Die Hydrologie der Landoberfläche wirkt an der Schnittstelle zwischen Boden, Vegetation und Atmosphäre. Sie hat dadurch Auswirkungen auf Nahrungsmittelproduktion, Wasserverfügbarkeit und Extremereignisse, wie Dürren und Überschwemmungen. Die Wechselwirkungen zwischen Land (Hydrologie) und Atmosphäre (Wetter) sind bisher nur ungenügend verstanden. Es ist insbesondere unklar, ob sich die Einflüsse der Landoberfläche auf Vegetation und Wetter durch die globale Erwärmung verstärken werden. Darüber hinaus ist nur wenig bekannt bezüglich des Übergangs von einem energielimitierten Regime, wo die Atmosphäre (Temperatur und Einstrahlung) das Land (Vegetationsproduktivität, Bodenfeuchte) beeinflusst, hin zu einem wasserlimitierten Regime, wo das Land (auch) die Atmosphäre beeinflusst. Um das Verständnis der Land-Atmosphäre-Wechselwirkungen zu verbessern, wird ein multivariater Ansatz mit der Analyse von Daten über Bodenfeuchte, Matrixpotential, Bruttoprimärproduktion, Verdunstung, Temperatur und Landoberflächencharakteristiken vorgeschlagen. Mit dieser umfassenden Methodik werden Land-Atmosphäre-Wechselwirkungen in Bezug auf ihre kurz- und langfristige Variabilität, sowie auf ihre Veränderungen im Kontext des Klimawandels untersucht. Ausserdem werden potentiell stark betroffene Regionen bestimmt. Desweiteren wird ein kritischer Bereich der Bodenfeuchte und/oder des Matrixpotentials identifiziert und charakterisiert, ab dem eine Wasserlimitierung von Vegetation oder Evapotranspiration auftritt. Ein Ergebnis dieser Analyse wird die Identifizierung eines dritten charakteristischen Matrixpotentials neben dem permanenten Welkepunkt und der Feldkapazität sein. Als Grundlage für diese Untersuchungen wird mittels eines Landoberflächenmodells von geeigneter Komplexität ein langfristiger, qualitativ hochwertiger hydrologischer Datensatz berechnet, welcher anhand von multivariaten Beobachtungen kalibriert wird. Dabei werden auch die Unsicherheiten des Datensatzes, sowie der multivariaten Beobachtungen, thematisiert. Die Resultate dieser Arbeit können helfen das Management von Wasserressourcen zu verbessern. Beispielsweise können Prognosen des Matrixpotentials in Verbindung mit dem identifizierten kritischen Bereich für eine intelligente Bewässerung von Pflanzen und Feldern verwendet werden. Eine Analyse von langfristigen Trends in Matrixpotential-, Bodenfeuchte- und Abflussdaten kann als Grundlage für langfristige Anpassungsmaßnahmen dienen. In einer weiteren Analyse werden Größenordnungen und Auftrittshäufigkeiten von Extremereignissen, wie Dürren und Überschwemmungen untersucht und in Verbindung mit entstandenen Sach- und Personenschäden gebracht. Diese Arbeit trägt zu den Millenniums-Entwicklungszielen der Vereinten Nationen bezüglich der Bekämpfung von Hunger und einer nachhaltigeren Wassernutzung, den 'Europa 2020' Zielen der EU Kommission bezüglich nachhaltiger Energienutzung, und zum 'grand challenge' Wasserverfügbarkeit des Weltklimaforschungsprogramms bei.
