Hlýnun Þingvallavatns og hitaferlar í vatninu

Höfundar: Hilmar J. Malmquist, Finnur Ingimarsson, Haraldur R. Ingvason, Stefán Már Stefánsson og Þóra Hrafnsdóttir
Birt í Náttúrufræðingnum 90 (1), bls. 80–99, 2020 | Ritrýnd grein / Peer Reviewed

Þingvellir. Ljósmynd: Mats Wibe Lund.

Fjallað er um mælingar á vatnshita í útfalli Þingvallavatns og lofthita á vatnasviðinu á 55 ára tímabili, frá 1962 til 2017. Einnig er greint frá vatnshitamælingum sem hófust árið 2007 og varpa ljósi á lóðrétta hitaferla í vatnsbolnum. Rannsóknirnar staðfesta að Þingvallavatn hefur hlýnað umtalsvert á síðastliðnum 30 árum eða svo, frá lokum kuldaskeiðs sem stóð milli 1965 og 1985–1986, og fellur hlýnun vatnsins vel að hækkandi lofthita á vatnasviðinu. Ársmeðalhiti í vatninu hefur hækkað að jafnaði um 0,15°C á áratug, sem er álíka hlýnun og í öðrum stórum og djúpum vötnum á norðlægum slóðum. Mest er hlýnunin að sumri til (júní-ágúst) með 1,3–1,6°C hækkun á meðalhita mánaðar á árabilinu 1962–2016. Fast á hæla fylgja haust- og vetrarmánuðirnir (september-janúar) með hækkun á meðalhita mánaðar á bilinu 0,7–1,1°C. Vegna hlýnunarinnar leggur Þingvallavatn bæði sjaldnar og seinna en áður og ís brotnar fyrr upp. Hlýnun vatnsins virðist einnig hafa eflt hitaskil og lagskiptingu í vatnsbolnum. Hugað er að afleiðingum hlýnunarinnar fyrir lífríki vatnsins. Sumar hverjar virðast þegar vera mælanlegar, svo sem aukin frumframleiðsla, og sverja þær sig í ætt við breytingar í vistkerfum í vötnum annars staðar á norðurslóð. Nýlega hafa fordæmalausar breytingar átt sér stað í svifþörungaflóru vatnsins með tilliti til tegundasamsetningar og vaxtarferils á ársgrunni, og kunna þær breytingar að stafa af samverkandi áhrifum frá hlýnun og aukinni ákomu næringarefna í vatnið.

INNGANGUR

Loftslag á Íslandi hefur hlýnað umtalsvert á undanförnum tveimur öldum eða svo, um 0,8°C á öld á tímabilinu 1798–2007. Þetta er í takt við hnattræna hlýnun jarðar.¹ Hlýnunin hefur þó verið skrykkjótt. Kulda- og hlýskeið skiptast á og á síðustu 30–40 árum hefur hlýnunin verið nokkru meiri hér á landi en á hnattræna vísu, um 0,47°C á áratug.

Ummerki hlýnunarinnar eru víða greinileg í náttúru landsins. Einna skýrust eru áhrifin í bráðnun og rýrnun jökla með tilheyrandi auknu afrennsli, að minnsta kosti tímabundið.^1,2 Afleiðingar hlýnunar í hafinu virðast einnig vera nokkuð skýrar. Sjór hefur hlýnað og súrnað vegna aukins koltvíildis og lífríkið hefur breyst.^3,4 Sumar tegundir fiska hafa aukið útbreiðslu sína, nýjar kulvísar tegundir hafa bæst við en kaldsjávartegundir hörfað norður á bóginn.^5,6 Fækkun í stofnum margra sjófugla hefur einnig verið rakin til hlýnunar og afleiðinga hennar, einkum breytinga í fæðuframboði.¹ Afleiðingar hlýnunar á gróður og dýralíf á landi eru einnig til staðar en gagngerar rannsóknir þar að lútandi eru ekki margar. Vísbendingar eru um að vöxtur og framleiðni gróðurs hafi aukist við aukið magn koltvíildis og hækkandi lofthita og sjást þess líklega hvað best merki í birki sem vex nú bæði betur og ofar í landi en það gerði fyrir um hálfri öld.^1,7

Rannsóknir í vatnalíffræði sem beinast gagngert að langtímamælingum á vatnshita og áhrifum loftslagshlýnunar á vistkerfi stöðu- og straumvatna á Íslandi eru af skornum skammti. Höfundum er aðeins kunnugt um þrjú stöðuvötn þar sem vatnshiti hefur verið vaktaður reglulega til langs tíma samhliða athugunum á vatnalífríkisþáttum – Elliðavatn, Mývatn og Þingvallavatn, þar sem nokkurra áratuga samfelldar gagnamælingar liggja fyrir. Með hliðsjón af vistfræðilegu og samfélagslegu mikilvægi ferskvatnsauðlindarinnar^8–10 skýtur skökku við að ekki skuli vera meiri gróska en raun ber vitni í þess konar rannsóknum í stöðuvötnum.

