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Magazin für Umwelt- und Tierschutz


 Ökosysteme und Klimawandel 3: Binnengewässer

Inhalt

1 Fließgewässertemperaturen
    1.1 Einleitung
    1.2 Wasserquellen
    1.3 Natürliche Einflüsse auf die Energiebilanz
    1.4 Menschliche (anthropogene) Einflüsse auf die Energiebilanz
        1.4.1 Kraftwerke
        1.4.2 Kläranlagen
        1.4.3 Talsperren und Seen
        1.4.4 Einfluß der Abflussmenge
2 Auswirkung des Treibhauseffektes
    2.1 Einflüsse
    2.2 Bisherige Entwicklung der Durchschnittstemperaturen
3 Folgen
    3.1 Tier und Pflanzenwelt
    3.2 Stromproduktion
4 Was kann man tun?
Quellen
Aktualisierungen

Am Wochenende könnten die Flüsse Rhein und Neckar die kritische Wassertemperatur von 28 Grad Celsius erreichen. Das Umweltministerium des deutschen Bundeslandes Baden-Württemberg teilte mit, dass dann die Kraftwerke entlang der beiden Flüsse vom Netz genommen werden müssten. Das fortgesetzte Einleiten von Kühlwasser würde die Wassertemperatur weiter erhöhen. Biosphaere nennt in diesem Artikel die Hintergründe der aktuellen Situation im Juli 2010.

1 Fließgewässertemperaturen

1.1 Einleitung

Das Wasser der Erde zirkuliert in einem Kreislaufsystem, das sowohl durch die Atmosphäre, als auch oberhalb und unterhalb der Erdoberfläche verläuft. Unter der Erde fließendes Wasser nennt man Grundwasser. An manchen Orten tritt es als Quelle wieder an die Oberfläche. Nun spricht man von einem Fließgewässer. Mehrere von ihnen können sich vereinigen. Mehrere Bäche bilden einen Fluss und mehrere Flüsse einen Strom. Ein Flusssystem ähnelt der verzweigten Krone eines Baumes. Deshalb gibt es auch nicht die eine Quelle, sondern ein Einzugsgebiet, aus dem sich ein Fluss speist. Er fließt zu den tiefgelegenen Gebieten der Erdoberfläche und mündet dort in Seen und Meere. Seine Wassermenge bleibt nicht konstant. Ein Teil versickert durch das Flussbett wieder in den Boden und bildet dort erneut Grundwasser. Regen fällt aus den Wolken und sammelt sich in den Flussystemen.

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1.2 Wasserquellen

Fließgewässer speisen sich also aus zwei Quellen: Dem Grundwasser und den Niederschlägen. Das hat Auswirkungen auf ihre Temperaturen. Grundwasser hält sich über mehrere Jahre im Untergrund auf. Deshalb entspricht seine Temperatur der langjährigen Mitteltemperatur der Luft und variiert nur in geringem Maße. Mit dieser Temperatur tritt das Wasser an der Quelle zutage. Niederschläge wie Regen sind viel mehr durch kurzzeitige Temperaturänderungen wie in heißen Sommern beeinflusst. Sie werden von der Sonne bestrahlt, haben direkten Kontakt zur Atmosphäre und nehmen die Temperatur der Bodenschichten an, die sie durch- oder überfließen. So können sie sich erwärmen oder abkühlen. Intensive Schneeschmelzen zum Beispiel sorgen für Zufuhr von etwas über 0 Grad kaltem Wasser. In heißen Monaten dagegen heizen sich Dächer oder Straßen extrem auf. Aber auch die Luft erwärmt sich. Warme Luft steigt durch Konvektion auf und kann Wolken mit in die Höhe ziehen. Der Wasserdampf der Wolken kondensiert in den höhergelegenen, kühleren Luftschichten zu Tröpfchen und fällt als Regen zu Boden. Auf den heißen Dächern und Straßen heizt er sich auf, sammelt sich in den Flüssen und sorgt dort für einen kurzzeitigen Temperaturanstieg.

