Sichere und grundlastfähige erneuerbare Energiequellen sind essentiell für das Erreichen globaler Klimaziele. Die Tiefengeothermie kann Wärme und Strom unabhängig von Wetterbedingungen liefern und spielt eine Schlüsselrolle bei dem Vorantreiben der grünen Energiewende. Mit unserem Vorhaben gehen wie die Hauptfaktoren, die ein schnelleres Wachstum des Geothermiesektors verzögern, an: lange Amortisationszeiten und hohe sozio-ökonomische Risiken im Zusammenhang mit induzierter Seismizität. Hauptrisiken der Tiefengeothermie sind hohe Unsicherheiten über die Existenz, Lage und Orientierung geologischer Strukturen im Untergrund und die daraus resultierende hohe Unsicherheit über das Potential seismische Ereignisse zu induzieren. In diesem Teilvorhaben wollen wir in beiden Aspekten Fortschritte machen, in dem wir dynamische seismologische Modelle des Untergrunds erarbeiten. Aus der Kombination der innovativen seismischer Verfahren der Migration und Interferometrie werden wir dynamische Modelle erarbeiten. Diese Modelle verdeutlichen die seismische Reaktion des Untergrundes auf temporäre Veränderungen von Spannungen. Dazu werden Herdflächenlösungen mit Änderungen von seismischen Geschwindigkeiten korreliert. Ziel ist das Abschätzen von Schwellenwerten für Spannungsänderungen, die lokale Seismizität auslösen können. Die Interpretation dieser lokalen Änderungen in Hinblick auf eine geothermische Nutzung des Untergrunds hilft der Standortauswahl und somit der Reduzierung der seismischen Gefährdung. Wir werden einen neuen Arbeitsablauf entwickeln, um die seismische Gefährdung durch Tiefengeothermie in der Niederrheinischen Bucht abzuschätzen. Dieser Arbeitsablauf wird einen räumlich aufgelösten Erdbebengefährdungsindex beinhalten, der auf intuitive Weise die seismische Gefährdung der Region kommuniziert.
Die vielfältige Geologie Deutschlands sowie die sich hieraus ergebende Nutzung sind Ursachen für verschiedenste Bodenbewegungen, wie z.B. Bodenkompaktion, Erdrutsche, Grundwasserentnahme, Erdgasförderung, (Alt-)Bergbau- und Kavernenspeicherbetrieb. Die Produkte des BodenBewegungsdienst Deutschland (BBD) basieren auf SAR Daten der Copernicus Sentinel-1 Mission und einer Persistent Scatterer Interferometrie (PSI) Verarbeitung. Das BBD Portal enthält PSI Daten der gesamten Bundesrepublik Deutschland (ca. 360.000 km²). Die PSI Technologie ermöglicht präzise Messungen von Bewegungen der Erdoberfläche im mm Bereich. Die Messpunkte (Persistent Scatterer, PS) entsprechen bereits am Boden vorhandenen Objekten, wie z.B. Gebäuden, Infrastruktur oder natürlichen Objekten, wie Gesteinen und Schuttflächen. Jeder PS wird durch einen über mehrere Jahre gemittelten Geschwindigkeitswert (ausgedrückt in mm/Jahr) und eine Zeitreihe der Verschiebungen charakterisiert. Für jeden PS kann die Zeitreihe der Verschiebungen von der ersten Sentinel-1 Aufnahme bis zur letzten ausgewerteten Sentinel-1 Aufnahme eingesehen werden. Die PS werden nach der mittleren Geschwindigkeit entlang der Sichtlinie der Sentinel-1 Satelliten, Line of Sight (LOS), gemäß der folgenden Konvention im BBD Portal visualisiert: - die grüne Farbe entspricht den PS, deren mittlere Geschwindigkeit sehr gering ist, zwischen -2,0 und +2,0 mm/Jahr, d.h. im Empfindlichkeitsbereich der PSI Technologie; - in den Farben von gelb bis rot werden diejenigen PS mit negativer Bewegungsrate visualisiert, d.h. Bewegungen vom Satelliten weg; - mit den Farben von türkis bis blau werden diejenigen PS mit positiver Bewegungsrate visualisiert, d.h. PS die sich dem Satelliten nähern. Die Präzision der dargestellten PSI Daten liegt in der Größenordnung von typischerweise +- 2 mm/Jahr für die mittlere Geschwindigkeit in LOS.