Ýmsar ógnir steðja að ferskvatnsauðlindinni og eru afleiðingar loftslagshlýnunar meðal alvarlegustu vanda-
mála sem við er að glíma.^8,9,11 Afleiðingar hlýnunar eru mismunandi í straum- og stöðuvötnum og í jökul- og lindarvötnum, og staðbundnir þættir, dýpi, hæð yfir sjó, landslag o.fl., ráða oft miklu. Í stöðuvötnum á norðurslóð er almennt reiknað með að hlýnun leiði til aukinnar ákomu næringarefna, sem eykur frumframleiðslu, sér í lagi í svifvistinni.^12,13 Í djúpum vötnum má búast við öflugri hitaskilum og lagskiptingu í vatnsbolnum milli hlýs yfirborðslags (ljóstillífunarlags) og kaldara undirlags. Skörp skil milli vatnslaga stuðla að einangrun hvors um sig, og kunna að hafa í för með sér skort á súrefni í undirlaginu og skort á næringarefnum í ljóstillífunarlaginu vegna þess að þörungar taka þau upp. Einkum er hætt við þessu síðsumars yfir aðalvaxtartímann, með tilheyrandi rýrnun í frumframleiðslu og verri skilyrðum fyrir fyrstastigsneytendur.^10,12 Þá er búist við að kulsæknar tegundir lífvera láti undan síga og að útbreiðsla þeirra dragist saman. Á meðal fiska sem virðast vera sérstaklega viðkvæmir fyrir hlýnuninni, einkanlega þó í grunnum vötnum, er bleikja (Salvelinus alpinus) og eru skýr dæmi um fækkun hennar hér á landi.^13–15

Í rannsókninni sem hér um ræðir er gerð grein fyrir langtímamælingum á vatnshita í Þingvallavatni. Gögnin eru að miklu leyti fengin frá Landsvirkjun sem mælt hefur vatnshita nær daglega í útfalli Þingvallavatns um langt árabil á allt að klukkustundar fresti. Fjallað hefur verið um hluta þessara vatnshitagagna áður og tók sú rannsókn til áranna 1962–1993 og 2002–2011.¹⁶ Hér eru gögnin aukin og uppfærð og taka til áranna 1962–1994 og 2000–2017. Auk þess er rýnt í tengsl vatns- og lofthita á vatnasviði Þingvallavatns, skoðaðir lóðréttir hitastigsferlar og lagskipting, ísalagnir og ísabrot. Einnig er hugað að tengslum vatnshita og vindstyrks og rætt um vatnshita í öðrum stöðuvötnum. Að endingu er vikið að hugsanlegum afleiðingum hlýnunar fyrir lífríki og vistfræði Þingvallavatns.

STAÐHÆTTIR

Þingvallavatn

Þingvallavatn er næststærsta stöðuvatn landsins að fermetratali og með þeim dýpstu. Það er í um 100 m h.y.s., flatarmálið um 83 km², meðaldýpi 34 m og hámarksdýpi nær 114 m.^17,18 Rúmtak vatnsins er um 2,9 km³ (~ 2900 Gl). Vatnasviðið er um 1.300 km², að mestu leyti í óbyggðum á hálendinu norður af þjóðgarðinum á Þingvöllum. Vatnasviðið teygir sig yfir suðvesturhluta Langjökuls sem svarar til um 100 km² að fleti og 17 km³ að rúmmáli.¹⁹ Þórisjökull er einnig á vatnasviði Þingvallavatns og til samans leggja jöklarnir tveir Þingvallavatni til vatn af um 120 km² svæði.

Vatnsbúskapur Langjökuls ræður miklu um gegnumstreymi vatns og viðstöðutíma þess í Þingvallavatni.¹⁹ Því örar sem jökullinn bráðnar, þeim mun meira er afrennslið til Þingvallavatns. Nú á tímum er framlag Langjökuls til rennslis í Þingvallavatn áætlað 15–20 m³/s, eða 15–20% af heildarírennslinu. Er talið að það taki grunnvatnið um áratug að renna frá jöklinum suður í norðurenda vatnsins þar sem vatnsmestu lindirnar eru.²⁰ Reiknað er með að Langjökull bráðni allur á næstu 100 árum ef hlýnun hér á landi verður 0,2–0,5°C á áratug.¹ Ef þetta gerist eykst írennsli í Þingvallavatn hratt að öðru óbreyttu, og mikið framan af, en síðan dregur úr því og það minnkar að lokum verulega.²

Heildarírennsli til Þingvallavatns er um 100 m³/s og úr vatninu suðaustanverðu renna um Efra-Sog að jafnaði um 100 m³/s. Samkvæmt þessu rennsli og rúmmáli Þingvallavatns reiknast viðstöðu- eða endurnýjunartími vatnsins um 330 dagar. Það tekur vatnið sem sagt tæpt ár að endurnýja sig. Allt að 90% af rennslinu í Þingvallavatn berst sem grunnvatn með uppsprettum, aðallega á strandgrunninu innan þjóðgarðsins. Lindarvatnið er kalt allt árið um kring, 2,7–4,0°C.²⁰ Úr suðvestri berast til vatnsins um 15 m³/s, þar af líklega nær 2 m³/s að sunnan gegnum Nesjahraun. Er það grunnvatn umtalsvert mengað af heitu affallsvatni frá Nesjavallavirkjun.^21,22

Fyrir hvern dag í gögnum Landsvirkjunar voru reiknuð út dagsmeðaltöl í vatnshita, og byggðust þau í langflestum tilvikum á 3–48 mælingum á sólarhring. Í þremur tilvikum, í desember 2005, nóvember 2013 og janúar 2014, voru dagsmeðaltöl reiknuð út frá fleiri mælingum en 48 (sjá 1. viðauka). Dagsmeðaltölin voru notuð við útreikninga á mánaðarmeðaltölum og ársmeðaltölum.

