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Title (Primary) Contribution of solutes to density stratification in a meromictic lake (Waldsee/Germany)
Author Dietz, S.; Lessmann, D.; Boehrer, B.;
Journal Mine Water and the Environment
Year 2012
Department SEEFO;
Volume 31
Issue 2
Language englisch;
Keywords density stratification; iron cycle; meromixis; water density calculation
Abstract

Density differences are the key parameter for stratification stability. We used data from the iron-meromictic Waldsee, Germany, a lignite mine pit lake, to quantify the contribution of single solutes to water density and analyzed the density gradient. Iron meromictic lakes maintain their density gradient through chemical reactions. Hence, quantifying the contributions of separate solutes is essential for understanding the entire process. Based on solute concentrations and literature values of partial molal volumes, substance specific density contributions were quantitatively evaluated. Then, by direct measurements of the density of IHSS Waskish peat fulvic acid, we quantified the density contribution of dissolved organic carbon (DOC). While several solutes contributed to the density throughout the water column, only those substances that occurred at higher concentrations in the anoxic monimolimnion than in the oxic mixolimnion were crucial to sustaining the density difference between the two layers. In Waldsee, the density difference between monimolimnion and mixolimnion was attributed to dissolved Fe2+ (0.23 g/L, resulting in a 45 % of the density difference due to solutes) and to the carbonate system (HCO3 , about 0.16 g/L and CO2, 0.03 g/L) while Ca2+ and DOC delivered only a small contribution. In summer, total density differences were dominated by temperature differences; during winter, solutes sustained meromixis. Finally, we present a complete list of specific density fractions for basically all of the density-relevant substances in fresh waters.

Dichteunterschiede sind der wichtigste Faktor für die Stabilität von Schichtungen in Seen. Wir verwendeten Daten des eisenmeromiktischen Waldsees, eines Braunkohletagebausees, um den Beitrag einzelner gelöster Stoffe zur Dichte des Wassers sowie deren Beitrag zum Dichtegradienten zu bestimmen. In eisenmeromiktischen Seen wird der Dichtegradient durch interne chemische Reaktionen aufrechterhalten. Deshalb ist es für das Verständnis des Gesamtprozesses unerlässlich, den Dichtebeitrag der einzelnen gelösten Stoffe zu quantifizieren. Basierend auf den gemessenen Konzentrationen der gelösten Stoffe sowie Literaturwerten von partiellen molalen Volumina wurden die substanzspezifischen Dichtebeiträge ermittelt. Des Weiteren wurde durch die direkte Messung der Dichte von Fulvinsäure (IHSS Waskish Torfmoor) der Dichtebeitrag von gelöstem organischen Kohlenstoff (DOC) bestimmt. Verschiedene gelöste Stoffe trugen zur Dichte in der gesamten Wassersäule bei. Nur jene Substanzen, die im anoxischen Monimolimnion höhere Konzentrationen als im oxischen Mixolimnion aufwiesen, waren entscheidend für die Aufrechterhaltung des Dichtegradienten zwischen den beiden Schichten. Im Waldsee war der Dichteunterschied zwischen Mixolimnion und Monimolimnion im Wesentlichen auf gelöstes Fe2+ (0,23 g/L, 45% Anteil an der Dichtedifferenz) und das Kohlenstoffsystem (HCO3-, rd. 0,16 g/L und CO2 rd. 0,03 g/L) zurückzuführen. Ca2+ und DOC tragen nur zu einem kleinen Teil zum Dichtegradienten bei. Während die Gesamtdichteunterschiede im Sommer hauptsächlich von Temperaturunterschieden beherrscht wurden, hielten im Winter die gelösten Stoffe die Meromixis aufrecht. Abschließend präsentieren wir eine vollständige Auflistung spezifischer Dichtebeitragskoeffizienten für fast alle dichterelevanten Stoffe in Süßwässern.

ID 12475
Persistent UFZ Identifier https://www.ufz.de/index.php?en=20939&ufzPublicationIdentifier=12475
Dietz, S., Lessmann, D., Boehrer, B. (2012):
Contribution of solutes to density stratification in a meromictic lake (Waldsee/Germany)
Mine Water Environ. 31 (2), 129 - 137