Umkippen
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Das Umkippen eines Sees bedeutet, dass das Phosphat als begrenzender Nährstoff wegen des Sauerstoffmangels am Boden nicht mehr als Eisenphosphat sedimentiert werden kann und in voller Menge düngewirksam in Lösung bleibt. Dadurch entsteht im Epilimnion eine so hohe Primärproduktion, dass durch den Abbau der Biomasse über dem Seeboden (im Hypolimnion) der im Wasser gelöste Sauerstoff fast gänzlich aufgezehrt wird. Die Wirkung wird zur eigenen Ursache (positive Rückkopplung). Die Etablierung dieser Rückkopplung wird in der Limnologie als Umkippen bezeichnet.
Im Extremfall wird ein See in seiner Gesamtheit sauerstofffrei (anaerob). Vom Umkippen spricht man nur bei stehenden Gewässern, also Seen oder kleineren Binnenmeeren sowie Teilen davon, beispielsweise der Ostsee oder der Danziger Bucht. In Fließgewässern wird durch die Bewegung des Wasserkörpers ständig Sauerstoff eingetragen.
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Hintergrund
Temperaturschichtung
Das Wasser in Seen ist im mitteleuropäischen Raum geschichtet. Dabei ist das dichteste Wasser unten, das am wenigsten dichte oben. Die größte Dichte besitzt Wasser von 4°C (s. Dichteanomalie des Wassers). Im Sommer schwimmt also wärmeres Wasser obenauf, im Winter kälteres. Bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes schwimmt obenauf eine noch weniger dichte Eisschicht. Im Sommer, während der Wachstumsphase, kann sich das Wasser an der Oberfläche bis auf 20°C oder noch wärmer aufheizen, während in 30 oder 40 Metern Tiefe sehr viel kälteres Wasser liegt. Da das wärmere Wasser eine deutlich geringer Dichte hat, wird die Schichtung durch die Dichteunterschiede stabilisiert.
Sprungschicht
Wenn man Temperaturmessungen in Abhängigkeit von der Tiefe macht, stellt man fest, dass die Temperatur in ein paar Metern Tiefe plötzlich und rapide abfällt. Diese Tiefenzone heißt deshalb Sprungschicht.
Sauerstoffeintrag
Das Wasser des Epilimnions oberhalb der Sprungschicht (Metalimnion) hat eine fast einheitliche Temperatur und Dichte. Es kann deshalb von Wind und Konvektion täglich durchmischt werden. Dabei wird Sauerstoff eingetragen. Auch findet hier wegen des großen Lichtangebotes der größte Teil der Sauerstoff produzierenden Photosynthese statt.
Das Wasser im Hypolimnion unterhalb der Sprungschicht erhält von außen keinen Sauerstoff. Im Gegenteil, absterbende Algen und Planktontiere sowie deren Kot und Leichen sinken von oben ab. Beim biologischen Abbau ihrer Substanz wird so viel Sauerstoff verbraucht, wie bei der Entstehung ihrer Biomasse durch Photosynthese im Epilimnion entstanden war.
Durchmischung
Nur zweimal im Jahr (Ausnahme u.a.Bodensee: nur einmal) werden Seen der gemäßigten Zonen durchmischt - und zwar dann, wenn im Frühjahr und Herbst für kurze Zeit der gesamte Wasserkörper nahe 4°C aufweist und damit die Dichteunterschiede gering sind. Dann können die Konvektionsströmungen sowie Frühjahrs- bzw. Herbststürme den ganzen Wasserkörper umwälzen und es wird Sauerstoff bis zum Grund getragen. In der Zeit zwischen den beiden Mischungsphasen (Zirkulationen) wird in und unterhalb der Sprungschicht nur Sauerstoff gezehrt. (Siehe Ökosystem See)
Eutrophierung
Wenn mehr Nährstoffe in einen See eingetragen werden als ihn z.B. über den Abfluss oder durch Sedimentation wieder verlassen, spricht man von Eutrophierung. Dann wird immer mehr organisches Substrat (Biomasse) im See gebildet. Es besteht die Gefahr, dass zu viele Pflanzen, v. a. Algen, wachsen. Sie produzieren zwar tagsüber durch Photosynthese Sauerstoff, nachts jedoch, wenn es dunkel ist, verbrauchen sie Sauerstoff. Es kann so weit kommen, dass das Wasser nachts nahezu sauerstofffrei ist. Als Folge können zunächst empfindlichere Lebewesen und schließlich sogar die Algen selbst sterben. Das tote Material sinkt nach unten ins Metalimnion und Hypolimnion und wird dort unter Verbrauch von Sauerstoff weiter abgebaut.
