Das Kapillare Einfangen von CO2-Gas und deren nachfolgende Auflösung sind zwei wichtige Speicherprozesse der CCS (Carbon Capture Storage)-Technologie, die im Rahmen des beantragtes Projektes untersucht werden sollen. Das zentrale Ziel ist ein Upscaling von porenskaligen Eigenschaften getrappter Gascluster mittels universellen Skalengesetzen, wie sie von der Perkolationstheorie vorhergesagt werden. Erstmals wird ein analytisches Näherungsverfahren zur Berechnung der effektiven Auflösungsrate angewendet und durch vergleichende Makroskala-Modellierungen (MIN3P und TOUGH2) getestet. Von grundlegendem Interesse ist die Frage, unter welchen Bedingungen, die im Projekt untersuchten porösen Medien zur gleichen Universalitätsklasse gehören, und welchen Einfluss, Porenstruktur, Mikrostruktur der Festkörperoberfläche und heterogene Benetzbarkeit auf den Trapping-Prozess haben. Methodisch wird mittels micro-Computertomographie und Bildanalyse sowohl die Porenstruktur, Porenraumtopologie und mittels Clusteranalyse die Geometrie und statische Verteilung getrappter Gascluster analysiert und quantifiziert. Die Dynamik des Trapping-Verhaltens wird mittels optischer Visualisierung in Glaskugel-Monolayer untersucht. Die Fluide werden so gewählt, dass sie Proxies für die CO2-Injektion in Tiefenaquifere darstellen. Die zu erwartenden Ergebnisse sind sowohl von grundlegendem Interesse als auch von großer praktischer Relevanz, da sie Prognose-Modellierungen zur CCS-Technologie und zur Grundwasserreinigung (Auflösung residualer NAPL (non aqueous phase liquid) bzw. von Mischgasphasen) verbessern.
Silizium (Si) spielt eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Die Si-Verfügbarkeit in Ökosystemen ist dabei sehr unterschiedlich, abhängig von Ökosystemtyp, Ausgangsgestein, Vegetation und weiteren Faktoren. Aktuelle Forschung hat gezeigt, dass die Si-Verfügbarkeit entscheidend für Nährstoffgehalt und Nährstoffstöchiometrie von pflanzlicher Streu ist; besonders deutlich ist dieser Zusammenhang in Gräser-dominierten Systemen. Bedeutend in dem Zusammenhang ist eine gesteigerte Abbaurate von organischem Material bei gesteigerter Si-Verfügbarkeit. Pflanzenstreu mit geringen Nährstoffgehalten wird bekanntermaßen langsamer abgebaut als nährstoffreiche Streu. Allerdings konnte kürzlich gezeigt werden, dass nährstoffarme Streu mit hohen Si-Gehalten schneller abgebaut wird als nährstoffreiche Streu mit wenig Si. Dabei wurde gleichzeitig durch die Erhöhung des Si-Gehaltes der Streu die Biomasse der abbauenden Pilze stark reduziert. Dies beweist die Bedeutung von Si für den Kohlenstoffkreislauf und die mikrobielle Abbaugemeinschaft in von Gräsern dominierten Ökosystemen. Niedermore, als wichtige Kohlenstoffspeicher und bedeutende Treibhausgas-emittenden, sind solche von Gräsern dominierten Ökosysteme mit einem potentiell hohen Einfluss von Si auf den Kohlenstoffkreislauf. Eine Vorabstudie, welche den Einfluss von Si auf den Kohlenstoffkreislauf in einem Niedermoor untersuchte, zeigte eine verstärkte Respiration mit einer Vordopplung der Methangehalte im Torfkörper auf Si gedüngten Flächen. Allerdings wurde gleichzeitig zu den erhöhten Respirationsraten auch ein Anstieg der Phosphorgehalte (P) in der Bodenlösung gemessen. Eine Erhöhung des verfügbaren P führt bekanntermaßen ebenfalls zu einer Erhöhung der Respiration. Das Ziel des beantragten Projektes ist die direkten Effekte von Si auf den