Biologie · Verstehen und üben
Erkunde Ufer und Freiwasser, vergleiche die Jahreszeiten und verstehe, wie Schichtung, Sauerstoff und Nährstoffe zusammenhängen.
Ein Ökosystem See verbindet den Wasserkörper, den Boden und die Ufer mit ihrer Lebensgemeinschaft. Licht, Temperatur, Sauerstoff und Nährstoffe sind wichtige abiotische Faktoren. Wasserpflanzen, Algen, Tiere und Mikroorganismen gehören zu den biotischen Bestandteilen.
Ein See ist kein gleichmäßig gefülltes Aquarium: Nahe am Ufer kann Licht bis zum Boden reichen; im tiefen Wasser fehlt es. Gleichzeitig verändern Wind, Erwärmung und Abkühlung die Durchmischung. Wer diese räumlichen und zeitlichen Unterschiede versteht, kann viele Beobachtungen im See erklären.
Im ausreichend beleuchteten Uferbereich können am Boden wurzelnde Pflanzen wachsen. Röhricht, Schwimmblatt- und Unterwasserpflanzen können aufeinander folgen. Die genaue Verteilung hängt unter anderem von Tiefe, Wellenschlag und Boden ab.
Hier leben etwa Plankton und frei schwimmende Fische. Plankton umfasst Organismen, die sich nicht dauerhaft gegen größere Wasserströmungen behaupten können. Es bedeutet nicht einfach „winzige Tiere“.
In einem tiefen See kann der Boden außerhalb des ausreichend beleuchteten Bereichs liegen. Dort reicht Licht nicht für einen positiven Fotosyntheseüberschuss. Viele Organismen nutzen absinkendes organisches Material.
In der trophogenen Zone kann die Fotosynthese im Mittel mehr organische Substanz erzeugen, als durch Atmung verbraucht wird. In der tropholytischen Zone überwiegt der Abbau. Die Grenze hängt von Lichtdurchdringung und biologischen Bedingungen ab.
Süßwasser hat bei etwa 4 °C seine größte Dichte. Wärmeres Wasser ist weniger dicht; auch Wasser nahe 0 °C ist weniger dicht als Wasser bei 4 °C. Eis ist ebenfalls weniger dicht und schwimmt. Dichteunterschiede können deshalb verhindern, dass Wind den gesamten See leicht durchmischt.
Im Sommer erwärmt die Sonne die Oberfläche. Oben liegt häufig eine warme, vom Wind durchmischte Schicht: das Epilimnion. Darunter fällt die Temperatur in der Sprungschicht beziehungsweise im Metalimnion stark mit der Tiefe ab. Das tiefere, kältere Hypolimnion ist vom Austausch mit der Oberfläche weitgehend getrennt.
Eine Sprungschicht ist keine feste Trennwand. Stoffe und Energie können die Grenze passieren, aber der vertikale Austausch ist häufig deutlich eingeschränkt. Die Schichttiefen und Temperaturen sind von See zu See verschieden.
Unser Beispiel ist ein ausreichend tiefer dimiktischer Süßwassersee der gemäßigten Zone: Er kann sich typischerweise zweimal im Jahr vollständig durchmischen. Wähle eine Jahreszeit und lies Temperaturprofil und Erklärung zusammen.
Nach dem Winter können ähnliche Temperaturen über die Tiefe entstehen. Bei geringen Dichteunterschieden kann Wind den See vollständig durchmischen. Sauerstoff und Nährstoffe werden umverteilt.
| Tiefe | Temperatur |
|---|---|
| 0 m | 4 °C |
| 5 m | 4 °C |
| 10 m | 4 °C |
| 15 m | 4 °C |
| 20 m | 4 °C |
Auf schmalen Bildschirmen lässt sich das Schaubild seitlich verschieben. Die farbige Wassersäule ist ein vereinfachtes Schema, das Diagramm daneben hat beschriftete Achsen. Temperaturen und Tiefen sind frei gewählte Unterrichtsbeispiele. Im Winter zeigt die Kurve flüssiges Wasser unter dem Eis.
