Wasser, Luft und Nahrung sind die wichtigsten natürlichen Ressourcen für den Menschen. Menschen können nur wenige Minuten ohne Sauerstoff, weniger als eine Woche ohne Wasser und etwa einen Monat ohne Nahrung leben. Wasser ist auch wichtig für unsere Sauerstoff- und Nahrungsversorgung. Pflanzen bauen Wasser ab und nutzen es, um während der Photosynthese Sauerstoff zu erzeugen.
Wasser ist die wichtigste Verbindung für alle Lebewesen. Menschliche Babys bestehen zu etwa 75% aus Wasser und Erwachsene zu 60% aus Wasser. Unser Gehirn besteht zu 85% aus Wasser, Blut und Nieren zu 83% aus Wasser, Muskeln zu 76% aus Wasser und sogar Knochen zu 22% aus Wasser. Wir verlieren ständig Wasser durch Schweiß; In gemäßigten Klimazonen sollten wir etwa 2 Liter Wasser pro Tag trinken und Menschen in heißen Wüstenklimas sollten bis zu 10 Liter Wasser pro Tag trinken. Der Verlust von 15% des Körperwassers führt normalerweise zum Tod.
Die Erde ist wirklich der Wasserplanet. Die Fülle an flüssigem Wasser auf der Erdoberfläche unterscheidet uns von anderen Körpern im Sonnensystem. Etwa 70% der Erdoberfläche sind von Ozeanen bedeckt und etwa die Hälfte der Erdoberfläche ist jederzeit von Wolken (auch aus Wasser) verdeckt. Es gibt ein sehr großes Wasservolumen auf unserem Planeten, etwa 1,4 Milliarden Kubikkilometer (km3) (330 Millionen Kubikmeilen) oder etwa 53 Milliarden Gallonen pro Person auf der Erde. Das gesamte Wasser der Erde könnte die Vereinigten Staaten bis zu einer Tiefe von 145 km (90 Meilen) bedecken. Aus menschlicher Sicht besteht das Problem darin, dass über 97% davon Meerwasser sind, das zu salzig ist, um es zu trinken oder zur Bewässerung zu verwenden. Die am häufigsten verwendeten Wasserquellen sind Flüsse und Seen, die weniger als 0,01% des Weltwassers enthalten!
Eines der wichtigsten Umweltziele ist es, allen Menschen sauberes Wasser zur Verfügung zu stellen. Glücklicherweise ist Wasser eine erneuerbare Ressource und schwer zu zerstören. Verdunstung und Niederschlag ergänzen unsere Frischwasserversorgung ständig; Die Wasserverfügbarkeit wird jedoch durch ihre ungleichmäßige Verteilung über die Erde erschwert. Trockenes Klima und dicht besiedelte Gebiete haben in vielen Teilen der Welt zu Wasserknappheit geführt, die sich in den kommenden Jahren aufgrund des Bevölkerungswachstums und des Klimawandels voraussichtlich verschlimmern wird. Menschliche Aktivitäten wie Wasserübernutzung und Wasserverschmutzung haben die Wasserkrise, die heute besteht, erheblich verschärft. Hunderte Millionen Menschen haben keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser, und Milliarden von Menschen haben keinen Zugang zu verbesserten sanitären Einrichtungen, die so einfach sind wie eine Grubenlatrine. Infolgedessen sterben jedes Jahr fast zwei Millionen Menschen an Durchfallerkrankungen, und 90% dieser Todesfälle ereignen sich bei Kindern unter 5 Jahren. Die meisten davon sind leicht zu verhindern Todesfälle.
