Fachmodul Geographie II - Exam

Aufgabe 1)

Du bist ein Geograph, der an einem Forschungsprojekt zur Analyse der Erdoberflächenprozesse in einem alpinen Gebiet arbeitet. Im Laufe deiner Untersuchungen hast du verschiedene Prozesse wie Verwitterung, Erosion, Tektonik, Karstprozesse, Mass wasting, Sedimentation und den Kreislauf der Gesteine beobachtet. Um die Dynamik dieser Prozesse besser zu verstehen, musst du eine detaillierte Analyse durchführen.

a)

Beschreibe die verschiedenen Arten der Verwitterung und ihre jeweiligen Auswirkungen auf die Erdoberfläche in alpinen Gebieten. Diskutiere, wie die klimatischen Bedingungen diese Prozesse beeinflussen.

Lösung:

Arten der Verwitterung und ihre Auswirkungen auf die Erdoberfläche in alpinen GebietenIn alpinen Gebieten sind verschiedene Verwitterungsprozesse aktiv, die die Landschaft formen und verändern. Diese Prozesse lassen sich in drei Haupttypen unterteilen: physikalische Verwitterung, chemische Verwitterung und biologische Verwitterung.

• Physikalische VerwitterungPhysikalische Verwitterung, auch mechanische Verwitterung genannt, bricht Gesteine durch mechanische Kräfte auf. Die wichtigsten Arten der physikalischen Verwitterung sind:
• FrostsprengungWasser dringt in Risse und Poren des Gesteins ein und gefriert bei tiefen Temperaturen. Die Volumenzunahme des gefrierenden Wassers übt Druck auf das Gestein aus und führt schließlich zu dessen Aufbrechen. Dies ist besonders in alpinen Gebieten mit häufigen Frost-Tau-Zyklen bedeutend.
• TemperatursprengungDurch starke Temperaturschwankungen dehnt sich das Gestein bei Erwärmung aus und zieht sich bei Abkühlung zusammen. Diese ständigen Veränderungen können zu Spannungen und letztlich zum Zerbrechen des Gesteins führen.
• SalzsprengungSalze, die durch Wasser in Gesteinsporen eindringen und nach der Verdunstung kristallisieren, führen zu einer Volumenzunahme und üben Druck auf das Gestein aus, was schließlich zur Zertrümmerung führt. Dieser Prozess ist jedoch in alpinen Gebieten weniger häufig.
• Chemische VerwitterungChemische Verwitterung verändert die chemische Zusammensetzung des Gesteins. Hauptprozesse sind:
• HydrolyseReaktionen zwischen Mineralien des Gesteins und Wasser führen zur Bildung neuer Minerale, was das Gestein schwächt und zerfallen lässt. Beispielsweise kann Feldspat durch Hydrolyse in Tonminerale umgewandelt werden.
• OxidationMinerale, die Metalle wie Eisen enthalten, reagieren mit Sauerstoff, was zur Bildung von Oxiden (z.B. Rost) führt. Dies schwächt das Gestein und beschleunigt den Zerfall.
• KarbonatisierungKohlensäure, die durch die Reaktion von CO₂ mit Wasser entsteht, kann Kalkstein auflösen, was zur Bildung von Karstlandschaften führt.
• Biologische VerwitterungBiologische Verwitterung ist die Zerstörung von Gestein durch lebende Organismen. Dies umfasst:
• PflanzenwurzelnWurzeln dringen in Risse des Gesteins ein und üben Druck aus, was zur mechanischen Aufspaltung des Gesteins führt.
• Flechten und MooseDiese Organismen setzen Säuren frei, die das Gestein chemisch angreifen und zu dessen Zerfall beitragen.

• In alpinen Gebieten beeinflussen klimatische Bedingungen, wie Temperatur und Niederschlag, die Verwitterungsprozesse erheblich:
• TemperaturHäufige Frost-Tau-Zyklen fördern die Frostsprengung. Starke Temperaturschwankungen können die Temperatursprengung intensivieren.
• NiederschlagWasser ist ein wesentlicher Faktor für viele Verwitterungsprozesse. Eine hohe Niederschlagsmenge fördert die chemische Verwitterung und die biologische Verwitterung, da Wasser benötigt wird, um chemische Reaktionen zu ermöglichen und organisches Wachstum zu unterstützen.
• CO₂-Gehalt der AtmosphäreEin höherer CO₂-Gehalt führt zur Bildung von mehr Kohlensäure, was die Karbonatisierung und damit die chemische Verwitterung von Kalkstein fördert.

b)

Erkläre den Prozess der Karstbildung in Kalksteingebieten. Zeichne und beschrifte ein Diagramm, das die Entwicklung typischer Karstlandschaften wie Dolinen und Höhlen zeigt.

Lösung:

Prozess der Karstbildung in KalksteingebietenKarstbildung ist ein geologischer Prozess, der hauptsächlich in Kalksteingebieten auftritt. Kalkstein besteht größtenteils aus dem Mineral Calcit (CaCO₃), das leicht durch schwache Säuren, insbesondere Kohlensäure (H₂CO₃), gelöst werden kann. Der Prozess der Karstbildung umfasst mehrere Stadien und führt zur Entstehung charakteristischer Landschaftsformen wie Dolinen, Höhlen und unterirdischen Flusssystemen.

