Flüssen geht die Puste aus – und damit auch Lebewesen, die sie beherbergen
von Li Li, Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen, Penn State University
Mit der Erwärmung durch den Klimawandel verlieren Flüsse gelösten Sauerstoff aus ihrem Wasser. Dieser Prozess, der als Desoxygenierung bezeichnet wird, war bereits in großen Gewässern wie Ozeanen und Seen bekannt. Eine Untersuchung, die meine Kollegen und ich gerade in Nature Climate Change veröffentlicht haben, zeigt, dass das auch in Flüssen der Fall ist. Eine Zusammenfassung von Li Li am 14.09.2023 auf The Conversation (CC BY-SA 4.0).
Rhein mit Flusskreuzfahrtschiff bei Walluf – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify
Wir dokumentierten diese Veränderung, indem wir eine Art von künstlicher Intelligenz, ein sogenanntes Deep-Learning-Modell – genauer gesagt ein Modell mit Langzeitgedächtnis – zur Vorhersage von Wassertemperatur und Sauerstoffgehalt einsetzten. Die Daten, mit denen wir das Modell fütterten, umfassten vergangene Aufzeichnungen der Wassertemperatur und der Sauerstoffkonzentration in Flüssen, zusammen mit vergangenen Wetterdaten und den Merkmalen des angrenzenden Landes – zum Beispiel, ob es sich um Städte, Bauernhöfe oder Wälder handelt.
Die ursprünglichen Wassertemperaturen und Sauerstoffdaten wurden jedoch nur spärlich und oft in unterschiedlichen Zeiträumen und mit unterschiedlicher Häufigkeit gemessen. Dies machte es vor unserer Studie schwierig, Vergleiche zwischen den Flüssen und den verschiedenen Zeiträumen anzustellen.
Unter Verwendung all dieser Informationen von 580 Flüssen in den USA und 216 Flüssen in Mitteleuropa rekonstruierte unser KI-Programm die täglichen Temperaturen und Sauerstoffwerte in diesen Flüssen von 1981 bis 2019. Außerdem haben wir künftige Klimaprojektionen verwendet, um künftige Wassertemperaturen und Sauerstoffgehalte vorherzusagen. Auf diese Weise konnten wir vergangene und künftige Wassertemperaturen und Sauerstoffgehalte in Hunderten von Flüssen konsistent vergleichen, was ohne KI nicht möglich gewesen wäre.
Wir fanden heraus, dass sich die Flüsse in den USA im Durchschnitt um 0,16 Grad Celsius (0,29 Grad Fahrenheit) pro Jahrzehnt und in Mitteleuropa um 0,27 Grad Celsius (0,49 Grad Fahrenheit) pro Jahrzehnt erwärmen. Die Deoxygenierungsraten erreichten 1 % bis 1,5 % Verlust pro Jahrzehnt. Diese Raten sind schneller als die Deoxygenierungsraten in den Ozeanen und langsamer als die in Seen und Küstenregionen.
Städtische Flüsse erwärmen sich am schnellsten, während Flüsse in landwirtschaftlich genutzten Gebieten am schnellsten Sauerstoff verlieren. Dies könnte teilweise auf die Verschmutzung durch Nährstoffe zurückzuführen sein, die in Verbindung mit wärmeren Gewässern zu großen Algenblüten führen. Wenn die Algen absterben und sich zersetzen, führt dieser Prozess zu einer Verringerung des gelösten Sauerstoffs im Wasser.
Warum das wichtig ist
Sauerstoff ist wichtig für Pflanzen, Tiere, Fische und Wasserinsekten, die in Flüssen leben. Diese Organismen atmen gelösten Sauerstoff aus dem Flusswasser. Wenn der Sauerstoffgehalt zu sehr sinkt, ersticken die Arten in den Flüssen.
Während Wissenschaftler wissen, dass Ozeane und Seen im Zuge der Klimaerwärmung an Sauerstoff verlieren, dachten wir bisher hauptsächlich, dass Flüsse vor diesem Problem sicher seien. Flüsse sind flach, und schnell fließendes Wasser kann Sauerstoff schneller direkt aus der Luft aufnehmen als stehendes Wasser. Flüsse beherbergen auch Pflanzen, die Sauerstoff produzieren.
Der Zustand der Flüsse wirkt sich auf alles in und um sie herum aus, von den Wasserlebewesen bis hin zu den Menschen, die auf die Flüsse als Wasser-, Nahrungs-, Transport- und Erholungsquelle angewiesen sind. Erwärmte Flüsse mit niedrigem Sauerstoffgehalt könnten ein Fischsterben und eine Verschlechterung der Wasserqualität zur Folge haben. Die Fischerei, der Tourismus und sogar die Immobilienwerte entlang der Flüsse könnten zurückgehen, was sich auf die Lebensgrundlagen und die Wirtschaft auswirkt.
Da sich die Luft im Zuge des Klimawandels erwärmt, werden auch die Flüsse wärmer werden. Wenn die Temperatur einer Flüssigkeit steigt, nimmt ihre Fähigkeit, Gase zu speichern, ab. Das bedeutet, dass der Klimawandel den gelösten Sauerstoff im Flusswasser weiter reduzieren wird.
In extremen Fällen kann dieser Prozess zu toten Zonen führen, in denen Fische und andere Arten nicht überleben können. Tote Zonen bilden sich bereits in Küstengebieten wie dem Golf von Mexiko und dem Eriesee. Wir haben festgestellt, dass einige Flüsse, vor allem in wärmeren Gebieten wie Florida, in Zukunft mit mehr sauerstoffarmen Tagen konfrontiert werden könnten.
Was kommt als Nächstes?
Die meisten unserer Daten über gelösten Sauerstoff wurden tagsüber gesammelt, wenn die Pflanzen in den Flüssen aktiv Sauerstoff durch Photosynthese mit Hilfe des Sonnenlichts produzieren. Das bedeutet, dass unsere Ergebnisse das Problem des niedrigen Sauerstoffgehalts möglicherweise unterschätzen. In der Nacht, wenn die Pflanzen keinen Sauerstoff produzieren, könnte der Gehalt an gelöstem Sauerstoff niedriger sein.
Ich betrachte diese Forschungsergebnisse als einen Weckruf für weitere Untersuchungen darüber, wie sich der Klimawandel weltweit auf die Wasserqualität der Flüsse auswirkt. Bessere Überwachung und mehr Analysen können das ganze Ausmaß der Desoxygenierung von Flüssen deutlicher machen.