Das Klima ist ein angetriebenes, dissipatives Nichtgleichgewichtssystem, wobei unsere Fähigkeiten die beteiligten Prozesse zu verstehen und simulieren begrenzt sind. Meteorologie und Klimaforschung verfügen noch nicht über eine Theorie zur Beschreibung von Instabilitäten, Gleichgewichtsrelaxation, Vorhersagbarkeit, Variabilität, und der Antwort auf Störungen. Trotz großer Fortschritte stoßen Klima- und Wettervorhersagemodelle nach wie vor auf Barrieren aufgrund der komplexen Randbedingungen und der Multiskaleneffekte. Diese Effekte erfordern die Parametrisierung der nicht aufgelösten Prozesse mit der Folge großer systematischer Fehler. Wir nutzen drei erfolgreiche Ansätze aus der statistischen Mechanik und der Theorie dynamischer Systeme: Covariante Lyapunov Vektoren (CLV), instabile periodische Orbits (UPO) und die Response-Theorie (RT). Dies wird uns erlauben, relevante Probleme der geophysikalischen Strömungsdynamik (GFD) im turbulenten Bereich anzugehen. Wir werden diese Ideen auf komplexere numerische Modelle als frühere Studien ausdehnen.1) Instabilitäten: Wir werden Instabilitäten in turbulenten geophysikalischen Strömungen durch CLVs beschreiben. Im Gegensatz zu klassischen Lyapunov-Vektoren bieten CLVs eine kovariante Aufspaltung der Strömung und physikalisch interpretierbare Muster und erlauben damit eine neue Interpretation von Instabilitäten. Dies wird es uns ermöglichen, eine Verbindung zwischen der Energetik und der dynamischen Eigenschaften herzustellen und damit die mesoskopischen mit den makroskopischen Eigenschaften der Strömung zu verknüpfen.2) Vorhersagbarkeit: Wir werden CLVs und UPOs nutzen, um die Vorhersagbarkeit zu analysieren und Zustände hoher und niedriger Vorhersagbarkeit besser zu verstehen. Wir werden untersuchen auf welche Weise Schwankungen der Lyapunov Exponenten (LE) mit bestimmten Eigenschaften der entsprechenden CLVs zusammenhängen. Wir werden den sogenannten Return-of-Skill in Vorhersagen von Strömungen in einen Zusammenhang mit vorübergehenden Abweichungen in der Summe der positive LEs der Strömung bringen und damit die in der Wettervorhersage beobachteten Schwankungen der Vorhersagbarkeit erklären. Wir werden die Hypothese prüfen inwieweit UPOs die niederfrequente atmosphärische Variabilität erklären können.3) Antworttheorie: Auf der Basis der RT werden wir berechnen wie eine Strömung auf Störungen reagiert, indem nur die Gleichgewichtseigenschaften verwendet werden. Wir werden aus kleinen Ensembles von gestörten Simulationen den Responseoperator empirisch für Klimamodelle ableiten. Dies wird uns eine neue Methode zur Projektion auf verschiedene räumliche und zeitliche Skalen liefern. Wir werden die Antwort von baroklinen Strömungen auf Störungen (z.B. Erwärmung und CO2-Konzentration) analysieren. Wir werden die CLVs nutzen, um die Responseoperatoren in die stabilen, instabilen und neutralen Richtungen zu zerlegen und die Hypothese prüfen inwieweit UPOs mit Resonanzen verbunden sind.
