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.
Das Projekt "Quantifying the Influence of SnowmelT on RIVEr Hydrology in High Mountain Asia (STRIVE)" fokussiert sich auf alpine Flüsse und dem Zeitpunkt und Menge der Schneeschmelze im Himalaya . In vielen alpinen Einzugsgebieten stammt ein signifikanter Teil des jährlichen Wasserhaushalts aus der Schneeschmelze, insbesondere während der Monate vor dem Beginn des Monsuns. Da die Gletscher in vielen hochgelegenen Bergregionen weiter schmelzen werden, wird der saisonale Wasserpuffer durch die Schneeschmelze in Zukunft noch wichtiger werden. Auch die Gefahr von Überschwemmungen wird zunehmen, da die steigenden Temperaturen die Schneeschmelze im Frühjahr beschleunigen. Trotz der Bedeutung des Schneewasserhaushalts für viele besiedelte Gebiete sind Zeitpunkt und Volumen der Schneeschmelze nach wie vor nur unzureichend bekannt - insbesondere in Einzugsgebieten in großer Höhe. Um besser quantifizieren zu können, wann und wo das Wasser der Schneeschmelze die alpinen Flüsse erreicht, wird das STRIVE-Projekt einen kombinierten in-situ- und satellitenbasierten Ansatz verwenden, um (1) den Zeitpunkt und die räumliche Verteilung der Schneeschmelze zu überwachen, (2) den Einfluss der Schneeschmelze auf die Flusshöhen und (3) Flusstemperaturen zu bewerten. Die im Rahmen des STRIVE-Projekts gesammelten neuen Daten mit hoher zeitlicher Auflösung werden mit lokalen und regionalen hydrologischen Daten kombiniert, um (4) ein umfassenderes Verständnis der aktuellen Schneeschmelze und deren Wassermenge für alpine Flüsse zu entwickeln. Hier spielen insbesondere die sich verändernden Klimabedingungen eine große Rolle. Die Ergebnisse des STRIVE-Projekts werden für Forscher verschiedener Fachbereiche in der physischen Geographie, Hydrologie und Geomorphologie, zum Einschätzen von Naturgefahren und für Manager sowie Entwickler von Wasserkraftwerken im gesamten Himalaya und in ähnlichen, von der Schneeschmelze angetriebenen alpinen Ökosystemen, von großem Nutzen sein. Um die Forschungszusammenarbeit und den Austausch mit den nepalesischen Partnern zu erleichtern und nachhaltiger zu machen, wird das STRIVE-Projekt zwei Workshops für Nachwuchswissenschaftlerinnen durchführen, die sich mit der Sammlung und Verarbeitung von in-situ- und Fernerkundungsdaten beschäftigen. Diese Workshops werden dazu beitragen, die Ergebnisse und Erkenntnisse des STRIVE-Projekts zu verbreiten und sicherzustellen, dass die entwickelten Methoden und Daten auch nach dem Ende des Projekts in die Forschung und in wasserpolitische Entscheidungen im Himalaya einfließen.
Das Projekt „Hochwasserrückhalt im Wald“ befasst sich mit der Untersuchung von Einflussfaktoren auf die Rückhaltekapazität von Wäldern zur Verbesserung des Hochwasserschutzes. Während des Katastrophenhochwassers in Westdeutschland Mitte Juli 2021 wurden hohe Abflussakkumulationen aus Waldgebieten sowohl im Ahrtal als auch im Einzugsgebiet von Inde und Vichtbach beobachtet; das Potential des Wasserrückhaltes im Wald ist folglich elementar für die Hochwasservorsorge. Trotz der positiven Gebietseigenschaften von Waldflächen zeigen Studien, dass menschliche Eingriffe und schlechte forstwirtschaftliche Praktiken die Wasserrückhaltung negativ beeinträchtigen können. Im Projekt „Hochwasserrückhalt im Wald“ werden Sachbeihilfen für die Durchführung von Feldversuchen zur differenzierten Evaluation der Rückhalteleistung sowie zur messtechnischen Begleitung von Anpassungsmaßnahmen in Entwässerungsgräben beantragt. Im Rahmen der Feldarbeiten soll auf der Projektfläche im Ahrtal untersucht werden, wie sich der Wasserrückhalt unter verschiedenen Baumarten (Laub- vs. Nadelbäume) hinsichtlich der jeweiligen Interzeptions- sowie Infiltrationsleistung unterscheidet. Zweitens soll erforscht werden, wie lineare Strukturen im Wald so gestaltet werden können, dass sie die Hochwasserschutzwirkung maximieren. Hierfür werden geplante Anpassungsmaßnahmen auf einer Projektfläche bei Stolberg messtechnisch begleitet und die Wirkweisen anschließend mittels hydronumerischer Simulation weitergehend evaluiert. Insgesamt zielt das Vorhaben darauf ab, das Verständnis über die Rolle von Wäldern im Hochwasserschutz zu vertiefen und konkrete Maßnahmen zur Verbesserung des Wasserrückhalts zu entwickeln.
