Gelöster Sauerstoff und Seeschichtung

Sauerstoff ist der Schlüssel zum Leben – die meisten Organismen können ohne ihn nicht überleben, auch nicht die unter Wasser. Saisonale Wettermuster und die physikalischen Eigenschaften des Wassers können die Temperatur und den Gehalt an gelöstem Sauerstoff in der gesamten Wassersäule beeinflussen. Warum ist dies so wichtig? Weil die jahreszeitlichen Wettermuster und -zyklen in direktem Zusammenhang damit stehen, wie viel Leben ein aquatisches Umfeld unterstützen kann.

Graden Levels: Mittelstufe 5. bis 8. Klasse

Leistungserwartungen:

• MS-ESS3-4 Erde und menschliche Aktivitäten: Konstruieren Sie ein durch Belege gestütztes Argument dafür, wie sich die Zunahme der menschlichen Bevölkerung und der Pro-Kopf-Verbrauch natürlicher Ressourcen auf die Systeme der Erde auswirken.
• MS-LS2-4 Ökosysteme: Wechselwirkungen, Energie und Dynamik: Konstruieren Sie ein Argument, das durch empirische Beweise gestützt wird, dass Veränderungen der physikalischen oder biologischen Komponenten eines Ökosystems sich auf die Populationen auswirken.

Ziel: Die Schüler sind in der Lage zu beschreiben, wie die thermische Schichtung eines Sees und der Gehalt an gelöstem Sauerstoff mit der Fähigkeit eines Sees zusammenhängen, tierisches Leben zu unterstützen. Diese Lektion und Aktivität nutzen den 5-E-Lernzyklus. Um mehr darüber zu erfahren, lesen Sie das Factsheet zum 5-E-Lernmodell.

Ziele

Nach Abschluss dieser Lektion können die Schüler:

• Beschreiben, was thermische Schichtung ist und warum einige Seen in gemäßigten Regionen geschichtet sind.
• Zusammenfassen, wie die thermische Schichtung von Seen den gelösten Sauerstoff beeinflusst.
• Konstruieren und interpretieren Diagramme von gelöstem Sauerstoff und Wassertiefe.
• Verstehen und definieren hypoxische Zonen, anoxische Zonen und tote Zonen.
• Diskutieren die Bedeutung von gelöstem Sauerstoff für Organismen.
• Verstehen den Zusammenhang zwischen Nährstoffeintrag und toten Zonen.

Begriffe, die man am Ende der Lektion kennen sollte:

• Gelöster Sauerstoff
• Umsatz
• Atmosphärische Diffusion
• Thermische Schichtung
• Hypolimnion, Metallimnion und Epilimnion
• Produktivität
• Hypoxische Zone
• Anoxische Zone
• Tote Zone
• Bakterielle Zersetzung

Hintergrund

Vom späten Frühjahr bis zum frühen Herbst, kommt es in einigen Seen der gemäßigten Klimazonen zu einer thermischen Schichtung, einem Phänomen, bei dem sich die Seen in drei unterschiedliche thermische Schichten aufteilen (Abbildung 1). Die Erwärmung der Wasseroberfläche durch die Sonne führt zu Schwankungen der Wasserdichte und löst die thermische Schichtung aus. Kühleres, dichteres Wasser setzt sich am Boden des Sees ab und bildet das Hypolimnion. Eine Schicht mit wärmerem Wasser, das Epilimnion, schwimmt obenauf. Eine dünne Mittelschicht, das so genannte Metalimnion (oder Thermokline), trennt die obere und die untere Schicht und ist durch einen schnellen Wechsel der Wassertemperatur gekennzeichnet. Diese Trennung ist oft stark genug, um einer Vermischung der Schichten durch den Wind zu widerstehen.