Die Atmosphäre und die Vegetation der Erdoberfläche beeinflussen sich gegenseitig durch bidirektionale Austauschprozesse. Modelle zur Wetter- und Klimavorhersage basieren auf einem mechanistischen Verständnis dieser Interaktionen. Die Vorhersagen und die grundlegenden Theorien funktionieren allerdings nur im Falle einer gut durchmischten (turbulenten) atmosphärischen Grenzschicht. Wenn jedoch stabile atmosphärische Bedingungen vorherrschen, wie typischerweise nachts der Fall, dann sind die bisherigen Theorien nicht ausreichend, um zuverlässige Vorhersagen zu treffen. Um oberflächennahe turbulente Austauschprozesse während stabiler atmosphärischer Schichtung mechanistisch zu verstehen und neue Theorien zu entwickeln, sind zunächst neuartige Mess- und Analyse-Methoden notwendig. Ziel dieses Projekts ist die Beobachtung und Charakterisierung von oberflächennahen Prozessen in der stabilen atmosphärischen Grenzschicht durch eine neuartige Kombination von Mess- und Analysemethoden. Mit einem hochauflösenden in-situ Messkubus (20x20x5m), der sich innerhalb eines größeren mittels Fernerkundung überwachten Raumes (500x500x1000m) befindet, können Bewegung und Strukturen von Temperatur gleichzeitig in Raum und Zeit erfasst werden. Dieser skalenübergreifende Ansatz erlaubt es, nicht-periodische, nicht gut gemischte und räumlich heterogene Bewegungen der Luft nahe der Erdoberfläche zu erfassen. Die gewonnenen Daten werden mittels neuester stochastischer Auswerteverfahren analysiert, um die (nicht-)turbulenten Bedingungen und deren Durchmischung zu charakterisieren. Der wissenschaftliche Gewinn des Projektes liegt in einem wegweisenden innovativen Ansatz, um Modelle in den Bereichen Strömungsmechanik und Erd-System Wissenschaften zu validieren, und so zu einem verbesserten Verständnis unseres Lebensraums, der Schnittstelle zwischen Land und Atmosphäre, zu führen.
Recent discussions on the path eco-hydromorphic research has followed in the past decades highlight the need for greater ecological input into this field. Traditional approaches have been criticized for being largely correlation-based (Vaughan et al., 2009) ecological black boxes (Leclerc, 2005) and strongly relying on weak, disproven and/or outdated assumptions about the dynamics of stream biota (Lancaster & Downes, 2010). In recognition of this, process-oriented research aiming at elucidating and quantifying causal mechanisms has been proposed as a promising approach, though challenging, to study the relations between flow, morphodynamics and biological populations in running waters. In terms of levels of biological organization, it has been recognized that processes determining the response of aquatic biota to hydromorphological alteration occur mainly at the population level. In this sense, relating demographic rates to flow and morphology seems to offer great potential for progress (Lancaster & Downes, 2010). Thus, tapping into existing ecological knowledge (e.g., key patch approach for habitat networks, Verboom et al. 2001; metapopulation theory, Levins 1970; Hanski & Gaggiotti 2004, landscape-scale estimations of habitat suitability and carrying capacity, Reijnen et al. 1995; Duel et al. 1995 2003; population-level viability estimations; Akçakaya 2001; resource utilization scales, ONeill et al. 1988; habitat-use patterns, Milne et al. 1989) in order to link ecology to hydromorphology at a more fundamental level constitutes an important path towards better science and management.
Bipedal locomotion is crucial for the survival of most bird species. Birds thus represent a natural testbed for theories on locomotor adaptations and specializations. Aspects of the proximal limb and its complex coupling to the rigid trunk in particular have been largely ignored by research to date. Tedious data processing and the necessarily elaborate setups have only permitted a few exemplary studies. By combining the available digital biplanar high speed x-ray technology with advanced algorithms for (semi-)automatic data tracking, comparative studies in morphology, kinematics, kinetics and modeling, we intend to investigate general principles of bipedal locomotion and adaptations of the avian locomotor system. We will focus on three levels: individual motor variance, species-specific morphology and global strategies for general movement goals such as speed or stability. It will be necessary to develop a new tool for data processing in order to handle the enormous amount of data produced and meet the extreme demands that will be placed on 3D x-ray-based inverse dynamics. As a result, this project will integrate pioneering computer vision techniques for automatic feature point tracking and the reconstruction of 3D motion. We intend to investigate whether the variability of the kinematics of locomotion while walking and running on a belt translates into corresponding variation at the level of the centre of mass. We will then explore how differences in geometry and morphology between 12 carefully selected species are expressed in local and global (COM) kinematics and kinetics. We hope to be able to expand our understanding of stability on the level of the leg, the trunk and the centre of mass in birds as bipedal animals, and finally to contribute to a new insight into avian evolution.