Við útreikninga á ársmeðalvatnshita voru notuð ár með samfelldum daglegum mælingum, 1962–1993 og 2002–2016, alls 47 ár. Engar mælingar voru til fyrir febrúar 1963, en til að missa ekki það ár úr langtímasamanburði var ákveðið skjóta inn í þennan mánuð útreiknuðum gildum sem byggðust á meðaltali allra mælinga í janúar og mars 1963. Útreiknaða meðaltalið fyrir febrúar var 1,8°C (n = 248) og var alls bætt við 112 slíkum gildum fyrir þann mánuð (28 dagar, 4 mælingar á dag). Meðalvatnshiti í janúar 1963 var 1,6°C (n = 124) og 2,2°C í mars það ár (n= 124). Í samanburði ársmeðalvatnshita, sem nær sem fyrr segir til 47 ára, liggja til grundvallar alls 304.678 mælingar og 17.153 dagsmeðaltöl.

Til að ganga úr skugga um notagildi vatnshitamælinga Landsvirkjunar við Efra-Sog sem metil á vatnshita úti í Þingvallavatni voru mælingar í aðvatni (aðrennslisvatni) á stöð LV2 bornar saman við mælingar sem gerðar voru samtímis á vegum Náttúrufræðistofu Kópavogs í vatnsbol Þingvallavatns.

Vatnshitamælingar Náttúrufræðistofu Kópavogs úti í vatnsbolnum hófust árið 2007 og fara þær fram á fastri mælistöð úti fyrir miðju vatninu (stöð NK2, 1. mynd). Fram til maí 2010 var mælt með handvirkum fjölþáttamæli í vettvangsferðum en frá og með júní 2010 hafa mælingar verið gerðar með síritandi mælum á 4–10 mismunandi dýpum.^16,25,26

Síritarnir hafa skráð hitann í vatnsbolnum á einnar klukkustundar fresti, frá 4 m og niður á 40 m dýpi, en botndýpi á stöðinni er um 43 m. Í umfjölluninni hér er horft til áranna 2011–2016 og valið tímabilið frá 1. júní til 30. október. Mælingar sýna að vatnshitinn í vatnsbolnum er meira eða minna eins frá yfirborði og niður á botn frá því í byrjun nóvember og fram undir júníbyrjun.^16,26–29

Við samanburð mælinganna voru notuð gögn úr síritunum þar sem þau eru mun ýtarlegri en úr fjölþáttamælinum. Þá er tíðni síritamælinganna álíka og á stöð LV2 í aðvatninu, skráning á klukkustundar fresti. Við samanburðinn var beitt línulegum aðhvarfsgreiningum á dagsmeðaltöl vatnshita í aðvatninu og úr síritum á stöð NK2 af 4 m, 8 m, 16 m, 24 m, 32 m og 40 m dýpi. Alls tóku síritagögnin til 596 sólarhringsmeðaltala fyrir hvert dýpi á tímabilunum 5.6.–24.10. 2012, 6.6.–14.10. 2013, 9.5.–24.10. 2014 og 23.5.–25.10. 2015.

Síritarnir eru af gerðinni TidbiT-v2-Temp (Part # UTBI-001) frá Onset Computer Corporation og mæla þeir með 0,2°C nákvæmni.^16,26

Ísadagar á Þingvallavatns

Gögn um ísalagnir, ísabrot og ísadaga á Þingvallavatni taka til áranna 1974–2017 og eru sótt í þrjár heimildir eftir mismunandi tímabilum.^30–33 Með ísadögum er átt við fjölda daga sem allt Þingvallavatn hefur verið ísi lagt, með landfastan ís á miðju vatni þvert yfir að sunnan og norðan Sandeyjar, en vakir við kaldavermsl ásamt opnu
suðvestan Nesjaeyjar.³²

Lofthiti og vindstyrkur

Gögn um lofthita voru fengin frá Veðurstofu Íslands og taka til tímabilsins 1962–2016. Ekki eru til samfelld gögn frá einni og sömu veðurstöðinni á vatnasviði Þingvallavatns fyrir allt tímabilið sem vatnshitagögnin ná til og voru því notaðar mælingar frá þremur veðurstöðvum sem ná yfir mismunandi tímabil (1. mynd), Þingvöllum (stöð nr. 945, 1962–1982), Heiðarbæ (stöð nr. 949, 1984–1991) og Leirum (stöð nr. 1596, 1995–2016). Ársmeðaltöl lofthita voru reiknuð út frá mánaðarmeðaltölum viðkomandi árs og aðeins notuð gögn frá þeim árum þegar mælt var alla mánuði ársins. Árin 1982–1983, 1986, 1991, 1996 og 2013 voru ekki fyrir hendi mælingar alla 12 mánuðina. Við þetta má bæta að engin gögn um lofthita voru tiltæk frá veðurstöðvunum þremur fyrir árin 1992–1995. Gögn með mánaðarmeðaltölum frá veðurstöðvum nr. 1, 945 og 949 voru sótt á heimasíðu Veðurstofunnar³⁴ en gögn frá Leirum voru sérunnin hjá Veðurstofunni.³⁵

