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.
Karst entsteht sich durch die Verwitterung von Karbonatgestein und erzeugt starke oberflächliche und unterirdische Heterogenität von hydrologischen Speicher und Fließprozessen. Ungefähr 7% bis 12% der Erdoberfläche besteht aus Karstgebieten und etwa ein Viertel der Weltbevölkerung ist ganz oder teilweise abhängig von Trinkwasser aus Karstgrundwasserleitern. Für die nächsten Jahrzehnte, Klimamodelle prognostizieren einen starken Temperaturanstieg und eine Abnahme von Niederschlagsmengen in vielen Karstregionen der Welt. Trotz dieser Vorhersagen gibt es nur wenige Studien, die die Auswirkungen des Klimawandels auf die Karstwasserressourcen abschätzen. Die ist hautsächlich auf das Fehlen von Messdaten und die inadäquate Abbildung von Karstprozessen in derzeit angewandten Ansätzen zur großskaligen Modellierung zurückzuführen. Das Ziel der beantragten Nachwuchsgruppe ist, die notwendigen Daten und Ansätze zur erstmaligen Abschätzung der gegenwärtigen und zukünftigem Verfügbarkeit von Wasserressourcen in Karstgebieten zur Verfügung zu stellen. Um dieser Herausforderung gerecht zu werden, sind signifikante Fortschritte (1) zum Verständnis der Heterogenität von Karstregionen und zu deren Einarbeitung in hydrologische Modelle, (2) zum Upscaling von Beobachtungen auf der Einzugsgebietsskale für Anwendungen von Simulationsmodellen im globalen Maßstab, und (3) zum Vergleich der gegenwärtigen und zukünftigen Verfügbarkeit von Wasserressourcen mit gegenwärtigen und zukünftigen Wasserbedarf von Nöten. Im vorgeschlagenen Projekt sollen neuartige Ansätze zur Messung und Analyse hydrologischer Daten an fünf experimentellen Messgebieten, die in 5 verschiedenen Klimaregionen über den Globus verteilt sind (AU, D, ES, MX, UK), eingesetzt werden, um die Einflüsse der Heterogenität von Karstgebieten auf oberflächennahe Fließprozesse zu erkunden. Mittels einer neu entwickelten Karstdatenbank, welche beobachtete Zeitreihen von Karstquellenabflüssen enthält, und Rezessionsanalyse sollen die Heterogenität von Grundwasser und Abflussprozesse in verschiedenen Regionen der Welt charakterisiert werden. Dieselbe Datenbank, erweitert durch zusätzlich Abflussdaten auf Flussgebietsskale des Global Runoff Data Center (GRDC), soll zur Entwicklung eines neuen Ansatzes zur Einbindung der neu gewonnenen Erkenntnisse in ein großskaliges Simulationsmodell speziell für Karstregionen angewandt werden. Dieses Modell soll letztendlich dazu benutzt werden, um (1) gegenwärtige und, gekoppelt mit Klimaszenarien, zukünftige Verfügbarkeit von Wasserressourcen in Karstgebieten zu erkunden, um diese (2) mit gegenwärtigen und zukünftigen Wasserbedarf zu vergleichen und von Wassermangel bedrohte Regionen zu identifizieren.
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.
Kohäsive Feinpartikel sind potentielle Träger von anorganischen und organischen Schadstoffen und spielen eine entscheidende Rolle beim Stoffaustausch zwischen Wasserkörper, Schwebstoff und Sediment. Daher ist die Kenntnis der Depositionsdynamik dieser Feinpartikel ein wichtiger Baustein für ein effizientes Sedimentmanagement und eine physikalisch basierte Modellierung des Schadstofftransfers in Fließgewässern. Es überrascht jedoch, dass sich Untersuchungen zum Transport- und Sedimentationsverhalten kohäsiver Partikel bisher häufig auf definierte stationäre Randbedingungen im Labormaßstab und Trockenwetterbedingungen im Gelände konzentrieren. Weitgehend ungeklärt ist hingegen das Verhalten von Feinpartikeln und deren Speicherung im Gerinnebett während der dynamischen Phase von Hochwasserereignissen. Um die im Gerinne ablaufenden Prozesse weitgehend unabhängig von den Einzugsgebietsprozessen zu untersuchen hat sich in unserer Arbeitsgruppe seit nunmehr über 10 Jahren ein Ansatz mit künstlich generierten Hochwasserwellen bewährt. Es ist ein genereller Vorteil von solchen Geländeexperimenten, dass einzelne steuernde Größen ausgeschlossen oder gezielt kontrolliert werden können. Außerdem ist ein solcher Ansatz eine Voraussetzung, um die Aussagekraft experimentell gewonnener Laborergebnisse zur potentiell hohen Feinpartikel-Retention