Die vielfältige Geologie Deutschlands sowie die sich hieraus ergebende Nutzung sind Ursachen für verschiedenste Bodenbewegungen, wie z.B. Bodenkompaktion, Erdrutsche, Grundwasserentnahme, Erdgasförderung, (Alt-)Bergbau- und Kavernenspeicherbetrieb. Die Produkte des BodenBewegungsdienst Deutschland (BBD) basieren auf SAR Daten der Copernicus Sentinel-1 Mission und einer Persistent Scatterer Interferometrie (PSI) Verarbeitung. Das BBD Portal enthält PSI Daten der gesamten Bundesrepublik Deutschland (ca. 360.000 km²). Die PSI Technologie ermöglicht präzise Messungen von Bewegungen der Erdoberfläche im mm Bereich. Die Messpunkte (Persistent Scatterer, PS) entsprechen bereits am Boden vorhandenen Objekten, wie z.B. Gebäuden, Infrastruktur oder natürlichen Objekten, wie Gesteinen und Schuttflächen. Jeder PS wird durch einen über mehrere Jahre gemittelten Geschwindigkeitswert (ausgedrückt in mm/Jahr) und eine Zeitreihe der Verschiebungen charakterisiert. Für jeden PS kann die Zeitreihe der Verschiebungen von der ersten Sentinel-1 Aufnahme bis zur letzten ausgewerteten Sentinel-1 Aufnahme eingesehen werden. Die PS werden nach der mittleren Geschwindigkeit entlang der Sichtlinie der Sentinel-1 Satelliten, Line of Sight (LOS), gemäß der folgenden Konvention im BBD Portal visualisiert: - die grüne Farbe entspricht den PS, deren mittlere Geschwindigkeit sehr gering ist, zwischen -2,0 und +2,0 mm/Jahr, d.h. im Empfindlichkeitsbereich der PSI Technologie; - in den Farben von gelb bis rot werden diejenigen PS mit negativer Bewegungsrate visualisiert, d.h. Bewegungen vom Satelliten weg; - mit den Farben von türkis bis blau werden diejenigen PS mit positiver Bewegungsrate visualisiert, d.h. PS die sich dem Satelliten nähern. Die Präzision der dargestellten PSI Daten liegt in der Größenordnung von typischerweise +- 2 mm/Jahr für die mittlere Geschwindigkeit in LOS.
Die vielfältige Geologie Deutschlands sowie die sich hieraus ergebende Nutzung sind Ursachen für verschiedenste Bodenbewegungen, wie z.B. Bodenkompaktion, Erdrutsche, Grundwasserentnahme, Erdgasförderung, (Alt-)Bergbau- und Kavernenspeicherbetrieb. Die Produkte des BodenBewegungsdienst Deutschland (BBD) basieren auf SAR Daten der Copernicus Sentinel-1 Mission und einer Persistent Scatterer Interferometrie (PSI) Verarbeitung. Das BBD Portal enthält PSI Daten der gesamten Bundesrepublik Deutschland (ca. 360.000 km²). Die PSI Technologie ermöglicht präzise Messungen von Bewegungen der Erdoberfläche im mm Bereich. Die Messpunkte (Persistent Scatterer, PS) entsprechen bereits am Boden vorhandenen Objekten, wie z.B. Gebäuden, Infrastruktur oder natürlichen Objekten, wie Gesteinen und Schuttflächen. Jeder PS wird durch einen über mehrere Jahre gemittelten Geschwindigkeitswert (ausgedrückt in mm/Jahr) und eine Zeitreihe der Verschiebungen charakterisiert. Für jeden PS kann die Zeitreihe der Verschiebungen von der ersten Sentinel-1 Aufnahme bis zur letzten ausgewerteten Sentinel-1 Aufnahme eingesehen werden. Die bewegungszerlegten virtuellen PS werden nach der mittleren Geschwindigkeit in Ost-West Richtung, gemäß der folgenden Konvention im BBD Portal visualisiert: - die grüne Farbe entspricht den virtuellen PS, deren mittlere Geschwindigkeit sehr gering ist, zwischen -2,0 und +2,0 mm/Jahr, d.h. im Empfindlichkeitsbereich der PSI Technologie; - in den Farben von gelb bis rot werden diejenigen virtuellen PS mit negativer Bewegungsrate visualisiert, d.h. Bewegungen nach unten - mit den Farben von türkis bis blau werden diejenigen virtuellen PS mit positiver Bewegungsrate visualisiert, d.h. Bewegungen nach oben. Die Präzision der dargestellten PSI Daten liegt in der Größenordnung von typischerweise +- 2 mm/Jahr für die mittlere Geschwindigkeit.
