3. Östersjön som system

Transkript

1 3. Östersjön som system 3.1. Östersjöns historia Ett antal fysiska faktorer medverkar till att skapa de yttre ramarna för livet i Östersjön. För att förstå varför Östersjön ser ut som den gör är det relevant att göra en tillbakablick på dess uppkomst. Trots Jordens långa historia (5 miljarder år) är det den senaste istiden som format det vi i dag kallar Östersjön. Stora delar av Östersjön är beläget på flera miljarder år gammalt urberg. Urberget är en del av den Baltiska skölden, som även innefattar Norge, Finland och nordvästra Ryssland. Områdets berggrund har uppkommit genom flera s.k. orogeneser, bildningsprocesser, då sedimentära och vulkaniska bergarter veckats och omvandlats på olika djup i jordskorpan. Söder om en tänkt linje mellan Kalmarsund och Finska viken råder andra förhållanden. Där finns även sedimentära bergarter ovanpå urberget. Dessa lagrade bergarter bildas när kalk, sand eller lerpartiklar faller ned på botten av ett hav och sedan pressas ihop. Vi kan exempelvis nämna de stora kalkstensförekomsterna vid Kalmarsund, Öland och Gotland som härstammar från tidsperioderna Kambrium, Ordovicium och Silur. Den skånska kusten består av ännu yngre berg från Krita-perioden ( miljoner år sedan) Istiderna Den istid som vi normalt talar om, Weichelistiden (eller Würmistiden), är vår senaste men inte sista istid. Nedisningen startade för ca 120,000 år sedan och isen var inte försvunnen förrän för ca 10,000 år sedan. Den hade sin största utbredning för 15,000 år sedan och täckte då hela Skandinavien med en maximal tjocklek på 3000 meter. I avsmältningsfasen kan man urskilja vissa karaktäristiska drag (se fig. 10). Den första isfria uppdämda vattenmassan, med utlopp i nuvarande Öresundsområdet, kallas den Baltiska issjön. Havsytan var då mycket låg p.g.a. att mycket vatten var bundet i isen. Baltiska issjöns stränder kan man fortfarande se spår av då de gav upphov till högsta kustlinjen i östra Sydsverige. Det var den gräns dit vattnet maximalt nådde och omformade landskapet genom vågpåverkan. Sedermera hann 29

2 Fig. 10. Illustration av Östersjöns utveckling efter den senaste (men inte sista) istiden. Omritat från Björck (1995). 30

3 landhöjningen ikapp och förbi erosionen, som var den motverkande kraften, vilket orsakade att Öresund blev igentäppt och utloppet istället troligen gick i trakterna kring berget Billingen, beläget vid Vättern. För något mer än 10,000 år sedan höjdes åter havsytan, då klimatet blev varmare, och ett nytt havsstadium inträffade. Förbindelsen låg då mellan Kattegat via Vänerbäckenet, över till Mälardalen. De danska sunden var vid denna tidpunkt torrlagda. Den ishavsmussla, Yoldia arctica, som är vanlig i sediment från den tidsperioden gav upphov till stadiets namn, Yoldiahavet. Via Yoldiahavet övergick inlandshavet i Ancylussjön, som allmänt anses ha varit ett sötvattensstadium. Med den fortsatta landhöjning täpptes senare de sund som funnit i trakterna kring Vänern igen och Öresund blev det enda utbytet med havet utanför. Ancylussjöns namn härstammar från snäckan Ancylus fluviatilis. Efterhand höjde sig landet och världshavsytan steg. Det medförde att utloppet flyttades till Öresund, och saltvattnet kunde, för ca 7000 år sedan, på nytt tränga in i östersjöbäckenet. Detta östersjöstadium kallas Litorinahavet, efter strandsnäckan Litorina litorea. Det är i princip detta stadium vi befinner oss i nu, även om salthalten sedan dess minskat. De senaste 4,000 åren har också utvecklingsstadiet fått ett nytt namn, Limnaeahavet, efter musslan Limnaea ovata. Effekterna av den senaste inlandsisen kommer att fortsätta påverka Östersjön, men mätt över en mansålder är det helt andra krafter som numera omformar levnadsvillkoren i havet Det biologiska systemet Östersjöns geologiska utvecklingshistoria påverkar Östersjöns ekosystem idag på ett högst påtagligt sätt. Efter att ha varit nedtryck av en mäktig inlandsis på som mest ca 2 kilometers mäktighet (se fig. 10) reser sig landet i en maklig landhöjning, som idag uppgår till maximalt ca 9 mm/år i norra Bottenviken, ca 7 mm/år i Bottenhavet, ca 1 mm/år omkring Öland och Gotland och ca ± 0 vid Bornholm. Landhöjningen gör att material som avsattes för flera hundra eller tusen år sedan nu kommer upp ovanför vågbasen och sålunda kan påverkas av dagens vindgenererade vågerosion. Det har beräknats att ca 80% av det material som sedimenterar under vågbasen i öppna Östersjön kommer från landhöjningen, och resten 31

