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Umlagerung des Wattbodens

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Umlagerung des Wattbodens

Ebbe und Flut bilden eine Gezeit oder Tide. Gezeiten entstehen unter dem Einfluss der Anziehungskraft des Mondes und der Sonne. Mit den Tiden werden aber nicht nur Wassermassen über den Wattboden hinwegbefördert, sondern aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeiten ist auch der Partikeltransport der Gezeiten groß[1]. In Bereichen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit werden Partikel vermehrt abgetragen (Erosion lat.: erodere = abnagen), in Bereichen mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit werden Partikel vermehrt abgelagert (Sedimentation). Ein Teil der von den Gezeiten mitgeführten Partikel wird daher auf den Wattflächen abgelagert (siehe Versuch „Entstehung von Watt – Modellversuch I“). Für die Ablagerung der Sedimente im Wattenmeer gilt allgemein, dass grobkörnige Partikel mehr seeseitig sedimentieren und das feinkörnige Partikel weiter an die Küste herangetragen und hier in Nähe der Hochwasserlinie beim Kentern der Flut abgelagert werden (siehe Versuch „Sedimentation – Unterschiede bei Schlick- und Sandwatt“ und „Bunte Schichten herstellen – Fraktionierte Sedimentation“). Aus diesem Grund findet man im Wattenmeer Bodenflächen mit unterschiedlichen Korngrößen und unterschiedlichen Eigenschaften, so dass man verschiedene „Wattarten“ klassifizieren kann.
Das Sandwatt besteht hauptsächlich aus Partikeln, die eine Korngröße zwischen 0,2 mm – 0,06 mm Durchmesser haben. Man findet Sandwatt vermehrt in Seenähe an der Niedrigwasserlinie und am Rande großer Priele. Es hat eine gut begehbare Oberfläche mit oft deutlich wellenförmiger Struktur (sog. Rippeln), die durch Strömung und Wellengang entstehen.
Das Schlickwatt hingegen setzt sich eher aus kleineren Partikeln (Korngrößen unter 0,06 mm) zusammen. Man findet es eher in Küstennähe, da die kleinen Partikel langsamer sedimentieren und sich erst in ruhigeren Zonen ablagern (vgl. Versuch „Sedimentation – Unterschiede bei Schlick- und Sandwatt“). Das Schlickwatt hat meist eine glatte, glänzende Oberfläche, in die man leicht einsinkt. Zwischen Sand- und Schlickwatt breiten sich verschiedene Formen von Mischwatt aus. Die Übergänge sind dabei fließend. Die Ablagerung von im Meerwasser mitgeführten Partikeln vollzieht sich am besten in Bereichen, in denen die Wasserbewegung reduziert wird. An der küstennahen Seite von Inseln lagern sich daher viel Partikel ab (siehe Versuch „Entstehung von Watt – Modellversuch II“). Die vorgelagerten Inseln und Sandbänke bilden einen Schutz für das Watt zwischen Festland und Inseln. Fehlten diese Wellenbrecher, so würde das entstandene Sediment leicht wieder abgetragen werden, da die Strömung dann stärker wäre.
Aber auch kleine Hindernisse im Wasser oder an der Hochwasserlinie fördern die „Aufschlickung“ durch Sedimentation. Insbesondere die Salzwiesen werden täglich bei Hochwasser überschwemmt. Zwischen den Pflanzen nimmt die Strömung des Wassers ab und die mitgeführten Partikel sedimentieren. Daher wird eine Salzwiese mit der Zeit immer höher. Pflanzen, die an die Bedingungen des Wattenmeeres angepasst sind (siehe „Angepasstheit von Lebewesen - Pflanzen“), haben somit eine wichtige Bedeutung.
Gegen Ende des 19. Jahrhunderts gingen Küstenbewohner dazu über, die natürliche Sedimentation künstlich zu beschleunigen. Sie hatten die Prinzipien von Erosion und Sedimentation verstanden: So zielten die Maßnahmen vor allem darauf ab, die Stillwasserzeiten und –räume zu vergrößern. Zur Beruhigung der Wasserbewegung legte man Lahnungen an (siehe Versuch „Entstehung von Watt – Modellversuch II“). Sie dienen heutzutage zusammen mit Buhnen nicht mehr der Landgewinnung, sind aber ein wichtiger Faktor zum Küstenschutz, da die Erosion der Küste vermindert wird. Die
Bewohner des Watts müssen an die fortdauernde Dynamik der Sedimentumlagerungen angepasst sein. Daher leben fast alle Bewohner der Wattflächen unter der Wattoberfläche, damit sie nicht so leicht fortgespült werden können (und weil sie dort vor Feinden besser geschützt sind).
Die Miesmuschel lebt über der Bodenoberfläche. Bei ihr hat sich eine andere Angepasstheit an die äußeren Bedingungen entwickelt: Sie bildet sehr robuste Fäden (Byssusfäden), mit denen sie sich am harten Untergrund fixiert.
Ein weiteres Beispiel für die Angepasstheit von Tieren des Wattbodens an die ständigen Sedimentumlagerungen findet man beim Bäumchenröhrenwurm. Die Tiere bauen sich aus Sandkörnern und Muschelbruchstücken Röhren, die bis zu 25 cm tief senkrecht im Wattboden stecken. Der Wurm selbst ist wesentlich kürzer als die Röhre (5-8 cm) und befindet sich beim Ausgraben meist im unteren Teil der Röhre. Der sichtbare obere Teil der Röhre ist wie die Krone eines Bäumchens geformt und wird bei der Nahrungsaufnahme genutzt (siehe „Ernährung der Wattorganismen“). Wird sein Bäumchen von Sediment überschichtet, verlängert er seine Röhre und erneuerte gegebenenfalls seine Krone. Er ist also an die Dynamik des Wattenmeeres angepasst. Manchmal kann man daher beim Ausgraben einer kompletten Bäumchenröhrenwurmröhre mehrere übereinander gebaute Kronen erkennen.
All diesen Betrachtungen und Phänomenen liegt das Konzept der Sedimentation und Erosion zugrunde. Die Sedimentation spielt als Trennverfahren in den Naturwissenschaften eine Rolle und ist ein wesentlicher Faktor im Ökosystem Wattenmeer. So kann ein Prinzip in völlig unterschiedlichen Kontexten thematisiert werden (vgl. Ernährungstypen der Wattorganismen), wodurch vernetztes Lernen gefördert werden kann.


