Wasser zurückhalten, speichern und verdunsten

Reparatur der Landschaft

von:
Extremwetter Klimagerechte Landschaftsplanung
Die Verringerung von Wasserrückhalteelementen (Bodenorganik, Entwässerung) und der Rückbau von Verdunstungsstrukturen (Waldrückgang, Versiegelung, Präferenz Weizenanbau) führen zu stärkerem Auftrieb, höherer Lufttemperatur und geringerer relativer Luftfeuchte. Hierdurch verringert sich die Regenwahrscheinlichkeit auf diesen Flächen. Es entstehen weniger kleine Wasserkreisläufe und insgesamt höhere Lufttemperaturen. Hierdurch wiederum erhöht sich der Wassergehalt in der Luft und es kommt zu mehr Starkregen- und Hochwasserereignissen. Abbildung: M. Buchholz

In Mittel- und Südeuropa gab es in den vergangenen vier Jahren gleich drei Vegetationsperioden mit außergewöhnlicher und extremer Trockenheit. Als allgemeine Erklärung hierfür wird kurz und knapp der Klimawandel hervorgehoben. Als Maßnahme gegen die Trockenheit gilt es demnach vor allem, den globalen Kohlendioxidausstoß zu verringern und ansonsten Maßnahmen der Anpassung und der Abmilderung vorzunehmen, etwa durch mehr Grün in den Städten oder durch die Vergrößerung von Waldflächen bei erneuter Bindung des Kohlendioxids.

Aber ist es nicht umgekehrt, wurden nicht innerhalb von etwa zwei Jahrhunderten durch menschliche Nutzung Flächen in der Landschaft überbeansprucht, kontinuierlich und in steigendem Maße Rückhalteflächen für Wasser trockengelegt, die Vielfalt in den Wäldern dezimiert, Naturräume versiegelt und überstellt, landwirtschaftliche Flächen in ihrer Nutzung intensiviert? Sollten wir also von Anpassung an den Klimawandel sprechen oder doch vielmehr von Reparatur der Landschaft?

Reparatur und Wiederinstandsetzung eines Naturhaushalts, der einmal das regionale Klima insbesondere durch die Verdunstungsleistung von Pflanzen reguliert hat und der heute langsam, aber dynamisch zunehmend endgültig einbricht. Es wurde in langsam ansteigendem, aber kontinuierlichen Maße diejenige Regulierungsfunktion von Pflanzen eingeschränkt, die Wasservorräte auch in trockenen Perioden erschließen, die durch Verdunstung Kälte erzeugen und die damit eine essenzielle Grundlage für erneute Regenfälle schaffen.

Es ist doch relativ einfach und völlig unumstritten so: Auf einer trockenen Fläche mit wenig oder keiner Vegetation entsteht bei solarer Einstrahlung warme, trockene Luft. Diese ist leicht und steigt auf. Auf diesem Weg vermischt sie sich mit der Luft, die durch Wind aus Regionen herantransportiert wird, in denen zuvor Wasser verdunstet wurde, also etwa über dem Meer oder über der Landschaft in benachbarten Regionen.

Die relative Luftfeuchtigkeit dieser heranströmenden Luft wird bei der Durchmischung mit aufsteigender, trockener und heißer Luft herabgesetzt. Sie entfernt sich vom Taupunkt, der erreicht werden müsste, damit sich Wassertropfen bilden, sich vergrößern und schließlich als Regentropfen herabfallen. Mit dem Wind kommen auch Regenwolken, die bereits zahlreiche solcher Tropfen enthalten, aber man spricht immer nur von einer Regenwahrscheinlichkeit. Regional sich bildende, trockene und heiße Luft verringert die Regenwahrscheinlichkeit. Die winzigen Tropfen in einer Wolke können in Kontakt mit trockener, aufsteigender Luft auch wieder verdunsten, Wolken ziehen ohne Regen vorbei oder lösen sich sogar auf.

Eine Region mit Wasserarmut verzeichnet auch eine verringerte Photosyntheseleistung. Wasser ist ein elementarer Wachstumsfaktor. Es wird somit weniger Kohlendioxid aus der Luft aufgenommen und in Biomasse gespeichert. Über einer Fläche mit hoher Verdunstung, etwa einem ausgewachsenen Laubwald, passiert etwas ganz anderes. Die Energie der solaren Strahlung wird dort direkt in die Verdunstung von Wasser gewandelt, ohne dabei die Luft zu erwärmen. Die Energie steckt dann im Wasserdampf als sogenannte latente, also nicht fühlbare Wärme.

