Temperaturschichtung

Gewässer wie stehende Gewässer, aber auch strömungsarme Bereiche der Weltmeere weisen in der Regel eine Temperaturschichtung des Wassers auf: Diese geht auf die temperaturabhängigen Dichteunterschiede im Wasserkörper zurück. Dabei besteht z. B. eine Wechselwirkung zwischen der Temperatur des Meerwassers, seiner Dichte und seinem Salzgehalt, und damit Einfluss auf die Thermohaline Zirkulation, dem „Motor der Meteorologie“ weltweit.

Auch in der Erdatmosphäre sind unterschiedliche Temperaturen verschiedener Luftschichten mit bestimmten Phänomenen verbunden: Fata Morgana, Inversionswetterlage, Schichtungsstabilität der Erdatmosphäre, Vertikalprofil (Meteorologie).

Ursachen

Eine besondere modifizierende Rolle spielt hierbei die Dichteanomalie des Wassers, wonach dieses bei 3,98 °C seine maximale Dichte von 1,0 g/ml aufweist. Sowohl kälteres als auch wärmeres Wasser hat eine umso geringere Dichte, je weiter seine Temperatur von 3,98 °C abweicht.

Damit entsteht statischer Auftrieb, der das spezifisch leichtere Wasser gegenüber dem dichteren aufsteigen lässt. Es bildet sich also eine temperaturbedingte Dichteschichtung aus, die sich bevorzugt als "Temperaturschichtung" erkennen lässt. Diese Schichtung kann aber modifiziert sein durch andere Faktoren, welche die Wasserdichte in einem realen Gewässer beeinflussen. Dies sind insbesondere die im Wasser gelösten und feinsuspendierten Feststoffe und Gase.

Die Temperaturen des Wassers unterliegen einem ständigen Wechsel durch die Aufnahme und Abgabe von Wärme durch das Gewässer. Die wichtigsten Größen dabei sind

• Wärmeaufnahme aus einfallender Globalstrahlung, bestehend aus Sonnenlicht und IR-Gegenstrahlung der Atmosphäre
• Wärmeverlust durch IR-Abstrahlung (Wärmestrahlung, abhängig von der Oberflächen-Temperatur)
• Wärmeverlust durch Verdunstung von Wasser
• Wärmeverlust durch direkte Wärmeableitung an die Luft („thermische Energie“)

Dieser Wärmeaustausch unterliegt sowohl täglichen als auch jahreszeitlichen Zyklen. Eben so zyklisch kommt es daher auch zu Veränderungen in der Temperaturschichtung. Diese ergeben sich sowohl aus einer mit der Tiefe abnehmenden Aufnahme von Wärme aus eingedrungenem Licht, als auch aus einer mechanischen Vermischung von Wasserschichten, die einerseits durch den Wind und andererseits durch die Konvektionsströme von sich abkühlendem Oberflächenwasser angetrieben werden.

In den gemäßigten Breiten weisen hinreichend tiefe Stillgewässer zum Beispiel eine „dimiktische“ Wasserzirkulation auf. Das bedeutet, diese Gewässer durchmischen sich zweimal im Jahr vollständig. Flachere Gewässer hingegen können mehrmals, Teiche sogar jede Nacht, bis zum Grund durchmischt werden (polymiktische Zirkulation). Aber es gibt in den verschiedenen Regionen der Welt noch weitere, sehr unterschiedliche Durchmischungstypen.

Quellen

• Sunke Schmidtko, Lothar Stramma, Martin Visbeck: Decline in global oceanic oxygen content during the past five decades. In: Nature. 542, 2017, S. 335, doi:10.1038/nature21399. Aus: spiegel.de, Wissenschaft, 16. Februar 2017: Weniger Sauerstoff in Ozeanen: Den Fischen bleibt die Luft weg (17. Februar 2017).