11 Energie und Wasser

Strahlungsbilanz: langwellige, kurzwellige, Bilanz, direkt, diffus, Emissivität abhängig wovon, warme Oberfläche, niedriges Albedo, weniger Wasser, Nettostrahlungsbilanz der Erde, 4 Folgen von Energieüberschuss

• Sonne sendet energiereiche kurzwellige Strahlung auf die Erde

• Von der Sonne erwärmte kühlerer Erde gibt langwellige Strahlung ab

• Strahlungsbilanz in Ökosystemen: bestimmt wie stark sich Oberfläche erwärmt & wie viel physikalische Arbeit verrichtet werden kann -> Transport von Wasser und Energie

• Direkte Strahlung: mittags, klarer Tag -> 90% direkt

• Diffuse Strahlung: bei Wolken, Luftverschmutzung, morgens und abends -> besser für Vegetation, dringt tiefer ein

• Emissivität ɛ von Oberflächen (surf) und Atmosphäre (sky) sehr ähnlich -> Bilanz hängt primär von ΔT ab

• Warme Oberflächen emittieren mehr langwellige Strahlung

  • Niedriges Albedo (Reflektion), höhere Absorption (Brandflächen)

  • Wenig Wasser -> wenig Verdunstungskühlung  (Wüsten, Parkplätze)

• Netto-Strahlungsbilanz der Erde -> 102

• Energieüberschuss? -> Oberfläche erwärmt sich (Wärmespeicherung S), bodennahe Luft wird wärmer (Konduktion) und steigt auf (Konvektion, sensible Wärme H), Wasser verdunstet (latente Wärme 𝜆E)

Albedo - Definition, Skala, Schnee, Boden, Nadelwald, Wasser

kurzwellige Reflektanz

• 0=totale Absorption, 1=totale Reflektion

• Schnee: großer Unterschied zwischen frischem Schnee (hohes Albedo), altem Schnee (Staubeinlagerung) und Gletscher (kompaktiert zu dunklerem Eis → niedriges Albedo)

• Boden: große Variabilität -> trockener heller Sand > trockener dunkler Boden > nasser dunkler Boden > Kohleschicht nach Brand

• Nadelwälder: komplexere tiefere Krone, rundliche Nadeln in alle Richtungen -> laterale Reflektion, mehrfache Chance für Absorption

• Wasser: hängt sehr stark von Sonnenstand und Kräuselung der Wasseroberfläche ab

Energiebilanz - sensibler Wärmestrom H (wodurch, was passiert, Haupteinflussfaktor, Oberflächenfaktor)

• Erwärmte Oberflächen geben Wärme an angrenzende Luftschichten ab -> Konduktion (Wärmeübertragung von Molekül zu Molekül, abhängig von Temperaturgradienten)

• Erwärmte Luft ist leichter und steigt auf -> (Konvektion, konvektive Turbulenz)

• Mechanische Turbulenz (Wind) trägt auch zu Konvektion bei (je mehr Turbulenz desto geringer der Widerstand gegen sensiblen Wärmefluss)

• Höher durch rauere und höhere Oberflächen

Energiebilanz - 2x Rauigkeit, Wirbelgröße

• bei glatten Oberflächen bleibt Strömung in geraden Linien (laminar) → bei rauen vermischt sich durch Wirbel warme und kalte Luft → Wärme schneller nach oben transportiert

• Geringer aerodynamischer Widerstand (wie schwierig Wärmeaustausch zwischen Oberfläche und Atmosphäre ist) bei hoher Rauigkeit

• große Wirbel (durch hohe Rauigkeit) greifen tiefer in Vegetation ein

Energiebilanz - latenter Wärmestrom 𝜆E (2 Komponenten, Einfluss auf Energie und Temperatur, wo geht Energie hin, Transport)

• Wasser verdunstet durch Transpiration (Stomata) und Evaporation (Oberfläche von Boden und Vegetation) --> beides zusammen ist Evapotranspiration

• Dabei wird der Umgebungsluft Energie entzogen, Umgebungsluft abgekühlt, Energie als latente Wärme in Wasserdampf gespeichert

• Konvektion und Turbulenz transportiert feuchte Luft aus dem Ökosystem

Energie und Wasserhaushalt Kopplung (durch welchen Teil der Formel wie, Eigenschaft von Wasser → Folge für Strahlungsbilanz und andere Teile der Formel)

• 𝜆E: Wasserdampf ist gleichzeitig Wasser und Energie

• Wärmekapazität von Wasser ist sehr hoch -> Wasserkörper erwärmen sich langsamer

• -> reflektierte langwellige Strahlung und H reduziert

Bowen-Ratio B - Formel, Definition, Interpretation, 7 Ökosysteme nach absteigendem B geordnet

• B = H/𝜆E -> charakterisiert Einfluss von Wasser auf Energiehaushalt

• Je kleiner B desto höher der Einfluss von Wasser auf Energiehaushalt

Ökosysteme absteigend geordnet

• Wüste

• Tundra

• wassergestresste Kulturen

• Borealer Wald

• temperater Wald

• tropischer Wald

• tropischer Ozean

Wasserhaushalt: 5 Funktionen Wasser, Niederschlag-Formel

• Medium für Stoffwechselreaktion

• Substrat für chemische Reaktionen

• Transportmedium für Gase, Nährstoffe, Hormone

• Kühlung der Pflanze durch Transpiration

• Turgor -> Wachstum durch Zellstreckung und Stabilität krautiger Pflanzen

• P (Niederschlag) = ET (Evotranspiration) + A (Oberflächenabfluss)