4 A. B. Freshwater species Brackish water species Marine species Skagerrak Kattegat The Belt Sea 8 South Bornholm East Gotland Salinity ( ) 7 6 West Åland 5 Bothnian Sea 4 Bothnian Bay Water depth (m) Fig. 11A. Sambandet mellan antalet arter och salthalten. Från Remane (1934). B. Den genomsnittliga salthalten i Östersjöns tre huvudområden. från alla stora och små tillflöden och från primär- och sekundärproduktionen. Det finns ett mycket intressant samband mellan vattnets salthalt och antalet arter (se fig. 11A). Längst upp i Bottenviken, där salthalten är som lägst (fig. 11B), dominerar typiska sötvattenarter. I Bottenhavet och egentliga Östersjön, där salthalten i normalt ligger på ca 4 till 12, finns anmärkningsvärt få arter, dvs. få arter har under evolutionens gång anpassats till ett växlande liv i ömsom salt och sött vatten och detta är speciellt lätt att förstå utifrån informationen i fig. 10, som visar att i ett geologiskt perspektiv har Östersjön genomgått mycket snabba och skiftande utvecklingsförlopp. För att förstå hoten mot Östersjön är informationen i fig. 12 viktig. Här visas att produktionspotentialen (kvoten mellan produktionen P i kg/tid och biomassan B i kg; se också tabell 7) av bottendjur är mycket stor inom främst grunda kustområden, speciellt i de mjuka bottnarna och i områden med riklig strandvegetation. Detta är således de mest skyddsvärda kustområdena. Som nämnts finns tre grundtyper av primärproduktion som under ljusets inverkan omvandlar dött material till levande: Växtplankton, bentiska alger och makrofyter (strandvegetation). Det mesta av primärproduktionen sker inom de översta vattenlagren dit ljuset når, dvs. den fotiska zonen, som ungefär motsvarar det dubbla siktdjupet. 32

5 15-70 Infauna P/B-1 Water depth (m) 3-15 Infauna P/B Transportation Moderate fetch Mixed sediments Accumulation Enclosed Soft deposits Erosion Exposed Hard bottoms Estuary with vegetation Extremely valuable area Extremely valuable area Infauna production Fig. 12. Kriterier för att uppskatta ett givet kustområdes fiskeribiologiska värde. På vattendjup över 15 m kan infaunans (dvs. djur > 1 mm som lever i bottensedimenten) produktionskapacitet (dvs. kvoten mellan produktionen och biomassan) ungefärligen uppskattas till 1. På vattendjup mellan 3-15 m kan produktionskapaciteten uppskattas till mellan 1 och 3. På vattendjup mindre än 3 m måste man ta hänsyn till den dominerande sedimenttypen. Här anges för enkelhets skull produktionskapaciteten i relativa tal: betyder värdefullt område ur produktionssynpunkt, betyder mycket värdefullt område och extremt värdefullt område. VI står för infauna produktion och VE för epifauna produktion, dvs. produktion av fisk, musslor, krabbor, etc. För vidare information om förutsättningar och begränsningar för denna modell hänvisas till Rosenberg (1985) eller Håkanson och Rosenberg (1985). Valuable area ( ) Extremely to very valuable area Tabell 7. Karaktäristiska livslängder ("turnover times", T = B/P; där B = biomassa i kg våtvikt; P = produktion av biomassa i kg våtvikt per dag) och produktionspotentialer (= P/B) för nio grupper av funktionella nyckelorganismer i akvatiska ekosystem. Från Winberg (1985) och Håkanson and Boulion (2002). Group Turnover time (days) Production potential (1/days) Phytoplankton Bacteria Benthic algae Herbivorous zooplankton Predatory zooplankton Prey fish Predatory fish Zoobenthos Macrophytes Primärproduktionen av växtplankton styrs också av tillgången på närsalter och normalt uppvisar växtplanktonproduktionen typiska mönster där olika arter produceras under olika årstider. Produktionen av bentiska alger och makrofyter styrs inte på samma sätt av tillgången på närsalter i vattenmassan eftersom de just är bentiska, dvs. bottenlevande. Produktionen av bentiska alger och makrofyter regleras istället främst av vattnets klarhet, 33

6 djupförhållandena och sedimenttypen. Ju klarare vatten desto större produktion av bentiska alger och makrofyter. Praktiskt taget all produktion av bentiska alger och makrofyter sker ovanför siktdjupet. I många system kan man räkna med att produktionen av bentiska alger är ungefär lika stor som produktionen av växtplankton och att produktionen av makrofyter är ca 25-50% av denna produktion. Detta betyder att en mycket stor del av primärproduktionen sker inom grunda kustområden. Här finns således rikligt med föda för djurplankton som äter växtplankton och för bottendjur som äter bentiska alger, makrofytrester och sediment. Eftersom dessa djurgrupper utgör föda för småfisk, sker en stor del av fiskproduktionen inom de grunda kustområdena och makrofyterna spelar härvidlag en viktig och speciell roll, inte främst som föda för fisken, utan som skydd för småfisken mot rovfisk. Kustområdena bör betraktas som barnkammare och skafferi för hela Östersjön. För att skydda livet i havet måste man således skydda dessa grunda, högproduktiva kustområden. Produktionen kan vara 20 gånger större i de mest produktiva kustområdena än i de produktivaste sädesfälten på land. Kustområden (liksom sjöar) indelas ofta i grupper som lågproduktiva (oligotrofa), mellanproduktiva (mesotrofa), högproduktiva (eutrofa) och mycket högproduktiva (hypertrofa; se tabell 8). Ofta dominerar olika fiskarter inom de olika trofiska kategorierna och man kan räkna med att ett givet ekosystem kommer att förändras i grunden om årsmedelvärdet på närsaltskoncentrationen i vatten förändras med en faktor 1.5 eller mer. 34

