Grundlagen der Seewissenschaft

Nachfolgend finden Sie einen Überblick über einige elementare Informationen im Zusammenhang mit der Limnologie und dem Seenmanagement, die wichtig sind, um Seen und das Gesamtbild des Seenmanagements zu verstehen. Für detailliertere Informationen besuchen Sie bitte den NALMS Bookstore, der zahlreiche Publikationen zu allgemeinen limnologischen und seenbezogenen Themen bereithält.

Grundlagentypen

Ereignisse, die vor Tausenden von Jahren auf oder unter der Erdoberfläche stattfanden, haben viele unserer Seen gebildet. Infolgedessen konzentrieren sich die Seen in der Regel in Gebieten mit einer großen Anzahl von Gewässern. Die meisten Seen befinden sich in der nördlichen Hemisphäre, wo große Gebiete von riesigen Eisformationen bedeckt waren. Gemessen an der Lebensspanne des Menschen scheinen Seen ein fester Bestandteil unserer Landschaft zu sein, aber in Wirklichkeit sind sie geologisch gesehen nur vorübergehend. Sie entstehen, reifen heran (füllen sich auf) und verschwinden schließlich wieder.

Die Entstehung der Seebecken und ihre Eigenschaften spiegeln letztlich die physikalischen, chemischen und biologischen Ereignisse wider, die sich in der Umgebung abspielen. Diese Ereignisse spielen eine wichtige Rolle dabei, wie der See auf die Aktivitäten in seiner Umgebung reagiert.

Gletscherseen: Die bei weitem wichtigste Ursache für die Entstehung von Seen sind die katastrophalen Auswirkungen von Gletschereisbewegungen, die vor 10.000 bis 12.000 Jahren stattfanden. Gigantische Eis- und Schneedecken entstehen in Klimazonen, in denen Schnee fällt, aber nicht schmilzt. Die Gletscher bedeckten ein Gebiet vom Atlantischen Ozean bis zu den Rocky Mountains mit Eis, das mehr als eine Meile hoch war. Obwohl diese Gletscher schließlich schmolzen, sind heute noch zehn Prozent der Erde mit Gletschern bedeckt. Einige dieser Gletscher sind in den Gebirgsregionen der Vereinigten Staaten und Kanadas noch immer zu sehen.

Wenn sich ein Gletscher über das Land hin und her bewegt und dabei die Spitzen von Hügeln und Klippen abkratzt und Felsen mitnimmt, bilden sich Seen. Das vom Gletscher aufgenommene Material wird später an anderen Stellen wieder abgeladen. Diese Hin- und Herbewegung der Gletscher verändert die Landschaft dauerhaft. Durch diese Bewegung entstehen mehrere wichtige Landformen. Wenn der Gletscher zum Stillstand kommt, hinterlässt er Haufen von Steinen und Materialien, die er im Laufe der Zeit transportiert hat, so genannte Moränen. Diese stauen Flüsse und kleinere Bäche auf und bilden Seen. Manchmal brechen riesige Eisblöcke ab und werden von Sand und Kies bedeckt. Wenn das Eis schmilzt, brechen Sand und Kies ein und hinterlassen ein großes Loch. Aus diesen Kesseln können sich große Sümpfe oder Seen bilden. Wenn die große Eismasse schmilzt, bilden sich unter den Gletschern Flüsse.

Solution Lakes: Seen können sich bilden, wenn unterirdische Ablagerungen von löslichem Gestein durch Wasser, das durch das Gebiet fließt, aufgelöst werden und eine Vertiefung im Boden entsteht. Gesteinsschichten aus Natriumchlorid (Salz) oder Kalziumkarbonat (Kalkstein) werden am ehesten durch saures Wasser aufgelöst. Sobald das Grundwasser das Gestein unter der Oberfläche aufgelöst hat, sinkt der obere Teil des Bodens ein und bildet in der Regel einen kreisförmigen See, den so genannten Lösungssee. In der Regel sind die Vertiefungen tief genug, um bis unter den Grundwasserspiegel zu reichen, und sind ständig mit Wasser gefüllt. Lösungsseen sind in Michigan, Indiana, Kentucky und vor allem in Florida verbreitet.