[1] Man schätzt, dass mit jeder Tide allein an der schleswig-holsteinischen Westküste etwa 200.000t Feststoffe bewegt werden.

Entstehung von Watt
Modellversuch I

Geräte und Stoffe

  • 2 möglichst hohe Gläser mit Deckel (ca. 200mL)
  • Esslöffel
  • Wattboden
  • Leitungswasser

Durchführung

Ein Glas wird zu einem Fünftel mit Wattboden gefüllt und mit Wasser aufgefüllt. Es wird kräftig umgerührt. Nach dem Abstellen auf den Tisch wird beobachtet. Zum Schluss wird dekantiert.

Beobachtung

Durch das Umdrehen bzw. Rühren wird das Wasser trübe. Die festen unlöslichen Bestandteile setzen sich nach einiger Zeit am Boden ab. Beim Dekantieren bleiben sie zurück. Allerdings ist das Wasser immer noch aufgrund der Bestandteile trübe, die im Wasser schweben.

Erklärung

Siehe Sedimentieren und Dekantieren!
Das Rühren des Watt-Wassergemisches soll den Zustand bei auflaufendem Wasser darstellen. Wenn man aufhört zu rühren, soll dies das „Kentern der Flut“ simulieren. Die Strömung „steht für einen Moment still“ und die festen Bestandteile mit einer höheren Dichte sinken auf den Boden. Das ablaufende Wasser bei Ebbe wird durch das Dekantieren simuliert. Die Feststoffe bleiben zurück: „Wattboden“ entsteht.

Konzepte

Stoffgemische können getrennt werden (Sedimentation).

Quelle:

München, R. (1989): Unterrichtsmaterialien Wattenmeer und Nordsee. 2. Auflage. AOL/ Verlag Die Werkstatt.