Die extremste thermische Schichtung tritt in Seen während der warmen Sommermonate auf. Während der Herbstumwälzung kühlt das Epilimnion ab, sinkt und fällt unter die Sprungschicht, was zu einer Durchmischung führt. Die thermische Schichtung eines Sees hängt von der Tiefe, Form und Größe des Sees ab. In einigen kleinen, flachen Seen gibt es möglicherweise keine saisonale thermische Schichtung, da der Wind den gesamten See durchmischt. Andere Seen, wie der Eriesee, haben eine Kombination aus geografischer Lage und Wassertiefe, die regelmäßig zu einer thermischen Schichtung führt.

Abbildung 1: Wassertemperatur und thermische Schichtung im See.

Sauerstoff kann über drei verschiedene Wege in einen See gelangen. Der Hauptmechanismus ist die atmosphärische Diffusion, bei der Luftsauerstoff aufgrund unterschiedlicher Sauerstoffkonzentrationen vom Oberflächenwasser aufgenommen wird. Zweitens betreiben Wasserpflanzen Photosynthese und geben Sauerstoff an das Wasser ab. Schließlich bringen Flüsse und Bäche sauerstoffreiches Wasser in den See. In geschichteten Seen erhält das Hypolimnion nur wenig Sauerstoff aus der Atmosphäre und ist zu dunkel, um sauerstoffproduzierendes Pflanzenleben zu unterstützen. Der Eintrag aus Flüssen hat nur minimale Auswirkungen auf den Sauerstoffgehalt großer Gewässer wie dem Eriesee. Daher erhält das tiefe Hypolimnion während der sommerlichen thermischen Schichtung nur sehr wenig gelösten Sauerstoff.

Seen können durch ihre Produktivität beschrieben werden. Dies bezieht sich auf die Menge der in einem See verfügbaren Nährstoffe und die Primärproduktion bzw. das Pflanzen- und Algenwachstum, das sie unterstützen. Die Definition des trophischen (Nährstoff- oder Wachstums-) Status ist ein Mittel zur Klassifizierung von Seen in Bezug auf ihre Produktivitätsstufen. Folgende Trophiestufen werden unterschieden:

• Oligotroph (olig-oh-trof-ik) – Ein oligotropher See hat niedrige Nährstoffkonzentrationen und ein geringes Pflanzenwachstum (z. B. Lake Superior). Er gilt in der Regel als wenig produktiv.
• Eutroph (yoo-trof-ik) – Ein eutropher See hat eine hohe Nährstoffkonzentration und ein hohes Pflanzenwachstum. (z.B. Eriesee). Er gilt als sehr produktiv.
• Mesotroph (meso-trof-ik) – Mesotrophe Seen liegen irgendwo zwischen eutrophen und oligotrophen Seen. Sie gelten als Seen mit durchschnittlicher Produktivität.

In eutrophen Seen, wie dem Eriesee, wachsen im Sommer große Algenblüten an der Oberfläche. Die Algen benötigen große Mengen an Nährstoffen, um diese Blüte zu bilden. Wenn die Algen absterben, sinkt die Blüte auf den Grund und wird von Bakterien zersetzt. Für die Zersetzung durch Bakterien, d. h. die biologische Zerlegung eines Stoffes in einfachere Elemente, wird Sauerstoff benötigt. Der Sauerstoffverbrauch und die geringe Sauerstoffzufuhr im Hypolimnion führen zu extrem niedrigen Sauerstoffwerten während der thermischen Schichtung.

Abbildung 2. Tote Zonen im Eriesee von 1970-2002.

Wenn der Gehalt an gelöstem Sauerstoff unter 2 mg/l fällt, wird das Wasser als hypoxisch bezeichnet. Nähert es sich 0 mg/l, wird es anoxisch. Eine tote Zone ist ein Bereich innerhalb eines Sees, der entweder hypoxisch oder anoxisch ist und in dem nur wenige Organismen überleben können. Sauerstoff verbrauchende Organismen in toten Zonen ersticken entweder oder verlassen das Gebiet. Nach den Wasserqualitätsnormen von Michigan ist für Kaltwasserfische eine Mindestsauerstoffkonzentration von 7 mg/l und für Warmwasserfische eine Mindestkonzentration von 5 mg/l erforderlich (MDEQ, 1994).

