Wind

Was uns bei den Whalewatching-Ausfahrten an manchen Tagen einen Strich durch die Rechnung macht, sorgt für Freude bei Surfern und Kitern. Wind ist im spanischen Städtchen Tarifa ein Dauerthema. Schauen wir uns an, warum die Straße von Gibraltar so windreich ist und welche Auswirkungen das hat.

Wie entsteht Wind?

Ist dir schon einmal aufgefallen, dass am Strand immer ein kühler Wind weht? Warum eigentlich?

Wasser heizt sich langsamer auf als Sand. Wenn du mittags barfuß über den Strand läufst, ist der ganz schön heiß. Im Wasser ist es aber angenehm kühl. Am späten Abend hingegen kommt dir das Wasser wärmer vor als der Sand. Grund dafür ist die höhere Wärmekapazität von Wasser – es wärmt sich langsamer auf und kühlt sich auch nur langsamer wieder ab.

Sand erwärmt sich unter Sonneneinstrahlung schneller als Wasser. Somit heizt sich auch die Luft über dem Land auf. Warme Luft steigt nach oben. Dabei zieht sie die kühlere Luft vom Meer nach – so entsteht Seewind.

Verhältnis Wasser zur Größe der Erde

Wusstest du übrigens, dass 97 Prozent des Wassers auf der Erde Meerwasser ist? Nur 3 Prozent sind Süßwasser, wovon etwa 2/3 als Eis in Gletschern und an den Polen vorkommen. Das übrige eine Prozent steckt zum großen Teil im Grundwasser. Nur etwa 0,3 Prozent des Süßwassers verteilt sich auf Seen, Flüsse und Sümpfe.

Schauen wir uns aber ein paar besondere Eigenschaften von Wasser an und lösen wir damit ein paar Fragen aus dem Alltag, über die du vielleicht auch schon gegrübelt hast.

Wasser und Wärme

Ist dir schon einmal aufgefallen, dass wir eine Raumtemperatur von 30°C als zu warm, aber die gleiche Badewassertemperatur als zu kalt empfinden? Schuld daran ist die Wärmeleitfähigkeit von Wasser, die mit 0,56 etwa zwanzig mal höher ist als die von Luft (0,026). Etwa 6 Grad kälter als unsere Körpertemperatur, leitet das Wasser permanent Wärme aus unserem Körper ab. Und wir fangen an zu frieren … oder lassen heißes Wasser nach.

In der Technik macht man sich die Wärmeleitfähigkeit von Wasser zum Beispiel beim Kühlen von Motoren oder Kraftwerken zunutze. In der Natur bewirkt diese Wärmeleitfähigkeit, dass bei höheren Lufttemperaturen das Wasser der Luft Wärme entzieht. An der Küste ist es deshalb im Sommer normalerweise kühler als im Landesinneren.

Hinzu kommt die hohe spezifische Wärmekapazität von Wasser – seine Fähigkeit, Wärme zu speichern. Wasser gibt Wärme nur sehr langsam wieder an seine Umgebung ab, weshalb Küstengebiete im Winter tendenziell wärmer sind als das Landesinnere. Auch Warmwasserheizungen nutzen dieses Prinzip.

Der Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität von Wasser haben wir außerdem zu verdanken, dass der menschengemachte Klimawandel nicht noch schneller vonstatten geht: Zurzeit nehmen die Ozeane noch viel Wärme aus der Atmosphäre auf und speichern diese.

Die Dichte von Wasser

Aus dem Physikunterricht wissen wir, dass sich Stoffe bei Wärme ausdehnen und bei Kälte zusammenziehen … und das Wasser eine Ausnahme ist. Seine größte Dichte hat Wasser bei etwa 4°C. Bei Temperaturen darunter und darüber hat Wasser eine geringere Dichte.

Das gilt aber nur für Süßwasser. Die Dichte ist nämlich nicht nur abhängig von der Temperatur, sondern auch von im Wasser gelösten Stoffen. Durch den Salzgehalt ist Meerwasser an sich schon dichter und schwerer als Süßwasser, seine Dichte nimmt aber auch unterhalb von 4°C noch weiter zu. Bei einem Salzgehalt von einem Prozent liegt die größte Dichte von Salzwasser bei 2°C, beim durchschnittlichen Salzgehalt der Ozeane liegt das Dichtemaximum sogar deutlich unter 0°C.