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.
Digital verfügbare Datensätze in der terrestrischen Wasser- und Umweltforschung werden immer zahlreicher und umfangreicher, sind allerdings oft nicht ohne Weiteres zugänglich und wissenschaftlich verwendbar. Häufig sind sie unzureichend mit Metadaten beschrieben und in unterschiedlichsten Datenformaten abgelegt, dazu oftmals nicht in Datenportalen/-repositorien, sondern auf lokalen Speichermedien vorgehalten. Basierend auf der in einem Vorgängerprojekt entwickelten virtuellen Forschungsumgebung V-FOR-WaTer ist es das Ziel von ISABEL, dieses Datenangebot in einem Webportal verfügbar zu machen. Hier sollen Umweltwissenschaftler auf Daten aus unterschiedlichen Quellen wie z.B. Landesämtern oder Hochschulprojekten einfach und schnell zugreifen, aber auch eigene Daten teilen können. Zusätzlich sind Schnittstellen zu bestehenden Datenportalen geplant, damit bereits veröffentlichte Datensätze mit einbezogen werden können. Mithilfe integrierter Werkzeuge sollen diese Daten leicht skaliert werden und in einem einheitlichen Format verfügbar sein. Außerdem stehen Analysewerkzeuge für weitere Auswertungen zur Verfügung. Diese werden vom Entwicklerteam beständig für den Bedarf der Community erweitert, können aber auch direkt von Nutzern beigetragen werden. Ein leichtes Abspeichern der Analyseschritte und verwendeten Werkzeuge macht die Berechnungen reproduzierbar, zudem wird durch die Anbindung an vorhandene Datenrepositorien die Publikation eigener Daten vereinfacht. Damit adressiert ISABEL den Bedarf von Forschenden aus den Wasser- und Umweltwissenschaften, Daten nicht nur aufzufinden und darauf zugreifen zu können, sondern mit standardisierten Werkzeugen für reproduzierbare Datenanalyseschritte effizient datengetrieben zu lernen.
Arsen-kontaminiertes Grundwasser stellt eine große Gefahr für zig Millionen von Menschen dar, insbesondere in Süd- und Südost-Asien, durch seine Verwendung als Trinkwasser und für die Bewässerung von Reisfeldern. Das Hauptziel dieses Projekts ist es gemeinsam mit Wissenschaftlern der Stanford University die Menge an giftigem Arsen in den beiden wichtigsten Expositionsquellen, Wasser und Reis, zu reduzieren und zu bestimmen wie i) Arsen effizient mit Wasserfiltern aus dem Trinkwasser entfernt und ii) die Arsenaufnahme durch Reis während der Nasskultivierung reduziert werden kann. Im ersten Teilprojekt planen wir in Vietnam zu untersuchen, unter welchen Bedingungen Wasserfilter Arsen effizient entfernen, wie lange die Filter verwendet werden können und ob gesundheits-schädigende Konzentrationen von Nitrate in den Filtern gebildet werden. Wir werden einen visuell sichtbaren Indikator in den Filtern entwickeln, der es der breiten Bevölkerung erlaubt, ohne analytische Verfahren oder besonderen Bildungsstand zu bestimmen, wann die Effizienz des Filters aufgrund der Sättigung mit Arsen verschwindet und das Filtermaterial ersetzt werden muss. Darüber hinaus werden wir untersuchen, wie das Arsen-verschmutzte Filtermaterial ohne weitere Risiken entsorgt werden kann. Im zweiten Teilprojekt werden wir untersuchen, ob die Stimulation von nitrat-reduzierenden, eisenoxidierenden Bakterien in Reisfeldböden die Arsenaufnahme in Reis reduziert durch die Bindung von Arsen an die gebildeten Minerale. Wir werden bestimmen, wie die Zugabe definierter Mengen an Nitrat helfen kann, gleichzeitig die Arsenaufnahme in den Reis und die Emission des Treibhausgases N2O zu minimieren. Dieses Projekt wird für die Bevölkerung in Arsen-betroffenen Ländern praktische Lösungen bieten, um mögliche Schädigungen durch Arsen und Nitrat zu reduzieren und ihre Gesundheit und Lebenssituation zu verbessern.
