EPFL-Forscher haben entdeckt, dass die Erneuerung des Tiefenwassers im Genfersee im Winter nicht nur auf vertikale Durchmischung zurückzuführen ist. Vielmehr spielen starke Strömungen aus dem Petit Lac-Becken und den Uferzonen des Grand Lac eine entscheidende Rolle.
In gemäßigten Seen kommt es im Winter zu einer tiefen vertikalen Durchmischung, die als Umwälzung bezeichnet wird. Wenn das Oberflächenwasser abkühlt, wird es dichter und sinkt ab, wobei es sich mit dem tieferen Wasser vermischt. Dieser Prozess ist wichtig, da die Gesundheit des Sees leidet, wenn gelöster Sauerstoff und Nährstoffe nicht gut verteilt sind.
Normalerweise erreicht das sauerstoffreiche Oberflächenwasser im Genfersee nicht den Seegrund, der dadurch sauerstoffarm werden kann. In sehr kalten Wintern kommt es jedoch zu einer vollständigen Durchmischung, sodass Sauerstoff- und Temperaturniveau von oben bis unten gleich sind. Bisher ging man davon aus, dass diese vertikale Durchmischung die einzige Möglichkeit ist, das Tiefenwasser im Genfersee zu erfrischen.
Aufgrund des Klimawandels kommt es immer seltener zu einer vollständigen vertikalen Durchmischung. „Seit 2012 steigen die Temperaturen, und der Sauerstoffgehalt am Grund des Genfersees ist in 10 Jahren um 90 Prozent gesunken“, sagt Naifu Peng, Forscher am Labor für Ökologische Ingenieurwissenschaften (ECOL) der EPFL.
Peng, der sich auf Simulationsmodelle spezialisiert hat, beschäftigt sich mit den Auswirkungen des Klimawandels. Vor kurzem untersuchten er und seine Kollegen von ECOL die Dynamik der winterlichen Erneuerung des Tiefenwassers im Genfersee. Ihre Ergebnisse wurden kürzlich veröffentlicht in Wasserressourcenforschung.
Winterhydrodynamik
Nach Angaben der Internationalen Kommission zum Schutz der Gewässer des Genfersees (CIPEL) kam es im aussergewöhnlich kalten Winter 2012 zum letzten vollständigen Umkippen des Genfersees.
Für diesen wichtigen Fall untersuchte das EPFL-Team die grundlegenden Mechanismen, die dieser vollständigen Umwälzung zugrunde liegen. Das Forschungsteam stellte fest, dass die Erneuerung des Tiefenwassers im Genfersee im Jahr 2012 nicht nur auf vertikale Vermischung zurückzuführen war, sondern auf viel komplexere, dreidimensionale Vermischungsprozesse.
Der Genfersee besteht aus zwei Becken, dem großen und tiefen Grand Lac (309 m tief, 85 km3 Volumen) im Osten und dem kleineren und flacheren Petit Lac (75 m tief, 4 km3 Volumen) im Westen, der jährlich umkippt. Bemerkenswerterweise ist die Zwei-Becken-Struktur des Genfersees von grundlegender Bedeutung für die Erneuerung der tiefsten Schichten des Grand Lac.
Mithilfe umfassender Feldbeobachtungen und numerischer Modellierung untersuchten die Wissenschaftler des ECOL im Winter 2012 die Hydrodynamik des gesamten Genfersees. Ihr kombinierter Ansatz deckte die Grenze der vertikalen Durchmischung im Grand Lac auf.
„Durch die Analyse der Wassertemperatur und Sauerstoffkonzentration stellten wir fest, dass es 2012 doch nicht zu einer vollständigen Umwälzung aufgrund vertikaler Vermischung gekommen war“, erklärt Peng. „Mithilfe hochauflösender numerischer Modellierung konnten wir detaillierte Einblicke gewinnen, wie sich dieser Prozess im gesamten See abspielte.“
„Insbesondere war es das seitlich aus dem Petit Lac und den flachen Uferzonen des Grand Lac abfließende Wasser, das die tiefsten Schichten des Sees erneuerte.“
Wasser in flacheren Regionen des Sees kühlt schneller ab als in tiefen Bereichen, was zu Strömungen aufgrund seitlicher Kontraste in der Wasserdichte führt, was zur Erneuerung des Wassers in den tiefsten Schichten des Grand Lac führt. „So führt die Oberflächenkühlung im Winter zu Strömungen, die sowohl von vertikalen als auch von horizontalen Dichtegradienten angetrieben werden, was 2012 zu einer vollständigen Umwälzung des Sees führte.“
Bei fortschreitender Klimaerwärmung wird es im Winter nur in einigen wenigen, sehr kalten Wintern zu einer vertikalen Durchmischung des Genfersees kommen. Seitliche Durchmischungsprozesse werden jedoch weiterhin zur Erneuerung der tiefsten Schichten des Sees beitragen. „Der Genfer See hat nicht selten eine zweibeckenartige Struktur, daher ist auch in anderen gemäßigten Seen eine ähnliche Durchmischung im Winter zu erwarten.“
Mehr Informationen:
N. Peng et al, Tiefenwassererneuerung in einem großen, tiefen See (Genfersee): Identifizierung und Quantifizierung winterlicher Abkühlungsprozesse mittels Wärmebilanzzerlegung, Wasserressourcenforschung (2024). DOI: 10.1029/2023WR034936