Das Salz beeinflusst außerdem den Gefrierpunkt von Wasser, welcher normalerweise bei 0°C liegt. Je höher der Salzgehalt, desto niedriger der Gefrierpunkt. In den Polarmeeren  gibt es  bis zu -1,9°C kaltes flüssiges Wasser. Die dort lebenden Fische müssen Substanzen bilden, die verhindern, dass ihr Blut gefriert.

Die Dichte des Wassers wird auch damit in Zusammenhang gebracht, dass der Golfstrom zum Erliegen kommen könnte. Durch die Eisschmelze am Nordpol nimmt der Salzgehalt im Polarmeer ab, wodurch sich die Wasserdichte verringert und das Wasser schlechter absinken kann. Im folgenden Video ist das sehr gut erklärt.

Auftriebskraft

Im Wasser kommen uns Gegenstände plötzlich viel leichter vor, wir selbst fühlen uns fast schwerelos.

Warum ist das so? Grund dafür ist die Auftriebskraft. Sie ist einerseits abhängig von der Dichte des Wassers und andererseits vom Gewicht und der Dichte des jeweiligen Körpers.

Je höher der Salzgehalt des Wassers, desto leichter fühlen wir uns – im Toten Meer mit seinem extrem hohen Salzgehalt kann man sogar im Wasser liegend Zeitung lesen. Doch nicht alles schwimmt im Wasser – vieles sinkt trotzdem zu Boden. Gewicht und die Dichte des eingetauchten Körpers spielen nämlich ebenfalls eine wichtige Rolle.

Mach doch einmal folgenden Versuch: Atme tief ein und lass dich dann im Wasser hängen. Durch die Luft in den Lungen hat dein Körper eine geringere Dichte und du treibst an der Wasseroberfläche. Wenn du jetzt ausatmest, nimmt deine Körperdichte zu und du sinkst langsam nach unten. Im Süßwasser ist der Effekt natürlich stärker als im Meerwasser, wo das Wasser durch den Salzgehalt dichter ist.

Viele Fische haben eine Schwimmblase. So können sie die Auftriebskraft selbst regulieren und in einer bestimmten Wassertiefe schweben.

Hydrostatischer Druck

Wenn wir tauchen, lastet auf uns das Gewicht der Wassersäule über uns. Wasser hat ein Gewicht von etwa einem Kilogramm pro Liter. Pro zehn Meter Wassertiefe befindet sich über jedem Quadratzentimeter unseres Körpers ein Liter Wasser. Ein Quadratzentimeter – das ist etwa die Größe eines Fingernagels. Stell doch mal eine Plastikflasche mit einem Liter Wasser auf deinen Fingernagel, dann bekommst du in etwa ein Gefühl dafür, wie groß der Druck in zehn Metern Tiefe ist. Die Straße von Gibraltar ist etwa 900 Meter tief, das wären 90 Wasserflaschen! Pro Quadratzentimeter! Aber so tief kann ein Mensch gar nicht tauchen.

Welchen Effekt hat der höhere Druck auf uns Menschen?

Zunächst macht sich ähnlich wie beim Fahrstuhlfahren ein Druck auf den Ohren bemerkbar. Je tiefer wir kommen, desto stärker werden die Hohlräume in unserem Körper zusammengepresst.

Für Sporttaucher gilt eine maximale Tauchtiefe von 40 Metern. Der hohe Druck in dieser Tiefe kann zu Schmerzen im Kopf und in der Brust führen. Ab etwa 66 Meter bewirkt der Druck sogar, dass die normale Luftmischung toxisch wird – Taucher brauchen hier ein spezielles Atemgemisch. Gehen wir noch tiefer, ist außerdem ein Panzertauchanzug nötig, damit wir nicht zerquetscht werden. Und trotzdem gibt es Extremsportler, die über die Grenzen des Möglichen hinausgehen: Der Tiefenrekord ohne Panzertauchanzug liegt bei 332 Metern.

