweils 95,84 pm.
Wassermoleküle kommen wegen desKernspins der Wasserstoffatome in zwei Isomeren (para- und ortho-Wasser) mit fast identischen physikalischen Eigenschaften vor. Es ist möglich, die beiden Formen zu trennen und die unterschiedlichen chemischen Reaktivitäten zu untersuchen.[11][12]
WeilWassermoleküleDipole sind, besitzen sie ausgeprägte zwischenmolekulare Anziehungskräfte und können sich durchWasserstoffbrückenbindung zuClustern zusammenlagern. Dabei handelt es sich nicht um beständige, feste Verkettungen. Der Verbund über Wasserstoffbrückenbindungen besteht nur für Bruchteile von Sekunden, wonach sich die einzelnen Moleküle wieder aus dem Verbund lösen und sich in einem ebenso kurzen Zeitraum erneut – mit anderen Wassermolekülen – verketten. Dieser Vorgang wiederholt sich ständig und führt letztendlich zur Ausbildung von variablen Clustern. Diese Vorgänge bewirken die besonderen Eigenschaften des Wassers:
Wasser hat
eineDichte von rund 1000 kg/m³ (ursprünglich die Definition des Kilogramms), genauer: 999,975 kg/m³ bei 3,98 °C. AlsDichteanomalie bezeichnet man die auf der Wasserstoffbrückenbindung beruhende Eigenschaft, dass Wasser bei dieser Temperatur die höchste Dichte hat und beim Abkühlen unter diese Temperatur kontinuierlich und beim Gefrieren sogar sprunghaft an Volumen zunimmt, also an Dichte verliert, so dass Eis auf Wasser schwimmt,
eine Viskosität von 1,0019 mPa·s (0,010019 Poise) bei 20 °C[13],
eine der höchstenspezifischen Wärmekapazitäten von Flüssigkeiten bei Raumtemperatur (75,366 J·mol−1·K−1 entsprechend 4,18 kJ·kg−1·K−1 bei 20 °C[14]),
eine der größtenOberflächenspannungen aller Flüssigkeiten (Quecksilber hat allerdings eine noch größere); bei Wasser beträgt sie in feuchter Luft 72 mN/m bei +20 °C, so dass die Tröpfchenbildung erleichtert wird,
eine der größten spezifischenVerdampfungsenthalpien aller Flüssigkeiten (44,2 kJ/mol entsprechend 2453 kJ/kg bei 20 °C; daher rührt der kühlende Effekt bei derTranspiration) sowie eine hoheSchmelzenthalpie (6,01 kJ/mol entsprechend 333 kJ/kg; so dass Salzwasser eine nur geringeGefrierpunktserniedrigung im Vergleich zu reinem Wasser zeigt),
Je nach Isotopenzusammensetzung des Wassermoleküls unterscheidet man normales „leichtes Wasser“ (zwei AtomeWasserstoff: H2O), „Halbschweres Wasser“ (ein Atom Wasserstoff und ein AtomDeuterium: HDO), „schweres Wasser“ (zwei Atome Deuterium: D2O) und „überschweres Wasser“ (zwei AtomeTritium: T2O), wobei mit HTO und DTO noch weitere Moleküle mit gemischten Isotopen vorkommen.
In der Analytik wird Wasser in Kleinmengen (Feuchte bzw.Trockenheit) überwiegend quantifiziert mittelsKarl-Fischer-Titration (nachKarl Fischer). Abhandlungen inArzneibüchern zum quantitativen Nachweis von Wasser beruhen überwiegend auf der Karl-Fischer-Titration.
Entstehung der Bläschen im siedenden Wasser
Wärmeeinwirkung verursacht eine schnellere Bewegung der Wassermoleküle. Werden an der Stelle der Wärmeeinwirkung 100 °C erreicht, geht es dort (je nach Keim mit mehr oder wenigerSiedeverzug) vom flüssigen in dengasförmigenAggregatzustand (Dampf) über, dessenVolumen um etwa das 1600-fache höher ist (sieheWasserdampf) und der infolge seiner im Verhältnis zum umgebenden Wasser geringerenDichte als mehr oder weniger große Blasen aufsteigt: Das Wasser beginnt zusieden, wobei die Dampfblasen von Schichten noch nicht so heißen Wassers abgekühlt werden und wieder zu flüssigem Wasser kondensieren. Erreicht schließlich die gesamte Wassermenge die Temperatur von 100 °C, so gelangen die nun großen Dampfblasen bis an die Oberfläche: Das Wasser kocht.
Druck und Temperatur sind die bestimmenden Faktoren für die Löslichkeit von Gasen im Wasser. Gasbläschen, die bereits bei geringfügiger Erwärmung sichtbar werden, bestehen nicht aus Wasserdampf, sondern aus gelösten Gasen. Ursache ist die geringere Wasserlöslichkeit von Gasen bei Erwärmung. Wasser, das sich eine Zeit lang in einer unter Druck stehenden Leitung oder Flasche befunden hat, hat oft einen Überschuss an Gasen gelöst. Daher reicht schon das Wegnehmen des äußeren Drucks, dass sich – bevorzugt an Keimen an der Wandung – Gasblasen ausscheiden und bis zu einer Größe von 1–2 mm auch haften bleiben.
