Umkippen
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Das Umkippen eines Sees bedeutet, dass das Phosphat, als der begrenzende Nährstoff, wegen eines dauerhaften Sauerstoffmangels nicht mehr als Eisen(III)-phosphat am Seeboden abgelegt werden kann, sondern vollständig und düngewirksam im Wasser gelöst bleibt. Deshalb findet in der oberen Wasserschicht ein starkes Algenwachstum statt, dass beim Abbau der somit gebildeten Biomasse, sobald sie abgesunken ist, über dem Seeboden der im Wasser gelöste Sauerstoff fast gänzlich aufgezehrt wird. Dadurch wird eine Festlegung des aus der Biomasse wieder freigesetzten Phosphats durch Eisen unmöglich. Die Etablierung dieser Rückkopplung wird in der Limnologie als Umkippen bezeichnet.
Vom Umkippen kann man nur bei stehenden Gewässern sprechen, also bei Seen oder kleineren Binnenmeeren sowie Teilen davon, beispielsweise der Ostsee. Diese Gewässer besitzen die notwendige Trennung der Wasserschichten. In den flachen Teichen oder in Flachseen kommt es dagegen nicht zur räumlichen Trennung von Auf-und Abbau, damit nicht zu einem dauerhaften Sauerstoffmangel über dem Grund, und damit nicht zu der Rückkoppelung im Sinn der limnologischen Definition des Umkippens.
Inhaltsverzeichnis |
[Bearbeiten] Hintergrund
[Bearbeiten] Temperaturbedingte Schichtung
In Seen bildet sich im Sommer und meist auch im Winter eine temperaturbedingte Dichteschichtung mit dazwischen liegenden Vollzirkulationen im Herbst und im Frühjahr aus. Dadurch kommt es zu einer klaren räumlichen Trennung von Primärproduktion und dem Abbau von Biomasse. Der Aufbau von Biomasse unter Bindung der anorganischen Nährstoffe und unter Erzeugung von Sauerstoff findet in den lichtreichen Schichten nahe der Oberfläche, also im Epilimnion und oft auch im oberen Metalimnion statt. Dagegen ist die Remineralisation der abgesunkenen Überreste von Biomasse über dem Boden des Sees, je nach Seetiefe im Hypolimnion oder unteren Metalimnion konzentriert. Dort wird Sauerstoff verbraucht und die anorganischen Nährstoffe wieder freigesetzt.
[Bearbeiten] Sauerstoffbilanz
Das Wasser des Epilimnions wird durch Wind und Konvektion täglich durchmischt. Dabei wird Sauerstoffgehalt dem Gleichgewicht mit der Luft angeglichen. Auch findet hier wegen des Lichtangebotes der größte Teil der Sauerstoff produzierenden Photosynthese statt.
Das Wasser im Metalimnion und Hypolimnion erhält von außen keinen Sauerstoff. Vielmehr sinken absterbende Algen und Planktontiere sowie deren Kot und Leichen von oben herab. Beim biologischen Abbau ihrer Substanz wird so viel Sauerstoff verbraucht, wie bei der Entstehung ihrer Biomasse durch Photosynthese im Epilimnion entstanden war.
[Bearbeiten] Eutrophierung
Normalerweise erhält ein See eine ständige Zufuhr von düngewirksamen Nährstoffen, die für den Aufbau von Biomasse benötigt werden, bevorzugt also Kohlenstoff- Stickstoff- und Phosphorverbindungen. Dabei ist wegen ihrer begrenzenden Wirkung besonders die Zufuhr an Phosphor von ausschlaggebender Bedeutung.
Ein Teil der Nährstoffe verlässt den See wieder über den Abfluss. Ein anderer Teil, insbesondere Teile des Phosphors, werden durch absinkende Biomasse und deren abgestorbene Reste in die Tiefe des Sees verlagert und dort wieder remineralisiert. Dabei entstehendes Phosphat geht mit vorhandenem Eisen-III eine unlösliche Verbindung ein und wird am Seeboden abgelagert.
Wenn mehr Nährstoffe in einen See eingetragen werden als ihn über den Abfluss oder durch diese Sedimentation wieder verlassen, spricht man von Eutrophierung. Dann wird immer mehr Biomasse im See gebildet.
[Bearbeiten] Umkippen: Das Versagen der Phosphatfalle
Durch die Sprungschicht wird verhindert, dass Sauerstoff in die unteren Gewässerschichten eingetragen wird. Es wird aber immer mehr organisches Material am Seeboden abgelagert. Beim Abbau dieses Materials wird Sauerstoff gezehrt, so lange, bis er verbraucht ist. Wenn die Tiefenzone eines Sees sauerstofffrei - anaerob - ist, wird dort das dreiwertige Eisen zu zweiwertigem reduziert
Beim Abbau von Biomasse wird aus dieser der Phosphor als Phosphat freigesetzt. Zusammen mit dreiwertigen Eisen bildet sich das sehr schwerlösliche Eisenphosphat, das sich im Bodensediment des Sees anreichert. Zweiwertiges Eisen bildet dagegen mit dem Phosphat keinen Niederschlag. Bei Sauerstoffmangel bleibt deshalb das Phosphat im Wasser gelöst und wird mit der nächsten Zirkulation wieder düngewirksam über den ganzen See verteilt.
Unter dem Einfluss des nun vermehrt verfügbaren Phosphats findet im Epilimnion eine vermehrte Primärproduktion von Biomasse, beispielsweise von Algen statt. Deshalb kommt es auch zu einem vermehrten Absinken abbaubarer Biomasse zum Seeboden und damit zu einem beschleunigten Verbrauch des dortigen Sauerstoffs. Die Wirkung wird zur eigenen Ursache. Der See kann diesen Teufelskreis (positive Rückkopplung) nicht mehr ohne äußeren Eingriff verlassen.
