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20.01.2021

Hitzewellen in Seen werden intensiver und länger

Anlass

Hitzewellen in Seen könnten bei fortschreitendem Klimawandel enorm an Intensität und Dauer zunehmen – mit großen Folgen für die Ökosysteme in den Gewässern und um diese herum. Bei weiterhin hohen Treibhausgasemissionen könnte die durchschnittliche Dauer der Hitzewellen in Seen um drei Monate zunehmen, einige der Gewässer könnten sogar in einen permanenten Hitzezustand geraten. Zu diesem Ergebnis kommt eine aktuelle Modellierungsstudie, die am 20.01.2021 im Fachjournal „Nature“ veröffentlicht wurde (siehe Primärquelle).

Der fortschreitende Klimawandel ist verbunden mit steigenden durchschnittlichen Luft- und Wassertemperaturen. Sowohl Hitzerekorde und Dürreextreme an Land als auch Hitzewellen in den Ozeanen und deren Folgen sind Gegenstand zahlreicher wissenschaftlicher Untersuchungen. Vergleichsweise wenig ist dagegen über Hitzewellen in Seen bekannt und wie diese durch die globale Erwärmung beeinflusst werden. Dabei reagieren die Ökosysteme in Seen ausgesprochen sensibel auf veränderte Wassertemperaturen. Zum einen, weil die dort lebenden Arten nicht räumlich ausweichen können, um günstigere Lebensräume zu finden, wenn sie etwa durch zu hohe Wassertemperaturen, invasive Arten oder Sauerstoffmangel in ihrem angestammten Habitat unter Druck geraten. Zum anderen spielen Seen aber auch eine wichtige Rolle als Wasserquelle für umliegende Ökosysteme und als Nahrungsquelle für den Menschen. Diese Rollen könnten sie bei fortschreitendem Klimawandel möglicherweise nicht mehr im notwendigen Maß übernehmen. Wir haben daher die aktuelle Studie zum Anlass genommen, um Expertinnen und Experten zu einigen dieser Facetten zu befragen.

Für ihre Arbeit modellierte das Team um R. Iestyn Woolway vom ESA Climate Office die Auswirkungen von Hitzewellen auf weltweit 702 Seen. Es kommt zu dem Ergebnis, dass bei weiterhin hohen CO2-Emisionen die durchschnittliche Intensität von Hitzewellen in Seen wahrscheinlich von 3,7 Grad Celsius auf 5,4 Grad Celsius ansteigen wird, während die durchschnittliche Dauer von etwa einer Woche auf mehr als drei Monate zunehmen wird. Selbst unter einem Szenario mit ambitionierten Emissionseinsparungen würde die durchschnittliche Intensität noch immer noch auf etwa 4 Grad Celsius steigen und einen Monat länger dauern als heute. In die Projektionen wurden Seen mit einer Tiefe bis zu 60 Metern einbezogen. Dabei stellte sich heraus, dass Hitzewellen in tieferen Seen länger andauern, aber weniger intensiv sein werden.

Übersicht

     

  • Dr. Diana Rechid, Leiterin der Abteilung Regionaler und lokaler Klimawandel, Climate Service Center Germany (GERICS) – Helmholtz-Zentrum Geesthacht
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  • Prof. Dr. Rita Adrian, Leiterin der Abteilung Ökosystemforschung, Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB), Berlin
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  • Prof. Dr. Lutz Becks, Professor für Limnologie und Leiter der Arbeitsgruppe Aquatische Ökologie und Evolutionsbiologie, Universität Konstanz
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  • Prof. Dr. Moritz Lehmann, Leiter der Forschungsgruppe Aquatische und Isotopen-Biogeochemie, Department Umweltwissenschaften, Universität Basel
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Statements

Dr. Diana Rechid

Leiterin der Abteilung Regionaler und lokaler Klimawandel, Climate Service Center Germany (GERICS) – Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Geesthacht

