Klärung der Rolle der Wasserklarheit im Küstenmanagement

Die Klarheit des Wassers ist der Schlüssel für die Gesundheit und Wiederherstellung von Meerespflanzen und -tieren weltweit, insbesondere in flachen Küstensystemen wie der Chesapeake Bay. Aber es stellt sich heraus, dass die Messung der Wasserklarheit nicht so eindeutig ist, wie es scheinen mag.

Untersuchungen am Virginia Institute of Marine Science unter der Leitung von Dr. Jessie Turner zeigen, dass die „Klarheit“ eines Wasserpakets von der Methode abhängt, mit der es gemessen wird, und dass unterschiedliche Forschungsfragen und Managemententscheidungen unterschiedliche Instrumente und Techniken zur Messung der Klarheit erfordern. Turner und ihre Co-Autoren, Dr. Kelsey Fall und Carl Friedrichs legen ihre Empfehlungen in einem kürzlich erschienenen Artikel in Briefe über Limnologie und Ozeanographie.

„In Küsten- und Binnengewässern“, sagt Turner, „können die Methoden, die wir zur Messung der Wasserklarheit verwenden, das Unterwasser-Lichtklima, das zur Bestimmung der Wiederherstellungsziele verwendet wird, falsch darstellen, z. B. den potenziellen Lebensraum für Unterwassergräser. Es ist daher wirklich wichtig, das Beste auszuwählen geeignete Messmethode zu finden und die verwendete Methode klar zu kommunizieren. Nicht alle Wasserklarheitsmetriken sind gleich.“

Unterwassergräser erfüllen viele wichtige ökologische Funktionen und gehören zu den am strengsten überwachten Lebensräumen in der Bucht. Sie bieten zahlreichen Meereslebewesen Nahrung und Schutz, tragen zur Sauerstoffversorgung des Wassers bei und können die globale Erwärmung abschwächen, indem sie Kohlendioxid aus der Luft entfernen. Dazu benötigen sie klares Wasser für Photosynthese und Wachstum. Ihre Abhängigkeit von klarem Wasser macht sie zu einem „Kanarienvogel in der Kohlemine“ für klares Wasser in flachen Küstensystemen.

Wasser und Bier

Um die Komplexität der Wasserklarheit und ihrer Messung zu erklären, wendet sich Turner einer Analogie mit Bier zu – einer anderen Flüssigkeit, deren „Klarheit“ von weit verbreitetem Interesse ist. Ironischerweise ist das wissenschaftliche Prinzip, das zur Definition der Klarheit von Bier und anderen Flüssigkeiten verwendet wird, als Biergesetz bekannt (ironischerweise, da das Prinzip zuerst auf Wein und nicht auf Bier angewendet wurde, und doppelt so, weil das Gesetz nach dem deutschen Chemiker August Beer benannt ist, nicht dem hopfiges Getränk).

„Das Biergesetz sagt uns, dass die Menge an Licht, die durch eine Flüssigkeit dringt, von der Konzentration der Stoffe in der Flüssigkeit und der Entfernung abhängt, über die Sie messen“, sagt Turner.

Also, was ist das „Zeug“?

„Im Bier“, sagt Turner, „sind es entweder Partikel wie Hefe und Hopfen oder gelöste Dinge wie Zucker oder Tannine aus dem Brauprozess. oder gelöste organische Stoffe und andere gelöste Stoffe.“ Gelöstes organisches Material ist ein erdiger Tee, der aus Laub, Ernterückständen, Erde und anderen kohlenstoffbasierten Materialien aus der Bucht und ihrer Wasserscheide getränkt ist.

Entscheidend ist, dass Feinstaub und gelöste Stoffe das Licht auf unterschiedliche Weise behindern. „Wenn Licht auf Wasser oder Bier trifft, kann es entweder gestreut oder absorbiert werden“, sagt Turner. „Partikel streuen Licht, gelöste Stoffe absorbieren Licht.“

Die relative Häufigkeit von Partikeln und gelösten Materialien kombiniert, um unterschiedliche Lichtumgebungen zu erzeugen. In Gebieten der Chesapeake Bay mit einem hohen Gehalt an lichtstreuenden Partikeln und lichtabsorbierenden gelösten Stoffen ist das Wasser dunkel wie ein Stout. In Bereichen mit vielen lichtstreuenden Partikeln, aber wenigen lichtabsorbierenden gelösten Stoffen ist das Wasser trüb, aber hell, wie ein trübes Bier. Bereiche mit wenigen Partikeln oder gelösten Stoffen sind am klarsten, wie ein Apfelwein.

Secchi-Scheiben & Lichtsensoren

Diese Unterschiede haben wichtige Auswirkungen, wenn man sie im Lichte der zahlreichen Werkzeuge und Techniken betrachtet, die Wissenschaftler verwenden, um die Wasserklarheit zu messen. Zwei gängige optische Werkzeuge sind Secchi-Scheiben und Lichtsensoren. Wissenschaftler messen auch direkt die Konzentration von Schwebeteilchen, gelösten Materialien und Chlorophyll (das Pigment, das Pflanzen und Plankton verwenden, um Sonnenlicht für die Photosynthese einzufangen).

