Natural and anthropogenic tipping points in a Mediterranean karstic lake: evidence from Lake Estanya (NE Spain)

Seen sind nicht bloß statische Wasserbecken; sie sind dynamische Systeme, die atmen, sich mischen und als Reaktion auf den Himmel über ihnen und das Land um sie herum sich verändern. In vielen Teilen der Welt, insbesondere in Regionen mit heißen, trockenen Sommern und nassen Wintern, sind diese Gewässer unglaublich empfindlich gegenüber Verschiebungen des Klimas und menschlicher Aktivitäten. Wissenschaftler, die die Geschichte von Seen untersuchen, sogenannte Paläolimnologen, betrachten die Schichten des Schlamms am Boden, um eine Aufzeichnung der Vergangenheit zu lesen. Sie überwachen auch das Wasser in Echtzeit, um zu sehen, wie es auf das aktuelle Wetter reagiert. Ein Schlüsselkonzept in diesem Bereich ist der „Kipppunkt“ – ein Moment, in dem eine kleine Veränderung der Bedingungen ein System in einen völlig neuen Zustand drängt, aus dem es nicht ohne Weiteres zurückkehren kann. Beispielsweise könnte ein See plötzlich aufhören, seine oberen und unteren Schichten zu mischen, wodurch das Tiefenwasser in einem permanenten Zustand von Sauerstoffmangel gefangen bleibt. Das Verständnis darüber, wann und warum diese Verschiebungen stattfinden, ist entscheidend, denn die Gesundheit eines Sees bestimmt die Qualität des Wassers für Trinkwasser, die Landwirtschaft und das Überleben der darin lebenden Kreaturen.

In den Pyrenäen im Nordosten Spaniens ist ein kleiner, flacher See namens Estanya zu einer kritischen Fallstudie für diese Veränderungen geworden. Dieser See liegt in einem Becken, das von Gips und Kalkstein umgeben ist, eine geologische Umgebung, die sein Wasser von Natur aus reich an Salzen und Mineralien macht. Jahrzehntelang glaubten Wissenschaftler, Estanya sei ein „warm monomiktischer“ See, ein technischer Begriff, der bedeutet, dass er sich im Sommer erwärmt, in Schichten gliedert und sich dann während der kalten Wintermonate vollständig von oben nach unten durchmischt. Diese jährliche Mischung ist essenziell, da sie Sauerstoff in das tiefe Wasser bringt und so das Ökosystem am Leben erhält. Eine neue Studie, die moderne Überwachung mit alten Sedimentaufzeichnungen kombiniert, hat jedoch enthüllt, dass dieser See eine große Schwelle überschritten hat. Er hat sich von einem See, der jedes Jahr mischt, zu einem See gewandelt, der permanent geschichtet ist, wobei seine tiefen Gewässer von der Oberfläche und dem Sauerstoff, den sie benötigen, abgeschnitten sind.

Die Geschichte dieser Veränderung beginnt mit einem genauen Blick auf die letzten Jahre. Zwischen 2018 und 2023 platzierten Forscher automatisierte Sensoren im See, um die Temperatur des Wassers in verschiedenen Tiefen jede Stunde zu verfolgen. Sie sammelten auch Wasserproben, um Salzgehalte und chemische Signaturen zu messen. Die Daten erzählten eine dramatische Geschichte. Im Jahr 2018, nach einer Phase schwerer Dürre, verdampfte das Oberflächenwasser des Sees stark, wodurch es viel salziger und dichter wurde. Als die Herbstregen schließlich einsetzten, ergossen sie frisches, leichtes Wasser auf die Oberfläche. Anstatt zu sinken und sich zu mischen, trieb dieses Frischwasser auf dem dichten, salzigen Tiefenwasser. Die beiden Schichten weigerten sich, sich zu vermischen. Bis zum darauffolgenden Winter war das Oberflächenwasser abgekühlt, aber es wurde nie kalt genug, um schwer genug zu werden, um durch die salzige Schicht darunter zu sinken. Das Tiefwasser, das am Boden gefangen war, blieb isoliert, warm und ohne Sauerstoff. Dieser Zustand, bekannt als chemische Meromixis, hat seit 2018 jedes Jahr angehalten und eine permanente Barriere zwischen der Oberfläche und der Tiefe geschaffen.

Um zu verstehen, wie dies geschehen konnte, grub das Team in die Vergangenheit des Sees. Sie extrahierten einen Sedimentskern, einen etwa 41 Zentimeter langen Schlammzylinder, der eine Geschichte des Sees von vor etwa 300 Jahren enthielt. Durch die Analyse der Chemie der Schlammschichten konnten sie sehen, wie sich der See über Jahrhunderte hinweg verhalten hatte. Die Aufzeichnungen zeigten, dass der See nicht immer so gewesen war. Um die Mitte des 19. Jahrhunderts, als die Welt gerade aus einer kühleren Periode, der sogenannten Kleinen Eiszeit, hervorging, erlebte der See seine erste große Verschiebung. Das Klima wurde wärmer und trockener, was zu mehr Verdunstung führte. Diese natürliche Veränderung drängte den See in einen salzigeren und eingeschränkteren Zustand und markierte einen natürlichen Kipppunkt, an dem der See weniger in der Lage war, sich vollständig zu mischen.