7 Tabell 8. Trofisk indelning av kustområden. Alla angivna värden representerar sommarmedelvärden. Från Wallin et al. (1992). Trophic Secchi Chl-a Total-N Inorg-N Total-P Oxygen level (m) (mg/m 3 ) (mg/m 3 ) (mg/m 3 ) (mg/m 3 ) (mg/l) (%) Oligotrophic >6 <1 <260 <10 <15 >10 >90 Mesotrophic Eutrophic Hypertrophic <1.5 >5 >400 >40 >30 <4 < Kustens utseende och form Hur kusten ser ut (dvs. dess morfometri) har avgörande betydelse för hur kusten fingerar som ekosystem, för vatten- och sedimentutbytet, för koncentrationer av miljöstörande substanser, för omsättningen av material, och därmed för primär- och sekundärproduktionen. Fig. 13 ger en beskrivning av Östersjöns olika kusttyper. Här finns allt från öppna klipp- och sandkuster till mycket stora sammanhängande skärgårdsområden, som egentliga Finlands skärgård mellan Åbo och Åland och Stockholms skärgård med 25,000 öar. Man brukar övergripande dela in Östersjön i tre funktionella zoner, (1) kustzonen, (2) övergångszonen mellan kustzonens yttre öbarriär och vågbasen, samt (3) djupvattenområdena (fig. 14). Förutsättningarna för primär- och sekundärproduktionen är mycket olika inom dessa tre zoner. Kustzonen, dvs. havets barnkammare och skafferi, brukar övergripande beskrivas med morfometriska parametrar i följande tre kategorier (se fig. 15): Storleksparametrar Formparametrar Specialparametrar Max. djup Medeldjup Topografisk öppenhet Tröskeldjup Hypsografisk kurva Fetch (= stryklängd) Total area Kustmedelbredd Filterfaktor Vattenyta Medellutning Tvärsnittsarea Formfaktor Vattenvolym Öppenhet 35

8 Fig. 13. Generaliserad bild av kusttyper i Östersjön. Från Voipio (1981). Land N Section area Coastal zone Transition zone Deep water areas Coastal zone Transition zone Coastal zone Transition zone Deep water area Fig. 14. Indelning i Östersjöns tre funktionella zoner. Från Håkanson (1990). 36

9 Form factors Coast type Size factors Special factors Fig. 15. Ett kustområdes morfometri kan beskrivas med olika storleks-, form- och specialparametrar. Hur kusten ser ut, dess morfometri, har stor betydelse för hur kusten fungerar som ekosystem. Deep water retention time (Td) Surface water retention time (Ts) Section area (At) Sea Filter factor (Ff) c a i x i Exposure (Ex=100 *At/Area) Coastal area (Area) Coastal area Erosion - transportation area (ET) Accumulation area (A-area) Mean depth (Dm=Vol/Area) Form factor (Vd=3 *Dm/Dmax) Max. depth (Dmax) Fig. 16. Illustration av viktiga kustmorfometriska parametrar som kan bestämmas snabbt från digitaliserade sjökort med hjälp av GIS-teknik (GIS = Geografisk InformationsSystem). Den mest grundläggande inledningen rör var gränslinjen mellan kust och hav, eller mellan kust och omgivande kuster, skall dras och principen för detta är att gränslinjen skall dras så att den topografiska öppenheten (kvoten mellan sektionsarean, At, och den inneslutna arean, A) minimeras. Från Pilesjö et al. (1991). 37

10 Hur kusttypen kan beskrivas med dessa tre kategorier illustreras schematiskt i fig. 16. I många skärgårdsområden, som inte har tydliga öppningar eller trösklar, kan det vara svårt att enkelt och klart definiera begränsningslinjen mellan kust och hav, dvs. var kusten slutar och havet tar vid. Om det föreligger tveksamhet var gränslinjen skall dras, är tumregeln den, att linjerna skall läggas vid de topografiska flaskhalsarna, dvs. så att den topografiska öppenheten blir så liten som möjligt. Vi har utvecklat en ny metodik som bygger på digitala djupkartor och med hjälp av en särskild programvara (ett GIS-system, där GIS = Geografiskt InformationsSystem) kan man nu på ett enkelt och objektivt sätt identifiera de topografiska flaskhalsarna (se fig. 17 och avsnitt 4.2). För de avgränsade delbassängerna kan följande parametrar lätt bestämmas: Medeldjupet, dvs. kvoten mellan volymen och vattenytan, är en viktig parameter, bl.a. i modeller som beskriver kusters bioproduktion. Medellutningen, kan bestämmas enligt en formel som bygger på längden av ett antal konturlinjer (= djupkurvor), maximala djupet och vattenytan. Kustmedelbredden, definieras av kvoten mellan den totala kustarean och kustlinjelängden. Kuster med få öar och liten skärgård har liten kustmedelbredd, och tvärtom. Formfaktorn, definieras som kvoten mellan kustvolymen och volymen av en kon vars basyta är lika med kustarean och vars höjd är lika med maximala djupet (dvs. 3 Dm/Dmax). Den topografiska öppenheten ( Exposure, Ex, se fig. 16 för illustration) är ett dimensionslöst mått som beskriver hur öppet ett givet kustområde är för vindar och vågor från havet (Ex = 100 At/Area; där At = sektionsarea och Area = kustområdes area). Detta är ett användbart mått i kustekologiska sammanhang. Från den topografiska öppenheten kan man uppskatta den teoretiska utbytestiden för ytvattnet, vilket är av stor betydelse i massbalansberäkningar. Den s.k. fetchen (stryklängden eller exponeringsgraden) är ett mått på den fria vattenyta över vilken vinden påverkar vågbildningen; ju större fetch desto högre vågor. Fetchen är således en viktig parameter för att beskriva kopplingen mellan vind - vågor - bottentyp (se Fig. 17. Illustration av den nya automatiska GIS-metoden att göra kustavgränsningar. Från Lehtinen et al. (2001). 38

