Die Physik der Seeschichtung erklärt

Die meisten Seen vermischen sich nicht gleichmäßig von oben nach unten. Stattdessen teilen sie sich je nach Jahreszeit in verschiedene Wasserschichten auf, jede mit ihrer eigenen Temperatur, Dichte und ihrem eigenen Sauerstoffgehalt. Schichtung ist die offizielle Bezeichnung für diese Trennung der Wasserschichten und einer der wichtigsten Faktoren für die Funktionsweise eines Sees. Für diejenigen, die zur Wasserversorgung, Erholung oder Fischerei auf Seen angewiesen sind, ist die Schichtung kein theoretisches Interesse; es wirkt sich direkt auf die Wasserqualität und die ökologische Gesundheit aus.

Die Physik der Schichtung

Im Wesentlichen ist die Seeschichtung eine Manifestation der Physik der Wasserdichte. Wasser hat die höchste Dichte bei etwa 39 °F (4 °C). Da Frühling und Sommer höhere Temperaturen mit sich bringen, wird die Seeoberfläche durch Sonnenlicht erwärmt. Warmes Wasser wird leichter und schwimmt auf den unteren, dichteren Schichten. Da sich Wasserschichten unterschiedlicher Dichte nicht vermischen, beeinflussen Wind und Oberflächenbewegungen nur die Oberfläche, während tiefere Gewässer ungestört bleiben.

Sonnenlicht ist ein wesentlicher Faktor für die Schichtung von Seen. Lichtenergie erwärmt die Oberflächenschichten, nimmt jedoch mit der Tiefe ab, sodass das Wasser näher am Boden zunehmend dunkler und kalter wird. Ohne die intensive Bewegung, die in Flüssen oder flachen Teichen auftritt, werden tiefe Wasserstände isoliert. Das Ergebnis ist eine buchstäbliche Aufteilung des Sees in einzigartige Schichten, von denen jede praktisch als eigene Umgebung fungiert.

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Die drei Schichten eines geschichteten Sees

Unterwasseransicht des Jankovac-Sees im Naturpark Papuk, Kroatien.

Wissenschaftler, die sich auf Gebiete wie die Limnologie spezialisiert haben, charakterisieren einen geschichteten See typischerweise als einen See, der aus drei Schichten besteht:

Epilimnion

Die oberste Schicht eines geschichteten Sees wird Epilimnion genannt. Es wird direkt von der Sonne erwärmt und vom Wind vermischt, wodurch es gut vermischt und reich an Sauerstoff bleibt. Da es mit der Atmosphäre in Berührung kommt, findet an der Oberfläche ein ständiger Gasaustausch statt, der Fische, Insekten und Wasserpflanzen mit Sauerstoff versorgt. Diese Schicht beherbergt das meiste sichtbare Leben, von Fischschwärmen bis hin zu Wurzelpflanzen, die auf Sauerstoff und Sonnenlicht angewiesen sind.

Metalimnion (Thermokline)

In der mittleren Schicht ändert sich die Temperatur plötzlich mit der Tiefe. Es handelt sich um eine Übergangszone und eine Barriere, die verhindert, dass der Oberflächensauerstoff in tiefere Gewässer gelangt. Fische durchqueren das Metalimnion, wenn sie sich von warmen in kalte Zonen bewegen, aber da der Sauerstoffgehalt und die Temperaturen hier instabil sind, neigen sie nicht dazu, dort zu bleiben. Die Thermokline-Schichtung ist die spezifische Zone innerhalb dieser Schichten, in der die Wassertemperatur mit zunehmender Tiefe am schnellsten sinkt, wodurch eine deutliche Trennung zwischen der warmen oberen Schicht und der kalten unteren Schicht entsteht. Die Stabilität dieser dünnen Schicht verhindert eine Vermischung, was zu einem verringerten Sauerstoffgehalt im Tiefenwasser führt und sich negativ auf das Leben im Wasser auswirkt.

Hypolimnion

Dies ist der kälteste und isolierteste Teil des Sees. Da es vor Oberflächenvermischung geschützt ist, wird ihm der Sauerstoff entzogen, wenn organisches Material absinkt und sich zersetzt. Bis zum Spätsommer kann der Sauerstoffgehalt hier so niedrig sein, dass Fische und die meisten Wirbellosen nicht überleben können. Während diese Zone für die meisten Wasserlebewesen unwirtlich ist, spielt sie eine entscheidende Rolle im Nährstoffkreislauf und der langfristigen Wasserchemie.

Saisonale Schichtungsmuster

Herbst am See.