Protisten (eukaryotische Mikroorganismen) erfüllen wichtige ökologische Funktionen, sie sind die dominierenden Primärproduzenten in Gewässern und die wichtigsten Konsumenten von Bakterien und damit von zentraler Bedeutung für aquatische Nahrungsnetze. Die Diversität von Protisten ist enorm, ihre Verteilungsmuster sind dagegen nicht gut verstanden. Während einige Taxa offensichtlich global verteilt sind, sind einige andere Taxa endemisch. Es ist aber höchst umstritten, inwieweit die für höhere Organismen beobachteten Verbreitungsmuster auf Protisten übertragbar sind. Die nacheiszeitliche Biogeographie Europas ist ideal für die Prüfung der Verallgemeinerbarkeit solcher biogeographischer Muster. Hochdurchsatzsequenzierung erlaubt jetzt die Analyse großräumiger Diversitätsmuster. In diesem Projekt werden wir die Verteilung von Protisten in europäischen Binnengewässern im Hinblick auf die postglazialen Verteilungsmuster von Makroorganismen untersuchen. Wir werden die Variation der Protistendiversität in aquatischen Ökosystemen auf der Basis von Planktonproben von 250 europäischen Seen einschließlich Seen aus Spanien, Frankreich, Italien, Schweiz, Österreich, Rumänien, Ungarn, der Tschechischen Republik, der Slowakei, Polen, Schweden, Norwegen, Griechenland, Kroatien und Bulgarien untersuchen. Wir werden die räumliche Analyse durch saisonale Analyse ausgewählter Seen innerhalb eines zentraleuropäischen Gradienten ergänzen, um räumliche von zeitlichen Mustern zu trennen. Das Projekt wird die Biogeographie, die Phylogeographie und die Diversität der Protisten in europäischen Süßwasserseen auf der Gemeinschaftsebene analysieren basierend auf Hochdurchsatzsequenzierung der molekularen Diversität. Insgesamt wird das Projekt die Gültigkeit allgemeiner biologischer Theorien für mikrobielle Eukaryoten testen.
Das Ziel dieses Antrags ist die Entwicklung eines partikel-basierenden skalenübergreifenden Modells zur Simulation von Strömung und Transport in ungesättigten Klüften und angrenzender poröser Matrix. Die Beschreibung von Strömung- und Transportprozessen in ungesättigten geklüftet-porösen Medien stellt immer noch große Herausforderungen an die Wissenschaft, ist jedoch in vielen Anwendungsbereichen von großer Bedeutung wie z.B. im Zusammenhang mit der Quantifizierung der Infiltration durch mächtige ungesättigte Felsmaterialien (Endlagerforschung), mit der Prognose der Grundwasserneubildung durch geklüftete Festgesteine und Aquifervulnerabilität. Strömungs- und Transportprozesse in ungesättigten geklüfteten Grundwasserleitern werden häufig durch ihre heterogene Geometrie und hohen Kontraste in den hydraulischen Eigenschaften dominiert. Strömungen in ungesättigten Klüften sind aufgrund des komplexen Zusammenspiels von Gravitations-, Trägheitseffekten, Kapillarkräften, Oberflächenspannung, Benetzungsdynamiken und der hochvariablen Kluftgeometrie schwer zu prognostizieren. Laborexperimente und numerische Modelle sind häufig eine der wenigen Möglichkeiten die höchst nichtlinearen Strömungsprozesse und den Effekt der Wechselwirkung an komplexen Mehrphasengrenzflächen innerhalb der Klüfte zu erfassen. Insbesondere starke Deformationen der Grenzflächen können mit grid-basierenden Modellen nur unter hohem Aufwand umgesetzt werden. Eine einfachere Methode zur Simulation bieten jedoch partikel-basierte Methoden. Freie Oberflächen und Phasengrenzen bewegen sich hierbei mit den Partikeln, so dass keine komplexen front-tracking Algorithmen notwendig sind.In der Regel sind Kluftsysteme in eine poröse Matrix eingebettet, die in Modellierungsansätzen explizit erfasst werden muss. Die Kluft-Matrix Grenzfläche bildet somit eine wesentliche Schnittstelle zwischen der porösen Matrix, die als Hauptspeicher wirkt, und den Klüften, welche die dominierende hydraulische Verbindung durch die ungesättigte Zone bilden. Um die Verknüpfung dieser beiden Komponenten auf Prozessebene simulieren zu können sind skalenübergreifende Modellansätze notwendig. Im Rahmen des hier beantragten Vorhabens soll ein skalenübergreifendes Smoothed Particle Hydrodynamics Modell entwickelt werden. Die ungesättigte Strömung und der Transport innerhalb der porösen Matrix soll durch klassische Ansätze (Richards) abgebildet und mit den hochdynamischen Strömungs- und Transportprozessen (z.B. adsorbierte Filme, Tropfen, Rinnsäle) auf den Kluftoberflächen gekoppelt werden. Das Modell wird in ein einzigen numerisches Framework eingebunden, so dass Kopplungsmethoden vereinfacht und unterschiedliche Lösungsalgorithmen vermieden werden. Das Modell wird durch numerische Experimente und Laborexperimente validiert und eingesetzt um Effekte komplexer ungesättigter Kluftströmung auf Befeuchtungs- und Transportdynamiken an der Kluft-Matrix-Grenzfläche quantitativ und physikalisch basiert beschreiben zu können.