Oxbow Lakes: Der Wasserfluss von Flüssen hat eine große Energie und Erosionskraft, die Seebecken entstehen lassen kann. Wenn sich ein Fluss über die Erdoberfläche schlängelt, findet eine größere Erosion an der äußeren Flussbiegung statt, wo das Wasser am schnellsten fließt. Das vom Fluss mitgeführte Material wird im inneren Teil der Biegung abgelagert, wo die Strömung geringer ist. Im Laufe der Zeit setzt sich die Erosion fort, und es wird immer mehr Material abgelagert, bis sich der U-förmige Mäander des Flusses schließt. Der Hauptstrom des Flusses schneidet eine neue Rinne bis zum inneren Ende des Mäanders. Altarmseen haben in der Regel die Form des Buchstabens C.

Von Menschen oder Tieren geschaffene Seen: Viele kleine Seen in Nordamerika sind durch die Aktivitäten des amerikanischen Bibers entstanden. Mit Stöcken, Wasserpflanzen und Schlamm werden Dämme über kleine Bäche gebaut, um das Wasser aufzustauen. Diese Teiche sind in der Regel sehr seicht und reich an Nährstoffen und Pflanzen. Der Mensch hat künstliche Seen (Stauseen) angelegt, um die Bevölkerung mit Trinkwasser zu versorgen, Strom zu erzeugen, die Schifffahrt zu unterstützen, Überschwemmungen einzudämmen und für Erholungszwecke. Diese Stauseen sind in der Regel von den Menschen so angelegt, dass sie mit Hilfe von Dämmen eine bestimmte Wassermenge zurückhalten.

Vulkanische Seen: Manchmal bilden sich durch katastrophale Ereignisse im Zusammenhang mit vulkanischer Aktivität Seebecken. Die Bildung von Vulkanseen kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Wenn vulkanisches Material, einschließlich Magma, aus dem Vulkan austritt, bilden sich leere Vertiefungen oder Hohlräume innerhalb des Vulkans. Einige dieser Vertiefungen können nicht abfließen und werden zu versiegelten Löchern auf der Spitze des Vulkans. Regenfälle und Abflüsse füllen die Vertiefungen schließlich mit Wasser, und es entsteht ein neuer See.

Seen, die sich in den Kratern von Vulkanen bilden, oder Kraterseen, sind in Gebieten mit vulkanischer Aktivität häufiger anzutreffen. Seen, die durch den Einsturz des Daches einer teilweise leeren Magmakammer entstanden sind, werden als Calderen bezeichnet. Einer der spektakulärsten Seen, die auf diese Weise entstanden sind, ist der Crater Lake in Oregon. Der Crater Lake ist mit einer maximalen Tiefe von 608 m (2006 ft) der siebttiefste See der Welt. Vulkanische Becken, wie der Crater Lake, haben in der Regel eine sehr runde Form. Auch Lavaströme aus vulkanischer Aktivität können Seen bilden. Die oberflächliche Lava kühlt ab und wird fest, während das Innere des Lavastroms heiß genug bleibt, um sich weiter zu bewegen. Schließlich bricht die Oberfläche der verhärteten Lava zusammen und bildet eine Vertiefung. Diese Vertiefungen füllen sich schließlich mit Wasser und bilden kleinere Seen. Lavaströme fließen auch in bestehende Flusstäler und verfestigen sich zu einem Damm. Diese feste Gesteinsmasse staut das Flusswasser zu einem neuen See zurück.

Landrutschseen: Große Mengen an Material, die von den Flanken steiler Täler in die Böden von Bachtälern fallen, können Dämme verursachen, die neue Seen entstehen lassen. Solche Erdrutsche sind in der Regel die Folge außergewöhnlicher meteorologischer Ereignisse, z. B. übermäßiger Regenfälle, die auf einen instabilen Hang einwirken. Erdrutschdämme können das Ergebnis von Steinschlägen, Muren oder sogar Eisstürzen sein. Durch Erdrutsche entstandene Seen sind in der Regel nur vorübergehend, da sie durch die Strömung des Flusses oder Baches erodiert werden können. Wenn der Damm sehr groß ist, kann der See dauerhaft werden.