• Schritt 1: Bildung von KohlensäureDurch die Reaktion von CO₂ in der Atmosphäre mit Regenwasser bildet sich Kohlensäure:

H2O + CO2 → H2CO3

• Schritt 2: Lösung von KalksteinKohlensäure reagiert mit dem Kalkstein, was zur Lösung von Calcit im Wasser führt:

CaCO3 + H2CO3 → Ca2+ + 2HCO3-

• Schritt 3: Ausbildung von Dolinen und HöhlenDurch die Lösung des Kalksteins entstehen unterirdische Hohlräume und weite Spalten. Mit der Zeit können diese Hohlräume kollabieren und Dolinen (Einsturztrichter) bilden. Wenn Wasser durch das Kalksteinmassiv fließt, entstehen Höhlen und komplexe unterirdische Systeme.

• Beschreibung des Diagramms:
• Das folgende Diagramm zeigt die Entstehungsstufen einer typischen Karstlandschaft. Ausgangspunkt ist die Regenwasserinfiltration in eine Kalksteinschicht, gefolgt von der chemischen Lösung des Gesteins und der Bildung unterirdischer Hohlräume und später von oberirdischen Einbrüchen (Dolinen).

• Auf dem Diagramm sind die folgenden Elemente beschriftet:
• 1. Regenwasser, das CO₂ enthält und in den Boden einsickert.
• 2. Kalksteinschicht, in der die Lösung und Bildung von Hohlräumen stattfindet.
• 3. Unterirdische Höhle, die durch fortschreitende Lösung des Kalksteins entsteht.
• 4. Doline, die durch den Kollaps der Höhlendecke entsteht.
• 5. Weiter fortgeschrittene Karstformen wie Stalaktiten und Stalagmiten in den Höhlen.

c)

Betrachte die Rolle der Tektonik bei der Bildung von Gebirgen und deren Einfluss auf die Erosionsprozesse in alpinen Regionen. Berechne die potenzielle Erosionsrate in einem Gebiet, in dem die Vertikalhebung durchschnittlich 1 cm pro Jahr beträgt. Gehe davon aus, dass die durchschnittliche Erosionsrate 0,5 mm pro Jahr beträgt.

Lösung:

Die Rolle der Tektonik bei der Bildung von Gebirgen und deren Einfluss auf die Erosionsprozesse in alpinen Regionen

• Gebirgsbildung durch TektonikGebirgsbildung ist ein geologischer Prozess, der durch plattentektonische Kräfte verursacht wird. In alpinen Regionen geschieht dies hauptsächlich durch die Kollision von kontinentale Platten, die zu einer Faltung und Anhebung der Erdkruste führen. Ein bekanntes Beispiel ist die Entstehung der Alpen durch die Kollision der eurasischen und afrikanischen Platte. Diese tektonischen Kräfte verursachen auch Bruchzonen und Verwerfungen, die die tektonische Aktivität und die Struktur der Gebirge beeinflussen.
• Einfluss der Tektonik auf ErosionsprozesseDie Tektonik beeinflusst die Erosionsprozesse in alpinen Regionen auf verschiedene Weise. Durch die Hebung entsteht topographische Höhe, die Erosionsprozesse wie Wassererosion, glaziale Erosion und Massenbewegungen verstärkt:
• Vertikalhebung: Durch ständige Hebung bleiben Gebirgsregionen exponiert und bieten Angriffsflächen für Erosionsprozesse.
• Neigung und Relief: Steilere Hänge fördern die Schwerkraft-getriebenen Prozesse wie Massenbewegungen und Erdrutsche.
• Tektonische Aktivität: Fördert die Bildung von Klüften und Verwerfungen, durch die Wasser und andere Erosionsagenten leichter eindringen und das Gestein erodieren können.

• Vertikalhebung: 1 cm pro Jahr = 10 mm pro Jahr
• Durchschnittliche Erosionsrate: 0,5 mm pro Jahr

• Um die potenzielle Erosionsrate zu bestimmen, müssen wir den Effekt der Erosion relativ zur Hebung betrachten:

• Hebung minus Erosionsrate: 10 mm pro Jahr (Hebung) - 0,5 mm pro Jahr (Erosion) = 9,5 mm pro Jahr

• Dies bedeutet, dass die Gebirgsregion trotz Erosion immer noch eine Netto-Hebung von 9,5 mm pro Jahr erfährt.

d)

Diskutiere die Wechselwirkungen zwischen den exogenen und endogenen Prozessen im Kreislauf der Gesteine. Erläutere, wie dieser Kreislauf zur Bildung und Veränderung der Erdoberfläche beiträgt und führe ein Beispiel aus dem alpinen Raum an.

Lösung:

Wechselwirkungen zwischen exogenen und endogenen Prozessen im Kreislauf der GesteineDer Kreislauf der Gesteine beschreibt die ständige Umwandlung und Bewegung von Gesteinen durch verschiedene geologische Prozesse. Dieser Kreislauf wird durch Wechselwirkungen zwischen exogenen (äußeren) und endogenen (inneren) Prozessen angetrieben. Beide Prozessarten tragen zur Bildung, Veränderung und Gestaltung der Erdoberfläche bei.

