Das hier beantragte Wissenstransferprojekt soll die Anwendungsreife von Ergebnissen aus zwei früheren DFG-Forschungsprojekten zu Wasserbewirtschaftungsfragen in semi-ariden Regionen erreichen. Der Fokus wird dabei auf der Methodenübertragung und Ergebnisnutzung für die Entwicklung eines Dürrevorhersage und -managementsystems liegen. Die hier erwähnten DFG-Projekte sind: Sediment Export from large Semi-Arid catchments: Measurements and Modelling), und Generation, transport and retention of water and suspended sediments in large dryland catchments: Monitoring and integrated modelling of fluxes and connectivity phenomena. Der Praxispartner ist die Behörde für Meteorologie und Wasserressourcen des Bundesstaates Ceara (FUNCEME) im Nordosten Brasiliens. Diese führt auch Prognosen für das wasserwirtschaftliche System Cearas durch, welches durch eine stark negative klimatische Wasserbilanz und mehrere tausend (meist kleine) Stauseen gekennzeichnet ist. Es ist vorgesehen, das existierende Wasserbewirtschaftungssystem SIGA von FUNCEME mit dem prozessbasierten hydrologischen Modell WASA-SED zu kombinieren. Das WASA-SED Modell, welches aus den o.g. DFG-Projekten stammt, wurde spezifisch für semiaride meso-skalige Einzugsgebiete konzipiert und entwickelt. Damit werden die charakteristischen hydrologischen Prozesse, einschließlich von Transport- und Konnektivitätsphänomenen im Gewässernetz und den Stauseen simuliert. Die geplanten Arbeiten sind in verschiedene Ebenen gruppiert: (1) Integration des WASA-SED-Modells mit dem SIGA-System um den regionalen Wasserbehörden und Flussgebietskommissionen eine direkte Information über aktuelle und prognostizierte Werte der Stauseefüllungen, Abflüsse an bestimmten Flussabschnitten und anderen Wasserressourcen zu ermöglichen; (2) Effiziente Kommunikation der Ergebnisse mit verschiedenen Stakeholdergruppen und Möglichkeit zur Weiternutzung der Ergebnisse. (3) Anwendung von WASA-SED im Vorhersagemodus, d.h. Nutzung von kurzfristigen und saisonalen meteorologischen Vorhersagen zur Prognose der Wasserverfügbarkeit bei unterschiedlichen Vorhersagezeiträumen. (4) Nutzung der prozess-basierten Struktur von WASA-SED um Effekte sich ändernder Randbedingungen zu untersuchen, besonders bzgl. des dichten Netzes aus Stauanlagen. Wir erwarten aus dem Projekt auch Impulse für neue Forschungsfragen als Ergebnis der Integration der Wasserbewirtschaftung und -infrastruktur in das Modellsystems, so evtl.: (1) Untersuchung und Modellierung der saisonalen Dynamik der Verluste in semiariden Flusssystemen und Ableitung eines dafür geeigneten Abflussroutingansatzes; (2) Quantifizierung und Modellierung der hydro-sedimentologischen Konnektivität in komplexen, vom Menschen stark geformten Hydrosystemen, einschließlich der Effekte des dichten Stauseenetzes, Wasserüberleitungen und der teilweise künstlich verbundenen Teileinzugsgebiete.
Chromium (Cr) is introduced into the environment by several anthropogenic activities. A striking ex-ample is the area around Kanpur in the Indian state of Uttar Pradesh, where large amounts of Cr-containing wastes have been recently illegally deposited. Hexavalent Cr, a highly toxic and mobile contaminant, is present in significant amounts in these wastes, severely affecting the quality of sur-roundings soils, sediments, and ground waters. The first major goal of this study is to clarify the solid phase speciation of Cr in these wastes and to examine its leaching behavior. X-ray diffraction and synchrotron-based X-ray absorption spectroscopy techniques will be employed for quantitative solid phase speciation of Cr. Its leaching behavior will be studied in column experiments performed at un-saturated moisture conditions with flow interruptions simulating monsoon rain events. Combined with geochemical modeling, the results will allow the evaluation of the leaching potential and release kinetics of Cr from the waste materials. The second major goal is to investigate the spatial distribution, speciation, and solubility of Cr in the rooting zone of chromate-contaminated soils surrounding the landfills, and to study the suitability of biochar as novel soil amendment for mitigating the deleterious effects of chromate pollution. Detailed field samplings and laboratory soil incubation studies will be carried out with two agricultural soils and biochar from the Kanpur region.