Die stetig wachsende Bevölkerung führt zu einem steigenden Bedarf an Frischwasser und die Entnahme von Grundwasser ist eine der wichtigsten Quellen diesen Bedarf zu decken. Engpässe in der Frischwasserversorgung haben die Suche Nachweis von frischem Grundwasser unter dem heutigen Meeresboden angetrieben. Die Rolle glazialer Strukturen, welche während der Vergletscherungen entstanden sind, ist jedoch im Hinblick auf das Vorkommen frischen Grundwassers noch wenig bekannt. Insbesondere sogenannte Tunneltäler (TT), welche sich unter den Eisschilden bildeten, könnten von besonderer Relevanz sein. Ihre Ausmaße (bis zu 5 km breit, 400 m tief, 100te km lang) spiegeln die gewaltigen Schmelzwassermengen wider, die den Untergrund unter den Eisschilden durchspülten. Ihre Entstehung und Füllung resultierte in stark durchlässigen Sanden und Kiesen im unteren Teil und feinkörnigen Ablagerungen im oberen Teil dieser Strukturen. Diese Konfiguration begünstigt eine Rolle als bevorzugte Fließwege für offshore Grundwasser. Zur Untersuchung des Potenzials von TT als bevorzugte Fließwege für offshore frisches Grundwasser (OFG), verfolgt dieses Projekt folgende Ziele: (O1) Durch die Kombination von elektromagnetischen und seismischen Daten wollen wir ein strukturgebundenes Widerstandsmodell für mehrere TT erstellen; (O2) Wir wollen die Salzgehaltswerte für verschiedene Architekturen und Tiefen von TT abschätzen; (O3) Aufbauend auf den ersten beiden Zielen wollen wir die Ergebnisse für das gesamte Arbeitsgebiet in ein detailliertes lithologisches 3D-Modell extrapolieren. Die sich daraus ergebende Salzgehaltsverteilung im Untergrund wird dazu beitragen, die Ober- und Untergrenzen des Volumens frischen Grundwassers abzugrenzen und die Grundlage für ein detailliertes Grundwassermodell schaffen. Folgende Schritte sind dazu nötig: (S1) Kartierung und Charakterisierung der räumlichen Heterogenität von TT anhand vorhandener seismischer Daten; (S2) Erstellung eines lithologischen Modells für den Untergrund zwischen Amrum und Helgoland von 0 bis 400 m Tiefe; (S3) Identifizierung vielversprechender Standorte und Durchführung von CSEM-Messungen (Controlled Source Electromagnetic) zur Untersuchung der Verteilung des elektrischen Widerstands im Untergrund (TT); (S4) Kombination von Widerstandsmessungen mit Mehrkanal-Seismikdaten (MCS) zur Ableitung des Salzgehalts der Porenflüssigkeit; (S5) Extrapolation der Ergebnisse für das gesamte lithologische Modell. Tunneltäler existieren in ehemals vergletscherten Regionen weltweit. Gelingt uns der Nachweis von OFG in Tunneltälern, hätte dies erhebliche Implikationen für bisher unbekannte Süßwasserverteilungen und hydrologische Systeme. Die uns zur Verfügung stehenden Daten bieten eine einzigartige Möglichkeit zur Integration von CSEM- und seismischen Messungen bei begrenztem Aufwand. Die Ergebnisse des Projekts werden einen neuen Blick auf offshore Gletscherlandschaften und ihre Rolle im pleistozänen Wasserkreislauf erlauben.
Der Klimawandel hat einen schädlichen Einfluss auf die physischen und sozioökonomischen Systeme, die für das Wohlergehen von gefährdeten Gruppen in hochwassergefährdeten und wasserunsicheren Regionen weltweit von entscheidender Bedeutung sind. Die wachsende Komplexität und Unvorhersehbarkeit der Wasserflussregime, -menge und -qualität von Flusssystemen durch den Klimawandel beeinflusst die Menschen flussaufwärts und flussabwärts. Derzeit besteht eine Lücke in den Möglichkeiten, wissenschaftliches Wissen über die physischen Auswirkungen des Klimawandels, gemessen durch Werkzeuge und Modellierungsfortschritte, mit dem lokalen Wissen gefährdeter Gemeinschaften über die verfügbaren und erfolgreichen Anpassungs- und Minderungsoptionen zu verknüpfen. Ein Teil dieser Lücke liegt in der aktivierten Bias-Intervention. Darüber hinaus wurde diese Wissenslücke noch nicht in die sozioökonomischen Systeme integriert, die ortsbezogene Maßnahmen zur Klimaminderung und -anpassung, insbesondere in gefährdeten Gemeinschaften, bestimmen. Viele gefährdete Gemeinschaften, wie indigene, küstennahe, städtische ältere und jüngere Bevölkerungsgruppen sowie jene flussabwärts von Minenschließungen, kämpfen um Wassersicherheit, was