DieGeschichte der menschlichen Nutzung des Wassers und somit jene derHydrologie, derWasserwirtschaft und besonders desWasserbaus, ist durch eine vergleichsweise geringe Zahl von Grundmotiven geprägt. Von den ersten sesshaft werdenden Menschen zu den Hochkulturen der Antike über das Mittelalter bis zur Neuzeit stand im Zentrum immer ein Konflikt zwischen einem Zuviel und einem Zuwenig an Wasser. Ihm war man dabei fast immer ausgeliefert, ob durch Dürren die Ernte einging oderHochwasser Leben und Besitz bedrohte. Es wurde auch zum Gegenstand der Mythologie und derNaturphilosophie. Noch heute kommt dem Wasser in den meisten Religionen der Welt eine Sonderstellung zu, besonders dort, wo die Frage des Überlebens von der Lösung der zahlreichen Wasserprobleme abhängt.
Ziel war es, allen Nutzungsansprüchen gerecht zu werden und dabei jedem Menschen den ihm zustehenden Teil des Wassers zu garantieren. Hierbei diente dasWasserrecht als eine der ersten Rechtsformen zur Mitbegründung der ersten zentralistischen Zivilisationen Mesopotamiens und Ägyptens sowie jener, die in den Flusstälern Chinas und Indiens entstanden.
Die lange Geschichte der Wassernutzung zeigt sich dabei nicht als ein kontinuierlicher Entwicklungspfad. Sie wurde vor allem durch einzelne Zentren hohen wasserwirtschaftlichen Standards sowie durch immer wiederkehrende Brüche geprägt, neben oft jahrhundertelang währenden Stagnationsphasen. So beeindruckend die frühen wasserbaulichen Anlagen dabei auch waren, wie groß sich Innovationskraft und Kreativität unserer Vorfahren auch zeigten, letztlich war und ist man noch von der Natur abhängig, die man jedoch erst in vergleichsweise jüngster Zeit anfing wirklich zu verstehen.
Wasser in den antiken Wissenschaften und der Philosophie
Dass das Wasser der Ursprung allen Lebens sei, ist eine bereits vorwissenschaftliche Vorstellung, die eines der ältestenMythologeme darstellt und auch eine Grundlage für den späterenTaufritus.[17]
Aufgrund der großen Bedeutung des Wassers wurde es nicht zufällig bei den frühestenPhilosophen zu den vierUrelementen gezählt.Thales von Milet sah im Wasser sogar den Urstoff allen Seins. Wasser ist in der vonEmpedokles eingeführten und dann vor allem vonAristoteles vertretenenVier-Elemente-Lehre nebenFeuer,Luft undErde ein Element.
Wasser ist in der taoistischenFünf-Elemente-Lehre (nebenHolz, Feuer, Erde, Metall) vertreten. Die BezeichnungElemente ist hier jedoch etwas irreführend, da es sich um verschiedeneWandlungsphasen eineszyklischen Prozesses handelt. Wasser hat verschiedene Orientierungen was zu unterschiedlichen (symbolischen) Strukturen führt.[18]
Darstellung einer Taufe auf einem Glasfenster derSainte-Chapelle aus dem 12. Jahrhundert
In denMythologien undReligionen der meisten Kulturen ist Wasser von zentraler Bedeutung. Mit denVorsokratikern begann vor etwa 2.500 Jahren das abendländische Denken als eine Philosophie des Wassers. In vielen Religionen des Altertums wurden Gewässer allgemein und vor allem Quellen, als Heiligtum verehrt.[20] Die ungeborenen Kinder wähnte man in Quellen, Brunnen oder Teichen verborgen, aus denen sie die Kindfrauen (Hebammen) holten (Kinderglauben).
Wasser gilt als „Inbegriff für Leben“; in den Religionen hat es einen hohen Stellenwert:
Jesus Christus soll gesagt haben „Wer nicht aus Wasser und Geist geboren ist, kann nicht in das Reich Gottes eingehen“.[21] ImChristentum wird dieTaufe teils durchUntertauchen oder Übergießen mit Wasser alsGanzkörpertaufe vollzogen, in der westlichen Kirche heute meist durch Übergießen mit Wasser. In der katholischen Kirche, den orthodoxen Kirchen und der anglikanischen Kirche spielt die Segnung mitWeihwasser eine besondere Rolle.
So gut wie jede Gemeinde imJudentum besitzt eineMikwe, ein Ritualbad mit fließendem reinen Wasser, das oft aus einem tief reichenden Grundwasserbrunnen stammt, wenn Quellwasser nicht zur Verfügung steht. Nur wer vollständig untertaucht, wird rituell gereinigt. Notwendig ist dies für zum Judentum Bekehrte, für Frauen nach der Menstruation oder einer Geburt, und bei orthodoxen Juden vor demSabbat und anderen Feiertagen.
ImIslam wird die reinigende Kraft des Wassers beschworen in Form der rituellen Gebetswaschung vor dem Betreten einer Moschee, oder imHindu-Glauben beim rituellen Bad imGanges.
In derAlchemie war „Wasser“ eine Bezeichnung für flüssige Substanzen der Verwesung und Verwandlung, etwa Säuren. Dementsprechend formulier auch der unbekannte Verfasser des alchemistischen WerksRosarum Philosophorum „Es ist das Wasser, was tötet und belebt“.[23]
In derEsoterik spielt das Wasser eine Rolle, „Kraftorte“ z. B. werden oft an Quellen oder Flüssen gesucht.