„Eine Secchi-Scheibe ist eine einfache schwarz-weiße Scheibe, die man horizontal durch das Wasser senkt“, erklärt Turner. „Die Tiefe, in der es aus dem Blickfeld verschwindet, ist als Secchi-Tiefe bekannt.“ Dieses kostengünstige, einfach einzusetzende und seit langem verwendete Tool misst die Wassertransparenz und die Tiefe der Objektsichtbarkeit.

Lichtsensoren messen den Verlust oder die Abschwächung des Sonnenlichts, wenn es tiefer in das Wasser eindringt, wobei der Schwerpunkt auf den Wellenlängen liegt, die Pflanzen für die Photosynthese verwenden. Die aufgezeichneten Werte werden mit denen eines Oberflächensensors verglichen, um Unterschiede im einfallenden Licht aufgrund von Wolken und Tageszeit zu berücksichtigen.

Obwohl Fortschritte in der Elektronik und den Materialien die Kosten gesenkt und den Einsatz von Lichtsensoren erhöht haben, bleiben Secchi-Scheiben das tägliche Arbeitspferd vieler Wasserklarheitsstudien, sowohl von professionellen Forschern als auch von einem wachsenden Kader von Wissenschaftlern aus der Gemeinschaft.

Laut Turner und ihren Co-Autoren treten Probleme auf, wenn Praktiker eine traditionelle Einheitsgleichung anwenden, um die Lichtdämpfung aus Secchi-Tiefenwerten abzuschätzen. Das liegt daran, dass die Beziehung zwischen diesen beiden Metriken je nach lokalem Lichtklima stark variieren kann – ob ein Unterwasserstudienort dunkel wie ein Stout, hell und trüb wie ein Ale oder klar wie ein Apfelwein ist.

„Die Beziehung zwischen diesen beiden Metriken kann je nach Breitengrad, Hydrologie und Klima zwischen und innerhalb von Flussmündungen und anderen aquatischen Umgebungen stark variieren“, sagt Turner. „Die Verwendung eines einzigen Umrechnungsfaktors zur Schätzung der Lichtdämpfung basierend auf der Secchi-Tiefe kann daher das Unterwasser-Lichtklima entweder unter- oder überschätzen.“

Beispielsweise würde in den trüben Gewässern des York River, einem wichtigen Nebenfluss der Chesapeake Bay, die Verwendung des traditionellen Umrechnungsfaktors das für Seegräser verfügbare Licht unterschätzen und somit potenzielle Wiederherstellungsziele leerverkaufen.

Empfehlungen

Um diesen und damit verbundenen Schwierigkeiten entgegenzuwirken, empfehlen Turner und Kollegen mehrere Änderungen bei der Messung und Angabe der Wasserklarheit. Am wichtigsten ist es, die verwendete Methode klar zu kommunizieren – sei es eine Secchi-Tiefe von einer Secchi-Scheibe, eine Lichtdämpfung oder eine andere Methode.

Für Studien, die sich auf Unterwassergräser und andere lichtliebende Organismen beziehen, raten die Autoren Kollegen, die Lichtschwächungswerte direkt zu erheben.

„Messungen der Lichtdämpfung mit der Tiefe sind für die meisten Forschungsarbeiten in aquatischen Ökosystemen am relevantesten“, sagt Turner. „Sie eignen sich gut für die Erforschung von Unterwassergräsern, Seetang und Korallen, da diese und andere ähnliche Organismen angepasst sind, um das Licht von unten zu ernten.“ Die Autoren empfehlen die Verwendung eines separaten, „skalaren“ Maßes der Lichtabschwächung bei der Untersuchung von Phytoplankton, das als schwimmende Organismen Licht aus allen Richtungen sammeln kann, sowohl nach unten als auch von der Seite und von unten gestreut.

Wenn Kostenbedenken oder andere Faktoren die Verwendung von Secchi-Scheiben begünstigen, raten die Autoren den Forschern, auf die Verwendung der traditionellen Einheitsgleichung zu verzichten, und empfehlen stattdessen, die Secchi-Tiefe auf die Lichtdämpfungsformel mit lokalisierten Maßnahmen zu kalibrieren. „Die Gleichung muss lokal kalibriert werden, da die Eigenschaften der im Wasser gelösten Stoffe und Partikel stark variieren, manchmal über sehr kurze Entfernungen“, sagt Turner. „Diese Eigenschaften können auch saisonal variieren.“

Da Secchi-Tiefenwerte Sichtbarkeit und Transparenz messen, sagen die Autoren, dass ihre direkte Anwendung am besten für Studien an Fischen und anderen visuellen Raubtieren geeignet ist. Sie stellen fest, dass sie auch in einem menschlichen Kontext von Wert sind, in Bereichen wie der Erholung im Wasser und dem Wert von Küstengrundstücken und Aussichtslandschaften.

Unabhängig von den Methoden, die ein Forschungsteam verwenden mag, fordern die Autoren sie auf, die nützlichste(n) Metrik(en) gemäß der spezifischen Forschungsfrage oder dem Managementziel auszuwählen.

„Wenn es für das Ziel relevant ist“, sagt Turner, „sind selbst die einfachsten Wasserklarheitsmessungen wertvoll für die Umweltüberwachung und -sanierung, unabhängig davon, ob sie von wissenschaftlichen Probenahmeprogrammen, gemeinnützigen Organisationen oder Gemeindewissenschaftlern gesammelt werden.“