Hitzewellen in Seen werden intensiver und länger

„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].“

„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.“

„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.“

„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.