«Obwohl wir seit Jahrzehnten die Wasserqualität in Flüssen und Seen messen, wissen wir immer noch zu wenig über die Prozesse, welche die chemische Zusammensetzung von Gewässern kontrollieren», sagt James Kirchner, Professor für Physik von Umweltsystemen an der ETH Zürich und Forscher am Eidgenössischen Forschungsinstitut WSL. Zusammen mit seinem Kollegen Colin Neal vom Centre for Ecology and Hydrology (CEH) in Wallingford, England, machte sich Kirchner daran, diese Prozesse zu ergründen. Dazu werteten die Forscher einen der weltweit detailliertesten Datensätze über Wasserqualität aus. Sie entdeckten, dass die chemischen Schwankungen von Gewässern einem unverkennbaren, universellen Muster folgen. Dies wirkt sich darauf aus, wie zuverlässig Vorhersagen über die Entwicklung eines Gewässers gemacht werden können.

Kirchner und Neal analysierten die Konzentrationen von 45 chemischen Stoffen in Regen- und Flusswasser in zwei Wassereinzugsgebieten im Plynlimon-Gebiet, Wales. Sie ergänzten wöchentliche Messwerte aus fast drei Jahrzehnten mit einer aufwändigen Messreihe, bei der während zwei Jahren alle sieben Stunden Proben gesammelt und analysiert wurden. Aufgrund dieses einzigartigen Datensatzes konnten die Forscher chemische Konzentrationsschwankungen über ein weites Spektrum an Zeitskalen, von Stunden bis zu Jahrzehnten, untersuchen.

Stoffkonzentrationen in Fluss- versus Regenwasser

Als sie die Variabilität der chemischen Signale im Regen- und Flusswasser über diese verschiedenen Zeitskalen verglichen, entdeckten sie einen überraschenden Zusammenhang zwischen der Stärke (Amplitude) und der Periodendauer der Schwankungen. Beim Flusswasser war die Amplitude für alle 45 untersuchten Stoffe grösser, je länger die Periodendauer (je tiefer die Frequenz). Das bedeutet, dass die Variation von Jahr zu Jahr grösser ist als diejenige von Woche zu Woche, welche wiederum grösser ist als die von Tag zu Tag. Kirchner und Neal entdeckten, dass die Amplitude mit abnehmender Frequenz auf eine bestimmte Weise zunimmt, welche Mathematiker als «rosa Rauschen» oder als «Funkelrauschen» bezeichnen. Ganz anders die Stoffkonzentrationen im Regenwasser: Bei allen untersuchten Stoffen blieb die Amplitude über alle Frequenzen hinweg konstant, bekannt unter dem Begriff «weisses Rauschen».

Dämpfender Effekt bei hohen Frequenzen

«Es war wirklich überraschend, diese bestimmte Beziehung zwischen Frequenz und Amplitude zu finden, und das bei allen Elementen, die wir untersucht haben, quer durch das Periodensystem», sagt Kirchner. Um zu erklären, wie sich das «weisse Rauschen» der Chemikalien im Regen in ein «rosa Rauschen» im Flusswasser verwandelt, vergleicht Kirchner den Effekt mit demjenigen, den wir erleben, wenn unsere Nachbarn eine Party mit lauter Musik feiern: Was wir hauptsächlich hören sind die tiefen Basstöne, weil diese weniger gedämpft werden und daher weiter tragen. Ähnliches gilt, wenn Regenwasser durch ein Stück Landschaft sickert und sich in einem Fluss sammelt: Niederfrequente Schwankungen – zum Beispiel jene von Jahr zu Jahr – bleiben besser erhalten als die hochfrequenten von Tag zu Tag.

Chemische Schwankungen unterscheiden sich allerdings von Schallwellen, zum Beispiel in dem Punkt, dass einige Chemikalien viel schneller zerfallen oder eher mit anderen Elementen reagieren als andere. Zudem unterscheiden sie sich in ihrem Ursprung: Einige Stoffe entstammen der Atmosphäre und erreichen die Erde gelöst in einem Regentropfen, andere werden vielleicht aus dem Erdreich gelöst oder aus zerfallendem organischen Material herausgewaschen. Trotzdem zerstreuen sich alle diese Stoffe auf ihren unterschiedlichen Wegen in den Fluss auf eine Art und Weise, welche die hochfrequenten Schwankungen dämpft und die niederfrequenten nahezu unverändert lässt. Warum weder Ursprung noch Reaktivität eines Stoffes einen Einfluss auf diesen Prozess hat, ist noch unklar.

Trends schwer vorherzusagen

Die Entdeckung, dass chemische Signale «rosa Rauschen» gleichen, ist insbesondere auch für Monitoring-Programme wichtig. Normalerweise gehen Forschende und Wasserqualitäts-Manager davon aus, dass mehr und mehr Wiederholungen einer Messung über längere Zeit hinweg eine immer zuverlässigere Berechnung des Trends erlauben. Bei chemischen Signalen in Gewässern scheint das nicht der Fall zu sein, denn «rosa Rauschen» ist nicht selbst-mittelnd. Das heisst, dass sich ein Mittelwert aus wiederholten Messungen über immer längere Zeiträume hinweg nicht zunehmend stabilisiert. Laut Kirchner ergeben sich oft statistisch solide Trends aus Messungen der Wasserqualität – aber diese Trends hätten nur Gültigkeit für die Vergangenheit und seien erstaunlich schlechte Anhaltspunkte für Vorhersagen über zukünftige Entwicklungen.

Kirchners und Neals Ergebnisse, welche kürzlich in der Fachzeitschrift PNAS veröffentlicht wurden, legen nahe, dass Wissenschaftler bei der Überwachung von Seen und Flüssen umdenken müssen und Trends aus der Vergangenheit nicht ohne weiteres in die Zukunft extrapolieren können. Die Wasserqualität eines Gewässers für die Zukunft abzuschätzen wird durch das «rosa Rauschen» der chemischen Signale erschwert.

Literaturhinweis:

Kirchner J.W., Neal C.: Universal fractal scaling in stream chemistry and its implications for solute transport and water quality trend detection. PNAS July 10, 2013, DOI: 10.1073/pnas.1304328110