• Endogene ProzesseEndogene Prozesse sind diejenigen, die von inneren Kräften der Erde angetrieben werden. Dazu gehören:
• TektonikDie Bewegung der tektonischen Platten führt zur Bildung von Gebirgen, Vulkanen und Erdbeben.
• MagmatismusMagmatische Aktivitäten führen zur Bildung von neuem Gestein durch Vulkanausbrüche und die Erstarrung von Magma.
• MetamorphoseHoher Druck und hohe Temperaturen im Erdinneren verursachen die Umwandlung vorhandener Gesteine in metamorphe Gesteine.
• Exogene ProzesseExogene Prozesse sind diejenigen, die von äußeren Kräften wie Wetter, Wasser und Gravitation angetrieben werden. Dazu gehören:
• VerwitterungDie Zersetzung von Gestein durch physikalische, chemische und biologische Prozesse.
• ErosionDer Abtrag von Gestein und Boden durch Wasser, Wind und Eis.
• Transport und AblagerungBewegung und Ablagerung von Sedimenten durch Wasserströmungen, Gletscherbewegungen und Wind.
• Wechselwirkungen und der Kreislauf der GesteineDie Wechselwirkungen zwischen endogenen und exogenen Prozessen sind entscheidend für den Kreislauf der Gesteine. Hier einige der Hauptpunkte:
• Gebirgsbildung und ErosionDurch tektonische Hebung werden Gebirge gebildet. Diese neuen Höhen werden anschließend durch Verwitterung und Erosion abgetragen, wodurch Sedimente entstehen, die flussabwärts transportiert und abgelagert werden.
• Magmatismus und SedimentationVulkanische Aktivitäten erzeugen neues magmatisches Gestein an der Oberfläche. Dieses Gestein wird durch exogene Kräfte verwittert, erodiert und in Sedimentschichten umgewandelt.
• Metamorphose und KreislaufDie in der Tiefe begrabenen Sedimente können durch tektonische Prozesse tief ins Erdinnere gezogen werden, wo sie extremen Druck- und Temperaturbedingungen ausgesetzt sind. Dies führt zur Metamorphose und zur späteren Rückkehr des metamorphisierten Gesteins an die Oberfläche durch tektonische Hebung.

• Die Entstehung und Entwicklung der AlpenDie Alpen sind ein hervorragendes Beispiel für den Kreislauf der Gesteine und die Wechselwirkungen zwischen endogenen und exogenen Prozessen:

• Gebirgsbildung: Durch die Kollision der eurasischen und afrikanischen Platte wurden die Alpen massiv aufgefaltet und gehoben.
• Verwitterung und Erosion: Die hohen Gipfel der Alpen werden durch Frostsprengung, Temperaturwechsel und Gletschererosion kontinuierlich abgetragen.
• Transport und Ablagerung: Die durch Erosion entstandenen Sedimente werden durch Flüsse wie den Rhein und die Rhone abtransportiert und in tiefer gelegenen Regionen abgelagert.
• Metamorphose: In tieferen Zonen werden ältere, unter hohem Druck umgewandelte Gesteine wie Schiefer und Marmor freigelegt, wenn sich die Gesteinsmassive erneut heben.

Aufgabe 2)

Gebirgsbildung und Tektonik: Prozesse, die zur Entstehung von Gebirgen führen und die Lehre von den Bewegungen und Kräften innerhalb der Erdkruste. Konvergierende Plattengrenzen führen zur Gebirgsbildung (z.B. Himalaya), divergierende Plattengrenzen können Grabenbrüche verursachen (z.B. Ostafrikanischer Graben), und Transformstörungen bewegen Platten horizontal aneinander vorbei (z.B. San-Andreas-Verwerfung). Gebirgsbildung durch Subduktion tritt auf, wenn eine ozeanische Platte unter eine kontinentale Platte taucht (z.B. Anden). Isostasie beschreibt den Gleichgewichtszustand der Erdkruste und das Schwimmgleichgewicht der lithosphärischen Platten auf dem Erdmantel. Faltengebirge entstehen durch Kompression der Erdkruste (z.B. Alpen).

a)

Beschreibe den Prozess der Gebirgsbildung entlang einer konvergierenden Plattengrenze und erläutere dabei das Beispiel des Himalayas. Gehe dabei insbesondere auf die Rolle der Plattentektonik und der resultierenden Gesteinsdeformationen ein.

Lösung:

• Einleitung: An konvergierenden Plattengrenzen treffen zwei tektonische Platten aufeinander. Der Prozess dieser Kollision führt zur Gebirgsbildung.
• Plattentektonik Erklärung: Die Plattentektonik beschreibt die Bewegungen der Erdkrustenplatten. Platten bewegen sich aufgrund der Konvektionsströme im Erdmantel.
• Beispiel: Indien Im Fall des Himalayas bewegt sich die Indische Platte nach Norden und kollidiert mit der Eurasischen Platte.

• Gebirgsbildungsprozess:
• Durch die Kollision werden massive Kräfte freigesetzt, die die Platten verbiegen und verdichten.
• Die Kollision erzeugt eine Druckzone, wo die Platten aufeinander treffen. Dieser Druck verursacht die Bildung von Falten und das Anheben von Gebirgsketten.
• Gesteinsdeformation:
• Durch den Druck und die Kompression entstehen verschiedene geologische Strukturen: - Faltengebirge: Die Erdkruste wird durch Kompressionskräfte deformiert und bildet antiklinale (aufgestellte) und synklinale (eingesenkte) Strukturen. - Überschiebungen: Durch extremen Druck können Gesteinsmassen übereinander abgeschoben werden.
• Der Himalaya:
• Der Himalaya ist ein klassisches Beispiel für ein Faltengebirge, das durch konvergente Plattengrenzen entsteht.
• Die fortlaufende Kollision zwischen der Indischen und Eurasischen Platte führte zur Hebung des Himalaya.
• Dieser komplexe Prozess dauert Millionen Jahre und ist immer noch aktiv, was bedeutet, dass der Himalaya weiterhin wächst.
• Zusammenfassung:
• Gebirgsbildung an konvergierenden Plattengrenzen ist ein langwieriger Prozess, der durch die Bewegung und Kollision tektonischer Platten verursacht wird.
• Die resultierenden Kräfte führen zur Deformation der Erdkruste und zur Bildung von Gebirgsketten wie dem Himalaya.

b)

Erkläre das Konzept der Isostasie und wie dieses Prinzip auf die Gebirgsbildung und den langfristigen Höhenverlust von Gebirgen angewendet wird. Nutze dabei die Alpen als Beispiel und erläutere, wie das Schwimmgleichgewicht der lithosphärischen Platten zu beobachten ist.