The relevance of biogeochemical gradients for turnover of organic matter and contaminants is yet poorly understood. This study aims at the identification and quantification of the interaction of different redox processes along gradients. The interaction of iron-, and sulfate reduction and methanogenesis will be studied in controlled batch and column experiments. Factors constraining the accessibility and the energy yield from the use of these electron acceptors will be evaluated, such as passivation of iron oxides, re-oxidation of hydrogen sulfide on iron oxides. The impact of these constraints on the competitiveness of the particular process will then be described. Special focus will be put on the evolution of methanogenic conditions in systems formerly characterized by iron and sulfate reducing condition. As methanogenic conditions mostly evolve from micro-niches, methods to study the existence, evolution and stability of such micro-niches will be established. To this end, a combination of Gibbs free energy calculations, isotope fractionation and tracer measurements, and mass balances of metabolic intermediates (small pool sizes) and end products (large pool sizes) will be used. Measurements of these parameters on different scales using microelectrodes (mm scale), micro sampling devices for solutes and gases (cm scale) and mass flow balancing (column/reactor scale) will be compared to characterize unit volumes for organic matter degradation pathways and electron flow. Of particular interest will be the impact of redox active humic substances on the competitiveness of involved terminal electron accepting processes, either acting as electron shuttles or directly providing electron accepting capacity. This will be studied using fluorescence spectroscopy and parallel factor analysis (PARAFAC) of the gained spectra. We expect that the results will provide a basis for improving reactive transport models of anaerobic processes in aquifers and sediments.
Phosphorus (P) is an essential nutrient for living organisms. Whereas agriculture avoids P-limitation of primary production through continuous application of P fertilizers, forest ecosystems have developed highly efficient strategies to adapt to low P supply. A main hypothesis of the SPP 1685 is that P depletion of soils drives forest ecosystems from P acquiring system (efficient mobilization of P from the mineral phase) to P recycling systems (highly efficient cycling of P). Regarding P fluxes in soils and from soil to streamwater, this leads to the assumption that recycling systems may have developed strategies to minimize P losses. Further, not only the quantity but also the chemistry (P forms) of transported or accumulated P will differ between the ecosystems. In our project, we will therefore experimentally test the relevance of the two contrasting hypothetical nutritional strategies for P transport processes through the soil and into streamwater. As transport processes will occur especially during heavy rainfall events, when preferential flow pathways (PFPs) are connected, we will focus on identifying those subsurface transport paths. The chemical P fractionation in PFPs will be analyzed to draw conclusions on P accumulation and transport mechanism in soils differing in their availability of mineral bound P (SPP core sites). The second approach is an intensive streamwater monitoring to detect P losses from soil to water. The understanding of P transport processes and P fluxes at small catchment scale is fundamental for estimating the P exports of forest soils into streams. With a hydrological model we will simulate soil water fluxes and estimate P export fluxes for the different ecosystems based on these simulations.
Makronährstoffe, wie Phosphor, sind wichtig für das Wachstum von Meeresmikroorganismen, wie Phytoplankton. Diese sind sehr bedeutsam für die marine Nährstoffkette und Biologie. Verschiedene Phytoplanktonarten emittieren klimarelvante organische Verbindungen, z.B. DMS, welches in der Atmosphäre zu Schwefelsäure oxidiert wird und anschließend zur Bildung neuer Aerosolpartikel beiträgt. Diese können weiterhin als potentielle Wolkenkondensaktionskeime dienen. Informationen über die Verfügbarkeit von Phosphor für diese Mikroorganismen sind somit essentiell für ein besseres Verständnis der Ozean-Atmosphären-Wechselwirkung. Der Haupteintrag von Phosphor in den offenen Ozean erfolgt vorwiegend über atmosphärische Deposition. Informationen über atmosphärische Phosphorkonzentrationen, die Bioverfügbarkeit und Quellen sind notwendig, um den Verbleib in den Ozeanen zu verstehen. Dabei werden vor allem in den Regionen des tropischen Nord- und Südost-Atlantik immer noch Daten benötigt. Die wenigen verfügbaren Daten basieren zumeist auf kurzzeitigen Schiffsmessungen, die in ihrer Anwendung auf langfristige Prognosen und jahreszeitlichen Zyklen sehr begrenzt sind. Um das Verständnis über die Phosphorverfügbarkeit, -quellen, und -bioverfügbarkeit in diesen ozeanischen Gebieten zu verbessern, sollen größenaufgelöste Langzeitmessungen zur Bestimmung des Phosphorgehalts von Aerosolpartikeln durchgeführt werden. Weiterhin werden analytische Methoden entwickelt und optimiert (basierend auf der Kombination von drei Techniken). Diese sollen eine empfindliche Bestimmung von löslichem als auch dem Gesamtphosphor in feinen Partikeln ermöglichen, aufgrund der geringen Aerosolmasse in dieser Größenfraktion. Die ermittelten Daten werden benutzt, um wichtige Quellen des Phosphors in diesen Regionen zu charakterisieren, die Rolle von unterschiedlichen Quellen wie Mineralstaub, Biomassenverbrennung, sowie anthropogenen Verbrennungsaerosols auf die Speziation (organische und anorganische Zusammensetzung), Löslichkeit und atmosphärische Prozessierung des Phosphors, sowie ihre saisonale Variabilität zu untersuchen. Darüber hinaus soll eine regionale Staubmodellsimulation angewendet werden, um den Aerosoltransport und die Staupdeposition in diesen Regionen besser zu beschreiben. Die Ergebnisse sind wichtig für kombinierte Modelle zur Ozean-Atmosphäre Wechselwirkung und das Verständnis der wichtigsten Faktoren, die den Verbleib von atmosphärischem Phosphor im Ozean beeinflussen.
