Erwärmung Schweizer Seen: Warum Temperatur und gelösten Sauerstoff überwachen?
Als Folge des Klimawandels ist seit einigen Jahren eine Erwärmung der Seen zu beobachten. In der Schweiz haben sich die Oberflächengewässer der meisten Seen seit 1980 um etwa 0,4 °C pro Jahrzehnt erwärmt.
Dies wirkt sich direkt auf die Durchmischungsdynamik und damit auf den Sauerstoffgehalt in den tieferen Bereichen der Seen aus. Diese Entwicklungen betreffen unmittelbar Gewässerbewirtschafter, Trinkwasserversorger und Akteure der ökologischen Überwachung. Temperatur und gelöster Sauerstoff werden daher in verschiedenen Tiefen gemessen, um die Entwicklung des Sees über die Zeit zu verfolgen.
Das Wichtigste im Überblick
- Die Oberflächengewässer der Schweizer Seen erwärmen sich. Dadurch verlängert sich die Schichtungsphase und die saisonale Durchmischung wird eingeschränkt.
- Bleibt das Tiefenwasser länger isoliert, wird sein Sauerstoff weniger gut erneuert.
- Für die Überwachung sollten Temperatur und Sauerstoff in verschiedenen Tiefen kombiniert gemessen werden – punktuell oder kontinuierlich –, um zu erkennen, wo und wann diese Veränderungen auftreten.
Auswirkungen der Erwärmung Schweizer Seen
Eine frühere und länger anhaltende thermische Schichtung
Ab dem Frühjahr erwärmt sich die Oberfläche der Seen. Dieses wärmere Wasser bleibt über dem kälteren und dichteren Tiefenwasser, wodurch der vertikale Austausch stark abnimmt. Die Ausbildung unterschiedlicher Temperaturschichten in einem Gewässer wird als thermische Schichtung bezeichnet. Die Schichtung ist ein normales saisonales Phänomen. Problematisch ist jedoch, dass sie seit einigen Jahren länger anhält.
Das Bundesamt für Umwelt (BAFU) stellt fest, dass die Schichtung im Frühjahr zunehmend früher beginnt und sich im Herbst später auflöst. Die tiefen Wasserschichten bleiben dadurch über einen längeren Zeitraum isoliert, was mehrere zusätzliche Wochen ohne direkte Erneuerung des Tiefenwassers bedeutet.
Eine weniger wirksame saisonale Durchmischung
Die Abkühlung im Herbst und Winter verringert nach und nach den Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und Tiefe. Das BAFU hat in den vergangenen Jahren im Bodensee, Zürichsee und Genfersee eine weniger vollständige Durchmischung beobachtet, wodurch weniger Sauerstoff in die tiefen Wasserschichten gelangt.
Einige Simulationen zeigen, dass Seen in mittleren Höhenlagen, die heute zweimal jährlich vollständig durchmischt werden, bei weiter steigenden Temperaturen künftig möglicherweise nur noch einmal pro Jahr vollständig durchmischt werden.
Eine eingeschränktere Sauerstofferneuerung im Tiefenwasser
Während der Monate mit stabiler Schichtung wird im Tiefenwasser weiterhin Sauerstoff verbraucht. Die Atmung von Organismen und der Abbau organischer Stoffe setzen sich fort. Sauerstoffreiches Oberflächenwasser gelangt jedoch kaum noch bis zum Grund. Je länger diese Phase anhält, desto stärker nehmen die Sauerstoffreserven ab. Bleibt auch die nächste Durchmischung oberflächlich oder unvollständig, erhalten die tiefen Schichten erneut weniger Sauerstoff und müssen bis zur nächsten Durchmischungsperiode warten.
Folgen eines Sauerstoffmangels in Seen
Weniger geeignete Lebensräume für Wasserorganismen
Das Tiefenwasser bleibt im Sommer kühler und dient mehreren an diese Temperaturen angepassten Arten als Rückzugsraum. Sinkt der Sauerstoffgehalt dort zu stark ab, verkleinert sich dieser Lebensraum. Einige Fischarten können dadurch zwischen zu warmem Oberflächenwasser und sauerstoffärmeren Tiefenzonen eingeschlossen werden.
Wird der Sauerstoff in Bodennähe knapp, verändern sich auch die Austauschprozesse zwischen Wasser und Sediment. Bestimmte Nährstoffe können dann verstärkt in die Wassersäule freigesetzt werden. Dies kann wiederum die Entwicklung von Algen oder Cyanobakterien begünstigen.