Menschliche Gesundheit
Der menschliche Körper besteht zu über 70 % aus Wasser. Ein Mangel an Wasser führt daher beim Menschen zu gravierenden gesundheitlichen Problemen (Dehydratation,Exsikkose), da die Funktionen des Körpers, die auf das Wasser angewiesen sind, eingeschränkt werden. Zitat derDeutschen Gesellschaft für Ernährung (DGE):Geschieht dies(die Wasserzufuhr) nicht ausreichend, kann es zu Schwindelgefühl, Durchblutungsstörungen, Erbrechen und Muskelkrämpfen kommen, da bei einem Wasserverlust die Versorgung der Muskelzellen mit Sauerstoff und Nährstoffen eingeschränkt ist.[24]
Gefahrensymbol für Wasser, das nicht getrunken werden sollte
Wie hoch der tägliche Mindestbedarf liegt, ist unklar. Empfehlungen von 1,5 Litern und mehr pro Tag für einen gesunden, erwachsenen Menschen können wissenschaftlich nicht gestützt werden.[25] Bei einem durchschnittlichen Tageskonsum von 2 Litern werden in 80 Jahren über 55.000 Liter Wasser getrunken. Der Wasserbedarf kann bei erhöhter Temperatur größer sein.
Das Trinken exzessiver Mengen an Wasser mit mehr als 20 L/Tag kann ebenfalls zu gesundheitlichen Schäden führen. Es kann eine „Wasservergiftung“ eintreten bzw. genauer zu einem Mangel an Salzen, d. h. zu einerHyponatriämie mit permanenten neurologischen Schäden oder Tod führen.[26]
Wasser, äußerlich angewendet, hat auf die Gesundheit und die Hygiene sehr günstige Einflüsse. Die antiken Römer pflegten aus diesen Gründen eine „Wasserkultur“ im Thermalbad.Siehe auch:Badekultur,Balneologie,Kneipp-Medizin,Sauna,Schwimmen,Körperpflege.
Bedeutung für Anbau, Wirtschaft und Entwicklung
Bewässerung eines Reisfeldes in Indien: In trockenen Gebieten ist die künstliche Bewässerung unabdingbar für die Nahrungsmittelversorgung.
Wasser ist eine Grundvoraussetzung für das Leben: ohneRegen keine Trinkwasserversorgung, keine Landwirtschaft, keine Gewässer mit Fischen zum Verzehr, keine Flüsse zum Gütertransport, keine Industrie. Letztere benötigt für alle Produktionsvorgänge viel Wasser, das geklärt in den Kreislauf zurückgeführt wird. Wasser wird wegen seiner hohen Verdampfungsenthalpie in Form vonWasserdampf zum Antrieb vonDampfmaschinen undDampfturbinen sowie zur Beheizung von chemischen Produktionsanlagen benutzt. Wegen seiner hohen Wärmekapazität und Verdampfungsenthalpie dient Wasser als umlaufendes bzw. verdampfendes Kühlmittel; in Deutschland dienten 1991 allein in Kraftwerken 29 Milliarden m³ als Kühlwasser. Wasser kann auch alsKältemittel (R-718) in Kältemaschinen eingesetzt werden.[27] ImSalzbergbau wird Wasser als Lösemittel zum Auslaugen, zum Transport, als Sole und zum Reinigen eingesetzt.
DieWasserversorgung nutzt unterschiedliche Wasservorkommen alsTrinkwasser, zum Teil aber auch fürBetriebswasserzwecke:Niederschlagswasser, Oberflächenwasser inFlüssen,Seen,Talsperren, Grundwasser, Mineralwasser undQuellwasser. Die Nutzung der Gewässer wird in Deutschland imWasserhaushaltsgesetz geregelt. InMitteleuropa gibt es eine zuverlässige, weitgehend kostendeckende und hochwertige Trinkwasserversorgung. Diese wird meist durch öffentliche Anbieter (kommunale Versorger) gewährleistet, die dieökologische Verantwortung übernehmen und es alsLeitungswasser zur Verfügung stellen. Der weltweite Wassermarkt hat ein Wachstum wie kaum eine andere Branche. Deshalb haben private Anbieter großes Interesse,Wasser als Handelsware zu definieren, um diesen Markt zu übernehmen.
Wo Trinkwasser keine direkte Handelsware ist, wurde der BegriffVirtuelles Wasser eingeführt, um dem nicht sichtbaren Wasseranteil der Produkte oder dem mitunter hohen Wasserbedarf, der im direkten Zusammenhang mit der Produktion eines Produktes anfällt, Rechnung zu tragen.
Als Wasserverbrauch wird die Menge des vom Menschen in Anspruch genommenen Wassers bezeichnet. Der umgangssprachliche Begriff ist – wie „Energieverbrauch“ – nicht korrekt, da nirgends Wasser „vernichtet“ wird: seine Gesamtmenge auf der Erde bleibt konstant; „Wasserbedarf“ wäre treffender. Dieser umfasst den unmittelbaren menschlichen Genuss (Trinkwasser undKochen) ebenso wie den zum alltäglichen Leben (Waschen, Toilettenspülung etc.) sowie den für dieLandwirtschaft, dasGewerbe und dieIndustrie (sieheNutzwasser) gegebenen Bedarf. Das ist daher nicht nur eineKenngröße für die nachgefragte Wassermenge, sondern zumeist auch für die Entsorgung oder Wiederaufbereitung des bei den meisten Wassernutzungen entstehendenAbwassers (Kanalisation,Kläranlage). Die aus der Versorgungsleitung entnommene Wassermenge wird durch einenWasserzähler gemessen und zur Kostenberechnung herangezogen.
