Wärmere Seen sind ein menschengemachtes Problem mit ökologischen Folgen

Auf­grund des glob­alen Kli­mawan­dels wer­den die Seen auf der ganzen Welt wärmer und frieren an weniger Tagen im Jahr zu. Ein inter­na­tionales Forschung­steam mit Georgiy Kir­illin vom Leib­niz-Insti­tut für Gewässerökolo­gie und Bin­nen­fis­cherei (IGB) kon­nte kür­zlich bele­gen, dass die Verän­derun­gen ohne steigende Treib­haus­gase­mis­sio­nen nicht einge­treten wären. IGB-Forscherin Stel­la Berg­er hat mit einem inter­na­tionalen Team das Konzept des See-Eis-Kon­tin­u­ums entwick­elt, das beschreibt, wie unter­schiedliche Eis­be­deck­ung von Seen sich auf grundle­gende Ökosys­tem­prozesse oder die Struk­tur des Nahrungsnet­zes auswirken kann.
Weltweit gibt es etwa 100 Mil­lio­nen Seen, von denen die meis­ten ober­halb des 45. Nördlichen Bre­it­en­grades liegen und in der Regel im Win­ter zufrieren. In den let­zten Jahrzehn­ten haben sich die Seen weltweit erwärmt, und die Aus­dehnung und Dicke des Eis­es auf saison­al zuge­frore­nen Seen hat abgenom­men. Die Rolle des Kli­mawan­dels bei diesen Trends war bis­lang jedoch nicht wis­senschaftlich belegt.

Klimawandel und nicht Klimaschwankungen verantwortlich:

Ein Forschung­steam mit dem IGB-Seen­physik­er Dr. Georgiy Kir­illin hat kür­zlich gezeigt, dass diese glob­alen Verän­derun­gen der Seetem­per­a­turen und der Eis­be­deck­ung nicht auf natür­liche Kli­maschwankun­gen zurück­zuführen sind. Sie kön­nen nur durch die mas­siv­en Treib­haus­gase­mis­sio­nen seit der indus­triellen Rev­o­lu­tion erk­lärt wer­den. Um dies zu beweisen, hat das Forschung­steam Beobach­tun­gen von Seetem­per­atur und Eis­be­deck­ung zusam­mengestellt. Sie ver­glichen diese Dat­en mit den Ergeb­nis­sen ihrer Sim­u­la­tio­nen durch glob­ale Seen- und Kli­mamod­elle. Die Forschen­den fan­den Übere­in­stim­mungen zwis­chen den beobachteten Verän­derun­gen in Seen und den Mod­ell­sim­u­la­tio­nen von Seen in einem durch Treib­haus­gase­mis­sio­nen bee­in­flussten Kli­ma. Die Ergeb­nisse wur­den in der Fachzeitschrift Nature Geo­science veröffentlicht.
Die mit math­e­ma­tis­chen Mod­ellen berech­neten Zukun­ftsszenar­ien deuten darauf hin, dass die Tem­per­a­turen in den Seen weit­er ansteigen wer­den, wenn die Emis­sio­nen weit­er zunehmen, und zwar in ähn­lichem Maße wie die durch­schnit­tliche glob­ale Luft­tem­per­atur, und dass die Eis­dicke und ‑dauer entsprechend abnehmen werden.

1 Grad Lufterwärmung – fast 10 Tage weniger Eisbedeckung

„Laut Mod­ell­szenar­ien wer­den sich die Seen mit jedem Anstieg der Luft­tem­per­atur um 1° Cel­sius schätzungsweise um 0,9 °C erwär­men und 9,7 Tage an Eis­be­deck­ung ver­lieren“, sagt Georgiy Kir­illin. Das Team prog­nos­tizierte auch die kün­ftige Entwick­lung unter ver­schiede­nen Erwär­mungsszenar­ien. In einem emis­sion­sar­men Szenario wird sich die durch­schnit­tliche Erwär­mung der Seen in der Zukun­ft voraus­sichtlich bei +1,5 °C über dem vorindus­triellen Niveau sta­bil­isieren und die Dauer der Eis­be­deck­ung um 14 Tage kürz­er sein. In ein­er Welt mit hohen Emis­sio­nen kön­nten diese Verän­derun­gen zu einem Anstieg von +4,0 °C und 46 weniger Eista­gen führen. „Das bedeutet, dass sich Seen im Win­ter deut­lich verän­dern wer­den“, ergänzt Georgiy Kirillin.