Umkippen
Durch die Sprungschicht wird verhindert, dass Sauerstoff in die unteren Gewässerschichten eingetragen wird. Es wird aber immer mehr organisches Material am Seeboden abgelagert. Beim Abbau dieses Materials wird Sauerstoff gezehrt, so lange, bis er verbraucht ist. Dann sterben auch die Organismen, die den aeroben (sauerstoffzehrenden) Abbau durchgeführt haben. Wenn die Tiefenzone eines Sees sauerstofffrei - anaerob - ist, wird dort das dreiwertige Eisen zu zweiwertigem reduziert
- Fe3+ ---> Fe2+
Beim Abbau von Biomasse wird aus dieser der Phosphor als Phosphat freigesetzt. Zusammen mit dem im Wasser gelösten dreiwertigen Eisen bildet sich das sehr schwerlösliche Eisenphosphat, das im Bodensediment des Sees abgelegt wird. Zweiwertiges Eisen bildet dagegen mit dem Phosphat keinen Niederschlag. Bei Sauerstoffmangel bleibt deshalb das Phosphat im Wasser gelöst und wird mit der nächsten Zirkulation wieder düngewirksam über den ganzen See verteilt.
Nun beginnt unter dem Einfluß des vermehrt verfügbaren Phosphats im Epilimnion eine vermehrte Primärproduktion von Biomasse durch Algen. Dadurch kommt es auch zu einem vermehrten Absinken abbaubarer Biomasse zum Seeboden und damit zu einem beschleunigten Verbrauch des dortigen Sauerstoffs. Die Wirkung wird zur eigenen Ursache. Der See kann diesen Teufelskreis (positive Rückkopplung) nicht mehr aus eigener Kraft verlassen.
Den Eintritt des Sees in diese Rückkopplung wird in der Limnologie mit dem Begriff Umkippen oder einfach Kippen beschrieben.
Ursachen des Umkippens
Überdüngung - Eutrophierung, Zunahme des Phosphats im See bis zum Eintritt der positiven Rückkopplung zwischen Primärproduktion und Phosphorlöslichkeit am Boden des Sees.
Gegenmaßnahmen
Es ist möglich, Seen zu sanieren. Die Seesanierung erfolgt
- durch Beseitigung der Ursachen, etwa Kläranlagenbau, Einbau von Phosphatfällungsanlagen in Kläranlagen, Verhinderung von Nitrat- und Phosphateintrag durch Weideland
- durch Sauerstoffzufuhr (Belüftung)
- durch Ausbaggern anaerober Schlämme
- durch Einsatz von anderen Spezies, die dann in die Nahrungskette eingreifen. Um die Algendezimierung zu fördern, kann man Raubfische einsetzen, die die Population der Friedfische verkleinern. Als Folge gibt es weniger Friedfische, die dann wiederum weniger Zoophyten fressen. Dadurch ergibt sicher wiederum, dass die Population der Zoophyten ansteigt und somit die Algen bekämpft werden. In den siebziger und achtziger Jahren wurden auch zum Teil herbivore Fische in Seen eingesetzt, u. a. chinesische Graskarpfen. Dies hat sich jedoch nicht bewährt. Die Graskarpfen vermehrten sich ungeregelt und brachten die Biozönose aus dem Gleichgewicht. In einigen Fällen wurden kleinere Seen komplett abgelassen, um die eingesetzten Fische und ihren Nachwuchs wieder loszuwerden. Unter Ökologen sind diese Methoden deshalb sehr umstritten.
Umstritten sind diese sog. Top-Down-Methoden aber auch deshalb, weil sich in fast allen Fällen das Nahrungsnetz von selbst so umstrukturiert hat, dass am Ende doch wieder die maximal mögliche Primärproduktion zustande kam. Die Raubfische verminderten die Friedfische, die deshalb nicht nur die Algen fressenden Wasserflöhe in Ruhe liessen, sondern auch die Wasserfloh fressenden Raubinsektenlarven. Es zog sich einfach eine Trophiestufe dawischen und für die Algen war es wieder wie vorher.
- durch Mähen und Entfernen übermäßig entwickelter Wasserpflanzen.
- durch das Einsetzen eines Olszewski-Rohres, durch welches das mit Nährstoff angereicherte Tiefenwasser anstelle des Oberflächenwassers abfließen kann. Es funktioniert ohne zusätzliche Pumpleistung nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren.
