Die Amazonasmündung (in der oberen Bildmitte). Der Abfluss, die Amazonasflussfahne, macht etwa 20 % des weltweitenSüßwassereintrags von der Landoberfläche in die Ozeane aus.
Ihre Struktur gliedert sich in ein Nahfeld, in dem Strömung undAuftrieb des Flusses dominieren, ein Mittelfeld, in dem Wind und Gezeiten eine zunehmende Rolle spielen, und ein Fernfeld, in dem großräumige Strömungen und Coriolis-Kräfte die Ausbreitung bestimmen. Die Form einer Fahne hängt entscheidend vom Abflussvolumen des Flusses, von der Windrichtung, den Gezeiten und der Küstenmorphologie ab. In derOstsee, die nur schwache Tiden aufweist, steuert der Wind die Ausbreitung besonders stark.
Beim Eintritt des leichteren Süßwassers in das dichtere Salzwasser kommt es aufgrund des Dichteunterschieds zur Bildung einerbuoyanten (auftriebsgetriebenen) Fahne. Ihre räumliche Ausdehnung kann von wenigen Kilometern bis zu mehreren hundert Kilometern reichen. Horizontal gliedert sich eine Flussfahne oft in zwei Hauptbereiche: eine vertikal durchmischte Übergangsregion nahe der Mündung und ein oft schichtförmiges Ausbreitungsgebiet.[2] An den Rändern der Fahne bilden sich häufig scharfeFronten(Plume Fronts) aus, schmale Übergangszonen, an denen sich die Wassermassen unterschiedlicher Dichte treffen und intensive horizontale und vertikale Durchmischungsprozesse stattfinden.[5][6]
Aufgrund der großen Dichteunterschiede kommt es an diesen Fronten zu starkenturbulenten undScherkräften, die eine intensive vertikale und horizontale Durchmischung der Wassermassen antreiben.[2][6] Oft sind diese Fronten sogar mit bloßem Auge oder auf Satellitenbildern sichtbar, da sich das trübe,sedimentreiche Flusswasser und das klare Meerwasser nur langsam vermischen und eine scharfe Grenzlinie bilden. Diese Fronten sind von großerökologischer Bedeutung. Die hereingemischten Nährstoffe aus dem Fluss führen zu einer starken Produktion vonPhytoplankton (Algenblüten).[5] Dies zieht wiederumZooplankton und größereMeerestiere an und macht diese Zonen zu produktiven Futtergründen. Forschungen zeigen, dass sich entlang dieser scharfen Fronten oft komplexe,kleinräumige (submesoskalige) Strukturen wieWirbel undFilamente ausbilden, die den Transport und die Durchmischung weiter beeinflussen.[6]
Flusswasserabfluss (Discharge): Die Menge des zufließenden Süßwassers ist der primäre Antrieb für die Ausbreitung. Höhere Abflussmengen, z. B. während derSchneeschmelze oder nachNiederschlagsereignissen, führen zu größeren und energiereicheren Fahnen.[2]
Gezeiten (Tides): Gezeiten modulieren die Fahnenstruktur erheblich. In tidengeprägten Systemen kann die Fahne während der Flutphase nahezu vollständig zurückgedrängt werden und während der Ebbephase energisch ausströmen. Dies führt zu einer pulsierenden, eher kompakten Struktur mit intensiverer Durchmischung im Nahfeld.[3][4]
Wind: Winde können die Ausbreitungsrichtung einer Fahne maßgeblich beeinflussen und sie entlang der Küste treiben („Wind-beeinflusste Fahne“) oder ihre vertikale Schichtung durch Durchmischung verändern.[7]
Corioliskraft: Auf der Nordhalbkugel bewirkt die Erdrotation (Corioliskraft) typischerweise eine rechtssdrehende (zyklonale) Ablenkung der ausströmenden Fahne und eine Ausbreitung entlang der Küste.[2]
Küstentopographie:Untiefen, Kanäle und insbesondereInseln können die Strömungspfade der Fahne lenken, ihre Ausbreitung behindern oder in mehrere Äste aufteilen.[8]
Eine Flusswasserfahne ist kein statisches, stabiles Gebilde, sondern verändert sich ständig, schnell und auf komplexe Weise.
Räumliche Veränderung (Form und Ausdehnung): Die Fahne verändert permanent ihre Form, Richtung und Größe. Sie kann sich einmal küstenparallel ausbreiten, einmal direkt seewärts strömen. Ihre Ausdehnung kann sich innerhalb weniger Stunden oder Tage dramatisch vergrößern oder verkleinern.
