Applikationsbericht
Messungen zur Gewässerqualität
Profilmessungen am Klostersee, Ebersberg/Obb.
Welche Faktoren spielen im komplexen Ökosystem der Ebersberger Weiherkette zusammen und woran lässt sich der ak-tuelle Zustand eines Gewässers ablesen? Diese Fragen unter-suchten Seminaristen des Gymnasiums Grafing bei Ebersberg im Feldlabor.
Einfluss von Wind und Strahlung auf die Temperaturverteilung im See
Abb.1: Klostersee Ebersberg
Abb. 2: Multiparametermessung am Klostersee
Temperaturänderungen im Wasser z.B. durch Sonneneinstrahlung führen aufgrund von Dichteänderungen in stehenden Gewässern zuTemperaturschichtungen. Dabei sind die Änderungen der Dichte des Wassers nicht linear, so ist z.B. der Unterschied von 27 °C zu 28 °C 35mal größer als der von 4 °C zu 5 °C. Eine große Rolle spielt auch die sogenannte Dichteanomalie des Wassers, das bei 4 °C die größte Dichte besitzt.
Aufgrund der hohen spezifischen Wärme von Wasser (1Kcal · ºC · kg-1) wird es zwar langsamer erwärmt als Luft, einmal erwärmtes Wasser gibt die Energie aber auch langsamer ab. Daraus ergibt sich u.a. die mildernde Wirkung großer Wassermassen auf das Klima, siehe z.B. die Insel Mainau im Bodensee.
Wenn nach der Frühjahrszirkulation mit steigender Sonnen-einstrah lung die Wärmezufuhr zunimmt und deshalb auch die Dichteunterschiede größer werden, kann der Wind nicht mehr genügend Arbeit leisten, um den gesamten Wasserkörper zu durchmischen. Es bildet sich eine Grenze zwischen der turbulen-ten Oberflächenschicht und den darunterliegenden ruhenden Wassermassen. Die zur Beseitigung dieser Schichtung notwendige Energie wird mit zunehmender Erwärmung immer größer und es findet kein Austausch mehr statt. Dies ist von großer ökologischer Bedeutung, da damit der Austausch von Sauerstoff, Nährsalzen usw. unterbunden ist.
Die Temperaturkurve im Klostersee zeigt eine Schichtung der Wassersäule erst bei anhaltend hohen Außentemperaturen im Juni 2014 (Abb. 3).
Wie die Messungen zeigen, ist die Sommerschichtung im fla-chen Klostersee nicht stabil. Das kann bei starkem Wind, wie es im Juni 2015 der Fall war, eine Rückführung der aus dem Sediment freigesetzten Nährstoffe in die trophogene Zone ermöglichen (s. auch Leitfähigkeit). Außerdem ist die Verdünnungswirkung in flachen Seen geringer als in tiefen Seen. D.h. dieser flache See antwortet besonders schnell mit starkem Algenwachstum auf Nährstoffimport aus der vorangehenden Weiherkette.
Abb. 4: Phytoplankton des Klostersees zur Frühjahrsblüte
Was erzählt die Sauerstoffkurve über den See?
Der Sauerstoffgehalt des Wassers ist von fundamentaler Bedeutung für alle auf Atmung angewiesenen Organismen im See. Der Eintrag des Sauerstoffs in den Klostersee erfolgt über-wiegend durch die Photosynthese der Algen und über das Löslichkeitsgleichgewicht (LGG) des atmosphärischen Sauerstoffs im Wasser. Dieses LGG hängt im wesentlichen vom Luftdruck und von der Temperatur ab. Je höher der Luftdruck und je geringer die Wassertemperatur, umso mehr Sauerstoff löst sich im Wasser.
Die Messung am 22.03.2014 fiel in die Frühjahrsblüte der Kiesel algen und Goldalgen (Abb. 4), was sich in den hohen Sättigungswerten nahezu über die gesamte Wassersäule wider-spiegelt. Am 12.06.14 findet man die typisch clinograde Verteilung eines eutrophen Sees: Das Epilimnion ist mit Sauerstoff übersättigt, während im Hypolimnion O2-Armut herrscht, das bis zur Anaerobie in der Tiefe führen kann (Abb. 5).
Was hat der pH Wert mit Photosynthese zu tun?
Der pH-Wert eines Gewässers wird in großem Maße von der Konzentration des Kohlendioxids (CO2/Kohlensäure-Gleichgewicht) beeinflusst. Bei CO2-Verbrauch durch die Photosynthese der Algen verschiebt sich der pH-Wert ins Alkalische, bei CO2-Produktion durch Abbauprozesse ins Saure. In eutrophen Seen sinkt der CO2-Anteil im Epilimnion durch die Photosynthese. Durch die Respiration der Bakterien steigt die
CO2-Konzentration in der Tiefenschicht stark an. Die pH-Werte der Messungen zeigen dementsprechend komplementäres Verhalten. Besonders gut zu beobachten ist dies im Klostersee am 12.06.2014 (Abb. 6).
Leitfähigkeit als Maß für Nährsalze im See
Die Leitfähigkeit stellt einen Summenparameter für den Ionen-gehalt im Gewässer dar. Gerade bei Feldmessungen mit Schülern ist dies eine schnelle Möglichkeit, Trends bei der Ionenverteilung im Klostersee feststellen zu können. Bei ausrei-chendem Lichteinfall und höheren Temperaturen werden gelöste Ionen (Nitrat/Phosphat) von Wasserpflanzen und Algen in oberen Wasserschichten verbraucht. Durch das Absterben der Algen sinkt deren tote Biomasse zu Boden, wo sie remineralisiert wird und so über dem Seegrund erhöhte Leitfähigkeitswerte ergibt. Diese remineralisierten Ionen gelangen bei so flachen Seen, wie dem Klostersee, durch die gering ausgeprägte Sommerstagnation und die damit verbundene Möglichkeit einer Winddurchmischung wieder in die produktive Zone des Sees zurück, wo sie erneutes Algenwachstum verursachen.
Die Sichttiefe als Indikator für den Algengehalt im See
Das Wachstum der Algen korreliert mit der sog. Sichttiefe eines Sees. Je höher die Algenbiomasse, desto geringer die Sichttiefe (Abb. 8). Sichttiefen mit Werten um einen Meter deuten auf hohe Nährstoffbelastung im Klostersee hin.
Fazit:
Die Vor-Ort-Messungen mit tragbaren Geräten, mit ihrer ein-fachen Bedienung und der Möglichkeit des unmittelbaren Einsatzes im Gelände, ermöglichten es den jungen Forschern, schnell Zusammenhänge zwischen Messgrößen, erlernter Theorie und Ursache-Wirkungs-Ketten im Ökosystem See verstehen zu können. Die gewonnenen Erkenntnisse tragen dazu bei, eigene Verhaltensweisen und ihre Auswirkungen auf die unmittelbare Umwelt besser beurteilen und reflektieren zu können.
Dr. Roswitha Holzmann, Limnologie und artenschutzrechtliche Prüfungen (roswitha.holzmann@ebe-online.de)
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