In diesem Video werden wir uns mit Bodenwasser beschäftigen, also dem Wasser, das im Boden gespeichert wird. Um sich Bodenwasser vorstellen zu können, ist der Schwamm ein gutes Beispiel. Der Schwamm ist zunächst trocken und wir werden ihn jetzt befeuchten. Wenn wir den nassen Schwamm wieder aus dem Wasser entnehmen, tropft es zunächst. Relativ bald hört das Tropfen aber bereits auf. Obwohl noch viel Wasser im Schwamm gespeichert ist. Das kann man auch sehen, wenn man den Wasserstand vor dem Schwamm und nach dem Schwamm vergleicht. Wie kann der Schwamm Wasser entgegen der Schwerkraft halten? Warum fällt das Wasser nicht einfach heraus? Die Ursache hierfür sind die Kapillarkräfte. Kapillarkräfte kann man deutlich sehen, wenn man feine Glasröhrchen in Wasser hält. Das Wasser steigt hier entgegen der Schwerkraft auf. Und zwar aufgrund der aufgrund der Adhäsionskraft zwischen Wasser und Glas. Wie groß die Kräfte sind, also wie hoch das Wasser aufsteigt, hängt vom Durchmesser des Röhrchens ab. Je kleiner der Durchmesser, desto höher die Steighöhe. Anstatt unterschiedlicher Röhrchen, können wir aber auch zwei breitere Rohre mit gleichem Durchmesser mit unterschiedlich feinem Material füllen. Je feiner das Material ist, desto höher steigt das Wasser. Also: Je feiner das Material, desto höher die Kapillarkräfte. Wenn wir nun einen Boden in der Natur betrachten, so können wir zwei Situationen unterscheiden. In der Grundwasserzone sind alle Hohlräume, die sogenannten Poren, mit Wasser gefüllt. Man spricht hier auch vom gesättigten Boden. In der darübergelegenen, ungesättigten Zone ist nur ein Teil der Poren mit Wasser gefüllt und der Rest ist mit Luft. In dieser ungesättigten Zone haben wir also Bodenpartikel, hier in grau dargestellt, die von einer Schicht adsorptivem gebundenem Wasser umgeben sind. Zwischen diesen Bodenpartikeln ist das Wasser kapillar gebunden. Größere Hohlräume zwischen den Bodenpartikeln sind mit Luft gefüllt. Je nach Wassergehalt des Bodens variieren die relativen Anteile von Luft und Wasser. Im trockenen Boden gibt es nur sehr fest gebundenes Wasser. Bei zunehmender Feuchte werden auch größere Poren gefüllt. Den Boden und seinen Wassergehalt zu beschreiben, verwenden Hydrolog/innen zunächst den Begriff der Porosität. Das ist der relative Anteil der Poren im Boden. Also der Anteil des Bodenvolumens, der mit Luft oder Wasser gefüllt ist. Der Wassergehalt des Bodens wird dann als Volumen des Wassers in Relation zum Volumen des Bodens angegeben. Beim maximalen Wassergehalt, also gesättigtem Boden, entspricht der Wassergehalt der Porosität. Das heißt, alle Poren sind komplett mit Wasser gefüllt. Die Porosität und die Fähigkeit des Bodens, Wasser zu speichern, hängt von den Bodeneigenschaften ab. Besonders wichtig ist dabei die Korngröße. Große Körner haben einen Sandboden, kleinere einen Tonboden. Wie hängen nun die Porosität und die Fähigkeit, Wasser zu speichern, von dieser Korngröße ab? Dazu können wir uns vorstellen, dass wir eine Kiste mit Kugeln füllen. Einmal mit kleinen Murmeln. Und eimal mit viel größeren Billardkugeln. In welcher dieser Kisten ist nun mehr Luft? Das mag überraschend klingen, aber es hat tatsächlich gleich viel Luft in beiden Kisten. Zwischen den Billardkugeln haben wir große Hohlräume, aber nur relativ wenige. Die Hohlräume zwischen den Murmeln sind viel kleiner, aber dafür haben wir hier eine viel größere Anzahl. Insgesamt, das kann man auch durch geometrische Berechnungen zeigen, ist der Hohlraum in beiden Fällen genau gleich. Entsprechend gilt das auch für den Sand- und Tonboden. Der gesamte Hohlraum