Mit diesem Antrag sollen die physikalischen Prozesse identifiziert, analysiert und quantifiziert werden, die zu dem Austausch von gelösten Substanzen zwischen der Sediment-Wasser Grenzschicht, innerhalb der turbulenten Bodengrenzschicht (bottom boundary layer, BBL) und dem schwach turbulenten Inneren von geschichteten Becken beitragen. Im Fokus stehen dabei der Effekt von geneigten Hängen, an denen die Austauschprozesse durch das Zusammenwirken des Wiederaufbaus der Bodengrenzschichtschichtung , der Turbulenz innerhalb der BBL und sub-mesoskaligen Prozessen, von denen angenommen wird, dass sie den lateralen Austauschraten von Wasser bestimmen, verkompliziert werden. Diese Prozesse werden durch einen kombinierten Ansatz aus Feldmessungen und numerischer Modellierung untersucht. Insbesondere wird sich das Projekt dabei auf den Sediment-Wasser Austausch von Schwefelwasserstoff und Sauerstoff fokussieren, der in Situ mit Hilfe eines Eddy-Korrelationsmessgerätes als auch mit einem Mikroprofilsystem gemessen wird. Diese Messung wird durch ozeanographische Standardmessungen ergänzt, als auch durch Schiffs- und Verankerungsbasierte Turbulenzmessungen. Dieser Datensatz ist neuartig durch die Kombination von (A) der Sediment-Wasserflüsse von Sauerstoff und Schwefelwasserstoff und (B) der Turbulenzmessungen innerhalb der BBL und des Beckeninneren. Zusätzlich zu den Feldmessungen ist eine numerische Modellierung auf der Basis eines einfachen Sedimentmodells in Kombination mit einer Parametrisierung der Transportprozesse an der Sediment-Wassergrenzschicht geplant. Dieses Modell wird in idealisierten, eindimensionalen Parameterstudien, sowie in einem zweidimensionalen Setup verwendet, welches sich auf die Austauschprozesse der Bodengrenzschicht mit dem Beckeninneren konzentriert. Für die Untersuchung von dreidimensionalen Strukturen wie Eddies auf den Sauerstoff/Schwefelwasserstofftransport wird ein voll dreidimensionales realistisches Modell der zentralen Ostsee angewendet.
Gasblasen mit Grössen zwischen einigen Mikrometern bis Zentimetern sind allgegenwärtig in aquatischen Ökosystemen. Sie beeinflussen nicht nur die physikalischen Eigenschaften des Wassers, sie ermöglichen auch einen wichtigen Transportweg mit hoher Relevanz für globale biogeochemische Kreisläufe und das Klima. An der Luft-Wasser-Grenzfläche beschleunigen Blasen den Gasaustausch und beeinflussen damit den globalen Kohlenstoffkreislauf. Aus Sedimenten freigesetzte Blasen (Ebullition) sind ein wichtiger Transportweg für Methan in die Atmosphäre. Darüber hinaus transportieren Blasen nicht nur Gase, sondern auch Partikel, gelöste Stoffe und Bakterien auf ihren Oberflächen. Dieses Material, darunter Kohlenstoff, Nährstoffe und Schadstoffe, stammt aus den Sedimenten oder wurde während des Aufstiegs aus der Wassersäule entfernt. Trotz dieser potenziellen Bedeutung ist wenig über Gasblasen und ihre Eigenschaften in Süßwasserökosystemen bekannt, bestehendes Wissen basiert hauptsächlich auf Beobachtungen in marinen Systemen. In diesem Projekt untersuchen wir diejenigen Prozesse, welche das Vorkommen und die Eigenschaften von Gasblasen in Süßwasserökosystemen kontrollieren, sowie die Rolle der Blasen für den Transport von Gasen, gelösten Stoffen und Partikeln. Wir unterscheiden zwischen Luftblasen die an der Wasseroberfläche eingetragen werden, Blasen die durch Gasübersättigung in der pelagischen Zone entstehen, sowie Blasen die in Sedimenten gebildet werden. Wir gehen davon aus, dass diese drei unterschiedlichen Arten von Blasen unterschiedliche Eigenschaften haben. Auf der Grundlage von Feldmessungen und Laborexperimenten untersuchen wir die Entstehung, Alterung und das Schicksal dieser drei Arten von Blasen und der von ihnen transportierten Substanzen in unterschiedlichen aquatischen Systemen. Die Beobachtungen und Ergebnisse werden mit prozessbasierten Modellen verknüpft um einen theoretisch fundierten und empirisch validierten Rahmen für die Bewertung der Relevanz von Stofftransport durch Gasblasen in aquatischen Ökosystemen zu entwickeln. Dies erlaubt die Übertragung der Ergebnisse dieses Projekts auf eine Vielzahl von Fragestellungen in unterschiedlichen Bereichen der aquatischen Forschung, der Gewässerüberwachung und des Gewässermanagements.
