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Antarktische Schelfeissysteme im Wandel: Numerische Simulation von Vorstoß und Rückzug, Gründen und Aufschwimmen des Eises bei sich ändernden Klimabedingungen

Antarktische Schelfeissysteme werden als besonders klimasensitiv eingestuft, da schon geringe Änderungen der Randbedingungen (Meeresspiegelhöhen; Akkumulationsraten) zu einem Vorstoß bzw. Rückzug der Eisfront und zu stellenweisen Gründen bzw. Aufschwimmen des Eiskörpers führen können. Mit einem erweiterten numerischen Schelfeis-Inlandeis-Fließmodell soll die glaziale Entwicklung solcher Systeme für verschiedene Klimaszenarien erstmals detailliert simuliert werden. Dadurch sind neue grundlegende Erkenntnisse über Art und Ausmaß der Auswirkungen unterschiedlicher Veränderungen auf die Fließdynamik und Geometrie des Eiskörpers zu erwarten. Sensitivitätsstudien für Schelfeissysteme mit stark vereinfachter Geometrie sollen dazu beitragen, insbesondere die Rolle von Eiskuppeln, Eishöckern und Bruchstrukturen bei sich ändernden klimatischen/glaziologischen Randbedingungen besser zu verstehen und quantitativ beschreiben zu können. Darauf aufbauend liegt eine weitere Zielsetzung dieses Vorhabens in der Abschätzung der Reaktion des Filchner-Ronne-Schelfeises auf veränderten Massenfluss zwischen Eiskörper und Ozean. Wir gehen davon aus, dass die so gewonnenen Erkenntnisse sich auch auf andere west- und ostantarktischen Saumschelfeise anwenden lassen. Damit wird ein Beitrag zum besseren Verständnis der Reaktion westantarktischer Schelfeise auf großskalige anthropogene Klimaänderungen erbracht.

Soil moisture in mountainous terrain and its influence on the thermal regime in seasonal and permanently frozen terrain

In many geoscientific problems, the water content of the near subsurface plays a major role not only regarding the energy and water budget of the soils and at the atmosphere-subsurface interface, but also regarding stability issues on sloping mountainous terrain. This includes the influence of water content on the thermal and hydraulic conductivity of frozen soil as well as the influence of latent heat during freeze and thaw processes. In spite of this importance, soil moisture is currently not measured operationally at middle or high altitudes, where a seasonally and perennially frozen subsurface (permafrost) prevails. The proposed project will close this gap regarding data availability and process understanding about the influence of spatially and temporally variable water content on the ground thermal regime in the context of freezing and thawing processes. Specifically, the project aims at: 1) setting up a network of soil moisture monitoring stations at middle and high altitudes in Switzerland 2) applying innovative geophysical approaches to determine the 2-dimensional distribution of liquid water and ice content 3) using the coupled heat and mass transfer subsurface model COUP to estimate the influence of temporally and spatially changing soil moisture on the thermal regime of partly and permanently frozen ground. The combination of a new, operationally maintained soil moisture network, novel geophysical approaches for analyzing the spatial variability and the transient subsurface simulations including all important energy and water fluxes will allow a detailed assessment of the influence of temporally varying water content on the future evolution of the subsurface thermal regime in the mountainous regions of Switzerland.

Tsunami flow depth in Lima/Callao caused by a historic event for varying bottom roughness simulated with the models Tsunami-HySEA and TsunAWI

This data collection contains inundation maps in Lima and Callao (Peru) based on tsunami simulations with two numerical wave propagation and run-up models (Tsunami-HySEA and TsunAWI) for a range of Manning values between 0.015 and 0.06, where constant values were applied in the whole model domain. The simulations were carried out in the framework of the RIESGOS project (https://www.riesgos.de/en/). The source is based on the historic event from October 1746, the parameters are derived from the study Jimenez et al. (2013). The moment magnitude is prescribed to Mw 9.0, the source area is split into five sub-faults, with inhomogeneous slip distribution and static deformation at time zero (this means no kinematic source model). The flow depth distribution in Lima/Callao after four hours simulation time obtained by the two models is interpolated to raster files and provided in geoTIFF format.

Chhota Shigri Glacier simulations and cosmogenic nuclide data

The files in this dataset are supplementary to the article of Scherler and Egholm (2020), in which experiments with the ice flow and landscape evolution model iSOSIA (Egholm et al., 2011) have been conducted to analyze the production and transport of cosmogenic 10Be in the catchment of the Chhota Shigri Glacier, India. This dataset contains different subsets, including the source code of the model, results from different models and time steps (see Scherler and Egholm, 2020a), and the sample data. The model code is a further development of iSOSIA (Integrated second order shallow ice approximation). The new branch (iSOSIA Version 3.4.3) is published by Egholm and Scherler (2020, https://doi.org/10.5880/fidgeo.2020.032) and also included in the "2020-004_Scherler-Egholm_modelcode" folder of this data publication.