Begriffe: Evotranspiration (abhängig wovon), Oberflächenabfluss, Interzeption (Bedeutung, %)

• Evotranspiration: abhängig von Trockenheit der Luft, Temperatur, Wasserverfügbarkeit, aerodynamischer und stomatärer Widerstand

• Oberflächenabfluss: quantifizierbar als Wasserführung der Flüsse eines Wassereinzugsgebiets, oberhalb eines Schwellenwerts des Niederschlags erhöht sich ET nt mehr -> linearer Zusammenhang von Niederschlag und Abfluss, je weniger Wald desto höher Abfluss

• Interzeption 10-50% des Niederschlags haftet an Oberflächen (Blätter, Nadeln, Borke)

Wege des Wassers → 4 Wege + Faktoren

• Aufnahme durch Spaltöffnungen der Pflanze

• Evaporation von der Oberfläche = f(Wind, Lufttemperatur)

• Stammfluss = f(Borkanrauhigkeit, Astwinkel)

• Kronendurchlass: Wasser, das von Blättern und Ästen abtropft = f(Benetzbarkeit, Blattform- und Winkel, starker Wind)

Wasserpotential - Einheit, Definition, freies Wasser Merkmale, Wasserbewegung, Formel

• Wasserpotential (MPa) ist Kraft, die aufgewendet werden muss, um Wasser in den Zustand freien Wassers zu überführen

• Freies Wasser hat Wasserpotential von Null (rein, kein Kontakt zu Oberflächen, Wasseroberfläche ist eben, Zimmertemperatur, Standardluftdruck, Höhe über dem Meeresspiegel)

• Wasser bewegt sich immer zum negativeren (niedrigeren) Wasserpotential

Matrixpotential - Formel, Einfluss von Poren, Erklärung dafür, Formelbesonderheitszusammenhang, Hinderung

• Matrixpotential = - 2T/r        (T= Oberflächenspannung des Wassers, r= Radius der Oberflächenkrümmung m)

• Poren weit -> Matrixpotential weniger negativ -> Bodenwassergehalt hoch

• Poren eng -> Matrixpotential stärker negativ -> Bodenwassergehalt niedrig

• Mit zunehmender Austrocknung zieht sich das Wasser in Porenräume zurück

• Poren, in denen Wasser verbleibt, werden immer kleinen

• -> Matrixpotential wird bei Austrocknung immer negativer

• Wenn |osmotisches Potential + Matrixpotential| < hydrostatisches Potential (Gravitation) -> Abwärtsbewegung: Infiltration, Perkolation, Grundwasserfluss der Schwerkraft folgend

• Perkolation kann behindert werden durch impermeable Schichten: Permafrost, Bodenverdichtung, Verkrustung, anstehendes Gestein, Stauhorizonte -> dann Vernässung und Oberflächenabfluss

Wasserverfügbarkeit im Boden - Sand, Ton, Schluff, Feldkapazität, Permanenter Welkepunkt

• Sand: kann wenig Wasser aufnehmen, Volumen der Poren, die Wasser halten können ist gering -> Poren zu groß, kann aber gut an Pflanzen abgegeben werden

• Ton: kann viel Wasser aufnehmen, Anteil an Poren, aus denen Wasser von Pflanzen nicht aufgenommen werden zu hoch -> Poren zu klein, Welkepunkt bei hohem Wassergehalt erreicht

• Schluff: ideale Wasserverfügbarkeit

• Feldkapazität: Menge Wasser, die der Boden entgegen Schwerkraft halten kann

• Permanenter Welkepunkt: Wasserpotential an dem die Pflanze nicht mehr genügend Wasser aus dem Boden aufnehmen kann um Wasserverlust durch Transpiration auszugleichen

Wasser und Pflanzen: Voraussetzung für Wasseraufnahme aus Boden, Antriebskraft, Gradient, Zellulosematrixporen, Pipe-Model, Ersatzstrategie

• Damit Wasser in Pflanzen aufsteigen kann muss ihr Potential negativer werden als Boden

• Transpiration treibe alles an -> führt zu negativem Matrixpotential → weitergegeben an Wurzeln

• Gradient: Boden → Pflanze → Atmosphäre (-50MPa)

• Die Poren in Zellulosematrix haben  -15 Mpa -> viel kleiner als Poren im Boden

• Pipe Model: trockenangepasste Baumarten haben weniger Blattfläche pro Splintholzfläche/Leitgewebe (Transpiration verhindern -> Schutzstrategie)

• Wenn Pflanzen nicht negativer werden als Boden -> hydraulic lift

  • Tag: Transpiration, Wasser aus Boden in Pflanze gezogen

  • Nacht: keine Transpiration, Pflanzen transportieren Wasser aus tieferen Bodenschichten in trockenere obere

Anderes: Wasser als wichtiger Faktor, Memory Effekt, Lieth Funktion

• Wasser wichtig als limitierender Faktor der Pflanzenproduktivität -> limitiert Photosynthese über stomatäre Leitfähigkeit

• Memory-Effekt: Pflanzen reagieren mit zeitlicher Verzögerung auf Umweltveränderungen

• Lieth-Funktion: mehr Niederschlag -> erstmal höhere Produktivität -> ab bestimmter Wassermenge kaum noch Wachstum -> andere Faktoren limitierend