Inverse Schichtung: der See im Winter

Taucher im Trockenanzug schwebt dicht über dem Grund eines zugefrorenen Sees, weit über ihm die Eisdecke mit einem hellen Eisloch. — Illustration, mit Google Gemini erzeugt.

Die inverse Schichtung ist der Zustand eines stehenden Gewässers im Winter, in dem das kältere Wasser oben und das wärmere unten liegt — die Umkehrung dessen, was im Sommer gilt. Für den Seetaucher heißt das: Der Grund ist im Winter der wärmste Ort des Sees, und die kälteste Stelle liegt dort, wo er ein- und aussteigt.

Warum sich der See im Winter umdreht

Der Grund ist die Dichteanomalie des Wassers. Süßwasser erreicht seine größte Dichte nicht am Gefrierpunkt, sondern bei etwa vier Grad Celsius. Kühlt sich die Oberfläche im Winter unter diese Marke ab, wird sie nicht schwerer, sondern leichter — und bleibt deshalb oben liegen. Das schwerste Wasser hat sich schon vorher am Grund gesammelt und bleibt dort.

Das Faktenblatt zur thermischen Schichtung von Talsperren aus dem Projekt KlimaKonform der TU Dresden beschreibt genau diesen Zustand: Weil das Wasser bei etwa vier Grad die größte Dichte hat, kann im Winter kälteres Wasser unter vier Grad auf wärmerem schwimmen. Bei starkem Frost bildet sich darüber eine Eisdecke, denn Eis ist leichter als Wasser — der See friert von oben zu. Diesen Zustand nennt das Faktenblatt die inverse Schichtung.

Der Jahresgang: zweimal Umwälzung, zweimal Ruhe

Die inverse Schichtung ist einer von vier Zuständen, die ein tieferer See im Jahr durchläuft:

Frühjahr. Die Eisdecke bricht auf, das Wasser vermischt sich über die ganze Tiefe. Dabei gelangt Sauerstoff ins Tiefenwasser. Danach beginnt die Erwärmung von oben.
Sommer. Sonne von oben und zu schwacher Wind trennen den See in eine warme Deckschicht und ein kaltes Tiefenwasser, dazwischen die Sprungschicht mit abruptem Temperaturabfall.
Herbst. Die Oberfläche kühlt ab, die Winde werden stärker, und das Oberflächenwasser mischt sich wieder mit Sprungschicht und Tiefenwasser.
Winter. Die Abkühlung geht unter vier Grad weiter, das kalte Wasser bleibt oben liegen — die Schichtung steht auf dem Kopf.

Das Bayerische Landesamt für Umwelt beschreibt denselben Rhythmus für den Ammersee: Im Herbst und im Frühjahr durchmischt sich das Seewasser vollständig, Hauptantrieb ist der Wind an der Oberfläche; im Winter gibt es keine Umwälzung.

Was der Taucher davon hat

Die praktische Folge ist unscheinbar und wird trotzdem regelmäßig falsch erwartet. Wer aus dem Sommer kommt, rechnet damit, dass es nach unten kälter wird. Im Winter ist es umgekehrt: Unter der Eisdecke oder an der eiskalten Oberfläche steht das kälteste Wasser des Sees, und je tiefer man kommt, desto näher kommt die Temperatur den vier Grad.

Das ändert wenig an der Ausrüstungswahl — vier Grad sind nicht angenehm warm — aber einiges an der Erwartung. Vor allem fehlt im Winter der scharfe Temperatursprung, den man im Sommer als Markierung nutzen kann: Statt einer Sprungschicht gibt es eine flache, stetige Zunahme nach unten. Und die Belastung für Taucher und Gerät ist nicht unten am größten, sondern oben, in den ersten Metern und bei Wartezeiten an der Oberfläche.

In der Ausbildung ist das der Punkt, an dem ich Wintertaucher am häufigsten korrigiere: Die Vorstellung „unten ist es kälter“ sitzt tief, und sie stimmt im Winter nicht.

Grenzen der Aussage

Alles Gesagte gilt für Süßwasser. Mit wachsendem Salzgehalt verschiebt sich das Dichtemaximum nach unten, bis es schließlich unter den Gefrierpunkt fällt — im Meer gibt es deshalb keine inverse Schichtung dieser Art. Und es gilt für Gewässer, die tief genug sind: In flachen Seen und Teichen reicht die Tiefe oft nicht aus, damit sich am Grund überhaupt ein Bereich von vier Grad hält.

Wie kalt ist es unter dem Eis wirklich?

Direkt unter der Eisdecke liegt die Temperatur nahe null Grad, am Grund eines ausreichend tiefen Sees bei rund vier Grad. Das Faktenblatt der TU Dresden begründet diese Anordnung mit der Dichte: Wasser unter vier Grad ist leichter und bleibt deshalb oben. Eine Tiefengrenze, ab der sich die vier Grad sicher einstellen, nennt die Quelle nicht.

Gibt es im Winter eine Sprungschicht?

Nicht in der Form, die man aus dem Sommer kennt. Die Sprungschicht ist nach der limnologischen Beschreibung die Zone mit einem abrupten Temperaturabfall zwischen warmem Oberflächen- und kaltem Tiefenwasser. Bei inverser Schichtung fehlt dieses Gefälle; die Temperatur nimmt von oben nach unten zu, und zwar flach.

Warum friert ein See nicht von unten zu?

Weil das kälteste Wasser oben bleibt und Eis leichter ist als flüssiges Wasser. Beides geht auf die Dichteanomalie zurück. Das Tiefenwasser bleibt dadurch flüssig — der Grund eines zugefrorenen Sees ist der wärmste Ort darin.

Quellen

KlimaKonform / TU Dresden, Professur für Hydrobiologie: Faktenblatt Talsperren — Thermische Schichtung (PDF) — Dichtemaximum bei etwa vier Grad, inverse Schichtung als Begriff, Eisdecke, Frühjahrs- und Herbstzirkulation, Sommerschichtung mit Sprungschicht. Tragende Quelle dieses Eintrags.
Bayerisches Landesamt für Umwelt: Ammerseeboje — vollständige Durchmischung im Herbst und Frühjahr, Wind als Hauptantrieb, keine Umwälzung im Winter. Die Seite macht keine Angaben zum Temperaturprofil unter Eis.
König/Lipp, Lehrbuch für Forschungstaucher, Kapitel 1: Physikalische Grundlagen (PDF) — Dichtewerte für Süß- und Meerwasser, auf denen der Größenvergleich beruht.

Zur Quellenlage: Das Faktenblatt der TU Dresden ist eine Darstellung für Talsperren und benutzt die limnologischen Begriffe Winterstagnation und Metalimnion nicht; dieser Eintrag übernimmt deshalb nur den Begriff, den die Quelle selbst verwendet. Einen Salzgehalt, ab dem das Dichtemaximum unter den Gefrierpunkt fällt, nennt keine der herangezogenen Quellen — die Aussage zum Meer bleibt deshalb ohne Zahlenwert.