Dataset for numerical modeling to investigate conditions leading to single- or multi-slab plume-induced subduction initiation

The data are the numerical modeling results to investigate plume-induced subduction initation on which the figures of the paper "Plume-induced subduction initiation: single- or multi-slab subduction?" by Baes, Sobolev, Gerya and Brune are based. Detailed description on how they are obtained is given in that article (Baes et al., 2020).The naming of the files is based on the number of figures in the paper. Each zipped file contains input files (init.t3c and mode.t3c) and output files (*.vtr).

VOLcanic conduit processes and their effect on PROjectile eXit dYnamics (VOLPROXY)

Volcanic projectiles are centimeter- to meter-sized clasts – both solid-to-molten rock fragments or lithic eroded from conduits – ejected during explosive volcanic eruptions that follow ballistic trajectories. Despite being ranked as less dangerous than large-scale processes such as pyroclastic density currents (hot avalanches of gas and pyroclasts), volcanic projectiles still represent a constant threat to life and properties in the vicinity of volcanic vents, and frequently cause fatal accidents on volcanoes. Mapping of their size, shape, and location in volcanic deposits can be combined to model possible trajectories of projectiles from the vent to their final position, and to estimate crucial source parameters of the driving eruption, such as ejection velocity and pressure differential at the vent. Moreover, size and spatial distributions of volcanic projectiles from past eruptions, coupled with ballistic modelling of their trajectory, are crucial to forecast their possible impact in future eruptions. The reliability of such models strongly depends on i) the appropriate physical functions and input parameters and ii) observational validations. In this study, we aimed to unravel intra-conduit processes that strongly control the dynamic of volcanic projectiles by combining numerical modelling and novel experimentally-determined source parameter. In particular, the multiphase ASHEE model (Cerminara 2016; Cerminara et al. 2016) suited for testing post-fragmentation conduit dynamics based on a robust shock tube experimental dataset. By exploding mixtures of pumice and dense lithic particles within a specially designed transparent autoclave, and by using a raft of pressure sensors, ultra-high-speed cameras and pre-sieved natural particles, we observed and quantified: i) kinematic data of the particles and of the gas front along the shock tube and outside, ii) pressure decay at 1GHz resolution. By feeding the ASHEE model with these datasets, and using initial and boundary conditions similar to that of the experiment, we defined domains composed by a pressurized shock tube and the outside chamber at ambient conditions, and tested particles particle motion according to a Lagrangian approach, as well as gas flow with a Eulerian approach (a 3D finite-volume numerical solver, compressible). The comparison between data and model yields estimate of the particle kinematic inside the tube, the pressure evolution at the top and the bottom of the tube, and the eruption source parameters at the tube exit.

Morphological impacts and coastal risks induced by extreme storm events (MICORE)

Objective: The project is specifically targeted to contribute to the development of a probabilistic mapping of the morphological impact of marine storms and to the production of early warning and information systems to support long-term disaster reduction. A review of historical storms that had a significant impact on a representative number of sensitive European sites will be undertaken. The nine sites are selected according to wave exposure, tidal regime and socio-economical pressures. They include outmost regions of the European Union at the border with surrounding states (e.g. the area of the Gibraltar Strait, the Baltic and Black Sea). All data will be compiled into in a homogeneous database of occurrence and related socio-economic damages, including the following information on the characteristics of the storms, on their morphological impacts, on the damages caused on society, on the Civil Protection schemes implemented after the events. Monitoring of selected sites will take place for a period of one year to collect new data sets of bathymetry and topography using state-of-the-arts technology (Lidar, ARGUS, Radar, DGPS). The impact of the storms on living and non-living resources will be done using low-cost portable GIS methods.

Entscheidungsgrundlagen und Hilfsmittel für die Planung von TBM-Vortrieben in druckhaftem Gebirge