Abbildung 3. Bathymetriekarte des Eriesees (Credit:NOAA).

Im flachen zentralen Becken des Eriesees gibt es tote Zonen. Wissenschaftler aus dem gesamten Einzugsgebiet der Großen Seen überwachen den See, indem sie Wasserqualitätsdaten sammeln und weitergeben, um besser zu verstehen, was zur Bildung von toten Zonen beiträgt. Eines der benutzerfreundlichsten Datenportale ist das Projekt Great Lakes FieldScope. Dieses Projekt, das im Rahmen einer Partnerschaft zwischen Michigan Sea Grant und National Geographic ins Leben gerufen wurde, sammelt Wasserqualitätsdaten aus der Region der Großen Seen und ermöglicht es den Nutzern, ihre eigenen Daten einzugeben oder regionale Wasserqualitätsdaten mithilfe von Diagrammen und Karten zu erkunden. Das Programm ist benutzerfreundlich und robust genug, um grundlegende wissenschaftliche Untersuchungen durchzuführen – perfekt für eine einführende Lektion über thermische Schichtung und tote Zonen.

Die folgende Lektion ist für Schüler der Mittelstufe (Klassen 6-8) geeignet. Sie befasst sich mit Wasserqualitätsdaten, die in der FieldScope-Projektdatenbank der Großen Seen gespeichert sind, und verwendet FieldScope-basierte interaktive Analyse- und Kartierungswerkzeuge. Diese Lektion, zusammen mit dem Arbeitsblatt und dem Schlüssel für das Arbeitsblatt, finden Sie auch auf der Michigan Sea Grant Website unter www.michiganseagrant.org/lessons/. Klicken Sie auf die Registerkarte Explore Lessons & Data und suchen Sie dann nach Oxygen in Water.

Engage

Dieser Teil der Lektion sollte das Interesse der Schüler wecken, wenn möglich an frühere Kursarbeiten anknüpfen und in das Thema einführen.

1. Fangen Sie an, indem Sie die Schüler fragen, ob sie im Sommer in einem See oder Teich geschwommen sind und kaltes Wasser an ihren Füßen gespürt haben. Wenn ja, dann haben sie vielleicht die thermische Schichtung gespürt. Fragen Sie die SchülerInnen, ob sie den Begriff „thermische Schichtung“ definieren können, und klären Sie dann, was das ist, indem Sie die oben genannten Hintergrundinformationen verwenden. Ermutigen Sie die SchülerInnen, Fragen darüber zu stellen, warum sich das Wasser schichtet. Die Lehrkräfte können die thermische Schichtung mit der Schichtung von Öl und Essig vergleichen. Öl und Essig haben unterschiedliche Dichten, daher schwimmt das eine auf dem anderen. Dies ist ähnlich wie bei Wasser mit unterschiedlichen Temperaturen. Kaltes Wasser ist dichter als warmes Wasser. Dichteres Wasser sinkt, wärmeres Wasser schwimmt, so dass Schichten entstehen. Dies ist eine gute Gelegenheit, um Abbildung 1 zu präsentieren und den Schülern die Möglichkeit zu geben, Fragen zu stellen.

1. Fragen Sie die Schüler, ob sie etwas über gelösten Sauerstoff wissen. Um ihnen das Verständnis zu erleichtern, fragen Sie sie, ob sie jemals einen Sprudelstein in einem Aquarium gesehen haben. Wenn ja, fragen Sie, warum sie verwendet werden. Einige Antworten könnten sein: Sprudelsteine lassen das Wasser zirkulieren und erhöhen den Sauerstoffgehalt im Aquarium, indem sie dem System direkt Sauerstoff zuführen und die Wassermenge erhöhen, die mit der Luft in Kontakt kommt. Dies fördert die atmosphärische Diffusion von Sauerstoff in das Wasser.

