Seeschichtung

Die Schichtung von Seen beschreibt deren Tendenz , bei warmem Wetter getrennte und deutlich abgegrenzte Temperaturschichten zu bilden. Typischerweise weisen geschichtete Seen drei deutlich unterscheidbare Schichten auf: das Epilimnion , die obere, warme Schicht; die Thermokline (oder Metalimnion), die mittlere Schicht, deren Tiefe sich im Laufe des Tages verändern kann; und das kältere Hypolimnion , das sich bis zum Seegrund erstreckt.

Jeder See weist ein spezifisches Durchmischungsregime auf, das von seiner Morphometrie und den Umweltbedingungen beeinflusst wird. Veränderungen menschlicher Einflüsse wie Landnutzungsänderungen , Temperaturanstiege und veränderte Wettermuster verändern jedoch nachweislich Zeitpunkt und Intensität der Schichtung in Seen weltweit. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Steigende Lufttemperaturen haben auf Seen denselben Effekt wie eine geografische Lageveränderung, wobei tropische Zonen besonders empfindlich reagieren. ^{[ 2 ] [ 1 ]} Diese Veränderungen können zudem die Zusammensetzung der Fisch-, Zooplankton- und Phytoplanktongemeinschaften beeinflussen und Gradienten erzeugen, die die Verfügbarkeit von gelöstem Sauerstoff und Nährstoffen verändern. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

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  Dieses typische Mischungsmuster vieler Seen entsteht dadurch, dass Wasser bei Temperaturen unter 4 °C (der Temperatur, bei der Wasser seine größte Dichte erreicht) eine geringere Dichte aufweist. Die Schichtung des Seewassers ist im Sommer und Winter stabil, wird jedoch im Frühling und Herbst instabil, wenn die Wassertemperatur an der Oberfläche die 4-°C-Marke überschreitet.

Die thermische Schichtung von Seen beschreibt die Temperaturunterschiede in verschiedenen Wassertiefen und beruht auf der temperaturabhängigen Dichte des Wassers. ^{[ 5 ]} Kaltes Wasser ist dichter als warmes, und das Epilimnion besteht im Allgemeinen aus Wasser mit geringerer Dichte als das Hypolimnion. ^{[ 6 ]} Die Temperatur maximaler Dichte von Süßwasser liegt bei 4 °C. In gemäßigten Regionen, wo sich das Seewasser im Laufe der Jahreszeiten erwärmt und abkühlt, entsteht ein zyklischer Durchmischungsprozess, der sich jährlich wiederholt, da das kalte, dichte Wasser an der Oberfläche absinkt (siehe stabile und instabile Schichtung ). In dimiktischen Seen beispielsweise findet die Durchmischung im Frühjahr und Herbst statt. Dieser Prozess verläuft in tieferen Wasserschichten langsamer; dadurch kann sich eine thermische Barriere bilden. ^{[ 5 ]} Hält die Schichtung des Wassers über längere Zeiträume an, spricht man von einem meromiktischen See .

Der Wärmetransport zwischen den durchmischten Schichten eines geschichteten Sees verläuft sehr langsam: Die Wärmediffusion über nur einen Meter Höhe dauert etwa einen Monat. Die Wechselwirkung zwischen Atmosphäre und Seen hängt von der Verteilung der Sonneneinstrahlung ab. Daher kann Wasserturbulenz, die hauptsächlich durch Wind verursacht wird, die Effizienz des Wärmeaustauschs erheblich steigern. ^{[ 7 ]} In flachen Seen findet oft keine Schichtung in Epilimnion, Metalimnion und Hypolimnion statt, da Wind oder Abkühlung das ganze Jahr über für eine regelmäßige Durchmischung sorgen. Diese Seen werden als polymiktisch bezeichnet . Es gibt keine feste Tiefe, die polymiktische von geschichteten Seen unterscheidet, da diese auch von der Trübung, der Seeoberfläche und dem Klima beeinflusst wird. ^{[ 8 ]}

Das Durchmischungsregime eines Sees (z. B. polymiktisch , dimiktisch , meromiktisch ) ^{[ 9 ]} beschreibt die jährlichen Muster der Seeschichtung, die in den meisten Jahren auftreten. Kurzfristige Ereignisse können die Seeschichtung jedoch ebenfalls beeinflussen. Hitzewellen können in ansonsten durchmischten, flachen Seen zu Phasen der Schichtung führen ^{[ 10 ]} , während Durchmischungsereignisse wie Stürme oder starke Flussabflüsse die Schichtung aufheben können ^{[ 11 ]} . Wetterbedingungen bewirken in größeren, flacheren Seen eine schnellere Reaktion, weshalb diese Seen dynamischer und weniger gut erforscht sind. Die in großen, flachen Seen bekannten Durchmischungsregime sind jedoch meist tageszeitlich, und die Schichtung ist leicht zu stören. Der Taihu-See in China ist ein Beispiel für einen großen, flachen See mit tageszeitlicher Durchmischung. Obwohl seine Tiefe nicht mehr als 3 Meter beträgt, ist die Wassertrübung des Sees dennoch dynamisch genug, um aufgrund der Absorption von Sonnenstrahlung, hauptsächlich in der oberen Schicht, eine Schichtung und Entschichtung zu bewirken. ^{[ 12 ]} Die Tendenz zur Störung der Schichtung beeinflusst die Transport- und Verbrauchsrate von Nährstoffen und damit wiederum das Algenwachstum. ^{[ 13 ]} Schichtung und Durchmischungsprozesse in den größten Seen der Erde sind noch unzureichend erforscht. Dennoch können Veränderungen der Temperaturverteilung, wie beispielsweise der mit der Zeit beobachtete Temperaturanstieg in den Tiefen des Michigansees , die größten Süßwasserökosysteme des Planeten erheblich verändern. ^{[ 14 ]}