Kurzbeschreibung: Um die Bauzeit neuer, unterirdisch geführter Verkehrswege zu verkürzen und in einigen Fällen eine wirtschaftlich vertretbare Realisierung überhaupt zu ermöglichen, wird oft der Einsatz einer Tunnelbohrmaschine (TBM) angestrebt. Druckhaftes Gebirge kann, wenn in häufigen Intervallen oder entlang eines langen Streckenabschnittes angetroffen wird, die Wirtschaftlichkeit oder gar die Machbarkeit eines TBM-Vortriebes in Frage stellen. Ausgehend von grundlagenorientierten Forschungsergebnissen, die in den letzten Jahren an der ETH Zürich erhalten wurden, sollen beim vorliegenden Forschungsprojekt Entscheidungsgrundlagen erarbeitet und Hilfsmittel für die Projektierung bereitgestellt werden. Bei der Beurteilung der Machbarkeit eines maschinellen Vortriebes in einem konkreten Fall stützt sich der Projektingenieur auf Erfahrungen, Plausibilitätsüberlegungen und tunnelstatische Berechnungen. Die Arbeitspakete des Forschungsvorhabens tragen Rechnung diesen Grundlagen der Entscheidungsfindung. In einer ersten Phase werden die Erfahrungen aus ausgeführten Projekten, die im Schrifttum dokumentiert sind, aufgearbeitet und nach einheitlichen Gesichtspunkten dargestellt. Anschließend werden für die verschiedenen TBM-Typen die geotechnischen und verfahrenstechnischen Zusammenhänge verstanden, die spezifischen Gefährdungen und tunnelseitigen Lösungsansätze dargestellt, die relevanten Einflussfaktoren gegliedert und die zahlreichen Wechselwirkungen strukturiert und qualitativ analysiert. In einer dritten Phase, ausgehend von den bereits geleisteten Forschungsarbeiten der ETH Zürich, werden ausgewählte Fragestellungen vertieft studiert. Projektziele: Projektziele: Erarbeitung von Entscheidungsgrundlagen und Bereitstellung von Hilfsmitteln für die Projektierung von TBM-Vortrieben in druckhaftem Gebirge: - Aufarbeitung und einheitliche Darstellung von Erfahrungen aus ausgeführten Projekten, die im Schrifttum dokumentiert sind; - Verstehen der geotechnischen und verfahrenstechnischen Zusammenhänge, Darstellung der spezifischen Gefährdungen und der tunnelseitigen Lösungsansätze Gliederung der relevanten Einflussfaktoren und Strukturierung der zahlreichen Wechselwirkungen; - Herstellung von Nomogrammen, welche die einfache Ermittlung der für das Vermeiden eines Verklemmens des Schildes erforderlichen Vorschubkraft bzw. die Beurteilung der Gefahr 'Schildblockierung' ermöglichen und somit eine zweckmäßiges Hilfsmittel für die Projektierungsarbeit in der Praxis darstellen; - Gewinn von Erkenntnissen über die Vor- und Nachteile der verschiedenen Maschinentypen und Ausbaukonzepte je nach Tunneldurchmesser.

Forschergruppe (FOR) 350: Gefährdungspotential von Abwasser aus undichten Kanälen für Boden und Grundwasser, Teilprojekt: Prozessbasierte Erfassung des Stoffeintrags ins Grundwasser aus Kanalleckagen: Entwicklung eines Expertensystems (alt: Stofftransport und Stoffumsetzungen bei Versickerungen im Nahbereich von Kanalleckagen: Bilanzierung mit Hilfe eines numerischen Modellwerkzeugs)

Ziel des Projekts ist die Erfassung und Bilanzierung der strömungsmechanischen, chemischen und biologischen Prozesse des Stofftransports und der Stoffumsetzung sowie deren Zusammenwirken im Nahbereich von Kanalleckagen. Dazu ist die Anwendung bzw. Weiterentwicklung eines numerischen Modellwerkzeugs notwendig. Die Ermittlung der Parameter sowie die Validierung für das modular aufgebaute Modell erfolgt anhand der Ergebnisse unterschiedlicher Laborexperimente. Am IfH werden Versickerungsexperimente in einer Versuchsrinne zum Wasser- und Stofftransport in der ungesättigten Bodenzone durchgeführt. Die Stoffeigenschaften sowie die chemischen und biochemischen Umsetzungsprozesse bis hin zur Selbstabdichtung der Kanalleckagen ('bio-clogging') werden parallel in Säulenversuchen der Forschungsvorhaben des ISWW, IIBA, IPG, EBI und AGK untersucht. In einem Abwassermodellkanal wird das Zusammenwirken der Einzelprozesse untersucht und mit dem numerischen Modellwerkzeug bilanziert. Die mit dem Modell quantifizierbare Emission aus einer Kanalleckage wird in Zusammenarbeit mit dem Forschungsvorhaben des AGK über einen auf einer einfachen Parametrisierung basierenden Bilanzierungsansatz in eine Immission auf regionaler Skala ins Grundwasser transformiert. Späterer Projekttitel: Prozessbasierte Erfassung des Stoffeintrags ins Grundwasser aus Kanalleckagen: Entwicklung eines Expertensystems

A database of R-R-R triple junction analogue and numerical models

This dataset presents the raw data from two experimental series of analogue models and four numerical models performed to investigate Rift-Rift-Rift triple junction dynamics, supporting the modelling results described in the submitted paper. Numerical models were run in order to support the outcomes obtained from the analogue models. Our experimental series tested the case of a totally symmetric RRR junction (with rift branch angles trending at 120° and direction of stretching similarly trending at 120°; SY Series) or a less symmetric triple junction (with rift branches trending at 120° but with one of these experiencing orthogonal extension; OR Series), and testing the role of a single or two phases of extension coupled with effect of differential velocities between the three moving plates. An overview of the performed analogue and numerical models is provided in Table 1. Analogue models have been analysed quantitatively by means of photogrammetric reconstruction of Digital Elevation Model (DEM) used for 3D quantification of the deformation, and top-view photo analysis for qualitative descriptions. The analogue materials used in the setup of these models are described in Montanari et al. (2017), Del Ventisette et al. (2019) and Maestrelli et al. (2020). Numerical models were run with the finite element software ASPECT (e.g., Kronbichler et al., 2012; Heister et al., 2017; Rose et al., 2017).

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