Lösung:

• Einleitung: Die Isostasie ist ein geophysikalisches Konzept, das den Gleichgewichtszustand der Erdkruste beschreibt. Sie erklärt, wie die lithosphärischen Platten auf dem zähflüssigen Erdmantel schwimmen.
• Grundprinzip der Isostasie:
• Die Erdkruste ist in verschiedene Platten unterteilt, die auf dem weniger dichten Erdmantel schwimmen.
• Für die Isostasie gilt das Archimedes-Prinzip: Gesteinskörper (Platten) verdrängen das darunterliegende Mantelmaterial entsprechend ihrer Masse.
• Platten „schwimmen“ in einer Art Gleichgewichtszustand, bei dem sie sich je nach ihrer Masse heben oder senken können.
Anwendung auf die Gebirgsbildung:
• Gebirgsbildung führt zur Erhöhung des Krustenmaterials, was zu einer Verzerrung des isostatischen Gleichgewichts führt.
• Ein neu gebildetes Gebirge ist schwer, erzeugt Druck auf den Mantel und verdrängt Mantelmaterial nach unten.
• Die hohe Masse der Gebirge lässt die Erdkruste weiter in den Mantel einsinken (wie zum Beispiel die Alpen).
• Beispiel der Alpen:
• Die Alpen sind ein Faltengebirge, das durch die Kollision der eurasischen und afrikanischen Platte entstanden ist.
• Das neu gebildete Gebirge verdrängt Mantelmaterial aufgrund seiner Masse. Das isostatische Gleichgewicht wird gestört, und die Alpen sinken in den Mantel ein.
• Auf der anderen Seite sorgt die Erosion dafür, dass die Gebirge mit der Zeit auch an Höhe verlieren. - Isostatischer Auftrieb: Wenn durch Erosion Material vom Gebirge abgetragen wird, steigt der Gebirgskörper aufgrund des verringerten Gewichts wieder auf (wie ein Boot, das an Gewicht verliert und höher im Wasser schwimmt).
Langfristiger Höhenverlust von Gebirgen:
• Gebirge erodieren im Laufe der Zeit durch Wind, Wasser und Eis.
• Der isostatische Ausgleich sorgt dafür, dass das Gebirge bei Abtragung von Material leicht aufsteigt, nachdem der Druck auf den Erdmantel verringert wird. - Dieser Prozess führt dazu, dass Gebirge über geologische Zeiträume langsam abgetragen werden und ihre ursprüngliche Höhe verlieren.
• Zusammenfassung:
• Die Isostasie beschreibt den Gleichgewichtszustand der Erdkruste, indem lithosphärische Platten auf dem Erdmantel schwimmen.
• Das Konzept spielt eine entscheidende Rolle bei der Gebirgsbildung und dem Höhenverlust durch Erosion und anschließenden isostatischen Auftrieb.
• Die Alpen sind ein Beispiel dafür, wie diese Prozesse in der Natur wirken und beobachtet werden können.

c)

Mathematische Aufgabe: Angenommen, wir betrachten eine ozeanische Platte mit einer Dicke von 5 km und einer Dichte von 3300 kg/m³, die unter eine kontinentale Platte mit einer Dichte von 2700 kg/m³ subduziert. Berechne die Auftriebskraft pro Quadratmeter, die durch den Dichteunterschied entsteht und erkläre, wie diese Kraft zur Gebirgsbildung beitragen kann.

Lösung:

• Einleitung: In dieser Aufgabe berechnen wir die Auftriebskraft, die durch den Dichteunterschied zwischen einer ozeanischen und einer kontinentalen Platte entsteht, und diskutieren, wie diese Kraft zur Gebirgsbildung beitragen kann.
• Gegebene Daten:
• Dicke der ozeanischen Platte: 5 km = 5000 m
• Dichte der ozeanischen Platte: \(\rho_{\text{ozean}} = 3300 \, \text{kg/m}^3\)
• Dichte der kontinentalen Platte: \(\rho_{\text{kont}} = 2700 \, \text{kg/m}^3\)
• Berechnung der Auftriebskraft:
• Die Auftriebskraft \(F_{\text{Auftrieb}}\) kann mit der Formel \(F_{\text{Auftrieb}} = V \times \Delta \rho \times g\) berechnet werden, wobei \(V\) das Volumen, \(\Delta\rho\) der Dichteunterschied und \(g\) die Gravitationskonstante ist.
• Da wir die Kraft pro Quadratmeter berechnen, nutzen wir die Dicke der Platte und den Dichteunterschied:
• \(F_{\text{Auftrieb}}/m^2 = \text{Dicke}_{\text{ozean}} \times (\rho_{\text{ozean}} - \rho_{\text{kont}}) \times g\)
• Gravitationsbeschleunigung: \(g = 9,81 \, \text{m/s}^2\)
• Einsetzen der Werte: \(5000 \, \text{m} \times (3300 \, \text{kg/m}^3 - 2700 \, \text{kg/m}^3) \times 9,81 \, \text{m/s}^2\)
• \(5000 \, \text{m} \times 600 \, \text{kg/m}^3 \times 9,81 \, \text{m/s}^2 = 5000 \times 600 \times 9,81 = 29.430.000 \, \text{N/m}^2\)
• Erklärung der Rolle der Auftriebskraft bei der Gebirgsbildung:
• Die ozeanische Platte ist dichter als die kontinentale Platte, was bewirkt, dass beim Subduktionsprozess eine Auftriebskraft entsteht.
• Diese Auftriebskraft drückt Material nach oben und trägt zur Erhebung von Gebirgsketten bei.
• Die Auftriebskraft verursacht Druck, der zur Verformung der Erdkruste führt. Das Ergebnis sind Falten und Hebungen, die Gebirgsformationen bilden.
• Ein reales Beispiel für diesen Prozess sind die Anden, die durch die Subduktion der dichteren Nazca-Platte unter die weniger dichte Südamerikanische Platte gebildet wurden.
• Zusammenfassung:
• Die durch den Dichteunterschied erzeugte Auftriebskraft beträgt 29.430.000 \, \text{N/m}^2.
• Diese Kraft spielt eine entscheidende Rolle bei der Gebirgsbildung, indem sie zur Hebung und Verformung der kontinentalen Platte führt, wodurch Gebirgsketten entstehen.

