Modellstudie zeigt Zustand deutscher Seen unter dem Klimawandel

Anhand von langjährigen Überwachungsdaten von 46 deutschen Seen haben Forschende des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) in Kooperation mit dem Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung Magdeburg gezeigt, dass die Oberflächentemperaturen der Seen in den letzten 30 Jahren schneller gestiegen sind als die Lufttemperaturen.

Die Sauerstoffkonzentrationen im Tiefenwasser sind zurückgegangen. Modellrechnungen 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 Abwässer verringert werden könnte. Die Studie ist veröffentlicht im Journal Ambio.

Wenn sich Seen erwärmen, nimmt ihr Sauerstoffgehalt ab. Dies liegt zum Teil an der Sauerstofflöslichkeit im Wasser, die bei höheren Temperaturen geringer ist. Darüber hinaus verursachen höhere Temperaturen eine thermische Schichtung mit einer wärmeren Oberflächenschicht über kälterem Wasser.

Bleibt diese Schichtung im Sommer über längere Zeit bestehen, kann Sauerstoff durch Organismen in der Tiefenzone zwar verbraucht, aber aufgrund mangelnder Durchmischung nicht wieder aufgefüllt werden. Die dadurch entstehenden niedrigen Sauerstoffkonzentrationen können für alle Formen höheren Lebens problematisch sein.

Das Forschungsteam untersuchte anhand von Langzeitdaten aus mindestens 30 Jahren und hydrodynamischen Modellen, wie sich Wassertemperatur, Seeschichtung und Sauerstoffkonzentration in der Tiefenschicht von 46 deutschen Seen als Reaktion auf die Klimaerwärmung verändern.

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

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 Schwellenwert für das Überleben vieler Süßwasserorganismen.

„Mit den wärmeren Temperaturen hat vor allem im Herbst auch das Auftreten sauerstoffarmer Bedingungen zugenommen. Grund dafür ist die stabilere thermische Schichtung“, erklärt IGB-Forscher Robert Schwefel, Leitautor der Studie.

Klimawandel: Längere thermische Schichtung, nicht steigende Temperaturen, ist Hauptursache für Sauerstoffmangel

Mithilfe hydrodynamischer Seemodelle simulierten die Forscher die zukünftige Temperatur- und Sauerstoffentwicklung bis zum Jahr 2099 auf Basis verschiedener Emissionsszenarien des Weltklimarats IPCC. Die Simulationen wurden an 12 Seen durchgeführt, für die hochauflösende Messdaten zur Modellkalibrierung vorlagen.

Beim pessimistischen Emissionsszenario RCP 8.5, das von einem kontinuierlichen Anstieg der Treibhausgase bis zum Ende des Jahrhunderts ausgeht, würde die Oberflächentemperatur der Seen bis 2099 weiterhin um 0,3°C pro Jahrzehnt ansteigen.

Im mittleren Szenario RCP 4.5 beträgt der Anstieg nur 0,18°C/Jahrzehnt. Für das optimistische Szenario RCP 2.6, in dem der Anstieg der Lufttemperatur auf etwa 2°C über dem vorindustriellen Niveau begrenzt ist, wird nur ein minimaler Anstieg von 0,04°C/Jahrzehnt vorhergesagt. Im Einklang mit Beobachtungen der letzten dreißig Jahre würde die Temperatur in der Tiefe viel weniger ansteigen.

„Durch die zunehmende Temperaturdifferenz zwischen Oberflächen- und Tiefenschicht verstärkt sich die Temperaturschichtung“, erklärt IGB-Forscher Michael Hupfer, der das Projekt leitete.

Die Modellrechnungen zeigen, dass sich im pessimistischen Emissionsszenario die Sommerschichtung bis zum Ende des Jahrhunderts im Vergleich zum Zeitraum von 2006 bis 2016 um bis zu 38 Tage verlängern würde (bei RCP 4,5 um 22 Tage und bei RCP 2,6 um 13 Tage).

Mit der zunehmenden Schichtung steigt auch das Risiko eines Sauerstoffmangels in der tiefen Schicht: Anhand eines vereinfachten Sauerstoffmodells zeigte das Team, dass die Sauerstoffkonzentration in der tiefen Schicht als Reaktion auf die verlängerte Schichtungsperiode um 0,7 bis 1,9 mg/L abnehmen würde (RCP 4,5 um 0,6 mg/L oder RCP 2,6 um 0,2 mg/L).

„Dies führt dazu, dass größere Bereiche des Hypolimnions insbesondere im Herbst hypoxisch oder sogar anoxisch bleiben. Dies hätte erhebliche Auswirkungen auf die Lebensräume der Fische und die chemischen Bedingungen in den Seesedimenten“, sagt IGB-Forscher Robert Schwefel.

Reduzierte Nährstoffbelastung könnte negative Auswirkungen abmildern

Um die Auswirkungen des Klimawandels abzumildern, können andere Stressfaktoren reduziert werden, etwa die Nährstoffbelastung durch Nitrate und Phosphate aus städtischen und landwirtschaftlichen Abwässern. Diese wirken als Dünger in Gewässern und regen biologische Prozesse wie das Algenwachstum an. Im Gegenzug steigt der Sauerstoffverbrauch in den Tiefengewässern, da bei nachfolgenden Zersetzungsprozessen mehr Sauerstoff verbraucht wird.

In ihrer Studie modellierte das Team auch die kombinierten Auswirkungen von Klimawandel und reduziertem Nährstoffeintrag auf den Sauerstoffhaushalt. Die gute Nachricht: Selbst im pessimistischsten Emissionsszenario würde eine Nährstoffreduzierung um eine trophische Ebene zu erhöhten Sauerstoffkonzentrationen führen, was die Auswirkungen der Erwärmung abmildern würde.

Im pessimistischsten Klimaszenario, RCP 8.5, stiegen die Sauerstoffkonzentrationen im Tiefenwasser, wenn man davon ausging, dass der Sauerstoffverbrauch im Tiefenwasser typisch für Bedingungen mit reduziertem Nährstoffeintrag sei.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich die negativen Auswirkungen des Klimawandels auf den Sauerstoffhaushalt von Seen durch verstärkte Anstrengungen zur Begrenzung der Nährstoffeinträge wirksam abmildern lassen“, sagt Hupfer.