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s/physikalischer-prozess/Physikalischer Prozess/gi

Einfluss der Turbulenz auf Eiskristallbildung und -diffusionswachstum am Beispiel von stratiformen Mischphasenwolken (TINIA)

Dieses Projekt zielt darauf ab, das grundlegende Verständnis der physikalischen Prozesse zu verbessern, die in stratiformen Mischphasenwolken auftreten, d.h. in dünnen Schichtwolken, die durch das gleichzeitige Vorhandensein von unterkühlten Wolkentröpfchen und Eiskristallen gekennzeichnet sind. Diese Art von Wolken hat einen großen Einfluss auf Wetter und Klima. So wird zum Beispiel angenommen, dass stratiforme Mischphasenwolken in der Arktis ein Schlüsselfaktor in Bezug auf die Erwärmung der Arktis sind.Obwohl das Wissen über stratiforme Mischphasenwolken in den letzten Jahrzehnten deutlich zugenommen hat, sind die relevanten mikrophysikalischen Prozesse und Wechselwirkungen immer noch schlecht verstanden und quantifiziert. Zum Beispiel sind zentrale Fragen offen, wie im Allgemeinen turbulente Temperatur- und Sättigungsschwankungen die Bildung und das diffusive Wachstum von Eiskristallen beeinflussen und wie im Speziellen die Wolkenturbulenz in stratiformen Mischphasenwolken diese mikrophysikalischen Prozesse beeinflusst.Im Rahmen des beantragten Projekts wird eine Kombination aus Laborstudien, numerischen Simulationen und atmosphärischen Beobachtungen eingesetzt, um diese Fragen zu beantworten. Die Kombination dieser drei Methoden birgt ein großes Potenzial, unser grundlegendes Verständnis über das Verhalten von stratiformen Mischphasenwolken und ihre Rolle in Wetter und Klima zu erweitern.

WarmWorld - 'Modul 2 Faster', Teilprojekt 3: Struktur und Design

Präferenzielle Strömung im weak inertia Regime, visualisiert durch Mikro-PIV und Magnetresonanz-Geschwindigkeits-Bildgebung

Unser grundlegendes Verständnis über die Entwicklung physikalischer Prozesse, die während der ein- und mehrphasigen Strömung in zerklüfteten porösen Medien ablaufen, ist für die Wissenschaft von großer Bedeutung. Im Hinblick auf die praktischen Auswirkungen bedeutet es verbesserte Anwendungen in den Bereichen unterirdischer Hydrologie, Geophysik, Reservoir Engineering und Biomechanik. Während niedrige Geschwindigkeiten im Bereich von Kriechströmungen am besten durch die Darcy-Gleichung beschrieben werden, muss man für deutlich höhere Geschwindigkeiten Terme höherer Ordnung zusätzlich berücksichtigen, wie von Forchheimer vorgeschlagen. Es gibt eine große Anzahl von Arbeiten über das reine Kriechströmungs- und das rein turbulente Strömungsregime, aber nicht für den Bereich dazwischen, d.h. für das „weak-inertia“ Regime. In Anbetracht dieses Mangels an experimentellen Beweisen wollen wir genau für diesen Bereich Fließfelder in Systemen zunehmender Komplexität von 2D bis 3D räumlich hochaufgelöst abbilden. Zunächst untersuchen wir 2D-Micromodelle mit einem einzelnen Kanal, einer sich wiederholenden Kanal-Poren-Einheit und einem 2D-Riß mit rauen Porenoberflächen. Diese Micromodelle erlauben die Kombination der 2D Mikro-Partikel-Imaging-Velocimetry (micro-PIV) mit 3D flusssensitiver Magnetresonanztomographie (MRT). Um die Auflösungen beider Methoden anzupassen, werden mit der MRT auch ortsaufgelöste Propagatoren bestimmt, die eine Auflösung der Geschwindigkeitsfelder innerhalb eines Voxels erlauben. Sie dienen dann als Proxys für Geschwindigkeitsfelder und können auf 3D- und undurchsichtige Systeme angewendet werden. In einem zweiten Schritt untersuchen wir das erste 3D-System, einen homogenen porösen Glaszylinder. Bei kleinen Geschwindigkeiten erwartet man „bulk“-Effekte durch alle Poren im Sinne der Darcy-Beziehung. Steigen die Reynoldszahlen an, bilden sich immer größere Strömungsschatten kombiniert mit gestreckten Fließpfaden aus. Die bisher gewonnenen Erkenntnisse werden nun im 2. Hauptteil des Projekts für die Untersuchung von Bohrkernen mit Rissen genutzt. Um die Strömung zu untersuchen, wird ein natürlicher Gesteinskern vertikal gefrackt, eine Technik, die an der Universität Stuttgart nun zur Verfügung steht. In Bezug auf die MRT wird die Verwendung einer multi-slice Pulssequenz mit bipolaren Gradientenpaaren notwendig. Der Unterschied zu den bisher untersuchten Modellsystemen besteht darin, dass die Strömung durch Wasseraustausch zwischen Porensystem und Riß kontrolliert wird. Es ist daher zu erwarten, daß sich beim Übergang vom Darcy- zum „weak-inertia“ Regime präferentielle Fließmuster neben stationären Bereichen entwickeln. Diese experimentell gewonnenen 3D-Fließfelder stehen dann zur Verfügung, um theoretische Ansätze wie die Forchheimer-Relation auf ihre Gültigkeit und ihre Grenzen zu prüfen und weiter zu entwickeln.