11 fig. 18) och för sambandet mellan bottentypen, produktionen av bottendjur och den totala bioproduktionen (fig. 12). Filterfaktorn illustreras i fig. 19. Den beskriver hur kusten utanför ett definierat kustområde fungerar som energifilter. Ju fler öar och ju tätare de ligger desto effektivare kommer området utanför den givna kusten att fungera som filter för vind-/vågpåverkan från det 39

12 Effective fetch (km) (EF) Erosion 20 Water depth (m) Accumulation WDE/T 0-1 =50% =(30.4*EF)/(EF+34.2) Transportation WD T/A =(45.7*EF)/(EF+21.4) Fig. 18. ETA-diagrammet (Erosion - Transport - Ackumulation). Effektiv fetch eller exponeringsgrad på positiva x-axeln och vattendjup på negativa y-axeln. Ackumulationsbottnar består av finmaterial, erosionsbottnar av grovmaterial. Transportbottnar finns mellan dessa två ytterligheter. ETA-diagrammet gäller främst områden där vindgenererade vågor reglerar de bottendynamiska förhållandena (från Håkanson, 1977). Sea x i c, central radial ai Land At 1 At 2 Coastal area Definition of filter factor: Ff=((cos(a i)*x i)*at) j Fig. 19. Illustration av filterfaktorn, som beskriver hur ett kustavsnitt utanför ett definierat kustområde fungerar som energifilter för det givna kustområdet. Från Persson et al. (1994). utanförliggande havet. Detta påverkar vattenutbyte och bottendynamiska förhållanden (dvs. bottentyperna) och därmed kustens primär- och sekundärproduktion Sediment Sedimentation och resuspension i ett kustområde beror till stor del på områdets 40

13 hydrodynamiska karaktär, som i sin tur beror på flera topografiska, geografiska och klimatologiska faktorer. Det sedimenterande materialet består huvudsakligen av från omgivningen tillfört material (alloktont material från tillrinnande vattendrag), i vattnet producerat material (autoktont material, t.ex. plankton) och från bottnarna resuspenderat material. Den övre gränsen för vad som räknas som finmaterial brukar sättas vid partikeldiametern 0.06 mm. Finmaterial sedimenterar dock sällan eller aldrig rakt ner genom vattenmassan, utan sveps istället med i de små- och storskaliga huvudsakligen horisontella vattenrörelser som alltid förekommer. Den horisontella komponenten är oftast minst 10 gånger större än den vertikala (för finmaterial som sedimenterar enligt Stokes' lag med laminär strömning). I samband med resuspension av bottensedimentet sker ett "läckage", en intern dos, av närsalter från sedimenten till vattenmassan. Det finns två olika huvudprocesser bakom det interna återflödet från sedimenten, resuspension (= advektion), dvs. storstilade vind-/våggenererade processer eller utglidningar och skred på bottnar som lutar mer än 4-5%; resuspensioner äger definitionsmässigt endast rum på ET-bottnar (se nedan för definition). Den andra processen är diffusion, dvs. flöden som styrs av koncentrationsgradienter mellan bottenvatten och sedimenten. Denna interna närsaltdos leder också till en ökad primärproduktion och de högsta klorofyllvärdena i kustområden har påvisats under perioder med höga vindhastigheter. I kustekologiska sammanhang är det således viktigt att beskriva hur exponerat ett område är för vindar och vågor och hur detta påverkar fördelningen av olika bottentyper. Denna fördelning av olika bottentyper, de bottendynamiska förhållandena, definieras utgående från det mest lättrörliga finmaterialet: Erosionsbottnar, dvs. bottnar utsatta för vågpåverkan och där grovmaterial (>0.06 mm; sand, grus och sten) dominerar. Transportbottnar, dvs. bottnar med oregelbunden deposition och borttransport av finmaterial och blandade sediment. Ackumulationsbottnar, dvs. finsedimentbottnar med kontinuerlig deposition av det mest lättrörliga finmaterialet. Eftersom det ofta är svårt att dra gränsen mellan erosions- och transportbottnar är det vanligt att endast skilja mellan erosions-/transportbottnar (ET) och ackumulationsbottnar (A). Sambandet mellan bottendynamiska förhållanden (E, T och A), och sedimentens fysikaliska 41

14 och kemiska karaktär för svenska kustsediment illustreras i tabell 9. Man kan notera att E- bottnar generellt härbärgerar små föroreningsmängder, T-bottnar är blandade; de största föroreningsmängderna finns på A-bottnar. Gränsen mellan ytliga, biologiskt aktiva A- bottnar och underliggande, geologiska sediment ligger ofta på ca cm sedimentdjup. Transporten (eng. burial ) från aktiva till passiva sediment är också en transport från biosfären till geosfären av föroreningar från teknosfären. Tabell 9. Karaktäristiska värden för olika sedimentparametrar för svenska kustsediment från erosions-, transport- och ackumulationsbottnar (från Håkanson et al., 1984). ww = våtvikt; dw = torrvikt. Erosion Transportation Accumulation PHYSICAL PARAMETERS Water content (% ww) < > 75 Organic content (loss on ignition, % dw) < > 10 NUTRIENTS (mg/g dw) Nitrogen < > 5 Phosphorus > 1 Carbon < > 50 METALS Iron (mg/g dw) < > 20 Manganese (mg/g dw) < Zinc (µg/g dw) < > 200 Chromium (µg/g dw) < > 50 Lead (µg/g dw) < > 30 Copper (µg/g dw) < > 30 Cadmium (µg/g dw) < > 1.5 Mercury (ng/g dw) < >