d)

Diskutiere die Unterschiede zwischen Faltengebirgen und von Grabenbrüchen verursachten geologischen Strukturen. Gehe dabei auf die tektonischen Prozesse ein, die zu ihrer Entstehung führen, und vergleiche spezifische Beispiele wie die Alpen und den Ostafrikanischen Graben.

Lösung:

• Einleitung: Faltengebirge und Grabenbrüche sind zwei unterschiedliche geologische Strukturen, die durch verschiedene tektonische Prozesse entstehen. In diesem Vergleich werden die Prozesse und Unterschiede zwischen Faltengebirgen und Grabenbrüchen, sowie spezifische Beispiele wie die Alpen und der Ostafrikanische Graben, erläutert.
• Faltengebirge:
• Prozesse der Entstehung: Faltengebirge entstehen hauptsächlich durch Kompressionskräfte an konvergierenden Plattengrenzen. - Zwei kontinentale Platten kollidieren und erzeugen Druck, der die Erdkruste faltet und anhebt. - Dieser Prozess führt zur Bildung von antiklinaren (aufgestellten) und synklinaren (eingesenkte) Strukturen.
• Beispiel: Die Alpen - Entstanden durch die Kollision der Afrikanischen und Eurasischen Platte. - Die Kompression dieser Platten führte zur Aufhebung und Faltung der Erdkruste, wodurch das Faltengebirge der Alpen entstand.
• Grabenbrüche:
• Prozesse der Entstehung: Grabenbrüche entstehen hauptsächlich durch Dehnungskräfte an divergierenden Plattengrenzen. - Zwei Platten bewegen sich voneinander weg, was zu einer Dehnung und Verdünnung der Erdkruste führt. - Diese Dehnung verursacht das Einbrechen und Absinken von Krustenblöcken, und es entstehen tief liegende Gräben.
• Beispiel: Der Ostafrikanische Graben - Entstanden durch die Dehnung und Aufspaltung der Afrikanischen Platte entlang einer divergierenden Plattengrenze. - Der Graben erstreckt sich über mehrere Länder und ist ein bedeutendes Beispiel für eine geologische Struktur, die durch Dehnungskräfte gebildet wurde.
• Vergleich:
• Tektonische Kräfte: - Faltengebirge: Entstehen durch Kompression. - Grabenbrüche: Entstehen durch Dehnung.
• Geologische Strukturen: - Faltengebirge: Charakterisiert durch aufgerichtete und gefaltete Gesteinsschichten. - Grabenbrüche: Charakterisiert durch abgesunkene Krustenblöcke und weitläufige Gräben.
• Beispiele: - Faltengebirge: Alpen (Kollision der Afrikanischen und Eurasischen Platte). - Grabenbrüche: Ostafrikanischer Graben (Dehnung der Afrikanischen Platte).
• Zusammenfassung: Faltengebirge und Grabenbrüche sind unterschiedliche geologische Strukturen, die durch verschiedene tektonische Prozesse entstehen. Während Faltengebirge durch Kompression und Aufhebung der Erdkruste an konvergierenden Plattengrenzen entstehen (z.B. die Alpen), werden Grabenbrüche durch Dehnung und Einbrechen der Kruste entlang divergierender Plattengrenzen gebildet (z.B. der Ostafrikanische Graben). Diese Unterschiede spiegeln sich in den charakteristischen geologischen Strukturen der jeweiligen Formationen wider.

Aufgabe 3)

Du bist ein Bodenkundler und hast zwei Bodenproben aus unterschiedlichen Regionen vor dir. Die Proben unterscheiden sich sowohl in ihren physikalischen als auch in ihren chemischen Eigenschaften. Du sollst nun eine detaillierte Analyse der beiden Proben durchführen, um ihre Eignung für den landwirtschaftlichen Einsatz zu bewerten. Die erste Probe stammt aus einer sandigen Küstenregion, die zweite aus einem schluffigen Talgebiet.

a)

Beschreibe die erwarteten Unterschiede in der Textur der beiden Bodenproben. Welche Rolle spielt die Textur in Bezug auf das Wasserhaltevermögen und die Durchlässigkeit des Bodens?