Weltweit liegt der Süßwasserbedarf bei jährlich geschätzt 4370 km³ (2015), wobei die Grenze der nachhaltigen Nutzung bei 4000 km³ angegeben wird (siehe auchWelterschöpfungstag). Ein dabei bislang unterschätzter Faktor ist die Verdunstung genutzten oder zur Nutzung vorgehaltenen Wassers bspw. durch Pflanzen (Evapotranspiration), die nach neuer Daten-Analyse mit ca. 20 % des Gesamtverbrauchs angenommen wird.[28]
In Deutschland betrug 1991 der Wasserbedarf 47,9 Milliarden Kubikmeter, wovon allein 29 Milliarden Kubikmeter als Kühlwasser in Kraftwerken dienten. Rund elf Milliarden Kubikmeter wurden direkt von der Industrie genutzt, 1,6 Milliarden Kubikmeter von der Landwirtschaft. Nur 6,5 Milliarden Kubikmeter dienten der Trinkwasserversorgung. Der durchschnittliche Wasserbedarf (ohne Industrie) beträgt rund 130 Liter pro Einwohner und Tag, davon etwa 1–2 Liter in Speisen und Getränken einschließlich des in Fertiggetränken enthaltenen Wassers.
Wasserversorgung, Wasserkrise
Die Versorgung der Menschheit mit sauberem Wasser stellt Menschen nicht nur in den Entwicklungsländern vor ein großes logistisches Problem. Nur 0,3 % der weltweiten Wasservorräte sind als Trinkwasser verfügbar, das sind 3,6 Millionen Kubikkilometer von insgesamt ca. 1,38 Milliarden Kubikkilometern.
Die Wasserknappheit kann sich in niederschlagsarmen Ländern zu einerWasserkrise entwickeln. Zur Linderung einer Wasserknappheit sind insbesondereangepasste Technologien geeignet. Es wurden aber auch schon ausgefallen erscheinende Ideen erwogen. So wurde vorgeschlagen,Eisberge über das Meer in tropische Regionen zu schleppen, die unterwegs nur wenig abschmelzen würden, um am Ziel Trinkwasser daraus zu gewinnen.
Weltweit haben etwa 4 Mrd. Menschen bzw. zwei Drittel derWeltbevölkerung mindestens einen Monat im Jahr nicht ausreichend Wasser zur Verfügung. 1,8 bis 2,9 Mrd. Menschen leiden 4 bis 6 Monate im Jahr unter schwerer Wasserknappheit, ca. 0,5 Mrd. Menschen ganzjährig.[29] DieUrbanisierung verschärft die Wasserknappheit in ländlichen Gebieten und erhöht den Wettbewerb zwischen Städten und derLandwirtschaft um Wasser.[30] Bei derDürre und Hitze in Europa 2018 sind die Ernten teilweise massiv zurückgegangen.
Wasser spielt eine zentrale Rolle in vielen Wissenschaften und Anwendungsgebieten. DieWissenschaft, die sich mit der räumlichen wie zeitlichen Verteilung des Wassers und dessen Eigenschaften beschäftigt, bezeichnet man alsHydrologie. Insbesondere untersucht dieOzeanologie das Wasser derWeltmeere, dieLimnologie das Wasser derBinnengewässer, dieHydrogeologie das Grundwasser und dieAquifere, dieMeteorologie den Wasserdampf der Atmosphäre und dieGlaziologie das gefrorene Wasser unseres Planeten. In flüssiger Form wurde Wasser bislang nur auf der Erde nachgewiesen. Bereiche derUmweltökonomie befassen sich mit Wasser als Ressource (Water Economics).
Wasserchemie
Die Wasserchemie befasst sich mit den Eigenschaften des Wassers, seinen Inhaltsstoffen und mit den Umwandlungen, die im Wasser stattfinden oder durch das Wasser verursacht werden, sowie mit dem Stoffhaushalt der Gewässer. Sie behandelt Reaktionen und Auswirkungen im Zusammenhang mit der Herkunft und Beschaffenheit der unterschiedlichen Wassertypen. Sie beschäftigt sich mit allen Bereichen des Wasserkreislaufs und berücksichtigt damit die Atmosphäre und den Boden. Dabei beschäftigt sie sich unter anderem mit derAnalyse von im Wasser gelösten Stoffen, den Eigenschaften des Wassers, dessen Nutzung, dessen Verhaltensweise in verschiedenen Zusammenhängen.
Wasser ist ein Lösungsmittel für viele Stoffe, für Ionenverbindungen, aber auch fürhydrophile Gase und hydrophileorganische Verbindungen. Sogar gemeinhin als in Wasser unlöslich geltende Verbindungen sind in Spuren im Wasser enthalten. Daher liegt Wasser auf der Erde nirgends in reinem Zustand vor. Es hat je nach Herkunft die unterschiedlichsten Stoffe in mehr oder weniger großen Konzentrationen in sich gelöst.
In derWasseranalytik unterscheidet man unter anderem folgende Wassertypen:
Aber auch bei den wässrigenAuslaugungen (Eluaten) vonSedimenten, Schlämmen, Feststoffen, Abfällen und Böden wird die Wasseranalytik eingesetzt.
