EPFL-forskare har studerat två mekanismer som kan hjälpa till att föra syre till djupet av en sjö - väsentligt för att bevara sjöns ekosystem. Den klassiska djupvattenförnyelsen orsakad av ytkylning under vintern blir mindre effektiv på grund av klimatförändringar, speciellt i djupa sjöar.

Sjöar behöver innehålla en viss nivå av löst syre för att bibehålla vattenkvaliteten och bevara sina ekosystem. Medan de övre lagren i en sjö vanligtvis är rika på syre, det är inte fallet för djupare lager; i de flesta sjöar, syresättning av dessa lager sker främst genom en process som kallas konvektiv kylning som sker under de kallare höst- och vinterperioderna. För djupa sjöar i tempererat klimat, som Genèvesjön, vintrarna är ofta inte tillräckligt kalla för att denna process ska ske i tillräcklig skala, vilket innebär att de mycket djupa vattnen inte påverkas. Den sista konvektiva kylningen på helt djup i Genèvesjön ägde rum 2012 under en kraftig köldperiod (CIPEL).

Förstå andra mekanismer för förnyelse av djupvatten

"Med klimatförändringarna, det finns fler och fler vintrar när de villkor som behövs för denna process inte är uppfyllda, säger Rafael Reiss, en färsk doktorsexamen. examen vid EPFL:s Ecological Engineering Laboratory (ECOL). "Så vi måste förstå andra mekanismer som kan möjliggöra syresättning av en sjös djupare lager." Han studerade två alternativa mekanismer för förnyelse av djupvatten som en del av sin doktorsexamen. avhandling, som båda induceras av vind:utbyte mellan bassänger, där vatten utbyts mellan den grunda Petit Lac och den djupare Grand Lac-bassängen, och kustuppväxt. "Till skillnad från konvektiv kylning som utlöses av kalla lufttemperaturer, de mekanismer vi studerade är mindre känsliga för klimatförändringar eftersom de är vinddrivna. De förekommer i Genèvesjön flera gånger varje vinter och kan därför spela en allt viktigare roll för att förnya och lufta de djupare lagren, säger Reiss.

Vatten i dessa djupa lager är vanligtvis kallt, syrefattig och näringsrik. De övre lagren, å andra sidan, är varmare med högre koncentrationer av syre och lägre koncentrationer av näringsämnen. De två lagren blandas knappt under större delen av året på grund av deras olika densitet - varmt vatten är mindre tätt än kallt vatten, leder till en så kallad stabil stratifiering. Men när lufttemperaturen sjunker under hösten och vintern, ytvattnet svalnar och den stabila skiktningen eroderas gradvis uppifrån och nedåt. Om vintern är tillräckligt kall, vattnet nära ytan når samma temperatur, och följaktligen samma densitet, som de djupare vattnen. Resultatet är en fullständig vältning av vattenpelaren, varvid syre från de övre lagren förs till botten och näring från de nedre lagren stiger till ytan.

Djupvattenförnyelse flera gånger per vinter

Reiss studie visade att under inverkan av jordens rotation, de starka vintervindarna som ofta blåser över Genèvesjön från sydväst driver kustvattnet vid den norra stranden av Grand Lac mot sjöns mitt, med dessa vatten som ersätts av stigande djupare vatten. Samma vindar driver ytvattnet i Petit Lac mot Grand Lac, vilket gör att djupare vatten från Grand Lac tar deras plats. Dessa två komplexa utbytesmekanismer orsakar syrefattiga, näringsrika nedre lager att stiga uppåt, ibland från djup över 200 meter (Genèvesjön har ett maximalt djup på 309 meter). Dessa växte upp, djupa vatten kan förbli nära ytan i flera dagar (eller till och med nå ytan) innan de sjunker tillbaka till stora djup, så att de kan berikas med syre genom utbyte med de övre lagren och atmosfären.

För att genomföra denna studie, Reiss och hans team tillbringade först två vintrar med att samla in data på fältet, mäta strömhastigheter och vattentemperaturer. De använde sedan en hydrodynamisk 3D-modell och kombinerade den med en modelleringsteknik som kallas partikelspårning för att analysera vägarna i uppströmsvattnet i detalj. "Våra resultat visar hur komplexa dessa mekanismer är, " säger Reiss. "De utspelar sig i 3D, vilket innebär att de inte kan beskrivas med de endimensionella modeller som ofta används för att förutsäga klimatförändringarnas inverkan på sjöar. Dessa mekanismer förtjänar ytterligare uppmärksamhet vid bedömning av djupvattenförnyelse i stora, djupa sjöar."