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1.3 Natürliche Einflüsse auf die Energiebilanz

In Jahren mit geringen Niederschlägen bestimmt daher hauptsächlich das Grundwasser und damit die langjährige Mitteltemperatur die Gewässertemperatur an der Quelle, in regenreichen Jahren dominieren die kurzzeitigen Temperaturschwankungen. Einmal an der Oberfläche, ist das Flusswasser genau wie der Regen der Lufttemperatur mit seinen Temperaturschwankungen und der Sonnenstrahlung ausgesetzt. Man kann also sagen, der Wärmeaustausch zwischen dem Fluß und seiner Umgebung hat hier den größten Einfluß. Doch auch hier kann Grundwasser aus den Nebenflüssen oder dem Boden die kurzfristigen Schwankungen dämpfen. Außerdem bewegt sich das Wasser in Richtung Meer und mit dieser Bewegung transportiert es auch die Wärmeenergie in andere Regionen.

  • kurzwellige Strahlungsbilanz
    Hierbei handelt es sich um die Sonneneinstrahlung. Die Bilanz ergibt sich aus der Globalstrahlung und der Albedo. Sie ist Ursache des größten Teils der Energiegewinne. Im Sommer liegt ihr Anteil bei 80 bis 90 Prozent (Li, 2002). Der WWF schreibt, dass er am Neckar im Winter sogar 100 Prozent beträgt.

  • langwellige Strahlungsbilanz
    Wärmestrahlung der Atmosphäre und der Vegetation. Beide haben eine geringere Temperatur als die Sonne und senden daher auch langwelligere Strahlung aus. Der WWF schreibt in seiner Studie, der staugeregelte Neckar verliere durch seine hohen Wassertemperaturen das ganze Jahr Energie. Im Sommer mache der Verlust 50 Prozent, im Winter sogar 80 Prozent aus.(Li, 2002) In anderen Gewässern variiere der Anteil stärker, sei jedoch im Jahresmittel zumeist der zweitwichtigste Einfluß.

  • Strom latenter Wärme
    Wasser verdunstet zu Wasserdampf oder Dampf kondensiert zu Wasser. Einfluss ist hier der Wasserdampfdruck, den ein Artikel zum Wasserkreislauf behandeln wird. Verdunstung kühlt das Wasser, Kondensation erwärmt es. Wasser kann nur so lange verdunsten, bis die Luft mit Dampf gesättigt ist. Wenn Wind die gesättigte Luft fortweht und weniger gesättigte Luft heranführt, kann erneut Wasser verdunsten. Im Vergleich zur Strahlung hat dieser Vorgang nur geringe Bedeutung.

  • Strom fühlbarer Wärme
    Wärme fließt an der Grenze zwischen Luft und Wasser zum jeweils kälteren Medium. Turbulenzen können diesen Strom beeinflussen. Wind kann neue, kühlere Luft zum Fluß bringen, die ihm weitere Wärme entzieht. Auch der Anteil dieses Stromes am Energiehaushalt hat eine geringe Bedeutung. Nur in warmen Sommern kann er ähnliche Werte erreichen wie die langwellige Strahlung. In dem Fall kann er für bis zu 50 Prozent der Energieverluste verantwortlich sein so der WWF in seiner Studie. An der Grenze zwischen Wasser und Luft ist er dann der drittwichtigste Einfluß auf die Bilanz. Meist erreicht sein Beitrag jedoch unter 15 Prozent. Generell ist es so, dass im Winter die Temperatur des Wassers über der der Luft liegt und daher das Wasser Energie verliert. Im Sommer hat die Luft eine höhere Temperatur und verliert Energie.

  • Wärmeleitung zwischen Wasser und Boden
    Wärme fließt an der Grenze zwischen Gewässerbett und Wasser zum jeweils kälteren Medium. Diese Wärmeleitung dämpft zwar die Temperaturschwankungen im Verlauf der Tages bzw. des Jahres, hat aber zumindest in größeren Gewässern kaum Bedeutung.

  • Zufluß von Grundwasser
    Strömt Wasser aus dem Untergrund in den Fluß, dämpft es zwar die Schwankungen der Wassertemperatur. Doch in größeren Gewässern hat der Effekt nur wenig Bedeutung.