Um die Eigenschaften des Wassers und eventuell darin gelöster Stoffe, bzw. damit in Kontakt stehender fester Phasen aufzuklären, kann auch dieMolekulardynamik-Simulation sinnvoll sein.
In den Geowissenschaften haben sich Wissenschaften herausgebildet, die sich besonders mit dem Wasser beschäftigen: dieHydrogeologie, dieHydrologie, dieGlaziologie, dieLimnologie, dieMeteorologie und dieOzeanographie.Besonders interessant für die Geowissenschaften ist, wie Wasser das Landschaftsbild verändert (von kleinen Veränderungen über einen großen Zeitraum bis hin zu Katastrophen, bei denen Wasser innerhalb weniger Stunden ganze Landstriche zerstört), dies geschieht zum Beispiel auf folgende Weisen:
Flüsse oder Meere reißen Erdmassen mit sich und geben sie an anderer Stelle wieder ab (Erosion).
Durch sich bewegendeGletscher werden ganze Landschaften umgestaltet.
Wasser wird von Steinen gespeichert, gefriert in diesen und sprengt die Steine auseinander, weil es sich beim Gefrieren ausdehnt (Frostverwitterung).
Wasser ist nicht nur ein bedeutender Faktor für die mechanische und chemische Erosion von Gesteinen, sondern auch für die klastische und chemischeSedimentation von Gesteinen. Dadurch entstehen unter anderem Grundwasserleiter.
Auch interessiert Geowissenschaftler die Vorhersage des Wetters und besonders von Regenereignissen (Meteorologie).
Die verschiedenen strömungstechnischen Eigenschaften undWellentypen in mikroskopischem bis globalem Maßstab werden untersucht, konkret zu folgenden Fragestellungen:
Optimierung von Bootskörpern und exponierter Baukörper (zum BeispielWehre) – Minimierung des Strömungswiderstandes
Optimierung des Wirkungsgrades von wassergetriebenen Turbinenrädern und Schiffsantrieben
Die BezeichnungWasser wird im Allgemeinen für den flüssigenAggregatzustand verwendet. Im festen Zustand spricht man vonEis, im gasförmigen Zustand vonWasserdampf. In der Natur kommt Wasser selten rein vor, sondern enthält meist gelöste Anteile von Salzen, Gasen und organischen Verbindungen.
Verteilung und Verfügbarkeit
Wasserverteilung auf der Erde
Der größte Teil der Erdoberfläche (71 %) ist von Wasser bedeckt, besonders dieSüdhalbkugel und als Extrem dieWasserhemisphäre.Die Wasservorkommen der Erde belaufen sich auf circa 1,4 Milliarden Kubikkilometer (entspricht dem Volumen eines Würfels mit 1120 km Kantenlänge), wovon der allergrößte Teil auf dasSalzwasser derWeltmeere entfällt. Nur 48 Millionen Kubikkilometer (3,5 %) des irdischen Wassers liegen alsSüßwasser vor. Das mit 24,4 Millionen Kubikkilometern (1,77 %) meiste Süßwasser ist dabei als Eis an denPolen,Gletschern undDauerfrostböden gebunden und somit zumindest für prompte Nutzung nicht verfügbar. Einen weiteren wichtigen Anteil macht das Grundwasser mit 23,4 Millionen Kubikkilometern aus. Das Wasser der Fließgewässer und Binnenseen (190.000 km³), der Atmosphäre (13.000 km³), des Bodens (16.500 km³) und der Lebewesen (1.100 km³) ist im Vergleich rein mengenmäßig recht unbedeutend. Dabei ist jedoch nur ein geringer Teil des Süßwassers auch als Trinkwasser verfügbar. Insgesamt liegen 98,233 % des Wassers in flüssiger, 1,766 % in fester und 0,001 % in gasförmiger Form vor. In seinen unterschiedlichen Formen weist das Wasser dabei spezifische Verweilzeiten auf und zirkuliert fortwährend im globalenWasserkreislauf. Diese Anteile sind jedoch nur näherungsweise bestimmbar und wandelten sich auch stark im Laufe derKlimageschichte, wobei im Zuge derglobalen Erwärmung von einem Anstieg des Wasserdampfanteils ausgegangen wird.