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.

WP1.3 Der Aufbau von Eisschilden - Simulation und Untersuchung des Beginns der letzten Eiszeit mit MPI-ESM

Revision des Methankreislaufes in Seen: Quellen und Senken in 2 deutschen Seen unter besonderer Berücksichtigung der Methanakkumulation in sauerstoffhaltigenen Wasserschichten

Die Akkumulation von Methan (CH4) in sauerstoffhaltigen Wasserschichten wurde kürzlich für viele Binnengewässern und Ozeangebiete beschrieben. In unserem DFG-Projekt Aquameth (GR1540/21-1) haben wir daher die wichtigste Literatur in einem Review zusammengefasst und die möglichen Mechanismen für dieses Phänomen im Stechlinsee evaluiert. Indem wir ein online System für CH4 Messungen entwickelt haben, konnten wir die enge Kopplung der räumlich-zeitlichen Dynamik von Algen (z.B. Blaualgen und Cryptophyten) und CH4 in den oxischen Wasserschichten des Sees zeigen. Obwohl der vor kurzem beschriebene Methylphosphonat-Metabolismus im See vorkommt, haben wir zahlreiche Hinweise, dass Algen das CH4 während der Photosynthese direkt produzieren. Jedoch sind die genauen Mechanismen sowie der Anteil des im sauerstoffreichen Wasser gebildeten CH4 am gesamten CH4 Fluss in die Atmosphäre unklar. Durch die Kombination der Expertise von zwei etablierten Arbeitsgruppen, die sich ideal ergänzen, möchten wir die genaue Chemie und Biologie der CH4 Bildungs- und Oxidations-prozesse untersuchen, um die Rolle von Seen für den regionalen und globalen CH4 Kreislauf besser zu verstehen. Daher soll das komplette CH4 Budget von zwei Seen detailliert quantifiziert werden, d.h. CH4-Quellen und -Senken werden mit einem Massenbalance-Ansatz untersucht und mit in situ Inkubationsexperimenten verknüpft. Unsere zwei ausgesuchten Seen (Stechlinsee und Willersinnweiher) repräsentieren zwei Hauptseentypen der gemäßigten Zone (tief/Nährstoff-arm und flach /Nährstoff-reich), die gut von beiden Institutionen untersucht und biogeochemisch charakterisiert wurden. In diesen Seen hängen die spezifischen Prozesse der CH4 Bildung, Akkumulation und Freisetzung in die Atmosphäre von dem komplizierten Wechselspiel von physikalischen, chemischen und biologischen Faktoren sowie bestimmten Organismen ab. Daher ist unser Hauptziel, dieses komplizierte Wechselspiel zwischen Umweltvariablen und den CH4 Prozessen und ihre globale Bedeutung zu entschlüsseln. Unser Hypothesen sind: (1) Die Methanproduktion ist direkt mit der Photosynthese verbunden und CH4 kann bei bestimmten Umweltbedingungen, z.B. Nährstofflimitation, direkt von photo-autotrophen Organismen gebildet werden. (2) Die Methanbildung ist von der -oxidation durch die räumlich-zeitliche Trennung der methanotrophen Aktivität in sauerstoffhaltigen Wasserkörpern entkoppelt. (3) Methan an der Temperatursprungschicht ist das Produkt aus einem komplizierten Wechselspiel von biologischen, chemischen und physikalischen Prozessen. (4) Die erhöhten CH4 Konzentration in der oberen oxischen Wasserschicht erleichtert den Gasaustausch mit der Atmosphäre. Obwohl die CH4 Anreicherung in den oberen Wasserschichten stark vernachlässigt wurde, könnte sie eine wichtige fehlende Verbindung im globalen CH4 Budget sein. Um diese Hypothesen zu überprüfen, sollen Feld- und Labormessungen gemeinsam durch beide Teams durchgeführt werden.