im Allgemeinen bedeutet, dass sie zur richtigen Zeit und am richtigen Ort die richtige Menge Wasser von ausreichender Qualität benötigen. Das Ziel dieser Zusammenarbeit besteht darin, Design Thinking Workshops, die von Bias- und Inklusionsexperten moderiert werden, zu nutzen, um Anpassungs- und Minderungsoptionen auf der Grundlage relevanter ortsbezogener Klimawandelszenarien zu entwickeln. Die Szenarien und Minderungsoptionen werden Handlungspunkte in angewandten Theaterproduktionen sein, bei denen das Publikum über bevorzugte Maßnahmen entscheidet und somit das Ergebnis des Stücks bestimmt. Design Thinking nutzt das Wissen und die Einsichten von Nutzern eines Dienstes, um Lösungen für ein Problem zu prototypisieren und umfasst in der Regel drei Phasen: Inspiration (Empathie und Definition), Ideation (Prototyp und Zusammenarbeit) und Implementierung (Test und Auslieferung). Die Kombination von Design Thinking, angewandtem Theater, Natur- und Klimawissenschaft mit gesellschaftlich engagierten Forschern wird vier neuartige Tournee-Stücke in wasserunsicheren Regionen hervorbringen. Unsere Design Thinking Workshops und die Stücke werden mit sozialwissenschaftlichen Werkzeugen durchgeführt, um das gemeinsame Erzeugen von neuem Wissen, wie maßgeschneiderte Szenarien und ortsbezogene Anpassungs- und Minderungsoptionen, zu erfassen, zu analysieren und zu verbessern, das dann mit politischen Entscheidungsträgern in jeder Region geteilt wird. Das angewandte Theater wird das Publikum in Entscheidungsräume führen, in denen sie eine Reihe von lokal relevanten Optionen für Minderung und Anpassung in Erwägung ziehen, um die Wassersicherheit in ihren lokalen Einzugsgebieten zu erhöhen.
Gesellschaftliche Relevanz: Die Versorgung der Bevölkerung mit ausreichend Wasser in guter Qualität wird eine der großen Herausforderungen in der nahen Zukunft sein. Landnutzung und Klimawandel verschärfen dieses Problem. Wir haben nur begrenzte Möglichkeiten, neues Wasser bereitzustellen oder Wasser in Stauseen für Zeiten von Wasserknappheit aufzubewahren. Eine kluge Nutzung und Bewirtschaftung der Wasserressourcen scheinen die vielversprechendsten Instrumente zur Entschärfung der Situation. Daher wurden numerische Modelle für Seen eingesetzt, die sich jedoch immer noch an Ozeanannahmen orientieren. Infolgedessen sind simulierte Strömungen im tiefen Wasser von Seen nahe der Temperatur der maximalen Dichte (d. h. nahe 4 °C) fehlerhaft oder unrealistisch. Wir haben bessere Kenntnisse über die physikalischen Eigenschaften von Seewasser. Numerische Seemodelle könnten also wesentlich verbessert werden. Unsere Hypothese ist es, dass das Einbringen von Thermobarizität in numerische Modelle die bekannten Probleme behebt und so die entscheidenden Effekte weit besser dargestellt werden können. Wissenschaftliche Herausforderung: Thermobare Effekte kontrollieren die Tiefenzirkulation in tiefen Seen in der gemäßigten und subpolaren Klimazone. Obwohl das Thema in letzter Zeit in der Ozeanographie an Interesse gewonnen hat, wurden die Merkmale in tiefen Seen bislang nicht richtig behandelt. Per Definition geht die praktische physikalische Größe der potentiellen Dichte verloren, wenn thermobare Effekte dominieren. Dies erschwert die Darstellung von Stabilitätsbetrachtungen. Wir sind jedoch überzeugt, dass die Beschreibung thermobarer Effekte deutlich verbessert werden kann. Wir schlagen vor, ausgehend von den Grundlagen thermodynamischer Ansätze über Stabilitätsbetrachtungen bis hin zu vereinfachter Modellierung die Implementierung der thermobaren Effekte in numerischen Modellen vorzunehmen, um die Auswirkungen in einigen prominenten Fällen zu demonstrieren. Wir sind überzeugt, dass wir mit unseren vereinten Kompetenzen neue Ansätze finden, um thermobare Effekte zu verstehen und zu kommunizieren. Mit unserer Erfahrung werden wir effektive numerische Ansätze finden, um dieses Thema grundlegend zu bearbeiten und neue Lösungsansätze zu bieten. Schließlich werden wir DELFT3D (DELTARES) einsetzen, um thermobare Effekte in einigen tiefen Seen zu simulieren und zu demonstrieren. Wir erwarten, dass dieses Projekt die Perspektive einer zukünftigen fruchtbaren Zusammenarbeit eröffnet.