Eisdecke wichtig für saisonale Prozesse im See

Obwohl der Win­ter gemein­hin als eine Zeit rel­a­tiv­er Ruhe gilt, sind die Ökosys­tem­funk­tio­nen in dieser Jahreszeit oft dynamisch. Darüber hin­aus gibt es zunehmend Belege dafür, dass die Bedin­gun­gen im Win­ter die Voraus­set­zun­gen für die Bedin­gun­gen im Som­mer schaf­fen und umgekehrt, und dass Seen über ein kom­plettes saisonales Kon­tin­u­um hin­weg betra­chtet wer­den müssen.
Die Eis­be­deck­ung verän­dert einen See grundle­gend, indem sie diesen von der umgeben­den Land­schaft und Atmo­sphäre isoliert. Die Dicke und die optis­chen Eigen­schaften von Eis und Schnee reg­ulieren die Menge der Son­nen­strahlung, die in den See ein­dringt, und schir­men ihn gle­ichzeit­ig vor Wind ab. Fol­glich ist die Eis­be­deck­ung ein wichtiger Fak­tor, der die Durch­mis­chung des Wassers in Seen reg­uliert und ver­tikale ther­mis­che und chemis­che Gra­di­en­ten struk­turi­ert. Das ist beispiel­sweise für die Sauer­stof­fver­füg­barkeit in der Wasser­säule von Bedeu­tung. Organ­is­men, von Bak­te­rien bis hin zu Fis­chen, haben sich an die win­ter­liche Umge­bung angepasst. IGB-Forscherin Dr. Stel­la Berg­er hat unter­sucht, wie sich Schwankun­gen in der Eis­be­deck­ung von Seen auf grundle­gende Ökosys­tem­prozesse oder die Struk­tur des Nahrungsnet­zes auswirken.

Das See-Eis-Kontinuum: Welche chemischen und physikalischen Prozesse wirken an der Eisgrenze zwischen Umwelt und See

„Wir wis­sen, dass die Eis­be­deck­un­gen von Seen abnehmen wer­den, aber uns fehlte bis­lang ein konzep­tioneller Rah­men, um die Auswirkun­gen solch­er Verän­derun­gen auf die Struk­tur und Funk­tion von Ökosys­te­men zu ver­ste­hen und vorherzusagen“, erläutert Stel­la Berger.
Das inter­na­tionale Forschung­steam kom­binierte den wis­senschaftlichen Ken­nt­nis­stand mit drei Fall­stu­di­en und entwick­el­ten das Konzept des See-Eis-Kon­tin­u­ums: Dieses bildet den Rah­men für das Ver­ständ­nis, wie sich die Bedin­gun­gen ent­lang eines Kon­tin­u­ums von Energieflüssen, die durch das Win­terk­li­ma ver­mit­telt wer­den und den Bedin­gun­gen, die durch Eis und Schnee ver­mit­telt wer­den, in einem See verän­dern. Wie sich der See unter der Eis­decke ver­hält, hängt auch beispiel­sweise davon ab, ob das Eis klar oder schneebe­deckt ist. Ohne win­ter­liche Eis­be­deck­ung gelan­gen mehr Energie in Form von Wärme und Wind und auch mehr Stoffe aus der Atmo­sphäre und der umgeben­den Land­schaft in den See. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift JGR Bio­geo­science veröffentlicht.

Veränderungen der Biologie: Der Winter macht den Sommer – und umgekehrt

„Die Zufuhr, Akku­mu­la­tion und Umset­zung von Nährstof­fen und Kohlen­stoff im Win­ter wird die Voraus­set­zun­gen für die Primär­pro­duzen­ten im Früh­jahr schaf­fen. Der Win­ter entschei­det also über die Nahrung für Organ­is­men, die aus anor­gan­is­chen Stof­fen über Foto­syn­these oder Chemosyn­these organ­is­che Sub­stanzen pro­duzieren. Sie sind die Basis des Nahrungsnet­zes in Gewässern.“
— Stel­la Berger

So waren beispiel­sweise hohe Chloro­phyll-a-Konzen­tra­tio­nen im Win­ter mit niedri­gen Chloro­phyll-a-Konzen­tra­tio­nen im darauf­fol­gen­den Som­mer gekop­pelt, was möglicher­weise auf die Ver­ringerung des Nährstoff­pools infolge der höheren Win­ter­pro­duk­tiv­ität zurück­zuführen ist. „Wenn also auf­grund von geringer Eis­be­deck­ung die Stof­fwech­sel­sak­tiv­itäten im See im Win­ter so richtig angekurbelt wer­den, kann das die Nahrungs­menge für Lebe­we­sen im Som­mer ver­ringern“, ergänzt Stel­la Berger.
Stel­la Berg­er erwäh­nt ein weit­eres Beispiel für die ökol­o­gis­chen Auswirkun­gen ein­er fehlen­den Eis­be­deck­ung: „In einem See ohne Eis erwärmt sich das Wass­er im Früh­jahr schneller was die Entwick­lung von wärmelieben­den Blaual­gen zur Folge haben kann. Dadurch kann sich die Wasserqual­ität verschlechtern.“

Veränderung der Artenzusammensetzung

Auf allen Ebe­nen des Nahrungsnet­zes wird es „Gewin­ner” und „Ver­lier­er” geben, da die jährlichen Muster der Bio­di­ver­sität zum Teil durch spezial­isierte Nis­chen aufrechter­hal­ten wer­den, die durch die Kon­traste zwis­chen Win­ter und Som­mer entste­hen. Der Ver­lust von Win­ter­habi­tat­en wird die Vielfalt und Abun­danz von käl­telieben­den Organ­is­men ver­ringern. Dieses Phänomen ist bere­its bei Fis­chen zu beobacht­en, sodass zu erwarten ist, dass größere Verän­derun­gen der Win­ter­dauer die Zusam­menset­zung der Lebens­ge­mein­schaften während des gesamten Jahres verän­dern wer­den, was zu ökol­o­gis­chen Kaskaden­ef­fek­ten führen wird.