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Waldökosystemforschung in der Abteilung des Instituts für Ressourcenschutz am Ökologie-Zentrum (ICP-Forests)

Die Wälder der Erde haben eine grundlegende Bedeutung für die Zukunft der Menschheit. Sie bilden einen Großteil der Erdoberfläche und sind wichtiger Lebensraum der an Land lebenden Tier- und Pflanzenarten. Wälder produzieren nutzbare Stoffe, regulieren Stoff- und Wasserfüsse, die CO2-Konzentration der Atmosphäre sowie das globale und regionale Klima. Der Schutz der Wälder ist von zentraler Bedeutung für eine nachhaltige Existenz der Menschen in sicher funktionierenden Beziehungen zwischen Ökosystemen und der Umwelt. Weil Waldökosysteme auch bei forstlicher Nutzung weitgehend selbstorganisiert funktionieren, sind sie ein spannendes Gebiet der Ökosystemforschung. Die Komplexität von Waldökosystemen ist eine Herausforderung für das Umweltmanagement schlechthin. Im Prinzip zielt es darauf ab, Störungen von Strukturen und Wechselwirkungen mit der Umwelt so gering wie möglich zu halten oder deren Folgen zu therapieren. Dies ist nur möglich, wenn Ökosysteme gesamtheilich betrachtet werden. Allgemeine Ziele von Ökosystemforschung sind deshalb vertieftes Verständnis der Systeme zu entwickeln, Kritische Zustände zu erkennen sowie Möglichkeiten und Grenzen nachhaltiger Entwicklung aufzuzeigen. Unsere Arbeitsgruppe beschäftigt sich damit, Indikatoren für den Zustand von Ökosystemen zu finden, die Dynamik ihrer Umweltbeziehungen zu beschreiben und Grenzen der Belastbarkeit zu erkennen. Ziel ist es, auf systemtheoretischer Grundlage gesamtheitliche Vorstellungen über die Entwicklung von Ökosystems zu bekommen, und ihre Anpassungsfähigkeit an Umweltveränderungen abzuschätzen. Voraussetzung dafür ist eine intensive Systembeobachtung. Datenbasis unserer Forschung an Wäldern bildet die Beobachtung eines depositionsbelasteten und stark versauerten Buchenwaldökosystems. Dementsprechend messen wir fortlaufend nicht nur die Einträge der atmosphärischen Deposition säurewirkamer Luftschadstoffe, Stoffkonzentrationen in der Bodenlösung und Stoffausträge, sondern auch andere Stressgrößen. Die Philosophie gesamtheitlich orientierterer Ökosystemforschung und ökologischer Umweltbeobachtung findet sich in verschiedenen Monitoring Programmen wieder (Schimming et al. 2010). Deshalb kooperiert das Ökologie-Zentrum in solchen Netzwerken und beteiligt sich wegen der weitgehenden Zielkonformität auch am Forstlichen Monitorings der EU. Der Beitrag besteht mit dem bereits genannten, sehr langfristig untersuchten Buchenwaldökosystem im traditionellen Untersuchungsgebiet des Ökologie-Zentrums zum Level II-Programm des ICP-Forests. Das Institut führt die Untersuchungen dort im Auftrag des Ministeriums für Landwirtschaft, Umwelt und Ländliche Räume (MLUR) durch. Seitens des Ökologie-Zentrums Institute und eines Vorgängerprojektes existieren Datenreihen, die sich nunmehr mit einer Länge von mehr als 20 Jahren über einen weitaus längeren Zeitraum erstrecken, als seit Einrichtung des Level II-Programms im Jahre 1995 vergangen ist.

Untersuchung und Bewertung von Geotextilien zur Altlasten- und Deponieabdichtung

Wir fuehren unter Einsatz vorhandener Laborgeraete Untersuchungen von Geotextilien durch, und zwar hinsichtlich ihrer mechanischen, pneumatischen und hydraulischen Belastbarkeit als Basis- und Seitenabdichtung von Altlastflaechen und Deponieflaechen. Es werden individuelle Angebote auf Anfrage entwickelt.

Entwicklung einer aero-elastischen Simulationssoftware zur numerischen Untersuchung des Einflusses von aktiver Strömungskontrolle an Rotoren von Wind Energie Anlagen