Wasser ist die einzige gemeinsame Substanz, die auf der Erde in drei Formen natürlich vorkommt: fest, flüssig und gasförmig. Es ist an verschiedenen Orten verteilt, Wasserreservoirs genannt. Die Ozeane sind mit etwa 97% des gesamten Wassers mit Abstand die größten Stauseen, aber dieses Wasser ist für die meisten menschlichen Zwecke zu salzhaltig (Abbildung 1). Eiskappen und Gletscher sind die größten Süßwasserreservoirs, aber dieses Wasser ist ungünstig gelegen, hauptsächlich in der Antarktis und in Grönland. Flaches Grundwasser ist das größte Reservoir an nutzbarem Süßwasser. Obwohl Flüsse und Seen die am stärksten genutzten Wasserressourcen sind, machen sie nur einen winzigen Teil des Wassers der Welt aus. Wenn das gesamte Wasser der Welt auf die Größe von 1 Gallone geschrumpft wäre, würde die Gesamtmenge an Süßwasser etwa 1/3 Tasse betragen, und die Menge an leicht nutzbarem Süßwasser würde 2 Esslöffel betragen.
Der Wasser- (oder hydrologische) Kreislauf (der in Kapitel 3 behandelt wurde.2) zeigt die Bewegung von Wasser durch verschiedene Reservoirs, zu denen Ozeane, Atmosphäre, Gletscher, Grundwasser, Seen, Flüsse und Biosphäre gehören. Sonnenenergie und Schwerkraft treiben die Bewegung des Wassers im Wasserkreislauf an. Einfach ausgedrückt beinhaltet der Wasserkreislauf, dass sich Wasser durch Verdunstung von Ozeanen, Flüssen und Seen in die Atmosphäre bewegt und Wolken bildet. Aus Wolken fällt es als Niederschlag (Regen und Schnee) auf Wasser und Land. Das Wasser an Land kann entweder durch Oberflächenabfluss, Flüsse, Gletscher und unterirdischen Grundwasserfluss in den Ozean zurückkehren oder durch Verdunstung oder Transpiration (Wasserverlust durch Pflanzen in die Atmosphäre) in die Atmosphäre zurückkehren.
Ein wichtiger Teil des Wasserkreislaufs ist die Veränderung des Salzgehalts von Wasser, dh die Häufigkeit gelöster Ionen im Wasser. Das Salzwasser in den Ozeanen ist mit etwa 35.000 mg gelösten Ionen pro Liter Meerwasser sehr salzhaltig. Die Verdampfung (bei der Wasser bei Umgebungstemperaturen von flüssig zu gasförmig wird) ist ein Destillationsprozess, bei dem nahezu reines Wasser ohne gelöste Ionen erzeugt wird. Wenn Wasser verdampft, verbleiben die gelösten Ionen in der ursprünglichen flüssigen Phase. Schließlich bildet Kondensation (wo Wasser von Gas zu Flüssigkeit wechselt) Wolken und manchmal Niederschlag (Regen und Schnee). Nachdem Regenwasser auf Land fällt, löst es Mineralien in Gestein und Boden auf, was seinen Salzgehalt erhöht. Die meisten Seen, Flüsse und oberflächennahes Grundwasser haben einen relativ geringen Salzgehalt und werden Süßwasser genannt. In den nächsten Abschnitten werden wichtige Teile des Wasserkreislaufs in Bezug auf Süßwasserressourcen erörtert.
Primäre Süßwasserressourcen: Niederschlag
Die Niederschlagsmengen sind weltweit ungleichmäßig verteilt, was sich auf die Süßwasserverfügbarkeit auswirkt (Abbildung 3). Mehr Niederschlag fällt in der Nähe des Äquators, während weniger Niederschlag in der Nähe von 30 Grad nördlicher und südlicher Breite fällt, wo sich die größten Wüsten der Welt befinden. Diese Niederschlags- und Klimamuster hängen mit globalen Windumlaufzellen zusammen. Das intensive Sonnenlicht am Äquator erwärmt die Luft, wodurch sie aufsteigt und abkühlt, was die Fähigkeit der Luftmasse verringert, Wasserdampf zu halten, und zu häufigen Regenstürmen führt. Um 30 Grad nördlicher und südlicher Breite erzeugen absteigende Luftbedingungen wärmere Luft, was ihre Fähigkeit, Wasserdampf zu halten, erhöht und zu trockenen Bedingungen führt. Sowohl die trockenen Luftbedingungen als auch die warmen Temperaturen dieser Breitengrade begünstigen die Verdunstung. Globale Niederschlags- und Klimamuster werden auch von der Größe der Kontinente, großen Meeresströmungen und Bergen beeinflusst.
