Temperaturschichtung See

Für das Ökosystem See besteht nicht nur eine räumliche Gliederung. Es ist, durch den Verlauf der Jahreszeiten und der damit verbundenen Veränderung von abiotischen Umweltfaktoren, auch zeitlich gegliedert. Daraus ergibt sich, je nach Jahreszeit, eine andere thermale Schichtung im See.

Temperaturschichtung im See – Abiotische Umweltfaktoren

Für die thermische Schichtung im See sind die Umweltfaktoren Licht, Wind und Wasser relevant. Das Licht stellt den Energieeintrag in das Ökosystem dar und erhöht die Temperatur im See bzw. in den obersten Schichten des Sees. Wird Wasser erwärmt, verringert sich seine Dichte. Die Dichteunterschiede sind zusammen mit den unterschiedlich starken Winden im Jahresverlauf die treibenden Kräfte hinter der thermischen Schichtung.

Die Dichteanomalie des Wassers

Die Temperaturschichtung im See wird also durch die Dichteunterschiede im Wasser ausgelöst. Wasser ist im Bezug auf seine Dichte ein einzigartiges Molekül. Im Gegensatz zu anderen Stoffen (s. Abbildung 2) nimmt seine Dichte nicht beim Übergang in den festen Aggregatzustand (Eis) zu, sondern ab (s. Abbildung 3). Dadurch sinkt Eis nicht zum Seeboden, sondern schwimmt oben auf der Wasseroberfläche auf.

Abbildung 2: Normales Dichteverhalten

Generell gilt jedoch, dass mit abnehmender Temperatur die Dichte des Wassers zuerst zunimmt. Sie erreicht ihr Maximum bei 3,98°C ≈ 4°C. Dieses Phänomen wird auch Dichteanomalie des Wassers genannt (s. Abbildung 3).

Kühlt sich das Wasser durch niedrige Außentemperaturen an der Seeoberfläche weiter ab, nimmt die Dichte ebenfalls ab. Dies bewirkt, dass das kälteste (und gleichzeitig leichteste) Wasser sich an der Seeoberfläche befindet und eine Eisschicht bildet.

Dabei isoliert die Eisschicht das darunter liegende wärmere Wasser von der äußeren Kälte und schützt vor dem weiteren Einfrieren. Dadurch sinkt das schwerste Wasser mit ca. 4 °C in Richtung des Seebodens. Hier herrscht im Tiefenwasser also eine Temperatur von 4°C, was für im See lebende Organismen eine ausreichende Temperatur zum Überleben darstellt.

Der See im Jahresverlauf – von Winterstagnation bis Sommerstagnation

Im Verlauf der Jahreszeiten verändern sich Lichteinstrahlung, Außentemperatur und Windstärke. Das wirkt sich auch auf den See aus. So ist der See im Sommer z. B. in drei Schichten mit verschiedenen Temperaturen unterteilt, während im Herbst im gesamten See die gleiche Temperatur herrscht.

Im folgenden Abschnitt lernst du, wie sich die Jahreszeiten auf den See und insbesondere dessen Wassertemperatur auswirken.

Sommerstagnation im See

Im Sommer führt die starke Sonneneinstrahlung zur Erwärmung des Oberflächenwassers. Das erwärmte Wasser hat eine geringere Dichte als das darunter liegende kältere Wasser, sodass sich eine gleichwarme obere Wasserschicht ausbildet, das Epilimnion.

Epilimnion in der Sommerstagnation

Durch die gleiche Temperatur und leichte Winde kommt es im Epilimnion zu einer Teilzirkulation, wodurch diese Schicht mit viel Sauerstoff versetzt wird. Zusätzlicher Sauerstoff entsteht durch die hohe Photosyntheseleistung da in diese Schicht besonders viel Sonnenlicht eindringt.

Metalimnion in der Sommerstagnation

Unter dem Epilimnion befindet sich die Sprungschicht, auch Metalimnion genannt. Sie liegt in der Wassertiefe, in der das erste Mal ein Temperaturunterschied zum Epilimnion nachgewiesen werden kann. In dieser Schicht ist weniger Sauerstoff angereichert, da weniger Licht bis in diese Schicht reicht.

Daraus resultiert eine geringere Photosyntheseleistung und die Zellatmung der Organismen überwiegt. Das Epilimnion bildet das Bindeglied zu der kühleren Tiefenschicht dem Hypolimnion.

Hypolimnion in der Sommerstagnation

Im Hypolimnion ist die Dichte des Wassers am höchsten - die Temperatur beträgt hier bis zu 4°C (kann im Sommer aber auch etwas wärmer sein). Hier überwiegen in Summe Zellatmungsprozesse gegenüber der Primärproduktion durch Photosynthese, da kein Licht einfällt. Es kann jedoch trotzdem etwas mehr Sauerstoff vorhanden sein als in der Sprungschicht, da sich Gase in kälterem Wasser besser lösen.

Vollzirkulation im Herbst

Im Herbst kommt es durch die nachlassende Strahlungsintensität des Sonnenlichts zu einer kontinuierlichen Abkühlung des Oberflächenwassers im Epilimnion. Die Temperaturunterschiede zwischen dem Epilimnion und dem Hypolimnion werden regelmäßig kleiner. Damit verringern sich auch die Dichteunterschiede und die im Sommer noch stabile Schichtung löst sich langsam auf - So wird eine Vermischung des Wassers aus allen Schichten möglich.

Diese vollständige Zirkulation des Wassers wird angekurbelt durch die starken Winde, welche im Herbst wehen. So kommt es zur Herbstvollzirkulation.

Durch die Vollzirkulation ist die Temperatur und der Sauerstoffgehalt im gesamten See gleichmäßig.

Winterstagnation im See

Nachdem im Herbst das gesamte Wasser zirkuliert ist, kühlt das Oberflächenwasser im Winter mit der Außentemperatur immer weiter ab. Die starken Herbstwinde werden weniger und seichter, sodass das Oberflächenwasser weniger in Bewegung ist. Wenn es kalt genug wird, bildet sich an der Oberfläche eine Eisschicht.

Die Eisschicht verhindert eine weitere Bewegung der Wasseroberfläche und damit die Zirkulation des Wassers - es kommt zur Winterstagnation des Sees. Da Wasser durch seine Dichteanomalie bei 4 °C seine höchste Dichte besitzt, sinkt Wasser, das sich an der Wasseroberfläche seinem Gefrierpunkt nähert nicht weiter ab, sondern bleibt an der Wasseroberfläche. Daher friert ein See von oben nach unten und nicht umgekehrt.

Vollzirkulation im Frühling

Durch vermehrte Sonneneinstrahlung wird die Eisdecke aus dem Winter erwärmt und taut letztlich auf. Wenn das Oberflächenwasser sich bis auf 4 °C erwärmt hat, sinkt es ab und die Temperaturen der unterschiedlichen Wasserschichten gleichen sich an. Es kommt wie im Herbst zu einer Vollzirkulation des Wassers, der durch Winde und das absinkende Oberflächenwasser angetrieben wird.