Entstehung von Watt
Modellversuch II

Geräte und Stoffe

  • große, lange Schale (z.B. Fettpfanne, Photowanne)
  • Esslöffel
  • Holzbrett oder Plastikdeckel
  • Stein oder mit Wasser gefülltes Glas/Becher
  • Leitungswasser
  • Wattboden/feiner Sand

Durchführung

Die Schale wird zu ca. einem Drittel mit Wasser gefüllt. Das Wasser schiebt man mit einem Brett oder Plastikdeckel sanft an. Man beobachtet die Wellen.
Danach legt man einen Stein in das obere Drittel der Wanne, produziert Wellen wie oben beschrieben und beobachtet erneut. Im zweiten Teil des Experiments wird das obere Ende der Schale etwas erhöht gestellt, so dass sie schräg steht. Im oberen Bereich liegt sie dann trocken und im unteren Bereich ist sie mit Wasser gefüllt. Der Stein sollte im Trockenen oder im Übergangsbereich liegen. In das Wasser gibt man einige Esslöffel Wattboden. Nun schiebt man mit dem Brett das Wasser immer wieder in ansteigende Richtung, so dass der Wattboden mitgetragen wird. Man beobachtet insbesondere, an welchen Stellen sich der Wattboden wieder ablagert.

Beobachtung + Erklärung

Beim ersten Versuch laufen die Wellen hin und her.
Im zweiten Teilversuch „teilt“ sich die Welle, wenn sie den Stein (Wellenbrecher) erreicht. Der äußere Teil der Welle setzt sich am schnellsten fort und erreicht als erster das Ende des Behälters. Der innere Teil ist langsamer, so dass die Welle deutlich gekrümmt wird: Diesen Effekt nennt man Brechung.
Im letzten Teil des Versuches wird der Wattboden durch die Wellenbewegungen aufgewirbelt und mitgetragen. Wenn Boden z.B. durch schnell fließendes Wasser abgetragen wird spricht man von Erosion (lat.: erodere = abnagen).
Das Wasser fließt rechts und links vom Hindernis schnell bis zum oberen Rand der Schale. Dort sedimentiert viel Sand, da das Wasser „kentert“ und zurückfließt. Das Wasser fließt von links und rechts in die obere Mitte und von dort zurück nach unten. Dabei läuft es genau „seewärts“ auf das Hindernis zu. Vor dem Hindernis wird die Fließgeschwindigkeit des Wassers verlangsamt, so dass sich hier Wattboden ablagert. Die Körner sedimentieren hier also.

Anmerkung

Dieser Versuch stellt ein Modell für die dynamischen Prozesse des Wattenmeeres dar. Aufgrund von Ebbe und Flut sind die Wassermassen in ständiger Bewegung, wobei durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten der Materialtransport sehr groß ist. Es wird z.B. geschätzt, dass mit jeder Tide allein an der schleswig-holsteinischen Westküste ca. 200.000 Tonnen Bodenmaterial mit jeder Tide bewegt werden [2]. Bei Flut wird es mit dem auflaufendem Wasser mitgetragen, was sich beim Kentern der Flut auf den Wattflächen ablagert (Aufschlickung). Für die Ablagerung der Sedimente gilt, dass grobkörniges Material mehr seeseitig sedimentiert und dass feinkörniges Material weiter an die Küste herangetragen wird und an der Hochwasserlinie sedimentiert. Aus diesem Grund findet man das so genannte Sandwatt vermehrt in Seenähe: Sandwatt besteht also aus gröberen Körnern. Das so genannte Schlickwatt findet man eher in Küstennähe, da es sich aus kleinsten Körnern zusammensetzt. Die Grenze zwischen diesen beiden Extremen ist fließend, daher existieren große Mischwattbereiche.
Beim Abfließen des Wassers (Ebbe) wird ein Teil des Bodenmaterials wieder abgetragen. Je höher die Rückstromgeschwindigkeit des Wassers ist, desto mehr Bodenmaterial wird wieder ins Meer getragen. Daher besteht bei Sturmfluten die Gefahr, dass viel Bodenmaterial an der Küste weggespült wird. Zum Beispiel verlieren Inseln bei Sturmfluten oft Land.
Wenn an der Hochwasserlinie Hindernisse bestehen, wird die Strömungsgeschwindigkeit des auf- und ablaufenden Wassers verringert. So wird einerseits weniger Boden an der Hochwasserlinie abgetragen und andererseits lagert sich mitgetragener Boden beim Abfließen vor Hindernissen ab. Wenn eine Salzwiese mit Wasser überflutet wird, lagert sich viel mitgetragenes Bodenmaterial ab, da die Pflanzen viele kleine Hindernisse darstellen, die die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers verringern.
Künstliche Maßnahmen zum Küstenschutz sind Buhnen (senkrecht zum Strand in das Meer verlaufende Bauwerke) und Lahnungen (Holzpflockreihe mit dazwischen liegendem Gestrüpp), die die Sedimentation fördern.
Auch die vorgelagerten friesischen Inseln sind dem Küstenschutz dienlich. Sie bilden einen Wellenschutz für das landwärts gelegene Watt. Außerdem lagern sich landwärts feine Partikel ab, so dass das so genannte „Rückseitenwatt“ entsteht. Seewärts hingegen findet man bei den Inseln immer Sandküste, da Sand aus größeren Körnern besteht.

