Wie Bodeneigenschaften Prozesse im Boden und an der Schnittstelle zwischen Boden und Atmosphäre beeinflussen - Eine Verknüpfung von Experimenten und Modellierung

Description: Es ist das primäre Ziel dieses Projektes, Prozesse an der Schnittstelle zwischen Boden und Atmosphäre und deren Einfluss auf die ungesättigte Bodenzone zu analysieren, sowie die Theorie derartigen nicht-isothermen, mehrphasen und mehrkomponenten Prozesse zu verbessern. Hierbei liegt der Hauptfokus auf dem Einfluss von Oberflächenrauheiten und Heterogenitäten auf das Austauschverhalten. Das übergeordnete Ziel ist es, neue und validierte physikalische und mathematische Modelle zu entwickeln. Diese Modelle sollen mithilfe von umfassenden experimentellen und numerischen Analysen auf verschiedenen örtlichen und zeitlichen Skalen erstellt werden. Das Projekt hat vier Hauptziele:1. Hochauflösende Laborexperimente sollen auf verschiedenen Skalen (0,25-8m) durchgeführt werden, um neuartige Datenreihen zu erstellen, die aktuell nicht verfügbar sind. Dazu werden Experimente in einem Boden-Atmosphären Windkanal, dem Einzigen seiner Art, durchgeführt in denen die Eigenschaften der freien Strömung, der Bodenoberfläche und des Bodens variiert werden.2. Auf der Intermediate Skala werden Freifeldversuche unter dynamischen Randbedingungen durchgeführt um (i) die theoretischen Beschreibungen unter dem Einfluss von natürliche Heterogenitäten (z.B. Aggregaten) zu testen (ii) den Einfluss von tagesgang-abhängigen Triebkräften (z.B. Windgeschwindigkeit) zu analysieren und (iiI) zu untersuchen wie die Heterogenitäten am besten auf unterschiedlichen Skalen integriert werden können und wie diese die Austauschprozesse beeinflussen.3. Mit Hilfe dieser experimentellen Daten werden detaillierte numerische Simulationen auf der Darcy Skala (wenn notwendig mit der Forchheimer Erweiterung) benutzt, um zu analysieren ob es notwendig ist, die freie Strömung und deren Grenzschichteffekte für Masse, Impuls und Energie in aktuelle Modelle zu integrieren.4. Die Theorie für Massen-, Impuls- und Energieaustauschprozesse zwischen der Atmosphäre und dem Boden soll verbessert werden. Das beinhaltet Verdunstung, Kondensation, Strahlung und Transport von Komponenten, wie flüchtigen Komponenten in der Gasphase (VOC) oder stabilen Wasserisotopen, unter der Berücksichtigung unterschiedlicher Materialgrenzflächen. In einem zweiten Schritt sollen vereinfachte Modelle mit effektiven Parametern, basierend auf der integralen Betrachtung von Strömungs- und Transportprozessen, entwickelt, erweitert und getestet werden. Diese Modelle sollen die Effekte auf den unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Skalen wiedergeben.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Windgeschwindigkeit ? VOC ? Hydrogeologie ? Verdunstung ? Strahlung ? Gasförmiger Stoff ? Ungesättigte Zone ? Bodenqualität ? Energie ? Hydrochemie ? Kondensation ? Limnologie ? Mathematisches Modell ? Numerisches Verfahren ? Physikalisches Modell ? Siedlungswasserwirtschaft ? Simulationsmodell ? Laborversuch ? Modellierung ? Atmosphäre ? Hydrologie ? Austauschprozess ? Integrierte Wasser-Ressourcen Bewirtschaftung ? Tageszeitabhängigkeit ? Unteres Odertal ? Windkanal ?

Region: Baden-Württemberg

Bounding boxes: 9° .. 9° x 48.5° .. 48.5°

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Colorado School of Mines, Department of Geology and Geological Engineering (Mitwirkende)
• Deutsche Forschungsgemeinschaft (Geldgeber*in)
• Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Bio-und Geowissenschaften (IBG), IBG-3 Agrosphäre (Mitwirkende)
• Leibniz Universität Hannover, Institut für Strömungsmechanik und Umweltphysik im Bauwesen (Mitwirkende)
• Umweltbundesamt (Bereitsteller*in)
• Universität Stuttgart, Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung (Betreiber*in)

Time ranges: 2016-01-01 - 2025-06-30

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: How soil properties affect processes inside the soil and at the soil-atmosphere interface - interweaving experimental and modeling approaches
  Description: The primary objective of this research is to analyze and improve theories of non-isothermal, multi-phase, multi-component flow processes at a soil-atmosphere interface and their influence on the unsaturated zone. The special focus is on the influence of surface roughness and soil heterogeneity to the transfer fluxes. The overarching goal is to develop new, validated physical and mathematical models using comprehensive computational and experimental analyses conducted at different spatial and temporal scales. This contains 4 main objectives: 1. High fidelity laboratory experiments at the bench and intermediate (2-8 m long) scale will be performed using a one-of-a-kind wind tunnel porous medium test facility, simulating different atmospheric (e.g. wind speed, humidity, temperature), surface (e.g. types of soil roughness) and subsurface (e.g. soil moisture, soil texture and soil structure (aggregated vs. compacted)) conditions to produce unique data sets, which are currently not available. 2. Intermediate scale experiments will be carried out under dynamic outdoor conditions (i) to test the theoretical descriptions affected by natural heterogeneities (e.g. soil aggregates) and diurnal dynamics of driving forces (e.g. wind speed, radiation) and (ii) to determine how details of heterogeneities can best be included across scales and how they influence exchange fluxes at the field scale.3. Detailed Darcy-scale numerical simulations (if necessary including the Forchheimer extension), in conjunction with experimental data from laboratory experiments, will be used to analyze the importance of incorporating free flow effects and the related boundary layers for mass, momentum, and energy in conventional modeling efforts (e.g. effect of turbulent free flow conditions on transport through unsaturated soils). 4. The theory of mass, momentum and energy exchange between the soil and the atmosphere will be improved. This includes evaporation, condensation, radiation, and transport of gas components such as volatile organic compounds (VOC) and water stable isotopes in the presence of material interfaces. As a second step, simplified models with effective parameters, based on an integrated treatment of the flow and transport processes occurring over a wide range of spatial and temporal scales in the soil and at the land surface, will be developed, extended, and tested. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1083820

Resources

• Webseite zum Förderprojekt

  https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/314732784 (Webseite)

Status

Aktiv

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