Die vielfältige Geologie Deutschlands sowie die sich hieraus ergebende Nutzung sind Ursachen für verschiedenste Bodenbewegungen, wie z.B. Bodenkompaktion, Erdrutsche, Grundwasserentnahme, Erdgasförderung, (Alt-)Bergbau- und Kavernenspeicherbetrieb. Die Produkte des BodenBewegungsdienst Deutschland (BBD) basieren auf SAR Daten der Copernicus Sentinel-1 Mission und einer Persistent Scatterer Interferometrie (PSI) Verarbeitung. Das BBD Portal enthält PSI Daten der gesamten Bundesrepublik Deutschland (ca. 360.000 km²). Die PSI Technologie ermöglicht präzise Messungen von Bewegungen der Erdoberfläche im mm Bereich. Die Messpunkte (Persistent Scatterer, PS) entsprechen bereits am Boden vorhandenen Objekten, wie z.B. Gebäuden, Infrastruktur oder natürlichen Objekten, wie Gesteinen und Schuttflächen. Jeder PS wird durch einen über mehrere Jahre gemittelten Geschwindigkeitswert (ausgedrückt in mm/Jahr) und eine Zeitreihe der Verschiebungen charakterisiert. Für jeden PS kann die Zeitreihe der Verschiebungen von der ersten Sentinel-1 Aufnahme bis zur letzten ausgewerteten Sentinel-1 Aufnahme eingesehen werden. Die bewegungszerlegten virtuellen PS werden nach der mittleren Geschwindigkeit in vertikaler Richtung, gemäß der folgenden Konvention im BBD Portal visualisiert: - die grüne Farbe entspricht den virtuellen PS, deren mittlere Geschwindigkeit sehr gering ist, zwischen -2,0 und +2,0 mm/Jahr, d.h. im Empfindlichkeitsbereich der PSI Technologie; - in den Farben von gelb bis rot werden diejenigen virtuellen PS mit negativer Bewegungsrate visualisiert, d.h. Bewegungen nach Westen; - mit den Farben von türkis bis blau werden diejenigen virtuellen PS mit positiver Bewegungsrate visualisiert, d.h. Bewegungen nach Osten. Die Präzision der dargestellten PSI Daten liegt in der Größenordnung von typischerweise +- 2 mm/Jahr für die mittlere Geschwindigkeit.
Die Schadstoffentstehung von NO und CO im Bereich der kalten Zylinderwand waehrend der Expansion in einem Kolbenmotor soll durch Simulation des Verbrennungsprozesses in einem Stosswellenrohr untersucht werden. Die Wand des Hubraumes wird durch die Rueckwand des Stossrohres dargestellt. Der an der Rueckwand des Stossrohres reflektierte Stoss zuendet ein Gasgemisch, das O2, N2, CH4 im Argonbad enthaelt. Ein fuer optische Untersuchungen an der Rueckwand geeignetes Stosswellenrohr wurde aufgebaut und in Betrieb genommen. Interferometrische Messungen (raeumlich und zeitlich aufgeloest) des Brechungsindexes in wandparallelen Schichten im Bereich der kalten Wand mittels Laserstrahlen und Messungen des Waermestromes in die Rueckwand des Stossrohres bei zuendfaehigen Gasgemischen wurden abgeschlossen. Die experimentellen Daten dienen zur Ueberpruefung des theoretischen Modells im Bereich der Wand (s. Projekt 16/9/9). Geplant sind zeitlich und raeumlich aufgeloeste Absorptionsmessungen von NO, OH im UV-Bereich. Weiter soll im IR-Bereich die Emission von CO2, CO und H2O gemessen werden. Ausserdem soll die Intensitaet der Reaktionskontinua (CO + O = CO2, NO + O = NO2) bestimmt werden.
