Der Lebensraum Meer - ein paar Bemerkungen zu

Skript zur Veranstaltung
Der Lebensraum Meer ein paar Bemerkungen zu den Weltmeeren
und der Ozeanografie
Joseph Mallord William Turner (1775 – 1851) Schneesturm auf dem Meer
Pädagogische Hochschule Weingarten
Sommersemester 2012
Dr. Heinz M. Strehle
Regierungspräsidium Tübingen – Abteilung Umwelt
Einführung in die Gewässerökologie: Der Lebensraum Meer - ein paar Bemerkungen zu den Weltmeeren und der Ozeanografie
Pädagogische Hochschule Weingarten Sommersemester 2012 Dr. Heinz M. Strehle ([email protected])
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Folie 2: Das Meer der Urquell des Lebens:
Nach den heute gängigen Vorstellung dürften die ersten Lebensformen in seichten Buchten
im Meer entstanden sein. Viele ursprüngliche Lebensfunktionen sind an aquatische Umgebungsverhältnisse angepasst und dies auch bei landlebenden Organismen.
Man kann somit das Meer als den Urquell des Lebens betrachten.
Folie 3: Dimensionen
Von den 510 Mio km² der Erdoberfläche sind 361,1 Mio km² mit Wasser bedeckt. Das sind
70 % der Erdoberfläche.
Die Erde hieße demnach treffender Wasser als Erde.
Der Lebensraum Meer hat ein Ausmaß von 1,375 Milliarden km³
Wäre die Erde eine ebenmäßige Kugel, die keine Kontinente umfasst, so wäre sie von einer
2400-2500 Meter dicken Wasserschicht bedeckt.
Im Hinblick auf das Verhältnis des Volumens der Ozeane zur Erde, nehmen erstere einen
verschwindend kleinen Anteil ein, nämlich 1,29 Promille.
Folie 4: Dimensionen
Die höchste Erhebung auf dem Festland erreicht 8 848 m auf dem Gipfel des Mount Everest.
Die größte ermittelte Tiefe im Meer liegt bei -11 033 Metern die Vitiaz Tiefe im Marianengraben östlich der Philippinen.
Der Schweizer Tiefseeforscher Jacques Piccard und der amerikanische Marineoffizier
Don Walsh erreichten mit dem Spezialtauchschiff Trieste diese Tiefe am 23. Januar 1960.
Folie 5: Ein paar Begriffsbestimmungen
Die Gesamtheit der Weltmeere wurden 1846 von der Royal Geographical Society in London
in Ozeane, Randmeere und Mittelmeere unterteilt
Ozeane sind die riesigen Wasserflächen zwischen den Kontinenten.
Es sind dies: der Pazifische Ozean, der Atlantische Ozean und der Indische Ozean.
Randmeere sind große von den Ozeanen in die Kontinente vorstoßende Becken deren Verbindung zu den Ozeanen breit und offen ist.
Beispiele dafür sind: die Nordsee, die Ostsee und das Japanisches Meer
Als Mittelmeere bezeichnet man jene Becken, die durch ausgesprochene Meerengen von
den Ozeanen abgesondert sind.
Ein klassisches Beispiel dafür ist unser europäisches Mittelmeer.
Andere Mittelmeere sind der Persische Golf und das Rote Meer
Folie 6: Geringer Wasseraustausch des Mittelmeers
Das europäische Mittelmeer vollzieht seinen Wasseraustausch mit dem Atlantik über eine
nur 300 Meter tiefe und nur wenige Kilometer breite Schwelle bei Gibraltar.
Im Mittelmeer verdunstet mehr Wasser als ihm über seine Zuflüsse zufließt. Wäre das Mittel-
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meer nicht mit dem Atlantik verbunden, fiele sein Wasserspiegel jährlich um einen Meter.
Pro Sekunde fließen aus dem Atlantik 1,5 Mill. m³ Wasser. Das entspricht 1 200 mal dem Abfluss der Niagarafälle.
