Der globale Wasserkreislauf bezieht sich auf die Gesamtheit an Wasser, welche durch Regen, Verdunstung und Abfluss über Land und Ozeane auf der ganzen Welt verteilt wird. Meist wird der Durchschnittswert des jährlichen Wassertransports auf der Welt betrachtet.
Das Wasser auf der Erde befindet sich in einem ständigen Kreislauf, wobei es alle Wasserreservoire durchläuft. Aufrechterhalten wird dieser Wasserkreislauf letztlich durch die Sonne und die Schwerkraft der Erde. Die Prozesse, die dadurch angetrieben werden, sind Niederschlag, Verdunstung und Abfluss. Vereinfacht gesehen verdunstet Wasser aus dem Ozean und über dem Land als Wasserdampf in die Atmosphäre. Hier kondensiert der Wasserdampf und fällt als Regen, Hagel oder Schnee wieder auf die Landoberflächen oder ins Meer zurück. Durch Verdunstung, Kondensation, Tauen und Gefrieren wandelt sich das Wasser ständig in verschiedene Aggregatzustände um – von flüssig zu gasförmig oder fest zu flüssig oder umgekehrt. Umwandlung und Transport des Wassers geschehen am schnellsten in der Atmosphäre. Der Ozean und besonders das Eis reagieren wesentlich langsamer.
Die Atmosphäre enthält nur 0,001 % des Wassers, das auf der Erde vorhanden ist. Sie spielt jedoch bei der Umverteilung des Wassers zwischen den Reservoirs eine wichtige Rolle. Die größten Wassermengen werden über Verdunstung und Niederschlag zwischen Ozean und Atmosphäre sowie dann zwischen Atmosphäre und Land ausgetauscht. Der dritte wichtige Austausch ist der zwischen Land und Ozean über den Transport der Flüsse. Das Eis spielt in diesem kurzen zeitlichen Prozess nur eine untergeordnete Rolle, was an den langsamen Reaktionszeiten der großen Eisschilde liegt.
Wasserkreislauf – Verdunstung in den Ozeanen
Der Ozean ist der größte Wasserlieferant der Atmosphäre. Dort verdunstet siebenmal so viel Wasser wie über dem Land. Ein großer Teil davon wird durch die atmosphärische Zirkulation über die Kontinente transportiert und fällt dort als Niederschlag. Daher fällt über dem Ozean etwa 50 000 km³ im Jahr weniger Niederschlag als an Wasser verdunstet. Das Defizit wird ausgeglichen durch Zuflüsse vom Land und durch Abschmelzen von Eis.
Niederschlag und Verdunstung sind über dem Ozean sehr ungleichmäßig verteilt. Die maximalen Verdunstungsgebiete liegen in den Subtropen, die in Anlehnung an die Terminologie bei Gletschern deshalb auch als Nährgebiete des Wasserkreislaufs bezeichnet werden. Die Zehrgebiete mit einem hohen Überschuss an Niederschlag findet man in den Tropen und den mittleren Breiten. Der Wasserkreislauf gewinnt also in den Subtropen Wasser durch Verdunstung aus dem Ozean. Die Höhe der Verdunstung in den Ozeanen ist abhängig von der Wasseraufnahmefähigkeit der Atmosphäre, die wiederum von der Temperatur abhängt. In den warmen Tropen und Subtropen verdunsten daher maximal über 200 cm/Jahr, in den kalten Polargebieten nur 60 cm und weniger. Die Niederschläge fallen über den Ozeanen dort, wo es in der Atmosphäre größere aufsteigende und sich abkühlende feuchte Luftmassen gibt.
Der Atlantik ist ein Gebiet mit einem Defizit an Wasser, wenn man das Verhältnis von Verdunstung und Niederschlag bei den einzelnen Ozeanen betrachtet. Einer der Gründe hierfür ist, dass im Atlantik relativ große subtropische Gebiete mit hohen Verdunstungsraten im Verhältnis zu den Gebieten der tropischen und gemäßigten Zone vorhanden sind. Dies lässt sich anhand des Salzgehalts des Oberflächenwassers erkennen, welches das Verhältnis von Niederschlag und Verdunstung widerlegt. Höhere Salzgehaltswerte findet man dort, wo die Verdunstung höher als der Niederschlag ist. Daneben spielen auch Transportvorgänge durch Meeresströmungen für die Salzgehaltsverteilung eine Rolle.
