Gas-Austausch und Reaktive Prozesse in gekoppelten Untergrund/Atmosphäre-Systemen

Description: Der Gasaustausch zwischen der Atmosphäre und dem Untergrund spielt eine Schlüsselrolle für biogeochemische Kreisläufe, Schadstoffausbreitungsdynamiken sowie im Allgemeinen für die Grundwasserqualität. Solche Austauschphänomene an der Grenzfläche zwischen Atmosphäre und Untergrund und ihr Einfluss auf die beschriebenen geochemischen Prozesse sind stark von dynamischen Einwirkungen (z.B. Wärme und Wind) durch die Atmosphäre kontrolliert. Um ein besseres Verständnis für die Grundwasserqualität zu erlangen, vor allem auch im Hinblick auf den Klimawandel und die globale Erderwärmung, müssen daher die Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und reaktiven Strömungs- und Transportprozesse im Untergrund untersucht werden. Das wichtigste Ziel des geplanten Vorhabens ist ein verbessertes Verständnis der Mechanismen, die (a) die atmosphärischen Einwirkungen auf den Austausch gasförmiger Komponenten an der Grenzfläche zum Untergrund kontrollieren, (b) das Ausbreitungsverhalten dieser Komponenten im Untergrund beeinflussen sowie (c) deren chemische Reaktionen mit reaktiven Mineralien im Grundwasser. Unser Schwerpunkt liegt auf dem Austausch und Transport von Mehrkomponenten-Gasgemischen mit Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf in gekoppelten Systemen aus porösen Medien und freier Strömung. Wir analysieren dabei den Einfluss ihres Transportverhaltens auf mineralische Reaktionen im Untergrund. Konkrete Ziele umfassen (i) die Untersuchung des Einflusses von Wärmetransport auf den Austausch der Komponenten und die Rückkopplung auf die geochemischen Reaktionen, (ii) die Quantifizierung des Einflusses von Wind sowie Rauigkeit auf den Gasaustausch und den reaktiven Transport im porösen Medium; des Weiteren (iii) die Aufklärung der Rolle von physikalischen und chemischen Heterogenitäten auf Evaporation und Verteilung von Fluiden im porösen Medium, sowie auf die Reaktion und Reaktionsrate der Minerale. Die Methodik kombiniert dabei hochauflösende, mehrdimensionale Laborexperimente mit prozessbasierten numerischen Modellen, um die komplexen Interaktionen zwischen physikalischen und geochemischen Prozessen zu charakterisieren und zu quantifizieren. Die Ergebnisse dieses Projekts sind für verschiedene Umweltsysteme relevant, die durch schnell sich verändernde atmosphärische Bedingungen, wie sie durch den Klimawandel erwartet werden, beeinflusst werden; als Beispiele können genannt werden die Versalzung von Böden, die Verwitterung reaktiver Mineralien und geogene Freisetzung von Schadstoffen, Treibhausgasemissionen aus Böden oder auch der Transport von volatilen Schadstoffen.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Main ? Biogeochemie ? Bodenversalzung ? Sauerstoff ? Wasserdampf ? Wind ? Treibhausgasemission ? Grundwasserzustand ? Hydrogeologie ? Kohlendioxid ? Schadstoffemission ? Verdunstung ? Globale Erwärmung ? Gasaustausch ? Hydrochemie ? Limnologie ? Mathematisches Modell ? Schadstoffausbreitung ? Siedlungswasserwirtschaft ? Laborversuch ? Grundwasser ? Verwitterung ? Untergrund ? Atmosphäre ? Chemische Reaktion ? Hydrologie ? Klimawandel ? Mineral ? Integrated Water Resources Management ? Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung ? Urban Water Management ? Water Chemistry ?

Region: Baden-Württemberg Hessen

Bounding boxes: 9° .. 9° x 48.5° .. 48.5° 9° .. 9° x 50.55° .. 50.55°

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Technical University of Denmark, Department of Environmental and Resource Engineering (Mitwirkung)
• Technische Universität Darmstadt, Institut für Angewandte Geowissenschaften (Projektverantwortung)
• Umweltbundesamt (Bereitstellung)
• Universität Stuttgart, Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierung (Projektverantwortung)
• Universität Zürich, Institut für Evolutionsbiologie und Umweltwissenschaften (Mitwirkung)

Time ranges: 2023-01-01 - 2025-09-15

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: GAS interchange and REACTive processes in coupled subsurface/atmosphere systems
  Description: The exchange of gases between the atmosphere and the subsurface is of crucial importance for biogeochemical cycles, contaminant dynamics, and groundwater quality in general. Such interchange phenomena at the atmosphere/subsurface interface and their influence on biogeochemical processes are strongly controlled by dynamic forcing (i.e., heat and wind flow) in the atmospheric compartment. Therefore, in order to gain a proper understanding of groundwater quality, particularly under on-going and projected climate change and global warming conditions, the coupling effects between the dynamics of atmospheric forcing and subsurface flow and reactive transport phenomena need to be investigated. The main goal of the proposed research is to mechanistically understand the impacts of atmospheric forcing on the interchange of gas components across the subsurface/atmosphere interface, on their migration behavior in the subsurface, and on their chemical reactions with reactive minerals controlling the composition and quality of the pore water. We focus on the interchange and transport of multicomponent gas mixtures containing oxygen, carbon dioxide and water vapor in coupled porous medium/free-flow domains and analyze the impact of their transport behavior on the extent of mineral reactions in the subsurface. Specific objectives include: (i) the investigation of atmospheric heat forcing on the interchange of multicomponent gas mixtures and its impact on geochemical reactions, (ii) the quantification of the effects of wind flow and soil surface roughness on gas exchange and reactive transport porous media, and (iii) the elucidation of the role of physical and chemical subsurface heterogeneity on evaporation-induced phase displacement in the porous medium and on the extent and rate of mineral reactions. The proposed approach is based on the combination of well-controlled, multi-dimensional, high-resolution laboratory experiments with advanced, process-based numerical modeling to explore and quantify the complex interactions between physical and geochemical processes in coupled atmosphere/subsurface systems. The outcomes of this project will be important for different environmental systems, greatly affected by rapidly changing atmospheric forcing due to climate change, including soil salinization, weathering of reactive minerals and geogenic contaminant release, greenhouse gases emissions from soils, and fate and transport of volatile pollutants. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1138685

Resources

• Webseite zum Förderprojekt

  https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/529041613 (Webseite)

Status

Aktiv

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