Phosphor spielt als limitierendes Element für die Produktivität von Ökosystemen allgemein und speziell für den trophischen Status von Gewässern eine zentrale Rolle. Durch die Adsorption von Phosphat an Tonmineralen in Böden und Gewässern ist die Aussagefähigkeit von Konzentrationsmessungen in diesem Bereich jedoch eng begrenzt. Der Einsatz von kurzlebigen radioaktiven Phosphorisotopen, wie er bei der Untersuchung von Böden genutzt wird, verbietet sich in natürlichen aquatischen Systemen. Das beantragte Projekt soll als Alternativmethode die Machbarkeit der Messung von d18OP04 an niedrigkonzentrierten natürlichen Phosphatlösungen (Flußwässer) klären und ggfs. erste Untersuchungen an natürlichen Fließsystemen sowie an Bodenlösung durchführen. Es soll versucht werden, auf diese Weise erste Aufschlüsse über Herkunft und Umsatz geogenen und anthropogenen Phosphats in Böden und Fließgewässern zu erlangen.
Bodenversalzung, also eine übermäßige Anhäufung von löslichen Salzen im Boden, hat schädliche Auswirkungen auf Pflanzen, Tiere & die menschliche Gesundheit. Sie ist eine der Hauptbedrohungen für Bodenfruchtbarkeit & -stabilität und die biologische Vielfalt des Bodens und führt zu unerwünschten Veränderungen der physikalischen, chemischen & biologischen Bodenfunktionen. Abgesehen vom Boden, hat sie erhebliche Effekte auf andere Prozesse z.B. die Haltbarkeit von Baumaterialien, die Lebensdauer von Straßenbelägen und die CO2-Sequestrierung. Die Salzwasserverdunstung wird von den Transporteigenschaften des porösen Mediums, den äußeren Bedingungen (z. B. Wind, Umgebungstemperatur & relative Luftfeuchtigkeit), den Eigenschaften der verdunstenden Lösung und der Salzkristallisation beeinflusst. Während der Wasserverdunstung wird die gelöste Substanz durch kapillarinduzierte Flüssigkeitsströmung von der feuchten Zone am Boden zur Verdunstungsoberfläche transportiert. Dabei tendiert die Diffusion dazu, den gelösten Stoff homogen über die gesamte Domäne zu verteilen. Die Konkurrenz zwischen Aufwärtsadvektion und Diffusionstransport bestimmt die Verteilung der gelösten Stoffe im gesamten Boden. Wenn die Advektion die Diffusion dominiert, wird der gelöste Stoff meist in Oberflächennähe abgelagert, was zu einem allmählichen Konzentrationsanstieg führt. Bei klarer Überschreitung der Löslichkeitsgrenze, kommt es zur Ausfällung von Kristallen an der Bodenoberfläche. Die Oberflächenkristalle bilden komplexe Strukturen, die die für die Verdunstung verfügbare Fläche erheblich vergrößern können. Wie genau das Vorhandensein des sich verdunstungsbedingt bildenden porösen kristallisierten Salzes an der Oberfläche die Verdunstungswasserverluste aus dem Boden unter verschiedenen Bedingungen beeinflusst, ist nur unzureichend verstanden. Genaue Informationen über die komplexe Kopplung zwischen Strömungs- & Transportprozessen in porösen Medien und dem sich entwickelnden kristallisierten Salz an der Oberfläche sind für eine genaue Prognose der Wasserverdunstung aus dem Boden erforderlich, da unsere Beschreibung dieses Prozesses sonst auf die Anpassung von Parametern reagieren würde. Ohne dieses Wissen kann man die Wasserverfügbarkeit und die Verdunstung von der Bodenoberfläche deutlich unter- oder überschätzen, was verschiedene hydrologische Prozesse beeinflusst. Wir planen eine umfassende multiskalige, numerische & experimentelle Untersuchung, um die Auswirkungen des verdunstungsgetriebenen kristallisierten Salzes an der Oberfläche auf die verdunstenden Wasserverluste aus porösen Medien zu quantifizieren und werden die modernsten numerischen & experimentellen Werkzeuge wie Molekulardynamiksimulationen, Porennetzwerk- & Kontinuumsskalenmodellierung, Synchrotron-Röntgenmikrotomographie und maßgeschneiderte Laborexperimente einsetzen. Dies ermöglichet uns, die Salzwasserverdunstung genau zu beschreiben und die Wechselwirkungen zwischen Land und Atmosphäre zu quantifizieren.