Jüngste Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass saisonal eisbedeckte dimiktische Seen je nach ihren winterlichen Schichtungsregimen als „kryostratifiziert“ oder „kryomiktisch“ beschrieben werden können. ^{[ 15 ]} Kryostratifizierte Seen weisen eine inverse Schichtung nahe der Eisoberfläche auf und haben tiefengemittelte Temperaturen um 4 °C, während kryomiktische Seen keine Thermokline unter dem Eis besitzen und tiefengemittelte Wintertemperaturen nahe 0 °C aufweisen. ^{[ 15 ]}

Die Wasserzirkulation während der Durchmischungsphasen bewirkt die Bewegung von Sauerstoff und anderen gelösten Nährstoffen und deren Verteilung im gesamten Gewässer. ^{[ 7 ]} In Seen mit einem hohen Anteil an benthischen Organismen können Atmung und Nahrungsaufnahme dieser Bodenfresser die Durchmischungseigenschaften stark geschichteter Seen überwiegen, was zu Zonen mit extrem niedrigen Sauerstoff- und Nährstoffkonzentrationen in Bodennähe führt. Dies kann für benthische Organismen wie Schalentiere schädlich sein; im schlimmsten Fall kann es ganze Populationen auslöschen. ^{[ 16 ]} Die Anreicherung von gelöstem Kohlendioxid (CO₂ ₎ in drei meromiktischen Seen in Afrika ( Nyos-See und Monoun-See in Kamerun sowie Kivu-See in Ruanda ) ist potenziell gefährlich, denn wenn einer dieser Seen in eine limnische Eruption gerät , kann eine sehr große Menge CO₂ _schnell aus dem See entweichen und den für das Leben von Menschen und Tieren in der Umgebung notwendigen Sauerstoff verdrängen .

In gemäßigten Breiten schichten sich viele Seen während der Sommermonate und entschichten sich bei kühlerem, windigem Wetter wieder. Die Oberflächendurchmischung durch den Wind spielt dabei eine entscheidende Rolle. Dieses Phänomen wird oft als „Herbstzirkulation“ bezeichnet. Durch die Vermischung des Hypolimnions mit dem übrigen Seewasser werden Nährstoffe, insbesondere Phosphorverbindungen, die sich während der warmen Jahreszeit im Hypolimnion angesammelt haben, wieder zugeführt. Gleichzeitig besteht die Gefahr eines Sauerstoffmangels, da ein über längere Zeit bestehendes Hypolimnion sauerstoffarm (anoxisch) sein kann.

Die Durchmischungsprozesse in Seen können sich als Reaktion auf steigende Lufttemperaturen verändern. Dies kann dazu führen, dass einige dimiktische Seen zu monomiktischen Seen werden, während einige monomiktische Seen meromiktisch werden können. ^{[ 17 ]}

Zur thermischen Entschichtung von Seen, insbesondere solchen mit Sauerstoffmangel oder unerwünschtem Algenwachstum, werden verschiedene Belüftungsanlagen eingesetzt. ^{[ 18 ]} Naturschutz- und Umweltmanager stehen häufig vor der Herausforderung, Probleme durch die thermische Schichtung von Seen und Teichen zu lösen. ^{[ 6 ] [ 19 ] [ 20 ]} Fischsterben wird direkt mit Temperaturgradienten, Stagnation und Eisbedeckung in Verbindung gebracht. ^{[ 21 ]} Übermäßiges Planktonwachstum kann die Freizeitnutzung von Seen und die kommerzielle Nutzung von Seewasser einschränken. Starke thermische Schichtung in einem See kann auch die Trinkwasserqualität beeinträchtigen. ^{[ 6 ]} Die räumliche Verteilung von Fischen in einem See wird oft durch thermische Schichtung negativ beeinflusst und kann in manchen Fällen indirekt zu einem massenhaften Sterben von für die Freizeitfischerei wichtigen Fischen führen. ^{[ 21 ]} Ein gängiges Mittel zur Minderung dieser Probleme im Seemanagement ist die Beseitigung oder Verringerung der thermischen Schichtung durch Wasserbelüftung . ^{[ 19 ]} Die Belüftung hat einige Erfolge erzielt, obwohl sie sich selten als Allheilmittel erwiesen hat. ^{[ 20 ]}