Der Atlantik ist ein mächtiger Exporteur von verdunstetem Wasser, sowohl in Richtung seiner angrenzenden Kontinente als auch zum Pazifik. Er ermöglicht es dem Wasserdampf, relativ ungehindert durch die Luftströmungen zu verteilt und auf den niedrigeren Landmassen zu regnen, während er über die schmale mittelamerikanische Landbrücke mehr Wasserdampf exportiert, als er über die weiten Kontinentalmassen Eurasiens, Nordamerikas und Afrikas erhält. Ausgleichend wirken hier die großen Flüsse, die in den Atlantik und seine Nebenmeere münden, sowie die thermohaline Zirkulation über den antarktischen Zirkumpolarstrom, die aufgrund des Wasserdampfexports des Atlantiks Richtung Pazifik durch den erhöhten Salzgehalt der erhöhten Wasserdichten entsteht. Der Dichteunterschied zwischen dem Atlantik und den anderen Ozeanen ist der Antriebsmotor der thermohalinen Zirkulation.
Der Pazifik ist ein Wasserüberschussgebiet, dank der ausgedehnten tropischen Regionen, die für eine reiche Niederschlagsmenge sorgen. Durch die hohen Randgebirge (Rocky Mountains, Anden) sind die angrenzenden Kontinente vom Ozean abgegrenzt, was den Transport von Wasserdampf aus dem Meer ins Innere der Kontinente begrenzt.
Wie die Atmosphäre unseren Planeten bewässert
Die Atmosphäre ist das wichtigste Transportmedium für Wasser. Sie nimmt das von Ozean und Land verdunstete Wasser auf, wandelt es in Wassertröpfchen oder Eiskristalle um und transportiert es über weite Strecken vom Ozean aufs Land oder umgekehrt. Dort fällt es dann in fester oder flüssiger Form aus der Atmosphäre wieder heraus. Während über dem Ozean die Verdunstung den Niederschlag übertrifft, ist es über dem Land umgekehrt. Netto transportiert die Atmosphäre also Wasser vom Ozean Richtung Land, und zwar etwa 9 % des über dem Ozean verdunsteten Wassers. Das hat zur Folge, dass etwa 35 % des über Land fallenden Niederschlags verdunstetes Ozeanwasser sind, das über die Atmosphäre herantransportiert wurde. Die Gesamtmenge des Wassers in der Atmosphäre von etwa 13 000 km³ wird dadurch mehr als 36 Mal im Jahr ausgetauscht.
Die meiste Wassermenge in der Atmosphäre ist als Wasserdampf vorhanden. Nur ein geringer Anteil von 0,25-0,3 % befindet sich in Wolken in Form von flüssigem Wasser oder Eis. Kondensiert sich dieser Dampf, so würde er im Mittel eine Schicht von 2,5 cm rund um die Erde bilden. Allerdings ist der Wasserdampf nicht gleichmäßig über den Erdball verteilt. So kann warme Luft mehr Wasser aufnehmen als kalte und daher wäre in den Tropen eine Schicht von 50 cm vorhanden, an den Polen hingegen nur 5 mm. Trotz hoher Temperaturen findet man sehr wenig Wasserdampf über subtropischen Wüstengebieten vor, da hier kaum verdunstbares Wasser vorhanden ist. Auch die vertikale Verteilung des Dampfes ist unterschiedlich. So befindet sich fast die Hälfte unterhalb von 1,5 km Höhe, während weniger als 5 % oberhalb der 5 km Marke liegen und unter 1 % in der Stratosphäre zu finden sind.
Weniger als 1 % des Wassers in der Atmosphäre ist in flüssiger oder fester Form in Wolken gebunden, obwohl diese die Erde zu mehr als 60 % bedecken. Diese Wolken sind jedoch ein notwendiger Bestandteil des Wasserkreislaufs, da sie das sichtbare Zeichen für kondensierten Wasserdampf sind und ohne sie es keinen Niederschlag geben würde. Kondensation kann entstehen, wenn der Sättigungsgrad des Wasserdampfs in der Luft überschritten wird, was in der Regel durch Abkühlung geschieht. Zudem sind Kondensationskerne in der Atmosphäre erforderlich, die aus festen oder flüssigen Aerosolen wie Staubkörnern, Sulphataerosolen usw. bestehen, um die herum der Wasserdampf kondensiert.