Es gibt in einer solchen Region deutlich weniger aufsteigende Luft. Kältere Luft ist schwer und bleibt am Boden. Das verdunstete Wasser bleibt tendenziell eher in der Region und kann bei Abkühlung, etwa in der Nacht oder am nächsten Morgen wieder kondensieren und steht dem Naturraum wieder zur Verfügung. Durch die erhöhte Luftfeuchtigkeit steigt dabei die Regenwahrscheinlichkeit. Die Tropfen in einer Wolke wachsen in Kontakt mit umgebender Luftfeuchte und fallen letztlich als Regentropfen herab. Auch hierin enthalten sind die Wasseranteile, die in der Region gerade zuvor verdunstet wurden. Es bilden sich sogenannte regionale, "kleine" Wasserkreisläufe, die den Vorgang verstärken.

Flächen mit ausreichender Verfügbarkeit von Wasser haben eine erhöhte Photosyntheseleistung. Kohlendioxid in der Luft wird von den Pflanzen aufgenommen und gespeichert. Die Erhöhung des Kohlendioxidgehalts in der Luft ist umgekehrt demnach nicht nur der Verbrennung von fossilen Energiequellen zuzuschreiben, sondern auch der verringerten Verwertung innerhalb der Pflanzen. Es steht zwar durch den globalen Anstieg in der Luft mehr Kohlendioxid für die Photosynthese bereit, aber durch verringerte Wasservorräte, durch dezimierte und übernutzte Flächen oder durch Schädlingsbefall, verringert sich die Photosyntheseleistung und damit auch der Abbau von Kohlendioxid in der Luft.

Es gibt einen Klimawandel und er ist vom Menschen verursacht. Der Klimawandel verzeichnet eine globale, mittlere Temperaturerhöhung. An heißen und trockenen Standorten verstärkt sich die Trockenheit durch eine erhöhte Temperatur. Durch weltweit erhöhte Temperaturen verdunstet aber auch mehr Wasser aus den Weltmeeren und dort, wo Wasser verfügbar ist, verdunstet auch auf den Landflächen mehr Wasser über Vegetationsflächen oder über Oberflächengewässer.

Nach der Logik der Verdunstung und der Verdunstungskühlung regnet es auf diesen Flächen auch vermehrt. Es kommt mitunter zu heftigen Regenfällen und damit zeitweise zu Überschwemmungen. In Mitteleuropa gibt es in scheinbar zufälliger Abfolge beide Phänomene - extreme und selbstverstärkende Trockenheit, vor allem im Sommer, wie auch heftige Regenfälle über das Jahr verteilt. Es ist wie eine Fieberkurve mit Schweißausbruch und Schüttelfrost.

Offensichtlich fehlt immer mehr eine dämpfende, gesunde Fähigkeit zur Rückhaltung von Wasser auf den Landoberflächen, die Überschwemmungen im Bereich der Flusstäler verhindert und gleichzeitig Wasser für trockenere Perioden zurückhält.

Das betrifft die Abnahme der organischen Bestandteile des Bodens, die zusammen mit den mineralischen Partikeln die Wasserhaltefähigkeit des Bodens verbessern. Es betrifft das organische Material von abgestorbenem, verwittertem Holz auf dem Waldboden. Es betrifft die Begradigung des Reliefs in der Landschaft und das Wegnivellieren von Mulden, die Wasser aufhalten. Es ist auch die Ackerfurche, die Bergab verläuft und das Wasser abführt, anstelle von horizontalen Furchen, die das Wasser aufhält und versickern lässt. Es ist die Trockenlegung von Mooren und Feuchtgebieten über Entwässerungsgräben, um eine standardmäßige Landwirtschaft mit lukrativen Pflanzen auf mäßig feuchten Böden zu ermöglichen.

Es fehlen heute auch die Kleinwasserkraftwerke mit aufstaubaren Wasservolumen, von denen es vor den Weltkriegen in Deutschland noch über 100.000 Exemplare gab. Es betrifft die Entnahme von Wasser aus dem Boden und die Rückführung von Abwasser in die Vorflut der Flussabläufe ohne erneute Versickerung oder Verdunstung und ohne Verwertung der darin gelösten Pflanzennährstoffe. Es betrifft die Sammlung von Wasser auf Straßen, Plätzen und Dächern und die direkte Ableitung in die Oberflächengewässer. Die Aufzählung von Beispielen einer verminderten Wasserrückhaltung lässt sich fast beliebig fortführen. Es betrifft Stadt und Land und wirkt nicht punktuell, sondern auf der gesamten Fläche.