Tektonische Seen: Tektonische Becken sind Vertiefungen, die durch die Bewegungen der Erdkruste tief im Untergrund entstanden sind. Die wichtigsten Arten von tektonischen Becken entstehen durch Verwerfungen. Eine Vertiefung entsteht, wenn sich ein schwacher Teil der Erdkruste ablöst, was zu einem Erdbeben führt. In dieser Vertiefung können sich Niederschläge und Grundwasser sammeln und einen See bilden. Diese Art von Becken wird als Graben bezeichnet und ist der Ursprung zahlreicher spektakulärer Reliktseen in der Welt, die eine große Anzahl einheimischer Pflanzen- und Tierarten enthalten. Der tiefste See der Welt, der Baikalsee in Sibirien, ist durch tektonische Aktivitäten entstanden. In den Vereinigten Staaten entstand der Tahoe-See in Kalifornien und Nevada durch tektonische Aktivitäten.

Die Entstehung eines Sees und die Struktur und Form, oder Morphologie, des Seebeckens wirken sich darauf aus, wie der See während seiner Lebensphasen funktioniert. Merkmale wie die Länge, Breite, Tiefe, Fläche und das Volumen des Sees sind wichtig für die Wasserqualität des Sees, die durch Veränderungen des Bodens beeinflusst werden kann. Wenn der Mensch das Land rund um den See bebaut, stört er den Boden, tauscht Bäume gegen Einfahrten oder Dächer aus und ersetzt die natürliche Vegetation. Diese Veränderungen führen zu einem verstärkten Oberflächenabfluss und einem Anstieg der Nährstoffeinträge in den See. Die Struktur des Sees bestimmt, wie der See auf diese kulturellen Veränderungen in den umliegenden Gebieten reagieren wird. Die Kenntnis der Seemorphologie und der Entstehungsgeschichte eines Sees ist ein wichtiges Hilfsmittel für Wissenschaftler, um unsere Seen vor Schadstoffen zu schützen, die ihre Gesundheit beeinträchtigen können.

Durchmischung und Schichtung

Die thermische Struktur von Seen bestimmt die Produktivität und den Nährstoffkreislauf mit. Die thermische Struktur von Seen wird durch mehrere Faktoren bestimmt. Die Seen erhalten den größten Teil ihrer Wärme an der Oberfläche durch die Sonneneinstrahlung. Da wärmeres Wasser schwimmt, muss der Wassersäule Energie zugeführt werden, um diese Wärme in die Tiefe zu mischen, und in den meisten Seen liefert der Wind diese Energie.

Ein See, der vollständig vor Wind geschützt ist, hat eine sehr warme, aber flache Schicht an der Oberfläche und kaltes Wasser darunter. Ein See, der starken Winden ausgesetzt ist, hat eine kühlere, aber dickere obere Schicht, die über dem kälteren Wasser liegt. Tiefere Seen können eine dreischichtige Struktur bilden, die den ganzen Sommer über aus einer oberen warmen Schicht (dem Epilimnion), einer mittleren Übergangsschicht (dem Metalimnion, in dem der Punkt der größten vertikalen Temperaturveränderung als Thermokline bezeichnet wird) und einer kälteren Bodenschicht (dem Hypolimnion) besteht.

Die thermische Struktur eines Sees ist nicht das ganze Jahr über konstant. Ab der Vereisung im zeitigen Frühjahr (vorausgesetzt, Ihr See vereist) hat das gesamte Wasser des Sees von oben bis unten fast die gleiche Temperatur; der Dichteunterschied ist gering und das Wasser wird durch die Frühjahrswinde leicht vermischt. An wärmeren Tagen nimmt der Unterschied zwischen der Wassertemperatur an der Oberfläche und am Grund zu, bis es zu einer Schichtung kommt, wenn der See tief genug ist. Schließlich nimmt die solare Erwärmung mit Beginn der kühleren Jahreszeit ab, und die obere Schicht beginnt abzukühlen und abzusinken. Im Herbst hat der See schließlich eine ähnliche Temperatur von oben bis unten. Im Winter bildet sich an der Oberfläche Eis und es entsteht eine neue, umgekehrte Schichtung (kaltes über kühles Wasser), die bis zum Frühjahr anhält. Der Grad der Schichtung ist wichtig für den Nährstoffkreislauf, die Schwankungen des Sauerstoffgehalts in tieferen Gewässern, die Bewegung des einströmenden Wassers durch den See und die Arten von Wasserorganismen, die im See leben.