Boreale und temperate Moore bedecken weniger als 3% der Erdoberfläche, speichern jedoch fast 30% des terrestrischen Kohlenstoffs (C), akkumuliert über Jahrtausende durch permanente Wassersättigung. Natürliche Hochmoore sind charakterisiert durch Sphagnum-Moos dominierte Vegetationsdecken, werden jedoch seit Jahrhunderten vom Menschen durch Torfabbau genutzt. Die Auswirkungen der künstlichen Entwässerung auf Ökosystemfunktionen und Biodiversität sind zahlreich und nicht auf die stark erhöhten CO2-Emissionen beschränkt. Die Wiederherstellung quasi-natürlicher hydrologischer Bedingungen und typischer Vegetation ist das Hauptziel der seit Jahrzehnten praktizierten Renaturierung. Aufgrund enger Kopplung der C-Fixierung an den Wasserhaushalt können Änderungen in der Pflanzendecke erhebliche Auswirkungen auf die C-Senkenfunktion des Ökosystems haben .In den letzten Jahrzehnten wurden Veränderungen der Artenzusammensetzung Sphagnum-dominierter Hochmoore hin zu mehrschichtigen Baum- und Grasgesellschaften beobachtet. Aktuelle Studien berichten konträre Resultate über Auswirkungen auf Bestandsniederschlag, Evapotranspiration (ET), Bruttoprimärproduktion, Respiration, CO2-Nettobilanz (NEE) sowie die C-Senkenfunktion des Bodens. Eine abschließende Bewertung veränderter Ökosystemfunktionen im Angesicht des Klimawandels fehlt, ist jedoch von zunehmender Bedeutung, da immer mehr Flächen renaturiert werden. Das Entfernen von Gefäßpflanzen ist dabei eine übliche Naturschutzpraxis um ET zu reduzieren und weitere Besiedelungen zu begrenzen. Die Wirksamkeit hinsichtlich der Wiederherstellung naturnaher hydrologischer Bedingungen und der Einfluss auf die C-Bilanz sind jedoch nicht abschließend geklärt. Der vorliegende Projektantrag hat die mechanistische Analyse von ET, NEE und C-Senkenfunktion des Bodens eines renaturierten, atlantisch-temperaten Hochmoores unter Gefäßpflanzenbesiedelung zum Ziel. Der Fokus wird auf der Aufteilung der ET- und NEE-Flüsse des Ökosystems durch Eddy Kovarianz und Kammermessungen in situ in Moos-, Gras- und Baumbeiträge liegen. Die Ergebnisse werden zur Parametrisierung eines Boden-Pflanze-Atmosphäre-Austauschmodells genutzt, mit dem Moos- und Gefäßpflanzenschichten auf Torfböden simuliert werden können. Das Modell wird zusammen mit den empirischen Daten verwendet, um saisonale Änderungen der Flussbeiträge der funktionellen Gruppen in Abhängigkeit dynamischer Umgebungsbedingungen zu quantifizieren. Das ganzheitliche Prozessverständnis ist für die NEE-Abschätzung renaturierter Hochmoorökosysteme unter sich ändernden Klimabedingungen und Vegetationszusammensetzungen und damit deren Auswirkungen auf den Klimawandel von großer Bedeutung. Das verbesserte Wissen über die verschiedenen Wechselwirkungen von Pflanzenfunktionsgruppen mit Massen- und Energieflüssen des Hochmoorökosystems wird durch die Evaluierung von Renaturierungs-, Naturschutz- und Emissionsminderungsmaßnahmen in ganz Europa direkt in Wert gesetzt.
