Modellstudie zeigt Zustand deutscher Seen angesichts des Klimawandels

Anhand von Langzeitüberwachungsdaten aus 46 deutschen Seen konnten Forscher des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) in Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung in Magdeburg zeigen, dass die Oberflächentemperaturen der Seen schneller angestiegen sind als die Lufttemperaturen die letzten 30 Jahre.

Die Sauerstoffkonzentration in tiefen Gewässern ist gesunken. Modellierungen deuten darauf hin, dass sich dieser Trend fortsetzen wird. Die gute Nachricht ist, dass der Sauerstoffmangel im Hypolimnion gemildert werden könnte, wenn die Nährstoffbelastung durch städtische und landwirtschaftliche Einleitungen verringert werden könnte. Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Atmosphäre.

Wenn sich Seen erwärmen, nimmt ihr Sauerstoffgehalt ab. Dies ist zum Teil auf die Löslichkeit von Sauerstoff in Wasser zurückzuführen, die bei höheren Temperaturen geringer ist. Darüber hinaus führen höhere Temperaturen zu einer thermischen Schichtung mit einer wärmeren Oberflächenschicht über kühlerem Wasser.

Wenn diese Schichtung bis weit in den Sommer hinein anhält, kann es sein, dass den Organismen in der Tiefenzone der Sauerstoff ausgeht, sie diesen aber aufgrund mangelnder Durchmischung nicht wieder auffüllen können. Die daraus resultierenden niedrigen Sauerstoffkonzentrationen können für alle höheren Lebensformen problematisch sein.

Mithilfe von Langzeitdaten aus mindestens 30 Jahren und hydrodynamischen Modellen untersuchte das Forscherteam, wie sich Wassertemperatur, Seeschichtung und Sauerstoffkonzentration in der Tiefenschicht von 46 deutschen Seen als Reaktion auf die globale Erwärmung verändern.

Die Analyse von Langzeitdaten zeigt, dass die durchschnittliche jährliche Oberflächentemperatur aller Seen zwischen 1990 und 2020 um 0,5 Grad Celsius pro Jahrzehnt (°C/Dekade) angestiegen ist. Das bedeutet, dass sich die deutschen Seen im gleichen Zeitraum stärker erwärmt haben als die Luft. mit einem Anstieg von 0,43 °C/Dekade. Die Wassertemperatur im Tiefenwasser blieb nahezu konstant.

Zwischen 1990 und 2020 lagen die Sauerstoffkonzentrationen bei 51 % der Sommermessungen und 62 % der Herbstmessungen unter 2 Milligramm pro Liter (mg/L). Diese Konzentration gilt als kritischer Grenzwert für das Überleben vieler Süßwasserorganismen.

„Das Auftreten sauerstoffarmer Bedingungen hat mit steigenden Temperaturen, insbesondere im Herbst, zugenommen. Das liegt an der stabileren thermischen Schichtung“, erklärt Robert Schwefel, IGB-Forscher und Erstautor der Studie.

Klimawandel: Eine längere thermische Schichtung, nicht steigende Temperaturen, ist der Hauptgrund für den Sauerstoffmangel

Die Forscher verwendeten hydrodynamische Seemodelle, um zukünftige Temperatur- und Sauerstofftrends bis zum Jahr 2099 zu simulieren, basierend auf verschiedenen Emissionsszenarien des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC). Die Simulationen wurden an 12 Seen durchgeführt, für die hochauflösende Messdaten zur Modellkalibrierung zur Verfügung standen.

Im pessimistischen RCP 8.5-Emissionsszenario, das von einem anhaltenden Anstieg der Treibhausgase bis zum Ende des Jahrhunderts ausgeht, würden die Seeoberflächentemperaturen bis 2099 weiterhin um 0,3 °C/Jahrzehnt ansteigen.

Im Zwischenszenario RCP 4.5 beträgt der Anstieg nur 0,18°C/Jahrzehnt. Im optimistischen RCP 2.6-Szenario, in dem der Anstieg der Lufttemperatur auf etwa 2 °C über dem vorindustriellen Niveau begrenzt wird, wird nur ein minimaler Anstieg von 0,04 °C/Jahrzehnt vorhergesagt. Den Beobachtungen der letzten dreißig Jahre zufolge würde die Temperatur in der Tiefe deutlich weniger ansteigen.

„Der zunehmende Temperaturunterschied zwischen der Oberfläche und der Tiefenschicht erhöht die Temperaturschichtung“, erklärt IGB-Forscher Michael Hupfer, der das Projekt leitete.

Modellrechnungen zeigen, dass sich im pessimistischen Emissionsszenario die Sommerschichtung bis zum Ende des Jahrhunderts im Vergleich zum Zeitraum 2006–2016 um bis zu 38 Tage verlängern würde (um 22 Tage für RCP 4.5 und um 13 Tage für RCP 2.6).

Mit zunehmender Schichtung steigt das Risiko eines Sauerstoffmangels in der Tiefenschicht: Mithilfe eines vereinfachten Sauerstoffmodells zeigte das Team, dass die Sauerstoffkonzentration in der Tiefenschicht als Reaktion auf die verlängerte Schichtungsperiode um 0,7 bis 1,9 mg/L sinken würde (RCP 4.5). von 0,6 mg/L oder RCP 2,6 von 0,2 mg/L).

„Das bedeutet, dass insbesondere im Herbst größere Bereiche des Hypolimnions hypoxisch oder sogar anoxisch bleiben würden.“ „Das hätte gravierende Folgen für die Lebensräume der Fische und die chemischen Bedingungen der Seesedimente“, erklärt IGB-Forscher Robert Schwefel.

Eine Reduzierung der Nährstoffbelastung könnte negative Auswirkungen abmildern

Um die Auswirkungen des Klimawandels abzumildern, können andere Stressfaktoren reduziert werden, beispielsweise Nährstoffbelastungen wie Nitrate und Phosphate aus städtischen und landwirtschaftlichen Abwässern. Diese Elemente wirken als Düngemittel in Gewässern und regen biologische Prozesse wie das Algenwachstum an. Der Sauerstoffverbrauch in tiefen Gewässern wiederum steigt, da der Sauerstoff bei nachfolgenden Zersetzungsprozessen verbraucht wird.

In ihrer Studie modellierte das Team auch die kombinierte Wirkung des Klimawandels und reduzierter Nährstoffeinträge auf den Sauerstoffhaushalt. Die gute Nachricht: Selbst im pessimistischsten Emissionsszenario würde eine Reduzierung der Nährstoffe um eine trophische Ebene zu einem Anstieg der Sauerstoffkonzentrationen führen, was die Auswirkungen der Erwärmung abmildern würde.

Im pessimistischsten Klimaszenario, RCP 8.5, stiegen die Sauerstoffkonzentrationen in der Tiefsee, während angenommen wurde, dass der Sauerstoffverbrauch in der Tiefsee typisch für Bedingungen reduzierter Nährstoffversorgung ist.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die negativen Auswirkungen des Klimawandels auf den Sauerstoffhaushalt von Seen durch verstärkte Bemühungen zur Begrenzung der Nährstoffeinträge wirksam abgemildert werden können“, sagte Hupfer.