Til að athuga nánar tengsl vindstyrks og vatnshita í vatnsbol Þingvallavatns, sér í lagi hvað varðar þróun lóðréttra hitaskila, var stuðst við vindmælingar frá veðurstöðinni á Leirum og notast við sólarhringsmeðaltöl í vindstyrk (m/s), mesta vindhraða (hæsta 10 mín. gildi á síðustu klst., m/s) og mestu hviðu (hæsta 3–5 sek.-gildi á síðustu klst.).³⁶ Tengsl vinds og vatnshita voru könnuð á tímabilinu frá byrjun júní til loka október á árunum 2011 til 2016, sem er það tímabil sem vatnshitagögn úr síritunum taka til.

Auk framangreindra veðurfarsgagna var stuðst við lofthitagögn frá stöð 1 í Reykjavík frá tímabilinu 1962–2016. Þau gögn voru notuð til að varpa ljósi á feril lofthita á vatnasviði Þingvallavatns í tengslum við þróun lofthita almennt í landinu. Reykjavík varð fyrir valinu vegna nálægðar við Þingvallavatn og vegna góðra gagna. Þaðan fást mælingar sem ná samfellt yfir allt tímabilið sem hér um ræðir. Þróun lofthita í Reykjavík svipar auk þess mjög vel til þess sem á við um landið í heild.^1,37

3. mynd. Ársmeðalhiti í Þingvallavatni (blátt) á stöð LV1 (1962–1994) og LV2 (2002–2016) og ársmeðallofthiti á vatnasviði Þingvallavatns (rautt). Vegnar línur eru dregnar milli mæligilda með aðferð minnstu kvaðrata (þanstuðull = 1,00), r er Pearsons fylgnistuðull. – Yearly mean water temperature in Lake Þingvallavatn (blue) and yearly mean air temperature in the catchment area (red) during 1962–1994 and 2002–2016. r is Pearson’s correlation coefficient.

Árið 1979 er langkaldasta árið á vatnasviði Þingvallavatns á tímabilinu 1962–2016, með 1,3°C í ársmeðallofthita. Við fyrstu sýn skýtur það eilítið skökku við að það ár skuli ársmeðalvatnshitinn í Þingvallavatni ekki hafa verið lægri en raun ber vitni, þ.e. 4,4°C. Skýringin á þessu er líkast til sú að árið 1979 lagði vatnið snemma, strax 3. janúar, og hélst ís lengi á vatninu, allt fram í miðjan maí. Það gerir 132 ísadaga, sem er mesti skráði fjöldi ísadaga á vatninu frá upphafi mælinga árið 1974 (2. viðauki).^31,32 Vegna íssins var Þingvallavatn einangrað frá beinum áhrifum kólnunar af völdum lofts og vinda, sem ella hefur mikil áhrif á vatnshitabúskap stöðuvatna.³¹

Samanburður við Mývatn og Elliðavatn

Þau eru ekki mörg stöðuvötnin á Íslandi þar sem vatnshiti hefur verið skráður með jafn-ýtarlegum hætti og til jafn-langs tíma og í Þingvallavatni. Aðeins Mývatn og Elliðavatn komast nálægt Þingvallavatni í þessu samhengi. Í útfalli Mývatns í Geirastaðaskurði hefur vatnshiti verið skráður á fjögurra klukkustunda fresti síðan í febrúar 1972 og hafa gögn þar að lútandi verið birt fyrir tímabilið 1972–1998.^38,40,41 Í útfalli Elliðavatns við stíflugarðinn hefur vatnshiti verið skráður að jafnaði á fjögurra klukkustunda fresti síðan síðla í ágúst 1988.^14,42

Mývatn er eindregið lindarvatn eins og Þingvallavatn, og nær allt vatn sem berst til Mývatns, um 33 m³/s, er grunnvatn að uppruna.⁴¹ Vatnshagur Mývatns er frábrugðinn Þingvallavatni að því leyti meðal annars að í það berst hlutfallslega mun meira magn af vatni af náttúrulegum, heitum toga og undir áhrifum jarðvarma. Í Ytriflóa berst volgt og heitt grunnvatn, um 7 m³/s af 6–26°C vatni, sem svarar til um 20% af heildarírennslinu, en í Syðriflóa er vatnið jafnan kalt og stöðugt og á bilinu 5–7°C.^40,41 Það flækir einnig samanburð milli þessara vatna að vatnshiti í Geirastaðaskurði er talinn endurspegla vel hitafar í Mývatni að sumarlagi en ekki um vetur þegar Mývatn er ísilagt.^40,41 Og vel að merkja, umtalsverður hluti Mývatns er ísilagður frá október til maí, eða í 189 daga að jafnaði á vetri,⁴¹ sem eru ríflega 100 fleiri ísadagar en að jafnaði á Þingvallavatni á svipuðum tíma fyrir aldamótin 2000, að meðaltali 81 ísadagur á ári á tímabilinu 1974–1999.