Lärmoptimierte Logistik im Binnenhafen, Teilvorhaben: Umsetzung von Lärmminderungsmaßnahmen im Terminal

Erdwärmenutzung und Bau von Erdsonden

In Berlin wird nicht nur die gesamte öffentliche Trinkwasserversorgung aus dem eigenen Grundwasser gedeckt, sondern auch die private Versorgung über eine Vielzahl von Eigenwasserversorgungsanlagen. Aus diesem Grund muss dem dauerhaften Erhalt einer guten Grundwasserqualität ein besonderer Stellenwert zugemessen werden. Durch das menschliche Einwirken bestehen im Grundwasser bereits erhöhte Temperaturen, so dass die Wasserbehörde in der Regel weitere Wärmeeinträge in das Grundwasser nicht zulassen wird. Dagegen ist der Wärmentzug aus dem Grundwasser durch Wasser/Wasser-Wärmepumpenanlagen mit Förderung und Wiedereinleitung von Grundwasser oder aber auch durch Erdsonden/-kollektor grundsätzlich möglich. Zur Vermeidung hoher Bohrkosten, Verockerungen von Brunnenanlagen und wiederkehrender Untersuchungen der Grundwasserqualität sollte der Errichtung einer Erdsondenanlage der Vorzug gegeben werden. Für die weitere Planung und Information über die bei Bau und Betrieb der Anlage einzuhaltenden Bedingungen kann der “Leitfaden für Erdwärmesonden und Erdwärmekollektoren mit einer Heizleistung bis 30 kW” Hilfestellung geben. Bei Erdwärmeanlagen > 30 kW Heizleistung ist zunächst immer ein Geothermal Response Test bei der Wasserbehörde zu beantragen und durchzuführen. Danach erfolgt die Antragsstellung für die Grundwasserbenutzung einer Erdwärmeanlage > 30 kW Heizleistung. Im Rahmen des wasserrechtlichen Antragsverfahrens ist grundsätzlich eine thermohydrodynamische Modellierung durchzuführen. Die diesbezügliche Verfahrensweise ist in dem Pflichtenheft zur Methodik und Dokumentation thermohydrodynamischer Modellierungen im Rahmen des wasserrechtlichen Erlaubnisverfahrens zum Betrieb von Erdwärmesondenanlagen mit einer Heizleistung von >30 kW dargestellt. Antrag für Erdwärmeanlagen In Berlin wird nicht nur die gesamte öffentliche Trinkwasserversorgung aus dem eigenen Grundwasser gedeckt, sondern auch die private Versorgung über eine Vielzahl von Eigenwasserversorgungsanlagen. Aus diesem Grund muss dem dauerhaften Erhalt einer guten Grundwasserqualität ein besonderer Stellenwert zugemessen werden. Durch das menschliche Einwirken bestehen im Grundwasser bereits erhöhte Temperaturen, so dass die Wasserbehörde in der Regel weitere Wärmeeinträge in das Grundwasser nicht zulassen wird. Dagegen ist der Wärmentzug aus dem Grundwasser durch Wasser/Wasser-Wärmepumpenanlagen mit Förderung und Wiedereinleitung von Grundwasser oder aber auch durch Erdsonden/-kollektor grundsätzlich möglich. Zur Vermeidung hoher Bohrkosten, Verockerungen von Brunnenanlagen und wiederkehrender