ist etwa gleich. Sand und Ton haben also eine ähnliche Porosität. Was sich aber unterscheidet, ist die Größe der einzelnen Hohlräume. Und das hat einen entscheidenden Einfluss auf die Fähigkeit des Bodens, Wasser gegen die Schwerkraft festzuhalten. Während der Sandboden mit seinen großen Hohlräumen nur wenig Wasser festhalten kann, kann ein Tonboden, mit sehr viel kleineren Poren, viel Wasser festhalten. Andererseits ist das Wasser im Tonboden auch wieder so stark gebunden, dass die Pflanzen es dem Boden kaum entziehen können. Wie so oft im Leben, ist ein Mittelweg daher letztendlich das Beste. Im Fall der Böden sind es die Lehmböden, die mehr Wasser als Sandböden gegen die Schwerkraft festhalten können und dieses Wasser aber wieder bereitwilliger an die Pflanzen abgeben, als Tonböden es tun. Verschiedene Böden speichern unterschiedliche Wassermengen. In dieser Abbildung ist die Bodenfeuchte von zwei verschiedenen Stellen in der Schweiz aufgezeichnet. Typisch für die Bodenfeuchte ist eine oft grundsätzlich ähnliche Variation im Jahresverlauf. Im Winter erreicht der Bodenwassergehalt seine höchsten Werte. Im Sommer trocknet der Boden teilweise aus und enthält dann weniger Wasser. Im Spätsommer wird der Bodenspeicher wieder gefüllt. Neben diesem generellen Jahresverlauf kann man einzelne Niederschlagsereignisse erkennen, die zu einem kurzfristigen Anstieg der Bodenfeuchte führen. Bodenwasser ist aus verschiedenen Gründen sehr wichtig. Der Boden ist ein wichtiger Wasserspeicher. Aus diesem Speicher können Pflanzen während regenfreier Perioden Wasser erhalten. Erst wenn dieser Speicher gefüllt ist, kann Regenwasser bis zum Grundwasser durchsickern. Im Sommer, wenn der Bodenspeicher immer wieder teilweise durch Verdunstung geleert wird, kommt es aber erst zur Grundwasserneubildung, wenn es wirklich viel regnet. Der Füllstand des Bodens beeinflusst auch ganz entscheidend, wie groß der Abfluss nach einem Regenereignis ist. Ist der Speicher voll, kommt viel Wasser zum Abfluss. Hat es noch Platz im Boden, kommt nur ein kleinerer Teil des Wassers zum Abfluss. Daher ist die Kenntnis der aktuellen Bodenfeuchte auch wichtig, wenn es darum geht, Hochwasserprognosen zu machen. Der Boden ist aber auch wichtig für den Energiehaushalt. Um dies zu verstehen, muss man sich klar machen, dass die Bodenfeuchte stark beeinflusst, was mit der Energie passiert, die durch Einstrahlung zur Verfügung steht. Diese Energie wird in fühlbare Wärme und latente Wärme aufgeteilt. Fühlbare Wärme ist die Wärme, die wir spüren. Latente Wärme ist die Energie, die zur Verdunstung von Wasser verwendet wurde. Da zur Verdunstung Energie benötigt wird, führt die Verdunstung zu einer Abkühlung. Dies ist ja auch der Grund, warum wir schwitzen, wenn es unserem Körper zu warm wird. Wenn der Boden feucht ist, kann mehr Wasser verdunsten. Und ein größerer Teil der Energie wird hierzu verwendet. Bei trockenen Oberflächen ist dieser Anteil viel geringer. Dann führt die gleiche Einstrahlung zu einer erheblich größeren fühlbaren Erwärmung. Das Auftreten von Hitzewellen ist also auch an die Bodenfeuchte geknüpft. Hier kann es zu einer verstärkten Rückkopplung kommen. Dadurch, dass es wärmer ist, verdunstet mehr Wasser. Und weil der Boden dann trockener ist und weniger Energie zur Verdunstung abgeführt wird, kommt es zu einer verstärkten Erwärmung. Bodenfeuchte ist also eine wichtige Größe. Sie variiert stark in Raum und Zeit. Und ist nicht einfach zu messen. Sie steuert aber ganz entscheidend die Verfügbarkeit von Wasser und ist bedeutend für die Wechselwirkung von Energie und Wasserhaushalt.