Spülung

Die durchschnittliche Zeit, die erforderlich ist, um das Wasservolumen eines Sees vollständig zu erneuern (Seevolumen geteilt durch Abflussrate), wird als hydraulische Verweilzeit oder Spülungsrate bezeichnet. Die hydraulische Verweilzeit ist eine Funktion der Wassermenge, die in den See eintritt oder ihn verlässt, im Verhältnis zum Volumen des Sees (d.h. dem Wasserhaushalt). Je größer das Seevolumen und je kleiner die hydraulischen Zu- oder Abflüsse sind, desto länger ist die Verweilzeit.

Die Verweilzeit im See kann von einigen Stunden oder Tagen bis zu vielen Jahren variieren. Der Lake Superior zum Beispiel hat eine Verweilzeit von 184 Jahren. Die meisten Seen haben jedoch Verweilzeiten von Tagen bis Monaten.

Die Durchspülungsrate eines Sees bestimmt, wie er auf viele Einträge aus der Atmosphäre und seinem Einzugsgebiet reagiert.

Trophische Klassifizierung

Die trophische Klassifizierung eines Sees oder die Einstufung des Alterungsgrades eines Sees erfolgt häufig anhand eines festgelegten Bewertungssystems, bei dem bestimmten Seemerkmalen (Sauerstoffgehalt, Algenbiomasse, Pflanzenmaterial, Klarheit usw.) Punkte zugewiesen werden. Anhand dieses Punktesystems kann ein Limnologe jeder Kategorie des Systems einen bestimmten Wert zuweisen. Verschiedene Limnologen verwenden unterschiedliche Klassifizierungssysteme, aber die Kategorien (oligotroph, mesotroph und eutroph) sind dieselben.

Wenn ein See einen sehr hohen Gehalt an gelöstem Sauerstoff, einen hohen Transparenzwert, spärlichen Gefäßpflanzenwuchs und relativ geringen Planktonwuchs aufweist, würde der See als oligotroph oder als „junger“ See eingestuft werden.

Seen mit einem niedrigeren Gehalt an gelöstem Sauerstoff, einem geringen Transparenzwert, reichlich Wasserpflanzen und einem hohen Chlorophyll-a-Gehalt (was auf eine hohe Planktonpopulation hinweist) erhalten mehr Punkte und werden als „alt“ oder eutroph bezeichnet.

Ein See, der zwischen den beiden Extremen eutroph und oligotroph liegt, wird als mesotroph bezeichnet. Dieses Stadium der Seeentwicklung kann am besten als „mittleres Alter“ bezeichnet werden.

Nährstoffe

Seen können unter vielen Auswirkungen menschlicher kultureller Entwicklung leiden, aber es sind die Nährstoffe, die in den See gelangen, die einige der kritischen Probleme bei der Wasserqualität von Seen verursachen.

Alle Pflanzen benötigen ein angemessenes Gleichgewicht der wichtigsten Hauptnährstoffe, insbesondere Phosphor, Stickstoff und Kohlenstoff. Außerdem brauchen sie Licht. Unter der Voraussetzung, dass Licht leicht verfügbar ist, nehmen Pflanzen die Nährstoffe in dem Verhältnis auf, das ihre Zellen benötigen. Der Nährstoff, der im Verhältnis zum Bedarf der Pflanze am wenigsten vorhanden ist, begrenzt das Wachstum der Pflanzen. Dies wird als Konzept des begrenzenden Nährstoffs bezeichnet. In einigen Teilen des Landes gibt es Gewässer, die durch Stickstoff begrenzt sind, während die meisten Gewässer durch Phosphor begrenzt sind. Spurenelemente können manchmal limitierend sein, allerdings in geringerem Maße.