  • Beschattung durch Bäume
    Kann vor der Wärmestrahlung der Sonne und Wind schützen. Die Ufervegetation beeinflußt also die wichtigste Wärmeenergiequelle des Flusses, gerade bei kleineren Flüssen, die zum größten Teil im Schatten der Bäumen an ihren Ufern liegen. Wird die Vegetation entfernt, erhöht sich nachweislich auch die Wassertemperatur. Auch die Art der Bäume hat einen Einfluß auf den Energiehaushalt.

  • Windschutz durch Bäume
    Indem Wind ungesättigte oder kühlere Luft heranführt, kann er die Wärmeströme beeinflussen. Doch die Ströme haben im Vergleich zur Strahlung nur einen kleinen Einfluss auf den Energiehaushalt. Deshalb hat auch der Windschutz einen viel geringeren Einfluss als die Beschattung.

  • Niederschlag
    Die Energiezufuhr durch Niederschläge wie Regen ist zu vernachlässigen.

Es ist die Strahlung, die die Wassertemperatur eines Fließgewässers maßgeblich bestimmt. Sie beeinflußt auch die Lufttemperatur. Deshalb stehen beide in einem Zusammenhang.

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1.4 Menschliche (anthropogene) Einflüsse auf die Energiebilanz

1.4.1 Kraftwerke

Ein wesentlicher Bestandteil thermischer Kraftwerke (Wärmekraftwerke) ist der Wasserkreislauf. An der Wärmequelle setzen sie Energie in Form von Wärme frei, indem sie Kohle, Öl oder Gas verbrennen oder Atomkerne spalten oder verschmelzen (Kohle-, Öl-, Gas- oder Atomkraftwerke). Mit dieser Wärmeenergie erhitzen sie Wasser, das zu Wassergas (Dampf) wird. Sie leiten den Dampf durch Rohre zu Turbinen, die mit Hilfe von Generatoren Strom erzeugen. Nach der Stromerzeugung muss er wieder abkühlen, um zu flüssigem Wasser zu kondensieren. Nun verliert der Dampf in der Turbine zwar einen Teil seiner Energie, aber nicht genug, um flüssig zu werden. Da Energie nicht vernichtet werden kann, muss sie weitergereicht werden. Das Kraftwerk kann sie über Kühltürme an die Luft abgeben, über Wärmetauscher an das Wasser eines Fernwärmenetzes oder an das Wasser von Flüssen. Wärme fließt vom wärmeren zum kälteren Medium und zwar so lange, bis sich beide Temperaturen angeglichen haben. Es muss also ein Temperaturunterschied vorhanden sein. Die Wärme ist damit vom Kühlwasser des Kraftwerks auf das Wasser des Flusses übergegangen. Das führt laut WWF lokal zu einer spürbaren Erwärmung des Fließgewässers. Durch die im vorigen Abschnitt beschriebenen Wärmeströme gibt das Flusswasser die Wärme an die Luft weiter, die sie nachts in den Weltraum abstrahlt, wo sie sich verteilt. Ein Teil dieser langwelligen Abstrahlung wird von Treibhausgasen zurückgehalten. Wie weit das Wasser fließt, bevor es seine Wärme an die Atmosphäre abgibt und wie stark es sich erwärmt, das hängt von mehreren Faktoren ab:

  • Von der Art und der Kühlmethode des jeweiligen Kraftwerks,
  • dem Verhältnis von Abwärmeleistung und Abfluss und
  • den Eigenschaften des Flusses.

Beispielsweise kann der Einsatz von Kühltürmen die Wärmemenge reduzieren, die in den Fluss eingeleitet wird.

Die 2009 vorgestellte WWF-Studie kommt zum Ergebnis, dass die mittlere Fließgewässertemperaturen bis zur Mitte des 21. Jahrhunderts durchschnittlich um etwa 1,5°C ansteigen könnte. Durch diesen Temperaturanstieg würde die Nutzung von Kühlwasser in thermischen Kraftwerke zunehmend Probleme erfahren. Das könnte direkt die Sicherheit der Stromerzeugung beeinflussen, so der WWF. Bereits in der heutigen Zeit werden die zulässigen Grenzwerte erreicht, welche die Einleitung und erwärmtem Kühlwasser einschränken oder untersagen. Das war zum Beispiel in den Sommern 2003, 2006 und 2007 an unterschiedlichen Flüssen und Kraftwerksstandorten der Fall. „Häufige kritisch hohe Fließgewässertemperaturen können deutliche Einbußen bei der Stromproduktion zur Folge haben. Im Extremfall ist gar die Versorgungssicherheit mit Strom gefährdet“, warnt WWF-Referent Georg Rast.