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Extremwetter Klimagerechte Landschaftsplanung
Das gesamte Klarwasser aus Kläranlagen sollte im Umland von Städten in den Sommermonaten komplett verdunstet werden. Das Beispiel hier zeigt ein Konzept zur Verteilung von Klarwasser aus drei Klärwerken im Süden von Berlin auf Flächen von ehemaligen Rieselfeldern sowie in Niederungsgebieten. Auf dort realisierten, bewirtschafteten Schilfpoldern und Weichholzwäldern können nachwachsende Rohstoffe angebaut werden. Auf diese Weise werden die Oberflächen gekühlt. Es entsteht ein stadtklimatischer Ausgleich. Die Regenwahrscheinlichkeit wird erhöht. Hierdurch entsteht zusätzliches Verdunstungspotenzial. Das Konzept ist auch zur Verwertung von im Klarwasser enthaltenem Stickstoff und Phosphor sinnvoll. In Berlin vermischt sich in wasserarmen Sommermonaten immer wieder Klarwasser mit oberflächlich gewonnenem Trinkwasser, was zum Einsatz von Chlor und zur Absenkung der Trinkwasserqualität führt. Quelle: M. Buchholz, https://www.user.tu-berlin.de/marbh/dbudb.pdf

Es geht aber nicht nur um Maßnahmen der Wasserspeicherung, wie sie im Rahmen der Grundwasserneubildung vorgeschlagen werden. Vielmehr geht es vor allem um Oberflächenstrukturen, die Wasser in großen Mengen auch wieder verdunsten können. In einem ausgewachsenen Laub- oder Mischwald wird Wasser aus einem riesigen Bodenvolumen entnommen, dass als Speicher erschlossen wird.

Ein ausgewachsener Wald erreicht mit den Wurzeln an vielen Orten unmittelbar das Grundwasser, erschließt somit einen nahezu unbegrenzten Wasservorrat und verzeichnet auch ein optimales Wachstumspotential. Jüngere, beziehungsweise weniger entwickelte Waldflächen haben zwar theoretisch eine höhere Produktivität, da sie noch heranwachsen und Biomasse aufbauen. Allerdings wird das Wachstum in trockenen Phasen zurückgeworfen, kommt zum Stillstand oder führt sogar zum erneuten Absterben der Flächen, je nach Länge der auftretenden Trockenheit.

Auf einer landwirtschaftlichen Fläche werden nur etwa 30 bis 90 cm des Bodens und somit nur ein winziger Teil des verfügbaren Wasservorrats im Boden erschlossen. Entsprechend niedriger ist die Verdunstungsleistung in Trockenphasen. Hecken und Baumgruppen am Feldrand wiederum sind tief im Boden verwurzelt und können auch ungenutztes Wasser aus den tieferen Zonen der benachbarten Ackerflächen erschließen. Die hier durch Verdunstung entstehende Kaltluft kann sich auch wiederum auf die landwirtschaftlichen Flächen ausbreiten und einen Ausgleich bilden.

Früher enthielt ein Weizenfeld, dass im Sommer im Zeitraum der höchsten solaren Einstrahlung viele Wochen trocken daliegt, noch zahlreiche Ackerunkräuter, die Lebensraum für Tiere bereitstellten und für eine gewisse Mindestverdunstung sorgten. Bei einem mit Herbiziden behandelten Feld gibt es heute nahezu keine Verdunstung mehr. Die Verdunstungsleistung entspricht nahezu der einer versiegelten Betonfläche und erzeugt erbarmungslos trockene und heiße Luft, ähnlich wie über einer Wüste.

Oft gibt es auch keine Hecken und im regionalen Umfeld sind auch über viele Quadratkilometer keine Waldflächen auffindbar, die klimatisch ausgleichend wirken könnten. Früher wurde die Abwechslung von Getreide- und Waldflächen benötigt, um die Erzeugung von Feuerholz zu gewährleisten.

Dass immer mehr Flächen durch Hoch- und Tiefbau versiegelt werden, verschlimmert die Situation und vergrößert den Anteil von trockenen und heißen Flächen ohne Verdunstung. Auch das Aufstellen von großflächigen Solaranlagen führt zur Erwärmung, da die Umwandlung der Strahlungsenergie (in etwa 15 Prozent Strom und 85 Prozent heiße Luft) auf den Kollektoroberflächen stattfindet und nur sehr wenig auf den darunterliegenden Flächen mit möglichen Verdunstungsfunktionen. Mit hybriden Systemen, die auch das thermische Potenzial der Flächen nutzt und speichert könnte sich dies in Zukunft ändern.