Hvað sem flóknum vatnshag Mývatns líður kemur upp úr kafinu að þróun vatnshita á ársgrunni í Mývatni er með nánast sama sniði og í Þingvallavatni á því tímabili sem birt vatnshitagögn beggja vatna skarast, 1972–1994 (9. mynd a). Á þessu tímabili, sem fellur undir kuldaköstin milli 1965 og 1986 og 1992–1995,³⁷ hlýnar hvorugt vatnið né kólnar. Sem fyrr segir fór veður hlýnandi á ný á landinu upp úr 1983 og endurspeglast það vel í hlýnandi Þingvallavatni. Hvað Mývatn áhrærir verður áhugavert að sjá hvernig þróunin þar hefur verið frá byrjun níunda áratugarins þegar gögn um það verða birt. Að öðru leyti er vatnshagur Mývatns allfrábrugðinn því sem á við um Þingvallavatn. Mývatn er mun hlýrra á vorin og sumrin (apríl-ágúst) en mun kaldara á haustin og framan af vetri (september-
desember) (9. mynd b og c).

Munurinn í varmahag Mývatns og Þingvallavatns lýsir sér í mun meiri árssveiflu í vatnshitanum í Mývatni. Þetta má rekja til tveggja samverkandi þátta. Annars vegar er Mývatn mun grynnra en Þingvallavatn, með meðaldýpi um 2 m á móti 35 m og þar eru vatnsskipti mun örari, um 28 dagar á móti 330 dögum í Þingvallavatni. Varmaflutningur milli lofts og lagar í Mývatni er því greiðari en ella. Hins vegar er veðurfar við Mývatn umtalsvert öðruvísi en við Þingvallavatn. Við Mývatn gætir meginlandsloftslags í meira mæli en annars staðar á landinu og hvergi í öðrum landshlutum er munurinn meiri á meðalhita kaldasta og heitasta mánaðar hvers árs.⁴¹ Við þetta bætist að Mývatnssvæðið er eitt hið sólríkasta á landinu.

Líkt og Þingvallavatn hefur Elliðavatn hlýnað svo um munar. Hlýnunin er raunar öllu meiri í Elliðavatni á ársgrunni en í Þingvallavatni. Á tímabilinu 1989–2010 hlýnaði Elliðavatn að jafnaði um 1,4°C á áratug,^13–15 sem er nærri því tífalt meiri hlýnun en í Þingvallavatni. Þessi mikli munur kemur ekki á óvart þegar hugað er að því hve grunnt Elliðavatn er og rúmmál vatnsins lítið. Rúmmál Elliðavatns er aðeins um 2 Gl, nær 1/1500 af rúmmáli Þingvallavatns, og meðaldýpið er aðeins um 1 m, sem er um 1/35 af meðaldýpi Þingvallavatns. Varmaflutningar milli lofts og vatns í Elliðavatni og færsla varma í vatninu eru því mun skilvirkari og víðtækari en í Þingvallavatni. Viðstöðutími Elliðavatns er margfalt styttri en í Þingvallavatni, 5–10 dagar á móti 330 dögum, en á móti kemur að um 50% af innstreyminu í Elliðavatn er af tiltölulega heitum dragavatnstoga mestan partinn úr ári, borið saman við um 10% írennsli af dragatoga í Þingvallavatn. Þá bætist við að Elliðavatn liggur um 25 m lægra yfir sjó en Þingvallavatn.

Hlýnun vatna á norðlægum slóðum

Hlýnun Þingvallavatns er sambærileg við hlýnun annarra stórra og djúpra vatna á norðlægum slóðum og vatna sem eru hátt upp til fjalla sunnar í Evrópu. Hlýnunin í Þingvallavatni, um 0,15°C á áratug, virðist þó ívið minni en flestra þessara vatna, en líta ber til þess að samanburður er oft erfiður vegna staðbundinna þátta og ólíkra mæliaðferða. Sem dæmi um hlýnun vatna af framangreindu tagi í útlöndum má nefna stóru vötnin tvö í Svíþjóð, Vänern og Vättern, Bodenvatn og Genfarvatn í Ölpunum og Windermerevatn á Englandi. Stærð þessara vatna spannar allt frá 15 km² til 5.649 km², meðaldýpið frá 25 m til 153 m og hæð y.s. 39–400 m. Hlýnun vatnanna á tímabilinu 1970–2010 hefur leikið á bilinu 0,20°C á áratug (Genfarvatn) til 0,63°C á áratug (Vänern).¹³ Í Genfar- og Windermerevötnum hefur lagskipting bæði eflst og lengst vegna hlýnunar.^13,43

Hitaskil og lagskipting

Mælingarnar með hitasíritunum í vatnsbol Þingvallavatns staðfesta að allskörp hitaskil geta myndast í vatninu síðsumars, upp úr miðjum júlí og út ágúst, þegar ákveðin skilyrði eru fyrir hendi, þ.e. hlýtt veður og fremur stillt um tiltekinn tíma. Sumrin 2012 og 2016 voru í hlýrri kantinum, sem og árið 2010,⁴⁴ og þá mynduðust skörp skil með afgerandi hitamun á afmörkuðum kafla, í millilaginu (e. metalimnion, thermocline) á milli yfirborðs- og undirlagsins á 15–25 m dýpi.