Sichere und grundlastfähige erneuerbare Energiequellen sind essentiell für das Erreichen globaler Klimaziele. Die Tiefengeothermie kann Wärme und Strom unabhängig von Wetterbedingungen liefern und spielt eine Schlüsselrolle bei dem Vorantreiben der grünen Energiewende. Mit unserem Vorhaben gehen wie die Hauptfaktoren, die ein schnelleres Wachstum des Geothermiesektors verzögern, an: lange Amortisationszeiten und hohe sozio-ökonomische Risiken im Zusammenhang mit induzierter Seismizität. Hauptrisiken der Tiefengeothermie sind hohe Unsicherheiten über die Existenz, Lage und Orientierung geologischer Strukturen im Untergrund und die daraus resultierende hohe Unsicherheit über das Potential seismische Ereignisse zu induzieren. In diesem Teilvorhaben wollen wir in beiden Aspekten Fortschritte machen, in dem wir dynamische seismologische Modelle des Untergrunds erarbeiten. Aus der Kombination der innovativen seismischer Verfahren der Migration und Interferometrie werden wir dynamische Modelle erarbeiten. Diese Modelle verdeutlichen die seismische Reaktion des Untergrundes auf temporäre Veränderungen von Spannungen. Dazu werden Herdflächenlösungen mit Änderungen von seismischen Geschwindigkeiten korreliert. Ziel ist das Abschätzen von Schwellenwerten für Spannungsänderungen, die lokale Seismizität auslösen können. Die Interpretation dieser lokalen Änderungen in Hinblick auf eine geothermische Nutzung des Untergrunds hilft der Standortauswahl und somit der Reduzierung der seismischen Gefährdung. Wir werden einen neuen Arbeitsablauf entwickeln, um die seismische Gefährdung durch Tiefengeothermie in der Niederrheinischen Bucht abzuschätzen. Dieser Arbeitsablauf wird einen räumlich aufgelösten Erdbebengefährdungsindex beinhalten, der auf intuitive Weise die seismische Gefährdung der Region kommuniziert.
Die Trockengebiete der Erde waren und sind besonders anfällig für klimatische Änderungen. Gleichzeitig sind sie der Lebensraum für mehr als 2 Milliarden Menschen. Aufgrund der Größe der Räume, der in weiten Teilen schlechten infrastrukturellen Ausstattung und den häufig widrigen Umweltbedingungen weist der Forschungsstand zu den Raten der Landschaftsveränderungen noch große Lücken auf. Schon seit mehreren Jahrzehnten werden Fernerkundungsdaten intensiv zum Monitoring von Trockenräumen eingesetzt. Aber gerade in Bezug auf geomorphologischen Prozesse und Prozessraten stoßen optische Fernerkundungsmethoden häufig an ihre Grenzen. Im Rahmen dieses Projektes wird daher die Eignung von Radardaten zur Charakterisierung von Oberflächen untersucht. Mit den beiden Satelliten der Sentinel-1 Reihe der ESA (European Space Agency) steht ein modernes SAR (Synthetic Aperture Radar) mit einer räumlichen Auflösung von unter 15 m pro Bildpunkt kostenfrei zu Verfügung. Trockenräume sind aufgrund der geringen Vegetationsbedeckung für den Einsatz von Radarfernerkundung besonders geeignet, da Vegetation zu Volumenstreuung des Signals führt und dieses somit verfälscht. Im Rahmen der Untersuchungen sollen sowohl die SAR-Intensitäten als auch interferometrischen Kohärenzen zur raumzeitlichen Charakterisierung von Landoberflächen getestet werden. Als Testgebiet wurde das Orog-Nuur-Becken im Süden der Mongolei ausgewählt. Die Region zeichnet sich durch eine Vielzahl von unterschiedlichen Landoberflächen und geomorphologischen Prozessen aus. Hierzu gehören u.a. ehemalige Seesedimente, welche durch aktuelle periglaziale Prozesse modifiziert werden, Dünen, große Strandwälle aus Kiesen und insbesondere eine Vielzahl unterschiedlicher Schwemmfächeroberflächen. Die verschiedenen Oberflächen werden vor Ort detailliert geomorphologisch erfasst und beschrieben. Ein Schwerpunkt der Arbeiten ist die Erstellung von hochgenauen Orthophotos und digitalen