Lösung:

Um die Unterschiede in der Textur der beiden Bodenproben zu beschreiben, sollten wir zunächst verstehen, was Textur bedeutet. Die Textur eines Bodens bezieht sich auf die Verteilung der verschiedenen Korngrößen, nämlich Sand, Schluff und Ton.

• Erste Bodenprobe: Die erste Probe stammt aus einer sandigen Küstenregion. Dementsprechend wird diese Probe einen hohen Anteil an Sandpartikeln aufweisen. Sandige Böden haben große Partikel (0,05 - 2 mm), was bedeutet, dass sie sich rau anfühlen und große Porenräume zwischen den Partikeln haben.
• Zweite Bodenprobe: Die zweite Probe stammt aus einem schluffigen Talgebiet. Diese Probe wird daher einen hohen Anteil an Schluffpartikeln haben. Schluff hat feinere Partikel (0,002 - 0,05 mm) als Sand, ist glatt oder seidig im Gefühl und hat kleinere Porenräume als sandige Böden.

Rolle der Textur in Bezug auf das Wasserhaltevermögen und die Durchlässigkeit des Bodens:

• Wasserhaltevermögen: Sandige Böden haben ein geringes Wasserhaltevermögen, da die großen Partikel große Porenräume schaffen, die dazu führen, dass Wasser schnell durch den Boden sickert. Im Gegensatz dazu halten schluffige Böden Wasser besser zurück, weil die kleineren Porenräume zwischen den Partikeln das Wasser länger festhalten.
• Durchlässigkeit: Aufgrund der großen Porenräume haben sandige Böden eine hohe Durchlässigkeit, was bedeutet, dass Wasser und Luft leicht durch den Boden gelangen können. Dies kann jedoch zu schnellerer Austrocknung und geringerer Nährstoffverfügbarkeit führen. Schluffige Böden haben eine geringere Durchlässigkeit, wodurch Wasser langsamer abfließt und die Nährstoffverfügbarkeit tendenziell höher bleibt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die sandige Bodenprobe aus der Küstenregion voraussichtlich eine geringere Wasserhaltekapazität und eine höhere Durchlässigkeit aufweisen wird. Im Gegensatz dazu dürfte die schluffige Bodenprobe aus dem Talgebiet eine höhere Wasserhaltekapazität und eine niedrigere Durchlässigkeit haben.

b)

Erkläre, wie die Porosität der beiden Proben die Luft- und Wasserhaushalte beeinflussen könnte. Nutze dabei die Definition der Porosität und beziehe dich auf die Textur der Proben.

Lösung:

Bei der Analyse der Porosität der beiden Bodenproben ist es wichtig, die Definition der Porosität zu verstehen. Porosität beschreibt den Anteil des Porenraums im Boden im Verhältnis zum Gesamtvolumen des Bodens. Es handelt sich um das Volumen der Hohlräume, die sowohl mit Luft als auch mit Wasser gefüllt sein können.

• Erste Bodenprobe (sandige Küstenregion): Diese Probe wird aufgrund ihrer sandigen Textur große Partikel und dementsprechend große Porenräume haben. Solche sandigen Böden haben oft eine hohe Makroporosität, was bedeutet, dass Wasser und Luft sehr gut durch den Boden zirkulieren können.
• Zweite Bodenprobe (schluffiges Talgebiet): Die schluffige Probe wird feinere Partikel haben, was zu kleineren Porenräumen führt. Solche Böden haben tendenziell eine höhere Mikroporosität, was bedeutet, dass das Wasser zurückgehalten wird und langsamer durch den Boden sickert.

Einfluss der Porosität auf den Luft- und Wasserhaushalt:

• Lufthaushalt:
• Sandige Böden mit hoher Porosität und großen Poren (Makroporen) ermöglichen eine gute Belüftung des Bodens, da Luft leicht durch die Poren strömen kann. Dies ist vorteilhaft für Wurzeln und Mikroorganismen, die Sauerstoff benötigen.
• Schluffige Böden haben im Vergleich dazu kleinere Poren (Mikroporen), was zu einer geringeren Luftzirkulation führt. Dies kann die Sauerstoffversorgung der Wurzeln und Mikroorganismen beeinträchtigen.
• Wasserhaushalt:
• Sandige Böden lassen das Wasser schnell durch die großen Poren sickern, was zu einer geringeren Wasserhaltekraft führt. Dies kann zu Trockenstress für Pflanzen führen, wenn das Wasser schnell abfließt.
• Schluffige Böden haben kleinere Poren, die das Wasser besser halten können, was zu einer höheren Wasserspeicherkapazität führt. Dies ist vorteilhaft während Trockenperioden, da die Pflanzen auf das zurückgehaltene Wasser zugreifen können.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die sandige Bodenprobe aus der Küstenregion aufgrund ihrer größeren Poren eine bessere Luftzirkulation, aber eine geringere Wasserspeicherkapazität hat. Dagegen bietet die schluffige Bodenprobe aus dem Talgebiet eine höhere Wasserspeicherkapazität, aber eine geringere Luftzirkulation.

c)

Analysiere den pH-Wert, den Nährstoffgehalt und die Kationenaustauschkapazität (KAK) der beiden Proben. Diskutiere, wie sich diese chemischen Eigenschaften auf die Verfügbarkeit von Nährstoffen für Pflanzen auswirken können. Erläutere auch, wie sich ein unterschiedlicher pH-Wert auf die KAK und den Nährstoffgehalt auswirken kann.