Folie 7: Nautische Maße
In der Seefahrt sind seit alters her eigene Maße gängig, die ich im Folgenden erläutern will:
Streckenmaße:
- die Seemeile (nautical mile) sie entspricht 1 853,18 Metern
Tiefenmaße:
- der Fuß (foot ft) sind 0,3048 Meter
- ein Faden (fathom) setzt sich aus sechs Fuß mithin 1,829 Meter zusammen
- 1 000 Faden wiederum sind ziemlich genau eine Seemeile
Geschwindigkeitsmaße:
- ein Knoten entspricht einer Seemeile pro Stunde also 1 853 m/h.
Diese Geschwindigkeit ist aufgrund der klassischen Messung mit dem Handlog eine
relative gegenüber dem Wasser.
Daneben gibt es noch die Geschwindigkeitsmessung über Grund also relativ zum Meeresboden. Sie entspricht der tatsächlichen geografischen Distanz zwischen zwei Orten.
Die Seemeile ist ein nautisches Entfernungs- und Geschwindigkeitsmaß, das aus dem Äquatorumfang der Erde abgeleitet wurde und mit seinen 1 852 m die Länge einer Bogenminute
auf der Erde oder der 360° mal 60' = 21.600. Teil des mittleren Erdumfangs ( 1852 m ) entspricht.
Die Seemeile ist heute noch das internationale Geschwindigkeitsmaß in der See- und Luftfahrt
Übergang: beleuchten wir nun einige ökologische und biologische Aspekte des Lebensraumes
Meer und seiner Bewohner
Folie 8: Die ökologisch-räumliche Gliederung des Lebensraumes Meer
Grob gerastert lässt sich der Lebensraum Meer in der Vertikalen in zwei Sphären unterteilen:
dem Pelagial und dem Benthal.
Das Pelagial umfasst den gesamten freien Wasserkörper und das Benthal die Meeresböden.
Die produktive oder euphotische Zone in der Primärbiomasse (Algen und Wasserpflanzen)
gedeihen können, reicht nur bis 200 Meter Tiefe. Bei Seen nennt man diese Zone, wie bereits erläutert, das Epilimnion.
Alles Leben unterhalb dieses Bereiches lebt von dem Sauerstoff der aus der Atmosphäre
und der euphotischen Zone eindiffundiert, und von Meeresströmungen dorthin getragen wird.
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Folie 9: Über die Produktivität der Meere
Angesichts der großen Ausdehnung der Weltmeere neigen wir gerne zu der Auffassung,
dass in den Ozeanen ungeheure Ressourcen für die Ernährung der Menschheit schlummern. Gleichwohl ist dies ein Irrtum, den ich mit einigen Zahlen zu belegen versuche
Dazu zunächst ein paar Definitionen:
Die Primärproduktion: Darunter versteht man die sog. Bruttoprimärproduktion (BPP).
Das ist die Gesamtmenge an Primärbiomasse, die durch die Sonneneinstrahlung über die
Fotosynthese produziert wird.
In sie fließen zwischen 1 und 3 % Sonneneinstrahlung ein.
Demgegenüber steht die Nettoprimärproduktion (NPP). Unter ihr versteht man
NPP = BPP – Zellatmung. Bei ihr wird auch die Nährstoffspeicherung und Atmung von
pflanzlichen Organismen berücksichtigt. Die Nettoprimärproduktion beträgt nur 1 % der Bruttoprimärproduktion.
Die in den Weltmeeren fixierte Menge an organischem Kohlenstoff beträgt rund 1,74 x 109 t.
Die entsprechende Menge auf den Kontinenten ist dagegen 500 x größer nämlich
826,5 x 109 t.
