Tauchen in die natürlichen Grundwasservorkommen des Genfersees

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Reproduktion eines Gemäldes von Ferdinand Hodler, ’Genfersee am Abend in C
Reproduktion eines Gemäldes von Ferdinand Hodler, ’Genfersee am Abend in Chexbres’,1895 © Ferdiand Hodler

Ein Forscher der EPFL hat zum ersten Mal dokumentiert, wie diese sich bewegenden Flecken auf dem Wasser entstehen - ein immer wieder überwältigendes visuelles Spektakel für Seebegeisterte - und was sie unter der Oberfläche bewirken

Rätselhaft und inspirierend: Die natürlichen Tischdecken, die sich auf dem Genfersee abzeichnen, faszinieren sowohl Spaziergänger im Lavaux und Pendler als auch Wissenschaftler. "Wenn man im Internet nach mehr Informationen über sie sucht, findet man nicht viel darüber", stellt Andrew Barry, Leiter des Laboratoriums für ökologische Technologie (ECOL) an der Fakultät für natürliche, architektonische und gebaute Umwelt (ENAC), fest. Dieses geheimnisvolle Studienobjekt weckte die Neugier von Mehrshad Foroughan, einem Doktoranden am ECOL, der inzwischen zum Jäger natürlicher Grundwasservorkommen geworden ist. Ein Teil seiner Forschungsergebnisse, die kürzlich in der Zeitschrift Geophysical Research Letters veröffentlicht wurden, dokumentiert zum ersten Mal auf wissenschaftliche Weise das Phänomen und seine Rolle in der Hydrodynamik des Sees.

Schon der Schweizer Maler Ferdinand Hodler hielt in seinen dem Genfersee gewidmeten Bildern die feinen Lichtspiele und Texturen fest, die für diese sich bewegenden Flecken charakteristisch sind. "Diese Flecken und die Materialien, aus denen sie bestehen, spielen eine wichtige Rolle für den Energietransport zwischen Wasser und Luft und damit für den Energiegehalt des Sees", erklärt Mehrshad Foroughan. Das ECOL-Labor untersucht die physikalischen Prozesse im See von den tiefen Schichten bis zur Oberfläche und konzentriert sich dabei auf die Mechanismen des Energie- und Materialtransports in verschiedenen Maßstäben sowie auf deren biogeochemische Auswirkungen. Der Genfersee ist nämlich ein ideales Außenlabor, um die zahlreichen Phänomene zu analysieren, die große Wassermassen beeinflussen.

Der 309 m tiefe Genfersee beherbergt Gyren (große Wirbel) und kleine Wirbel, die durch Windepisoden aktiviert und durch die Erdrotation beeinflusst werden. Starker Wind kann auch die Bewegung von kaltem Wasser aus tieferen Schichten an die Oberfläche entlang bestimmter Ufer auslösen, was als Küstenauftrieb bezeichnet wird. Die kombinierten Auswirkungen dieser Prozesse üben einen großen Einfluss auf die Hydrodynamik von Seen aus und können durch diese natürlichen Grundwasserspiegel sichtbar gemacht werden. Daher beschloss Mehrshad Foroughan im Rahmen seiner Doktorarbeit zu untersuchen, ob diese Informationen über die Oberflächenwasserströme liefern können.

Der Wissenschaftler nutzte eine Batterie verschiedener Instrumente, um Daten zu sammeln, die mithilfe eines detaillierten hydrodynamischen Modells gesichert wurden. Er maß die Geschwindigkeit und Temperatur der Luft und des Wassers, sammelte Wasserproben und machte Bilder aus verschiedenen Winkeln. Neben fest installierten Kameras, die im Lavaux und an der Rhonemündung angebracht waren und großflächige Ansichten lieferten, setzte er einen autonomen Katamaran ein, der mithilfe von GPS-Daten gesteuert wurde. Das Boot machte Aufnahmen auf Wasserhöhe, während das Forschungsteam von einem anderen Boot aus alle Daten in Echtzeit sammelte. Ein Heliumballon in 400 m Höhe, der von demselben Schiff gezogen wurde, lieferte parallel dazu Luftaufnahmen.
Wenn eine leichte Brise über den Genfersee weht, kann man leicht beobachten, dass glatte Wellen neben rauen Wellen liegen. Letztere sind Oberflächenwellen, die durch den Wind verursacht werden. Glatte Bereiche, die wie Ölflecken aussehen, können diesen Wellen standhalten. Durch die Analyse der Wasserzusammensetzung fand Mehrshad Foroughan heraus, was sie unterscheidet. Glatte Stellen haben eine höhere Konzentration an Biotensiden. Das sind Tenside, die durch die biologische Aktivität des Phytoplanktons produziert werden können oder aus terrestrischen Quellen stammen.

Eine 10 km lange frontale Tischdecke

Am 30. September 2020 zwischen 14.00 und 16.30 Uhr hielt die im Lavaux installierte Kamera von ECOL die Bildung einer 10 km langen stationären frontalen Decke fest, die sich vom Nordufer des Sees in Richtung Süden erstreckt. In einer Zeitraffermontage ist deutlich zu sehen, wie kleine, sich schnell bewegende Teppiche allmählich den Hauptteppich speisen. "Die Bildung einer großen Tischdecke erfolgt normalerweise nach einer starken Windepisode, gefolgt von einer leichten Brise, hauptsächlich in den warmen Jahreszeiten", erklärt Mehrshad Foroughan. "Aber wir hatten auch das Glück, zur richtigen Zeit am richtigen Ort mit der richtigen Ausrüstung zu sein".

Mehrere Tage vor der Bildung dieses Frontflairs wehte ein starker Wind. An diesem Tag traf ein vom Nordwestwind herangeführter Kaltwasserstrom auf warmes Wasser aus einem Gyre im östlichen Teil des Sees. Das kalte Wasser, das kleine, sich schnell bewegende glatte Lagen mit sich führte, sank unter das wärmere Wasser und hinterließ Biotenside, die nicht absinken konnten und allmählich mit der größeren stationären Lage verschmolzen.

Ein weiteres Werkzeug für das Wassermanagement
Die Messungen der ECOL-Wissenschaftler haben bewiesen, dass natürliche Grundwasserspiegel ein integraler Bestandteil der Hydrodynamik eines großen Sees sind. In diesem speziellen Fall zieht der frontale Grundwasserspiegel eine Grenze zwischen zwei Gyren und zeigt, wie komplex die Bewegung des Oberflächenwassers ist. "In der Lage zu sein, die Entstehung und Entwicklung natürlicher Tischdecken zu dokumentieren, ist wichtig, da sie das Zusammenspiel mehrerer wesentlicher physikalischer Prozesse in einem See veranschaulichen. Und diese Informationen können genutzt werden, um das Wassermanagement zu verbessern und anzuzeigen, wo sich potenziell Schadstoffe verbergen. Denn diese, wie zum Beispiel Mikroplastik, sind in den glatten Zonen, die bereits mit Biotensiden belastet sind, in größerer Menge vorhanden."

Referenzen

Mehrshad Foroughan, Seyed Mahmood Hamze-Ziabari, Ulrich Lemmin, David Andrew Barry, "A Persistent Submesoscale Frontal Slick: A Novel Marker of the Mesoscale Flow Field in a Large Lake (Lake Geneva)", Geophysical Research Letters, 25 october, 2022