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Steady-State Dilution and Mixing-Controlled Reactions in Three-Dimensional Heterogeneous Porous

Das Projekt "Steady-State Dilution and Mixing-Controlled Reactions in Three-Dimensional Heterogeneous Porous" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Eberhard Karls Universität Tübingen, Zentrum für Angewandte Geowissenschaften (ZAG), Arbeitsgruppe Hydrogeology durchgeführt. Understanding transport of contaminants is fundamental for the management of groundwater re-sources and the implementation of remedial strategies. In particular, mixing processes in saturated porous media play a pivotal role in determining the fate and transport of chemicals released in the subsurface. In fact, many abiotic and biological reactions in contaminated aquifers are limited by the availability of reaction partners. Under steady-state flow and transport conditions, dissolved reactants come into contact only through transverse mixing. In homogeneous porous media, transverse mixing is determined by diffusion and pore-scale dispersion, while in heterogeneous formations these local mixing processes are enhanced. Recent studies investigated the enhancement of transverse mixing due to the presence of heterogeneities in two-dimensional systems. Here, mixing enhancement can solely be attributed to flow focusing within high-permeability inclusions. In the proposed work, we will investigate mixing processes in three dimensions using high-resolution laboratory bench-scale experiments and advanced modeling techniques. The objective of the proposed research is to quantitatively assess how 3-D heterogeneity and anisotropy of hydraulic conductivity affect mixing processes via (i) flow focusing and de-focusing, (ii) increase of the plume surface, (iii) twisting and intertwining of streamlines and (iv) compound-specific diffusive/dispersive properties of the solute species undergoing transport. The results of the experimental and modeling investigation will allow us to identify effective large-scale parameters useful for a correct description of conservative and reactive mixing at field scales allowing to explain discrepancies between field observations, bench-scale experiments and current stochastic theory.

Effect of lake level rise on vertical transport and mixing processes in Lake Van (Turkey)

Das Projekt "Effect of lake level rise on vertical transport and mixing processes in Lake Van (Turkey)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Konstanz, Limnologisches Institut durchgeführt. Lake Van ist der größte See der Türkei. Er ist abflusslos und sein Wasser ist stark salzhaltig (21 g kg-1). Wegen des hohen Salzgehaltes ist zu erwarten, dass vertikale Mischungsprozesse im Lake Van sehr sensitiv auf erhöhte Süßwassereinträge reagieren. In diesem Projekt werden die für den vertikalen Transport im Lake Van verantwortlichen Prozesse identifiziert und der vertikale Austausch quantifiziert. Es wird untersucht, wie sich Seespiegelschwankungen (als Indiz für veränderte hydrologische Bedingungen), auf die Tiefenwassererneuerung und die Mischungsprozesse auswirken. Die Arbeit wird ihre Analysen auf Informationen aus einem breiten Spektrum von Umwelttracern stützen (Temperatur, Salzgehalt, Lichttransmission, gelöster Sauerstoff, SF6, CFC-12, 3H, 3He und weitere Edelgase). Die entsprechenden Daten und Proben für Laboranalysen werden in zwei Feldkampagnen auf dem Lake Van erhoben. Der Seespiegelanstieg des Lake Van in den letzen Jahrzehnten bietet eine ausgezeichnete Möglichkeit, die Auswirkung von Veränderungen in den hydrologischen Bedingungen im Einzugsgebiet auf die Mischungsdynamik in salzhaltigen Seen zu untersuchen. Insbesondere ist dies der Fall, da am Lake Van neue Tracermessungen mit einem bereits vorhandenen Datensatz verglichen werden können, der 1989 kurz nach Beginn des letzten signifikanten Seespiegelanstiegs erhoben wurde. Eine Veränderung der Mischungsdynamik hat eine Auswirkung auf die Wechselwirkungen im Ökosystem und kann so Signale in Sedimentkernen beeinflussen. Daher liefert dieses Projekt wichtige Hintergrundinformation für die Interpretation paläolimnologischer Daten aus Sedimentkernen. Dies ist von besonderem Interesse, da der Lake Van als vielversprechender Ort für ein 'International Continental Drilling Project' (ICDP) ausgesucht wurde, um Klimaveränderung mit Hilfe von Sedimentkernen zu studieren. Darüber hinaus beabsichtigt die Gruppe für Umweltisotope an der ETH/EAWAG (Schweiz) Edelgase im Porenwasser von Lake Van - Sedimenten zu untersuchen. Das Ziel dieser Arbeiten ist eine Rekonstruktion der Mischungsbedingungen im Lake Van und der paläoklimatischen Bedingungen während des Holozäns (das Projekt ist eingereicht bei der Swiss Science Foundation SNF). Das Project MIXVAN wird eng mit der Gruppe für Umweltisotope an der ETH/EAWAG (Schweiz) zusammenarbeiten, die dem Projekt die Nutzung ihrer Labors zur Analyse von transienten Tracern ermöglicht.