Zeitliche Veränderung: Die Fahne pulsiert mit den Gezeiten. Während der Ebbe schießt eine große Menge Süßwasser heraus und bildet eine ausgeprägte Fahne. Während der Flut kann dieser Prozess nahezu zum Erliegen kommen oder sich sogar umkehren, wobei Salzwasser in die Flussmündung eindringt und die Fahne temporär „zerschneidet“ oder zurückdrängt.[3][4] Auch der Wind kann die Fahne innerhalb von Stunden komplett umlenken. Ein anhaltender ablandiger Wind kann die Fahne weit aufs Meer hinausdrücken, während ein auflandiger Wind sie an die Küste presst und verdünnt.[7]
Interne Prozesse (Durchmischung und Schichtung): Innerhalb der Fahne finden ständig intensive Durchmischungsprozesse statt. An den Rändern (denFronten) vermischt sich das Süßwasser turbulent mit dem Salzwasser. Diese Prozesse sind kleinräumig und hochkomplex, was die Fahne intern sehr heterogen macht.[2][6]
Reaktion auf Antriebskräfte: Die Fahne ist kein passives Gebilde, das einfach nur vom Fluss weggedrückt wird. Sie reagiert aktiv undnichtlinear auf die einwirkenden Kräfte (Flussabfluss, Gezeiten, Wind, Corioliskraft). Die genaue Reaktion ist oft schwer vorherzusagen, da sich diese Kräfte überlagern und manchmal sogar gegenseitig aufheben oder auch verstärken können.
Flusswasserfahnen sindbiogeochemische Hotspots in Küstenregionen. Sie transportieren große Mengen an gelösten und partikulären Stoffen, darunter:
Nährstoffe: Sie führen Nährstoffe (Nitrate,Phosphate,Silikate) aus dem Einzugsgebiet ins Meer, die das Algenwachstum (Phytoplanktonblüten) anregen und die Basis des marinen Nahrungsnetzes bilden[5]
Sedimente: Eingetragene Sedimente beeinflussen die Wasserqualität (Trübung), dieSedimentation in Küstengebieten und die Morphologie des Meeresbodens.[7]
Schadstoffe: Gleichzeitig können auch Schadstoffe und organische Belastungen in die Küstenökosysteme eingetragen werden.
Die frontalen Zonen von Flussfahnen sind oft besonders produktive Bereiche, in denen sich Zooplankton und Fische konzentrieren.[5] Die Untersuchung von Flusswasserfahnen ist daher für das Verständnis der Küstendynamik, des Sedimenttransports, der Nährstoffkreisläufe und des Ökosystemmanagements von entscheidender Bedeutung.
Elbe: Die Flusswasserfahne der Elbe ist ein aktiver, dynamischer Motor für die Zirkulation in derDeutschen Bucht. Insbesondere moduliert sie die Wirbelbildung, die durch Wind angetrieben wird, und führt zur Entstehung komplexer Wirbelsysteme. Die von der Fahne beeinflussten Wirbel haben wiederum entscheidende Auswirkungen auf ökologische Prozesse wie den Transport von Larven, Sedimenten, Schadstoffen und die Entstehung vonSauerstoff-Minimum-Zonen.[13]
Oder (Odra): Die Oder ist eine der bedeutendsten Quellen für einerseits Nährstoffe und andererseits auch Schadstoffe an der südwestlichen Ostseeküste; Modell- und Fernerkundungsstudien zeigen variable, jahreszeitlich und witterungsabhängig stark schwankende Fahnen, die beiExtremereignissen weite Küstenbereiche beeinflussen.[14]
Rigaischer Meerbusen /Düna/Daugava-Fahne: Untersuchungen im Golf von Riga haben die Entwicklung und Dynamik einer Fluss-„bulge“ in einem (nahezu) nicht-tidenbeeinflussten Becken beschrieben und die Rolle der Wind-getriebenen Zirkulation hervorgehoben.[15]
Die Erforschung von Flusswasserfahnen erfolgt durch eine Kombination von Feldmessungen (z. B. mitForschungsschiffen, verankerten Messgeräten undtreibenden Driftern),Fernerkundung (Satellitenbilder zur Erfassung der Oberflächenausdehnung und Trübung) sowienumerischer Modellierung. Hochauflösende Modelle sind notwendig, um die komplexen, kleinräumigen Prozesse an den Fronten und die Wechselwirkung der verschiedenen Kräfte realistisch abzubilden.[6][8][12]
Wie interagieren mehrere nahe beieinanderliegende Fahnen („plume-to-plume interactions“)? Forschungen zeigen, dass in Küstengebieten mit vielen kleinen Flüssen Fahnen häufig kollidieren oder sich überlappen, was ihre Ausbreitung und den Transport von Substanzen beeinflusst.[17]
Wie wichtig ist die Gezeitenmischung vs. die Wind- und Flusskraft in verschiedenen Klimaregionen? Am Beispiel der FlüsseJenissei undKhatanga wurde gezeigt, dass trotz sehr unterschiedlicher Abflüsse die Flächen der Fahnen ähnlich sein können, wenn die Tidenkraft stark genug ist.[3]
Die Rolle submesoskaliger Prozesse: Instabilitäten, filamenteartige Strukturen und Front-Veränderungen auf kleinen Skalen (< km) scheinen in aktuellen Modellstudien wichtiger zu sein als früher angenommen (Studie zur Mississippi-Fahne).[6]
Einflüsse durch anthropogene Veränderungen (Flussregulierung, Staudämme, Landnutzungswandel, Klimawandel) bleiben ein aktives Forschungsfeld, insbesondere im Hinblick auf zukünftige Fahnen-Dynamiken und ökologische Folgen (siehe z. B. die Mekong-Studie).[12]
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