Tiefenwasser in schon deutlich wärmeren geologischen Schichten wird direkt oder über Wärmetausch als Wärme-Energiequelle genutzt, wobei sowohl natürlicheThermalquellen undGeysire an der Oberfläche vorliegen als auch der Mensch danach bohrt. Durch den Gebirgsdruck bleibt Wasser in der Tiefe auch bei Temperaturen über dem Siedepunkt bei Normaldruck von 100 °C flüssig. Neue Erkenntnisse lassen vermuten, dass auch in etwa 500 km Tiefe, im Zwischenbereich von oberem und unterem Erdmantel Wasser in flüssiger Form vorliegt.[33]
Die bislang noch fehlende bzw. unzureichende Versorgung eines großen Teils derWeltbevölkerung mithygienischem undtoxikologisch unbedenklichemTrinkwasser, sowie mit einer ausreichenden MengeNutzwasser, stellt eine der größten Herausforderungen der Menschheit in den nächsten Jahrzehnten dar. Seit 1990 haben rund 2,6 Milliarden weitere Menschen Zugang zu einer sicheren Wasserversorgung erhalten, zum Beispiel mithilfe von Pumpbrunnen oder einem Leitungssystem. Aber immer noch trinken 663 Millionen Menschen jeden Tag Wasser, das verschmutzt ist und krank machen kann.[34]
Die Herkunft des Wassers auf derErde, insbesondere die Frage, warum auf der Erde deutlich mehr Wasser vorkommt als auf den andereninneren Planeten, ist bis heute nicht befriedigend geklärt. Ein Teil des Wassers gelangte zweifellos durch das Ausgasen vonMagma in die Atmosphäre, stammt also letztlich aus demErdinneren. Ob dadurch aber die Menge an Wasser erklärt werden kann, wird stark angezweifelt. Das Element Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum, und auch Sauerstoff kommt in großen Mengen vor, allerdings normalerweise gebunden inSilikaten und Metalloxiden; beispielsweise ist der Mars mit großen Anteilen anEisen(III)-oxid bedeckt, was ihm seine rote Farbe verleiht. Wasser hingegen ist dort – im Vergleich zur Erde – nur in geringen Mengen zu finden.
Außerhalb der Erde kommt ebenfalls Wasser vor. Beispielsweise wurde Wassereis inKometen, auf demMars, einigenMonden der äußerenPlaneten und dem ExoplanetenOGLE-2005-BLG-390Lb nachgewiesen. Allein dieSaturnringe enthalten überschlägig etwa 20 bis 30 Mal so viel Wasser, wie auf der Erde vorkommt. Hinweise auf das Vorhandensein von Wassereis in polnahenMeteoritenkratern gibt es beimErdmond und sogar beimMerkur, dem sonnennächsten Planeten. Als Flüssigwasser wird es unter den eisigen Oberflächen vonEuropa,Enceladus, ein paar weiteren Monden sowie bei OGLE-2005-BLG-390Lb vermutet. Direkt fotografisch belegt wurde außerirdisches Flüssigwasser bisher aber nur in Form weniger salzwasserhaltiger Schlammtröpfchen auf dem Mars. Außerirdischer Wasserdampf konnte unter anderem in den Atmosphären von Mars undTitan, den höheren Atmosphärenschichtenroter Riesensterne, ininterstellaren Nebeln und sogar im Licht fernerQuasare nachgewiesen werden.
Klima
Wasser beeinflusst entscheidend unserKlima und ist Basis nahezu allerWettererscheinungen, vor allem bedingt durch seine hohe Mobilität undWärmekapazität. In den Ozeanen wird die einstrahlende Sonnenenergie gespeichert. Diese regional unterschiedliche Erwärmung führt wegen Verdunstung zu unterschiedlichen Konzentrationen der gelösten Stoffe, da diese nicht mitverdunsten (vor allemSalinität (Salzgehalt)). Dieses Konzentrationsgefälle erzeugt globaleMeeresströmungen, die sehr große Energiemengen (Wärme) transportieren (z. B.Golfstrom,Humboldtstrom,äquatorialer Strom, mitsamt ihren Gegenströmungen). Ohne den Golfstrom würde in Mitteleuropa arktisches Klima herrschen.
Im Zusammenhang mit demTreibhauseffekt stellenOzeane die wirksamste CO2-Senke dar, da Gase wieKohlendioxid in Wasser gelöst werden (Kohlenstoffzyklus). Die mit derglobalen Erwärmung einhergehende Temperaturerhöhung der Weltmeere führt zu einem geringeren Haltevermögen an Gasen und damit zu einem Anstieg des CO2 in der Atmosphäre. Wasserdampf stellt in der Atmosphäre ein wirksames Treibhausgas dar (sieheTreibhauseffekt).
Bei der Erwärmung verdunstet Wasser, es entstehtVerdunstungskälte. Als „trockener“ Dampf (nicht kondensierend) und als „nasser“ Dampf (kondensierend:Wolken,Nebel) enthält und transportiert es dieKondensationsenthalpie, die für sämtliche Wetterphänomene entscheidend verantwortlich ist (siehe auchLuftfeuchtigkeit,Gewitter,Föhn). Die Wärmekapazität des Wassers und die Phänomene der Verdunstungskälte und Kondensationsenthalpie sorgen in der Nähe von großen Gewässern fürgemäßigte Klimate mit geringen Temperaturschwankungen im Jahres- und Tagesgang. Wolken verringern zudem die Einstrahlung durch die Sonne und die Erwärmung der Erdoberfläche durchReflexion.
Der aus Wolken fallendeNiederschlag und der Wasserdampf (Auskämmung undPhotosynthese bzw. Atmung) bewässern die terrestrischenÖkotope. Auf den Landmassen können so Gewässer oder Eismassen entstehen, die auch meso- und mikroklimatische Wirkungen haben. Das Verhältnis vonEvapotranspiration (Gesamtverdunstung eines Gebietes) zu Niederschlag entscheidet, ob sich trockene (aride,Steppen,Wüsten) oder feuchte (humide,Wälder,Waldsteppen)Klimate bilden. Auf den Landmassen ist außerdem der Wasserhaushalt derVegetation eine klimatische Größe.