Þegar vatnshitinn fellur um og yfir 1,0°C á hvern dýptarmetra á skilunum milli hlýja yfirborðslagsins og kalda undirlagsins, í millilaginu, eins og var í Þingvallavatni í júlí-ágúst 2010, 2012 og 2016, er jafnan talað um skörp eða eindregin hitaskil (e. direct stratification⁴⁵). Slík eindregin hitabundin lagskipting (e. thermal stratification) er vel þekkt í djúpum stöðuvötnum erlendis⁴⁵ en höfundum er ekki kunnugt um að hitaskil af þessu tagi hafi verið mæld í öðru íslensku stöðuvatni en Þingvallavatni.

Fyrri vatnshitamælingar á dýptarsniði í vatnsbol Þingvallavatns, gerðar seint á síðustu öld, gefa tilefni til að ætla að varmahagurinn hafi breyst með tilliti til hitaskila. Sumrin 1975, 1976, 1979, 1981, 1982 og 1984 var vatnshitinn mældur á lóðréttu sniði á Miðfellsdýpi sem er ríflega 70 m (1. mynd),¹⁷ flest árin í maí-september. Niðurstöður þessara mælinga sýna að hitaskilin voru almennt veikari þá en nú. Hámarkshiti í yfirborðslaginu á 1 m dýpi öll sex árin mældist 9,6–10,6°C og fór að því er virðist aldrei yfir 10°C fyrir neðan 5 m dýpi. Árin 2007–2016 mældist vatnshitinn á 1 m dýpi aftur á móti 9,6–13,6°C. Nokkrum sinnum náði vatnið 10–12°C hita allt niður á 20 m dýpi (2010, 2012 og 2016) og í einu tilfelli, 10. ágúst 2012, náði vatnshitinn 12°C á 24 m dýpi.⁴⁴ Munurinn á vatnshita milli yfirborðs- og undirlags var að sama skapi lítill á fyrra tímabilinu, í mesta lagi 4–5°C miðað við efsta 40 m dýptarkaflann. Hlýju árin 2010, 2012 og 2016 var munurinn á bilinu 5–7°C.

Hitaskil í Þingvallavatni virðast því hafa eflst í seinni tíð frá því sem var fyrir 30–40 árum. Staður hitaskilanna virðist aftur á móti vera svipaður bæði tímabilin, þ.e. á 15–25 m dýpi. Þá virðist tíminn sem hitaskilin vara vera svipaður bæði tímabilin, 5–6 vikur, ef undan er skilið sumarið 2012 þegar þau vöruðu í um átta vikur. Styrking hitaskila í Þingvallavatni í kjölfar hlýnunar er í takti við breytingar víða í vötnum í Evrópu.^43,46

Staður hitaskilanna í vatnsbolnum á 15–25 m dýptarkaflanum er breytilegur og aðallega háður lofthita og vindum. Því stilltara sem veður er, þeim mun dýpra liggja hitaskilin. Til að hræra upp í vatninu og jafna út vatnshitann þarf vindur að blása hvasst og ná um tíma að minnsta kosti 8–10 m/s meðalstyrk yfir sólarhring. Mæliniðurstöður úr fyrri rannsóknum á tengslum vindstyrks og þróun hitaferla í vatnsbol Þingvallavatns eru nokkuð á sömu lund og hér er lýst og benda til þess að vind þurfi að hreyfa með um og yfir 8 m/s til að jafna út hita milli yfir- og undirlags.¹⁷

Fari loftslag áfram hlýnandi og Þingvallavatn hitnar enn frekar má búast við að öllu öðru óbreyttu að hitaskil í vatninu og lagskipting á sumrin styrkist. Hér skiptir þó miklu hvernig vindar blása, sérstaklega að sumri til. Það bíður frekari rannsókna hvernig sú þróun verður á ólíkum árstíðum og hver áhrifin verða á lagskiptinguna.

Ísinn hverfur

Vegna hlýnunar leggur Þingvallavatn nú orðið sjaldnar og seinna en áður og ísa leysir fyrr af vatninu. Ábúendur við Þingvallavatn segja að á tímabilinu 1950–1985 hafi vatnið jafnan lagt í annarri viku janúar, og var þá hægt að hefja netaveiðar undir ís.³⁰ Iðulega stóð ísinn við í þrjá mánuði og eru ísabrot (ísalausnir) oftast talin hafa verið í annarri viku apríl. Eftir aldamótin síðustu er nær lagi að ísalagnir séu um mánaðamótin janúar-febrúar og ísabrot á tímabilinu frá miðjum febrúar til miðs mars, ef vatnið leggur á annað borð.

Fyrir síðustu aldamót er ekki kunnugt um marga íslausa vetur á Þingvallavatni. Þó voru með vissu tveir vetur íslausir á þriðja áratug aldarinnar sem leið, veturnir 1922–1923 og 1928–1929.^30,31 Frá aldamótum hefur vatnið aftur á móti verið íslaust fjórum sinnum, veturna 2002–2003, 2005–2006, 2010–2011 og 2011–2012.