Nanopartikel (NP) sind neuartige Schadstoffe, deren Umweltverhalten sich grundlegend von molekularen Schadstoffen unterscheidet. Die Sorption von natürlichen organischen Substanzen (NOM) an NP ist ein Schlüsselfaktor für das weitere Umweltverhalten der NP wie Aggregation oder Sorption auf Oberflächen. Verfügbaren Daten zum Verhalten von NP beschränken sich auf Laborstudien unter stark vereinfachte Bedingungen. Für die Modellierung des Verbleibs von NP in der Umwelt ist es daher unerlässlich, die Sorptionsmechanismen unter umweltrelevanten Bedingungen zu erforschen. Dafür haben wir eine neue Methode entwickelt und validiert, bei der die NP mittels eines Dialysebeutels im Kontakt mit den gelösten Komponenten des Gewässers gebracht werden. Diese Methode ermöglicht es erstmals Partikel mit einer realistischen NOM Oberflächenbeschichtung (Coating) zu erhalten. Moderne Methoden der Oberflächencharakterisierung erlauben es zudem, die Zusammensetzung und Eigenschaften von NP Coatings detailliert zu untersuchen. Ziel dieses Projekts ist es, die Sorptionsmechanismen unter Umweltbedingungen, ihren Einfluss auf die kolloidale Stabilität und ihren Zusammenhang mit dem initialen NP Coating zu erforschen und vorherzusagen. Dazu werden die Zusammensetzungen und die Eigenschaften der unter Feldbedingungen gebildeten NP Coatings für fünf TiO2-Nanopartikeltypen, einschließlich der aus kommerziellen Produkten extrahierten Partikel, untersucht. Diese Partikel werden in 60 ausgewählten Gewässern, welche einer großen Bandbreite an wasserchemischen Parametern entsprechen, mittels Dialysebeutelmethode exponiert. Nach der Entnahme werden die Partikel mit XPS, FT-IR, ToF-SIMS und AFM analysiert, um die Oberflächenzusammensetzung, den Sorptionsmodus und die Schichtdicke des Coatings zu bestimmen. Zur Untersuchung der Schichtdicke mittels AFM wird eine neu entwickelte Probenpräparationsmethode weiterentwickelt und validiert. Die molekulare Zusammensetzung und Stabilität der NP Coatings werden mittels direkter Messung von Molekülen auf der Partikeloberfläche mit einer neu entwickelten Laser-Desorptions-Ionisation ultrahochauflösender FT-ICR MS Methode sowie sequentieller Extraktion, gefolgt von Elektrospray-Ionisation FT-ICR MS untersucht. Zudem werden Experimente zur Aggregationskinetik der exponierten NP durchgeführt. Dazu werden Proben der 60 Gewässer mit und ohne natürliche Kolloide verwendet, um Hetero- und Homoaggregation zu berücksichtigen. Die gewonnenen Daten werden in ein multivariates Machine-Learning-Modell einfließen, um die Beziehung zwischen initialem Coating, Coating mit NOM nach Exposition, der Gewässerchemie und der Aggregation der Partikel zu bestimmen und um die Eigenschaften des Coatings und die Aggregationsrate aus den vorliegenden Wasserparametern vorherzusagen. Die Modellergebnisse werden wertvolle Beiträge für die Vorhersage des Umweltverhaltens von Nanopartikeln in natürlichen Gewässern liefern.