Die maximale Rotorgröße moderner Wind Energie Anlagen (WEA) wird vor allem durch die Festigkeit der verwendeten Materialien begrenzt. Mit Anwachsen der Rotorgröße und der von Wind überstrichenen Fläche steigen auch die Schwankungen der Windgeschwindigkeit und die resultierenden aerodynamischen Lasten am Rotor, was eine stärkere Materialermüdung verursacht. Eine vielversprechende Möglichkeit zur Verminderung dieser Lasten besteht in der Implementierung von Elementen zur aktiven Strömungskontrolle am Rotor. Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Entwicklung einer vielseitigen und robusten aero-elastischen Simulationssoftware zur realistischen Bewertung der Leistungsfähigkeit verschiedener Methoden zur Strömungskontrolle. Die Software wird im Rahmen der Partnerprojekte PP2 und PP3 validiert und anschließend angewendet um das Konzept zur Strömungskontrolle aus PP5 zu untersuchen. Die in der Simulation verwendeten instationären Anströmbedingungen werden in PP6 charakterisiert. Der Strömungslöser basiert auf dem Panel Verfahren, welches mit einem Programm zur Strukturberechnung gekoppelt wird. Schließlich wird das Potential von verschiedenen Elementen zur Strömungskontrolle im rotierenden Rotorsystem bei transienter dreidimensionaler Anströmung untersucht. Zusätzlich werden verschiedene Kontrollalgorithmen verglichen. Die im Rahmen dieses Projekts entstehende Software wird anschließend der Öffentlichkeit zugänglich gemacht um den Wissenstransfer aus der Forschung in die Industrie zu unterstützen.

Untersuchungen zur Belastbarkeit von Hochmoorkomplexen

Zunehmende Immissionsbelastung fuehrt ueber trockene und nasse Niederschlaege auch zu einer Belastung ballungsgebietsferner Landschaftsraeume. Untersucht wird im Rahmen eines Vorlaufprogrammes der Eintrag von anorganischen Stickstoffverbindungen und der N-Umsatz am Beispiel einiger naturnaher Hochmoore im Alpenvorland.

Nachhaltige Altlastenbewältigung unter Einbeziehung des natürlichen Reinigungsvermögens, Entwicklung eines Simulationstools zur Prognose der Ausbreitung und des Abbaus von Schadstoffen in der gesättigten und der vadosen Zone

Ziel ist dabei unter anderem, eine Datenbasis für die Modellierung des Schadstoffabbaus und der Schadstoffausbreitung zu schaffen, die in ein sechstes Teilprojekt einfließt. Dieses wird von Mitarbeitern der Professoren Knabner und Rüde bearbeitet und befasst sich standortübergreifend mit der mathematischen Modellierung von Transport-, Rückhalte- und Abbauprozessen mittels moderner und effizienter Verfahren. Für die numerische Simulation wird ein Prognoseinstrument entwickelt, das belastbare Risikoeinschätzungen liefern soll. Aufgrund der anspruchsvollen Struktur der Probleme - Systeme von gekoppelten, nichtlinearen partiellen Differentialgleichungen - werden auch Techniken der Höchstleistungssimulation eingebracht. An jedem untersuchten Standort soll das Verständnis der im Untergrund ablaufenden Prozesse so vertieft werden, dass nicht nur der momentane Zustand beschrieben werden kann, sondern auch langfristige Prognosen möglich sind. Angesichts von rund 13300 altlastverdächtigen Flächen in Bayern ist es von großer volkswirtschaftlicher Bedeutung, neben der Entwicklung von kostengünstigen und praxisorientierten Technologien zur Altlastensanierung die natürlichen Selbstreinigungskräfte der Umwelt zu nutzen. Um angemessen handeln zu können, brauchen Behörden und andere Entscheidungsträger eine zuverlässige Antwort auf die Frage: Wie groß ist das natürliche Potenzial eines Altlastenstandortes, sich selbst zu reinigen?

Die Wirkung von Umweltstress auf Zellwandreaktionen Hoeherer Pflanzen: Schwermetalltoxizitaet und Salinitaet

Der Extrazellularraum (Apoplast) der hoeheren Pflanze ist fuer das Wachstum und die Anpassung an Umweltbedingungen von zentraler Bedeutung. Stressoren wie Schwermetalle, erhoehter Salzgehalt des Bodens oder Luftschadstoffe fuehren zu Stoerungen in der Biochemie des Apoplasten und induzieren Anpassungsreaktionen, die wiederum das Wachstum hemmen oder unter den Stressbedingungen foerdern koennen. Die bisherigen Untersuchungen zeigen, dass die verschiedenen Umweltstressoren im Apoplasten aehnliche Reaktionen induzieren, die molekularbiologisch und biochemisch detailliert untersucht werden muessen, um das Wachstum und Ueberleben von Pflanzen unter Stressbedingungen zu verstehen.