1. Besprechen Sie nun die Luftdiffusion auf der Ebene eines Sees. Auf welche Weise könnte ein See Sauerstoff erhalten? Besprechen Sie die oben angegebenen Hintergrundinformationen, damit die Schüler die drei Methoden der Sauerstoffdiffusion kennen. Die meisten Schüler wissen, dass Pflanzen Sauerstoff produzieren, und die Lehrkräfte können diese Idee mit der aquatischen Umwelt in Verbindung bringen. Fragen Sie die Schüler, warum sie denken, dass gelöster Sauerstoff in einem See wichtig ist. Vergewissern Sie sich, dass die Schüler verstehen, dass Wassertiere ebenso wie Landtiere Sauerstoff benötigen. Beschreiben Sie, wie viel Sauerstoff Kaltwasser- und Warmwasserfische benötigen. Erklären Sie dann, wie der Sauerstoffgehalt zu bestimmten Jahreszeiten aufgrund der thermischen Schichtung sehr niedrig werden kann. Führen Sie das Konzept der toten Zonen ein. Dies ist eine gute Gelegenheit, um Abbildung 2 zu zeigen.

Erforschen &Erklären

• Aktivität: Wie der gelöste Sauerstoff mit der Seetiefe und der thermischen Schichtung variiert (mit Great Lakes FieldScope)
  Zusammenfassung: Die Schüler können beschreiben, wie die thermische Schichtung eines Sees und der Gehalt an gelöstem Sauerstoff mit der Fähigkeit eines Sees, tierisches Leben zu beherbergen, zusammenhängen.
  Zeit: 50 Minuten Unterrichtszeit.

Erarbeiten

In diesem Abschnitt werden den Schülern zusätzliche Ressourcen zum Thema Hypoxie bereitgestellt. Diese bieten Informationen darüber, wie sich der Gehalt an gelöstem Sauerstoff auf wichtige Dienstleistungen wie Trinkwasser und Erholung auswirken kann.

Ressourcen:

• Schädliche Algenblüten und Hypoxie
• Faktenblatt zum Eriesee
• Experimentelles Hypoxie-Warnsystem
• Faktenblatt zur Hypoxie
• Was ist eine tote Zone
• Was verursacht eine tote Zone?

Diskussionsfragen:

• Wie kann der Gehalt an gelöstem Sauerstoff die in einem See lebenden Organismen beeinflussen?
• Wie können menschliche Aktivitäten tote Zonen beeinflussen?
• Welche Auswirkungen hat Hypoxie auf das Ökosystem/Nahrungsnetz des Eriesees?

Die Schüler sollten alles, was sie bis zu diesem Punkt gelernt haben, in einem kleinen Bericht zusammenfassen und ihre Ergebnisse dem Rest der Klasse präsentieren. Der Bericht könnte Diagramme, Antworten auf das Arbeitsblatt und Diskussionsfragen sowie Informationen aus dieser Lektion und den unten angegebenen Ressourcen enthalten.

Auswerten

Die Auswertung ist ein fortlaufender Prozess. Dieser Abschnitt der Lektion und der Aktivität gibt dem Ausbilder die Flexibilität, die Fortschritte der Schüler zu beurteilen und zu überwachen.

Eine Möglichkeit, zu beurteilen, ob die Schüler verstehen, wie tote Zonen entstehen, besteht darin, sie ein Diagramm der Schritte erstellen zu lassen, die zur Entstehung einer toten Zone in einem eutrophierten See führen. Das Diagramm könnte aus Kästchen und Pfeilen bestehen, die durch einen See verlaufen. Es würde mit dem Nährstoffeintrag beginnen, gefolgt von einer Algenblüte, die abstirbt und auf den Grund sinkt. Schließlich zersetzen Bakterien die Algen, wodurch der Sauerstoffgehalt sinkt und sich eine tote Zone bildet. Das Diagramm würde auch das Epilimnion, das Metalimnion und das Hypolimnion enthalten.