Der jährliche turnover der terrestrischen Flora liegt bei 52,8 x 109 t bei den Ozeanen bei
24,8 x 109 t. (Siehe hierzu: Tardent, Pierre: Meeresbiologie. 3., unveränd. Aufl. Stuttgart
(Thieme) 2005, S. 272).
Durch den turnover der Ozeane fließt ihre Primärbiomasse pro Jahr rund 14 x, bei den Kontinenten ist dies nur rund 0,06 x der Fall.
Die Erklärung dafür ist unter anderem die, dass ein großer Teil der kontinentalen Primärbiomasse aus Wäldern besteht, die sehr alt werden und sehr langsam wachsen.
Die marine Primärbiomasse besteht hingegen zum größten Teil Algen, die sehr kurzlebig
sind, und deren Bestände sehr schnell anwachsen können.
Gemessen an ihrer Produktivität sind die Weltmeere Wüsten.
Folie 10: Fruchtbare Meeresregionen
Neben den erwähnten auf weite Strecken unfruchtbaren Regionen der offenen Meere, gibt
es ein paar, die deutlich fruchtbarer sind.
Dies hängt mit einigen Besonderheiten zusammen.
So ist die Produktivität in der Nähe von Küsten höher, weil dort Nährstoffeinträge über Flüsse
erfolgen. Auf dem Foto sieht man wie weit z.B. der Amazonas sein braun gefärbtes Wasser
in den Atlantik drückt.
Eine weitere sehr fruchtbare Meeresregion ist die Pazifikküste um Peru und Ecuador.
Dort wird aufgrund der Passatwinde Oberflächenwässer in großem Stil nach Westen gedrängt. Zum Massenausgleich fließt kaltes , an Pflanzennährstoffen reiches Tiefenwasser an
die Oberfläche. Dieses facht das Wachstum der Primärbiomasse an und zieht in der Folge
eine reiches Fischwachstum nach sich. Die Anchovisbestände (Sardellen) von Peru und
Ecuador sind bzw. waren Legende.
Folie 11: El Ninõ Das Christkind eine ökologische Katastrophe
Es kommt immer wieder in unregelmäßigen zeitlichen Abständen vor, dass die Passatwinde
um die Weihnachtszeit – daher der Begriff El Ninõ Das Christkind - zum Erliegen kommen.
Das kalte nährstoffreiche Tiefenwasser kann dann nicht mehr an die Oberfläche der peruanischen und ecuadorianschen Küste gelangen und es kommt zu einem Zusammenbruch der
Fischbestände.
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Dieses Ereignisse hat auch nachhaltige Folgen für die Australien und Südostasien. Neuere
Forschungen belegen, dass der El Ninõ sich auch in Europa bemerkbar macht. Ob der
E Ninõ jetzt aufgrund der Klimaerwärmung häufiger auftritt, ist Gegenstand der Spekulation.
Folie 12: La Niña Das Mädchen der Gegenspieler von El Ninõ
Bisweile kommt es zu einem Phänomen, das man als Anti-El Ninõ bezeichnen könnte. Die
Passatwinde werden stärker als sonst üblich und es steigt entsprechend mehr kaltes Tiefenwasser an den Küsten Perus und Ecuadors an die Oberfläche des Pazifiks. In dem Maße
wie die El Ninõs zugenommen haben, scheinen die La Niñas abgenommen haben. Hinter
den El Ninõs und La Niñas steht die Walker-Zirkulation oder äquatoriale Zirkulation.
Folie 13: Das Watt – ein Relikt aus der Eiszeit
Das Wattenmeer verdankt seine Existenz der letzten Eiszeit.
Charakteristika des Wattenmmeers sind:
- Der Meeresboden fällt zur offenen See hin nur um wenige Zentimeter pro Kilometer. Hier
kann sich das feine Material, das das Meer mit sich führt, absetzen.
- Über die Flüsse werden aus dem Binnenland ständig feine Sand- und Tonpartikel ins
Wattenmeer transportiert, und hier abgelagert. Weiterhin erfolgen Anlandungen aus dem
Meer.