Bedeutung des Wassers für das Leben
Wasser ist vermutlich derEntstehungsort des Lebens und eine seiner Bedingungen. InOrganismen und in unbelebten Bestandteilen derÖkosphäre spielt es als vorherrschendes Medium bei fast allenStoffwechselvorgängen beziehungsweisegeologischen undökologischen Elementarprozessen eine entscheidende Rolle. DieErdoberfläche ist zu circa 72 % von Wasser bedeckt, wobeiOzeane hieran den größten Anteil tragen.Süßwasserreserven bilden lediglich 2,53 % des irdischen Wassers und nur 0,3 % sind als Trinkwasser zu erschließen (Dyck 1995). Durch die Rolle des Wassers in Bezug aufWetter undKlima, alsLandschaftsgestalter im Zuge derErosion und durch seine wirtschaftliche Bedeutung, unter anderem in den Bereichen derLand-,Forst- undEnergiewirtschaft, ist es zudem in vielfältiger Weise mitGeschichte,Wirtschaft undKultur der menschlichenZivilisation verbunden. Die Bedeutung des Wassers für das Leben war insofern auch immer Gegenstand derNaturphilosophie.
Grundbaustein des Lebens
DasLeben ist nach dem heutigen Erkenntnisstand im Wasser entstanden (siehe auchEvolution).AutotropheSchwefelbakterien (Prokaryoten) produzieren aus Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid unter Zufuhr von Lichtenergie organische Kohlenstoffverbindungen und Wasser:
Als Nachfolger nutzten Blaubakterien (Cyanobakterien) und alle späteren autotrophenEukaryoten das hohe Redoxpotential des Wassers: Unter Zufuhr von Licht produzieren sie aus Wasser und Kohlendioxid Traubenzucker und Sauerstoff:
Durch diesen Prozess reicherte sich im Wasser und in der Atmosphäre immer mehr Sauerstoff an. Damit wurde die Gewinnung von Energie durchZellatmung (Dissimilation) möglich:
Voraussetzung für die Fähigkeit, mit dem giftigen Sauerstoff (Oxidation der empfindlichen Biomoleküle) umzugehen, waren Enzyme wie dieKatalase, die eine strukturelle Ähnlichkeit mit dem Sauerstoff transportierendenHämoglobin aufweist. Aerobe Purpurbakterien nutzten vielleicht als erstes den giftigen Sauerstoff zum energieliefernden Abbau von organischen Stoffen. Nach derEndosymbiontentheorie nahmen damals noch anaerobeEukaryoten die aerobenProkaryoten (wahrscheinlich Purpurbakterien) auf.
Wasser wurde damit zum Medium grundlegender biochemischer Vorgänge (Stoffwechsel) zur Energiegewinnung und -speicherung:
Auf Grund desDipolmomentes eignet sich Wasser als Lösungsmittel für polare Substanzen und wegen der daraus entspringendenViskosität und Dichte als Transportmittel. Wasser transportiert Nährstoffe, Abbauprodukte,Botenstoffe und Wärme innerhalb von Organismen (zum BeispielBlut,Lymphe,Xylem) und Zellen. Die Eigenschaften des Wassers werden bei Pflanzen und Tieren (inklusive Mensch) mannigfaltig, z. B. für die Temperaturregulierung benutzt, in Form vonGuttation,Schwitzen etc., oder z. B. als Basis für antibakterielle Schutzfilme beiKröten undFischen.
Pflanzen und Tieren ohneSkelett verleiht derTurgordruck des Wassers Form und Festigkeit. Durch Turgoränderungen können sie sich auch bewegen (zum Beispiel Blattbewegung bei Pflanzen).
DieStachelhäuter, zu denen dieSeeigel,Seesterne undSeewalzen gehören, haben statt eines festen Skeletts ein System hydraulisch arbeitender Gefäße (Ambulacralsystem). Sie bewegen sich durch gezielte Druckänderungen in diesem Gefäßsystem.
Die meisteBiomasse und größte Produktivität findet sich in aquatischen Ökosystemen, vor allem inOzeanen, in denen der begrenzende Produktionsfaktor die Menge der im Wasser gelöstenNährstoffe ist, also vor allem Phosphat, Stickstoffverbindungen (Ammonium, Nitrat) und CO2 (Kohlendioxid). Die Eigenschaften des Wassers werden mit hoher Effizienz genutzt, z. B. bei der Oberflächenspannung vonInsekten,Spinnentieren, bei der Dichte und den optischen Eigenschaften vomPlankton etc.
Die Temperaturabhängigkeit der Wasserdichte führt in Gewässern zu einerTemperaturschichtung, zuSprungschichten und Ausgleichsströmungen, die vor allem in limnischen (Süßwasser-)Biotopen charakteristisch sind (sieheÖkosystem See), aber auch in marinen Ökosystemen anzutreffen sind und genutzt werden (Wale nutzen z. B. die Schallreflexionen an Sprungschichten zur Verbesserung ihrer Kommunikation). DieDichteanomalie des Wassers ermöglicht auch das Überleben von Lebewesen im Winter, da stehende Gewässer dadurch nicht bis zum Grund durchfrieren (Ausnahme flache Gewässer und „Frosttrocknis“). Zusätzlich bewirkt die Dichteanomalie in tieferen Seen der gemäßigten Zonen im Frühling und Herbst bei Erreichen einer einheitlichen Temperatur eineUmwälzung des Wassers und somit einen Austausch von Oberflächen- und Tiefenwasser, der für Nährstoff- und Sauerstoffkreislauf wesentlich ist.