Das ionosphärische Plasma reagiert auf Änderungen der ionosphärischen EUV und UV-Strahlung auf der Zeitskala der solaren Rotation mit einer Verzögerung von 1-2 Tagen. Es wird angenommen, dass diese Verzögerung auf Transportprozesse von der unteren Ionosphäre in die F-Region zurück zu führen ist, doch wurden bislang nur begrenzte Modelluntersuchungen durchgeführt, um diesen Zusammenhang zu belegen. Innerhalb von DRIVAR sollen die Prozesse, die für die ionosphärische Verzögerung verantwortlich sind, durch umfassende Datenanalyse und Modellierung untersucht werden. Verschiedene solare Proxies sowie spektral aufgelöste EUV- und UV-Flüsse aus Satellitenmessungen werden verwendet und zusammen mit ionosphärischen Parametern analysiert, welche aus GPS-Radiookkultationsmessungen, Ionosondenmessungen und GPS-Gesamtelektronenmessungen stammen. Letztere haben sowohl den Vorteil einer globalen Abdeckung als auch einer z.T. räumlich hoher Auflösung. Die ionosphärsche Verzögerung wird auf verschiedenen Zeitskalen ionosphärischer Variation (Tage, solare Rotation, saisonal) untersucht, und regionale Abhängigkeiten werden analysiert.Wegen des komplexen Charakters der involvierten Prozesse in der Thermosphäre und Ionosphäre werden Experimente mit numerischen Modellen benötigt, um die der Verzögerung zugrundeliegenden Prozesse physikalisch zu untersuchen. Wir verwenden das Coupled Thermosphere Ionosphere Plasmasphere Electrodynamics (CTIPe), um die Verzögerung zu simulieren und führen Sensitivitätsstudien durch um die zur ionosphärischen Verzögerung führenden Prozesse im Detail zu analysieren. Zusätzliche Experimente werden mit dem Upper Atmosphere Model (UAM) durchgeführt.Die Ergebnisse von DRIVAR werden zu einem verbesserten Verständnis ionosphärischer Prozesse führen und werden insbesondere in der Vorhersage ionosphärischer Variabilität Anwendung finden, z.B. bei der Analyse und Vorhersage von GNSS- Positionsfehlern.