Kleine lentische („stehende“) aquatische Ökosysteme, die oft als Teiche bezeichnet werden, machen zahlenmäßig die Mehrheit der Seen der Welt aus. Sie spielen eine entscheidende Rolle in globalen biogeochemischen Kreislaufen und sind Hotspots der Artenvielfalt. Die hohe mikrobielle Aktivität und die Artenvielfalt in Teichen werden durch extreme Umweltvariabilität herausgefordert, einschließlich erheblicher täglicher Temperaturschwankungen, die das Überleben der Organismen ernsthaft gefährden können. Die thermische Dynamik steht in enger Wechselwirkung mit den vorherrschenden hydrodynamischen Bedingungen, die den Wärmetransport sowie den Transport von gelösten Stoffen und Organismen steuern und deren Exposition gegenüber Licht und trophische Interaktionen beeinflussen. Während Strömungsregime und thermische Schichtung in größeren Seen und Stauseen umfassend untersucht wurden, ist überraschend wenig über die physikalischen Bedingungen in Teichen bekannt, einschließlich der zeitlichen Dynamik, räumlichen Variabilität von Temperatur und Fließgeschwindigkeit sowie deren Abhängigkeit von geografischen und klimatischen Faktoren. Im Gegensatz zu Seen und Stauseen wird erwartet, dass die Strömungen in Teichen vor allem durch horizontale Dichtegradienten angetrieben werden, die durch unterschiedliche Erwärmung und Abkühlung verursacht werden. Diese Gradienten können durch die teilweise Beschattung der Teiche, die unterschiedliche Wassertiefe, Vegetation und Bodeneigenschaften entstehen. Dieses Projekt zielt darauf ab, das mechanistische Verständnis der physikalischen Prozesse in Teichen zu verbessern, indem es die räumliche und zeitliche Dynamik der Wassertemperatur und ihre Rolle bei der Erzeugung von dichtegetriebenen Strömungen und Durchmischungen untersucht. Um die bestehenden Beschränkungen bei räumlich verteilten Messungen von Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit in Teichen zu überwinden, werden wir spezielle, kostengünstige Instrumente entwickeln. Durch die Durchführung und Analyse von Messungen in Teichen und in experimentellen Mesokosmen werden wir einen mechanistischen Rahmen entwickeln, um die Größenordnung der räumlichen und zeitlichen Schwankungen der Temperatur und der daraus resultierenden Strömungsgeschwindigkeit als Funktion großräumiger und standortspezifischer Faktoren zu beschreiben. Diese Konzepte erweitert die bestehenden Ansätze zur Bewertung der Schichtungs- und Durchmischungsdynamik in größeren Seen, indem zusätzlich zu den windgetriebenen Strömungen auch konvektive Strömungen berücksichtigt werden. Es wird erwartet, dass das Projekt neuartige quantitative Einblicke in die physikalischen Prozesse in Teichökosystemen liefert. Die abgeleiteten Beziehungen können die Charakterisierung physikalischer Lebensräume in ökologischen Bewertungen unterstützen, biogeochemische Modelle informieren und für bei Planung künstlich angelegten Teiche genutzt werden.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 780 |
| Kommune | 3 |
| Land | 2 |
| Wissenschaft | 706 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 780 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 780 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 576 |
| Englisch | 588 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Keine | 19 |
| Webseite | 761 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 763 |
| Lebewesen und Lebensräume | 685 |
| Luft | 499 |
| Mensch und Umwelt | 780 |
| Wasser | 767 |
| Weitere | 780 |