15 Att känna till vilka bottentyper som dominerar i ett kustområde och var de olika bottentyperna finns är viktigt i många sammanhang, t.ex.: - Vid bedömning av effekter av närsaltsbelastningar, speciellt gäller det de kopplingar som finns mellan bottendynamiska förhållanden, materialomsättning och omsättning av närsalter. Arealen ackumulationsbottnar har t.ex. visat sig vara den parameter som förklarar största delen av variationen i siktdjup mellan olika kustområden. I områden med stora andelar ackumulationsbottnar kan en stor del av den organiska belastningen sedimentera och påverka syrgassituationen för bottendjuren. - Vid lokalisering av fiskodlingar. Om en kassodling placeras över en erosions- eller en transportbotten minimeras risken för att syretärande organiskt material skall samlas under odlingen. Materialet från kassen kommer istället att spridas till intilliggande områden. Om kassen placeras över en A-botten kommer spridningen till omgivande områden att bli mindre. Syrgasproblemen vid bottnarna accentueras om djupvattnets utbytestid är lång. Om syrgasbrist uppstår i sedimenten under odlingen kan detta leda till bildning av svavelväte, som kan döda fisken i odlingen. Detta är problem som alltså spelar stor roll såväl för den som producerar fisk som för effekterna i recipienten. - Vid dumpning av kontaminerade muddermassor. Dessa bör i princip alltid dumpas på A- bottnar för att förhindra spridning i vattenmassan och till intilliggande kustområden. - Finns inga A-bottnar i den recipient där t.ex. avloppsvatten släpps ut, kommer hela recipienten att fungera som en transportled för avloppsvattnet och dess föroreningar. Om recipienten däremot har stora andelar A-bottnar kan den också fungera som en naturlig sedimentfälla, dvs. ett reningsverk, för utanförliggande kustområden. Som tidigare nämnts binds ett stort antal föroreningar till finmaterialet. Vågenergin från havet dämpas vid passage genom en skärgård, varför arealen A-bottnar, blir högre i topografiskt slutna kuster utan direktkontakt med utanförliggande hav än i öppna kustområden. Eftersom morfometriska parametrar vanligtvis endast beskriver förhållandena i själva området har en parameter kallad filterfaktorn tagits fram för att ge ett mått på hur mycket vågenergi som kan nå ett kustområde. Inom områden där vind och vågor huvudsakligen bestämmer de sedimentologiska förhållandena, förekommer E-bottnar generellt i strandnära delar, där stryklängden är stor i förhållande till vattendjupet (se fig. 43

16 18), därefter T-bottnar och på större djup slutligen A-bottnar. Gränsen mellan T-bottnar och ackumulationsbottnar kallas för vågbasen. I topografiskt skyddade områden, t.ex. i många vikar och skärgårdar, kan finmaterial finnas på förhållandevis små djup Vattenutbyte och vattenomsättning Det har redan framgått att de hydrodynamiska och bottendynamiska förhållandena vid och utanför kusten har stor betydelse för transport, sedimentation och resuspension av material och föroreningar. Fig. 20 illustrerar att också vattnets skiktningsförhållanden är viktiga. På sommaren återfinns normalt varmt, lätt och sött ytvatten ovanför kallare, saltare och tyngre djupvatten. Gränsen mellan dessa skikt kallas termoklinen eller temperatursprångskiktet, som ofta ligger på ca 10 m i svenska kustområden under sommaren. Som indikeras i fig. 20 kan ett mer eller mindre stort vattenutbyte förekomma mellan yt- och djupvattnet inom kustområdet; vattenutbytet kan också vara stort mellan kusten och utanförliggande områden. Fig. 21 redovisar mätningar av ytvattnets teoretiska omsättningstid (Ts) för 20 svenska kustområden och man kan konstatera att medianvärdet är 5 dagar. Det betyder att ytvattnet skiftas 6 gånger per månad. För vissa kustområden med stor topografisk öppenhet kan Ts vara 1 dag och för mycket stora, innestängda kustområden långt in i skärgårdar kan Ts vara uppemot 20 dygn. Detta har uppenbarligen stor betydelse i massbalanssammanhang, dvs. för flödet mellan kusten och omgivande vatten, eftersom ytvattenflödet (Q i m 3 per dygn) mellan kust och hav är lika med Vs/Ts, där Vs är ytvattenvolymen (m 3 ). Vattenhastigheten över sektionsarean (At i m 2 ) är lika med Q/At och en typisk hastighet över sektionsarean är 44