Im Frühjahr erwärmt sich kaltes Oberflächenwasser in Richtung 4 °C und kann absinken. Im Herbst kühlt warmes Oberflächenwasser ab, wird dichter und kann absinken. Sobald die Dichteunterschiede klein genug sind, unterstützt Wind eine Vollzirkulation. Herbstzirkulation ist auch bei Temperaturen über 4 °C möglich.
Im Sommer liegt warmes Wasser über kälterem Wasser. Im Winter kann sich unter Eis eine umgekehrte Temperaturschichtung einstellen: nahe 0 °C oben, etwa 4 °C in der Tiefe. Die Eisdecke verhindert direkten Windangriff auf das Wasser.
Algen und Wasserpflanzen bilden bei Licht durch Fotosynthese organische Stoffe und Sauerstoff. Zellatmung findet aber auch bei ihnen statt – ebenso bei Tieren und vielen Mikroorganismen. Sie verbraucht Sauerstoff. Die Luft kann weiteren Sauerstoff an die Wasseroberfläche liefern; Durchmischung verteilt ihn.
Abgestorbene Biomasse und Ausscheidungen sinken teilweise ab. Beim sauerstoffverbrauchenden mikrobiellen Abbau wird Sauerstoff gezehrt. Im geschichteten See kann in der Tiefe wenig neuer Sauerstoff nachgeliefert werden. Deshalb kann der Vorrat dort abnehmen, besonders bei viel absinkender Biomasse. In nährstoffarmen Seen kann das Tiefenwasser dennoch über den Sommer sauerstoffreich bleiben.
Ein Nahrungsweg ist: Phytoplankton → Wasserfloh → kleiner planktonfressender Fisch → Raubfisch. Die Pfeile zeigen vom Gefressenen zum Fresser. Die reale Nahrung hängt von Art und Lebensstadium ab; weitere Verbindungen bilden ein Nahrungsnetz.
Kann im Sommer an der Oberfläche viel Sauerstoff vorhanden sein, während er in der Tiefe knapp wird?
Wähle eine Antwort und begründe sie zunächst selbst.
Eutrophierung bedeutet eine Anreicherung mit Nährstoffen und damit verbundene verstärkte biologische Produktion. In vielen Süßwasserseen spielt Phosphor eine entscheidende Rolle; Stickstoff und weitere Bedingungen beeinflussen ebenfalls, welche Organismen wachsen. Menschliche Einträge können etwa aus Landwirtschaft, Abwasser und dem Einzugsgebiet stammen.
Unter bestimmten sauerstoffarmen Bedingungen kann zusätzlich Phosphat aus Sedimenten freigesetzt werden. Das kann die Belastung verstärken; es geschieht nicht in jedem See gleich. Nährstoffreiche Seen sind nicht automatisch überall sauerstofffrei, und klares Wasser ist allein kein vollständiger Zustandsnachweis.
Wichtig ist, übermäßige Nährstoffeinträge zu vermindern und Uferlebensräume zu erhalten. Ein See kann verzögert reagieren, weil gespeicherte Nährstoffe und die Aufenthaltszeit des Wassers nachwirken. Einfach „umrühren“ beseitigt die Ursache nicht und kann Nährstoffe aus der Tiefe nach oben transportieren.
Hintergrund zu Belastungen und Schutz: Umweltbundesamt – Wie verbessern wir den Zustand unserer Seen? Verschiedene Seetypen: Umweltbundesamt – Seen.
Ein Temperaturprofil ist eine Messreihe über verschiedene Tiefen zu einem bestimmten Zeitpunkt. Prüfe zuerst Achsen und Einheiten. Suche dann Bereiche mit ähnlicher Temperatur und Bereiche mit starkem Temperaturabfall. Ein stark fallender Abschnitt im Sommerprofil weist auf eine Sprungschicht hin.