Kohlenstoffkreislauf von den indirekten Effekten (durch die Si bedingte P-Mobilisierung) zu trennen und eine Quantifizierung beider Prozesse vorzunehmen. Unsere Hypothesen sind (i) eine höhere Si Verfügbarkeit führt zu einer Steigerung der Respiration organischer Substanz (Torf), durch (ii) direkte Si-Effekte und indirekte Si-Effekte durch eine Steigerung der P-Verfügbarkeit, (iii) die Steigerung der Respiration durch Si wird vorrangig durch Bakterien als durch Pilze erzielt und (iv) eine Steigerung der Si Verfügbarkeit führt zu einer Steigerung von P und N Verfügbarkeit, Umsatz und Aufnahme durch Pflanzen und damit zu labilerer Streu. Die Mechanismen zu verstehen auf welche Weise Si den Kohlenstoffkreislauf in Niedermooren beeinflusst ist ein wichtiger Teil eines verbesserten Verständnisses des terrestrischen Kohlenstoffkreislaufs.
Poröse Medien bieten exzellente Lebensbedingungen für Bakterien, da ihr Lebensraum geschützt ist aber trotzdem eine kontinuierliche Nahrungezufuhr möglich ist. Folglich existieren Mikroorgansimen in vielen natürlichen und technischen porösen Medien und haben dort einen großen Einfluss. Wenn diese für technische oder industrielle Anwendungen genutzt werden, ist es sehr wichtig die Wechselwirkungen zwischen Strömung, Transport und mikrobiologischen Prozessen zu verstehen. In der Literatur ist eine Vielzahl von Modellierungsmethoden vorhanden, jedoch sind diese in der Regel unter einphasigen Strömungsbedingungen entwickelt worden. Es ist schwierig mikrobiologische Prozesse in den natürlichen und komplexen Porenstrukturen von Gesteinen (wie z.B. Anhaften/Ablösen und Bildung von Biofilmen) zu beobachten und demzufolge sind diese Prozesse unzureichend erforscht. In diesem Projekt werden künstliche Strukturen geschaffen, die den Porenstrukturen des Gesteins nachempfunden sind und dafür benutzt, das Verhalten von Bakterien in mit zwei Phasen gesättigten porösen Medien zu untersuchen. Diese transparenten sozusagen zweidimensionalen Mikromodelle erlauben eine direkte Beobachtung der mikrobiologischen Prozesse, wie z.B. Wachstum, Transport und Anhaftung/Ablösung von Bakterien, durch mikroskopische Auswertungen. Die Bakterien, die für die experimentellen Untersuchungen eingesetzt werden, gehören zu der Klasse der methanogenen Archaeen. Die detaillierte Interpretation der experimentellen Ergebnisse durch Bilddatenverarbeitung erlaubt es, zeitlich und räumlich aufgelöste Datensätze für die Anzahl, Struktur und Bewegung der Bakterien zu erzeugen. Aus diesen Datensätzen wird ein verbessertes mathematisches Modell entwickelt, welches das Wachstum und die Bewegung von Bakterien in mit zwei Phasen gesättigten porösen Medien beschreibt. Das Modell soll das bakterielle Wachstum unter nicht-nährstofflimitierten Bedingungen, das Vorhandensein von verschiedenen bakteriellen Strukturen (Plankton und Biofilm), die individuellen Bewegungseigenschaften und die Anhaftungs- und Ablösevorgänge berücksichtigen. Um das neu entwickelte Modell zu testen und zu parametrisieren, wird es auf Basis eines diagonal-impliziten Runge-Kutta-Verfahrens, welches für die stark nicht-linearen Quellterme gut geeignet ist, numerisch umgesetzt. Die Anwendung des theoretischen Modells bezieht sich auf die Technologie der Untergrundmethanisierung, in welcher das injizierte Gasgemisch aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid durch mikrobiologische Reaktionen in Methan umgewandelt wird.
