Woher stammt der Schlamm in der Ostsee?
Beitrag von Lucas Porz, Abteilung Sedimenttransport und Morphodynamik
Der Meeresgrund der Ostsee ist zu großen Teilen von einer meterdicken Schlammschicht bedeckt. Dieser Schlamm hat sich seit der Umwandlung der jungen Ostsee von einem Eisstausee zu einem Teil des Weltmeeres vor ca. 6000 – 8000 Jahren abgelagert. Woher dieser Schlamm stammt und welche Rolle dabei die Nordsee spielt, wurde kürzlich am Hereon Institut für Küstensysteme – Analyse und Modellierung unter der Leitung von Prof. Dr. Corinna Schrum untersucht.
Eine detaillierte Budgetierung der Feinsedimente in der südwestlichen Ostsee zeigt, dass der wesentliche Lieferant von Schlamm in diesem Gebiet die Erosion der deutschen und polnischen Steilküsten ist. Zwischen 1,5 und 3,5 Millionen Tonnen pro Jahr fallen dabei an. Wesentlich geringer ist der Eintrag aus der Flussfracht der Oder mit etwa 300.000 Tonnen jährlich. Einen ähnlich großen Anteil liefert die biologische Produktion von Feststoffen in Form von Mikroalgen. Bei der Gegenüberstellung aller bekannten Quellen und Senken des Schlamms zeigt sich ein Ungleichgewicht, wobei die Senken die Quellen um knapp eine Million Tonnen pro Jahr übersteigen.
Ein potenzieller Mechanismus, der diese Lücke schließen kann, besteht in Form von schwebstoffbeladenen Salzwassereinbrüchen aus der Nordsee. Dabei drückt ein starker und anhaltender Wind aus westlicher Richtung große Mengen des salzhaltigen Nordseewassers über das Kattegat in die Ostsee hinein, wo es aufgrund des Dichteunterschiedes zum dortigen Brackwasser hangabwärts fließt.
Solche Einstromereignisse treten sehr unregelmäßig auf, dabei sind die Einströme enorm wichtig für das Ökosystem der Ostsee, denn sie verhindern eine anhaltende Sauerstoffarmut am Meeresgrund. Obwohl die Hydrodynamik dieser Einströme umfassend erforscht wurde, ist über ihre Interaktion mit Schwebstoffen und Sedimenten noch wenig bekannt.
Zur Simulation zweier messtechnisch beobachteter Einstromereignisse wurde ein dreidimensionales numerisches Küstenmeer- und Sedimenttransportmodell aufgesetzt. Ein Vergleich mit den Messdaten zeigt, dass die Hydrodynamik von Einstromereignissen durch das Modell gut abgebildet wird. Mit diesem Modell wurden Simulationen durchgeführt, in welchen ein Vorrat aus erodierbarem Feinsediment virtuell am Boden des Kattegats platziert wurde. Dieses wird während des Einstroms aufgewirbelt und mit dem einströmenden Wasser in die Ostsee eingetragen.
Basierend auf den Ergebnissen dieser Modellrechnungen wurde ein Verhältnis zwischen Einstromintensität und Sedimentfluss ermittelt, das eine Hochrechnung in der Zeit ermöglicht. Gemäß dieser Skalierungsbeziehung wurden während der vergangenen 150 Jahre im Durchschnitt fast 1 Million Tonnen feinkörnigen Sediments pro Jahr durch Einströme in die Ostsee eingebracht, also eine mit dem Eintrag durch die Oder vergleichbare Menge. Dabei verfrachten große Einströme individuell mehr Sediment pro Kilogramm Salz als kleinere Einströme, jedoch sind kleinere Einströme aufgrund ihres häufigeren Auftretens für den Großteil des Gesamtflusses verantwortlich.
Der Vergleich mit gemessenen Schwebstoffkonzentrationen im Kattegat zeigt, dass die im Modell berechneten Sedimentflüsse plausibel sind, möglicherweise jedoch unterschätzt wurden. Dennoch zeigen die Ergebnisse, dass Salzwassereinbrüche in der Lage sind, neben gelöstem Salz auch eine signifikante Menge an Schwebstoffen in die Ostsee zu transportieren.
Porz, L., Zhang, W., & Schrum, C. (2021): Density-driven bottom currents control development of muddy basins in the southwestern Baltic Sea. Marine Geology, Volume 438, 106523, doi:10.1016/j.margeo.2021.106523
Abstract:
The development of two Holocene muddy depocenters in the southwestern Baltic Sea is investigated using sediment budget analysis and numerical modeling. Material derived from the erosion of coastal cliffs surrounding the study area is shown to dominate the supply of fine-grained sediment to the depocenters, while the riverine contribution is an order of magnitude smaller. Comparison with the sink terms, compiled from published geological data, reveals that a substantial additional source of at least 900 kt/yr is required to close the budget, and high-salinity dense inflows from the North Sea carrying suspended sediment are proposed as an additional source mechanism. Seismo-acoustic data show the long-term impact of strong bottom currents, likely linked to dense-water inflows, which produce contouritic deposits in flow-confining channels. We reproduce two distinct inflow events using a coupled hydrodynamic-sediment transport coastal ocean model. The simulations confirm that major inflows are capable of advecting a significant amount of fine-grained sediment into the study area. A scaling relationship based on the simulated fluxes estimates the average amount of sediment imported in this way to the order of 100–900 kt/yr, which is in agreement with the lower limit of the gap in the budget. The amount of sediment advected seems to scale non-linearly with the intensity of the inflow. More field data points are needed in order to improve the accuracy of modeled fluxes and the precision of the scaling relationship. This study shows how the relative contributions of episodic sedimentation events on the longer-term morphology may be quantified.