Upwelling in the Atlantic sector of the Southern Ocean

Das Projekt "Upwelling in the Atlantic sector of the Southern Ocean" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bremen, Institut für Umweltphysik, Abteilung Ozeanographie durchgeführt. Upwelling is an important process in setting the characteristic of the mixed layer. Upwelling also provides a pathway for gases, nutrients, and other compounds from the ocean's interior into the mixed layer and ultimately into the atmosphere. Since the upwelling velocities are small, they cannot be measured directly. Recently, Rhein et al. (2010) exploited the helium isotope disequilibria found in the equatorial eastern Atlantic to infer upwelling speeds, upwelling rates, and vertical heat fluxes between the mixed layer and the ocean's interior. The disequilibrium in the mixed layer is caused by upwelling of 3He-enriched water from the interior. The surplus 3He is introduced into the deep ocean by hydrothermal activities.A first survey of historical Helium isotope data in the Antarctic Circumpolar Current (ACC) and the Weddell Sea showed, that the mixed layer is also enriched with 3He, which in summer months is supplied by upwelling of water from below the mixed layer. Although the first estimates of upwelling velocities from the historical data set look promising, the present Helium data lack a sufficient resolution in the upper 200-300m to determine the horizontal and vertical He gradients, necessary for the compilation of the upwelling velocity and of the contribution of diapycnal mixing. Here we propose to take the historical He data, and a new dedicated He data sets to be taken in November 2010 - February 2011 during the POLARSTERN cruise ANT 27/2 and January- February 2012 during POLARSTERN cruise ANT28/3 to calculate upwelling speeds and -rates in the Weddell Sea and the ACC, as well as heat fluxes between the interior and the mixed layer.This proposal is part of the Cluster ' Eddies and Upwelling: Major Factors in the Carbon Budget ofthe Southern Ocean'

Process study of vertical mixing near the sea floor inside the central valley of the Mid-Atlantic Ridge near 37°N

Das Projekt "Process study of vertical mixing near the sea floor inside the central valley of the Mid-Atlantic Ridge near 37°N" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung, Fachbereich Klimawissenschaften, Sektion Physikalische Ozeanographie der Polarmeere durchgeführt. Vertical mixing associated with dissipation of turbulent kinetic energy sustains the circulation of the deep and abyssal ocean. New evidence is emerging that the highest mixing rates are found within the central valleys and ridge flank (transform) canyons of mid-oceanic ridge systems. An expedition is proposed to take place in August 2010 during which near-bottom oceanographic and marine-geologic measurements will be carried out in the central valley of the Mid-Atlantic Ridge near 37°N, using an autonomous underwater vehicle (AUV), complemented by 'classical' lowered and mooring-based techniques. It is currently unclear, which physical mechanisms control the intense turbulent dissipation in deep ocean canyons. Recent studies point to a potential role of hydraulic jumps, which have been observed in shallow water studies. We aim at testing whether tidally varying hydraulic jumps can explain the observed large vertical mixing over a sill in the central valley. To resolve the jumps AUV-based high-resolution horizontal fields of near-bottom turbulent kinetic energy dissipation and of flow velocities will be obtained. Further, high-resolution AUV multi-beam echo sounder mapping will allow us to study (i) the relationship between vertical mixing processes and the bathymetry, and (ii) the dynamic processes underlying the 'mixing active' morphology.

Tracing continental weathering and water mass mixing in the Atlantic sector of the Southern Ocean with neodymium and hafnium isotopes

Das Projekt "Tracing continental weathering and water mass mixing in the Atlantic sector of the Southern Ocean with neodymium and hafnium isotopes" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von IFM-GEOMAR Leibniz-Institut für Meereswissenschaften durchgeführt.