in Sand- und Kiessedimenten in einem natürlichen System zu validieren. Das übergeordnete Ziel des hier beantragten Projekts ist es, die Gerinnespeicherung kohäsiver Feinpartikel in einem natürlichen System bei variierenden hydrologisch-hydraulischen Randbedingungen zu quantifizieren. Zu diesem Zweck werden standardisierte Feinpartikeltracer (Kaolinit, d50 = 2ìm, ñ = 2,6 g/cm3) sowohl im Verlauf von künstlich generierten Hochwasserwellen als auch während stationärer Trockenwetterbedingungen in einen Mittelgebirgsbach induziert. Die Retention und Sedimentation der eingegebenen Feinpartikel wird gezielt in kleinräumig variierenden Flussbettstrukturen (Hyporheische Zone, Stillwasserzonen, Gerinnerandbereiche, Riffle-Pool-Sequenzen) und für einzelne Gerinneabschnitte erfasst. Die Quantifizierung der Speicherung erfolgt mit bereits erprobten Resuspensionstechniken und Sedimentfallen sowie einer in Pilotprojekten erfolgreich getesteten Tracerfrachtberechnung mittels FTIR-DRIFT Spektroskopie an mehreren Basismessstationen im Längsprofil. In einem interdisziplinären Forscherverbund mit Kollegen des 'Hydraulics Laboratory' und des 'Dept. of Civil Engineering' der Universität Gent, der 'Ecosystem Management Research Group, Dept. of Biology' der Universität Antwerpen und des 'Dept. of Hydrology and Hydraulic Engineering' der Freien Universität Brüssel in Belgien wird darüber hinaus die Transport- und Speicherdynamik der Feinpartikel mit der neuen, FORTRAN basierten Modellierungssoftware 'FEMME' ('Flexible Environment for Mathematically Modelling the Environment') abgebildet.
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.
Unser Projekt fokussiert sich auf die Effekte individueller Merkmalsvariation (phänotypischer Plastizität) und genetischer Merkmalsvariation (polyklonale Systeme) auf Populations-, Gemeinschafts- und Merkmalsdynamiken, in bi- und tritrophischen System, mit Algen, herbivore Ciliaten und ihren Räubern (karnivore Ciliaten). In unserem System wirkt phänotypische Plastizität auf zwei Ebenen. Die herbivoren Ciliaten (Euplotes aediculatus und E. octocarinatus) können phänotypisch plastische Verteidigungen gegen ihre Räuber ausbilden, die aber einen Trade-off zwischen Verteidigung und Konkurrenzstärke bedingen. Wir werden dabei verschiedene Euplotes-Stämme, die sich in ihren Reaktionsnormen der Plastizität, ihrer Wachstumsrate und ihrer Konkurrenzstärke unterscheiden, in mono- und polyklonalen Experimenten, untersuchen. Dementsprechend betrachten wir Merkmalsdynamiken auf der Ebene der Plastizität und auch über die selektionsbedingte Verschiebung der klonalen Zusammensetzungen. Darüber hinaus verwenden wir Prädatoren, die entweder ihrerseits mit phänotypisch plastischen Merkmalen induzierbare Verteidigungen der Beute, zumindest teilweise, ausgleichen können (Lembadion bullinum), oder Räuber, die nicht plastisch reagieren (Stenostomum sphagnetorum). Mit unserem System testen wir folgende Hypothesen:1. Variationen von Merkmalen in Form klonspezifischer Reaktionsnormen (phänotypische Plastizität) auf der Konsumenten- fördert die Stabilität und Beständigkeit der trophischen Ebenen in einem tri-trophischen System.2. Polyklonale Konsumentensysteme mit klonspezifischen Reaktionsnormen der Merkmale erhöhen die Stabilität im Vergleich zu monoklonalen Systemen. 3. Merkmalsvariation auf der Konsumentenebene kann die trophischen Dynamiken in einem tritrophischen System, in Abhängigkeit der Geschwindigkeit der Anpassung, stärker stabilisieren als Merkmalsvariation auf zwei trophischen Ebenen (Räuber und Beute).Unser Projekt kombiniert empirische Experimente mit mathematischer Modellierung. Es ist eng mit anderen Projekten im SPP vernetzt, hat aber das Alleinstellungsmerkmal, dass wir das einzige tritrophische System mit Plastizität auf der Prädatorenebene betrachten. Unser Projekt wird, durch die Kombination experimenteller Ansätze und mathematischer Modellierung, zu einem tieferen Verständnis ökologischer Prozesse im generellen, sowie von Räuber-Beute- und Nahrungsnetz-Dynamiken führen.
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.
| 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 |