Konzepte

Stoffgemische können getrennt werden (Sedimentation).



[2] Thies, M. (1985): Biologie des Wattenmeeres. Köln: Aulis Verlag Deubner & Co KG.

 

Sedimentation
Unterschiede bei Schlick- und Sandwatt

Geräte und Stoffe

  • 2 möglichst hohe Gläser mit Deckel (z.B. Würstchen- oder Spargelgläser)
  • Edding
  • Stoppuhr
  • Schlickwatt
  • Sandwatt
  • Leitungswasser

Durchführung

Ein Glas wird zu einem Fünftel mit Sandwatt gefüllt und mit Wasser aufgefüllt. Mit dem Edding wird die Grenze zwischen Wattboden und Wasser gekennzeichnet. Das Glas wird zugeschraubt und kräftig geschüttelt. Nach dem Abstellen auf den Tisch wird mit der Stoppuhr die Zeit gemessen bis sich der Wattboden wieder bis zur Markierung abgesetzt hat. Der Versuch wird mit Schlickwatt wiederholt.

Beobachtung

Das Sandwatt setzt sich viel schneller am Boden ab als das Schlickwatt (Achtung: Insbesondere beim Schlickwatt dauert der Sedimentationsprozess recht lange. Man muss bis zu 45 Minuten einplanen, man kann aber wesentlich früher den Unterschied beobachten.).

Erklärung

Die unlöslichen Bestandteile der beiden Wattarten haben eine höhere Dichte als Wasser. Daher sedimentieren sie. Sand- und Schlickwatt setzen sich allerdings aus unterschiedlichen Korngrößen zusammen und sedimentieren daher unterschiedlich schnell. Sandwatt besteht hauptsächlich aus Feinsand, der eine Korngröße zwischen 0,2 mm – 0,06 mm Durchmesser hat. Schlickwatt hingegen setzt sich eher aus Schluff (d = 0,06 mm – 0,002 mm) und Ton (d < 0,002 mm) zusammen. Je größer der Durchmesser eines Kornes ist, desto schneller sedimentiert es. Die so genannte Sedimentationsgeschwindigkeit ist daher beim Sandwatt höher.
Weitere Faktoren für die Sedimentationsgeschwindigkeit sind die Erdbeschleunigung, die Dichte der Flüssigkeit und des Kornes und die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Flüssigkeit. Da dies sehr komplizierte Zusammenhänge sind, soll dies nicht weiter thematisiert werden (siehe Versuch „Fraktionierte Sedimentation“).

Anmerkung

Dieser Versuch kann auch im Freiland durchgeführt werden. Statt Leitungswasser kann möglichst klares Meerwasser verwendet werden.

Konzepte

Stoffgemische können getrennt werden (Sedimentation).




