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Seen müssen einen bestimmten Gehalt an gelöstem Sauerstoff aufweisen, um die Wasserqualität zu erhalten und ihre Ökosysteme zu schützen. Während die oberen Schichten eines Sees in der Regel sauerstoffreich sind, gilt dies nicht für die tieferen Schichten. In den meisten Seen erfolgt die Sauerstoffanreicherung dieser Schichten in erster Linie durch einen Prozess, der als konvektive Abkühlung bezeichnet wird und in den kühleren Herbst- und Wintermonaten stattfindet. Bei tiefen Seen in gemässigten Klimazonen wie dem Genfersee sind die Winter oft nicht kalt genug, um diesen Prozess in ausreichendem Masse stattfinden zu lassen, so dass die sehr tiefen Gewässer nicht betroffen sind. Die letzte konvektive Abkühlung des Genfersees in voller Tiefe fand 2012 während einer starken Kältewelle (CIPEL) statt.
Andere Mechanismen der Tiefwassererneuerung verstehen
«Mit dem Klimawandel gibt es immer mehr Winter, in denen die Bedingungen für diesen Prozess nicht gegeben sind», sagt Rafael Reiss, der vor kurzem am Ecological Engineering Laboratory (ECOL) der EPFL promoviert hat, «deshalb müssen wir andere Mechanismen verstehen, die die Sauerstoffanreicherung in den tieferen Schichten eines Sees ermöglichen könnten.» Im Rahmen seiner Doktorarbeit untersuchte er zwei alternative Mechanismen zur Erneuerung des Tiefenwassers, die beide vom Wind angetrieben werden: den Austausch zwischen den Becken, bei dem Wasser zwischen dem flachen Petit Lac und dem tieferen Grand Lac ausgetauscht wird, und den Auftrieb an der Küste. «Im Gegensatz zur konvektiven Abkühlung, die durch kalte Lufttemperaturen ausgelöst wird, reagieren die von uns untersuchten Mechanismen weniger empfindlich auf den Klimawandel, da sie vom Wind angetrieben werden. Sie treten im Genfersee mehrmals pro Winter auf und könnten daher eine immer wichtigere Rolle bei der Erneuerung und Belüftung der tieferen Schichten spielen», sagt Reiss.
Tiefwassererneuerung mehrmals im Winter
Die Studie von Reiss hat gezeigt, dass die starken Winterwinde, die häufig von Südwesten her über den Genfersee wehen, die Küstengewässer am Nordufer des Grand Lac in Richtung Seemitte treiben und dass diese Gewässer durch das Aufsteigen tieferer Gewässer ersetzt werden. Die gleichen Winde treiben das Oberflächenwasser des Petit Lac in Richtung Grand Lac, wodurch tieferes Wasser aus dem Grand Lac an dessen Stelle tritt. Diese beiden komplexen Austauschmechanismen bewirken, dass die sauerstoffarmen und nährstoffreichen unteren Wasserschichten aufsteigen, manchmal aus Tiefen von über 200 Metern (der Genfersee hat eine maximale Tiefe von 309 Metern). Dieses aufgestiegene Tiefenwasser kann mehrere Tage lang in der Nähe der Oberfläche verbleiben (oder sogar die Oberfläche erreichen), bevor es wieder in grosse Tiefen absinkt, wo es durch den Austausch mit den oberen Schichten und der Atmosphäre mit Sauerstoff angereichert werden kann.
Um diese Studie durchzuführen, sammelten Reiss und sein Team zunächst zwei Winter lang Daten vor Ort, indem sie Strömungsgeschwindigkeiten und Wassertemperaturen massen. Anschliessend setzten sie ein hydrodynamisches 3D-Modell ein und kombinierten es mit einer Modellierungstechnik, die als Partikelverfolgung bezeichnet wird, um die Wege des aufsteigenden Wassers im Detail zu analysieren. «Unsere Ergebnisse zeigen, wie komplex diese Mechanismen sind», sagt Reiss, «sie spielen sich in 3D ab und können daher nicht mit den eindimensionalen Modellen beschrieben werden, die häufig zur Vorhersage der Auswirkungen des Klimawandels auf Seen verwendet werden. Diese Mechanismen verdienen weitere Aufmerksamkeit bei der Bewertung der Tiefenwassererneuerung in grossen, tiefen Seen».