Die Entwicklung eines Nährstoffhaushalts (Belastungsanalyse) gibt Aufschluss über die Ursachen der Eutrophierung von Seen. Nährstoffbudgets beruhen auf der Bestimmung der Nährstoffmengen, die aus Quellen wie natürlichem Oberflächenabfluss, Verschmutzung aus diffusen Quellen, undichten Kläranlagen, atmosphärischen Ablagerungen, Grundwasser und Wildtieren stammen. Die Nährstoffbudgets bestimmen auch die Menge der Nährstoffe, die dem Seesystem durch Abfluss und Ablagerung in den Sedimenten verloren gehen. Die Quantifizierung der Nährstoffbelastung erfordert eine Bewertung des Wasserhaushalts und die Bestimmung der Nährstoffkonzentration in jeder Wasserquelle. Die von einem Zufluss gelieferte Nährstoffmenge ergibt sich aus der Konzentration mal dem Wasservolumen pro Zeiteinheit (dem Durchfluss). Dies wird als „Belastung“ für den Nährstoff und die zu quantifizierende Quelle bezeichnet.

Nährstoffbudgets werden in der Regel auf zwei Arten bestimmt: durch direkte Messung oder durch Schätzung anhand verschiedener empirischer Beziehungen, die in früheren Studien ermittelt wurden.

Biologie

Bakterien: Obwohl sie von den meisten Menschen nie gesehen werden, spielen Bakterien eine zentrale Rolle im Leben der Seen. Sie sind die am häufigsten vorkommende Gruppe von Organismen in einem See und die meisten von ihnen sind entscheidend für die Umwandlung von organischem Material in anorganische Form.

Bakterien können frei in der Wassersäule schwimmen, an ein Substrat gebunden sein oder in den Sedimenten leben. Viele sind aerob und benötigen Sauerstoff für die Umwandlung von organischem Material in anorganische Formen und für die Energiegewinnung. Viele andere sind anaerob und nutzen andere chemische Wege zur Energiegewinnung.

Einige Bakterien verursachen Probleme für die menschliche Gesundheit oder haben sich als nützliche Indikatoren für das wahrscheinliche Vorhandensein von Bedrohungen für die menschliche Gesundheit erwiesen. Escherichia coli (E. coli) ist normalerweise ein harmloses Bakterium, das in unserem Darm vorkommt, aber seine Häufigkeit in einem See deutet auf Abwasser, septische Einträge oder andere fäkale Verunreinigungen und das Potenzial für die Übertragung menschlicher bakterieller und viraler Krankheiten hin.

Algen: Algen sind meist mikroskopisch kleine Pflanzen, die entweder frei schwimmen (Phytoplankton) oder an einem Substrat haften (Periphyton). Sie können einzellig sein oder viele Zellen haben. In einem mäßig reichen See können in einem Esslöffel Seewasser fast hundert Algenarten vorkommen. In einem eutrophen See können Millionen von Zellen in einer Gallone Wasser vorhanden sein. Algen werden in mehrere Hauptgruppen unterteilt, darunter Grünalgen (Chlorophyta), goldbraune Algen (Chrysophyta), Dinoflagellaten (Pyrrophyta), Kieselalgen (Bacillariophyta) und Blaualgen (Cyanophyta).

Jede der oben genannten Gruppen hat Arten mit Merkmalen, die es ihnen ermöglichen, sehr zahlreich und störend zu werden. Manchmal hilft es, die Ursache der Blüte zu verstehen, wenn man weiß, welche Art gerade „blüht“. Bestimmte Blaualgen zum Beispiel blühen oft, wenn der Phosphorgehalt hoch und der Nitratgehalt niedrig ist, weil sie Stickstoff aus der Luft binden können. Sie bevorzugen oft eine Periode mit ruhigem Wasser, weil sie schwimmen und somit konkurrierende Arten verdrängen. Das Zusammentreffen dieser Bedingungen führt in der Regel zu Blaualgen, aber das Fehlen eines Elements kann das Gleichgewicht zugunsten einer anderen Art oder einer anderen Algengruppe verschieben. Die Kieselalgen bevorzugen Zeiten mit hoher Durchmischung, kühleren Temperaturen und höherer Verfügbarkeit von Kieselsäure – Bedingungen, die im Frühjahr und Herbst herrschen. Viele Dinoflagellaten scheinen Bedingungen mit überdurchschnittlich viel organischem Material zu bevorzugen.

