EPFL-wetenschappers hebben twee mechanismen bestudeerd die kunnen helpen zuurstof naar de diepten van een meer te brengen, wat essentieel is voor het behoud van het ecosysteem van het meer. De klassieke diepwatervernieuwing door oppervlaktekoeling in de winter wordt door klimaatverandering minder efficiënt, vooral in diepe meren.

Meren moeten een bepaald niveau van opgeloste zuurstof bevatten om de waterkwaliteit te behouden en hun ecosystemen te behouden. Terwijl de bovenste lagen van een meer meestal rijk zijn aan zuurstof, dat is niet het geval voor diepere lagen; in de meeste meren, De zuurstofvoorziening van deze lagen vindt voornamelijk plaats via een proces dat convectieve koeling wordt genoemd en dat plaatsvindt tijdens de koelere herfst- en winterperiodes. Voor diepe meren in gematigde klimaten, zoals het meer van Genève, de winters zijn vaak niet koud genoeg om dit proces op voldoende schaal te laten plaatsvinden, wat betekent dat de zeer diepe wateren niet worden beïnvloed. De laatste convectieve afkoeling op volledige diepte in het Meer van Genève vond plaats in 2012 tijdens een strenge koudegolf (CIPEL).

Andere diepwatervernieuwingsmechanismen begrijpen

"Met klimaatverandering, er zijn steeds meer winters waarin niet aan de voorwaarden voor dit proces wordt voldaan, " zegt Rafael Reiss, een recente Ph.D. afgestudeerd aan EPFL's Ecological Engineering Laboratory (ECOL). "Dus we moeten andere mechanismen begrijpen die de zuurstofvoorziening van de diepere lagen van een meer mogelijk maken." Hij bestudeerde twee alternatieve diepwatervernieuwingsmechanismen als onderdeel van zijn Ph.D. stelling, beide worden veroorzaakt door wind:uitwisseling tussen bassins, waar water wordt uitgewisseld tussen het ondiepe Petit Lac en het diepere Grand Lac-bekken, en kustopwelling. "In tegenstelling tot convectieve koeling die wordt veroorzaakt door koude luchttemperaturen, de mechanismen die we hebben onderzocht zijn minder gevoelig voor klimaatverandering omdat ze door de wind worden aangedreven. Ze komen elke winter meerdere keren voor in het Meer van Genève en zouden daardoor een steeds belangrijkere rol kunnen spelen bij het vernieuwen en beluchten van de diepere lagen, ' zegt Reis.

Water in deze diepe lagen is meestal koud, zuurstofarm en voedselrijk. De bovenste lagen, anderzijds, zijn warmer met hogere concentraties zuurstof en lagere concentraties nutriënten. De twee lagen mengen het grootste deel van het jaar nauwelijks met elkaar vanwege hun verschillende dichtheden - warm water is minder dicht dan koud water, wat leidt tot een zogenaamde stabiele stratificatie. Maar zodra de luchttemperatuur in de herfst en winter daalt, het oppervlaktewater koelt af en de stabiele gelaagdheid wordt van boven naar beneden geleidelijk uitgehold. Als de winter koud genoeg is, de wateren aan de oppervlakte dezelfde temperatuur bereiken, en bijgevolg dezelfde dichtheid, als de diepere wateren. Het resultaat is een volledige kanteling van de waterkolom, waarbij zuurstof uit de bovenste lagen naar de bodem wordt gebracht en voedingsstoffen uit de onderste lagen naar de oppervlakte komen.

Diepwatervernieuwing meerdere keren per winter

Reiss' studie toonde aan dat, onder invloed van de draaiing van de aarde, de sterke winterwinden die vaak vanuit het zuidwesten over het Meer van Genève waaien, duwen de kustwateren aan de noordelijke oever van het Grand Lac naar het midden van het meer, waarbij deze wateren worden vervangen door het stijgen van diepere wateren. Dezelfde wind stuwt het oppervlaktewater van het Petit Lac naar het Grand Lac, waardoor diepere wateren van het Grand Lac hun plaats innemen. Deze twee complexe uitwisselingsmechanismen zorgen ervoor dat de zuurstofarme, voedselrijke onderlagen om naar boven te stijgen, soms van een diepte van meer dan 200 meter (het Meer van Genève heeft een maximale diepte van 309 meter). Deze opgezwollen, diepe wateren kunnen meerdere dagen dicht bij de oppervlakte blijven (of zelfs de oppervlakte bereiken) voordat ze weer afdalen naar grote diepte, waardoor ze door uitwisseling met de bovenste lagen en de atmosfeer kunnen worden verrijkt met zuurstof.

Om deze studie uit te voeren, Reiss en zijn team brachten eerst twee winters door met het verzamelen van gegevens in het veld, het meten van stroomsnelheden en watertemperaturen. Vervolgens gebruikten ze een 3D-hydrodynamisch model en combineerden dit met een modelleringstechniek die deeltjesvolging wordt genoemd om de paden van het opwellende water tot in detail te analyseren. "Onze bevindingen laten zien hoe complex deze mechanismen zijn, ", zegt Reiss. "Ze spelen zich af in 3D, wat betekent dat ze niet kunnen worden beschreven met behulp van de eendimensionale modellen die vaak worden gebruikt om de impact van klimaatverandering op meren te voorspellen. Deze mechanismen verdienen nadere aandacht bij de beoordeling van diepwatervernieuwing in grote, diepe meren."