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s/physikalischer-prozess/Physikalischer Prozess/gi

Untersuchungen zur Rolle verschiedener Eisenquellen für die biologische Produktivität im Ozean mittels eines globalen Modells der Eisenisotopie

Eisen ist ein essenzieller Mikronährstoff für marine Organismen. Die Eisenverteilung im Ozean beeinflusst die Primärproduktion von Phytoplankton und dadurch die Aufnahme von Kohlendioxid im Ozean stark. Während wir langsam ein genaueres Bild der gegenwärtigen globalen Verteilung von gelöstem Eisen im Ozean bekommen, besteht noch kein Konsens in den Mechanismen, die diese Verteilung steuern, und vor allem in der Rolle der verschiedenen externen Eisenquellen für den Ozean (z.B. Eintrag durch Staub, aus Meeressedimenten, hydrothermalen Quellen und Flüssen). Einige dieser Quellen (z.B. Staubdeposition) werden sich stark mit dem laufenden Klimawandel ändern, andere, etwa der Eintrag aus Hydrothermalquellen, nicht. Wegen der Unsicherheit darüber, wie relevant die spezifischen Quellen sind, sind daher Vorhersagen zum zukünftigen Eisenkreislauf und damit zur Veränderung der Primärproduktion als Folge des Klimawandels stark erschwert.Eine neue Methode, die Rolle der verschiedenen Eisenquellen zu untersuchen, ist die Analyse der stabilen Isotopenzusammensetzung von gelöstem Eisen im Ozean. Da die verschiedenen externen Quellen von Eisen je unterschiedliche Isotopenverhältnisse haben, kann die Isotopenzusammensetzung von Eisen im Ozean im Prinzip verwendet werden, um die relativen Beiträge der verschiedenen Quellen zu erschließen. Allerdings wirken sich auch Prozesse im Inneren des Ozeans, die Eisen zwischen seinen verschiedenen Formen (gelöstes Eisen, abiotische und biologische Partikel, Redoxzustände) umwandeln, auf die Isotopenzusammensetzung aus, d.h. sie fraktionieren. Dazu kommt die Vermischung der Isotopenzusammensetzung durch physikalische Prozesse (Transport mit der Strömung und Diffusion). Die Interpretation von Eisenisotopendaten im Ozean erfordert daher die Kombination von Beobachtungen mit einem Modell des Eisenkreislaufs im Ozean. In dem beantragten Projekt wird ein globales biogeochemisches Modell von Eisen um eine explizite Darstellung von Isotopeneffekten erweitert, mit dem Ziel, die Rolle der verschiedenen Prozesse zu entschlüsseln, die die Isotopenzusammensetzung von gelöstem Eisen im Ozean beeinflussen. Das globale biogeochemische Modell basiert auf meinen früheren Arbeiten. In Kombination mit der weiter stattfindenden Zunahme von Eisenisotopenmessungen im Rahmen des internationalen GEOTRACES Programmes ermöglicht das Modell eine bessere Quantifizierung der Größe und der relativen Rolle der externen Eisenquellen für die Gegenwart und somit auch robustere Prognosen der zukünftigen marinen Primärproduktion.

Physikalische Stabilisierung der organischen Substanz durch Entstehung hydrophober Grenzflächen auf Aggregaten und Primärpartikeln