Die Dynamik des Wärme-, Licht- und Nährstoffregimes in Seen führt zu einem ziemlich vorhersehbaren Muster in der jahreszeitlichen Abfolge der Algenarten, aber es kann jederzeit zu Überraschungen kommen. In der Regel begünstigen die Frühjahrs- und Herbstumsätze jedoch die Kieselalgen, die sehr zahlreich werden können, aber in der Regel keine schwerwiegenden Auswirkungen auf die menschliche Nutzung haben, obwohl einige Arten in Trinkwasserreservoirs Geschmacks- und Geruchsprobleme verursachen und Filter verstopfen können. Nach der thermischen Schichtung dominieren Grünalgen oft für den größten Teil des Sommers, wenn Stickstoff verfügbar ist, aber sie können bei höheren Temperaturen, niedrigeren Stickstoffkonzentrationen und hohem pH-Wert durch Blaualgen ersetzt werden.

Aquatische Makrophyten: Im Gegensatz zu Algen, die in der Regel mikroskopisch kleine Pflanzen sind, handelt es sich hierbei um große Wasserpflanzen, die mit dem bloßen Auge leicht zu erkennen sind. Algen und Makrophyten konkurrieren oft um Licht, daher ist es ungewöhnlich, dass beide in einem bestimmten See ein Problem darstellen, obwohl dies durchaus vorkommt. Makrophyten können wurzelnd oder frei schwimmend sein, wobei die meisten wurzelnd sind. Sie können auch untergetaucht, aufgetaucht oder mit Schwimmblättern versehen sein. Es gibt viele taxonomische Gruppen, aber die oben genannten Kategorien sind oft am nützlichsten, um die Ursachen eines Makrophytenproblems zu verstehen und eine geeignete Bewirtschaftungsstrategie festzulegen. Innerhalb jeder Kategorie können viele Arten sehr ähnlich aussehen, da ihre Wuchsform auf die allgemeinen Seebedingungen reagiert. Doch auch wenn viele Makrophytenarten ähnlich aussehen, ist ihre Neigung, in Seen Probleme zu verursachen, unterschiedlich. Eine wirksame Bewirtschaftung von Makrophyten erfordert in der Regel eine Identifizierung auf Artniveau.

Pflanzen bieten Lebensraum und Nahrung für viele Formen tierischen Lebens, von mikroskopisch kleinen Rädertierchen, die winzige Algen filtern, über Zooplankton, das größere Algen jagt, bis hin zu Insekten, Fischen und Wassersäugetieren, die noch größere Pflanzen oder Tiere fressen. Eine Veränderung in irgendeinem Teil dieses Nahrungsnetzes wirkt sich auf subtile oder sogar dramatische Weise auf das gesamte System aus.

Das Wassereinzugsgebiet

Ein Wassereinzugsgebiet kann am besten als Trichter beschrieben werden. Der obere Rand des Trichters sind die geographischen Merkmale (Hügel, Berge), die die Grenze eines Einzugsgebietes markieren. Das Innere des Trichters oder die Trichterwände stellen das gesamte Land dar, das sich innerhalb der Begrenzung der Hügel oder Berge befindet und in den See entwässert. Der See befindet sich am unteren Ende des Trichters und nimmt das gesamte Wasser auf, das von den Hügeln über das Land in die Flüsse fließt.

Im Wassereinzugsgebiet befinden sich Ihr Haus, Ihr Auto, Ihr Arbeitsplatz, Ihr Golfplatz, Ihr Einkaufszentrum und alle dazugehörigen gepflasterten Flächen, Ihre Kläranlage, Ihre Autowaschanlage, Ihre Ballspielplätze, Ihre Sandgruben und verschiedene andere Flächennutzungsarten. Egal, wie weit Sie von einem Oberflächengewässer entfernt sind, ob Sie den See oder Fluss sehen können oder nicht, Sie befinden sich in einem Wassereinzugsgebiet.