Submarine Grundwasseraustritte sind wichtige Komponenten des hydrologischen Kreislaufs und tragen wesentlich zum Austrag von Nährstoffen, Kohlenstoff und Metallen aus den küstennahen Grundwasserleitern in die Küstenmeere bei, in Folge dessen sie küstennahe marine Ökosysteme beeinflussen. Das derzeitige Bild der hydraulischen Bedingungen im subterranen Ästuar ist, dass eine von Gezeiten und Wellenbewegung induzierte Salzwasserzirkulationszelle einen Süßwasser-'tube' überlagert. Unsere eigenen Forschungsergebnisse legten jedoch kürzlich nahe, dass diese Schichtung unter bestimmten Randbedingungen instabil wird, die Salzwasserzirkulationszelle und der Süßwasser-'tube' nicht mehr existieren und stattdessen Salzwasserfinger in das darunterliegende Süßwasser absinken. Dies würde die subterranen Grundwasseraustrittsmuster stark verändern und sich mit großer Wahrscheinlichkeit auch auf die geochemischen Prozesse im Untergrund auswirken. Das Projekt kombiniert physikalische Laborversuche und numerische Modellierung, um zu untersuchen (i) ob und wo ein Absinken von Salzwasserfingern in das darunterliegende Süßwasser in der Natur denkbar ist, (ii) welchen Einfluss Sedimenteigenschaften (z.B. Heterogenität) und Randbedingungen (z.B. saisonal variabler Süßwasserzustrom) auf die Ausbildung von Salzwasserfingern haben, (iii) wie die Strömungsmuster in 3-D aussehen, (iv) welche Möglichkeiten der Vorhersage es für die instabilen Strömungsmuster gibt und wie man diese verbessern kann sowie (v) welchen Einfluss die veränderten Strömungsmuster letztlich auf die biogeochemischen Prozesse und die Formation von stark adsorbierenden Eisen(III)hydroxidoberflächen ('Iron curtain') in sandigen Strandgrundwasserleitern und die davon abhängigen Stoffausträge in das Meer haben.
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.
In den vergangen 20 Jahren kam es in Mitteleuropa zu einer Häufung hydrologischer Dürreereignisse, ein Trend, der sich in Zukunft weiter verstärken wird. Bereits jetzt gelten die im Vergleich zu Mittelwerten extrem trockenen vergangenen Jahre als eine der Hauptursachen für den sich systematisch verschlechternden Zustand der Wälder in Mitteleuropa. Eine allgemein akzeptierte Annahme ist, dass tief verwurzelte Bäume solchen Dürreereignissen besser standhalten können. Das prozessbasierte Verständnis in Bezug auf die Nutzung von tief liegenden Wasserressourcen und deren Nutzung durch Vegetation ist jedoch stark limitiert. Tiefes Bodenwasser (> 1 m) wird häufig vernachlässigt oder vereinfacht betrachtet. Zentrales Ziel unseres Projektes ist es daher, raumzeitliche Dynamiken und Rückkopplungen zwischen Niederschlagsinfiltration und Grundwasserneubildung sowie kapillarem Aufstieg zu quantifizieren. Wir werden die Wasseraufnahme von typischen europäischen Waldbäumen (Buche, Eiche, Fichte) mit unterschiedlichen Wassernutzungsstrategien und Wurzeltiefen untersuchen und dabei zwischen Bäumen mit I) direktem Zugang zu Grundwasser, II) Kontakt zur Kapillarzone oberhalb des lokalen Grundwasserspiegels und III) solchen, ohne direkte Verbindung zum Grundwasser/der Kapillarzone haben, aber ein tiefes Wurzelsystem zur Nutzung der in der ungesättigten Zone gespeicherten Wassers besitzen und IV) flachwurzelnden Bäumen. Unsere Hypothese ist, dass die Aufrechterhaltung der Konnektivität zur Kapillarzone für einige Arten eine kritische Komponente der Trockenheitstoleranz ist, deren Bedeutung aber abhängt von I) klimatischen und geomorphologischen Bedingungen, die die raumzeitliche Dynamik dieser Verbindung definieren (Dürredauer, Pufferkapazität der Kapillarzone) und II) Artenspezifischen Dürreanpassungen (Wurzeltiefen, adaptives Wurzelwachstum, Grad der Isohydrie) ab. Um die Auswirkungen der Vegetationskonnektivität zur Kapillarzone auf die Baumgesundheit sowie den Wasserkreislauf vollständig zu verstehen, verwenden wir eine Kombination aus ökohydrologischen, pflanzenphysiologischen, geophysikalischen und modellbasierten Ansätzen. Ein besonderer Schwerpunkt ist der Einsatz einer neuartigen Messmethodik zur kontinuierlichen Erfassung stabiler Wasserisotope. Daraus resultierende Datensätze mit hoher räumlich-zeitlicher Auflösung der Wasser Isotopie des Boden, des Xylem und des atmosphärischen Wasserdampfes werden durch Sauerstoffisotope- und Phloem-Kohlenstoffisotopendaten von Jahrringen ergänzt. Diese Kombination ermöglicht uns Rückschlüssen auf die aktuelle Konnektivität verschiedener Baumarten zu verschiedenen tief liegenden Wasserpools und sowie die neuartige Möglichkeit zur Analyse historischer Dürreereignisse. Anschließend wird das isotopenfähige SVAT-Modell MuSICA mit dem parametrisiert, um den Zusammenhang zwischen Tiefenwasseraufnahme und der Baumgesundheit unter verschiedenen Szenarien (extremer trockener, trockener, normaler Jahre) vorherzusagen.
