Ursprünglich hieß der See Würmsee nach dem Fluss Würm, der bei Starnberg den einzigen Abfluss des Sees bildet. Seit 1962 heißt er offiziell Starnberger See.
Vor dem westlichen Ufer, südlich von Possenhofen liegt eine kleine Insel, die Roseninsel. Bekannt geworden ist der See auch durch den tragischen Tod König Ludwigs II. 1886 in Berg. Daran erinnern noch heute die Votivkapelle und ein Holzkreuz im See.
Der See wurde während der Eiszeiten durch den Isar-Loisach-Gletscher ausgeschoben. Während der letzten, der Würmeiszeit, reichte der Gletscher nur noch bis an das Südende des Sees, sodass er nicht wieder verfüllt wurde. Nach Ende der letzten Eiszeit formte das ablaufende Schmelzwasser das Würmtal. Auf den umgebenden Seiten- und Endmoränen liegen zahlreiche gute Aussichtspunkte wie die Ilkahöhe in Tutzing oder der Bismarckturm bei Assenhausen.
Auf Grund seiner Größe kühlt der See nur langsam ab und erwärmt sich ebenso langsam, daher durchmischt er sich wie der Bodensee nur einmal jährlich im Frühjahr, man bezeichnet solche Seentypen als monomiktisch. Er verfügt über keinen alpinen Zufluss, was angesichts seiner geographischen Lage erstaunlich, aber durch die Höhenlage zu erklären ist, und speist sich lediglich aus mehreren eher kleineren oberflächlichen Fließgewässern und wenigen unterirdischen Quellen.
Die größten Wassermengen erhält der Starnberger See über die Ostersee-Ach im Süden, in die 500 m vor der Mündung noch der Bodenbach fließt. 500 m weiter östlich mündet der Singerbach. Im Norden münden der Georgenbach (Maisinger Bach, 450 westlich des Würm-Abflusses) und der Lüßbach (170 östlich des Würm-Abflusses) ein. Am Westufer ist der Rötlbach (südlich von Tutzing, in den Karpfenwinkel mündend) der bedeutendste Zufluss.
Weitere Zuflüsse im Westen sind Starzenbach (bei Pöcking), Martelsgraben (Kalkgraben) in Tutzing, und Seeseitenbach (1500 m nördlich von Seeshaupt). Im Osten münden Grenzgraben (bei Ambach), sowie Eichgraben und Straßgraben weiter südlich. Weiter unbedeutende Zuflüsse sind meist unbenannt.
Wegen der unbedeutenden Zuflüsse dauert es rund 21 Jahre, bis der See sein Wasser einmal komplett austauscht, auch zeigt er mit seinem kleinen Einzugsgebiet von rund 315 km² nur geringfügige Seespiegelschwankungen. Während die starken alpinen Zuflüsse zum Beispiel am benachbarten Ammersee oder am Chiemsee den Wasserspiegel um bis zu drei Meter schwanken lassen, liegt die Schwankung am Starnberger See mit maximal 1,3 Metern deutlich niedriger.
Der höchste bisher gemessene Seespiegel trat im Juni 1965 auf. An Pfingsten 1999 ließ ein mehrtägiger Dauerregen mit einem Tagesniederschlag, wie er statistisch seltener als ein Mal in hundert Jahren erscheint, den Pegel in nur 36 Stunden um 40 Zentimeter steigen, dabei wurden rund 14 Millionen Kubikmeter Wasser gespeichert. Der See ist als „ungeregelter Speicher“ in der Lage, große Wassermassen zurückzuhalten und bewahrt so die Würmtalgemeinden vor extremem Hochwasser.
Der langsame Wasseraustausch des derzeit mesotrophen Sees macht ihn andererseits besonders anfällig für Belastungen. Seit den 1960er Jahren werden die Abwässer der Anliegergemeinden über Ringkanäle vom See fern gehalten, so dass sich die Nährstoffbelastung und die Wasserqualität im Langzeittrend deutlich verbessert hat. Heute ist der See einer der fünf saubersten größeren Seen in Bayern, er weist eine hohe Transparenz und geringe Algenentwicklung auf.
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