Die Vollzirkulation ist die vollständige Durchmischung eines stehenden Gewässers von der Oberfläche bis zum Grund. Sie findet statt, solange keine stabile thermische Schichtung vorliegt und der Wind den gesamten Wasserkörper umwälzen kann. In unseren Breiten geschieht das zweimal im Jahr: im Frühjahr und im Herbst. Für Taucher ist sie der Grund, warum ein See im Oktober von oben bis unten gleich kalt und gleich trüb ist.
Warum ein See sich überhaupt schichtet
Im Sommer heizt die Sonne die oberen Meter auf. Warmes Wasser ist leichter als kaltes und bleibt oben liegen; dazwischen bildet sich die Sprungschicht, unten steht das kalte Hypolimnion. Das Bayerische Landesamt für Umwelt beschreibt die Stockwerke so: „Das warme oberflächennahe Wasser nennt man Epilimnion, das Tiefenwasser Hypolimnion.“ Der Wind erreicht in dieser Lage nur die oberste Schicht — unterhalb der Sprungschicht bewegt sich nichts mehr.
Das Lexikon der Biologie bei Spektrum fasst die Zirkulation entsprechend als „durch den Wind hervorgerufene, großräumige, vertikale Umschichtung der Wassermassen eines Sees“ und hält fest: „Eine Zirkulation kann nur stattfinden, wenn im See keine stabile thermische Schichtung vorliegt.“ Der Übergang vom einen Zustand in den anderen ist also kein allmähliches Vermischen, sondern ein Zusammenbruch: Sobald die Temperaturunterschiede und damit die Dichteunterschiede klein genug sind, trägt der Wind durch.
Zweimal im Jahr: dimiktische Seen
Seen, die zweimal jährlich vollständig umgewälzt werden, heißen dimiktisch. Nach der Darstellung des Landesamts sind „in unseren Breiten Seen in der Regel dimiktisch“. Das Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei beschreibt denselben Jahresgang: „Die Wassersäule wird zweimal im Jahr durchmischt (Frühjahrs- und Herbstzirkulation)“, und im Winter sinken die Oberflächentemperaturen eines typischen dimiktischen Sees unter vier Grad Celsius. Die Frühjahrszirkulation beginnt nach einer Darstellung des Freistaats Sachsen mit dem Eisaufbruch; der Wasserkörper wird dann vollständig durchmischt und die tiefen Schichten werden mit Sauerstoff angereichert.
Nicht jeder See macht das mit. Flache Gewässer von weniger als zehn Metern Tiefe bilden nach der Darstellung des Instituts gar kein ausgeprägtes Hypolimnion aus und zirkulieren das ganze Jahr über; sehr tiefe Seen von über hundert Metern frieren nicht zu und werden nur einmal jährlich umgewälzt.
Warum das für den See zählt
Die Vollzirkulation ist der einzige Weg, auf dem Sauerstoff in großer Menge in die Tiefe gelangt. Im Frühjahr ist der Sauerstoffgehalt deshalb am höchsten, zum Ende der Sommerstagnation am niedrigsten. Dauert die Schichtung länger, wird das Verbrauchte nach der Darstellung des Instituts teils „nicht mehr rechtzeitig durch die einsetzende Zirkulation aufgefüllt“, und das Defizit im Tiefenwasser wird in das nächste Jahr übertragen.
Hier setzt auch der Klimawandel an, in zwei entgegengesetzten Richtungen. Weniger Eisbedeckung fördert die Durchmischung flacher und mittlerer Seen; verschwindet die Eisdecke ganz, werden dimiktische Seen zu monomiktischen. Bei sehr tiefen Seen wie dem Bodensee verhindern milde Winter dagegen, dass sich der Wasserkörper unter vier Grad abkühlt — und damit „eine tiefgehende Durchmischung und damit die Sauerstoffversorgung im Tiefenwasser“.
Was der Taucher davon merkt
Drei Dinge, und sie hängen alle an derselben Ursache:
- Die Sprungschicht fehlt. Wer im Sommer auf zwanzig Meter geht, durchfährt eine deutliche Temperaturstufe. Während der Vollzirkulation gibt es sie nicht: Das Wasser ist oben so kalt wie unten. Das ist angenehm vorhersehbar und beim Anzug eine klare Ansage.
- Die Sicht wird schlechter. Was umgewälzt wird, bleibt eine Weile in der Schwebe — Schwebstoffe, Partikel vom Grund, abgesunkenes Laub. Der Herbstsee sieht in den Wochen der Umwälzung regelmäßig schlechter aus als im Hochsommer.
- Die Tiefe ist nicht mehr der kalte Teil. Im Sommer ist der Sprung nach unten das Kälteerlebnis; während der Zirkulation beginnt die Kälte schon an der Oberfläche.
Als Tauchlehrer plane ich Seetauchgänge im Oktober und im März deshalb anders als im Juli: dickerer Anzug von Anfang an, kürzere Tauchzeiten, mehr Abstand im Team wegen der Sicht und eine Lampe, die nicht nur zum Hineinleuchten taugt. Wer den See nur aus dem Sommer kennt, unterschätzt genau diese Wochen.
Quellen
- Bayerisches Landesamt für Umwelt: Physikalische Verhältnisse — Jahreszeitenzyklus — dimiktische Seen in unseren Breiten, Umwälzung im Frühjahr und Herbst, Epilimnion und Hypolimnion, Sauerstoffmangel in der Tiefe während der sommerlichen Schichtung.
- Spektrum, Lexikon der Biologie: Zirkulation — die Definition als windbedingte vertikale Umschichtung und die Bedingung, dass keine stabile thermische Schichtung vorliegen darf.
- IGB-Dossier „Seen im Klimawandel“ (PDF, 2018) — Frühjahrs- und Herbstzirkulation im dimiktischen See, Oberflächentemperaturen unter vier Grad im Winter, Grenzen bei weniger als zehn und über hundert Metern Tiefe, Sauerstoffgang im Jahresverlauf, Wandel von dimiktisch zu monomiktisch, Bodensee.
- Freistaat Sachsen: Schichtung und Durchmischung (PDF) — die Frühjahrsvollzirkulation mit dem Eisaufbruch, vollständige Durchmischung und Sauerstoffanreicherung der tiefen Schichten.
Zur Quellenlage: Das Wort „Vollzirkulation“ selbst benutzt von den herangezogenen Darstellungen nur die sächsische; die übrigen sprechen von Zirkulation, Durchmischung oder Umwälzung. Die Dichteanomalie des Wassers, auf der die Schichtung beruht, wird hier über die Temperaturangaben wiedergegeben; die Zahl von vier Grad stammt aus dem IGB-Dossier, das sie als Schwelle der winterlichen Oberflächentemperatur nennt. Angaben dazu, wie lange eine Vollzirkulation im einzelnen See dauert, enthält keine der Quellen — die Spanne hängt von Tiefe, Fläche und Wind ab.