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1.4.2 Kläranlagen

Wassereinleitungen von Kläranlagen können die tages- und jahreszeitlichen Schwankungen der Wassertemperatur meist merklich dämpfen. Die hohen sommerlichen Wassertemperaturen können sie auch abkühlen.

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1.4.3 Talsperren und Seen

Solche künstlichen oder natürlichen Stillgewässer weisen in gemäßigten Breiten eine thermische Schichtung auf. Dabei wird das oberflächennahe Wasser stärker von der Umgebung beeinflusst als das in der Tiefe. Daher ist das Wasser in der Tiefe im Winter wärmer und im Sommer kälter als unbeeinflusstes Wasser. Leitet die Talsperre das Tiefenwasser in den unteren Teil des Flusses, sorgt sie dort nicht nur für eine Verringerung des Sauerstoffgehaltes, sondern auch für eine Erwärmung im Winter und eine Abkühlung im Sommer.

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1.4.4 Einfluß der Abflussmenge

Die Wärmekapazität bestimmt die Wärme, die ein Fluss aufnehmen kann. Sie wird berechnet aus der Masse des Wassers multipliziert mit seiner spezifischen Wärmekapazität. Die spezifische Wärmekapazität ist eine Eigenschaft des Wassers, bestimmt seine Aufnahmefähigkeit und ändert sich nicht. Daher wächst die Wärmekapazität mit der Masse des verfügbaren Wassers. Wie aber berechnet man die Masse? Aus der Dichte des Wassers, multipliziert mit einer Fläche (dem Querschnitt des Flusses) und einer Länge. Bei der Länge handelt es sich um den Weg, den ein Tropfen des Flußwassers innerhalb einer bestimmten Zeit zurücklegt. Dieser Weg ist umso größer, desto größer die Fließgeschwindigkeit des Flusses ist. Fasst man diesen Abschnitt zusammen, kann man sagen:

  • Je größer die Fließgeschwindigkeit, desto größer ist die Masse und desto größer ist die Wärmekapazität.
  • Oder je geringer die Fließgeschwindigkeit, desto kleiner ist die Masse und desto geringer die Wärmekapazität.

Die Masse wird auch Abflussmenge genannt.

Fällt Sonnenstrahlung mit der gleichen Wärmeenergie auf eine große Masse (hohe Wärmekapazität, schnelle Fließgeschwindigkeit) und auf eine kleine Masse (geringe Wärmekapazität, langsame Fließgeschwindigkeit), erreicht die kleine Masse schneller die Grenze ihrer Aufnahmefähigkeit als die große. Daher wird die kleine Masse bzw. langsame Flüsse stärker von der Sonnenstrahlung beeinflusst als die große bzw. schneller fließende Flüsse. Mit anderen Worten: Im Sommer herrschen in langsamen Flüssen höhere Wassertemperaturen als in schnellen..

Durch menschliche Einflüsse kann sich die Abflussmenge (Masse) ändern. Dabei wird Wasser abgezweigt. Zum Beispiel kann ein Teil zur Bewässerung von Feldern verwendet werden oder Ausleitungsstrecken zu Wasserkraftwerken führen. Das Aufstauen von Flüssen kann zu einer Verlangsamung der Fließgeschwindigkeit und damit zu einer Erwärmung führen.

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2 Auswirkung des Treibhauseffektes

2.1 Einflüsse

Steigt die Durchschnittstemperatur der Erde, können sich wichtige Einflüsse auf die Wassertemperaturen ändern. Von Bedeutung sind die kurz- und langwellige Strahlung, aber auch die Lufttemperaturen. Durch einen zunehmenden Einfluß des Treibhauseffekts erhöht sich die langwellige atmosphärische Gegenstrahlung. Damit steigt auch die Luft- und Wassertemperatur.

