Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg
Mischung in Seen

Mischungsprozesse und Grundwasserankopplung

Ein wichtiges Forschungsfeld unserer Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit dem vertikalen Transport in geschichteten Seen. Seen können - mehr oder weniger - bestimmten Mischungstypen zugeordnet werden, die danach festgelegt sind, wie oft und wie tief im langjährigen Mittel die Wassersäule durchmischt wird. Die Mischungsvorgänge und deren saisonale Variationen hängen von Größe, Tiefe, geographischer Lage, klimatischen Faktoren und auch anthropogenen Einflüssen ab. Eine besondere Klasse stellen die meromiktischen Seen dar, dieam Boden einen dichteren und damit schwereren Wasserkörper haben, der über längere Zeit nicht von der gewöhnlichen Zirkulation in der kalten Jahreszeit erfasst wird. Der Austausch dieses Monimolimnions mit dem aufliegenden Wasser ist in der Regel stark reduziert. Da sich in solchen Tiefenwasserkörpern besondere, für den Rest des Sees u.U. kritische geochemische Verhältnisse einstellen, ist man an quantitativen Abschätzungen dieses Austausches interessiert. In limnophysikalischen Modellen sind solche Austausch- oder Diffusionskoeffizienten wichtige Eingangsgrößen.
Das Bild illustriert den meromiktischen Charakter eines kleines Sees beispielhaft anhand des Temperaturverlaufs. Die starke, durch den Salzgehalt verursachte Schichtung sorgt dafür, dass das Monimolimnion wärmer bleibt als das aufliegende Epilimnion (Daten: UFZ Magdeburg ).

Neben der Aufnahme klassischer limnophysikalischer Parameter (Temperatur, Leitfähigkeit) und Messungen von Umwelttracern (z.B. stabile Isotope 18O und 2H) haben wir das konservative anthropogene Spurengas Schwefelhexafluorid (SF6) als Transporttracer eingesetzt. Dabei haben wir in einigen Studien an Restseen des Braunkohletagebaus in Mitteldeutschland und in der Lausitz SF6 gezielt in das Monimolimnion eingebracht und anschliessend als Langzeitexperimente über mehrere Monate die Ausbreitung beobachtet. Aus einer rechnerischen Beschreibung der beobachteten örtlichen und zeitlichen Konzentrationsveränderungen lassen sich die Transportgrössen ableiten. Alternativ können wir auch die SF6-Verteilung auf dem Niveau des "natürlichen" Untergrundes ausnutzen, die Folge der veränderlichen Konzentration in der Atmosphäre ist. Die Probenahme- und gaschromatographischen Messtechniken wurden in unserer Gruppe aufgebaut und werden ständig weiterentwickelt.
Dieselben Messungen sind auch Grundlage für Tracerbilanzierungen, mit denen die Ankopplung an das Grundwasser abgeschätzt werden kann. Der Zustrom von Grundwasser in kleinere Seen wird neben seiner wichtigen Rolle bei der Erfassung der Hydrologie eines Grundwasser/See-Systems als Faktor bei der Entstehung und Aufrechterhaltung von Meromixis diskutiert.
Ein interessantes Phänomen ist eine jahreszeitabhängige konvektive Mischung im Inneren des Monimolimnions. In der Dichtetrennschicht bzw. im Inneren des Monimolimnions können unter bestimmten Umständen lokale Instabilitäten auftreten, so dass die Wassersäule relativ plötzlich anfängt, sich in einem bestimmten Tiefenbereich zu mischen. Auslöser sind doppeldiffusive Prozesse, die dann entstehen können, wenn die im allgemeinen turbulente Mischung soweit unterdrückt ist, dass die unterschiedlichen molekularen Diffusivitäten von gelösten Stoffen und Wärme zum Tragen kommen. Die Identifizierung und das verständis solcher Vorgänge ist wichtig für die Einschätzung von Meromixis bezüglich der Langzeitentwicklung solcher Seen.
Die Aktivitäten finden zu grossen Teilen in enger Zusammenarbeit mit Kollegen vom Helmholtz Zentrum für Umweltforschung (UFZ) in Magdeburg und Halle sowie der Brandenburgisch Technischen Universität Cottbus statt.

 

 

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