Forscher haben nachgewiesen, dass die vertikale Durchmischung nicht der einzige Motor für die winterliche Erneuerung des Wassers in der Tiefe ist. Auch starke Strömungen aus dem Becken des Kleinen Sees und von der Küste des Großen Sees spielen eine entscheidende Rolle.
Die tiefe vertikale Durchmischung in sogenannten gemäßigten Seen findet im Winter statt, wenn sich das Oberflächenwasser aufgrund der sinkenden Temperaturen abkühlt. Dieses Wasser wird dann dicht und kalt und bewegt sich vertikal nach unten, um sich mit dem tieferen Wasser zu vermischen und dabei Sauerstoff und Nährstoffe zu transportieren. Diese Durchmischung des Wassers ist für die Aufrechterhaltung der Ökosysteme des Sees von entscheidender Bedeutung. Im Genfersee erreicht das gut mit Sauerstoff angereicherte Oberflächenwasser normalerweise nicht den Seegrund, wo es völlig fehlen kann. In außergewöhnlich kalten Wintern kommt es jedoch zu einer großflächigen vertikalen Vermischung - der sogenannten vollständigen Durchmischung -, die durch eine gleichmäßige Temperatur von der Oberfläche bis zum Grund gekennzeichnet ist. Dieser Prozess wurde traditionell als die einzige Möglichkeit angesehen, die Erneuerung des Tiefenwassers zu gewährleisten.
Aufgrund der globalen Erwärmung wird die vollständige vertikale Durchmischung immer seltener. "Die Temperaturen sind seit 2012 stetig gestiegen und der Sauerstoffgehalt am Grund des Genfersees ist in zehn Jahren um 90% gesunken", erklärt Naifu Peng, Forscher am Labor für Ökologische Technologie (ECOL) der EPFL. Naifu Peng ist auf Simulationsmodelle spezialisiert und konzentriert sich in seiner Forschung auf die Folgen des Klimawandels. Seine neueste Studie, die er zusammen mit seinen Kollegen am ECOL durchführte und in der Zeitschrift Water Resources Research veröffentlichte, analysierte die besonderen Mechanismen der winterlichen Erneuerung des Tiefenwassers des Genfersees.
Hydrodynamik im Winter
Laut der Internationalen Kommission für den Schutz des Genferseewassers (CIPEL) fand die letzte vollständige Durchmischung im Genfersee während des sehr kalten Winters im Jahr 2012 statt. Das Team der EPFL hat diesen speziellen Fall eingehend untersucht und die grundlegenden Mechanismen, die dieser vollständigen Durchmischung zugrunde liegen, erforscht. Die Forscher fanden heraus, dass die Erneuerung des Tiefenwassers nicht nur auf vertikale Vermischung zurückzuführen ist, sondern auch auf viel komplexere und dreidimensionale Mischungsprozesse. Der Genfersee besteht aus zwei Becken, dem Großen See (309 m tief, 85 km3) im Osten und dem kleineren und flacheren Kleinen See (75 m tief, 4 km3) im Westen - der sich jedes Jahr umdreht. Diese besondere Form, die aus zwei Becken besteht, ist spezifisch und die Ursache für die Erneuerung der tiefsten Schichten des Großen Sees.
Die Wissenschaftler von ECOL führten umfangreiche Feldbeobachtungen in Verbindung mit numerischer Modellierung durch, um die Hydrodynamik des gesamten Genfersees während des Winters 2012 im Detail zu untersuchen. Ihr kombinierter Ansatz zeigte die Grenzen der vertikalen Durchmischung bei der Erneuerung des Tiefenwassers des Großen Sees auf. "Durch die Analyse der Wassertemperatur und der Sauerstoffkonzentration stellten wir fest, dass die vollständige Durchmischung aufgrund der vertikalen Durchmischung in jenem Jahr letztlich nicht stattfand", erklärt Naifu Peng. "Mithilfe unseres hochauflösenden digitalen Modells haben wir besser verstanden, wie dieser Prozess im gesamten See ablief. Insbesondere, dass das Wasser, das seitlich aus dem Becken des Kleinen Sees und den flachen Küstenbereichen des Großen Sees kam, die tieferen Schichten des Sees erneuert hatte." Das Wasser aus den flachen Bereichen des Sees kühlt schneller ab und verursacht aufgrund der Dichte des Wassers seitliche Strömungen, die eine Erneuerung des Wassers in den tieferen Schichten des Großen Sees ermöglichen. "So führt die Abkühlung der Oberfläche im Winter zu Strömungen, die sowohl von vertikalen als auch horizontalen Dichtegradienten angetrieben werden - so konnte die vollständige Durchmischung 2012 stattfinden."
Mit der globalen Erwärmung wird die vertikale Tiefenmischung des Genfersees nur noch in gelegentlichen, sehr kalten Wintern stattfinden. Laterale Mischungsprozesse werden jedoch weiterhin zur Erneuerung der tiefsten Schichten des Sees beitragen. "Der Genfersee ist nicht der einzige See mit dieser Zweibeckenstruktur; die gleiche Art der winterlichen Vermischung könnte daher auch in anderen, ähnlich temperierten Seen stattfinden."
Referenzen
N. Peng, U. Lemmin, F. Mettra, R. S. Reiss, and D. A. Barry, "Deepwater Renewal in a Large, Deep Lake (Lake Geneva): Identifying and Quantifying Winter Cooling Processes Using Heat Budget Decomposition," Water Resources Research, April 2024.