Auf der Grundlage der Aktivität und der Diskussion in der Klasse sollten die Schüler außerdem in der Lage sein:

• Beschreiben, was thermische Schichtung ist und warum einige Seen in gemäßigten Regionen geschichtet sind.
• Verstehen, wie sich die thermische Schichtung von Seen auf den gelösten Sauerstoff auswirkt.
• Konstruieren und interpretieren Sie Diagramme von gelöstem Sauerstoff und Wassertiefe.
• Verstehen und definieren Sie hypoxische Zonen, anoxische Zonen und tote Zonen.
• Diskutieren Sie die Bedeutung von gelöstem Sauerstoff für Organismen.

Aktivitäten

• Wie gelöster Sauerstoff mit der Seetiefe und der thermischen Schichtung variiert (mit Great Lakes FieldScope)
  Zusammenfassung: Die Schüler können beschreiben, wie die thermische Schichtung eines Sees und der Gehalt an gelöstem Sauerstoff mit der Fähigkeit eines Sees zusammenhängen, tierisches Leben zu unterstützen.
  Zeit: 50 Minuten Unterrichtszeit.
• Graphing Temperatures
  Zusammenfassung: Zeichnen Sie die Wassertemperaturen des Eriesees von der Oberfläche bis zum Grund des Sees auf.
  Zeit: Eine 50-minütige Unterrichtsstunde
  Tote Zonen – Lektion 3 Aktivität A: Standards und Bewertung
• Luftzufuhr: Grafische Darstellung des gelösten Sauerstoffs
  Zusammenfassung: Stellen Sie den gelösten Sauerstoff von der Oberfläche bis zum Grund des Eriesees grafisch dar.
  Zeit: Zwei 50-minütige Unterrichtsstunden
  Tote Zonen – Lektion 3 Aktivität B: Standards und Bewertung

Zusätzliche Abbildungen & Ressourcen

• Bathymetrie des Eriesees
• Schädliche Algenblüten und Hypoxie
• Faktenblatt zum Eriesee
• Experimentelles Hypoxie-Warnsystem
• Faktenblatt Hypoxie
• Was ist eine tote Zone?
• Was verursacht eine tote Zone?

Lektion & Datenquellen

Great Lakes Coastal Forecasting System. NOAA-Great Lakes Environmental Research Laboratory (GLERL) Ann Arbor, MI 48108. Autoren: Schwab, DJ, Beletsky, D, Bedford, KW, Lang, GA.

Great Lakes Water Data Sets for Teachers. Eastern Michigan University, Ypsilanti, MI 48197. Projekt unterstützt durch das Office of Education and Outreach am NOAA’s Great Lakes Environmental Research Laboratory, Ann Arbor, 48108. Autoren: Rutherford, S., Coffman, M., Marshall, A., Sturtevant, R., Klang, G., Schwab, D., LaPorte, E.

Louisiana Marine Education Resources – Gateways to Aquatic Science. Wieder an, wieder aus – Die tote Zone. Louisiana Sea Grant. Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803. Autoren: Lindstedt, D.Website, abgerufen am 1. Dezember 2009.

Michigan Department of Environmental Quality (MDEQ). 1994. Dissolved Oxygen. http://www.michigan.gov/documents/deq/wb-npdes-DissolvedOxygen_247232_7.pdf

Water on the Web – Monitoring Minnesota Lakes on the Internet and Training Water Science Technicians for the Future – A National Online Curriculum using Advanced Technologies and Real-time Data. Universität von Minnesota-Duluth, Duluth, MN 55812. Authors: Munson, BH, Axler, R, Hagley C, Host G, Merrick G, Richards C. Website, abgerufen am 1. Dezember 2009.