Die jüngste und alarmierendste Verschiebung ereignete sich jedoch nach dem Jahr 2000. Die Sedimentschichten aus dieser Zeit erzählten eine andere Geschichte, die von Menschenhand gesteuert wurde. Der Schlamm zeigte einen scharfen Anstieg von Stickstoff, einem Nährstoff, der für das Pflanzenwachstum essenziell, in Überschuss jedoch gefährlich ist. Die chemische Signatur dieses Stickstoffs deutete direkt auf landwirtschaftliche Düngemittel und Viehabfälle von den umliegenden Farmen hin. Gleichzeitig indizierten die Kohlenstoffisotope im Sediment einen massiven Boom des Algenwachstums. Der See war eutrophiert geworden, ein Zustand, in dem zu viele Nährstoffe dazu führen, dass Pflanzen und Algen wild wachsen. Wenn diese Organismen absterben, sinken sie zum Boden und werden von Bakterien zersetzt, ein Prozess, der Sauerstoff verbraucht. Da der See bereits geschichtet war und das Tiefenwasser von der Oberfläche abgeschnitten war, schuf dieser Sauerstoffverbrauch eine permanente, sauerstofffreie Zone am Boden. Die Forscher fanden heraus, dass dies nicht nur eine natürliche Fluktuation war, sondern ein beispielloser anthropogener Kipppunkt, bei dem intensive Landwirtschaft mit einem sich ändernden Klima zusammenwirkte, um den See in einen neuen, instabilen Zustand zu drängen.

Die Studie untersuchte auch Schwefel, ein weiteres Element, das in dem Gipsgestein des Sees vorkommt. Die chemische Geschichte des Schwefels im Schlamm zeigte einen klaren Übergang. Jahrhundertelang deuteten die Schwefelisotope auf ein System hin, das sich mischte und Sauerstoff kreislaufartig austauschte. Doch als sich der See seinem jetzigen Zustand annäherte, änderte sich die Schwefelaufzeichnung und spiegelte eine Verschiebung hin zu einer stagnanteren, evaporativen Umgebung wider. Dieser chemische Beweis, kombiniert mit den Temperaturdaten und den Stickstoffspitzen, bestätigte, dass der See eine Linie überschritten hatte. Er reagierte nicht mehr nur auf das Wetter; er war in ein neues Regime eingetreten, in dem das Tiefenwasser dauerhaft isoliert war.

Die Auswirkungen dieser Entdeckung reichen weit über diesen einzelnen Bergsee hinaus. Die Forscher argumentieren, dass der See Estanya ein Warnsignal für andere Karstseen in der Mittelmeerregion ist. Dies sind Seen, die in Kalkstein- oder Gipsgebieten entstanden sind, oft flach und anfällig für Verdunstung. Wenn eine langanhaltende Dürre die Salze im Tiefenwasser konzentriert und ein anschließender Regen eine frische Schicht darüber bildet, kann der See in diesen geschichteten Zustand geraten. Wenn dies geschieht, wird das Tiefenwasser zu einer „Zeitkapsel“ der vorangegangenen Dürre, die hohe Salzkonzentrationen und toxische Chemikalien festhält. Wenn der See in diesem Zustand bleibt, kann der Sauerstoffmangel zur Freisetzung toxischer Verbindungen aus dem Sediment führen, was das gesamte Ökosystem schädigen könnte.

Das Team betont, dass die erste Verschiebung im 19. Jahrhundert durch natürliche Klimaveränderungen getrieben wurde, die aktuelle Situation jedoch anders ist. Die Kombination aus extremen Wetterlagen und dem intensiven Einsatz von landwirtschaftlichen Düngemitteln hat einen „perfekten Sturm“ geschaffen. Der See ist nun in einem Zustand, in dem er an der Oberfläche hochproduktiv, aber am Boden tot ist. Die Forscher legen nahe, dass der See ohne dringende Änderungen im Management der umliegenden Flächen, insbesondere durch die Reduzierung des Düngemittelabflusses, nicht in der Lage sein wird, sich zu erholen. Das Zeitfenster, um diesen irreversiblen Schaden zu verhindern, schließt sich. Durch das Verständnis des präzisen Augenblicks, in dem der See seinen Kipppunkt überschritten hat, hoffen Wissenschaftler, einen Bauplan für den Schutz dieser fragilen Ökosysteme zu liefern. Die Geschichte des Sees Estanya ist eine klare Erinnerung daran, dass der Klimawandel und menschliche Aktivitäten zusammenwirken und natürliche Systeme in neue und gefährliche Gebiete drängen können, die das Wesen des Wassers, auf das wir angewiesen sind, grundlegend verändern.