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Lexikon der Geowissenschaften: Verdunstungsprozeß

Verdunstungsprozeß, Prozeß, bei dem Wasser bei Temperaturen unter dem Siedepunkt vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht. Wassermoleküle lösen sich aus dem Molekülverband und entweichen durch die Flüssigkeitsoberfläche in die Atmosphäre ( Abb. 1). Dabei werden Wassermoleküle mit höherer Molekulargeschwindigkeit aus dem Wasserverband herausgelöst und treten in die Atmosphäre über. Die Bewegung der Moleküle ist sowohl im Wasserverband als auch in der Atmosphäre richtungs- und geschwindigkeitsmäßig zufalls- (normal-) verteilt (Brownsche Molekularbewegung). Die Zahl der austretenden Moleküle nimmt mit steigender Temperatur zu. Sie leisten dabei Arbeit gegen die Oberflächenspannung. Hierzu ist Energie erforderlich, die im natürlichen Wasserkreislauf hauptsächlich der Strahlung, aber auch der Körper- (Wasser-, Bodenwärme) und der Luftwärme entnommen wird. Da die schnelleren Flüssigkeitsmoleküle die Oberfläche am leichtesten durchbrechen, sinkt die mittlere Molekulargeschwindigkeit in der Flüssigkeit. Die verdampfende Flüssigkeit kühlt dabei ab. Die Verdunstungsswärme rv wird latent mit dem Wasserdampfstrom weggeführt.

Die herausgetretenen Moleküle werden in der sich unmittelbar über der dem Wasser befindlichen Schicht angereichert. Auch hier bewegen sie sich zufällig. Einige der Moleküle verlieren ihre Energie und werden wieder vom Wasserverband eingefangen. Die Rate der wiedereintretenden Moleküle ist proportional der Konzentration der Moleküle in dieser Schicht. Wenn die Zahl der aus- und eintretenden Moleküle gleich ist, ist ein Gleichgewichtszustand (Sättigungsdampfdruck) erreicht. Man spricht auch von einer wassergesättigten laminaren Grenzschicht. Sie bildet sich nur unmittelbar über der Wasserfläche aus und hat eine Schichtdicke von wenigen Millimetern. Der Sättigungsdampfdruck es ist von der Temperatur T abhängig und wird durch die Formel:



beschrieben. In dem über der wassergesättigten laminaren Grenzschicht liegenden Bereich besteht meist ein Sättigungsdefizit. In diese Schicht hinein defundieren die aus dem Wasserverband in die Grenzschicht ausgetretenen Moleküle. Durch dieses Wasserdampfdruckgefälle entsteht eine Saugkraft, die der Erd- oder Wasseroberfläche ständig weiteres Wasser entzieht.

Das verdunstende Wasservolumen E ergibt sich aus der Menge der sich von der gesättigten in die darüberliegende, meist ungesättigte Schicht bewegenden Moleküle. Es ist proportional dem Dampfdruckgefälle zwischen der Wasseroberfläche mit dem Dampfdruck es(To) und der darüberliegenden Schicht mit dem Dampfdruck eL (Dalton-Gesetz):

E=f*·(es(To)-eL).

Dabei ist f* ein von der Windgeschwindigkeit abhängender Koeffizient, der den Abtransport des Wasserdampfes an der oberflächennahen Schicht kennzeichnet. Die Bedeutung der laminaren Grenzschicht ergibt sich aus dem sehr langsamen molekularen Transport mit einem molekularen Diffusionskoeffizient (Diffusion) von 10-20 mm2/s. Der Wind greift turbulent in diese Schicht ein und transportiert mit dem turbulenten Diffusionskoeffizienten von etwa 200.000 mm2/s Wasserdampf ab. Dabei wird durch die Windgeschwindigkeit die meist mit Wasserdampf angereicherte Luft durch Luft mit geringerem Wasserdampfgehalt ausgetauscht. Das Dalton-Gesetz gilt sowohl für freies Wasser als auch für Schnee, Eis und befeuchtete Böden. Die Gleichung von Dalton bildet die Grundlage vieler Verdunstungsverfahren. Physikalisch hängt die Verdunstung weiter von der an der Oberfläche zur Verfügung stehenden Energie ab.