Oberflächenwasserressourcen: Flüsse, Seen, Gletscher
Fließendes Wasser aus Regen und geschmolzenem Schnee an Land gelangt durch Oberflächenabfluss in Flusskanäle (Abbildung 4) und Grundwassersickerung (Abbildung 5). Die Flussentladung beschreibt das Wasservolumen, das sich im Laufe der Zeit durch einen Flusskanal bewegt (Abbildung 6). Die relativen Beiträge von Oberflächenabfluss vs. Grundwassersickerung zum Flussabfluss hängen von Niederschlagsmustern, Vegetation, Topographie, Landnutzung und Bodeneigenschaften ab. Bald nach einem schweren Regensturm nimmt der Flussabfluss aufgrund des Oberflächenabflusses zu. Der stetige normale Fluss des Flusswassers stammt hauptsächlich aus dem Grundwasser, das in den Fluss mündet. Die Schwerkraft zieht das Flusswasser bergab in Richtung Ozean. Entlang des Weges kann das sich bewegende Wasser eines Flusses Bodenpartikel erodieren und Mineralien auflösen. Grundwasser trägt auch eine große Menge der gelösten Mineralien im Flusswasser bei. Das geografische Gebiet, das von einem Fluss und seinen Nebenflüssen entwässert wird, wird als Einzugsgebiet oder Wasserscheide bezeichnet. Das Einzugsgebiet des Mississippi umfasst ungefähr 40% der USA, eine Maßnahme, die die kleineren Einzugsgebiete wie den Ohio River und den Missouri River umfasst, die dazu beitragen, es zu umfassen. Flüsse sind eine wichtige Wasserressource für die Bewässerung von Ackerland und Trinkwasser für viele Städte auf der ganzen Welt. Zu den Flüssen, die internationale Streitigkeiten über die Wasserversorgung hatten, gehören der Colorado (Mexiko, Südwesten der USA), der Nil (Ägypten, Äthiopien, Sudan), der Euphrat (Irak, Syrien, Türkei), der Ganges (Bangladesch, Indien) und Jordanien (Israel, Jordanien, Syrien).
Neben Flüssen können Seen auch eine ausgezeichnete Süßwasserquelle für den menschlichen Gebrauch sein. Sie erhalten normalerweise Wasser aus Oberflächenabfluss und Grundwasserabfluss. Sie neigen dazu, auf einer geologischen Zeitskala kurzlebig zu sein, weil sie sich ständig mit Sedimenten füllen, die von Flüssen geliefert werden. Seen bilden sich auf verschiedene Arten, einschließlich Vereisung, jüngste tektonische Hebung (z. B. Tanganjikasee, Afrika) und Vulkanausbrüche (z. B. Crater Lake, Oregon). Die Menschen schaffen auch künstliche Seen (Stauseen), indem sie Flüsse stauen. Große Veränderungen im Klima können zu großen Veränderungen in der Größe eines Sees führen. Als die Erde vor etwa 15.000 Jahren aus der letzten Eiszeit kam, veränderte sich das Klima im westlichen U.S. wechselte von kühl und feucht zu warm und trocken, wodurch mehr als 100 große Seen verschwanden. Der Great Salt Lake in Utah ist ein Überbleibsel eines viel größeren Sees namens Lake Bonneville.
Obwohl Gletscher das größte Süßwasserreservoir darstellen, werden sie im Allgemeinen nicht als Wasserquelle genutzt, da sie zu weit von den meisten Menschen entfernt sind (Abbildung 7). Schmelzende Gletscher bieten eine natürliche Quelle für Flusswasser und Grundwasser. Während der letzten Eiszeit gab es bis zu 50% mehr Wasser in Gletschern als heute, was dazu führte, dass der Meeresspiegel etwa 100 m niedriger war. Im vergangenen Jahrhundert ist der Meeresspiegel teilweise aufgrund schmelzender Gletscher gestiegen. Wenn sich das Klima der Erde weiter erwärmt, werden die schmelzenden Gletscher einen zusätzlichen Anstieg des Meeresspiegels verursachen.