Anpassung der Tiefsee-Bewohner

Die Tiere in der Tiefsee haben sich auf ihre Weise an den hohen Druck angepasst. Sie besitzen oft nur wenige Knochen und Muskeln; manche Tiere bestehen bis zu 99,9 Prozent aus Wasser, das sich nicht komprimieren lässt.

Aber wie hält der Pottwal dem großen Druck in der Tiefe stand? Er kann ja bis zu 3000 Meter tief tauchen, ist aber als Säugetier wie wir auf Lungenatmung angewiesen. Die Lunge des Wals ist jedoch im Verhältnis zum Körper nur halb so groß wie bei Landsäugetieren. Experten gehen davon aus, dass die Luft fast vollständig in den Blutkreislauf hineingepresst und gelöst wird, wordurch Hohlräume im Körper reduziert werden. Die Rippen der Pottwale sind außerdem flexibel und können so dem Druck in der Tiefe nachgeben.

Sicht und Akustik

Hast du schon einmal die Sekunden zwischen Blitz und Donner gezählt und dann die Entfernung des Gewitters berechnet? Blitz und Donner entstehen nämlich gleichzeitig, Licht (ca. 300.000 km/s) breitet sich aber viel schneller aus als Schall (340 m/s). Die Sekunden bis zum Donner mit der Schallgeschwindigkeit multipliziert, ergibt die Entfernung des Gewitters.

Wie verhalten sich Licht und Schall unter Wasser?

Die Lichtgeschwindigkeit im Wasser ist ca. 25 Prozent geringer als in der Luft, mit 225.000 km/h jedoch trotzdem noch sehr beachtlicht. Doch mehr als 60 Meter können wir unter Wasser nicht sehen. Schwebeteilchen reflektieren das Licht und werfen Schatten. Objekte in mehreren Metern Entfernung sind daher oft schon nicht mehr scharf zu erkennen.

Schall hingegen breitet sich unter Wasser mit etwa 1500 m/s mehr als viermal so schnell aus wie über Wasser. Im Video kannst du dir das (auch in Zeitlupe) ansehen.

Die schnellere Ausbreitung liegt an der höheren Dichte von Wasser. Da Schall im Wasser außerdem deutlich weniger absorbiert wird, sind tieffrequente Töne über riesige Distanzen hörbar. Einige der großen Walarten halten so über tausende Kilometer Verbindung zu ihren Artgenossen.

Durch menschliche Aktivitäten werden die Meere aber immer lauter: die Motoren von Schiffen, Untersuchungen des Meeresbodens sowie der Bau von Häfen, Ölbohrinseln, Windkraftanlagen usw. stören und stressen viele Meerestiere und erschweren deren Kommunikation. Die Versauerung der Ozeane vermindert zudem die Schalldämpfung noch mehr. Der Lärmpegel unter Wasser wird also weiter ansteigen, wenn wir nichts dagegen unternehmen.

Zusammenfassung

In dieser Lerneinheit hast du ein paar interessante Eigenschaften von Wasser kennengelernt. Mach den Test und schau, ob du dir alles Wichtige gemerkt hast.

Wie möchtest du weitermachen?

Was interessiert dich als Nächstes? Möchtest du weitere Lernthemen auf firmm-education entdecken oder noch tiefer in die Physik des Wassers eindringen? Für beides haben wir hier ein paar Empfehlungen.

Lernthemen-Empfehlungen

Passend zu den hier angesprochenen Punkten könntest du mit einem der folgenden Themen fortzufahren:

Quellen und Zusatzinfos

Du möchstest noch mehr über die Eigenschaften von Wasser erfahren? In unseren Quellen für dieses Lernthema findest du viele zusätzliche Informationen:

Stiftung firmm

Die Stiftung firmm setzt sich aktiv für die Erforschung und den Schutz von Walen und Delfinen und ihres Lebensraums Meer ein.

Unser Standort Tarifa an der Straße von Gibraltar dient als Forschungs­station und bietet allen Besuchern die Möglich­keit, die faszinierenden Meeressäugetiere in ihrem natürlichen Lebens­raum zu erleben.