  • Durch den Strom latenter Wärme an der Grenzfläche Wasser-Luft geht Wärme aus der Luft auf das Flusswasser über.
  • Da die Grundwassertemperaturen von den mittleren Lufttemperaturen abhängig sind, werden auch sie steigen. Das beeinflusst direkt die Temperatur des Quellwassers. Da sich Grundwasser über längere Zeit in tiefen Schichten des Bodens aufhält, kann der Temperaturanstieg abhängig von hydrogeologischen Bedingungen um Jahre bis Jahrzehnte verzögert eintreten.
  • Durch frühere Schneeschmelze oder Änderungen in den jahreszeitlichen Änderungen der Abflussmengen könnten die Wassertemperaturen früher oder stärker ansteigen.
  • Veränderungen in der Vegetation der Flussufer hält der WWF für weniger bedeutend, weil die Effekte durch veränderte Landnutzung einen viel stärkeren Einfluß haben.

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2.2 Bisherige Entwicklung der Durchschnittstemperaturen

Des Word Wide Fund of Nature (WWF) veröffentlichte am 19.3.2009 die Studie. In ihr heißt es, dass die Messreihen für Wassertemperaturen wesentlich kürzer seien als die für die Lufttemperaturen. Außerdem verwendeten die Reihen unterschiedliche Methoden zur Trendanalyse. Dennoch zeigte ein Vergleich, dass es einen Trend zueiner Zunahme der mittleren oder der extremen Wassertemperaturen gebe. Die Studie kommt durch den Vergleich der ihr vorliegenden Untersuchungen zum Schluß, dass die Wassertemperatur der mitteleuropäischen Flüsse im Laufe des 20. Jahrhunderts bereits um etwa 1 Grad Celsius gestiegen sei. Sie belegt dies durch eine Tabelle mit den Ergebnissen der einzelnen Meßreihen. Weiter kommt sie zum Schluß, dass

  • es wahrscheinlich sei, dass der Klimawandel in den gemäßigten Gewässern bereits eine Erwärmung der Fließgewässer bewirkt.
  • die mittleren Temperaturen und die minimalen und maximalen Wassertemperaturen in gleichem Maße steigen.
  • sowohl das Aufstauen als auch die Kühlwasserentnahme in manchen Flüssen zu einem weiteren Anstieg der mittleren Wassertemperaturen beitragen.
  • sich in den letzten 25 bis 30 Jahren die Erwärmung der Fließgewässer deutlich beschleunigt habe. Inwieweit das auf einen Klimawandel zurückzuführen sei, sei allerdings unklar.

Eine am 19.3.2009 veröffentlichte Studie der Organisation zeigte, dass die mittleren Fließgewässertemperaturen bis Mitte des 21. Jahrhunderts im Durchschnitt um etwa 1,5 Grad Celsius steigen werden.

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3 Folgen

3.1 Tier und Pflanzenwelt

In den Flüssen lebt eine Vielzahl von Tieren und Pflanzen. Sie haben sich bestimmten Umweltbedingungen angepaßt. Nur in ihnen können sie überleben. Erhöhen sich die Gewässertemperaturen, könnten nicht heimische Arten aus den wärmeren Gewässern des Südens vordringen. Unter den bisherigen Bedingungen des mitteleuropäischen Winter könnten sie nicht widerstehen. Dazu Georg Rast, Referent des WWF: „Wir empfinden die Kaltphasen in diesem Jahr (2009) als besonders hart. Dabei war es vor gar nicht allzu langer Zeit eher ein Regelfall, dass Flüsse und Seen zugefroren waren.“ (WWF, 2009)

Mit steigenden Temperaturen werden auch Epidemien und Seuchen im Tierreich wahrscheinlicher, so der WWF. So seien die niedrigen Abflüsse und zugleich hohen Wassertemperaturen im heißen Sommer 2003 offenbar die wesentliche Ursache für das im Rhein beobachtete Aalsterben. Auch klassische Kaltwasserbewohner wie die als Speisefisch beliebte Forelle kann nicht unbegrenzt in höher gelegene, kühlere Gewässerabschnitte ausweichen. Ihr Lebensraum schrumpft zunehmend.