„Die aktuelle Studie veröffentlicht spannende Forschungsergebnisse zu thermischen Extremen in Seen. Dabei greift sie die Definition von ‚marinen Hitzewellen‘ aus [1] auf und wendet sie auf Inlandseen an. Dafür beziehen sie weltweit Seen ein, die mindestens zwei Meter und maximal 60 Meter tief sind.“

„Als ‚Hitzewellen’ werden Ereignisse betrachtet, bei denen an mindestens fünf aufeinanderfolgenden Tagen die Temperaturen der jeweiligen Region in dem jeweils betrachteten Zeitfenster eine bestimmte Schwelle überschreiten, nämlich den Wert des 90. Perzentils. Dies ist der Wert, der im Zeitraum von 1970 bis 1999 in dem jeweiligen Zeitfenster an 90 Prozent der Tage unterschritten (also an 10 Prozent der Tage überschritten; Anm. d. Red.) wird. Dieser Wert liegt für diesen Zeitraum im globalen Mittel etwa 3,7 Grad Celsius höher als die mittleren Temperaturen in Seen weltweit. Diese Abweichung wird von den Autoren als ‚mittlere Intensität von Hitzewellen‘ bezeichnet.“

„Basierend auf Simulationen mit dem Seen-Modell FLAKE wird sich diese mittlere Intensität unter RCP8.5 von 3,7+/-0,1 Grad Celsius auf 5,4+/-0,8 Grad Celsius erhöhen, unter RCP2.6 auf 4,0 +/-0,2 Grad Celsius (RCP: Representative Concentration Pathway; eines der vier für den 5. IPCC-Bericht vorgestellten Szenarien zur künftigen Entwicklung des Treibhauseffektes; RCP8.5 ist das Szenario mit den stärksten CO2-Emissionen und einem Temperaturanstieg von 4,8 Grad; RCP2.6 massiv zurückgehende Emissionen und einen Temperaturanstieg von 1,8 Grad; Anm. d. Red.).

„Dabei ist zu beachten, dass in dieser Studie je RCP-Szenario nur vier globale Klimasimulationen aus einem großen Ensemble von Klimasimulationen ausgewählt wurden, entsprechend dem Protokoll aus [2]. Es ist zu erwarten, dass bei Berücksichtigung aller verfügbaren globalen Klimasimulationen die Bandbreiten deutlich größer ausfallen würden. In der Veröffentlichung findet dazu leider keine Diskussion statt; auch nicht dazu, wie sich die ausgewählten vier Simulationen zum gesamten Ensemble verhalten. Zudem wurden die Daten der globalen Klimasimulationen im Rahmen von ISIMIP [I] biaskorrigiert, deren Qualität von der Verfügbarkeit und Qualität der verwendeten Beobachtungsdaten abhängt. Zudem wird bei Verwendung biaskorrigierter Daten angenommen, dass der Zusammenhang zwischen beobachteten und simulierten Daten auch in Zukunft gilt. Zahlreiche Studien zeigen, dass das oft nicht der Fall ist, und dadurch das Klimaänderungssignal verändert werden kann.“

„Aus den Ergebnissen lässt sich aber gut ablesen, dass sich die mittlere Abweichung ungewöhnlich hoher Temperaturen in Zukunft vergrößert, und zwar deutlich stärker unter RCP8.5 als unter RCP2.6. Zudem treten die ungewöhnlich hohen Temperaturen in Zukunft häufiger und über längere Zeiträume auf. In einigen Regionen werden sie im Vergleich zu heutigen Bedingungen zur ‚neuen Normalität‘.“

„Was das nun aber für einen einzelnen bestimmten See zum Beispiel in Zentraleuropa bedeutet und welche Folgen das konkret vor Ort hat, kann aus der Studie nicht abgeleitet werden. Die Studie untersucht globale mittlere Abweichungen und grobe räumliche Muster, wobei jeder See mit einer gemittelten Oberflächentemperatur eingeht. Um die konkreten Auswirkungen für einen bestimmten See zu untersuchen, wären räumlich hochaufgelöste Simulationen notwendig, zum Beispiel unter Verwendung räumlich hochaufgelöster Simulationen von regionalen Klimamodellen. Zudem werden in der Studie keine Rückwirkungen der veränderten Temperatur der Seen und zum Beispiel der daraus folgenden veränderten Eisbedeckung, wie sie mit dem Modell FLAKE simuliert werden, auf das Klima erfasst. Dabei können allerdings starke Rückkopplungsprozesse auftreten. Diese können nur genügend erfasst werden, wenn die Seen und die Berechnung ihrer Wassertemperaturen direkt in den Klimamodellen integriert sind, wie zum Beispiel in [3].“