Submarine Grundwasservorkommen sind ein globales Phänomen in küstennahen Sedimenten. Im Verlaufe der letzten ca. 20 Jahre wurden weltweit vermehrt Anstrengungen unternommen, submarine Grundwasservorkommen räumlich zu erfassen, um, unter anderem, eine bessere Abschätzung über die damit verbundenen Mengen an submarin gespeichertem Süßwasser zu erhalten sowie deren Bedeutung für Schelf-Ökosysteme bzw. globale Elementkreisläufe zu erfassen. Trotz der bisherigen Anstrengungen fehlt es derzeit immer noch an einem grundlegenden Verständnis der Entstehungsprozesse submariner Grundwasservorkommen sowie deren zeitlicher und räumlicher Entwicklung. Eine große Unbekannte ist in vielen Fällen, ob vorhandene Vorkommen rezent noch aktiv von Land aus gespeist werden oder von den Landsystemen abgeschnitten sind und somit Relikte früherer Umweltbedingungen darstellen. Die hier vorgeschlagenen Untersuchungen setzen an dieser übergeordneten Fragestellung an. Ziel ist es, anhand von IODP Bohrdaten der Legs 317 (Neuseeland) und 313 (New Jersey, USA), numerische 1D und 2D Transport-Reaktions-Modelle zu entwickeln, die insbesondere auf die Abbildung geochemischer Prozesse und die damit verbundene Verteilung gelöster Stoffe im Porenwasser abzielen. Unser derzeitiges Verständnis zur Entstehung und Entwicklung submariner Grundwasservorkommen in den genannten Gebieten beruht im Wesentlichen auf den Ergebnissen großräumiger, hydrogeologischer Modelle. Deren Ergebnisse können allerdings gemessene Element-Verteilungsmuster im Porenwasser aufgrund der unzureichenden, räumlichen Auflösung nicht wiedergeben und stehen darüber hinaus zum Teil in direktem Widerspruch zu einigen geochemischen Indikatoren. In diesem Antrag schlagen wir daher eine genaue Analyse dieser Widersprüche vor. Auf Grundlage der vorhandenen Porenwasserdaten sollen die geplanten 1D/2D Modellierungen insbesondere dazu dienen, den zeitlichen Verlauf der Grundwasserdynamik im Bereich der Bohrungen zu erfassen und abzubilden. Dabei ist das übergeordnete Ziel, eine bessere Bewertung submariner Grundwasservorkommen hinsichtlich ihrer nachhaltigen Nutzung sowie ihrer Bedeutung innerhalb globaler Elementkreisläufe zu ermöglichen.
