Einführung in die Physische Geographie Teil Klima und Wasser 6. Limnologie Ozeanographie PD Dr. Otto Klemm Universität Bayreuth BITÖK Klimatologie, 95440 Bayreuth Tel.: 0921-55-5674; FAX: 0921-55-5799 email: klemm@bitoek.uni-bayreuth.de http://www.bitoek.uni-bayreuth.de/~Otto.Klemm Stand: 08/2000 Prof. Dr. Otto Klemm

Limnologie Limnologie ist die Wissenschaft der Oberflächengewässer. Häufig wird sie als rein biologische Wissenschaft betrachtet, die sich mit den Lebewesen in Flüssen und Seen befasst. Physikaische und chemische Limnologie sind jedoch ebenso bedeutende Aspekte dieser Wissenschaft.

Limnologie Seen sind … bedeutende Prozesse in Seen sind … bedeutende Süßwasserspeicher Energiespeicher (mit Einfluss auf das regionale Klima) Erholungsgebiete (Sport und Freizeit) Abwassersenken bedeutende Prozesse in Seen sind … Mischung, angetrieben durch Wind und Dichteänderungen des Wassers biologische Aktivität, insbesondere der Sauerstoffverbrauch

Mixis Epilimnion Metalimnion Hypolimnion Im Sommer wird kurzwellige Einstrahlung absorbiert. Das Wasser erwärmt sich. Die Dichte nimmt ab (wenn die Temperatur > 4 °C liegt). Aufgrund der thermischen Dichteunterschiede findet eine Wärmeschichtung des Wassers statt. Wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit und der großen Wärmekapazität des Wassers sind die Schichtungsverhältnisse stabil. Es bildet sich ein stabiles Epilimnion aus. Das Metalimnion ist häufig nur sehr wenig mächtig, Temperaturgradient mehr als 1 K pro m Das Hypolimnion ist weitgehend entkoppelt von Prozessen an der Wasseroberfläche Quelle Grafik: http://www.hydroskript.de/html/_index.html?page=/html/hykp0702.html

Mixis Im Herbst kühlt sich das Wasser der oberen Schichten durch langwellige Ausstrahlung ab. Die Dichte dieses Wassers steigt, und es sinkt in Bereiche ähnlicher Dichteverhältnisse. Das etwas wärmere, leichtere Tiefenwasser steigt an die Oberfläche. So wird der See durchmischt. Es kommt zu einem Austausch von Sauerstoff und Nährstoffen. Diese Vollzirkulation, die von den Herbstwinden unterstützt wird, dauert so lange, bis das gesamte Wasser des Sees eine Temperatur von etwas unter 4° C erreicht hat. Quelle Grafik: http://www.hydroskript.de/html/_index.html?page=/html/hykp0702.html

Mixis Kühlt das Wasser an der Oberfläche weiter ab (unter 4 °C), kommt es an der Oberfläche wieder zu einer stabilen Schichtung. Das kalte Oberflächenwasser liegt über den wärmeren Tiefenschichten. Deshalb friert der See nur an der Oberfläche zu und ermöglicht das Überwintern von Pflanzen- und Tierarten. Diesen Zustand nennt man Winterstagnation. Quelle Grafik: http://www.hydroskript.de/html/_index.html?page=/html/hykp0702.html

Mixis Im Frühjahr wird die Oberfläche des Wassers durch die kurzwellige Einstrahlung wieder erwärmt. Das oberflächennahe Wasser durchschreitet wieder die Temperatur von 4 °C. In dieser Phase neutraler Schichtungsstabilität rechen Winde aus, um den See zu mischen. Quelle Grafik: http://www.hydroskript.de/html/_index.html?page=/html/hykp0702.html

Mixis Mixistyp Bemerkung dimiktisch 2 monomiktisch 1 oligomiktisch Mischungen pro Jahr Bemerkung dimiktisch 2 kalt-dimiktisch: gemäßigte Breiten, Temp. um 4 °C warm-dimiktisch (Tropen), Temp um 27 °C monomiktisch 1 z.B. Sommerzirkulation in polaren Gebieten oligomiktisch selten z.B. Tropen mit durchgehend hohen Temperaturen polymiktisch häufig z.B. Flachseen der gemäßigten Breiten z.B. Tropen-Seen mit starker nächtlicher Abkühlung meromiktisch stabil, z.B. durch Versalzung