Die Literatur der letzten Jahre weist immer stärker darauf hin, dass Böden mit Benetzungshemmungen weiter als bisher angenommen weltweit verbreitet sind. Bereits geringe Anteile von organischer Substanz (SOM) können dabei in erheblicher Weise die Benetzbarkeit von Aggregaten oder Primärpartikeln von gut benetzbaren Oberflächen bis hin zu extremer Wasserabweisung verändern. Allgemein wird angenommen, dass Hydrophobie über mehrere Mechanismen die Abbaubarkeit von organischer Substanz und damit deren Stabilität beeinflussen kann. Daher kann der Grad der Hydrophobie als ein Indikatior der biologischer Abbaubarkeit von SOM verwendet werden. Weiterhin haben Benetzungshemmungen einen erheblichen Einfluß auf physikalische Prozesse in Böden. Extreme Benetzungshemmung führt häufig zu starkem Oberflächenabfluß und Erosion oder zu schnellem Auswaschen oberflächlich eingetragener Stoffe aus der Wurzelzone. Kenntnisse über das Benetzungsverhalten von Böden sind ebenfalls dann von Bedeutung, wenn generell das gleichzeitige Auftreten sehr feuchter und sehr trockener Zonen im Boden analysiert werden soll. Entsprechende Feuchtegradienten führen zu einem sehr unterschiedlichen physikalisch-chemischen Milieu in den entsprechenden Feuchte- und Trockenzonen, die wahrscheinlich erheblichen Einfluß auf die mikrobiellen Prozesse im Boden haben. Das Vorhaben beeinhaltet drei wesentliche Ziele: Erstens soll die Benetzbarkeit von Aggregatoberflächen und von Primarpartikeln der Böden des Schwerpunktprogramms bestimmt werden. Mittels Messung des Kontaktwinkels, der Oberflächenenergien und der Oberflächenladung soll eine möglichst vollständige Kennzeichnung erfolgen. In einem zweiten Abschnitt sollen Untersuchungen der Bodenlösung erfolgen. Es ist beabsichtigt, die Oberflächenspannung zu messen sowie den Einfluß der Bodenlösung auf die Grenzflächeneigenschaften von Bodenpartikeln und Modelloberflächen, etwa Quarzglasoberflächen, zu erfassen. Schließlich sollen die Ergebnisse zu den Oberflächeneigenschaften gemeinsam mit den Resultaten anderer Projektteilnehmer kombiniert oder ergänzt werden

Warmwassersphaere des Nordatlantiks

Die Forschungsarbeiten der Abteilung Regionale Ozeanographie werden sich weiterhin auf die physikalischen Prozesse in den oberen Schichten des offenen Ozeans, der Warmwassersphaere, konzentrieren. Dahinter steht die Notwendigkeit, die Transportprozesse zu verstehen, die den Einfluss des Ozeans auf die atmosphaerischen Klimaaenderungen fuer die Zeitskala des World Climate Research Programme bestimmen. Da diese Zeitskala den Bereich Wochen bis Monate umfasst, ist eine umfangreiche Expeditionstaetigkeit noetig. Neuentwickelte Messmethoden sollen dabei zum Einsatz kommen, so u.a. ein geschlepptes, vertikal undulierendes Geraet zur Erfassung der Dichteschichtung, ein akustisch arbeitendes Geraet zur Bestimmung der vertikalen Geschwindigkeitsverteilung in der ozeanischen Deckschicht sowie satelliten- bzw. funkgeortete Driftbojen. Begleitet wird die Messtaetigkeit durch die Entwicklung von Modellen (empirisch, diagnostisch, prognostisch). Schwerpunkte der Untersuchungen werden sein: - theoretische Untersuchungen zur geophysikalischen Turbulenz und ihre Anwendung auf Transportprozesse in der ozeanischen Warmwassersphaere, - Ursachen und Auswirkungen der Jahresschwankungen von Baroklinitaet und Haloklinitaet, - Entstehung ozeanischer Fronten und ihre Bedeutung fuer turbulente Transportprozesse, - Modellierung der Konvektion in der Deckschicht unter besonderer Beruecksichtigung des Tagesganges, - Struktur und Transporte des Nordatlantischen Stromes, - wissenschaftliche Analyse von Datensaetzen des Welt-Datenzentrums sowie von Expeditionen, insbesondere GATE 1974, JASIN 1978, FGGE 1979. Das Forschungsprogramm ist integraler Bestandteil des SFB 133.