Wellen- und tidebeeinflusste sandige Strände machen einen Großteil der weltweiten Küstenlinie aus und spielen eine wichtige Rolle für Kohlenstoff-, Nährstoff- und Metallkreisläufe. Während Flut strömt Meerwasser in den Sedimentkörper, ebenso wird organisches Material eingetragen. Im Sediment wird dieses von Mikroorganismen abgebaut, sodass bei Ebbe an Nährstoffen angereichertes Wasser zurück in den Küstenozean strömt, wo die rezirkulierten Nährstoffe zur Primärproduktion genutzt werden. Durch mikrobielle Abbauprozesse entwickeln sich Redoxgradienten, die den Porenwasser-Chemismus prägen. Strände können sich außerdem in einer Mischzone zwischen süßem Grundwasser und Salzwasser befinden (subterranes Ästuar), sodass Salinitätsgradienten die Sediment-Porenwasser-Interaktion beeinflussen. Süßwasser ist zudem eine Quelle für terrestrische gelöste Stoffe. Um die globale Rolle von Strandsystemen in Bezug auf Kohlenstoff-, Nährstoff- und Metallzyklen verstehen zu können, ist es notwendig, biogeochemische Prozesse in Strandsedimenten detailliert und an verschiedenen Stränden weltweit zu untersuchen. Da in diesem Forschungsbereich nur wenige Studien existieren und insbesondere die Quellen- oder Senkenfunktion dieser Systeme bezüglich redoxsensitiver Metalle noch weitgehend unbekannt ist, wird dieses Projekt einen wichtigen Beitrag zur Aufklärung der Metallzyklen in solchen Systemen liefern. Wir planen, biogeochemische Prozesse in den subterranen Ästuaren von zwei kontrastierenden Strandsystemen auf den Inseln Spiekeroog (NW Deutschland, mesotidal, siliziklastisch) und Mallorca (Spanien, mikrotidal, carbonatisch) zu untersuchen. Es sollen Hauptionen, DOC, O2, H2S, Nährstoffe (N, P, C, Si) und Spurenmetalle (Mn, Fe, U, Mo, V, Re) sowie Fe-Isotopenverhältnisse im Strandporenwasser analysiert werden. Wir planen ebenfalls die Sedimentzusammensetzung zu charakterisieren, da diese die Porenwasserzusammensetzung maßgeblich beeinflusst. An beiden Standorten sollen Transekte zwischen Düne und Niedrigwasserlinie bis in 5 m (Spiekeroog) bzw. 2 m (Mallorca) Tiefe hochaufgelöst beprobt werden. Der Fokus des Projekts liegt darin, Redox- und Salinitätsgradienten zu identifizieren sowie deren Auswirkungen auf die Porenwasserzusammensetzung zu interpretieren. Hydrochemische Modellierung anhand der erhobenen Daten soll zu einem besseren Verständnis der Effekte der Mischung von Grundwässern unterschiedlicher Zusammensetzung beitragen. Es sollen quantitative Aussagen zur Quellen- oder Senkenfunktion der Strände bezüglich essentieller Nährstoffe und redoxsensitiver Metalle erarbeitet werden. Fe-Isotopenverhältnisse dienen dazu, das limitierte Wissen über den Fe-Kreislauf in subterranen Ästuaren zu erweitern und die Fe-Isotopensignatur des Porenwasserflusses aus diesen Systemen besser zu definieren. Weiterhin wird diese Studie eine solide Datenbasis für die Modellierung des Porenwasser-Austroms von einzelnen Elementspezies aus permeablen Sedimenten in den Küstenozean liefern.