Untersuchungen der Grundwasserqualität sollte der Errichtung einer Erdsondenanlage der Vorzug gegeben werden. Bei der Errichtung von Erdwärmesonden sind insbesondere die Bohrtätigkeit und die ggf. erforderliche Verbindung verschiedener Grundwasserstockwerke sowie die Verwendung von Spülungszusätzen geeignet, schädliche Veränderungen des Grundwassers herbeizuführen. Auch mit dem Betrieb der Erdwärmeanlage kann eine schädliche Veränderung der Beschaffenheit des Grundwassers durch den Wärmeentzug über die Sonden bzw. die Kollektoren oder das Auslaufen eines wassergefährdenden Wärmeträgermittels verbunden sein. Durch den Wärmeentzug werden der Boden und das Grundwasser abgekühlt, wodurch sich die physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften des Wassers verändern. Diese Veränderungen der Grundwasserqualität stellt eine Gewässerbenutzung nach dem Wasserhaushaltsgesetz (WHG) dar. Gewässerbenutzungen bedürfen nach dem Wasserhaushaltsgesetz (WHG) einer wasserbehördlichen Erlaubnis. Diese ist bei der Wasserbehörde der Senatsverwaltung für Mobilität, Verkehr, Klimaschutz und Umwelt zu beantragen. Für die Antragstellung ist ein Antragsformular zu verwenden. Antragsformular Für die Errichtung von Erdwärmekollektoren, die dem Erdreich Wärme entziehen und bei denen die Kollektoren mindestens 1 Meter über dem höchsten Grundwasserstand (HGW) liegen und damit keine Auswirkungen auf das Grundwasser haben, ist keine wasserbehördliche Erlaubnis erforderlich. Die Nutzung von Erdwärme ist in den ausgewiesenen Trinkwasserschutzgebieten des Landes Berlin grundsätzlich verboten. Die Temperatur des Bodens und Grundwassers hat einen entscheidenden Einfluss auf alle Stoffwechselvorgänge von Organismen und auf chemische und physikalische Vorgänge. Bei Temperaturabsenkungen verlangsamt sich die biologische Aktivität im Boden, so dass ein positiv zu wertender Abbau im Boden nicht mehr in der zur Verfügung stehenden Zeit ablaufen kann. Da Bakterien, Amöben und andere Kleinstlebewesen an eine bestimmte Temperatur angepasst sind, kann die Abkühlung im Boden und Grundwasser die Lebensgemeinschaft von Mikroorganismen maßgeblich verändern. Trinkwasser soll frei von Krankheitserregern und anderen Schadstoffen, genusstauglich und geschmacklich einwandfrei sein. Es soll mit minimalem Aufwand in den Wasserwerken aufbereitet werden und in bester Qualität den Haushalten zur Verfügung stehen. Aus diesem Grund hat die Versorgung der Bevölkerung mit Trinkwasser uneingeschränkten Vorrang vor thermischen Grundwasserbenutzungen.

PalMod III - WP 1.3 Der Aufbau von Eisschilden - Simulationen mit AWI-ESM

WP 1.3 Der Aufbau von Eisschilden - Simulationen mit CESM

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