Sauberes Süßwasser als Ressource gerät zunehmend unter Druck aufgrund erhöhter Variabilität in den hydro-meteorologischen Bedingungen und anthropogener Verschmutzung. Während der Schutz von Wassermenge und Wasserqualität oft als separate Ziele behandelt werden, gibt es klare Hinweise darauf, dass die zunehmende Variabilität der hydro-meteorologischen Bedingungen auch die Wasserqualität beeinflusst, auch über zusätzliche Verschmutzung hinaus. Forschung zu dem Zusammenhang zwischen den Variationen der hydro-meteorologischen Bedingungen und der Wasserqualität wird jedoch oft durch eine niedrige zeitliche Auflösung der Wasserqualitätsdaten oder eine begrenzte Anzahl von Einzugsgebieten mit hochfrequenten Daten erschwert. In diesem Projekt planen wir die Nutzung und Erweiterung eines zusammengestellten Datensatzes von hochfrequenten Wasserqualitätsparametern aus bereits über 70 Stationen in Deutschland, welcher vielfältige Einzugsgebietseigenschaften abdeckt, ebenso wie Zeitreihen von bis zu 20 Jahren. Die Wasserqualitätsparameter dieses Datensatzes reichen von Parametern, deren zeitliche Dynamiken hauptsächlich durch den hydrologischen Transport kontrolliert werden, bis zu solchen, deren Dynamiken von tageszeitlichen Schwankungen in Temperatur und Licht abhängen. Unser Ziel ist es, diese Daten weiter auszubauen, sie zusätzlicher Qualitätskontrollen zu unterziehen und zu homogenisieren, um letztendlich räumliche und zeitliche Muster in den Wasserqualitätsparametern zu identifizieren und ihren Zusammenhang mit der hydro-meteorologischen Variabilität und extremen Bedingungen erklären zu können. In einem ersten Schritt werden wir hierfür den Mehrgewinn von hochfrequenten Messungen im Vergleich zu interpolierten Produkten aus niederfrequenten Messungen sorgfältig testen und bewerten. In einem zweiten und dritten Schritt möchten wir den Zusammenhang zwischen Wasserqualitätsdynamiken und Hochwasserbedingungen (z. B. Abflussereignisse) sowie zwischen Niedrigwasserbedingungen (z. B. Dürren und Nachdürreperioden) analysieren. Zu guter Letzt planen wir eine separate Analyse aller Zeitreihen von mehr als 10 Jahren, mit dem Ziel Trends in der Dynamik der Wasserqualität zu identifizieren, welche durch Veränderungen der hydro-meteorologischen Bedingungen induziert werden. Die Bearbeitung der genannten Ziele soll es uns ermöglichen, unser Verständnis der komplexen Zusammenhänge zwischen hydro-meteorologischen Bedingungen, Wasserqualitätsdynamiken, Einzugsgebietseigenschaften und deren Anfälligkeit für zunehmende Schwankungen und extreme hydro-meteorologische Bedingungen über Deutschland hinaus erheblich zu verbessern.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 816 |
| Kommune | 2 |
| Land | 2 |
| Wissenschaft | 729 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 816 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 816 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 620 |
| Englisch | 606 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Keine | 19 |
| Webseite | 797 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 799 |
| Lebewesen und Lebensräume | 712 |
| Luft | 521 |
| Mensch und Umwelt | 816 |
| Wasser | 805 |
| Weitere | 816 |