17 Coastal area boundary Water surface Surface water Thermocline Bottom water Fig. 20. Illustration av ytvatten, djupvatten och vattenutbyte för ett kustområde. Från Persson et al. (1994). ca 2 cm/sek. En typisk flödeshastighet utanför kusten är ca knop eller cm/sek. Naturligtvis varierar dessa hastigheter med väder och vind. Vattenutbytet mellan kust och hav kan drivas av flera processer, som också varierar i tid och rum. Processernas betydelse varierar med kustområdets morfometri, som inte varierar i tid, men, som påpekats, i hög grad mellan olika kustområden. Övergripande kan sägas att all drivkraft kommer från solenergin men solenergin kan delas upp i olika underordnade drivprocesser, som: Vinddrivning. När vinden blåser över en vattenyta snedställs denna vilket medför en snedställning också av temperatursprångskiktet. Detta innebär att vattenmassor måste förflyttas. Vinddrivningen sker genom direkt överföring av rörelser från atmosfären till havet. Hastigheten i vattnet uppgår normalt endast till ett par procent av vindhastigheten. Termiska effekter och sötvattentillförsel. Uppvärmning av havsytan ger ett lättare ytvatten som "vill spridas ut", medan avkylning resulterar i tyngre vatten som sjunker mot större 45

18 Fig. 21. Sammanställning av empiriska mätdata på ytvattnets teoretiska uppehållstid (Ts; data från Håkanson et al., 1984). Den översta figuren ger data för alla 20 undersökta kustområden, den undre figuren ger motsvarande frekvensfördelning. Medianvärdet för Ts är 5 dygn. djup. Eftersom vattnets täthet minskar med minskande salthalt, får sötvattentillförsel samma effekt som uppvärmning, dvs. vattnet sprids ut, och avdunstning får den motsatta effekten. Vindens mest markanta effekt är att den sätter vattnet i rörelse, medan sötvattentillförsel och termiska processer har stor betydelse för den vertikala täthetsskiktningen i havet. Tidvattensvängningar och vattenståndsvariationer. I mindre vikar på den svenska västkusten kan tidvattnet ha betydelse för vattenutbytet, liksom även vattenståndsvariationer drivna av varierande lufttryck och vindar. Lufttrycksvariationer spelar en stor roll för t.ex. vattenutbytet mellan Östersjön och Västerhavet. I Östersjöns kustområden kan de flesta av ovanstående processer vara av betydelse för vattenutbytet, men man kan ofta sortera bort några som underordnade vad gäller drivningen av vattenutbytet. Så är exempelvis de för världshaven så betydelsefulla termiska effekterna 46

19 nästan alltid betydelselösa i våra svenska kustområden. Detsamma gäller sötvattentillförseln som bara dominerar nära flodmynningar. Vattenståndsvariationer och tidvatten torde huvudsakligen vara av betydelse i mycket grunda kustområden. Egenskaper som värme och "rörelse" tillförs i regel vid havsytan, men omfördelas därefter både horisontellt och vertikalt. Vinden bidrar kraftigt till detta genom sin blandande verkan. Sötvatten som rinner ut i ytvattnet i havet blandas till djupare lager huvudsakligen genom vindens verkan. De drivande och blandande processer styr alltså rörelserna i vattnet. Dessa vattenrörelser modifieras emellertid av ett antal faktorer. Topografin modifierar den ursprungliga vattenrörelsen och har stor betydelse för intensiteten i de drivande processerna. Jordens rotation modifierar också vattenrörelsen genom den s.k. Corioliskraften som gör att flöden på norra halvklotet avlänkas åt höger i flödesriktningen (se fig. 22), vilket skapar en kraftig kustström (10-20 cm/sek) som i hög grad påverkar spridningen av föroreningar från landbaserad verksamhet och gör att föroreningarna transporteras längs kusten. Djupvattnets utbytestid är som regel avsevärt längre än ytvattnets (se fig. 23). Djupvattnet i kustrecipienter byts ofta ut kontinuerligt, under höst- och vårcirkulationerna sker ett än effektivare utbyte, liksom i samband med stormar. I en del djupa tröskelfjordar byts djupvattnet ut endast var 5e - 10e år. Det är också lätt att förstå att djupvattnets teoretiska utbytestid (Td i dygn) normalt är förhållandevis kort i områden med små djupvattenvolymer. I Östersjön finns i regel en haloklin, dvs. ett salthaltssprångskikt, på stort djup - omkring 50 till 70 meter (se fig. 24). På Västkusten ligger haloklinen på betydligt mindre vattendjup, i regel mellan 10 till 20 m. Haloklinen är i regel mer stabil än termoklinen. Generellt kan sägas att ju större kustområde desto djupare språngskikt. Ett stabilare språngskikt blir svårare att "bryta", men också att röra vertikalt. Begreppen vattenomsättning och utbytestid Fig. 22. Storskaligt hydrodynamiskt strömningsmönster i Bottenhavet och Bottenviken. Från Håkanson et al. (1988). 47

20 Fig. 23. Sammanställning av empiriska mätdata på djupvattnets teoretiska uppehållstid (Td; data från Persson et al., 1994). Den översta figuren ger data för alla 15 undersökta kustområden, den undre figuren ger motsvarande frekvensfördelning. Medianvärdet för Ts är 13 dygn, men stora variationer föreligger mellan olika områden p.g.a. olikheter vad gäller Jan. Sept. Jan. Sept Oxygen (ml/l) Salinity ( ) Temperature ( C) Water depth (m) öppenhet mot havet, volymen av djupvattnet och väder- och vind-förhållanden. Fig. 24. Vertikala profier från Gotlandsdjupet år 1987 för temperatur (data från januari och september), salthalt och syregaskoncentration. Från Monitor (1988). är fysikaliska begrepp som kan definieras utifrån den grundläggande massbalansekvationen (se nästa avsnitt). Att känna till vattenomsättningen i ett kustområde är viktigt i många sammanhang, t.ex.: - Koncentrationer av exempelvis gifter eller närsalter från punktutsläpp i kustrecipienter kan inte beräknas om inte vattenomsättningen är känd. Eftersom koncentrationen av en viss substans påverkar miljöeffekten är det nödvändigt att veta hur utsläpp späds ut genom utbyte med omgivande vatten. - Kustområden med snabbt vattenutbyte har ofta en annan ekologisk karaktär än områden med långsamt vattenutbyte. Områden med långsamt vattenutbyte är ofta inneslutna och har 48