Það er ekki einasta að Þingvallavatn leggi nú sjaldnar og ísinn liggi skemur á vatninu heldur bendir flest til þess að ísinn sé í seinni tíð mun þynnri en áður (10. mynd). Fyrir síðustu aldamót og sér í lagi á kuldaskeiðinu 1965–1986 heyrði til undantekninga að ísinn næði ekki að minnsta kosti 10–15 cm þykkt og héldi mönnum uppi við netaveiðar og iðkun skautaíþróttar sem hvort tveggja var stundað í nokkrum mæli á vatninu fram yfir miðja öldina.³⁰ Þá var algengt að ísinn úti á miðju vatni næði 40–45 cm þykkt og dæmi eru um 70–80 cm þykkan ís, meðal annars veturna 1935–1936 og 1982–1983. Eftir síðustu aldamót heyrir til undantekninga að ísinn sé mannheldur og iðulega er hann örþunnur, um og undir 5 cm, og í mesta lagi um 25 cm þykkur (2. viðauki).³³

Afleiðingar hlýnunar fyrir lífríki

Vistkerfi ferskvatna hafa verið sett í flokk með þeim vistkerfum jarðar sem hvað mest ógn steðjar að af mannavöldum og er hlýnun vatna vegna gróðurhúsaáhrifa og loftslagsbreytinga eitt af helstu vandamálunum.^8,11 Afleiðingar hlýnunar í stöðuvötnum eru margvíslegar og oft flóknar, meðal annars vegna þess að áhrifin hríslast um margslunginn vef efna- og orkuflæðis og, ekki síður, vegna óbeinna áhrifa sem fylgja írennslisvatni af vatnasviði stöðuvatnanna.

Rannsóknir á ferskvatnsvistkerfum á norðurslóðum benda almennt til þess að vatnsborin ákoma næringar- og snefilefna aukist í kjölfar hlýnunar vegna aukins efnarofs og afrennslis á vatnasviðum.^15,46,47 Tengsl af þessu tagi milli lofthita og efnastyrks hafa verið staðfest hér á landi á vatnasviðum nokkurra straumvatna á Norðausturlandi.⁴⁸ Vísbendingar eru einnig um þetta í stöðuvötnum á höfuðborgarsvæðinu^44,49 og í Þingvallavatni.^16,50

Eldri mælingar á efnastyrk í Þingvallavatni eru ekki miklar um sig en samanburður við nýleg gögn bendir þó til þess með nokkuð eindregnum hætti að styrkur nítrats (NO₃) í írennsli Þingvallavatns sé nú umtalsvert hærri en hann var fyrir um 40 árum. Árið 1975 mældist nítratstyrkur að meðatali 33,4 μg/l (29–42 μg/l, n=8) í Vellankötlu og Flosagjá^16,51 en á árunum 2007–2016 var hann að jafnaði 50,1 μg/l (27–68 μg/l, n=22) í Vellankötlu og Silfru.³⁹ Þarna skeikar um 52% í meðaltölum milli tímabilanna og er munurinn mjög marktækur (t =-4,115, ft. =28, p <<0,001). Þegar eingöngu er borinn saman styrkur nítrats í Vellankötlu, þar sem flest sýnin voru tekin, er munurinn einnig marktækur (t =-4,176, ft. =15, p=0,001). Árið 1975 mældist meðalstyrkur nítrats í Vellankötlu 30,8 μg/l (n=6) en 51,3 μg/l (n=11) á árunum 2007–2016. Athyglisvert er að nítratstyrkur í Mývatni virðist þróast á sömu lund og í Þingvallavatni. Mælingarniðurstöður í köldum lindum sem streyma í Mývatn í Grjótvogi og Garðsvogi sýna að á tímabilinu 1969–2012 jókst nítratstyrkur að jafnaði um 55%, þ.e. frá 22–35 μg/l á tímabilinu 1969–1975 í 35–54 μg/l á tímabilinu 2000–2010.⁵²

Vegna takmarkaðs fjölda mælinga í tengslum við efnabúskap Þingvallavatns er erfitt að skera úr um orsakir að baki breyttri niturákomu í vatnið.⁵⁰ Löng gloppa milli mælitímabila og skortur á upplýsingum um árstíðabundinn breytileika í efnabúskapnum spillir töluvert fyrir. Skortur loftgæðamælinga á vatnasviðinu torveldar einnig túlkun gagna. Breytingar í ákomu nítrats í Þingvallavatni eru á hinn bóginn í samræmi við þróun sem hefur átt sér stað í ákomu niturs í stöðuvötn víða á norðurhveli. Einkum er þetta áberandi í næringarefnasnauðum vötnum í óbyggðum og upp til fjalla í norðanverðri Ameríku og Evrópu þar sem loftborin og langtaðkomin niturákoma af mannavöldum hefur stóraukist frá því á sjötta og sjöunda áratug síðustu aldar.^53–55 Þessi vötn og Þingvallavatn eiga það sameiginlegt að nitur, fremur en fosfór, er takmarkandi þáttur í frumframleiðslunni.^17,50,56 Vegna aukningar í niturákomu vatnanna, hliðstæðrar þeirri sem áætluð hefur verið fyrir loftborinn nitur á vatnasviði Þingvallavatns,⁵⁰ hefur frumframleiðsla í vötnunum aukist og tegundasamsetning frumframleiðenda jafnframt breyst.