Gemeinsame nationale Initiative zur Validierung von EarthCARE, Teilvorhaben DWD

Untersuchung der Quellung der organischen Bodensubstanz mittels Protonenrelaxation

Die oberen Bodenschichten unterliegen einer stark veränderlichen Feuchtedynamik, welche die Schadstoffsorption und den Stofftransport im Boden beeinflusst. In der organischen Bodensubstanz und in den Tonmineralen finden zyklische Quellungs- und Schrumpfungsprozesse statt, die auf die Sorptionseigenschaften der organischen Bodensubstanz einwirken. Auch die Porengrößenverteilung und Wasserleitfähigkeit können davon beeinflusst werden. Trotz der Bedeutung für wesentliche physikochemische Bodenprozesse ist der Prozess der Quellung der organischen Bodensubstanz wenig untersucht. Das Ziel dieses Vorhabens ist es, durch Integration von drei Fachdisziplinen die grundlegenden Prozesse bei der Quellung der organischen Bodensubstanz zu untersuchen. Eigene Voruntersuchungen haben bereits das Potential der Protonenrelaxation für diesen Zweck aufgezeigt, welche deshalb als zentrale Methode eingesetzt werden soll. Im Projekt sollen die Prozesse identifiziert werden, die für eine Veränderung der Relaxationszeiten und damit für den Quellungsprozess verantwortlich sind. Diese Informationen sollen genutzt werden, um den Mechanismus und den Verlauf der Quellung der organischen Substanz abzuleiten und deren Auswirkungen auf die Veränderung ihrer physikochemischen Eigenschaften abzuschätzen.

Zum Verständnis der Entstehung und Trajektorien von großem Hagel (LIFT)

Derzeitige radar-basierte Nowcastingverfahren basieren auf der Annahme, dass die zeitliche Entwicklung von Hagelereignissen in erster Linie durch Advektionsvorgänge gesteuert ist; die relevanten physikalischen Prozesse, die für die Entstehung und das Größenwachstum von Hagel entscheidend sind, bleiben dabei unberücksichtigt. In Verbindung mit der komplexen internen Struktur und Dynamik von Hagelstürmen ergeben sich daraus große Unsicherheiten bei der Vorhersage der Hagelgrößenverteilung und der von Hagel betroffenen Fläche am Boden. Das Ziel des Projekts LIFT (Large Hail Formation and Trajectories) ist es, die Hagelentstehung und Hageltrajektorien besser zu verstehen, um daraus als wichtige Komponenten eines physikalisch-basierten Nowcastings erstmals ein radar-basiertes Verfahren für das Hagelwachstums zu entwickeln. Zu diesem Zweck wird im Rahmen von LIFT eine Messkampagne Süddeutschland durchgeführt, wo die größte Hagelwahrscheinlichkeit in Deutschland auf vielfältige Beobachtungssysteme trifft, die im Rahmen der Messkampagne Swabian MOSES mit einem dichten Netzwerk betrieben werden. Zum ersten Mal werden im Rahmen von LIFT moderne Radargeräte, In-situ Messgeräte, Fotogrammetrie und numerische Modellierung synergistisch kombiniert und ein umfassender Datensatz zur Rekonstruktion der zeitlichen Entwicklung des Hagelwachstums erstellt. Betroffene Bürger werden aktiv in die Messaktivitäten mit einbezogen und aufgerufen, Hagelkörnern einschließlich ihrer Haupteigenschaften in die WarnWetter App des DWD zu melden. Die Messkampagne mit ihrem mobilen und flexiblen Konzept beinhaltet die Anwendung neuer, innovativer Messtechniken, darunter Lagrangesche Trajektorien mittels kleiner Messsysteme, die in die Wolken eingebracht werden, und dronengesteuerte Luftbildaufnahmen zur Bestimmung der Hagelspektren. Aus Fernerkundungsdaten gewonnene Signaturen von Hagelereignissen liefern Informationen über die Charakteristika der Hagelereignisse und werden mittels numerischer Simulationen sorgfältig auf Messungenauigkeiten und Sensitivitäten bzgl. atmosphärischer Umgebungsvariablen evaluiert. Indikatoren für die Hagelentstehung und das Hagelwachstum werden aus Beobachtungsdaten und Simulationen identifiziert, und liefern die Grundlage für ein beobachtungs-basiertes Hagelwachstumsmodell. Schließlich wird dieses Multi-Parameter Hagelwachstumsmodell mit den bestimmten Hageltrajektorien und Schmelzprozessen kombiniert, um zu bestimmen, welche Prozesse am wichtigsten sind für das Nowcasting von Hagel. Das Projekt LIFT liefert damit einen wichtigen Betrag für zukünftige radar-basierte Hagelwarnsysteme mit einer verbesserten Vorhersagezeit und Vorhersagequalität.