21 ett stort biologiskt värde, t.ex. som barnkammare och skafferi för många fiskarter (fig. 12). - Djupvattenutbytet har stor betydelse för syrgastäringen/syrgasstatusen i bottenvattnet (se senare avsnitt). Områden med långsamt djupvattenutbyte har ofta lägre syrgashalter än områden med snabbt djupvattenutbyte. Behovet av att bestämma miljöeffekter av olika utsläpp i kustområden har ökat i takt med att utsläppen ökat. Behovet av mer kvalificerade effekt-dos-känslighetsanalyser kan dessutom antas komma att öka i framtiden för att optimera reningsåtgärder för definierade kustområden. För en kustplanerare, å andra sidan, är det ofta angeläget att på kort tid och med små ekonomiska medel få en realistisk uppskattning om ett kustområdes karaktär, t.ex. av storleksordningen på vattenutbytet. Med traditionella fältmetoder är det ofta både kostsamt (ca 300,000 kr per område) och tidsödande att bestämma vattenomsättningen. Nedan skall vi kort nämna något om de metoder som finns för att bestämma vattnets utbytestid. CTD-sondering, som står för mätning av "conductivity, temperature and depth". Flera olika typer av instrument finns kommersiellt tillgängliga. Vanligen används CTD-sondering för mätning av utbytestider i estuarier, dvs. i kustområden med sötvattentillförsel. Med mätningar av salthalten i och utanför det givna kustområdet samt med kännedom om vattenvolymen och sötvattentillförseln i området, kan man beräkna utbytestiden. Den vanligaste metoden för att beräkna vattenutbytet genom en kontrollsektion är att använda grundläggande massbalans för salt, som vi kommer att diskutera senare. Pendelmätning. Ett enkelt och billigt instrument för mätning av vattenströmmar är den s.k. gelatinpendeln. Metoden bygger på pendelprincipen, dvs. att mätdonet, som i sin huvuddel består av en V-formad plastfena, svänger fritt upphängd i ena hörnet av fenan. I nedre delen av instrumentet finns en löstagbar plexiglasdosa innehållande en fritt upphängd kompassnål. Plexiglasdosan är fylld med gelatin, som värms upp före mätningen för att få gelatinet lättflytande. Gelatinpendeln fästes på en lina som är förankrad vid bottnen och hålls sträckt med en flytboj. Under tiden registreringen pågår ställer sig plastfenan i strömmens riktning. Efter ca minuter i vattnet stelnar gelatinet i plexiglasdosan och låser fast kompassnålen i dess riktning och lutning. Efter det att gelatinpendeln tagits upp kan den avläsas med en enkel gradskiva och med hjälp av en kalibreringskurva kan siffervärdena 49

22 omvandlas till data på strömmens riktning och hastighet. Efter avläsning kan plexiglasdosan värmas upp och användas på nytt. Spårämnesundersökning har använts under lång tid för mätning av vattenutbyte i kustvatten. Detta är kanske den mest korrekta metoden för att mäta vattenutbyte. Metoden går ut på att sprida ett spårämne (t.ex. färgämnet Rodamin) i det aktuella kustområdet. Därefter studeras genom upprepade mätningar hur ämnet sprids och försvinner från området. Ur koncentrationsavtagandet kan utbytestiden bestämmas med hjälp av massbalansekvationen. Registrering av vattenstånd. Vattenståndsvariationerna sätter vattenmassor i rörelse och spelar således en viktig roll för ett kustområdes vattenförnyelse. Vattenståndsvariationer kan registreras med olika sorters peglar varav den registrerande pegeln är den vanligaste. Denna består i princip av en lina, med en flytkropp och en mottyngd i vardera änden, som är upphängd över ett hjul. Hjulet är kopplat till en skrivtrumma som registrerar rörelser i vertikalled hos flytkroppen. Kontinuerligt registrerande system. Kommersiella instrument för kontinuerlig mätning av vattenströmmars riktning och styrka är förhållandevis dyra i inköp. De kräver också kraftig ankringsutrustning. Med en inställning som ger en observation per timme kan mätaren sitta ute under ca ett år. Mätaren kan också utrustas med givare för mätning av salthalt och temperatur. Morfometriska metoder. Det finns också enkla empiriska modeller med vars hjälp såväl ytvattnets (Ts) som djupvattnets (Td) teoretiska uppehållstid kan uppskattas från kustmorfometriska parametrar. I våra ekosystemmodeller ingår just sådana samband och fig. 25A 50