Bunte Schichten herstellen
Fraktionierte Sedimentation

Geräte und Stoffe

  • durchsichtiger Kunststoffschlauch (l = 2m; d = 2,5cm)
  • Holzstab (l = 2,1m; d = 2,5cm)
  • Kabelbinder
  • Klebe-/Isolierband
  • 2 Schellen
  • 2 Stopfen aus Holz und Gummi
  • Aquariensand und -kies mit unterschiedlichem Durchmesser und unterschiedlichem Farben (z.B. d = 4-8mm; d = 1-2mm usw.)
  • evtl. Trichter
  • Leitungswasser

Durchführung

Vorbereitung:
Die Vorbereitungen sollten am besten draußen vorgenommen werden, um eine Verschmutzung des Bodens zu vermeiden. Der Kunststoffschlauch wird mit Kabelbindern an dem Holzstab befestigt. Die Kabelbinder sind recht scharfkantig und sollten daher z.B. mit Klebeband abgedeckt werden. Dann wird er an einer Seite fest mit einem Stopfen verschlossen, der mit einer Schelle fest fixiert wird. Dann wird Wasser und jeweils die gleiche Menge an Aquariensand und –kies eingefüllt. Für das Einfüllen kann man einen Trichter verwenden (Für den Kies muss man einen Trichter mit entsprechend großer Öffnung verwenden.). Zum Schluss wird Wasser bis zum Rand nachgefüllt und der Schlauch mit dem zweiten Stopfen und Schelle verschlossen. Es sollte möglichst keine Luftblase mehr vorhanden sein. Diese Apparatur kann man nach der Herstellung immer wieder verwenden.
Versuch:
Der Kunststoffschlauch wird zunächst in die Waagerechte gebracht, so dass sich die unterschiedlich großen Körner auflockern und vermischen[3]. Dann wird er in die Senkrechte gestellt, so dass die Körner oben sind.

Beobachtung

Bild

Die Körner mit dem größten Durchmesser sinken am schnellsten zu Boden und setzen sich daher ganz unten ab. Die kleineren hingegen sinken langsamer und bilden entsprechend ihrer Größe die nächsten Schichten. Es kommt somit zu einer Sortierung der Körner entsprechend ihrer Größe. Dies wird insbesondere bei unterschiedlicher Färbung der verschieden großen Körner sichtbar (siehe Abb.).


Erklärung

Je größer der Durchmesser von Körnern, desto schneller sinken (sedimentieren) sie. Dies ist ein wesentlicher Grund für die unterschiedliche Geschwindigkeit der Körner beim Sinken, was man auch als Sedimentationsgeschwindigkeit bezeichnet (Weitere Faktoren sind die Erdbeschleunigung, die Dichte der Flüssigkeit und des Kornes und die Zähflüssigkeit der Flüssigkeit.). Daher kommt es zu einer Schichtung.
Diese Methode nennt man fraktionierte Sedimentation, da durch die unterschiedlichen Sinkgeschwindigkeiten einzelne Schichten, die man auch Fraktionen nennt, entstehen.

Anmerkung

Mit Kindern sollte man noch nicht von „Fraktionen“ sprechen. Man kann aber auf die verschiedenen Schichten eingehen. Aufgrund der Beobachtungen kann mit den Kindern diskutiert werden, warum die größeren Körner unten liegen („Sie liegen unten, da sie schneller sinken“). Die anderen Aspekte als Grund für die Sedimentationsgeschwindigkeit sind für die Grundschule viel zu kompliziert und sollten nicht thematisiert werden.
Man muss allerdings bei der Materialwahl darauf achten, dass die unterschiedlich großen Körner aus dem gleichen Material (oder aus einem Material ähnlicher Dichte) bestehen, da ansonsten evtl. die kleineren Körner schneller sinken als die größeren. Wenn die kleineren Körner eine viel höhere Dichte als die größeren Körner haben, sinken nämlich die kleineren schneller.

Konzepte

Stoffgemische können getrennt werden (Fraktionierte Sedimentation).


[3] Wenn man den Schlauch sofort in die Senkrechte dreht, kann es zu einer Verstopfung kommen, so dass die Körner nicht wie erwartet nach unten sinken.




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