Electrical conductivity is a key parameter in models of magnetic field generation in planetary interiors through magneto-hydrodynamic convection. Measurements of this key material parameter of liquid metals is not possible to date by experiments at relevant conditions, and dynamo models rely on extrapolations from low pressure/temperature experiments, or more recently on ab-initio calculations combining molecular dynamics and linear response calculations, using the Kubo-Greenwood formulation of transport coefficients. Such calculations have been performed for Fe, Fe-alloys, H, He and H-He mixtures to cover the interior of terrestrial and giant gas planets. These simulations are computationally expensive, and an efficient accurate scheme to determine electrical conductivities is desirable. Here we propose a model that can, at much lower computational costs, provide this information. It is based on Ziman theory of electrical conductivity that uses information on the liquid structure, combined with an internally consistent model of potentials for the electron-electron, electron-atom, and atom-atom interactions. In the proposal we formulate the theory and expand it to multi-component systems. We point out that fitting the liquid structure factor is the critical component in the process, and devise strategies on how this can be done efficiently. Fitting the structure factor in a thermodynamically consistent way and having a transferable electron-atom potential we can then relatively cheaply predict the electrical conductivity for a wide range of conditions. Only limited molecular dynamics simulations to obtain the structure factors are required.In the proposed project we will test and advance this model for liquid aluminum, a free-electron like metal, that we have studied with the Kubo-Greenwood method previously. We will then be able to predict the conductivities of Fe, Fe-light elements and H, He, as well as the H-He system that are relevant to the planetary interiors of terrestrial and giant gas planets, respectively.
In Teilprojekt C3 sollen geeignete Modelle zur Berechnung der Wärmestrahlung von dreiatomigen Gasen in Oxyfuel-Flammen entwickelt werden. Ausgewählte vereinfachte spektrale Modelle sollen zunächst auf eine gemeinsame spektrale Datenbasis gebracht und dann anhand der Berechnung von Testfällen, die unter anderem Oxyfuel-Feuerungen repräsentieren, mit einem detaillierten Modell verglichen, evaluiert und weiterentwickelt werden. Hierbei soll ein Optimum hinsichtlich Genauigkeit und Recheneffizienz gefunden werden.
Wir verbinden Methoden der Wahrscheinlichkeitstheorie mit Methoden der Analysis um Sprungprozesse zu analysieren. Insbesondere betrachten wir Coupling von Prozessen.
The project aims to theorize the scalar organization of natural resource governance in the European Union. This research agenda is inspired by critical geographers' work on the politics of scale. The research will examine an analytical framework derived from theories of institutional change and multi-level govern-ance to fill this theoretical gap. Furthermore, it will review conceptualizations of the state in institutional economics, evaluate their adequacy to capture the role of the state in the dynamics identified, and develop them further. The described processes may imply shifts in administrative levels, shifts in relations between different levels and changes in spatial delimitations of competent jurisdictions that result, for example, from decentralization or the introduction of river basin oriented administrative structures. The research investigates the implications of two European Directives: the Water Framework Directive (WFD) and the Marine Strategy Framework Directive (MSFD). They both have potentially great significance for the organization of marine and water governance at the level of Member States and below, and adhere to similar regulatory ideas for achieving good ecological status of waters. A multiple case study on changes in the scalar reorganization of marine and water governance that result from the implementation of the Directives will be carried out. It will rely on qualitative and quantitative data gathering based on semi-structured interviews and review of secondary and tertiary sources looking at Portugal, Spain, and Germany. It specifically addresses the role of social ecological transactions, the structure of decision making processes and the role of changes in contextual factors (such as ideologies, interdependent institutions and technology).