Lösung:

Bei der Analyse der chemischen Eigenschaften der beiden Bodenproben, insbesondere des pH-Werts, des Nährstoffgehalts und der Kationenaustauschkapazität (KAK), können wir deren Auswirkungen auf die Nährstoffverfügbarkeit für Pflanzen sowie auf die allgemeinen Bodenbedingungen untersuchen.

pH-Wert:

• pH-Wert der sandigen Küstenregion: Böden in Küstenregionen neigen aufgrund des Meerwassereinflusses oft zu einem höheren pH-Wert (alkalisch). Alkalische Böden haben oft einen pH-Wert über 7.
• pH-Wert des schluffigen Talgebiets: Böden in Talgebieten können stark variieren, aber sie neigen aufgrund von Verwitterungsprozessen und organischen Stoffen häufiger zu einem niedrigeren pH-Wert (leicht bis stark sauer), also unter 7.

Nährstoffgehalt:

• Sandige Böden: Aufgrund ihrer Textur und Porosität neigen sandige Böden dazu, Nährstoffe schneller auszuwaschen, was oft zu einem geringeren Nährstoffgehalt im Vergleich zu fein strukturierteren Böden führt.
• Schluffige Böden: Diese Böden können Nährstoffe besser halten, da die kleineren Poren weniger Auswaschung ermöglichen. Sie neigen daher zu einem höheren Nährstoffgehalt.

Kationenaustauschkapazität (KAK):

• Sandige Böden: Aufgrund der geringeren Oberflächenareal der großen Sandpartikel haben solche Böden oft eine niedrigere KAK. Dies bedeutet, dass sie weniger Nährstoffionen (Kationen) binden und austauschen können.
• Schluffige Böden: Diese Böden haben aufgrund der feineren Partikel und des höheren Gehalts an Tonmineralien und organischem Material eine höhere KAK. Dies ermöglicht eine bessere Bindung und den Austausch von Nährstoffen.

Auswirkungen auf die Nährstoffverfügbarkeit:

• pH-Wert: Der pH-Wert beeinflusst die Verfügbarkeit vieler Nährstoffe. In stark sauren Böden (niedriger pH-Wert) können Aluminium und Mangan toxisch werden, während essentielle Nährstoffe wie Phosphor und Molybdän weniger verfügbar sind. In alkalischen Böden (hoher pH-Wert) kann die Verfügbarkeit von Eisen, Mangan, Bor, Kupfer und Zink reduziert werden.
• Kationenaustauschkapazität: Eine höhere KAK bedeutet, dass der Boden mehr Nährstoffe binden und liefern kann. Böden mit niedriger KAK sind weniger in der Lage, Nährstoffe zu speichern, und erfordern häufigere Düngung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die sandige Bodenprobe aus der Küstenregion wahrscheinlich einen höheren, alkalischen pH-Wert, einen niedrigeren Nährstoffgehalt und eine geringere KAK aufweist. Dies kann die Verfügbarkeit von Mikronährstoffen einschränken und häufigere Düngemaßnahmen erfordern. Die schluffige Bodenprobe aus dem Talgebiet weist voraussichtlich einen niedrigeren, sauren pH-Wert, einen höheren Nährstoffgehalt und eine höhere KAK auf, was eine bessere Nährstoffverfügbarkeit und Speicherkapazität für Pflanzen bedeutet. Hier könnte jedoch überprüft werden, ob bestimmte Nährstoffe im sauren Bereich weniger verfügbar oder toxisch sind.

Aufgabe 4)

Atmosphärische ZirkulationsmusterGlobales Muster der Luftbewegung, beeinflusst durch Erdrotation und Temperaturunterschiede.

• Drei Zellen pro Hemisphäre: Hadley-Zelle, Ferrel-Zelle, Polar-Zelle
• ITCZ: Intertropische Konvergenzzone, wo feuchte Luft aufsteigt und Niederschlag verursacht
• Jetstreams: schmale, starke Windbänder in der oberen Troposphäre
• Corioliskraft: Ablenkung der Windrichtungen, verursacht durch Erdrotation
• Druckgebiete: Tiefdruckgebiete (Konvergenz, Aufsteigende Luft, Niederschlag) vs. Hochdruckgebiete (Divergenz, Absinkende Luft, Trockenheit)

a)

Erkläre den Einfluss der Corioliskraft auf die atmosphärischen Zirkulationsmuster und veranschauliche dies anhand eines Beispiels aus einer der drei Zellstrukturen. Gehe dabei darauf ein, wie die Corioliskraft die Windrichtungen sowie die Position und Intensität der Jetstreams beeinflusst.

Lösung:

Einfluss der Corioliskraft auf die atmosphärischen ZirkulationsmusterDie Corioliskraft ist eine scheinbare Kraft, die durch die Erdrotation verursacht wird und die Bewegung von Luftmassen beeinflusst. Sie wirkt quer zur Bewegungsrichtung und lenkt die Winde ab - auf der Nordhalbkugel nach rechts und auf der Südhalbkugel nach links. Dieser Effekt spielt eine zentrale Rolle bei der Entstehung und der Struktur der atmosphärischen Zirkulationsmuster.Die drei großen Zellstrukturen in jeder Hemisphäre - Hadley-Zelle, Ferrel-Zelle und Polar-Zelle - werden wesentlich durch die Corioliskraft beeinflusst.

