Umkippen

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Dieser Artikel befasst sich mit der Veränderung des Ökosystems von Seen oder Teichen infolge Sauerstoffmangel. Für Umkippen im Sinne von Umfallen eines Bauwerks oder Gegenstands siehe Umkippen (Baumechanik).

Das Umkippen eines Sees bedeutet, dass das Phosphat als begrenzender Nährstoff wegen des Sauerstoffmangels am Boden nicht mehr als Eisenphosphat sedimentiert werden kann und in voller Menge düngewirksam in Lösung bleibt. (=Versagen der sog. Phosphatfalle)

Dadurch entsteht im Epilimnion eine so hohe Primärproduktion, dass durch den Abbau der Biomasse über dem Seeboden (im Hypolimnion) der im Wasser gelöste Sauerstoff fast gänzlich aufgezehrt wird und dadurch eine Festlegung des Phosphats unmöglich wird. Die Wirkung wird zur eigenen Ursache (positive Rückkopplung). Die Etablierung dieser Rückkopplung wird in der Limnologie als Umkippen bezeichnet.

Vom Umkippen spricht man nur bei stehenden Gewässern, also Seen oder kleineren Binnenmeeren sowie Teilen davon, beispielsweise der Ostsee oder der Danziger Bucht. In den flachen Teichen kommt es nicht zur räumlichen Trennung von Auf-und Abbau und damit nicht zu der Rückkoppelung im Sinn der Definition. In Fließgewässern wird durch die Bewegung des Wasserkörpers ständig Sauerstoff eingetragen.

Inhaltsverzeichnis

1 Hintergrund
2 Umkippen: Das Versagen der Phosphatfalle
3 Siehe auch
4 Weblinks

[Bearbeiten] Hintergrund

[Bearbeiten] Temperaturschichtung

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 ([[Epilimnion und oft auch oberes 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

Fe³⁺ ---> Fe²⁺

Beim Abbau von Biomasse wird aus dieser der Phosphor als Phosphat freigesetzt. Zusammen mit dem im Wasser gelösten dreiwertigen Eisen bildet sich das sehr schwerlösliche Eisenphosphat, das im Bodensediment des Sees abgelegt wird. 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 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 aus eigener Kraft verlassen.

Den Eintritt des Sees in diese Rückkopplung wird in der Limnologie mit dem Begriff Umkippen oder einfach Kippen beschrieben.