9.3 Wärmehaushalt von Seen

9.3.1 Wärmehaushaltsgleichung

Der Wärmehaushalt von Seen (bzw. allg. Gewässern) wird bestimmt durch Wärmeaufnahme aus der Atmosphäre, Wärmeabgabe an die Atmosphäre und Wärmeverteilung im See.

Wärmeaufnahme erfolgt durch Absorption von Strahlungsenergie in den obersten Schichten. Wasser absorbiert bis zu 80% der einfallenden Strahlung. Die Sichttiefe bei sauberen Seen beträgt bis zu 20m (Schnee: bei 0,5m absorbiert, Boden bei wenigen cm).

Wärmeverlust entsteht durch Ausstrahlung, Verdunstung, Abfließen warmen Wassers und Wärmeableitung an die Umgebung.

Die spezifische Wärme des Wassers ist viermal so groß wie von Gestein. Wasser erwärmt sich also langsamer und kühlt langsamer ab. Die Wärmeleitfähigkeit von Wasser ist sehr gering. Daher geschieht die Wärmeverteilung in tiefere Wasserschichten vorwiegend auf mechanischem Wege: durch v.a. windbedingte Wasserbewegung.

Ermittlung der Verdunstung eines Sees über die Wärmehaushaltsmethode (Schmidt 1915):

Verdunstung eines Sees
E = Q N + Q F + Q Δ W ρ · r W · 1 + R
E Evaporation
QN Nettowärmestrom
QF fühlbarer Wärmestrom
Q∆W Wärmespeicherung im See
ρ Dichte des Wassers
rW spezifische Verdunstungswärme
R Bowenquotient
Wärmeinhalt eines Sees
W = 0 z max T z · c p z · ρ z · A z z
W Wärmeinhalt
T(z) mittlere Temperatur in der Tiefe z
cp(z) spezifische Wärmekapazität des Wassers in der Tiefe z
ρ(z) Dichte des Wassers in der Tiefe z
A(z) Isobathenfläche in der Tiefe z
Wärmehaushaltsgleichung für Seen
W . = + I . + D . G . - R S - R D - d I + D . R . + LG . - LA . EA . Strahlungskomponenten - L . - B . + PChB . + BE . - E . + P . + W Z . - W A . adjektive Komponenten

9.3.2 Schichtungsphänomene

Der vertikale Wärmetransport wird durch dichteabhängige Schichtungen im Wasserkörper eingeschränkt. Dichteunterschiede aufgrund des Salzgehaltes sind bei Süßwasserseen weniger bedeutend, Druckverhältnisse nur bei sehr tiefen Seen. Den größten Einfluss auf die Bildung von Schichtung im See hat die von der Temperatur abhängige Dichteanomalie des Wassers: Die maximale Dichte von Wasser wird bei +4 °C erreicht (0,999973 g/cm³), beim Gefrierpunkt von 0 °C liegt sie bei 0,999841 bis 0,9168 (Eis), bei 8 °C bei 0,999849. Die Dichteanomalie hat für wasserlebende Organismen existentielle Bedeutung: Da Tiefenwässer nur bis zu rund 4 °C abkühlen und Gewässer von oben zufrieren, bleibt ein gesicherter Überwinterungsraum.

Abb. 9.5: Dichteveränderungen des Wassers bei zunehmender Temperatur (aus Bick 1998)

9.3.3 Zirkulationstypen

Die temperaturbedingten Schichtungen des Wassers können sich im Tages- oder Jahresgang mit ungeschichteten Phasen abwechseln. Die Durchmischung wird i.d.R. von klimatischen Randbedingungen gesteuert.

Bei vielen temperierten Seen im gemäßigten Klimabereich kommt es zu zwei Vollzirkulationen (vollständige Durchmischung). Solche Seen werden auch dimiktisch genannt.

Im Frühjahr kann eine windbedingte Vollzirkulation erfolgen, meist jedoch eine Teilzirkulation in den oberen 1-2 m.

Im Sommer bildet sich wegen großer Dichteunterschiede eine stabile Schichtung aus (sommerliche Stagnation: kein turbulenter Austausch). Nur noch der weniger dichte obere Wasserkörper (Epilimnion) wird umgewälzt. Darunter liegt eine Sperrschicht oder Sprungschicht (Metalimnion: pro m Tiefe mindestens Temperatursprung von 1K). Das kalte Tiefenwasser großer Dichte wird Hypolimnion genannt.

Eine Vollzirkulation findet im Herbst statt, wenn das Oberflächenwasser abkühlt und absinkt. Das Metalimnion wird aufgelöst.

Gegen Winter bildet sich eine invers stabile Schichtung aus: oben geringere Dichte bei 0 °C, unten größere Dichte bei 4 °C.

Frühjahr
Sommer
Herbst
Winter

Abb. 9.6: Schematischer Ablauf des Wechsels von Vollzirkulationsperioden (Frühjahr, Herbst) und Teilzirkulations- bzw. Stagnationsphasen (Sommer, Winter) im dimiktischen Seetyp (nach Bick 1998, verändert).

Tabelle 9.2: Zirkulationstypen (Mixistypen) von Seen und deren geographische Verteilung (nach Bick 1998, verändert):
Mixistyp Untertyp Zahl der Zirkulationen pro Jahr Temperatur bei Zirkulation Vorkommen
dimiktisch kalt-d. 2 (Frühjahr und Herbst) 4 °C (Minimaltemperatur) Gemäßigte Breiten
warm-d. 2 (Regenzeit und Hamattan = staubreicher Nordostpassat) um 27 °C Stauseen, Westafrika (Elfenbeinküste)
monomiktisch kalt-m. 1 (Sommer) 4 °C (Maximaltemperatur) subpolare, polare Zonen (nur im Sommer eisfrei)
warm-m. 1 (Winter, oberflächennah) bei Minimaltemperatur von 4 °C oder mehr Subtropen, Norditalien, Bodensee (Obersee)
oligomiktisch   unregelmäßig und selten über 20 °C Tropen mit im Tagesgang gleichmäßig hohen Temperaturen
polymiktisch warm-p. häufig wesentlich über 4 °C Tropen mit starker nächtlicher Abkühlung, die zu einheitlicher Temperatur führt
gemäßigt-p. häufig im Sommer wesentlich über 4 °C Flachgewässer der gemäßigten Breiten mit nächtlicher Abkühlung auf einheitliche Temperatur
kalt-p. nahezu ständig oberflächennahe Zirkulationen über 4 °C tropisches Hochgebirge, z.B. Titicacasee in Südamerika
meromiktisch   keine   chemisch stabil, z.B. durch Versalzung