Bedeutung physikalischer Prozesse für die Konservierung organischer Verbindungen (Senkenfunktion) in strukturierten Böden

Die Bedeutung der Aggregierungsprozesse für die CO2-Quellen- und Senkenfunktion der im Schwerpunktprogramm 1090 bearbeiteten Böden soll unter dem angegebenen Thema bearbeitet werden. Ziel der Untersuchungen ist es, die Immobilisierung und Mobilisierung sowie die Verteilung der organischen Substanz unter definierten physikalischen Randbedingungen (Hydraulik, Mechanik) zu quantifizieren. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die räumliche und zeitliche Dimension der Strukturbildung gelegt. Im Einzelnen sollen die Auswirkungen hydraulischer und mechanischer Prozesse und deren Wechselwirkung zueinander für die Festlegung von organischer Substanz im Boden analysiert werden. Dafür werden Zug- und Scherversuche durchgeführt, die Porenverteilung und -funktionen ebenso wie die Durchlüftung und der damit verbundenen potentiellen Abbaubarkeit der organischen Substanz auf den Skalen des strukturierten Gesamtbodens und des Einzelaggregates bestimmt. Durch Perkolationsversuche und der Analyse der räumlichen Verteilung der organischen Substanz wird die Frage der Erreichbarkeit bestimmter Prozeßräume erörtert. In enger Zusammenarbeit und in der Kombination mit den Ergebnissen der Forschungsvorhaben der Antragsteller: Grootes, Guggenberger, Bachmann können daher genauere Informationen über die physikalisch quantifizierbaren Randbedingungen der Strukturstabilität als Grundlage für die CO2 -Quellen- und Senkenfunktion von Böden erwartet werden.

Internationales Benchmarking zur Verifizierung und Validierung von TH²M-Simulatoren insbesondere im Hinblick auf fluiddynamische Prozesse in Endlagersystemen - Erweiterung auf multiphysikalische Ansätze und mehrdimensionale Modellgeometrien

Internationales Benchmarking zur Verifizierung und Validierung von TH²M-Simulatoren insbesondere im Hinblick auf fluiddynamische Prozesse in Endlagersystemen - Erweiterung auf multiphysikalische Ansätze und mehrdimensionale Modellgeometrien, Teilprojekt A

Zur Sorption von anorganischen und organischen Arsenverbindungen an Oxiden: Makroskopische und Spektroskopische Untersuchungen der Oberflächenkomplexierung

Es ist allgemein akzeptiert, dass die Sorption an oxidischen Mineralien den vorherrschenden natürlichen Mechanismus zur Verringerung der Mobilität von Schadstoffen darstellt. Um die potentielle Remobilisierbarkeit abschätzen zu können, ist es jedoch nicht ausreichend, die Sorption in konventionellen Batch- oder Säulen-Versuchen zu untersuchen, da hierbei nur eingeschränkt auf bestimmte Scenarien abgezielt werden kann. Vielmehr ist die lokale Struktur der sich bildenden Oberflächenbindungen zu charakterisieren, um daraus die Entwicklung der Bindungsstärken bei Veränderung der physikochemischen Eigenschaften des Milieus voraussagen zu können. Strukturelle Kenntnisse durch Oberflächenspektroskopie erlauben zum einen, qualitativ die Stabilität der Oberflächenkomplexe abzuschätzen (einzahnig oder mehrzahnig). Zum anderen ermöglichen sie es, einen Bezug zwischen der mikroskopischen Struktur und den vorliegenden oder zu prognostizierenden makroskopischen Mobilitätsdaten als dualen Ansatz eines realitätsnahen Adsorptionsmodells herzustellen. Die Auseinandersetzung mit diesem modernen dualen Ansatz ist bisher in der umweltgeochemischen Lehre und Forschung in Deutschland wenig vertreten und sollte daher eine Bereicherung mit guten Aussichten auf Erfolg darstellen.

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