• Hadley-Zelle: In der Hadley-Zelle steigt warme, feuchte Luft am Äquator auf und bewegt sich in Richtung der Pole. Durch die Abkühlung in höheren Luftschichten sinkt die Luft in den Subtropen (ungefähr bei 30° Breite) wieder ab. Hier wird die Luft durch die Corioliskraft nach Westen abgelenkt, was Passatwinde in Richtung des Äquators entstehen lässt. Diese Winde sind als Nordost-Passatwind auf der Nordhalbkugel und Südost-Passatwind auf der Südhalbkugel bekannt.
Ein Beispiel: In der Hadley-Zelle bewirkt die Corioliskraft, dass auf der Nordhalbkugel der Wind von den Subtropen in Richtung Äquator nach Westen abgelenkt wird. Dies führt zur Entstehung der Nordost-Passatwinde. Auf der Südhalbkugel wird der Wind nach Osten abgelenkt, was zu den Südost-Passatwinden führt.
• Ferrel-Zelle: Zwischen den Breitengraden der Hadley- und Polar-Zellen befindet sich die Ferrel-Zelle. Die Luftströmung in dieser Zelle bewegt sich in die entgegengesetzte Richtung wie in der Hadley- und Polar-Zelle. Durch die Corioliskraft werden diese Winde auf der Nordhalbkugel nach Nordosten und auf der Südhalbkugel nach Südosten abgelenkt. Dies führt zu den Westwinden, die über weite Teile der mittleren Breiten wehen.
• Polar-Zelle: In den Polarregionen (ab 60° Breite) sinkt kalte, dichte Luft ab und fließt in Richtung Äquator. Die Corioliskraft lenkt diese Winde auf der Nordhalbkugel nach Westen (Polarostwinde) ab, während sie auf der Südhalbkugel nach Osten abgelenkt werden.
Einfluss auf Jetstreams:Jetstreams sind schmale, starke Windbänder in der oberen Troposphäre, die entlang der Grenzen der atmosphärischen Zellen vorkommen. Die Corioliskraft spielt eine entscheidende Rolle bei ihrer Bildung und Positionierung. Beispielsweise liegt der Polarfront-Jetstream zwischen der Polar- und der Ferrelzelle und wird durch die starken Temperaturgradienten sowie die Corioliskraft intensiviert.Die Position und Intensität der Jetstreams werden somit durch die Temperaturdifferenzen zwischen den Zellen und die Corioliskraft bestimmt. Im Winter, wenn die Temperaturunterschiede größer sind, sind die Jetstreams tendenziell stärker und weiter nach Süden verschoben. Im Sommer sind sie schwächer und bewegen sich nach Norden.Zusammengefasst beeinflusst die Corioliskraft die Windrichtungen in den atmosphärischen Zellen, indem sie die Winde auf der Nordhalbkugel nach rechts und auf der Südhalbkugel nach links ablenkt. Dies führt zur Bildung spezifischer globaler Windmuster und beeinflusst die Position und Intensität der Jetstreams maßgeblich.

b)

Betrachte die ITCZ und ihre saisonalen Verschiebungen. Berechne, wie weit sich die ITCZ im Laufe eines Jahres entlang eines bestimmten Längengrades verschieben kann, wenn bekannt ist, dass die maximale Verschiebung abhängig vom Sonnenstand 23,5° nördlicher und südlicher Breite beträgt. Berücksichtige dabei den Zusammenhang zwischen der Verschiebung und der Erdachse.

Lösung:

Die ITCZ und ihre saisonalen VerschiebungenDie Intertropische Konvergenzzone (ITCZ) ist ein wichtiger Bestandteil der atmosphärischen Zirkulationsmuster. Sie ist eine Region in der Nähe des Äquators, wo die Passatwinde aus beiden Hemisphären aufeinandertreffen und feuchte Luft aufsteigt, was zu starken Regenfällen führt. Die ITCZ ist nicht statisch und verschiebt sich saisonal aufgrund der Neigung der Erdachse und der Änderungen des Sonnenstands.Maximale Verschiebung der ITCZDie Erdachse ist um etwa 23,5° geneigt. Diese Neigung führt dazu, dass die ITCZ im Laufe eines Jahres ihre Position ändert, da sie der Wanderung des Sonnenstandes folgt. Die maximale Verschiebung der ITCZ reicht daher von etwa 23,5° nördlicher Breite zur Sommersonnenwende der Nordhalbkugel bis zu 23,5° südlicher Breite zur Sommersonnenwende der Südhalbkugel.Um die ITCZ-Verschiebung zu berechnen, betrachten wir diese Neigung:

• Zur Sommersonnenwende der Nordhalbkugel (um den 21. Juni): Die Sonne steht senkrecht über dem nördlichen Wendekreis bei 23,5° N, und die ITCZ verschiebt sich in Richtung dieser Breite.
• Zur Sommersonnenwende der Südhalbkugel (um den 21. Dezember): Die Sonne steht senkrecht über dem südlichen Wendekreis bei 23,5° S, und die ITCZ verschiebt sich in Richtung dieser Breite.
Die totale Verschiebung der ITCZ innerhalb eines Jahres beträgt somit:
• Von 23,5° N bis 23,5° S
Dies entspricht insgesamt 47° (weil:
• 23,5° [N] + 23,5° [S] = 47°
) entlang eines bestimmten Längengrades.Zusammenfassung:Im Laufe eines Jahres verschiebt sich die ITCZ entlang eines bestimmten Längengrades um insgesamt bis zu 47°. Diese Verschiebung resultiert aus der Neigung der Erdachse und der jährlichen Wanderung des Sonnenstandes zwischen den nördlichen und südlichen Wendekreisen. Folglich beeinflussen diese saisonalen Verschiebungen die Verteilung von Niederschlag und Klima in den Tropen und Subtropen maßgeblich.