Grundwasserressourcen
Obwohl die meisten Menschen auf der Welt Oberflächenwasser nutzen, ist das Grundwasser ein viel größeres Reservoir an nutzbarem Süßwasser, das mehr als 30 Mal mehr Wasser enthält als Flüsse und Seen zusammen. Grundwasser ist eine besonders wichtige Ressource in ariden Klimazonen, in denen Oberflächenwasser knapp sein kann. Darüber hinaus ist Grundwasser die primäre Wasserquelle für ländliche Hausbesitzer und deckt 98% dieses Wasserbedarfs in den USA.. Grundwasser ist Wasser, das sich in kleinen Räumen, dem sogenannten Porenraum, zwischen Mineralkörnern und Brüchen in unterirdischen Erdmaterialien (Gestein oder Sediment) befindet. Das meiste Grundwasser stammt aus regen oder Schneeschmelze, die den Boden infiltriert und sich nach unten bewegt, bis sie die gesättigte Zone erreicht (wo das Grundwasser vollständig Porenräume in Erdmaterialien füllt).
Weitere Grundwasserquellen sind Versickerungen aus Oberflächenwasser (Seen, Flüsse, Stauseen und Sümpfe), absichtlich in den Boden gepumptes Oberflächenwasser, Bewässerung und unterirdische Abwasserbehandlungssysteme (Klärgruben). Aufladungsgebiete sind Orte, an denen Oberflächenwasser den Boden infiltriert, anstatt in Flüsse zu fließen oder zu verdampfen. Feuchtgebiete zum Beispiel sind ausgezeichnete Wiederaufladegebiete. Ein großer Bereich des unterirdischen, porösen Gesteins, der Wasser hält, ist ein Grundwasserleiter. Grundwasserleiter werden üblicherweise gebohrt und Brunnen installiert, um Wasser für die Landwirtschaft und den persönlichen Gebrauch bereitzustellen.
Wassernutzung in den USA und weltweit
Die Menschen benötigen Wasser, oft in großen Mengen, um die von ihnen verwendeten Lebensmittel, Energie und Bodenschätze zu produzieren. Betrachten wir zum Beispiel diesen ungefähren Wasserbedarf für einige Dinge, die Menschen in der entwickelten Welt jeden Tag verwenden: eine Tomate = 3 Gallonen; eine Kilowattstunde Strom aus einem thermoelektrischen Kraftwerk = 21 Gallonen; ein Laib Brot = 150 Gallonen; ein Pfund Rindfleisch = 1.600 Gallonen; und eine Tonne Stahl = 63.000 Gallonen. Menschen benötigen nur etwa 1 Gallone pro Tag, um zu überleben, aber eine typische Person in einem US-Haushalt verbraucht ungefähr 100 Gallonen pro Tag, einschließlich Kochen, Abwaschen von Geschirr und Kleidung, Spülen der Toilette und Baden. Der Wasserbedarf eines Gebiets hängt von der Bevölkerung und anderen Wassernutzungen ab.
Der globale Gesamtwassernutzung steigt stetig mit einer Rate größer als das Wachstum der Weltbevölkerung (Abbildung 10). Im Laufe des 20.Jahrhunderts verdreifachte sich die Weltbevölkerung und der Wasserbedarf wuchs um das Sechsfache. Der Anstieg des globalen Wasserbedarfs, der über das Bevölkerungswachstum hinausgeht, ist auf einen verbesserten Lebensstandard zurückzuführen, der nicht durch den Wasserschutz ausgeglichen wird. Eine erhöhte Produktion von Gütern und Energie führt zu einem starken Anstieg des Wasserbedarfs. Die wichtigsten globalen Wassernutzungen sind Bewässerung (68%), öffentliche Versorgung (21%) und Industrie (11%).
Namensnennung
Essentials of Environmental Science von Kamala Doršner ist lizenziert unter CC BY 4.0. Modifiziert vom Original von Matthew R. Fisher.