Die Überwachung des gelösten Sauerstoffs liefert somit auch Informationen über Veränderungen des ökologischen Gleichgewichts im See.
Wie lassen sich Messwerte des gelösten Sauerstoffs interpretieren?
Konzentration zusammen mit der Sauerstoffsättigung betrachten
Ein Wert in mg/L sollte nicht isoliert betrachtet werden. Bei gleicher Konzentration ist der Sauerstoffzustand in kaltem Wasser nicht derselbe wie in wärmerem Wasser, da die Menge an Sauerstoff, die Wasser lösen kann, von der Temperatur abhängt.
Der Sättigungsgrad setzt den Messwert in diesen Zusammenhang:
O₂-Sättigung (%) = gemessener O₂ (mg/L) / O₂ bei Sättigung (mg/L) × 100
Ein Messwert von 8 mg/L entspricht daher je nach Wassertemperatur nicht demselben Sättigungsgrad. Beide Werte gemeinsam zu betrachten, ermöglicht eine genauere Einschätzung der Sauerstoffversorgung des Sees und erleichtert Vergleiche zwischen verschiedenen Tiefen oder Messkampagnen.
Warum Temperatur und gelösten Sauerstoff gemeinsam überwachen?
Messungen in verschiedenen Tiefen durchführen
Ein Vertikalprofil kombiniert mehrere Messungen zwischen Oberfläche und Grund. Im Bereich der Thermokline, wo sich die Temperatur schnell verändert, können die Messpunkte enger gesetzt werden. In den tieferen Schichten können größere Abstände gewählt werden, um die Entwicklung des Sauerstoffgehalts unterhalb dieser Übergangszone zu verfolgen.
Für solche Messkampagnen kann ODEON mit dem Sensor OPTOD eingesetzt werden, der gleichzeitig gelösten Sauerstoff und Temperatur misst. Der Messbereich für Sauerstoff reicht von 0 bis 20 mg/L; die Werte können außerdem als prozentuale Sauerstoffsättigung angezeigt werden.
Wenn mehrere Parameter auf derselben Tiefe gemessen werden sollen, kann die TRIPOD bis zu drei Sensoren an einer Sonde aufnehmen.
Eine autonome und vernetzte Überwachung einrichten
Für eine Überwachung über mehrere Wochen oder Monate können die Sensoren in den ausgewählten Tiefen installiert bleiben und die Messwerte in regelmäßigen Abständen aufzeichnen. Die so entstehenden Zeitreihen ermöglichen es, die Entwicklung von Temperatur und Sauerstoff in der Tiefe im Verlauf der Saison zu verfolgen.
Auf einem See kann auch eine vernetzte Boje als Träger für das Messsystem dienen. Die Sensoren bleiben am festgelegten Messpunkt positioniert und die Daten können aus der Ferne übertragen werden. Dadurch ist die Überwachung nicht ausschließlich von punktuellen Messkampagnen vor Ort abhängig.
Die TRIPOD kommuniziert über Modbus RS-485 oder SDI-12 und kann an einen Datenlogger oder eine Datenerfassungseinheit angeschlossen werden.
Mit LOG AQUA werden die Daten der digitalen Sensoren aufgezeichnet und anschließend über das GSM-Netz an eine gesicherte Weboberfläche übertragen. Bis zu vier digitale Sensoren können gleichzeitig angeschlossen werden.
Ein geeignetes Messsystem für die Seeüberwachung auswählen
Bei einer punktuellen Messkampagne besteht die Anforderung darin, direkt vor Ort in verschiedenen Tiefen mit leicht einsetzbarer Messtechnik zu arbeiten. Sobald die Überwachung über einen längeren Zeitraum erfolgt, ändern sich die Anforderungen. Eine Multiparametersonde, eine vernetzte Boje oder ein autonomes Messsystem kann dann dauerhaft installiert bleiben, um Daten aufzuzeichnen und aus der Ferne zu übertragen.
Aqualabo unterstützt Kommunen, Ingenieur- und Planungsbüros, wissenschaftliche Einrichtungen und Wasserbewirtschafter bei unterschiedlichen Messkonfigurationen. Die angebotenen Lösungen ermöglichen die Überwachung von Temperatur, gelöstem Sauerstoff und weiteren physikalisch-chemischen Parametern in Seen und anderen stehenden Gewässern – in der Schweiz ebenso wie international.