- Die Gezeiten mit einem Tidenhub von zwei Metern legen periodisch weite Teile des
Wattenmeers trocken. Der normalerweise landwärts wehende Wind kann dann die
obersten Sandschichten trocknen und abtragen.
- Die dem Küstenbereich vorgelagerten Sandbänke, Sandwälle und Inseln treten als
natürliche Wellenbrecher auf, so daß sich das aus dem Binnenland antransportierte
Material am Meeresgrund absetzen kann.
Das Watt ist ein Lebensraum, der zwischen den Zuständen des Überflutetseins und des
Trockenfallens liegt. Alle Organismen dieses Biotops müssen an diese Lebensverhältnisse
angepasst sein (Quelle: http://www.nordwest.net/watt/entstehung.html 06.07.2010).
Folie 14: Anpassungen an das Leben im Watt
Anpassungen von Organismen an das ökologische System Watt laufen auf eine Art der amphibischen Lebensweise hinaus.
Tiere, die normalerweise im Meerwasser leben und in diesem auch atmen, müssen in der
Lage sein, dies auch zu tun, wenn das Watt während der Ebbe trocken fällt.
Um ihren Organismus mit Sauerstoff zu versorgen haben viele im Watt lebende Tiere zwei
grundlegende Strategien entwickelt:
- Entweder graben sie sich in den feuchten Wattboden ein und veratmen den dort im
Porenwasser verbliebenen Sauerstoff, oder
- sie behalten wie manche Muschel- und Schneckenarten aber auch Seepocken einen Rest
Wasser in ihren Kiemen und verschließen diese bei Ebbe, so dass sie nicht austrocknen.
Folie 15: Die Korallenriffe
Eine der faszinierendsten marinen Lebensräume sind die Korallenriffe. Sie finden sich innerhalb eines Gürtels von 25 Breitengraden um den Äquator, wo die Wassertemperatur mindestens 25°C beträgt. Ihre flächenhafte Ausdehnung umfasst ca. 190 Mill. km². Ihre Volumen
übersteigt alles, was der Mensch jemals aus Stein und Zement gebaut hat. Neben den tropischen Urwäldern sind Korallenriffe die artenreichsten Lebensräume unserer Biosphäre. Das
berühmteste dieser Riffe, das Great-Barrier-Riff in Australien hat eine Fläche von
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200 000 km² und seine größte Breite beträgt 250 km.
Die Korallenriffe sind Gebilde, die von kalkabscheidenden Nesseltieren gebildet werden. Sie
bauen aus CaCO3 Exoskelette auf, die zur Verankerung der Tiere auf dem Untergrund oder
zur Stabilisierung ihres Körpers dient (Tardent, Pierre: Meeresbiologie. 3., unveränd. Aufl.
Stuttgart (Thieme) 2005, S. 149 ff).
Bemerkenswert bei Riffen ist ihre hohe Biomasseproduktion von 1 000 kg Kohlenstoff pro
Jahr und Quadratmeter (Bruttoprimärproduktion), trotz des Umstandes, dass sie sich in einer
sehr nährstoffarmen Umgebung befinden. Dieses als Riffparadoxon genannte Phänomen ist
bereits Charles Darwin aufgefallen. Der Bestand eines Riffes hängt davon ab, dass der Verlust von Nährstoffen die Zufuhr von Nährstoffen nicht übersteigt. Das ist auch ein Umstand,
warum Korallenriffe heute in ihrem bestand gefährdet sind. Sie werden überfischt und dadurch werden diesem ökologischen System zu viele Nährstoffe entzogen
Weiterhin sind Korallenriffe gefährdet durch die Abholzung von tropischen Wäldern, infolge
dessen abgeschwemmte Böden in die Riffe gelangen und sie überdecken. Fernerhin werden
sie durch unzureichend gereinigte Abwässer belastet. Möglicherweise schaden ihnen auch
die durch die Klimaerwärmung erhöhte Wassertemperatur.