Der WWF-Referent Georg Rast schätzte im Juli 2010 die Folgen für Flora und Fauna als gravierend ein. So würden beispielsweise Seuchen und Epidemien im Tierreich wahrscheinlicher. Im heißen Sommer 2003 waren offenbar niedrige Abflüsse und zeitgleiche hohe Wassertemperaturen die Ursache für ein massenhaftes Aalsterben, das im Rhein beobachtet wurde. Für Klassische Kaltwasserbewohner wie die Forelle wird der Lebensraum zunehmend kleiner. Eine Lösung wären höher liegende und damit kühlere Gewässerabschnitte. Doch in diese können sie nivcht unbegrenzt ausweichen. Der Anstieg der winterlichen Minimaltemperaturen könnte auch dafür sorgen, dass sich Pflanzen und Tiere aus anderen Teilen der Erde hier ansiedeln könnten. Man nennt sie invasive Arten. Bisher konnten sie die harten Bedingungen der mitteleuropäischen Winter nicht überstehen. Durch die höheren Temperaturen, auch in den Flissgewässern, könnte sich das ändern.(WWF, 2010)

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3.2 Stromproduktion

Nach Angaben des WWF wurden die zulässigen Grenzwerte, die ein Einleiten von erwärmtem Kühlwasser aus thermischen Kraftwerken einschränken bzw. untersagen, bereits in den Sommern 2003, 2006 und 2007 an unterschiedlichen Flüssen und Kraftwerksstandorten erreicht. „Häufigere kritisch hohe Fließgewässertemperaturen können deutliche Einbußen bei der Stromproduktion zur Folge haben. Im Extremfall ist gar die Versorgungssicherheit mit Strom gefährdet.“, warnt der WWF-Referent Georg Rast.

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4 Was kann man tun?

Der WWF sieht die Gefahr, dass die Flüsse durch erhöhte Lufttemperaturen, veränderte Schneeschmelze und die übermäßige Zufuhr von Warmwasser aus den thermischen Kraftwerken kollabieren könnten. Als Schutzmaßnahme fordert die Umweltschutzorganisation ein koordiniertes und ambitioniertes Flussmanagement, das sich an der Natürlichkeit von Gewässern orientiert. „Reich strukturierte, flache und frei fließende Gewässer mit Schatten spendenden Ufergehölzen können die zu erwartenden Auswirkungen noch am besten verkraften.“, erklärte Georg Rast. Daher seien verstärkte Anstrengungen zur Gewässerrenaturierung erforderlich.

„Erhöhte Lufttemperaturen, veränderte Schneeschmelze und die übermäßige Zufuhr von Warmwasser aus den Durchlaufkühlungen thermischer Kraftwerke – all diese Faktoren können unsere Flüsse zum kollabieren bringen“, warnt WWF-Experte Rast. „Die Flüsse sind wichtige Lebensadern und von enormer Bedeutung für Stromproduktion, Landwirtschaft, Trinkwasserversorgung oder auch Tourismus.“ Die Umweltstiftung WWF fordert ein koordiniertes und ambitioniertes Flussmanagement, um die Flüsse vor den Folgen des Klimawandels zu schützen. Es soll sich an der Natürlichkeit der Gewässer orientieren. „Reich strukturierte, flache und frei fließende Gewässer mit Schatten spendenden Ufergehölzen können die zu erwartenden Auswirkungen noch am besten verkraften“, sagt Georg Rast. Sei sei notwendig, sich verstärkt um Gewässerrenaturierung zu bemühen.

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Quellen

WWF, 2009: WWF-Studie: Deutschlands Flüsse werden immer wärmer, Pressemitteilung, WWF, 12.3.2009

WWF, 2010: Roland Gramling, Kühlwassermangel bei Kraftwerken, Pressemitteilung, WWF, 14.7.2010

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Quellen:
{1} WWF-Studie: Deutschlands Flüsse werden immer wärmer, Pressemitteilung, WWF, 12.3.2009

Autor

Autor: Jörg Wieprzeck
Copyright: © 2002–2010 Biosphaere www.biosphaere.info

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Aktualisierungen

14.07.2010: Artikel angelegt

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