Ziel des Vorhabens ist die Transformation der Bewirtschaftung von entwässerten, landwirtschaftlich genutzten Niedermoorböden hin zu einer klimaschonenden, moorbodenkonservierenden Nassbewirtschaftung durch den Anbau von Rohrkolben. Hierzu soll in zwei Modellregionen mit unterschiedlicher landwirtschaftlicher Struktur (Emsland und Cuxhaven) die großflächige, qualitätsoptimierte Erzeugung von Rohrkolben (Typha angustifolia und Typha latifolia) und die Verwertung der Biomasse als Baustoff und als Gartenbausubstrat (Torfersatz) entwickelt, demonstriert und für die Vermarktung vorbereitet werden. Das Teilvorhaben des Thünen-Instituts befasst sich mit dem Treibhausgasaustausch und dem Wasserhaushalt der Paludikulturen sowie intensiv landwirtschaftlich genutzter Referenzstandorte. Dabei kommt für die Messung des Austauschs von Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) der Paludikulturen die Eddy-Kovarianz-Methode zum Einsatz, während an den Referenzstandorten CO2 mittels Eddy-Kovarianz und CH4 sowie Lachgas manuell mit Hauben gemessen werden. Daneben werden Steuerfaktoren wie Wasserstände und Nährstoffgehalte des Torfs sowie Änderungen der Geländehöhen erfasst. Insbesondere die erstmalige Messung von CH4-Emissionen mit der Eddy-Kovarianz-Methode werden zum Verständnis des vieldiskutierten, aber bisher wenig untersuchten Emissionsverhaltens von Typha-Paludikulturen beitragen und die Quantifizierung der Emissionsminderung durch diese Paludikulturen ermöglichen. Die Erfassung der Wasserhaushaltsgrößen erfolgt über die Messung oberirdischer Komponenten sowie eine Modellierung des Grundwasserzustroms. Die entsprechenden Ergebnisse werden Erkenntnisse zum Wasserbedarf von Typha-Paludikulturen liefern sowie zur Berechnung von Ein- und Austrägen gelöster Stoffe (Nährstoffe, gelöster organischer Kohlenstoff) genutzt werden.
Insektenkalamitäten können Menge und chemische Zusammensetzung von gelöster und partikulärer organischer Substanz (DOM, POM) innerhalb des Transfers zwischen Baumkronen und Boden verändern. Dies kann mikrobielle Aktivitäten in der Phyllosphäre und im Boden beeinflussen, was zu veränderten C und N Umsätzen führt. Projektziel ist, die C und N Verbindung zwischen Kronenraum und Boden in 60-jährigen Kiefernwäldern (Pinus silvestris L.) unter Insektenbefall zu untersuchen. Um die Hypothese zu testen, dass Massenvermehrung von herbivoren Insekten den C und N Umsatz in Kiefernwäldern steigert, wird (1) der Eintrag quantifiziert: DOM und POM Flüsse vom Kronenraum in den Boden, (2) Mechanismen bewertet: Effekte durch leicht- und schwerabbaubare Verbindungen in DOM und POM (Phenole, Lipide, Kohlenhydrate, Proteine, freie Aminosäuren) auf Kronen- und Bodenmikroorganismen (mikrobielle Biomasse, Enzymaktivitäten), sowie biogeochemische Prozesse (C-Mineralisierung) im Boden und (3) Konsequenzen quantifiziert: Treibhausgasemissionen (THG) und flüchtige organische Verbindungen (VOCs) vom Boden. Veränderte C und N Pfade werden über neu entwickelte Algorithmen modelliert, um langfristige Auswirkungen auf ökosystemarer Ebene abzuschätzen. Damit wird der Kurzschluss zwischen erhöhter DOM und POM Produktion im Kronenraum durch Herbivore einerseits, mit C und N Einträgen im Boden und Umsatzprozesse andererseits analysiert und modelliert.
Es wird die Extraktion mit gleichzeitiger Umwandlung organischer Verunreinigungen (Dieselkraftstoff, Schmieroel, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe u.a.) aus kontaminierten Bodenmaterialien mit ueberkritischem Wasser (Temperatur 374 Grad Celsius, Druck 221 bar) als Loesungsmittel und als Reaktand untersucht. Das Ziel ist dabei zum einen die weitestgehende Reinigung der Bodenmaterialien, zum anderen die Umwandlung problematischer Verunreinigungen in biologisch gut abbaubare Stoffe. Wasser weist unter diesen Bedingungen eine hohe Loesefaehigkeit und Reaktionsfaehigkeit gegenueber organischen Substanzen auf. Das fluide Gemisch aus ueberkritischem Wasser und geloesten organischen Substanzen laesst sich leicht von dem festen Bodenmaterial abtrennen; die erzeugten Abwaesser koennen anschliessend biologisch weiterbehandelt werden. Fuer die Untersuchungen steht eine Laboranlage mit 500 ml Feststoffvolumen sowie eine kontinuierlich betriebene Extraktionseinheit zur Verfuegung. Die Extraktion und die Reaktionen werden durch Probenahme und anschliessende chromatographische Analyse verfolgt.
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