Die Wolkenbedeckung ist weltweit sehr ungleichmäßig verteilt. Wo es zur Anhebung von Luftmassen und damit verbundener Abkühlung kommt, gibt es viele Wolken, wo Luftmassen absinken und sich erwärmen, wenige. Luftmassen können durch Erwärmung aufsteigen – insbesondere in den Tropenzonen, die besonders an Gebirgen zum Aufsteigen gezwungen werden. Dies ist vorwiegend im Tiefdruckgebiet der mittleren Breite der Fall. Zusätzlich horizontal über weite Strecken verfrachtet wird sowohl durch die atmosphärische Zirkulation als auch von den Ozeanzyklen Wolkenbildung beeinflusst – bis hinein in den europäischen Kontinent; hier gibt es jedoch stark reduzierte Wolkenformation.
Die Verbreitung der Wolken und des Niederschlags hängen zusammen. Der größte Teil des Niederschlags fällt über den Ozeanen, wo auch die Verdunstung am höchsten ist. Auf globaler Ebene zeichnet sich eine zonale Gliederung ab, wie bei den Wolken. Die Tropen sind die Gebiete mit den deutlich höchsten Niederschlägen. Zwischen 30° nördlicher und 30° südlicher Breite fallen zwei Drittel des gesamten globalen Niederschlags. Während das globale Mittel bei 990 mm/Jahr liegt, fallen in den Tropen über 2000 und in manchen Regionen sogar über 3000 mm/Jahr. Ein sekundäres Maximum taucht infolge der Tiefdruckzugbahnen in den mittleren Breitengraden auf, wo etwa 1000 mm/Jahr fallen. Die Gebiete mit geringem Niederschlag sind die Trockengebiete der Subtropen und die polaren Regionen, wo weniger als 200 mm/Jahr im Jahr fallen.
Die Menge an Regen, die in einer bestimmten Region (z.B. 500×500 km) fällt, hängt nur zu einem geringen Teil von der Temperatur und Verdunstung in diesem Gebiet ab. Der Großteil des Wassers, das bei Niederschlagsereignissen auftritt, besteht aus Wasserdampf, der aus mehr oder weniger weiter Entfernung herangeführt wurde. Im Durchschnitt stammt rund 90 % des globalen Niederschlagswassers aus Wasserdampf. Der Anteil des herangeführten Wasserdampfs am Gesamtwasserdampf, der sich über einem bestimmten Gebiet in Niederschlag verwandelt, ist über dem Land höher als über den Ozeanen und im Winter höher als im Sommer. Für den Wasserdampftransport sind atmosphärische Zirkulationssysteme von entscheidender Bedeutung, zum Beispiel die tropischen Monsune und subtropischen Passatwinde in den niedrigeren Breitengraden sowie die durch den Jetstream gesteuerten Zugbahnen der Tiefdruckgebiete in mittleren und hohen Breitengraden.
Die Landoberfläche – eigenständiger Wasserkreislauf
Das Land ist mit dem Kreislauf des Ozeans verbunden und hat gleichzeitig auch einen eigenen Wasserkreislauf. Es empfängt von den Weltmeeren große Mengen Niederschlag und gibt diese durch Abflüsse wie Flüsse und Grundwasser wieder an das Meer ab. So etwa 35 % des über Land fallenden Niederschlags ursprünglich über den Ozean verdunstet. Dies bedeutet aber auch, dass 65 % des terrestrischen Niederschlags innerhalb der Landmassen selbst verdunstet wird. Anders als beim Ozean hängt die Verdunstung über dem Land nicht nur von der Wasserdampfaufnahme der Atmosphäre ab, sondern wird zum Teil entscheidend durch das vorhandene Wasser bestimmt. Die unterschiedliche Gestaltung der Oberflächen von Wüsten bis hin zu Schnee bedeckten Flächen und offenen Gewässern führt zu verschiedenartigen Verdunstungsformen und -leistungen.
Wasserdampf, der direkt von verschiedenen Oberflächen aufsteigt, wird als Evaporation bezeichnet, während ungenutzte Verdunstung von Pflanzenoberflächen als Interzeption definiert wird. Ebenso ist die Transpiration, die Verdunstung von bereits aufgenommenem Wasser durch die Spaltöffnungen der Blätter, ein weiterer wichtiger Faktor. Wälder spielen eine besondere Rolle im terrestrischen Wasserkreislauf, da sie deutlich mehr Wasser verdunsten als z.B. Ackerland, wo mehr Niederschläge versickern oder abfließen. In den mittleren Breiten tragen Wälder zu 70 % des Niederschlags durch Verdunstung bei, während es auf Ackerland nur ungefähr 50 % sind. In den Tropen sind sie im Hinblick auf regionale Wasserkreisläufe ein wichtiger Stabilitätsfaktor.