Beziehungen zwischen Naturhaushalt, Anlage von Strassen und Strassenverkehr

Aufgabenstellung und Vorgehensweise: Beschreibung und Bewertung der wechselseitigen Beziehungen zwischen Anlage von Strassen und Strassenverkehr einerseits mit dem Naturhaushalt andererseits in Untersuchungsgebieten in der noerdlichen Eifel und der Niederrheinischen Bucht. Ausgegangen wird von Raumeinheiten, die nach vegetationskundlichen Gesichtspunkten abgegrenzt und mit Daten aus den Bereichen Gestein, Boden und Gelaendeklima ergaenzt wurden. Die Eigenschaften dieser Raumeinheiten werden hinsichtlich ihrer Eignung fuer die Anlage von Strassen und den Strassenverkehr beurteilt. Zielsetzung: Schaffung von Kartenunterlagen, mit deren Hilfe der Strassenplaner die Auswirkungen der Strasse und des Strassenverkehrs auf den angrenzenden Naturhaushalt im voraus feststellen und abwaegen kann, ob auf den betreffenden Standorten eine Strasse unter Beruecksichtigung der Leistungsfaehigkeit und Belastbarkeit des Naturhaushaltes verantwortet werden kann und welche Massnahmen gegebenfalls zu treffen sind, um nachteilige Auswirkungen auf die Natur, den Strassenkoerper und den Strassenverkehr zu mindern oder zu verhindern.

Informationskampagne 'Alpenraum: Mehr wissen - weniger belasten'

Forschergruppe (FOR) 1898: Mehrskalendynamik von Schwerewellen, Mehrskalendynamik von Schwerewellen (Koordinatorantrag)

Eine Verlässlichkeit von Vorhersagen des Klimawandels ist nur dann gegeben, wenn die dabei verwendeten numerischen Modelle das gegenwärtige Klima aus den richtigen Gründen korrekt simulieren. Offene Fragen betreffen z.B. dynamische Aspekte wie die Vorhersage einer Verstärkung der Brewer-Dobson-Zirkulation, den dynamischen Einfluss der Stratosphäre auf die Troposphäre und ein Überschießen in der Erholung der Ozonschicht. Eine besonders große Unsicherheit stellen in diesem Zusammenhang interne Schwerewellen (SW) dar, die durch gegenwärtige Chemie-Klimamodelle nicht aufgelöst werden. Ihr Einfluss muss durch Parametrisierungen erfasst werden, die heutzutage stark vereinfacht sind. Die Forschergruppe (FG) wird explizite Modelle für die Anregung, Ausbreitung und Dissipation von SW formulieren, die mathematisch und physikalisch konsistent sind. Diese werden anhand von prozessauflösenden Simulationen und Messungen validiert. Spezielle Beachtung werden die Mehrskalenwechselwirkungen von SW mit Turbulenz und der balancierten Strömung finden, sowie die Wechselwirkung von kleinskaligen, nichtaufgelösten SW mit großskaligen, aufgelösten SW. Die entwickelten Modelle werden in eine einheitliche SW-Parametrisierung münden, von den Quellen bis zur Dissipation. Sowohl die SW-Parametrisierung als auch globale SW-erlaubende und lokale SW-auflösende Simulationen sollen verwendet werden, um die Unsicherheiten der SW-Effekte auf die atmosphärische Zirkulation, auf großskalige dynamische Prozesse und auf den Klimawandel einzuschränken. Die Untersuchungen der Wellenprozesse selbst als auch ihrer globalen Auswirkungen werden auf der engen interdisziplinären Wechselwirkung zwischen Mathematik, Theorie, hochauflösender numerischer Modellierung und Messungen basieren. Diese Kombination begründet sich darin, dass nur Messungen den direkten Bezug zur Realität haben, nur Theorie uns verstehen lehrt, und nur hochauflösende Modellierung eine detaillierte Diagnose erlaubt. Ein dergleichen umfassendes Programm übersteigt bei weitem die Möglichkeiten einzelner Institute oder ihrer bilateralen Zusammenarbeit. Es erfordert hingegen eine FG, in der experimentelle, numerische, theoretische und mathematische Erfahrungen zusammengeführt werden. Die langfristigen Ergebnisse der FG sollen sein:- Eine erweiterte und vertiefte Kenntnis der räumlichen, zeitlichen und spektralen Verteilung von SW in der Atmosphäre.- Ein wesentlich verbessertes Verständnis der Prozesse, welche die korrespondierende SW-Dynamik erzeugen und kontrollieren.- Darauf aufbauend eine Verbesserung der Belastbarkeit und Vollständigkeit der Parametrisierung von SW als Subgitterskalenphänomen, Quellprozesse, SW-Ausbreitung, die Wechselwirkung von SW mit der aufgelösten Strömung und SW-Dissipation betreffend.- Als Ergebnis ein verlässlicheres Verhalten von SW-Parametrisierungen unter anomalen Bedingungen, z.B. dem Klimawandel.

Physiologische Untersuchungsverfahren zur Ermittlung von Abwasserschaeden durch Untersuchung der Wirkung von Stressfaktoren

Festlegung von Ertraeglichkeitskonzentrationen verschiedener 'Abwassergifte' auf Meeresfische unter Beruecksichtigung von Stressfaktoren (z.B. Sauerstoffmangel/Schwermetalle).

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