Im Tagebau werden Grundwasservolumen ganzer Regionen abgepumpt und der Grundwasserspiegel abgesenkt. Vorhandene Wälder verfügen hier nur noch über einen vergleichsweisen winzigen Wasservorrat, da es keine Verbindung zum Grundwasser mehr gibt. Regionen mit großflächigen Grundwasserabsenkungen wie etwa in der Lausitz, bilden klimatische Extremzonen mit erhöhten Durchschnittstemperaturen und minimierter Regenhäufigkeit. Sie beeinflussen auch das Klima ihrer Nachbarregionen negativ.

Zusammenfassend gilt: Es gibt eine globale, menschengemachte Erwärmung. Der Regionale Klimahaushalt wird in erster Linie durch Verdunstungsprozesse der Vegetation reguliert. Bei hoher solarer Einstrahlung und warmer zuströmender Luft sorgt die Verdunstungskälte aus Vegetationsstrukturen für eine Dämpfung der Temperaturen und für eine Erhöhung der Luftfeuchtigkeit. Beide Faktoren, also Temperaturdämpfung und die resultierende Luftfeuchteerhöhung sorgen in einem wesentlichen Ausmaß für eine Erhöhung der mittleren Regenhäufigkeit in der Region.

Voraussetzung für die Verdunstungsaktivität sind vorhandene Potentiale der Landschaft zur Rückhaltung von Niederschlagswasser in Gewässersystemen, in der Reliefstruktur der Landschaft, in organischen Strukturen auf der Bodenoberfläche und in organisch-mineralischen Bodengemischen. Wir sind in Zukunft darauf angewiesen, Trockenperioden zu verringern und zur verhindern. Trockenheit betrifft nicht nur die Land- und Forstwirtschaft, sondern auch etwa Bereiche wie das Transportwesen auf Wasserwegen oder die Lebensqualität in urbanen Räumen. Es bedarf konkreter und energischer Schritte, um die Funktionsweise des regionalen Klimahaushalts zu reaktivieren.

Das Problemfeld wird bisher auf fast erstaunliche Weise ignoriert oder zumindest völlig unterschätzt. Es gibt wenig Gespür und Kenntnis zu den aufgezeigten, eigentlich nicht übermäßig komplexen Zusammenhängen in der Allgemeinbildung und auch nicht im politischen Diskurs. Die Diskussion um den Klimawandel ist heute fixiert auf die Verringerung des Ausstoßes von Kohlendioxidausstoßes in Industrie, Haushalt, Verkehr und Landwirtschaft.

Beide Phänomene, das regionale Klima und der globale Klimawandel sind miteinander verbunden. Zum einen über die Erhöhung der globalen Durchschnittstemperatur, die auch den Stress auf das regionale Klima erhöht.

Zum anderen muss die Diskussion um die Erhöhung des Kohlendioxidgehaltes der Luft im Rahmen des globalen Kohlenstoffkreislaufes mit urban-industriellen wie auch biologischen Quellen auf der einen Seite und der Photosyntheseleistung der Biosphäre als relevante Kohlenstoffsenke auf der anderen Seite gesehen werden. Diese ist jeweils abhängig von der Produktivität regionaler Landschaften, die wiederum von der jeweiligen Wasserverfügbarkeit abhängig ist.

Dabei ist durchaus noch offen, ob ein erhöhter Kohlenstoffgehalt in der Luft die Ursache oder zumindest teilweise auch nur ein Symptom einer nur noch eingeschränkt funktionierenden und in der Fläche dezimierten Biosphäre ist, die seine Klimafunktionen durch Energiewandlung der Wasserverdunstung, der Energiespeicherung als Wasserdampf, des Energietransports durch Lufttransport und der zeitversetzten und klimatisch abpuffernden Energieabgabe in kalten Zonen der Atmosphäre durch Kondensationswärme nicht mehr ausreichend erfüllen kann.

Die Wärmefreisetzung bei der Bildung von Wassertropfen in der Atmosphäre im Rahmen der Wolkenbildung und die resultierende Energiebilanz einschließlich der erhöhten Reflektion von Strahlung auf der Wolkenoberseite ist bis heute nur unzureichend erforscht.

Für den Fall, dass ein Grundkonsens über die Wichtigkeit der Schaffung von Strukturen der Wasserrückhaltung und der Wasserverdunstung als elementarer Schlüssel zur Eindämmung von Trockenheit und von Überschwemmungen erreicht wird, stellt sich als nächstes die Frage über die konkreten Maßnahmen, die ergriffen werden, müssen, um den regionalen Klimahaushalt zu rehabilitieren.