Prof. Dr. Rita Adrian

Leiterin der Abteilung Ökosystemforschung, Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB), Berlin

„Der globale Klimawandel hat in den vergangenen Dekaden zu einer starken und sehr gut dokumentierten Erwärmung von Seen weltweit geführt – überlagert von bereits gehäuften Hitzeextremen. Die aktuelle Studie wagt einen Blick in die Zukunft – den Auswirkungen zunehmender Hitzeextreme auf die Wassertemperaturen von Seen. Mittels drei verschiedener Emissionsszenarien (RCP2.6, RCP6.0 und RCP 8.0) werden große Unterschiede in der Höhe der Wassertemperaturen und der Dauer hoher Temperaturen prognostiziert. Es sind insbesondere das mittlere und das höchste Emissionsszenario, die lang anhaltende Temperaturerhöhungen und Spitzen in den Wassertemperaturen in Seen nach sich ziehen werden. Das verdeutlicht die Dringlichkeit der Reduzierung der CO2 -Emissionen.“

„Die Modelrechnungen prognostizieren, dass Hitzeextreme in tiefen Seen länger nachwirken, aber weniger intensiv sein werden. Dies ist aufgrund der hohen Wärmekapazität von großen Seen zu erwarten – sie erwärmen sich langsamer als flache Seen, halten die Wärme aber länger. Die Modellergebnisse sind schlüssig und erwartbar und bestätigen wissenschaftliche Studien aus den vergangenen Jahren, die eine Zunahme der Dauer thermischer Schichtung in Seen als Folge von Erwärmungstrends gezeigt haben. Diese Trends werden sehr wahrscheinlich voranschreiten und zu Regime-Wechseln in der thermischen Struktur von Seen führen. Hitzeextreme werden diese Regime-Wechsel unterstützen und beschleunigen.“

Auf die Frage, inwiefern sich in solchen Simulation tatsächlich hunderte Seen abbilden lassen, die unterschiedlich kategorisiert werden müssten (etwa nach Tiefe, Größe, Wasservolumen, Zu- und Abflussgeschwindigkeiten, Lage in Klimazonen):
„Die Kategorisierung der Seen entlang klimatischer Regionen finde ich nicht zielführend. Die Tiefe von Seen ist – wie in dieser Studie gezeigt – mitentscheidend für die Reaktion gegenüber Hitzeextremen; Seen unterschiedlicher Größe und Tiefe erstrecken sich jedoch über verschiedene klimatische Regionen.“

„Mir gefällt, dass das Team der aktuellen Arbeit in ihren Modellen nicht nur Hitzeextreme während des Sommers berücksichtigen, sondern alle Jahreszeiten und unterschiedliche Überlappungen von Jahreszeiten mit einbeziehen. Insbesondere der Verlust einer Eisbedeckung in milden Wintern wirkt bekanntlich auf die Entwicklung der Wassertemperaturen im weiteren Jahresverlauf nach. Die Modellergebnisse dieser Studies bestätigen dies.“

Prof. Dr. Lutz Becks

Professor für Limnologie und Leiter der Arbeitsgruppe Aquatische Ökologie und Evolutionsbiologie, Universität Konstanz