Folie16: Der Dornenkronenseestern Killer der Korallenriffe
Der Dornenkronenseestern (Acanthaster planci) ist ein zwischenzeitlich sehr ernst zu nehmende Gefährdung für die Korallenriffe. Diese Steinkorallen fressenden Tiere überfallen die
Korallenbestände in Millionenstärke regelmäßig. Auf diese Belastung sind die Korallen eingestellt. In den letzten 50 Jahren haben diese Überfälle aber zugenommen und die Steinkorallenbestände erholen sich davon nicht mehr. Man nimmt an, dass der Eintrag von Pflanzennährstoffen in die Korallenriffe ursächlich mit diesem Phänomen in Zusammenhang steht
Folie 17: Was sind Wellen?
Die Entstehung von Wellen wird in der Physik als ein Grenzflächenphänomen aufgefasst,
das sich zwischen dem Medium Luft und dem Medium Wasser vollzieht.
Wind streicht mit relativ großer Geschwindigkeit gegenüber der Wasseroberfläche des Meeres über dieses. Dadurch entstehen an der Wasseroberfläche kreisförmige Strömungswirbel.
Die Grenzfläche derselben ist äußerst instabil. Kleine Störungen könne sich infolge dessen
zu Wellen aufsteilen.
Die Ursache von Wasserwellen ist somit der Wind, der sich entlang der Phasengrenze Wasser/Luft bewegt.
Herrscht kein Wind, so ist eine Wasserfläche vollkommen eben, wie in einem Glas Wasser.
Alle Wassermoleküle an der Oberfläche bleiben auf dem gleichen Niveau. Auf sie wirken
ausschließlich die nach unten gerichtete Schwerkraft und der nach oben gerichtete nach der
hydrostatische Druck des Wassers.
Wasserwellen werden charakterisiert durch:
- die Wellenhöhe (H)
- die Wellenlänge (L) und
- die Wellenperiode (die Dauer einer Schwingung)
Die Höhe einer Welle kann aus physikalischen Gründen maximal 1/7 ihrer Länge annehmen.
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Folie 18: Was sind Wellen?
Wenn nur ein schwacher Wind über eine Wasserfläche streicht, entstehen Kapillarwellen.
Im unterschied zu den großen Wellen, spielt bei Kapillarwellen, die Oberflächenspannung,
also die Kohäsion des Wassers die ausschlaggebende Rolle.
Diese Wellen bezeichnet man als Schwerewellen, weil sie von der Schwerkraft beeinfusst
werden.
Die Schwerkraft ist die Gegenkraft zur Wellenbilung. Kapillarwellen verlaufen sich daher
auch viel schneller als große Wellen.
Den Bildungsprozess von Kapillarwellen nennt man Rippeln.
Die Genese einer Wellenbildung verläuft vom Rippeln über das Aufschaukelns, schließlich
zum voll entwickelten Wellengang und degradiert dann zur Dünung.
Überschreitet eine Welle eine bestimmte Höhe bricht sie und wird zur Schaumkrone.
Sind Wellen entsprechend einer bestimmten Windstärke voll entwickelt, dann spricht man
von einer aufgewühlten See.
Legt sich der Wind, geht die Wellenbewegung, wie bereits gesagt in eine Dünung über.
Folie 19: Was wandert bei einer Welle?
Dem ersten Anschein nach wandert das Wasser einer Welle auf das Ufer zu.
Eine im Wellengang befindliche Flasche verharrt aber auf der Stelle.
Wie ist das zu erklären?
Folie 20: Was wandert bei einer Welle?
Die Wasserpartikel einer Welle bewegen sich auf Kreisbahnen
Je größer die Wassertiefe, desto kleiner werden die Kreisbahnen.