Der Wasserentzug der Erdoberfläche durch Verdunstung wird durch Bindungskräfte des Wassers im verdunstenden Körper (Wasseroberfläche, Boden, Pflanzen) verzögert. Es steht nicht immer Wasser zur Verdunstung zur Verfügung. Wenn die Oberfläche nicht gerade naß ist, muß das zur Verdunstung kommende Wasser erst an die Oberfläche transportiert werden.

Die potentielle Energie des Bodenwassers an einer bestimmten Stelle im Boden resultiert aus einer Anzahl von Kräften, die auf das Bodenwasser einwirken. Die wichtigsten sind Adhäsions- und Kohäsionskräfte sowie die Schwerkraft. Da an verschiedenen Stellen im Boden sich die Summen aller einwirkenden Kräfte unterscheiden, treten Differenzen der potentiellen Energie auf, und es findet eine Wasserbewegung statt. Die Transportvorgänge des Wassers im Boden werden durch die unterschiedlichen partiellen Wasserpotentiale in der Luft und im Boden und durch die Luftbewegung zum Abtransport des verdunsteten Wassers beeinflußt ( Abb. 2).

Neben den physikalischen Prozessen beeinflussen biologische Vorgänge in den Pflanzen erheblich die Evapotranspiration. Die Pflanzen benötigen für den optimalen Ablauf ihrer Lebensprozesse einen bestimmten Quellungszustand des Protoplasmas (Zellinhalt) und einen der Zelle Festigkeit verleihenden Innendruck (Turgeszens, Tugorspannung). Sie erreichen diesen fast ausschließlich durch Entnahme von Wasser aus dem Boden. Dabei erfolgt zugleich ein Teil der Nährstoffversorgung. Der überwiegende Anteil der Nährstoffanlieferung an die Pflanzenwurzeln erfolgt durch Diffusion. Der Aufstieg des Wassers aus dem Boden in die Pflanzenwurzeln sowie der Übergang aus den Blättern in die Luft folgt dem jeweiligen Potentialgefälle ( Abb. 3). Das Wasserpotential ist in der Wurzel am größten. Der Wasserfluß folgt immer in Richtung abnehmender Potentiale. Am geringsten ist das Wasserdampfpotential in der Luft. Osmotische Potentialunterschiede zwischen dem Bodenwasser und dem Saftstrom der Pflanzenzellen tragen zum Wasseraufstieg in den Pflanzen bei.

In den Pflanzen wird das aufgenommene Wasser zu einem geringen Teil ( l%) durch Assimilation gebunden. Der weitaus größte Teil verdunstet aus den Spaltöffnungen der Blätter, den Stomata, in die Atmosphäre (stomatäre Transpiration). Ein geringer Teil des Wassers entweicht durch die Epidermis der Blätter (cuticuläre Transpiration). Beide Vorgänge zusammen bilden die Transpiration. Auch wenn die Pflanzen nicht mehr wachsen, transpirieren sie bei ausreichendem Wasserangebot bis zu ihrer Abreife. Neben der Transpiration können bestimmte Pflanzen aus besonderen Wasserspalten (Hydatoden) an bestimmten Stellen der Blätter Wassertropfen abscheiden (Guttation).

Die Pflanzen steuern durch Öffnen der Stomata die Transpiration (Stomatawiderstand). Sie reagieren damit auf schwankende Wasserpotentiale in den Schließzellen der Stomataöffnungen und beeinflussen auch die Photosyntheseleistung der Pflanze. Wenn der osmotische und der hydraulische Druck in den Schließzellen unter bestimmte Grenzen fallen, schließen sich die Stomata vollständig. Diese Grenzen hängen von der Pflanzenart ab. Der gleiche Vorgang läuft bei Dunkelheit ab, da keine Photosynthese stattfinden kann. Die Wasseraufnahme aus dem Boden findet solange bei geschlossenen Stomata statt, bis der Potentialausgleich zum Bodenwasser erfolgt ist ( Abb. 4). Mit dem Wachstum der Wurzeln und der oberirdischen Pflanzenteile nehmen die Wasserpotentiale von Boden, Wurzeln und Blättern während der Vegetationszeit zunächst zu.