Die Verweilzeit von Grundwasser in ausgedehnten Grundwasserleitern liegt oft im Bereich von Dekaden, so dass auch langsame mikrobielle Stoffumsätze (z.B. von Nitrat, Atrazin und dessen Abbauprodukten) die Stofffracht in solchen Systemen erheblich beeinflussen können. In diesem Projekt werden mittels geologischer und geochemischer Analysen die reaktiven Zonen und die zugehörigen Verweil- und Kontaktzeiten des Wassers eines Kluftgrundwasserleiters bestimmt. Omics und molekularbiologische Methoden werden genutzt, um Abbaupotential und Aktivität der mikrobiellen Gemeinschaften zu untersuchen. In begleitenden Laborexperimenten werden effektive Diffusions-konstanten und metabolische Raten, deren limitierende Faktoren und die beteiligten Mikroorganismen quantifiziert.
Ziel des Teilprojekts P2 ist es, zur Entwicklung eines flexiblen Ansatzes zur Kalibrierung und Datenassimilierung (C/DA) für das globale hydrologische Modell WaterGAP beizutragen, der es ermöglicht, dass WaterGAP Wasserflüsse und -speicherung dadurch realitätsnäher simulieren kann, dass multiple Beobachtungsdaten für Modellausgabevariablen bestmöglich genutzt werden. P2 wird zum Design und zur Evaluierung des C/DA-Ansatzes beitragen, Modellvarianten zur Verfügung stellen, C/DA-Ergebnisse validieren und die Unsicherheiten der Modellergebnisse evaluieren. Zusätzliches Ziel ist es, die Simulation hydrologischer Prozesse durch neue WaterGAP-Modellkomponenten zu verbessern, mit Fokus auf die Entwicklung und Integration eines globalen gradienten-basierten Grundwassermodells, das die Simulation der Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen verbessern und die Quantifizierung des kapillaren Aufstiegs ermöglichen soll. Daneben sollen ein Algorithmus für die Überflutung von Feuchtgebieten sowie Gletscherwasserbilanzen integriert werden. Bezüglich der Analyse von Wasserflüssen und -speicherung in großen kritischen Regionen wird P2 die Studie zur Region Tigris-Euphrates-Western Iran leiten.
Hochwasser sind aufgrund ihres hohen Schadenspotentials von großer Bedeutung für die Gesellschaft. Hochwasser sind aber auch auf Grund der auftretenden nichtlinearen Wechselwirkungen und Rückkopplungen, der interessanten Fragen der Verallgemeinerungsfähigkeit von Erkenntnissen und der resultierenden Notwendigkeit einer interdisziplinären Betrachtung ein sehr interessantes Forschungsthema. Die Entstehung und die maßgebenden Prozesse extremer Hochwasser sind bisher nicht sehr gut bekannt, aber neue, zeitlich und räumlich hochauflösende Daten und neue Ansätze zur Quantifizierung von Wechselwirkungen im Rahmen von koordinierten Forschungsarbeiten versprechen nunmehr einen großen Durchbruch. Ziel dieser Forschungsgruppe ist es, die Prozesse in der Atmosphäre, den Einzugsgebieten und den Flusssystemen sowie deren Wechselwirkungen, die zu extremen Hochwasserereignissen führen, in einer räumlich und zeitlich kohärenten Weise zu verstehen. Hierzu wurde ein innovatives und kohärentes Konzept wurde entwickelt, um so das Potenzial der Zusammenarbeit zwischen den Forschungspartnern zu maximieren. Es besteht aus drei Integrationsebenen: Forschungsthemen, die sich auf die wissenschaftlichen Fragen konzentrieren, Teilprojekte, die sich auf bestimmte Forschungsaufgaben konzentrieren, und ein gemeinsames Studienobjekt in Form von extremen Hochwasserereignissen in Deutschland und Österreich. Mit Hilfe von Skalen als verbindlichem Element ist der Forschungsplan in die Forschungsthemen: - Ereignisse und Prozesse, - räumliche (regionale) Variabilität, - zeitliche (dekadische) Variabilität sowie - Unsicherheit und Vorhersagbarkeit gegliedert. Die Mitglieder