Geländemodellen aus Drohnenaufnahmen. Da die Oberflächenrauigkeit das Rückstreusignal des SAR Systems stark beeinflusst, können mit Hilfe der Geländemodelle detaillierte Rauigkeitsanalysen für unterschiedliche räumliche Skalen durchgeführt werden. Abschließend werden die Geländebefunde und die morphometrischen Analysen mit den Radardaten verglichen um eine genaue Charakterisierung der unterschiedlichen Oberflächen aus Fernerkundungsdaten zu erreichen. Stellt sich die Eignung der Radardaten für eine detaillierte Charakterisierung der Oberflächen in Trockenräumen heraus, bietet sich hier eine neue Methode für ein detailliertes Monitoring dieser sensiblen Landschaftsräume. Gerade in Gebieten mit einer hohen Variabilität, ist eine detaillierte und zeitlich dichte Beobachtungsreihe, wie sie das Sentinel-System bietet, von großer Bedeutung.
Eine Fülle an wissenschaftlichen Studien hat sich mit der Reaktion der stratosphärischen und troposphärischen Dynamik auf vulkanische Aerosole beschäftigt. Wegen der geringen Anzahl an gut beobachteten großen Eruptionen sowie der internen Variabilität des Systems gibt es zwar immer noch einige unbeantwortete Fragen, aber dennoch einen allgemeinen Konsens dass große Eruptionen insbesondere zu einer Beschleunigung der stratosphärischen Meridionalzirkulation, einer Verstärkung des stratosphärischen Polarwirbels und einer troposphärischen Reaktion auf diese stratosphärische Anomalien führen. Wenig ist hingegen über die Auswirkung auf die Mesosphäre bekannt. Es gibt indirekte Hinweise auf Temperaturanomalien durch die Beobachtung von polaren mesosphärischen Wolken (PMC) sowie direkte aus Lidarbeobachtungen nach der Pinatuboeruption. Der potenzielle Mechanismus dahinter ist allerdings weitgehend unbekannt. Unser Projekt möchte diese Wissenslücke schließen.In Phase I von VolDyn konnten wir zeigen, dass Daten des HALOE (Halogen Occultation Experiment) Satelliteninstruments, welches seine Beobachtung kurz nach dem Pinatuboausbruch aufnahm, auf positive Temperaturanomalien in der oberen Mesosphäre hindeuten, die möglicherweise mit dieser Eruption zusammenhängen. Erste Simulationen mit dem UA-ICON (upper atmosphere icosahedral non-hydrostatic) Modell zeigen für die Sommerhemisphäre einen starken Einfluss der stratosphärischen Zirkulationsanomalien auf die Mesosphäre. Derzeit untersuchen wir inter-hemisphärische Kopplungsprozesse.In Phase II von VolDyn werden wir weiterhin UA-ICON nutzen, um die Sensitivität der mesosphärischen Störung systematisch auf spezifische Charakteristika einer Eruption zu untersuchen, etwa die emittierte Schwefelmasse, den Breitengrad der Eruption oder die Jahreszeit während des Ausbruches.Da die mesosphärischen Anomalien wahrscheinlich sensitiv gegenüber der Charakteristik von stratosphärischen Zirkulationsanomalien sind, wollen wir die Pinatuboeruption (der größte Vulkanausbruch in der Satellitenära) und ihren Einfluss bis in die Mesosphäre so realistisch wie möglich simulieren und dabei auf ein Nudging der Stratosphäre zurückgreifen. Unser Ziel besteht darin, nicht nur einen qualitativen, sondern auch einen quantitativen Vergleich mit existierenden Beobachtungen zu ziehen – etwas, dass für andere massive Eruptionen wie die des Tambora oder Krakatau nicht möglich ist. Um die Simulationsergebnisse mit Beobachtungen zu vergleichen, werden wir praktisch alle verfügbaren Temperaturmessungen nutzen, welche die Mesosphäre zum Zeitpunkt des Pinatuboausbruches (oder kurz danach) erfasst haben.Nicht nur die Zirkulation, sondern auch Wasserdampfanomalien könnten zu den beobachteten PMC-Signalen beigetragen haben. Aus diesem Grund wollen wir den Transport von vulkanischem Wasserdampf bis in die polare Sommermesopausenregion in weiteren Modellstudien analysieren.