Framangreindar breytingar hafa í mörgum tilfellum verið raktar bæði til hlýnunar og aukinnar niturákomu, enda fer þetta tvennt oft saman.^15,46,55 Þróunin hefur almennt verið á þá vegu að frumframleiðsla hefur aukist og fjölgað þörungategundum sem eru kulvísar og elskar að fremur háum styrk næringarefna. Einkum fjölgar smágerðum kísilþörungum af ættkvísl hringeskja (Cyclotella), en þeim tegundum fækkar sem eru kuldakærar og þrífast vel við næringarefnasnauð skilyrði, svo sem stórvöxnum og sviflægum kísilþörungum af ættkvísl sáldeskja (Aulacoseira) og smágerðum, botnlægum kísilþörungum af ættkvísl gjarðeskja (Fragilaria).^57,58

Vísbendingar af framangreindu tagi má þegar merkja í Þingvallavatni.^16,26,29 Þannig mælist magn blaðgrænu-a umtalsvert meira nú en fyrir 40 árum. Blaðgrænumælingar eru óbeinn mælikvarði á magn þörunga í svifi. Munurinn er mestur á haustin í vatninu en minnstur að sumri til. Á fyrra tímabilinu var magn blaðgrænu-a á vorin að meðaltali 1,5 μg/l (0,5–3,9 μg/l, n=26) en á árabilinu 2007–2014 og árið 2016 er það að jafnaði nær 3,0 μg/l (0,5–4,6 μg/l, n=63). Á haustin var magn blaðgrænu-a á fyrra tímabilinu að meðaltali 1,0 μg/l (0,8–1,6 μg/l, n=4) en á því seinna að jafnaði 4,6 μg/l (2,40–6,8 μg/l, n=63).

Árið 2016 kvað við allt annan tón en á tímabilinu 2007–2014. Allt árið 2016 var magn blaðgrænu-a afar lítið og á pari við það sem var árin 1979, 1981 og 1982. Athygli vekur að hvorki kom fram vor- eða hausthámark að heitið getur, sem er gjörbreyting frá því sem verið hafði í Þingvallavatni lengst af. Það vekur ekki síður athygli að á sama tíma og lágmarkið mældist í lífþyngd þörunga (magn blaðgrænu-a) úti í svifvistinni benda talningar á þörungum og tegundagreining þeirra í sýnum sem tekin voru í útfalli vatnsins til þess að hrunið í frumframleiðslunni megi fyrst og fremst rekja til þess að þær kísilþörungategundir sem jafnan hafa borið uppi frumframleiðslu í svifvist Þingvallavatns séu nær horfnar úr vatninu.⁵⁹ Hér er einkum um að ræða hin stórvöxnu sáldeski af ættkvísl Aulacoseira (A. islandica, A. italica o.fl.) ásamt stjarneskinu Asterionella formosa. Þessar tegundir hafa um áratugaskeið verið ríkjandi í svifþörungaflóru vatnsins vor og haust, iðulega með 65–95% hlutdeild í heildarlífþyngd svifþörunga.¹⁶ Hrun þessara tegunda árið 2016 er því að öllum líkindum einsdæmi og bendir ýmislegt til að atburðinn megi rekja til samverkandi áhrifa af völdum hlýnunar vatnsins og breytinga í framboði næringarefna, rétt eins og þekkt er um þessar kísilþörungategundir í öðrum vötnum á norðurslóð.^57,58

Samkvæmt athugunum árið 2017 höfðu framangreindar þörungategundir þá náð sér aftur nokkuð vel á strik.⁵⁹ Vegna óvissu um framhaldið er mikilvægt að fylgjast áfram grannt með þróun þörungaflórunnar í vatninu, rétt eins og á við um vöktun Þingvallavatns í heild. Ástand vistkerfisins nú kann að vera viðkvæmara og sveiflukenndara en áður vegna hlýnunar og annarra samverkandi þátta. Til þessa benda einnig niðurstöður vöktunar á svifdýrafánu Þingvallavatns sem greint er frá annars staðar í þessu hefti.⁶⁰ 

Þakkir

Bestu þakkir fá Helga P. Finnsdóttir, Landsvirkjun, fyrir vatnshitagögn, Þóranna Pálsdóttir og Guðrún Þórunn Gísladóttir, Veðurstofu Íslands, fyrir lofthita- og vindgögn, Einar Á. Sæmundsen þjóðgarðsvörður fyrir dýptarkort af Þingvallavatni og Árni B. Stefánsson augnlæknir með meiru fyrir upplýsingar um ís á Þingvallavatni. Kærar þakkir fyrir margvíslega aðstoð í gegnum tíðina fá einnig Jóhann Jónsson og Rósa B. Jónsdóttir, bændur í Mjóanesi.

1. viðauki. – 1. Appencix.

Mánaðarmeðaltöl vatnshita (°C) í Þingvallavatni mældur í frávatni Steingrímsstöðvar (stöð LV1) á árunum 1962–1994 og aðvatni Steingrímsstöðvar (stöð LV2) á árunum 1999–2017. Frumgögn frá Landsvirkjun eru gefin upp á broti úr gráðu. St.sk. er staðalskekkja meðaltals. FM eru fjöldi mælinga og FMD fjöldi mælidaga. – Monthly mean water temperature (°C) at station LV1 (1962–1994) and LV2 (1999–2017) in Lake Þingvallavatn. SE is standard error of the mean. NMM denotes number of measurements and NDM number of days measured.