Bei saisonalen Veränderungen folgt die Schichtung einem einheitlichen Muster:

• Frühling: Wenn das Eis schmilzt und sich das Oberflächenwasser auf die Temperatur der stärker isolierten Tiefen erwärmt, erreicht die Wasserdichte einen Punkt relativen Gleichgewichts und der gesamte See kann sich mithilfe eines starken Windes von oben nach unten durchmischen. Sauerstoff und Nährstoffe werden gleichmäßig verteilt und befeuern eine Explosion der biologischen Aktivität.
• Sommer: Bei wärmeren Lufttemperaturen bilden sich stabile Warmschichten, die sauerstoffreiches Oberflächenwasser vom sauerstoffarmen Grundwasser trennen. Im Epilimnion wachsen Fische und Wasservegetation.
• Fallen: Abkühlendes Wetter bricht die Wärmekappe ab und die Dichte wird von oben nach unten gleichmäßiger, sodass der Wind das Wasser erneut von oben nach unten bewegen kann. Dadurch wird das Tiefenwasser wieder mit Sauerstoff angereichert, es können aber auch Nährstoffe an die Oberfläche gelangen, die das Algenwachstum unterstützen.
• Winter: Unter Eis ist die Durchmischung begrenzt, doch da Wasser bei 39 °F (4 °C) am dichtesten ist, gibt es eine stabile, aber alternative Schichtkonfiguration, die das Leben im Kaltwasser begünstigt. Diejenigen Arten, die den Winter überleben können, verbringen die kälteren Monate am Grund des Sees, wo die Temperaturen tatsächlich wärmer sind.

Ökologische Implikationen

Hecht (Esox lucius)

Bei Fischpopulationen ist die Schichtung gleichbedeutend mit Leben und Tod. Forellen beispielsweise bevorzugen Temperaturen zwischen 4,5 °C und 10 °C und viel Sauerstoff. Wenn dem Hypolimnion der Sauerstoff entzogen wird, können diese Fische in ungünstigere Umgebungen gedrängt werden oder dauerhaft aus einem See oder Ökosystem verschwinden.

Mittlerweile ist die Schichtung sowohl ein Hindernis als auch ein Vorteil für die Wasseraufbereitung. Bei der Entnahme aus Seen und Stauseen können Aufbereitungsanlagen häufig saisonale Schwankungen, wie z. B. Algenblüten, bewältigen, indem sie entsprechend den Qualitätsanforderungen aus unterschiedlichen Tiefen entnehmen.

Menschliche Auswirkungen auf die Schichtung

Blühende Algen auf dem Wasser.

Menschliche Aktivitäten können die Auswirkungen der Schichtung direkt beeinflussen. Übermäßiger Nährstoffabfluss aus landwirtschaftlichen, industriellen oder städtischen Aktivitäten beschleunigt den Sauerstoffmangel im Grundwasser, indem er das Algenwachstum fördert. Wenn Algen absterben und sich am Boden niederlassen, nutzen sie Sauerstoff für die Zersetzung, wodurch das Hypolimnion schneller unbewohnbar wird.

Der Klimawandel verändert je nach den Umständen auch die Schichtungsdynamik. Eine erhöhte Lufttemperatur führt zu einer intensiveren und stabileren Schichtung, wodurch die Möglichkeit einer saisonalen Vermischung begrenzt wird, die verhindert, dass Sauerstoff in tiefe Gewässer gelangt. Außerdem bringen starke Regenfälle eine höhere Nährstoffbelastung mit sich, was die Wahrscheinlichkeit von Totzonen und schädlichen Algenblüten erhöht.

Warum es wichtig ist, die Schichtung zu verstehen

Paar angelt an einem See in Finnland.

Für Menschen, die Seen zum Konsumieren, Angeln oder zur Erholung nutzen, ist die Schichtung für viele der beobachteten Phänomene verantwortlich. Trübes Wasser im Sommer, Fischsterben oder mysteriöse Algenblüten sind typischerweise auf die sommerliche Schichtung des Wassers zurückzuführen. Mit diesem Wissen können Wassermanagementteams Probleme vorhersagen und den Bewohnern helfen, zu verstehen, wie sie die Schwere dieser Auswirkungen in den schlimmsten Zeiten des Jahres begrenzen können.

Wichtig ist auch die Schichtung, die uns daran erinnert, dass Seen dynamische Systeme sind, die ständig auf Klima, Wetter und menschliche Aktivitäten reagieren. Ein See ist kein einheitlicher Körper, sondern eine einzigartige Umgebung, deren Gesundheit vom Gleichgewicht abhängt.

Zur Schichtung in einem See kommt es, wenn sich Wasser auf natürliche Weise in Schichten aufteilt, die durch Temperatur und Dichte bestimmt werden. Das warme obere Epilimnion, die mittlere Thermokline und das kalte Hypolimnion am Grund des Sees steuern die Sauerstoffkonzentration, den Nährstoffumsatz und das Wasserleben. Die Schichtung ist zwar für das Leben im See von entscheidender Bedeutung, kann jedoch zu einem Problem für die Fischbestände, die Wasserressourcen und die Gesundheit eines Ökosystems insgesamt werden, insbesondere wenn sie durch Umweltverschmutzung und globale Erwärmung verstärkt wird. Wenn Gemeinden verstehen, wie die Schichtung funktioniert, können sie langfristig wirksamere Entscheidungen zum Schutz von Wassereinzugsgebieten, zur Wasseraufbereitung und zur Seebewirtschaftung treffen.