Änderungen der Cant Speicherung und Änderungen in den Bildungsraten für Zwischen- Tiefen- und Bodenwasser im globalen Ozean, 1982 - 2015

Das Projekt "Änderungen der Cant Speicherung und Änderungen in den Bildungsraten für Zwischen- Tiefen- und Bodenwasser im globalen Ozean, 1982 - 2015" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Hamburg, Fachbereich Geowissenschaften, Institut für Meereskunde durchgeführt. Die erste Antragsphase war auf die Bildungsraten und die Speicherung von anthropogenem Kohlenstoff (Cant) im Antarktischen Zwischenwasser (AAIW) fokussiert. Mit Hilfe von Freon (CFC) Daten konnten wir eine signifikante Reduktion der AAIW Bildungsrate von den 1990ern zu den 2000ern Jahren feststellen. Dies führte zu einer geringeren Steigerung der Cant Speicherung als vom atmosphärischen Cant Anstieg und einem unveränderten Ozean zu erwarten war. Um den Schwierigkeiten mit den Randbedingungen auszuweichen (Pazifisches AAIW strömt über die Drake Passage auch in den Atlantik und weiter in den Indischen Ozean) planen wir nun ein globales Vorgehen um in allen Ozeanen die Bildungsraten und Cant Speicherungen in den Zwischen- Tiefen- und Bodenwassermassen zu berechnen. Darüber hinaus wird der Zeitraum bis 2015 ausgedehnt, und wo immer die Datenlage es zulässt, Pentaden- anstatt Dekadenmittelwerte gebildet. Verwendet wird der aktualisierte GlODAPv2 Datensatz und eigene Daten.Die Berechnungen aus den Beobachtungen werden mit den Ergebnissen eines wirbelauflösenden globalen Ozeanmodells (1/10 Grad) kombiniert. Das POP Modell (Los Alamos Laboratory Parallel Ocean Program) mit eines horizontalen Auflösung von 0.1 Grad und 42 Tiefenstufen wird für die letzten 20 Jahre mit einem realistischen Forcing angetrieben und enthält außerdem die Freone als Tracer. Neben dem Vergleich mit einem klimatologischen Antrieb wird das Modell zur Weiterentwicklung der Tracer-Methode verwendet wir z.B. die Unsicherheit von zu wenig Datenpunkten und der Extrpolationsroutine auf die Bildungsraten / Cant Speicherungen. Ein weiterer wichtiger Punkt wird die Bestimmung der TTDs aus Lagrange Trajektorien und der Vergleich mit TTDs aus Tracermessungen sein, sowie die Untersuchung der Rolle der Wirbel, der Vermischung durch Wirbel und der vertikalen Vermischung.

Retrieval of Atmospheric State variables from GLORIA limb emission spectral images (RASGLO)

Das Projekt "Retrieval of Atmospheric State variables from GLORIA limb emission spectral images (RASGLO)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Meteorologie und Klimaforschung - Atmosphärische Spurenstoffe und Fernerkundung (IMK-ASF) durchgeführt. The aim of this project is to analyze processes controlling upper troposphere / lowermost stratosphere exchange by means of GLORIA remote sensing data during the TACTS, POLSTRACC and CIRRUS-RS measurement campaigns. GLORIA is a gimballed limb observer for radiance imaging of the atmosphere based on imaging FTIR spectrometer technology, mounted in the belly pod of the HALO aircraft. Special instrument modes allow for tomographic measurements of mesoscale events in full 3-D with unprecedented spatial resolution and the derivation of a wide variety of atmospheric constituents. In the first funding period of this project, methods and algorithms for the analysis of tomographic measurements as well as more advanced cloud detection schemes were developed. In the second part of the project (as requested here), preparatory work for the retrieval of temperature, water vapor, CFC-11, PAN, ozone, SF6, HDO, and several other species will be completed, including a detailed analysis of retrieval uncertainties. 2-D and 3-D fields of these species will be derived from real GLORIA measurements obtained during the TACTS, POLSTRACC, and CIRRUS-RS campaigns, followed by detailed quality analysis of the retrieval performance and the products. After that, scientific analyses of this data with respect to mixing events and condensational processes in the upper troposphere and lowermost stratosphere will be performed.

U-Th-Ra disequilibria in basalts from the Mid-Atlantic Ridge 6-11 S: Constraints on melting, mixing and time-scales of magmatic processes

Das Projekt "U-Th-Ra disequilibria in basalts from the Mid-Atlantic Ridge 6-11 S: Constraints on melting, mixing and time-scales of magmatic processes" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Erlangen-Nürnberg, Geowissenschaftliches Zentrum Nordbayern, Lehrstuhl für Endogene Geodynamik durchgeführt. We propose to study the U, Th, and Ra isotopic compositions of zero-age MORB samples from the slow-spreading Mid-Atlantic Ridge between 6 and 11 degree S. This part of the spreading axis shows large variations in axial depth, crustal thickness and samples melts with significant variations in major and trace element geochemistry as well as Sr, Nd, and Pb isotopic composition. The existing data indicates a complex interplay of variations in mantle sources, binary mixing and degree of magma differentiation during melt ascent. In the first year wie suggest to determine U, Th and Ra isotope compositions of fresh young samples along the axis and from young ( 200.000 years) near- axis seamounts to evalute the depth and extent of melting, the mantle composition, porosity and upwelling rate and the mixing processes along a propagating ridge segment. In the second year wie propose to investigate the timing of magma evolution and eruption processes on this spreading axis on the basis of U series isotope data and stratigraphic mapping and sampling of selected volcanic structures of the working area.