„Die Stärke solcher auf Daten basierten Simulationen besteht darin, dass sie uns allgemeine Muster aufzeigen können, ohne dass wir alle Seen bis ins Detail untersucht haben. Da verschiedene Seen mit einbezogen werden, können wir am Ende auch Aussagen über Zusammenhänge zwischen Eigenschaften von Seen und Hitzeereignissen machen, wie in der aktuellen Studie für Tiefe und Breitengrad. Konkrete Vorhersagen für einzelne Seen können mit solchen Simulationen aber nur bedingt gemacht werden, da dann doch wieder Details berücksichtigt werden müssen. Dazu zählen sicher Tiefe, Oberfläche, die Anzahl der Becken in einem See und der Austausch zwischen diesen, Exposition zum Wind und andere Faktoren.“

„Die Simulationen zeigen, dass die Anzahl und Dauer von extremen Hitzeereignissen in Seen mit steigenden Temperaturen stark zunehmen wird. Die Autoren der Studie diskutieren, welche Konsequenzen dies für das Leben im See haben kann, ohne dass solche Konsequenzen in den Simulationen berücksichtigt werden. Wie die Autoren korrekt anmerken, können Hitzewellen verschiedene Konsequenzen haben, was eine Vorhersage sehr schwierig macht. So wissen wir, dass Organismen unterschiedliche Temperaturoptima haben, und sich auch in ihrer Toleranz hinsichtlich Maximal-Temperaturen unterscheiden.“

„Hitzewellen können also dazu führen, dass bestimmte Arten bevorzugt werden, während andere benachteiligt oder sogar aussterben werden. So kann es zu Verschiebungen bei der Zusammensetzung der Artengemeinschaften kommen. Da Arten auch immer mit anderen Arten in Wechselwirkung stehen, sind diese Verschiebungen bei den Artenzusammensetzungen komplex. So kann eine Art eine hohe Toleranz gegenüber Hitzewellen haben, ihre Beute aber zum Beispiel nicht, was wiederum zum Aussterben des Beutegreifers/Räubers führen kann. Die Messung von Toleranzkurven einzelner Arten kann uns da also nur begrenzt weiterhelfen.“

„Die Autoren der aktuellen Studie sprechen auch über die Möglichkeit, dass sich Organismen evolutionär an Hitzewellen anpassen könnten. Anders als die Autoren, die diese Möglichkeit als langsam erachten, denke ich, dass rasche Evolution vor allem im Zusammenspiel mit Migration aus anderen Seen oder aus dem Sediment von Seen eine größere Rolle spielen könnte. Leider haben wir noch zu wenige Daten aus dem Freiland, um da eine bessere Einschätzung geben zu können. Aber wir wissen, dass Populationen sich in Seen schnell an neue Bedingungen anpassen können. Beispiele findet man dafür vor allem im Zusammenhang mit Parasiten. Wichtig ist dabei, dass Evolution nur dann stattfinden kann, wenn Diversität innerhalb von Populationen vorhanden ist, sich Individuen einer Art also in Eigenschaften unterscheiden und diese Unterschiede erblich sind. Diese innerartliche Diversität ist in Seen so gut wie gar nicht untersucht und bekommt nur sehr wenig Aufmerksamkeit, wenn es um den Schutz von Diversität geht. Hier haben wir noch viel Arbeit vor uns.“

„Die Resilienz von Artengemeinschaften in Seen wird zurzeit weltweit intensiv untersucht. Dazu zählt auch die Frage, ob ein einzelnes Event schon ausreicht, um einen See nachhaltig zu stören. Die Frage ist also noch nicht beantwortet. Wir haben aber sicher alle noch Bilder vom Sommer 2018 im Kopf, als wir viele tote Fische bei hohen Wassertemperaturen beobachtet haben. Daher wissen wir also schon, dass es für manche Organismen in einigen Lebensräumen auch bei einem einzelnen Event zu warm werden kann. Wir sollten auch nicht vergessen, dass extreme Hitzeereignisse nicht das einzige Problem sind, mit dem Seen zu kämpfen haben. Die Liste von anthropogenen Einflüssen ist lang, zum Beispiel Eutrophierung, unausgeglichene Re-Oligotrophierung (oligotrophe Seen: nährstoffarmes und sauerstoffreiches Wasser; Anm. d. Red.), Mikroplastik, Entnahme von Wasser und so weiter.“