23 Fig. 25. A. Den empiriska modeller för att uppskatta ytvattnets teoretiska uppehållstid (Ts) från den topografiska öppenheten (Ex). Figuren ger också regressionslinjen, och grundläggande statistik (r 2 -värdet = 0.95 = den statistiska förklaringsgraden och n = 14 = antal prov i regressionen). B. Den empiriska modellen för djupvattnets teoretiska upphållstid från sektionsarean (At) och formfaktorn (Vd). Denna modell är ny men bygger på data från Persson et al. (1994). Figuren ger också regressionslinjen mellan empiriska Td och modellerade Td, modellens ekvation, samt grundläggande statistik (r 2 -värdet = 0.79 = den statistiska förklaringsgraden och n = 15 = antal prov i regressionen). illustrerar modellen för att uppskatta Ts från topografisk öppenhet (Ex) och fig. 25B ger motsvarande modell för att uppskatta djupvattnets teoretiska uppehållstid från data på sektionsarean (At) och formfaktorn (Vd). Detta betyder att all grundläggande information för massbalansberäkningar, som områdets area, volym samt djupvattnets och ytvattnets teoretiska uppehållstider och därmed också flödena till och från kusten, kan uppskattas från sjökortsinformation på ett enkelt, relevant och användarvänligt sätt Sött och salt vatten 51

24 Det kan också vara befogat att notera att det föreligger stora principiella likheter mellan akvatiska system med olika salthalt; de flesta processer har samma namn (t.ex. sedimentation, resuspension, bioupptag) och de kan ofta beskrivas med samma eller liknande ekvationer. Men det finns också viktiga skillnader mellan hur sjöar och kustområden fungerar. I en typisk svensk skogssjö på 1 km 2 och med 5 m vattendjup kan man räkna med att vattnets teoretiska uppehållstid är ca 1 år; den karaktäristiska uppehållstiden för ytvattnet för ett motsvarande stort kustområde ligger, som nämnts, på ca 5 dygn. Kustområdena ingår således i ett mycket dynamiskt samspel med omgivande vatten. Då sött vatten möter salt kommer det material som är suspenderat i vattenmassan att aggregera, dvs. bilda flockar. Dessa flockar sedimenterar förhållandevis snabbt, varför siktdjupet normal är större i marina områden än i jämförbara sötvatten. Och enligt fig. 10 spelar salthalten en stor roll för antalet arter. En annan viktig skillnad mellan salt och sött vatten illustreras i fig. 26. I den vänstra figuren visas hur mängden suspenderat partikulärt material (SPM i mg/l) normalt fördelar sig i en sjö: SPM-koncentrationen ökar med vattendjupet, vilket kallas sediment focusing. SPM berör faktiskt en av vattenforskningens mest grundläggande problem, nämligen hur man på bästa möjliga sätt skall uppskatta djupet/volymen på den fotiska zonen, som är en av de viktigaste faktorerna som styr primärproduktionen, speciellt för bentiska alger och makrofyter. Mängden suspenderat partikulärt material avgör hur ljus sprids i vatten och därmed siktdjupet. Men suspenderat partikulärt material (SPM) spelar en avgörande roll i akvatiska ekosystem också för att: SPM reglerar de två huvudsakliga transportvägarna för alla substanser (t.ex. närsalter, metaller, organiska miljögifter och radioaktiva ämnen), dvs. den lösta fasen och de följande pelagiska (dvs. via vattenmassan) transportvägarna, och den partikulära fasen och de följande bentiska (via sedimenten och bottenlevande djur, bentos) transportvägarna. Detta kan visas rent analytiskt (se vidare fig. 29 längre fram). 52

25 Fig. 26. Schematisk illustration av hur suspenderat partikulärt material (SPM) fördelar sig i en sjö (till vänster) och vid en kust (till höger). Notera att SPM består av såväl minoerogent som organogent, levande som dött material. SPM är också en mycket viktig komponent i de akvatiska ekosystem, t.ex. som energikälla för bakterier, som i sin tur äts av djurplankton, som i sin tur äts av fisk. Det skall också noteras att SPM består av såväl levande som dött, såväl minerogent som organogent material. Förhållandena i ett typiskt kustområde illustreras till höger i fig. 26: SPM-halterna ökar mot bottnen precis som i sjöar p.g.a. att volymen minskar men också för att resuspensionen ökar. SPM-koncentrationen ökar också mot land p.g.a. att vattendjupet minskar varvid resuspensionen ökar och för att kustströmmen driver in SPM från uppströms belägna källor (som tillrinnande vattendrag). Dessutom är primärproduktionen, som redan nämnts, störst inom grunda kustområden. Det skall också påpekas att praktiskt taget alla kemiska substanser samvarierar med SPM. Det betyder att det generella mönster som illustreras i den högra delen av fig. 26 i princip också gäller för alla miljöstörande substanser. Det är således inte så att ett mönster med ökande föroreningshalter mot kusten i första hand beror på landbaserade utsläpp, som ofta anförts. Alla fördelningsmönster såväl typiska som atypiska kan kopplas till och förklaras av massbalans och endast massbalans. Det finns dokumenterade exempel där t.ex. närsaltskoncentrationen i kustområden med stora direkt närsaltsutsläpp är lägre än i det utan- 53

26 förliggande havet, vilket för många kan synas som en paradox. Det kan förklaras av massbalansberäkningar där man visar att flödet till sedimenten (dvs. sedimentationen) är större än de direkta punktutsläppen till området, vilket kan vara fallet i stora kustområden med förhållandevis långsam vattenomsättning och stora arealer A-bottnar. Med detta har vi gått igenom att antal förutsättningar som är viktiga för att förstå hur massbalansberäkningar går till. 54