Die Transpiration verschiedener Pflanzenarten weist bedeutende Unterschiede auf. Wildpflanzen sind auf ihren natürlichen Standorten an die vorherrschenden Wasser- und Verdunstungsbedingungen angepaßt. Durch landwirtschaftlich-technische Maßnahmen (Wasserbodenbearbeitung, Bewässerung, Dränung) können für die Kulturpflanzen günstigere Wasserverhältnisse geschaffen werden. Die maximale Transpiration tritt bei ausreichendem Wasserdargebot (geringe Wasserspannung) ein. Unter definierten Bedingungen wird sie als potentielle Transpiration bezeichnet. Diese Bedingungen sind gewöhnlich im Winter und im beginnenden Frühjahr gegeben. Bei niedriger Wasserspannung im Boden (hoher Bodenfeuchte nach ergiebigen Niederschlägen) oder bei geringem Verdunstungsanspruch der Luft können solche Bedingungen auch im Sommer vorkommen.

Wenn der pflanzliche Wasserentzug im Hauptwurzelraum nicht durch Zugang von Niederschlags- oder kapillar aufsteigendes Grundwasser ausgeglichen wird, steigt in der unmittelbaren Umgebung der Wurzeln die Bodenwasserspannung. Als Folge tritt eine Verringerung des Matrixpotentials ein. Hierdurch nimmt das Potentialgefälle gegenüber den Wurzeln ab. Gleichzeitig sinkt die Wasserleitfähigkeit des Bodens. Durch beides wird eine Herabsetzung der Wassernachlieferung an die Wurzeln bewirkt. Die durch den Pflanzenbestand an die Luft abgegebene Wassermenge kann nicht mehr den Betrag erreichen, die dem Verdunstungsanspruch der Luft entsprechen würde. Die relative Transpirationsrate mit steigender Bodenwasserspannung (d.h. abnehmender Bodenfeuchte) nimmt um so stärker ab, je höher die potentielle Transpiration ist. Auf sehr feuchten, meist staunassen Standorten kann auch eine Einschränkung der Transpiration auftreten, wenn bei nicht angepaßten Kulturen der Gasaustausch der Wurzeln behindert ist. Dagegen erreichen Pflanzen, die physiologisch an feuchte Standorte angepaßt sind, wie z.B. Schilf, nur dort ihre potentielle Transpiration. Bei bewachsenen Flächen erfolgt neben der Transpiration auch eine Verdunstung von der obersten Bodenschicht (Evaporation) und ggf. eine Abtrocknung der von Niederschlägen feuchten Pflanzenteile (Interzeptionsverdunstung).

Somit wird klar, daß der physikalische Verdunstungsvorgang in dem aus Boden, Pflanze und Atmosphäre bestehenden System von einer Reihe externer Parameter abhängt, die sich gegenseitig beeinflussen. Das hat zur Folge, daß die Ermittlung der realen Verdunstung von Landoberflächen zu einem komplexen Problem wird, dessen exakte Lösung nicht mit einfachen Mitteln möglich ist. [HJL]


Verdunstungsprozeß 1: schematische Darstellung des Flusses und der Bewegung der Wassermoleküle über einer Wasseroberfläche mit TO=Temperatur der Wasseroberfläche, TL=Temperatur der darüberliegenden Luftschicht, eL=Wasserdamdruck der Luft, es=Wasserdampfdruck an der Wasseroberfläche (Sättigungsdampfdruck). Verdunstungsprozeß 1:

Verdunstungsprozeß 2: schematische Darstellung des Tagesganges der Wasserpotentiale von Boden (ψm), Wurzeln (ψW), Blättern (ψB) und Luft (ψL) für fünf aufeinanderfolgende niederschlagsfreie Tage (Tag: Tmax=22ºC, relative Luftfeuchte=36%; Nacht: Tmin=10ºC, relative Luftfeuchte=80%). Verdunstungsprozeß 2:

Verdunstungsprozeß 3: Wasseraufnahme und Transportweg des Wassers durch das Wurzelsystem einer Pflanze. Verdunstungsprozeß 3:

Verdunstungsprozeß 4: schematische Darstellung der Wasserabgabe einer Pflanze aus den Blättern mit Detaildarstellung des Spaltöffnungsapparates. Verdunstungsprozeß 4:

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