Eine Verlässlichkeit von Vorhersagen des Klimawandels ist nur dann gegeben, wenn die dabei verwendeten numerischen Modelle das gegenwärtige Klima aus den richtigen Gründen korrekt simulieren. Offene Fragen betreffen z.B. dynamische Aspekte wie die Vorhersage einer Verstärkung der Brewer-Dobson-Zirkulation, den dynamischen Einfluss der Stratosphäre auf die Troposphäre und ein Überschießen in der Erholung der Ozonschicht. Eine besonders große Unsicherheit stellen in diesem Zusammenhang interne Schwerewellen (SW) dar, die durch gegenwärtige Chemie-Klimamodelle nicht aufgelöst werden. Ihr Einfluss muss durch Parametrisierungen erfasst werden, die heutzutage stark vereinfacht sind. Die Forschergruppe (FG) wird explizite Modelle für die Anregung, Ausbreitung und Dissipation von SW formulieren, die mathematisch und physikalisch konsistent sind. Diese werden anhand von prozessauflösenden Simulationen und Messungen validiert. Spezielle Beachtung werden die Mehrskalenwechselwirkungen von SW mit Turbulenz und der balancierten Strömung finden, sowie die Wechselwirkung von kleinskaligen, nichtaufgelösten SW mit großskaligen, aufgelösten SW. Die entwickelten Modelle werden in eine einheitliche SW-Parametrisierung münden, von den Quellen bis zur Dissipation. Sowohl die SW-Parametrisierung als auch globale SW-erlaubende und lokale SW-auflösende Simulationen sollen verwendet werden, um die Unsicherheiten der SW-Effekte auf die atmosphärische Zirkulation, auf großskalige dynamische Prozesse und auf den Klimawandel einzuschränken. Die Untersuchungen der Wellenprozesse selbst als auch ihrer globalen Auswirkungen werden auf der engen interdisziplinären Wechselwirkung zwischen Mathematik, Theorie, hochauflösender numerischer Modellierung und Messungen basieren. Diese Kombination begründet sich darin, dass nur Messungen den direkten Bezug zur Realität haben, nur Theorie uns verstehen lehrt, und nur hochauflösende Modellierung eine detaillierte Diagnose erlaubt. Ein dergleichen umfassendes Programm übersteigt bei weitem die Möglichkeiten einzelner Institute oder ihrer bilateralen Zusammenarbeit. Es erfordert hingegen eine FG, in der experimentelle, numerische, theoretische und mathematische Erfahrungen zusammengeführt werden. Die langfristigen Ergebnisse der FG sollen sein:- Eine erweiterte und vertiefte Kenntnis der räumlichen, zeitlichen und spektralen Verteilung von SW in der Atmosphäre.- Ein wesentlich verbessertes Verständnis der Prozesse, welche die korrespondierende SW-Dynamik erzeugen und kontrollieren.- Darauf aufbauend eine Verbesserung der Belastbarkeit und Vollständigkeit der Parametrisierung von SW als Subgitterskalenphänomen, Quellprozesse, SW-Ausbreitung, die Wechselwirkung von SW mit der aufgelösten Strömung und SW-Dissipation betreffend.- Als Ergebnis ein verlässlicheres Verhalten von SW-Parametrisierungen unter anomalen Bedingungen, z.B. dem Klimawandel.
In Teilprojekt A3 werden Modelle zur Beschreibung der Chlor- und Schwefelchemie bei der Oxyfuel-Verbrennung entwickelt, mit denen die Bildung Cl- und S-haltiger Minoritätenspezies vorhergesagt werden kann, um so die Rückwirkung von Cl- und S-haltigen Spezies auf die Verbrennung zu berücksichtigen. Experimentellen Untersuchungen hierzu erfolgen in einem Flugstromreaktor sowie mittels thermogravimetrischer Analyse. Eine extraktive Messtechnik mit Massenspektrometer für hochreaktive S- und Cl-Spezies wird entwickelt und erprobt.
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