Labor- und Feldstudien zeigen, dass die Oberflächengrenzschicht des Ozeans (â€Ìsurface microlayerâ€Ì, kurz SML) die biogeochemischen Kreisläufe von klimaaktiven und atmosphärisch wichtigen Spurengasen wie Kohlenstoffdioxid (CO2), Kohlenstoffmonoxid (CO), Methan (CH4), Lachgas (N2O) und Dimethylsulfid (DMS) stark beeinflusst: (i) Jüngste Studien aus den PASSME- und SOPRAN-Projekten haben hervorgehoben, dass Anreicherungen von oberflächenaktiven Substanzen (d.h. Tensiden) einen starken (dämpfenden) Effekt sowohl auf die CO2- als auch auf die N2O-Flüsse über die SML/Atmosphären-Grenzfläche hinweg haben und (ii) Spurengase können durch (mikro)biologische oder (photo)chemische Prozesse in der SML produziert und verbraucht werden. Daher kann der oberste Teil des Ozeans, einschließlich der SML, verglichen mit dem Wasser, das in der Mischungsschicht unterhalb der SML zu finden ist, eine bedeutende Quelle oder Senke für diese Gase sein, was von sehr großer Relevanz für die Forschungseinheit BASS ist. Die Konzentrationen von CO2, N2O und anderen gelösten Gasen in der SML (oder den oberen Zentimetern des Ozeans) unterscheiden sich nachweislich von ihren Konzentrationen unterhalb der SML. Typischerweise werden die Nettoquellen und -senken wichtiger atmosphärischer Spurengase mit Konzentrationen berechnet, die in der Mischungsschicht gemessen wurden und mit Gasaustauschgeschwindigkeiten, die die SML nicht berücksichtigen. Diese Diskrepanzen führen zu falsch berechneten Austauschflüssen, die in der Folge zu großen Unsicherheiten in den Berechnungen der Klima-Antrieben und der Luftqualität in Erdsystemmodellen führen können. Durch die Verknüpfung unserer Spurengasmessungen mit Messungen von (i) der Dynamik und den molekularen Eigenschaften der organischen Materie und speziell des organischen Kohlenstoffs (SP1.1; SP1.5), (ii) der biologischen Diversität und der Stoffwechselaktivität (SP1.2), (iii) den optischen Eigenschaften der organischen Materie (SP1.3), (iv) der photochemischen Umwandlung der organischen Materie (SP1.4) und (v) den physikalischen Transportprozessen (SP2.3) werden wir ein umfassendes Verständnis darüber erlangen, wie die SML die Variabilität der Spurengasflüsse beeinflusst.
In hydrology, the relationship between water storage and flow is still fundamental in characterizing and modeling hydrological systems. However, this simplification neglects important aspects of the variability of the hydrological system, such as stable or instable states, tipping points, connectivity, etc. and influences the predictability of hydrological systems, both for extreme events as well as long-term changes. We still lack appropriate data to develop theory linking internal pattern dynamics and integral responses and therefore to identify functionally similar hydrological areas and link this to structural features. We plan to investigate the similarities and differences of the dynamic patterns of state variables and the integral response in replicas of distinct landscape units. A strategic and systematic monitoring network is planned in this project, which contributes the essential dynamic datasets to the research group to characterize EFUs and DFUs and thus significantly improving the usual approach of subdividing the landscape into static entities such as the traditional HRUs. The planned monitoring network is unique and highly innovative in its linkage of surface and subsurface observations and its spatial and temporal resolution and the centerpiece of CAOS.
Das Wattenmeer, das sich von Den Helder in den Niederlanden bis nach Skallingen in Dänemark erstreckt, ist ein Prototyp für eine durch den Meeresspiegelanstieg bedrohte Küstenregion. Über 50% des Wattenmeeres besteht aus Wattflächen, die nur während eines Teils des Gezeitenzyklus von Wasser bedeckt sind. Dadurch wird das einzigartige Küsten-Ökosystem des Wattenmeeres geformt, das aufgrund von Akkumulation von Sediment aus der Nordsee den Meeresspiegelanstieg der letzten Jahrhunderte überleben konnte. Angesichts der beobachteten Beschleunigung des Meeresspiegelanstieges stellt sich die Schlüsselfrage, bis zu welcher Rate des Meeresspiegelanstieges diese Sedimentakkumulation für das Überleben des ausreicht. Diese Frage ist hochkomplex, da die Sedimentflüsse in das Wattenmeer selbst von der Rate des Meeresspiegelanstieges sowie von anderen klimatischen Einflüssen und von der Sedimentverfügbarkeit in nicht-linearer Weise abhängen. Es ist bekannt, dass Netto-Sedimentflüsse durch von nicht-linearen Flachwassergezeiten und horizontalen Dichtegradienten (aufgrund von Niederschlag, Süßwasserabfluss und Oberflächen-Wärmeflüssen) bedingten Gezeitenasymmetrien angetrieben werden. Die Nichtlinearität der Gezeiten wiederum hängt vom Meeresspiegelanstieg selbst ab und die horizontalen Dichtegradienten variieren mit klimabedingten Änderungen von Verdunstung/Niederschlag und Abkühlung/Erwärmung. Weiterhin hängen Sedimentflüsse vom Windantrieb ab, der ebenfalls mit dem Klima variiert. Obwohl ein fundiertes Verständnis der zugrundeliegenden Sedimenttransportprozesse im Wattenmeer vorliegt, werden für Projektionen von morphologischen Veränderungen weiterhin einfache vertikal integrierte Modelle verwendet. Die Erkenntnisse, die aus solchen Modellen gewonnen werden, sind daher sehr eingeschränkt. Das wichtigste Ziel dieses Projektes ist daher, mögliche morphologische Reaktionen des Wattenmeeres auf einen beschleunigten Meeresspiegelanstieg und andere Aspekte des Klimawandels sowie Einflüsse von Sedimentverfügbarkeit mit Hilfe eines prozess-basierten Modells zu untersuchen. Dabei werden die wichtigsten Antriebe für Sedimenttransportprozesse in das Wattenmeer berücksichtigt. Zunächst sollen diese Modellsimulationen in systematischer Weise unter Nutzung verschiedener idealisierter Bathymetern durchgeführt werden, um die kritischsten Prozesse morphodynamischer Veränderungen zu erkennen. Mit Hilfe dieser Bathymeter können die Einflüsse des Meeresspiegelanstieges in Kombination mit anderen Einflussfaktoren (Niederschlag/Verdunstung, Abkühlung/Erwärmung, Wind-Wellenantrieb) untersucht werden. In einer zweiten Phase des SPP, unter der Annahme, dass die verfügbaren Computer Ressourcen weiter anwachsen, sollen solche Simulationen für realistische und komplexere Gezeitenbecken im Wattenmeer durchgeführt werden. In beiden Phasen des SPP soll die Dynamik von Salzwiesen explizit mit untersucht werden.