Das Vorhaben zielt auf die Verbesserung von geodätischen Gletschermassenbilanzen ab. Neben einer Verbesserung der absoluten Genauigkeit wird vor allem auch eine verbesserte Fehlerquantifizierung/-abschätzung angestrebt. Zunächst werden Höhen- und Volumenänderungen aus der Differenzierung von digitalen Geländemodellen unterschiedlicher Zeitpunkte und Quellen bestimmt. Diese werden durch verschieden Verfahren wie Photogrammetrie und SAR Interferometrie (insbesondere der deutschen TanDEM-X Mission) gewonnen. Die derzeitigen Schwierigkeiten der geodätischen Methode resultieren vor allem aus Unsicherheiten der Eindringtiefe des Radarsignals bei trockenem Schnee bzw. gefrorener Schneedecke sowie bei der anschließenden Konvertierung von Volumen- in Massenänderungen, durch die Annahme eines Dichtewertes oder Dichteprofils. Hier soll durch den Einsatz eines gekoppelten Gletschermassenhaushalt- und Firnkompaktionsmodell zusammen mit den Fernerkundungsergebnisse eine entscheidende Verbesserung erzielt werden. Um das Modell und die Untersuchungen zu initialisieren und zu validieren, sollen Felderhebungen durchgeführt werden sowie auf einen sehr umfangreichen Datenbestand des Antragstellers und der tschechischen und argentinischen Kooperationspartner zurückgegriffen werden. Um Effekte und mögliche Fehler durch das Eindringen des x-Band Radarsignals besser quantifizieren zu können, werden Aufnahmen mit Sommer und Wintersituationen untersucht und mit GNSS Referenzdaten aus Geländeerhebungen verifiziert. Ferner werden die Ergebnisse der geodätischen Methode mit dem sogenannten Input-Output Verfahren ('flux gate approach') verglichen, um eine zusätzliche Absicherung der Ergebnisse zu erzielen. Das Projekt wird in enger Kooperation mit tschechischen Wissenschaftlern der Universitäten in Brno und Prag sowie mit Kollegen des Argentinischen Antarktisinstituts durchgeführt. Als Testgebiet wurde James Ross Island, an der nordöstlichen Spitze der Antarktischen Halbinsel, ausgewählt. Auch wenn die Untersuchungsregion in der Antarktis liegt, so sollen primär methodische Entwicklungen durchgeführt werden, die auf andere Standorte übertragbar sind. Der vorgeschlagene Standort bietet aufgrund der vorhanden Datenlage und Vorarbeiten sowie der internationalen Kooperation und logistischen Möglichkeiten ideale Voraussetzungen, die zu keinen nennenswerten Mehrkosten gegenüber anderen Standorten mit vergleichbaren Gletschergrößen führen. Zudem zeigen Vorarbeiten, dass die beobachteten Höhenänderungen der Gletscher auf einem kleinen Gebiet sehr unterschiedlich sind und daher in einem Gebiet unterschiedliche Magnituden, Richtungen und Mechanismen der Änderungen sowie unterschiedliche meteorologische Bedingungen untersucht werden können. Eine Situation und Konstellation, die an kaum einem anderen Standort derart gut vorliegt.