Prof. Dr. Moritz Lehmann

Leiter der Forschungsgruppe Aquatische und Isotopen-Biogeochemie, Department Umweltwissenschaften, Universität Basel

„Ohne auf die Details der Studie einzugehen, möchte ich gerne kurz auf mögliche Konsequenzen der Erwärmung der Seen in punkto Plankton-Ökologie und Treibhausgasproduktion hinweisen.“

„Bestimmte Phytoplankton-Arten werden von kontinuierlicher Erwärmung und einer erhöhten Frequenz von Hitzewellen profitieren. Ein gutes Beispiel hierfür sind Blaualgen (Cyanobakterien). Ihre relative Wichtigkeit wird sehr wahrscheinlich zunehmen, wenn Wassermassen im Sommer wärmer sind und die Wärmeschichtung innerhalb eines Sees ausgeprägter ist. Vor allen in nährstoffreichen Seen und Gewässern werden Blüten von Cyanobakterien in Zukunft sehr wahrscheinlich häufiger auftreten, sollten sich die Voraussagen der Autoren bestätigen.“

„Eine verstärkte thermische Schichtung unter erhöhten Temperaturen oder häufigeren Hitzewellen hat auch hydrochemische Konsequenzen und Konsequenzen für die Treibhausgasproduktion eines Sees, gegebenenfalls mit Rückkopplungseffekten. Bei einer starken Schichtung, oder thermalen Stabilität, mischen sich die Wassermassen sehr schlecht und die Sauerstoffarmut in den tieferen Wassermassen nimmt zu, bis hin zur Anoxie (ausgeprägter Mangel oder vollständige Abwesenheit von Sauerstoff; Anm. d. Red.). Unter diesen Bedingungen wird verstärkt das Treibhausgas Methan gebildet.“

„Generell wärmere Temperaturen sorgen auch dafür, dass mehr organisches Material abgebaut und dabei CO2 produziert wird. Es ist allerdings wichtig zu wissen, dass – auch wenn sich das Oberflächenwasser stark erwärmt – dies nicht unbedingt auch der Fall in den bodennahen Bereichen sein muss, wo CO2 durch den Abbau organischen Materials vor allem produziert wird. Zumindest in produktiven Seen wird aufgrund der Trübung durch Plankton zusätzliche Wärme hauptsächlich im Oberflächenwasser absorbiert und gelangt kaum in die Tiefe. So kann verstärkte thermische Schichtung unter wärmeren Bedingungen in der Zukunft sogar in manchen Seen zur leichten Abkühlung von tieferen Wasserschichten führen – ein Aspekt, der in der Studie allerdings nicht behandelt wird.

Angaben zu möglichen Interessenkonflikten

Alle: Keine Angaben erhalten.

Primärquelle

Woolway RI et al. (2021): Lake heatwaves under climate change. Nature. DOI: 10.1038/s41586-020-03119-1.

Literaturstellen, die von den Experten zitiert wurden

[1] Oliver ECJ et al. (2018): Longer and more frequent marine heatwaves over the past century. Nat. Commun. 9, 1324. DOI: 10.1038/s41467-018-03732-9

[2] Frieler K et al. (2017): Assessing the impacts of 1.5 °C global warming – simulation protocol of the Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project (ISIMIP2b). Geosci. Model Dev., 10, 4321–4345, DOI: 10.5194/gmd-10-4321-2017.

[3] Pietikäinen JP et al. (2018): The regional climate model REMO (v2015) coupled with the 1-D freshwater lake model FLake (v1): Fenno-Scandinavian climate and lakes, Geosci. Model Dev., 11, 1321–1342. DOI: 10.5194/gmd-11-1321-2018.

Literaturstellen, die vom SMC zitiert wurden

[I] Webseite des Projektes ISIMIP - Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project.

Weitere Recherchequellen

Adrian R et al. (2018): Seen im Klimawandel - Diagnosen und Prognosen aus der Langzeitforschung. Dossier des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei. DOI: 10.4126/FRL01-006407562.