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.
Im Sommer und im Winter entwickelt sich im See eine Temperaturschichtung. Das heißt der See ist zu diesen Jahreszeiten in Schichten gegliedert. Im Sommer wird in die Deckschicht (Epilimnion), Sprungschicht (Metalimnion) und Tiefenschicht (Hypolimnion) unterschieden.
Im Frühling und Herbst geht diese Schichtung im See durch eine Vollzirkulation verloren.
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 Dichte ist eine Maßeinheit, die das Verhältnis des Gewichtes zu dem Volumen eines Stoffes angibt.
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.
Ohne die Dichteanomalie wäre es Organismen im See nicht möglich den Winter zu überleben - Das Tiefenwasser des Sees hätte eine Temperatur von 0°C und darüber wäre wärmeres Wasser. So würde der See von der Tiefenschicht bis in höhere Schichten durch die Kälte von außen zufrieren und einen Eisblock erzeugen.
Der Eisblock würde auch im Sommer nicht wieder auftauen können, da nicht genug Wärme in die Tiefenschicht gelangen würde. Die Organismen im See würden also in ihrem Lebensraum tiefgefroren werden und sterben. Ohne die Dichteanomalie wäre das Leben in einem mitteleuropäischen See also nicht möglich.
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.
Warst du im Sommer schon mal im See schwimmen und hast bemerkt, dass das Wasser an deinen Füßen viel kälter ist als an deinem Bauch?
Das liegt an der sogenannten Sommerstagnation. Das Sonnenlicht erwärmt das Oberflächenwasser des Sees. Aufgrund der Dichteanomalie des Wassers, kann sich dieses warme Oberflächenwasser nun nicht mehr mit dem kalten Wasser darunter vermischen. So entsteht eine Temperaturschichtung im Wasser, die du mit deinen Füßen beim Baden fühlen kannst.
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.
Eine tiefere Durchmischung des Wassers im See ist im Sommer aufgrund der hohen Temperatur- und damit Dichteunterschiede zwischen den Schichten fast nicht möglich. Je größer also der Temperaturunterschied zwischen den Schichten ist, desto stabiler ist die Schichtung.
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.
Wieso die Dichteanomalie des Wassers lebensnotwendig für Lebewesen im See ist, hast du bereits am Anfang der Erklärung gelernt.
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.
Temperaturschichtung See – Das Wichtigste
- Für die thermische Schichtung des Sees verantwortliche abiotische Umweltfaktoren sind Wind, Licht (Temperatur) und Wasser (besonders die Dichteanomalie des Wassers)
- Wasser hat die höchste Dichte bei etwa 4°C
- Die Jahreszeiten bewirken im See:
- Sommerstagnation: See ist hierbei in drei thermische Schichten unterteilt: Epilimnion, Metalimnion und Hypolimnion
- Herbstvollzirkulation: Thermische Schichtung wird durch die Abkühlung des Oberflächenwassers aufgehoben wodurch es, angetrieben von starken Winden, zu einer Vollzirkulation kommt
- Winterstagnation: Die Wasseroberfläche kühlt im Winter stark ab und es bildet sich eine Eisschicht, da Wasser nahe dem Gefrierpunkt leichter ist als bei 4 °C - es entsteht eine Eisschicht, die das Tiefenwasser isoliert und Bewegungen des Wassers verhindert
- Frühlingsvollzirkulation: Die Eisdecke taut auf und wie im Herbst kommt es durch starke Winde zu einer Vollzirkulation
- Vollzirkulationen bewirken gleichmäßige Temperaturen und Sauerstoffanreicherungen
- Dichteanomalie des Wassers ist lebensnotwendig für Lebewesen im See, da sie sonst in der Tiefenschicht erfrieren würden
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