Die antarktischen Ökosysteme sind von starken Veränderungen betroffen, insbesondere was die Eisbedeckung angeht. Wir wissen nicht wie dies die Prozesse am Meeresboden, die benthischen Funktionen, beeinflusst. Informationen zur Rolle verschiedener Tiergemeinschaften für benthische Funktionen unter variabler und stabiler Eisbedeckung sind für ein besseres Verständnis der Ökosystemprozesse dringend notwendig. Nur in wenigen Studien wurden unterschiedliche Größenklassen wie Meio- und Makrofauna gleichzeitig untersucht, und in keiner wurde ihre Bedeutung für benthische Funktionen untersucht. Daher ist der Einfluss von geringer werdender oder sich verändernder Meereisbedeckung auf die trophischen Interaktionen zwischen Meio- und Makrofauna sowie deren Bedeutung für die Prozesse am Meeresboden nicht geklärt. Dazu gehört auch ob und wie sich die benthische Remineralisation, bestimmt durch Stoffflussmessungen von Ammonium, Nitrat, Phosphat, Kieselsäure und Sauerstoff an der Sediment-Wasser-Grenzschicht, verändert. Für den Südozean ist über die jeweiligen Anteile der Meio- und Makrofaunagemeinschaften an dieser Remineralisation nichts bekannt.Mit unserem 3-Jahres Projekt werden wir gemeinsam die Reaktion benthischer Ökosystemfunktionen auf unterschiedliche Meereisbedeckungssituationen im Weddellmeer und entlang der Antarktischen Halbinsel einschätzen. Um die Rollen der verschiedenen Größenklassen und ihrer assoziierten Taxa im System Meeresboden besser zu verstehen, müssen wir (1) die Bedeutung der Strukturen der Meio- und Makrofaunagemeinschaften für die Ressourcenaufteilung und die Remineralisierung in Regionen mit unterschiedlicher Eisbedeckung und (2) den Effekt von erhöhtem Nahrungsaufkommen bei sich verändernder Eissituationen auf die Interaktionen von Ökosystemfunktion und Größenklassen bestimmen.Die beiden komplementären Aspekte werden mit einem/r gemeinsam betreuten Doktoranden/in durchgeführt. Proben wurden bereits auf den beiden Polarstern-Expeditionen PS 81 (22.01 bis 18.03.2013, nordwestliches Weddellmeer, Antarktische Halbinsel) und PS 96 (06.12.2015 bis 14.02.2016 südöstliches Weddellmeer) genommen. Die untersuchte Region umfasst Gebiete mit reduzierter, variabler und anhaltender Eisbedeckung. Mittels Inkubationen wird die räumliche Variabilität der Remineralisationsraten und die Rolle der Meio- und Makrofaunataxa bestimmt und mit deren Position im Nahrungsnetz zu verbunden. Um den Einfluss erhöhten Nahrungseintrags auf die Partitionierung der Nahrungsaufnahme und die Remineralisation durch die Tiergruppen zu testen, wurden Pulse-Chase Experimente durchgeführt.Die Ergebnisse bilden die Grundlage für das dritte Arbeitspaket: Die Entwicklung eines konzeptionellen Modells für die Evaluation benthischer Systemfunktionen im sich verändernden Südozean, welches die Mehrheit der Größenklassen und Prozesse betrachtet.
| Origin | Count |
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