Jeder See weist ein spezifisches Durchmischungsregime auf, das von der Seemorphometrie und den Umweltbedingungen beeinflusst wird . Veränderungen durch menschliche Einflüsse wie Landnutzungsänderungen, Temperaturanstiege und veränderte Wettermuster verändern jedoch nachweislich Zeitpunkt und Intensität der Schichtung in Seen weltweit. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Diese Veränderungen können darüber hinaus die Zusammensetzung der Fisch-, Zooplankton- und Phytoplanktongemeinschaften beeinflussen und Gradienten erzeugen, die die Verfügbarkeit von gelöstem Sauerstoff und Nährstoffen verändern. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Lokale Landnutzung

Es gibt verschiedene Wege, auf denen Veränderungen der menschlichen Landnutzung die Schichtung von Seen und damit die Wasserqualität beeinflussen. Die Ausdehnung von Städten hat zum Bau von Straßen und Häusern in der Nähe ehemals isolierter Seen geführt, was mitunter zu vermehrtem Oberflächenabfluss und Verschmutzung führt. Die Zufuhr von Schwebstoffen in Seen kann die Sichttiefe verringern , was eine stärkere thermische Schichtung und insgesamt niedrigere durchschnittliche Wassertemperaturen zur Folge hat und letztendlich die Eisbildung beeinflussen kann. ^{[ 22 ]} Die Wasserqualität kann auch durch den Abfluss von Streusalz von Straßen und Gehwegen beeinträchtigt werden, wodurch sich häufig eine salzhaltige Bodenschicht bildet, die die vertikale Durchmischung des Oberflächenwassers behindert. ^{[ 4 ]} Darüber hinaus kann die Salzschicht verhindern, dass gelöster Sauerstoff die Bodensedimente erreicht, was den Phosphorkreislauf verringert und mikrobielle Gemeinschaften beeinträchtigt. ^{[ 4 ]}

Global steigende Temperaturen

Weltweit können steigende Temperaturen und veränderte Wettermuster auch die Schichtung von Seen beeinflussen. Steigende Lufttemperaturen wirken sich auf Seen ähnlich aus wie eine geografische Lageveränderung, wobei tropische Zonen besonders empfindlich reagieren. ^{[ 2 ] [ 1 ]} Intensität und Ausmaß der Auswirkungen hängen von der Lage und der Morphometrie des Sees ab, können aber in manchen Fällen so extrem sein, dass eine Umklassifizierung von monomiktisch zu dimiktisch erforderlich ist (z. B. Großer Bärensee ). ^{[ 2 ]} Global betrachtet scheint die Schichtung von Seen mit tieferen und steileren Sprungschichten stabiler zu sein, wobei die durchschnittliche Seetemperatur ein Hauptfaktor für die Reaktion der Schichtung auf Temperaturänderungen ist. ^{[ 1 ]} Darüber hinaus sind die Erwärmungsraten der Oberfläche deutlich höher als die des Seebodens, was erneut auf eine stärkere thermische Schichtung in den Seen hindeutet. ^{[ 1 ]}

Veränderungen der Schichtungsmuster können auch die Zusammensetzung der Lebensgemeinschaften in Seeökosystemen beeinflussen. In flachen Seen kann ein Temperaturanstieg die Kieselalgengemeinschaft verändern; in tiefen Seen spiegelt sich die Veränderung in den Taxa der tiefen Chlorophyllschicht wider. ^{[ 3 ]} Veränderungen der Durchmischungsmuster und eine erhöhte Nährstoffverfügbarkeit können sich ebenfalls auf die Artenzusammensetzung und Abundanz des Zooplanktons auswirken, während eine verringerte Nährstoffverfügbarkeit schädlich für benthische Gemeinschaften und Fischhabitate sein kann. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

In nördlichen gemäßigten Seen führt der Klimawandel zu zunehmender Variabilität der Wettermuster sowie des Zeitpunkts der Eisbildung und -auflösung. Die daraus resultierenden jährlichen Veränderungen der Schichtung können mehrere trophische Ebenen beeinflussen . ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} Schwankungen in der Schichtungskonsistenz können die Sauerstoffarmut der Seen, die Nährstoffmineralisierung und die Phosphorfreisetzung beschleunigen, was erhebliche Folgen für Phytoplanktonarten hat. ^{[ 25 ] [ 26 ]} Darüber hinaus können diese Veränderungen in der Phytoplanktonartenzusammensetzung und -häufigkeit die Rekrutierung von Fischen , wie beispielsweise des Glasaugenbarsches , beeinflussen . Treten diese Asynchronien in den Räuber- und Beutepopulationen aufgrund von Schichtungsänderungen Jahr für Jahr auf, kann es Jahre dauern, bis sich die Populationen wieder auf ihren „normalen“ Zustand erholt haben. ^{[ 26 ]} In Kombination mit den typischerweise wärmeren Seetemperaturen, die mit den durch den Klimawandel bedingten Schichtungsmustern einhergehen, können die jährlichen Schwankungen der Beutepopulationen für Kaltwasserfischarten schädlich sein. ^{[ 27 ]}

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