der Forschergruppe wurden so ausgewählt, dass ein Team führender Experten mit hervorragenden Fachkenntnissen, die sich in Bezug auf Prozesse, Methoden und regionalem Wissen ergänzen, gebildet wurde. Die Kooperations- und Kommunikationsstrategie wurde durch thematische Clustergruppen, die mehrere Teilprojekte bündeln, durch regelmäßige Treffen der Clustergruppen, das jährliche Projektsymposium und eine Cloud zum Datenaustausch umgesetzt. Die Cluster werden nun durch thematische Arbeitsgruppen ersetzt, die ergebnisorientiert methodische Entwicklungen vorantreiben sollen. Eine konsequente Umsetzung der Chancengleichheit und eine intensive Nachwuchsförderung waren wesentliche Merkmale der ersten Phase. Diese Aktivitäten werden bei hoher personeller Kontinuität nunmehr fortgesetzt um Wissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftler in hohem Maße zu fördern. Insgesamt werden die Ergebnisse der Forschergruppe das Verständnis des gekoppelten Systems von hochwasserauslösenden Prozessen in der Atmosphäre, den Einzugsgebieten und Flüssen grundlegend verändern, was erhebliche Auswirkungen auf eine Reihe von Wissenschaftsdisziplinen und die Gesellschaft haben wird.
Chemische Diversität sowie metabolische Aktivitäten innerhalb der Critical Zone (CZ) sind Gegenstand dieses Projekts. Mit einer multi-Methoden massenspektrometrischen Plattform werden wir spezifische Markerverbindungen identifizieren, diese strukturell charakterisieren und funktionelle Untersuchungen durchführen. Metabolische Muster zur Aufklärung von biogeochemischen Prozessen in der CZ werden erstellt. Mit den identifizierten Markern werden Inkubationsexperimente mit mikrobiellen Gemeinschaften durchgeführt um Schlüsselorganismen zu identifizieren, die für die charakteristischen metabolischen Umwandlungen in den jeweiligen Bereichen verantwortlich sind. Letztendlich sollen in diesem Projekt Informationen aus strukturchemischen Untersuchungen genutzt werden um die Prozesse zu identifizieren, die sie in verschieden Tiefen und Standorten der CZ hervorrufen.
Die Akkumulation von Methan (CH4) in sauerstoffhaltigen Wasserschichten wurde kürzlich für viele Binnengewässern und Ozeangebiete beschrieben. In unserem DFG-Projekt Aquameth (GR1540/21-1) haben wir daher die wichtigste Literatur in einem Review zusammengefasst und die möglichen Mechanismen für dieses Phänomen im Stechlinsee evaluiert. Indem wir ein online System für CH4 Messungen entwickelt haben, konnten wir die enge Kopplung der räumlich-zeitlichen Dynamik von Algen (z.B. Blaualgen und Cryptophyten) und CH4 in den oxischen Wasserschichten des Sees zeigen. Obwohl der vor kurzem beschriebene Methylphosphonat-Metabolismus im See vorkommt, haben wir zahlreiche Hinweise, dass Algen das CH4 während der Photosynthese direkt produzieren. Jedoch sind die genauen Mechanismen sowie der Anteil des im sauerstoffreichen Wasser gebildeten CH4 am gesamten CH4 Fluss in die Atmosphäre unklar. Durch die Kombination der Expertise von zwei etablierten Arbeitsgruppen, die sich ideal ergänzen, möchten wir die genaue Chemie und Biologie der CH4 Bildungs- und Oxidations-prozesse untersuchen, um die Rolle von Seen für den regionalen und globalen CH4 Kreislauf besser zu verstehen. Daher soll das komplette CH4 Budget von zwei Seen detailliert quantifiziert werden, d.h. CH4-Quellen und -Senken werden mit einem Massenbalance-Ansatz untersucht und mit in situ Inkubationsexperimenten verknüpft. Unsere zwei ausgesuchten Seen (Stechlinsee und Willersinnweiher) repräsentieren zwei Hauptseentypen der gemäßigten Zone (tief/Nährstoff-arm und flach /Nährstoff-reich), die gut von beiden Institutionen