Beispiel: In unserem Sommermodell werden bei 0 und 5 m jeweils 22 °C, bei 10 m 10 °C und bei 15 und 20 m 6 °C gezeigt. Der größte Temperaturabfall liegt zwischen 5 und 10 m. Genauere Grenzen erfordern engere Messabstände. Aus diesen Temperaturen allein lässt sich kein Sauerstoffwert berechnen: Dafür muss man Sauerstoff gesondert messen.
Versuche jede Aufgabe zuerst selbst. Nutze bei Bedarf den Tipp und vergleiche erst danach mit der Lösung.
Denke an Ufer und freies Wasser.
Das Litoral ist der Uferbereich mit grundsätzlich möglichen bodenbewachsenen Lichtzonen. Das Pelagial ist das Freiwasser. Beide Begriffe beschreiben Lebensräume, keine festen Temperaturen.
Welche Energiequelle fehlt dort?
Das Licht ist zu schwach. Die Fotosynthese kann den Verbrauch organischer Stoffe durch Zellatmung nicht ausgleichen. Viele Tiefenorganismen nutzen daher organisches Material aus anderen Zonen.
Vergleiche seine Dichte mit 0 °C und 20 °C.
Es hat ungefähr dort seine größte Dichte. Wasser nahe 0 °C und deutlich wärmeres Wasser sind weniger dicht. Das erklärt die Möglichkeit einer umgekehrten Winterschichtung.
Beginne an der Oberfläche.
Epilimnion: warme obere Mischschicht. Metalimnion: starker Temperaturabfall mit der Tiefe. Hypolimnion: kälteres Tiefenwasser mit eingeschränktem Austausch nach oben.
Vergleiche benachbarte Messtiefen.
Zwischen 5 und 10 m: von 22 auf 10 °C, also um 12 °C auf 5 m. Die wirkliche Sprungschicht kann zwischen den Messpunkten beginnen oder enden.
Denke an die Dichte des anfangs warmen Oberflächenwassers.
Durch Abkühlung wird es zunächst dichter und sinkt ab. Die Dichteunterschiede zwischen oben und unten werden geringer; Wind kann tiefer mischen. Vollzirkulation setzt nicht zwingend überall genau 4 °C voraus.
Was geschieht mit Wasser, das kälter als 4 °C wird?
Es wird wieder weniger dicht und bleibt über dichterem Tiefenwasser. Eis bildet sich an der Oberfläche und schwimmt. Unter einer Eisdecke kann flüssiges Wasser verbleiben.
Welche Rolle spielen Tiefe und Winterklima?
Nein. Flache Seen können häufig mischen; andere Seen mischen nur einmal oder unvollständig. Eisfreie Winter und gelöste Stoffe verändern ebenfalls die Bedingungen. Das Labor zeigt einen ausgewählten Seetyp.
Unterscheide Ort des Angebots und Ort des Verbrauchs.
Unten verbraucht der Abbau absinkender Biomasse Sauerstoff. Während der Schichtung erreicht wenig sauerstoffreiches Oberflächenwasser die Tiefe. Oberflächenproduktion garantiert deshalb keine gute Tiefenversorgung.
Baue Algenwachstum, Absinken und Abbau ein.
Zusätzliche Nährstoffe können Produktion erhöhen. Mehr abgestorbene Biomasse kann absinken. Ihr mikrobieller Abbau benötigt Sauerstoff; bei geringer Nachlieferung kann dieser knapp werden. Das Ergebnis hängt von weiteren Bedingungen ab.
Welche Prozesse liefern oder verbrauchen Sauerstoff?
Nein. Sauerstoff hängt unter anderem von Luftaustausch, Fotosynthese, Atmung, Abbau und Durchmischung ab. Warmes Wasser kann weniger Sauerstoff lösen als kaltes, aber daraus folgt kein Wert von null.
Trenne physikalische Struktur und Nährstoffbelastung.
Nein. Auch ein nährstoffarmer See kann geschichtet sein. Für Eutrophierung braucht man weitere Befunde, etwa Nährstoffdaten, biologische Produktion und deren Veränderungen. Sauerstoffmessungen ergänzen die Beurteilung.
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