Alle Wasserteilchen in einer bestimmten Entfernung vom Zentrum des Wellenkreises bewegen sich gleich schnell.
Folie 21: Was wandert bei einer Welle?
Zum Strand hin werden die Kreisbahnen immer mehr zu Ellipsen gestaucht, bis sie schließlich in eine lineare Horizontalbewegungen übergehen. Dabei wird die Reibungsfläche von
Wasserpartikelchen immer größer und Ufergrund bremst die Geschwindigkeit der sich bewegenden Partikelchen ab.
Die Bewegungsenergie der Wellen verzehrt sich. Die dabei freigesetzte Energie zeigt sich
unter anderem an dem Strandgut, das durch auslaufende Wellen bewegt wird.
Resumée: Bei einer Welle wandern nicht Wasserteilchen über das Meer sondern Schwingungen.
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Folie 22: Monsterwellen
Monsterwellen, freak-waves oder Kaventsmänner1, sind Wellen die bis zu 25 Meter hoch
werden können. Früher hielt manm Kaventsmänner für Seemannsgarn.
Heute sind sie nachgewiesen und man beginnt auch zu verstehen, wie sie entstehen.
Überholt eine schnelle Welle eine langsame können sich unter bestimmten Umständen beide
Wellenfronten zu einer Monsterwelle aufsteilen und brechen.
Folie 23: Tsunami
Ein Tsunami (jap. Hafenwelle) ist eine Schwerewelle, deren Ursache nicht der Wind sondern
Seebeben sind. Eine unter Spannung stehende Subduktionszone schnappt nach oben und
verursacht dabei eine Welle. Dieser enthält sehr viel kinetische Energie.
Während des Wanderns über das offene Meer nimmt man eine solche Welle kaum wahr.
Man kann ohne Mühe durch sie hindurchschwimmen. Erst wenn sie sich dem Ufer nähert
steilt sie sich viele Meter hoch auf und überflutet den Stand.
Der Tsunamiwelle geht ein Wellental voraus. Aus diesem Grund zieht sich vor der Ankunft
der Welle die Wasserlinie am Ufer zurück.
Tsunamis bewegen sich im Gegensatz zu vom Wind verursachten Wellen mit Geschwindigkeit bis an die 800 km/h. Daher ist ein Davonlaufen vor ihnen auch nicht möglich
Warnungen vor Tsumanis müssen sehr schnellt weitergegeben werden, um eine am Strand
lebende und gefährdete Bevölkerung rechtzeitig evakuieren zu können.
Von Tsunamis betroffen ist vor allem Japan. Von dem 1760 geborenen und 1849 gestorbenen Maler Hokusai gibt es eine berühmte Darstellung eines Tsunamis:
Die große Welle von Kanagawa (1830).
Das große Erdbeben von Lissabon am 1. November 1755 hat auch einen Tsunami ausgelöst. Diesem fielen weit mehr Opfer anheim als das Erdbeben das große Teile von Lissabon
zerstörte.
Folie 24: Wie wandert eine Flaschenpost über's Meer?
Das Verdriften von Gegenständen über das Meer kommt durch Strömungen nicht durch Wellen zu Stande
Folie 25: Zuletzt: ein Kuriosum aus der Geschichte der Meeresforschung
Bis zur Mitte des 19. Jahrhundert glaubten die Ozeanografen, dass die Dichte des Wassers
im Meer mit zunehmender Tiefe immer mehr zunähme.
Daraus schloss man, dass Wracks nicht auf den Meeresgrund sinken, sondern irgendwo darüber entsprechend ihrer Dichte anfangen zu schweben.
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Den Begriff Kaventsmann (großer Mann) führt man auf die mittelalterlichen Klosterkonvente zurück. Da die Mönche in den
mittelalterlichen gerne gut und gehaltvollen aßen, nahmen sie beträchtlich an Gewicht zu und wurden so zu Konventsmännern.
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