untersucht und biogeochemisch charakterisiert wurden. In diesen Seen hängen die spezifischen Prozesse der CH4 Bildung, Akkumulation und Freisetzung in die Atmosphäre von dem komplizierten Wechselspiel von physikalischen, chemischen und biologischen Faktoren sowie bestimmten Organismen ab. Daher ist unser Hauptziel, dieses komplizierte Wechselspiel zwischen Umweltvariablen und den CH4 Prozessen und ihre globale Bedeutung zu entschlüsseln. Unser Hypothesen sind: (1) Die Methanproduktion ist direkt mit der Photosynthese verbunden und CH4 kann bei bestimmten Umweltbedingungen, z.B. Nährstofflimitation, direkt von photo-autotrophen Organismen gebildet werden. (2) Die Methanbildung ist von der -oxidation durch die räumlich-zeitliche Trennung der methanotrophen Aktivität in sauerstoffhaltigen Wasserkörpern entkoppelt. (3) Methan an der Temperatursprungschicht ist das Produkt aus einem komplizierten Wechselspiel von biologischen, chemischen und physikalischen Prozessen. (4) Die erhöhten CH4 Konzentration in der oberen oxischen Wasserschicht erleichtert den Gasaustausch mit der Atmosphäre. Obwohl die CH4 Anreicherung in den oberen Wasserschichten stark vernachlässigt wurde, könnte sie eine wichtige fehlende Verbindung im globalen CH4 Budget sein. Um diese Hypothesen zu überprüfen, sollen Feld- und Labormessungen gemeinsam durch beide Teams durchgeführt werden.
Es ist dringend erforderlich, die relevanten hydrologischen Prozesse in montanen mediterranen Einzugsgebieten zu verstehen, um deren potentielle Änderungen in ihren Funktionen für die Wasserversorgung durch den Klimawandel und Landnutzungsänderungen zu kennen. Daher möchte ich zusammen mit meiner Gastinstitution, dem IDAEA-CSIC in Barcelona, untersuchen, wie die Vegetation, die Böden und das Grundwasser das Speichern, die Mischung, die Abflussbildung, sowie die Evapotranspiration in dem Einzugsgebiet Vallcebre im Nordosten Spaniens beeinflussen. Die Forscher des IDAEA -CSIC haben hydrometrische Daten und stabile Isotope (d2H, d18O) der verschiedenen hydrologischen Kompartimente des Einzugsgebiets gesammelt. Somit liegen Informationen über den Freiland- und Bestandniederschlag, Stammabfluss, Bach- und Grundwasser, sowie Wasser im Boden und der Vegetation vor. Ich plane, diesen umfangreichen Datensatz zur Bestimmung der Verweilzeiten mit neue Methoden anzuwenden, damit sich unser Verständnis von Wasserfluss und Stofftransport in Einzugsgebieten verbessert. Ich werde zunächst testen, wie mittels 'StorAge Selection functions' (Rinaldo et al. 2015) die Dynamik der Verweilzeiten des Abflusses und der Evapotranspiration beschrieben werden können. Des Weiteren habe ich als Ziel die neuen Konzepte der 'young water fraction' (Kirchner 2016) and 'new water fraction' (Kirchner 2017) anzuwenden, um besser die kurzfristige Komponente der Verweilzeiten beschreiben zu können. Diese Methoden sind noch nicht für Mediterrane Einzugsgebiete getestet worden, aber der umfangreiche Datensatz für die Vallcebre Einzugsgebiete ermöglicht die Untersuchung aktueller Fragen der Einzugshydrologie: Können Studien zur Verweilzeit verbessert werden mit höherer Rate der Probennahme von Niederschlag und Abfluss? Wie wirken sich neu erschlossene Daten über Bestandsniederschlag, Stammabfluss, Wurzelwasseraufnahme oder Bodenwasserfluss auf die Analysen aus? Zuletzt werde ich die Information von Tiefenprofilen der Isotopenzusammensetzung von Porenwasser einbeziehen, um hydrologische Modelle zu testen und die Verweilzeiten im Boden mit der Verweilzeit des Einzugsgebietsabflusses in Bezug zu setzen. Letzteres baut auf meine Dissertation und derzeitiger Postdoc-Studien auf.