Vorhaben: Analoge Sandboxmodellierung von Clay Smear in Störungszonen

Das Projekt "Vorhaben: Analoge Sandboxmodellierung von Clay Smear in Störungszonen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von RWTH Aachen University, Fakultät 5 Georessorucen und Materialtechnik, Lehr- und Forschungsgebiet Tektonik und Geodynamik durchgeführt. Ziel des Vorhabens ist es, die mikrostrukturelle Entwicklung von Clay Smear in Wechselwirkung mit Mechanical Mixing sowie Zerkleinerungs- und Zementationsprozessen in Abhängigkeit von Mergeltyp und Störungsgeometrie in Kalk/Mergel Wechsellagerungen zu analysieren. Analoge Sandboxmodelle erlauben die detaillierte 3D und 4D Untersuchung der strukturellen Entwicklung von Clay Smear in hybriden Störungs- und Bruchsystemen. Es werden verschiedene Einflussgrößen wie Rheologie, Mächtigkeit, und Versenkung in 3D Parameterstudien im Labor untersucht. Hierauf basierend werden ausgewählte Versuche in 4D in einem medizinischen CT Scanner durchgeführt. Insgesamt sollen 2 Parameterstudien jeweils in 3D und in 4D durchgeführt werden. Die Messergebnisse werden segmentiert und bezüglich der Bruchentwicklung sowie der durch Clay Smear hervorgerufenen Barriereeigenschaften analysiert. Es erfolgt eine statistische Auswertung der Bruch- bzw. Störungsmuster. Insbesondere soll auch die räumliche Verteilung des Mergels innerhalb der Störungszone untersucht werden. Die Störungsentwicklung wird mittels PIV ausgewertet. Die Ergebnisse der Parameterstudien werden mit den Ergebnissen der DEM Simulationen (AP A) verglichen und als Eingangsparameter für Fluidflusssimulationen (AP C) zur Verfügung gestellt. Analog dazu sollen auch großmaßstäbliche (10m-100m Bereich) Störungsmuster, die durch die mechanische Entkopplung von mechanisch festen Kalksteinschichten durch 'weiche' zwischengeschaltete Mergellagen entstehen, untersucht werden. Eine Voraussetzung zur Bestimmung des Einflusses der mechanischen Stratigraphie auf die Entwicklung der Störungszone ist die Kenntnis der Rheologie und des Festigkeitsunterschieds der Modellmaterialien. Aus diesem Grund sollen die rheologischen Stoffkennwerte der Modellmaterialien bestimmt und vor dem Hintergrund der Realdaten der Gesteinsproben aus dem Gelände evaluiert werden.

Model coupling and complex structures - Evaporation-driven transport and precipitation of salts in porous media

Das Projekt "Model coupling and complex structures - Evaporation-driven transport and precipitation of salts in porous media" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Stuttgart, Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung durchgeführt. Degradation of the soil productivity due to salt accumulation (salinization) is a major concern in arid, semi-arid and coastal regions. Soil salinization is an old issue but encouraged irrigation practices have been rapidly increasing its intensity and magnitude in the past few decades. Studies have shown that excess of the irrigated water contributes significantly to evaporation from the bare soil surface and therefore to the salinization. In some parts of the world soil salinity has grown so acute that the agricultural lands have been abandoned. Evaporation salinization is mainly influenced by interaction between the flow and transport processes in the atmosphere and the porous-medium. On the atmosphere side, wind velocity, air temperature and radiation have a strong impact on evaporation. Furthermore, turbulence causes air mixing, influences the vapor transport and creates a boundary layer at the soil-atmosphere interface which indeed influences evaporation. On the porous-medium side, dissolved salt is transported under the influence of viscous forces, capillary forces, gravitational forces and advective and diffusive fluxes. The water either directly evaporates from the water-filled pores or it is transported to air due to diffusive processes. Continuous evaporation promotes salt accumulation and precipitation resulting in soil salinization. In the scope of this work we attempt to develop a model concept capable of handling flow, transport and precipitation processes related to evaporative salinization of an unsaturated porous-medium.

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