Es geht dabei nicht um eine Anpassung an den Klimawandel, sondern um die Reparatur und Wiederherstellung der Klimafunktionen im Naturhaushalt im Rahmen der vorhandenen Nutzungsanforderungen aller Akteure. Was wäre zu tun? Was könnte man heute schon machen, etwa durch Veränderung der Fördermechanismen in der Landwirtschaft oder durch eine geänderte Grundsteuer, die an Oberflächentemperaturen orientiert ist?

In welche Richtung muss sich unser Wirtschafts- und Steuerungssystem letztlich verändern, um vollständig nachhaltige Klimafunktionen zu erfüllen? Das Anforderungsprofil mag einige der heute in Angriff genommenen Maßnahmen im Rahmen der Klimadiskussion beinhalten, unterscheidet sich in seiner Gesamtheit aber fundamental von der gegenwärtigen Agenda.


Forschungsprojekte zu Mikro-Wasserkreisläufen in Gewächshäusern:

Innerhalb der Stadt stehen Vegetationselemente in Konkurrenz mit anderen Nutzungsfaktoren, insbesondere die Belichtung von Gebäuden und die Nutzung von Solarenergie. Eine interessante Anwendung sind hierbei Fassaden- und Dachgewächshäuser. Sie können potenziell mit Grauwasser aus den Gebäuden bewässert werden. Es entsteht eine effektive Verdunstungskühlung. Im Winter kann die feuchte Gewächshausluft zur Wärmeenergienutzung herangeführt werden.

Hierbei spielen hygroskopische Salzlösungen als flüssige Sorptionsmittel eine besondere Rolle, da der Phasenwechsel direkt bei Umgebungstemperatur stattfindet. Bei Nutzung von Wärmepumpen muss sonst die Luft erst bis zum Taupunkt abgekühlt werden. Hierbei sinkt die Vorlauftemperatur für das Heizsystem. Fassadengewächshäuser können im Winter an Sonnentagen sehr hohe Temperaturen entwickeln, da die Sonne fast senkrecht auf südorientierte Wände scheint. In diesem Fall kann komplett auf Wärmepumpen verzichtet werden. Dies ist besonders interessant, da sonnige Wintertage meist auch sehr kalt sind.

Für Trockengebiete und auch als Perspektive für immer trockenere Sommerperioden in Städten bieten sich geschlossene Gewächshäuser an. Hierbei entstehen Mikro-Wasserkreisläufe durch kombinierte Verdunstung und Kondensation von Wasser. Auch hier spielen flüssige Sorptionsmittel eine wichtige Rolle. Die Wärme des Tages wird durch Absorption von Wasserdampf in eine Salzlösung übertragen und in einen großen Speicher abgeführt. Über Nacht wird die Wärme wieder in das Gewächshaus zurückgeführt. Hierbei verdunstet das Wasser wieder und kondensiert an der vergrößerten Außenfläche des Gewächshauses.

Auf diese Weise wird bis zu 80% des Wassers zurückgewonnen. Durch Mischung von Kondensat und Brackwasser kann der Salzgehalt zur Deckung des verbliebenen Wasserbedarfs herabgesetzt werden. Dies ist in vielen Regionen etwa im Mittelmeerbereich die Grundvoraussetzung, um überhaupt noch Gartenbau zu betreiben. Obwohl bei dem Vorgang kaum Wasser an die Atmosphäre abgegeben wird, ist dennoch eine deutliche Verringerung der Oberflächentemperatur möglich, etwa von 60 °C auf 40 °C. Durch die Wärmerückhaltung im Boden und im Sorptionsspeicher kann die Regenwahrscheinlichkeit in der Umgebung erhöht werden. Der Effekt ist dem Wüstenklima entgegengesetzt.

Im Rahmen der Forschungsprojekte "The Greefa, Thermochemical Fluids in Greenhouse Farming" (www.thegreefa.eu, Projektförderung EU Horizon 2020 Grant Agreement 101000801) und "CONSIRS, A Novel Condensation Supported Irrigation System" (www.consirs.eu, Projektförderung BMBF 01DH19014/EU PRIMA-MED Verbundprojekt) entstehen momentan mehrere Gewächshausprototypen in Deutschland, Ägypten, Algerien und Tunesien zur Erforschung der neuen Technologie.

Master of Engineering Oliver Meyer
Autor

Hochschule Osnabrück

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