Das Potential für den kolloidgetragenen Transport (Co Transport) von Schadstoffen im Grundwasser durch natürliche und künstliche Kolloide ist seit den 80er Jahren bis zum heutigen Tag Gegenstand der Forschung. Insbesondere das Potential für den Co-Transport von unpolaren, hydrophoben Stoffen an natürlichen und künstlichen organischen aber auch anorganischen Kolloiden ist experimentell gut erfasst. Organische Schadstoffe treten in der aquatischen Umwelt allerdings häufig als ionare Spezies auf. Gerade bei geringen Anteilen organischen Kohlenstoffs im Grundwasserleiter ist ihr Sorptions- und damit auch ihr Umwelt- und Transportverhalten dann nicht durch die hydrophobe Sorption sondern durch Ionenaustausch geprägt. Prognosen zur Schadstoffausbreitung können dann sowohl zur Unter- als auch Überschätzung ihrer Mobilität führen. Trotz des hohen Adsorptionspotentials organischer Kationen an Tonen durch Ionenaustausch und einer z.T. der hydrophoben Sorption ähnlichen Sorptionshysterese wurde der Kationenaustausch als Sorptionsmechanismus für den Co-Transport bisher nicht systematisch untersucht. Es existieren keine grundlegenden Arbeiten zur Bedeutung des Kationenaustausches im Co-Transport organischer ionarer Spezies an Ton-Kolloiden. Ziel dieses Vorhabens ist die Bedeutung des Co-Transportes organischer Kationen an Ton-Kolloiden mit experimentellen Labormethoden systematisch zu erfassen und zu bewerten. Dafür sollen Batch und Säulen Experimente mit ein- und zweiwertigen organischen Kationen als Sorbent und Tonmineralen (Illite, Kaolinite und Montmorillonit) der Größenfraktionen 200, 500 und 1000 nm unter verschiedenen, definierten Bedingungen (pH, Ionenstärke, Valenz organischer Kationen und Verweilzeiten) in/mit silikatischer Matrix durchgeführt werden. Das Verständnis der komplexen Zusammenhänge des Co-Transports bildet einen Grundstein zur Abschätzung des Umweltpotentials organischer Schadstoffe in Gegenwart von Tonmineralen. Darüber hinaus schafft das Vorhaben die methodisch analytische Grundlagen für spätere experimentelle Laborexperimente an komplexen Materialien und in Geländeversuchen.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 651 |
| Kommune | 3 |
| Land | 5 |
| Wissenschaft | 650 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 651 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 651 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 450 |
| Englisch | 433 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Keine | 19 |
| Webseite | 632 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 634 |
| Lebewesen und Lebensräume | 570 |
| Luft | 408 |
| Mensch und Umwelt | 651 |
| Wasser | 636 |
| Weitere | 651 |