Auch wenn aquatische Ökosysteme durch die Wärmekapazität des Wassers sehr stabile Lebensräume darstellen, haben auch geringere Temperaturschwankungen deutliche Folgen (vgl.Ökosystem See). So wird die Temperaturerhöhung der Ozeane Veränderungen in marinen Ökosystemen zur Folge haben.
Wasser hat in der Technik verschiedene Anwendungsmöglichkeiten, meist im flüssigen Zustand, gelegentlich auch als Eis oder Dampf.
Die Gewichtskraft von Wassermassen wird in den verschiedenenWassermühlen undWasserturbinen zur Gewinnung von mechanischer oder elektrischer Energie genutzt. Beim durch Wasserschlag pumpendenWasserwidder kommt zusätzlich die geringe Kompressibilität von Wasser dazu.
Dampf wird genutzt inDampfturbinen die in vielen modernen Kraftwerken vorkommen um die primär erzeugte Wärme zunächst in mechanische Energie und schließlich mit einem Generator in elektrische Energie umzuwandeln. Die (Kolben-)Dampfmaschine war vor allem in derindustriellen Revolution von Bedeutung.
Wasser dient kalt und warm zum reinigenden Waschen (eventuell mitDetergentien oder Laugen oderSäuren), Lösen (Auslaugen von Salzlagerstätten), Trennen über Chromatographie oder Extraktion (Aufgussgetränke), Umkristallisieren (Abbinden von Gips, Zement, (zusammen mit Kohlenstoffdioxid:) Kalk; jedoch auch Reinigen von löslichen Substanzen im Chemielabor). Als Druckstrahl zum Spülen, Brausen, Hochdruckreinigen eventuell mit abrasivem Zusatzstoff, und zumWasserstrahlschneiden auch etwa im hygienesensiblen Bereich der Lebensmittelindustrie.
In Form von Gel wird Wasser als Schallübertragungsmedium vom Sensorkopf zum menschlichen Körper bei derUltraschalldiagnostik genutzt. Wasser ist Schallübertragungsmedium beimEcholot.
Wasser kann auch zur Schalldämpfung verwendet werden, z. B. imSound Suppression System der NASA.
Als Medium mit hoherOberflächenspannung und guter Verdunstungsrate dient Wasser zum verschieblichen Anklatschen von Beschriftungsfolie auf Schaufenstern, Autokarosserien und anderen glatten zukaschierenden Oberflächen, ebenso als Gleit- und Dichtmittel für Saugnäpfe. Die Oberflächenspannung von Wasser erlaubt im Zusammenspiel mit SeifeSeifenblasen und das Bauen von Schichten ab Moleküldicke und feiner Membrane für physikalische Experimente. DerWasserläufer kann mittels Dellen in der Oberfläche laufen,Biofilme können sich ausbreiten, aber auch ölige Substanzenspreiten.
UrsprünglicheHydraulik verwendet Wasser als Druckübertragungsmedium sowie als Fontänen in Springbrunnen und Wasserspielen, die auch Verdunstungskühlung und Lichteffekte ermöglichen. Das Aufbrechen von geologischen Schichten beimFracking ist ebenfalls eine Hochdruckanwendung.
Durch Wasser erzeugter Auftrieb erlaubt Schiffen, Bojen und Lebewesen das Schwimmen. Ballasttanks helfen, unbeladene oder ungleichmäßig beladene Schiffe zu stabilisieren und U-Booten, auf- und abzutauchen. Es gibt Seilbahnen und Lifte, die im Gegenzug von Wasserballasttanks gezogen bzw. gehoben werden.
Wasser alsDissoziationsmedium dient fürElektrolyse,Galvanik, Akku- undBatterietechnik, sowie in alten Kraftwerken als Strom-Regelungstank. Weiters kommt Wasser als Lösungsmittel aller wässrigen Chemie, ob beim Mikroverfahren derTüpfelplatte, dem grafisch wirksamen Entwickeln fotografischer Platten und Filme oder der großtechnischen Herstellung vonNitramoncal aus Ammoniak und Salpetersäure, zum Einsatz.
In der Medizin dient Wasser als lösendes Medium zum Injizieren oder Infundieren von Stoffen in den Körper, um den Wasserhaushalt des Körpers zu korrigieren, zum Aufweichen harter Haut oder von Nägeln oder zum Spülen des Darms. Das Kopfhaar mit Wasser reversibel aufzuquellen und in Wellen und Locken zu formen, istFriseurhandwerk.
Weidenruten,Peddigrohr etc. werden in Wasser gelegt zumFlechten biegsam gemacht. Hartholz wird unter Wasserdampf zuBugholz für den Möbelbau geformt.
InWasserwerfern wird Wasser, mit und ohne chemischen Zusatz, alsMunition eingesetzt.
Reinstwasser leitet Strom schlecht. Erst wenn andere Stoffe, die sich in Ionen auflösen können, hinzukommen, kann es elektrischen Strom übertragen.[37]
Ole Pollem:Regulierungsbehörden für den Wassersektor in Low-Income Countries. Eine vergleichende Untersuchung der Regulierungsbehörden in Ghana, Sambia, Mosambik und Mali. Verlag Dr. Kovac, Hamburg 2009,ISBN 978-3-8300-4473-4.
Allgemeine Inhalte
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Konflikte um Wasser
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Geschichte
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Lyrisches
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Weblinks
Commons: Wasser – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
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