- Stratifikation (Gewässer)
-
Stehende Gewässer weisen in der Regel eine Temperaturschichtung des Wassers auf. Diese geht auf die temperaturabhängigen Dichteunterschiede im Wasserkörper zurück.
Ursachen
Eine besondere modifizierende Rolle spielt hierbei die Dichteanomalie des Wassers, wonach dieses bei 3,98 °C seine maximale Dichte von 1,0 g/ml aufweist. Sowohl kälteres als auch wärmeres Wasser hat eine umso geringere Dichte, je weiter seine Temperatur von 3,98 °C abweicht.
Damit entstehen Auftriebskräfte, die dazu führen, dass in einem Ruhezustand das jeweils spezifisch leichtere Wasser über dem dichteren zu liegen kommt. Es bildet sich also eine temperaturbedingte Dichteschichtung aus, die sich bevorzugt als "Temperaturschichtung" erkennen lässt. Diese Schichtung kann aber modifiziert sein durch andere Faktoren, welche die Wasserdichte in einem realen Gewässer beeinflussen. Dies sind insbesondere die im Wasser gelösten und feinsuspendierten Feststoffe und Gase.
Die Temperaturen des Wassers unterliegen einem ständigen Wechsel durch die Aufnahme und Abgabe von Wärme durch das Gewässer. Die wichtigsten Größen dabei sind
- Wärmeaufnahme aus einfallender Globalstrahlung, bestehend aus Sonnenlicht und IR-Gegenstrahlung der Atmosphäre
- Wärmeverlust durch IR-Abstrahlung (Wärmestrahlung, abhängig von der Oberflächen-Temperatur)
- Wärmeverlust durch Verdunstung von Wasser
- Wärmeverlust durch direkte Wärmeableitung an die Luft („fühlbare Wärme“)
Dieser Wärmeaustausch unterliegt sowohl täglichen als auch jahreszeitlichen Zyklen. Eben so zyklisch kommt es daher auch zu Veränderungen in der Temperaturschichtung. Diese ergeben sich sowohl aus einer mit der Tiefe abnehmenden Aufnahme von Wärme aus eingedrungenem Licht, als auch aus einer mechanischen Vermischung von Wasserschichten, die einerseits durch den Wind und andererseits durch die Konvektionsströme von sich abkühlendem Oberflächenwasser angetrieben werden.
In den gemäßigten Breiten weisen hinreichend tiefe Stillgewässer zum Beispiel eine „dimiktische“ Wasserzirkulation auf. Das bedeutet, diese Gewässer durchmischen sich zweimal im Jahr vollständig. Flachere Gewässer hingegen können mehrmals, Teiche sogar jede Nacht, bis zum Grund durchmischt werden (polymiktische Zirkulation). Aber es gibt in den verschiedenen Regionen der Welt noch weitere, sehr unterschiedliche Durchmischungstypen.
Beispiel: Dimiktische Seen
Dimiktisch nennt man Gewässer, die im Lauf des Jahres zweimal vollständig durchmischt werden. Typischerweise sind dies hinreichend tiefe Seen im Flachland der gemäßigten Zonen.
Im Frühjahr erwärmen sich die oberflächennahen Wasserschichten auf 3,98°C zu. Wind und Konvektionsströmungen sorgen für Turbulenzen. Durch sie wird der Wasserkörper vollständig und gleichmäßig durchmischt (Frühjahrszirkulation). Diese Durchmischung sorgt für einen ausreichend hohen Sauerstoffgehalt auch am Grund des Gewässers und für eine gleichmäßige Verteilung der Nährstoffe.
Im Anschluss an die Frühjahrszirkulation bildet sich eine Temperaturschichtung aus. Sonnenlicht wird absorbiert und erwärmt das Wasser entsprechend seiner mit der Tiefe abnehmenden Intensität. Winde und nächtliche Konvektionen verteilen die Wärme weiter in die Tiefe. Die Zirkulation findet nur noch innerhalb des sich ausbildenden Epilimnions statt (Teilzirkulation), dessen Dicke im Frühsommer stetig abnimmt und im Spätsommer und Herbst bei negativer Wärmebilanz des Sees wieder zunimmt, bis sie schließlich in der Herbstzirkulation die gesamte Seetiefe umfasst.
Der Gewässerkörper weist demnach im Sommer bei ausreichender Tiefe drei Schichten auf:
- Epilimnion: die warme Oberflächenschicht, die einer allnächtlichen Durchmischung unterliegt,
- Metalimnion: die so genannte Sprungschicht, in der die Temperatur über die Tiefe hinweg stetig abnimmt,
- Hypolimnion: die gleichmäßig kalte Tiefenschicht mit einer Temperatur von mindestens 3,98 °C.
In Seen mit geringerer Tiefe kann das Metalimnion bis zum Grund des Sees reichen und die Ausbildung eines Hypolimnions unterbleibt. In flachen Seen und Teichen entfällt selbst das Metalimnion, so dass das Gewässer nur aus Epilimnion besteht und täglich bis zum Grund durchmischt wird. Dennoch bildet sich auch hier tageszyklisch eine Temperaturschichtung aus, die meist durch nächtliche Konvektion wieder abgebaut wird.
Das Metalimnion weist in der Regel eine Feinstruktur auf, in der sich die Spuren größerer Windeinwirkungen und stärkerer Abkühlungsperioden als gelegentlich zentimeterscharfe Stufungen aus abwechselnd homogenen und abfallenden Temperaturen abzeichnen. Interne Homogenisierungen zwischen den Schichten kommen auch durch Ausgleichsströmungen zustande, die während der häufigen internen Wellen (Seiche) auftreten, denn "stehende Gewässer" stehen innerlich nie wirklich ruhig.
Im Winter stagniert die Zirkulation und es bildet sich eine stabile Winter-Temperaturschichtung aus:
Wenn das oberflächennahe Wasser sich auf Temperaturen zwischen 0 und 3,98 °C abkühlt, liegt das kältere und somit weniger dichte Oberflächenwasser stabil auf dem wärmeren und bei höchstens 3,98 °C dichterem Tiefenwasser. Wenn sich schließlich eine Eisschicht auf der Seeoberfläche ausbildet, ist der Antrieb für eine Zirkulation durch den Wind ganz ausgeschaltet.
Siehe auch
Wikimedia Foundation.