Trophie Temperatur- und Sauerstoffprofil Im Hypolimnion, das im Sommer vom Epilimnion weitgehend abgeschirmt ist, wird organische Substanz abgebaut. Dabei wird Sauerstoff verbraucht. Dies kann zu Sauerstoffarmut und kompletter Sauerstofffreiheit an der Sedimentoberfläche führen. Der See ist „umgekippt“. Dies hat erhebliche Konsequenzen für die Lebewesen, aber auch für die Mobilisierung von Schadstoffen im See Die Sauerstofffreiheit kann in Extremfällen das gesamte Hypolimnion erfassen. Je mehr Nährstoffe ein See enthält, desto mehr biologisches Material kann aufgebaut werden, das später wieder abgebau werden muss. Die zu hohe Nährstoffversorgung eines Sees (verbunden mit mit dem Risiko des Umkippens) nennt man Eutrophierung. Temperatur- und Sauerstoffprofil im Haussee (bei Berlin) im August http://www.chemie.hu-berlin.de/linscheid/sommer/studenten/bericht1998.pdf

die globalen Ozeane bedecken etwa 70 % der Eroberfläche beinhalten etwa 97 % des Wassers sind verantwortlich für etwa 40 % des Wärmetransportes von den äquatorialen zu den polaren Regionen sind Speicher in vielen biogeochemischen Zyklen, z.B. für CO2

nach: Stumm, & Morgan, 1996, ergänzt Salzgehalt Salinität des Seewassers: 35 %o Kationen (g kg-1) Na+ 10.77 Mg2+ 1.29 Ca2+ 0.412 K+ 0.399 Sr2+ 0.0079 Anionen (g kg-1) Cl- 19.354 SO42- 2.712 HCO3- 0.1424 Br- 0.0673 F- 0.0013 B 0.0045 g kg-1 Si Cu Zn Fe Folgerungen: Gefrierpunkt: ca -2 °C pH  8 nach: Stumm, & Morgan, 1996, ergänzt

Dichte des Seewassers Die Dichte des Ozeanwassers  ist immer  > 1000 g dm-3  gibt die Abweichung nach oben an, z.B.:  = 24.0 bedeutet:  = 1024.0 g dm-3 die Dichteanomalie des Wassers tritt bei der Salinität des Ozeanswassers nicht auf http://www.saddleback.cc.ca.us/faculty/thuntley/ms20/seawaterprops2/sld013.htm

Dichte des Seewassers moderate Änderungen der Salinität verursachen größere Änderungen der Dichte als moderate Temperaturunterschiede großräumig allerdings kontrolliert die Temperatur die Dichte des Ozeanwassers, weil der Temperaturbereich des Wassers sehr groß ist gemeinsam sind sie verantwortlich für die relativ stabile Tiefenschichtung des Ozeans, aber sie erzeugen auch die „thermohaline Zirkulation“

Tiefenschichtung der Ozeane http://www.routledge.com/textbooks/fundamentals

Bewegung im Ozean Die Strömungen im Ozean werden angetrieben durch: Wind horizontale Druckgradienten die horizontalen Druckgradienten werden aufgebaut durch Dichteunterschiede im Ozeanwasser Dichteunterschiede im Ozeanwasser entstehen unter dem Einfluss von: Salinität Temperatur

Temperatur des oberflächennahen Wassers Die Sonnenstrahlung heizt das oberflächennahe Wasser auf http://geosun1.sjsu.edu/~dreed/105/exped8/2.html

Bewegung im Ozean aus: Stommel, 1996

Bewegung im Ozean hinzu kommen … der Einfluss der Coriolis – „Kraft“ Ekmann - Spirale http://www.humboldt.edu/ ~gdg1/Spiral.html der Einfluss der Tide im Schwerefeld zwischen Erde, Mond, und Sonne http://www.routledge.com/textbooks/fundamentals der Einfluss der Reibung Wellenbildung

the „global conveyor belt“ http://www.ipcc.ch

bedeutende Strömungen http://www.routledge.com/textbooks/fundamentals

bedeutende Strömungen http://www.routledge.com/textbooks/fundamentals

Austausch Ozean - Atmosphäre

Der Ozean als C - Speicher 0,034 10-6,3 10-10,25 10-14 CO2 (atm)  H2CO3* H2CO3*  H+ + HCO3- HCO3-  H+ + CO32- H2O  H+ + OH- KH = Ka,1 = Ka,2 = Ka,H2O =

Der Ozean als C - Speicher anorg. C org. C Photosynthese Respiration POC „particulate organic carbon“ „CO2 – Lösungspumpe“ biologische Pumpe http://www.saddleback.cc.ca.us/faculty/thuntley/ms20/seawaterprops2/sld013.htm