Globale Grundwassertemperaturen: direkte und indirekte Messungen

Susanne A. Benz1, Peter Bayer2, Philipp Blum1
1 Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
2 Technische Hochschule Ingolstadt (THI)

O 7.1 in Grundwassertemperaturen im urbanen Raum – Monitoring, Management und Prozessverständnis anthropogener Einflussfaktoren

23.03.2018, 11:30-11:45, 3

Die oberflächennahen Grundwassertemperaturen im urbanen und ländlichen Raum sind weltweit größtenteils unbekannt, da direkte Messungen lediglich in einer limitierten Anzahl an Messpunkten, wie etwa in Brunnen und Quellen, möglich sind. Forscher arbeiten daher oft nur mit Schätzungen. Typischerweise wird hierfür ein fester Wert – im Folgenden Offset genannt – zu der jahresdurchschnittlichen Lufttemperatur hinzuaddiert. Allerdings ist der genaue Betrag dieses Offsets nicht klar definiert. In dieser Arbeit wird nun die Verwendung von Landesoberflächentemperaturen statt Lufttemperaturen vorgeschlagen, da die von Satelliten erfassten Landesoberflächentemperaturen weltweit und flächendeckend verfügbar sind. Anhand von 2.548 globalen Grundwassermessstellen in 29 Ländern wird der Offset zwischen Landesoberflächen- und Grundwassertemperatur bestimmt (Benz et al. 2017).

In 83 % der analysierten Messstellen ist das Grundwasser wärmer als die Temperaturen an der Oberfläche. Im Schnitt beträgt der Offset 1,2 K, er reicht aber von -6,1 K in der Black Rock Desert, einer trockenen Wüste im nordwestlichen Teils Nevadas (USA) bis hin zu 11,0 K an einer Messstelle bei Erdenet, einer Stadt in der Mongolei. Dieser hohe Offset lässt sich vermutlich auf anthropogen verursachten Wärmetransport zurückführen: In diesem Fall befindet sich das weltweit viertgrößte Kupferbergwerk in unmittelbarer Nähe zur Grundwassermessstelle.

Trotz dieser extremen Beispiele korrelieren Grundwassertemperatur und Landesoberflächentemperatur sehr gut miteinander; das Bestimmtheitsmaß R² beträgt 0,90. Im direkten Vergleich zeigt sich, dass die größten Unterschiede zwischen Grundwassertemperatur und Landesoberflächentemperatur sowohl in den wärmsten als auch in den kältesten Gebieten der Erde zu finden sind. Diese überdurchschnittlich hohen Offsets werden zum einen durch Evapotranspiration, zum anderen durch eine geschlossene Schneedecke verursacht. Evaporation beeinträchtigt auf Grund der Verdunstungskälte das Energiegleichgewicht der Erdoberfläche und kühlt somit gemessene Landesoberflächentemperaturen ab. Eine geschlossene Schneedecke hingegen isoliert die vom Sommer erwärmte Grundwassertemperaturen den Winter hindurch vor kalten Temperaturen an der Oberfläche und erhöht demzufolge die Jahresdurchschnittstemperaturen im Grundwasser. Der globale Offset zwischen Grundwassertemperaturen und satellitenerfassten Landesoberflächentemperaturen kann letztlich als Superposition beider Effekte beschrieben und durch eine lineare Anpassung quantifiziert werden. Es zeigt sich, dass das Offset für jeden Millimeter pro Jahr an Evapotranspiration um 1 ∙ 10-3 K ansteigt und um jeden Schneetag im Jahr um 0,02 K pro erhöht wird. Da sowohl Landesoberflächentemperaturen, Evapotranspiration und Anzahl der Schneetage als weltweite Datensätze zur Verfügung stehen, ist es also möglich, globale oberflächennahe Grundwassertemperaturen in einer Auflösung von 1 km × 1 km verlässlich abzuschätzen.  



Benz, S.A., Bayer, P. & Blum, P. (2017): Global patterns of shallow groundwater temperatures. – Environ. Res. Letters, 12:034005.



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