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Zeitliche Variabilität von internen Wellen und vertikaler Vermischung im Nordatlantik

Das Ziel dieses Projektes ist die Untersuchung der zeitlichen Variabilität in der Energie von internen Wellen und der Stärke von vertikaler Vermischung in Abhängigkeit des Nordatlantikstroms und dem damit verbundenen Wirbelfeld. Hierfür werden 5-6 Jahre von Strömungsmesserdaten und Temperatur/Leitfähigkeitsmessungen von drei Verankerungen entlang eines Schnittes westlich des Mittelatlantischen Rückens (MAR) sowie LADCP/CTD Daten von fünf Schifffahrten genutzt. Konkrete wissenschaftliche Ziele dabei sind:- Erstellung von Zeitserien der Energie in internen Wellen unter Benutzung der Verankerungszeitreihen von Strömung und Schichtung- Untersuchung der Zeitskalen auf denen Veränderungen in der Energie interner Wellen stattfinden. Mögliche Ursachen für Variabilität sind der Windeintrag, Position des Nordatlantikstroms und Wirbel- Identifizierung von Prozessen, welche die beobachteten internen Wellen generieren, wie z.B. Gezeiten, Stürme, Jahresgang, Wirbel, die Arme des Nordatlanikstroms (Verhältnis von lokalen zu großräumigen Erzeugungsmechanismen)- Bestimmung der Vermischungsraten (Temperaturinversionen, Thorpe Skalen, Feinstrukturparameterisierung) in Abhängigkeit der variablen Hintergrundbedingungen Hierfür werden zunächst Spektren potentieller und kinetischer Energy der internen Wellen auf ihre Abhängigkeit von veränderlichen Hintergrundbedingungen wie z.B. Wind, Gezeiten, Wirbel, Schichtung und Variabilität im Nordatlantikstrom sowieso des Einflusses der Topographie untersucht. Die instrumentelle Ausstattung der Verankerungen seit Sommer 2012 erlaubt zusätzlich die Approximation der internen Wellen durch vertikale Moden und damit verbunden die Berechnung von Energieflüssen, welche wichtige Informationen über die Menge und die Variabilität in der Energie, die in internen Wellen im Nordatlantik transportiert wird, liefern. Außerdem geben diese so gewonnenen Energieflüsse in Kombination mit der Berechnung von Ausbreitungspfaden von internen Wellen, welche am mittelatlantischen Rücken erzeugt wurden, Aufschluss über die relative Bedeutung der Topographie des MAR für die Erzeugung von internen Wellen. Beginnend vom Sommer 2015 werden die Analysen erweitert, indem Temperatur- und Druckdaten mit hoher Tiefenauflösung für die Berechnung von Thorpe Skalen und Dissipationsraten und deren zeitlichen Variabilität genutzt werden. Weitere Informationen über die zeitliche und räumliche Variabilität der Vermischungsraten im Nordatlantik werden durch die Analyse von Diffusionsraten, die anhand von LADCP/CTD Daten und einer Feinstrukturparameterisierung berechnet werden, erlangt. Dies liefert weitere Aufschlüsse über die dominanten Prozesse in der Erzeugung von internen Wellen und vertikaler Vermischung im Nordatlantik, sowie deren zeitlicher und räumlicher Variabilität.

Vertikale Verteilung von Wolkenkondensationskernen in marinen und kontinentalen Luftmassen in Europa und ihre Verbindung zur Wolkentropfenanzahlkonzentration in warmen Wolken

Die Anzahl der verfügbaren Wolkenkondensationskerne (CCN) beeinflusst maßgeblich die mikrophysikalischen Wolkeneigenschaften, wie z.B. die Wolkentropfenanzahlkonzentration (CDNC) und deren Größenverteilung. CDNC und die Tropfengröße steuern sowohl die Strahlungseigenschaften als auch die Lebensdauer von Wolken. Dies wirkt sich komplex auf die Energiebilanz der Erde aus. Aktuelle Klimamodelle basieren häufig auf Annahmen über CCN Anzahlkonzentrationen und andere CCN bezogene Eigenschaften (z.B. Hygroskopizität), da für viele Regionen auf der Erde repräsentative Daten fehlen. Wenn vorhanden, handelt es sich bei diesen CCN Daten um bodengebundene Messungen, welche somit nicht - mit Ausnahme von Bergstationen - in der für Wolkenbildungsprozesse relevanten Höhe durchgeführt wurden. Für die Karibikregion wurde gezeigt, dass die bodengebundenen CCN Messungen für die gesamte marine Grenzschicht repräsentativ zu sein scheinen also auch für die Wolkenbildungsregionen. Im hier vorgeschlagenen Projekt wollen wir überprüfen, ob bodengebundene CCN Messungen auch in anderen Erdregionen repräsentativ sind für die CCN Anzahl in der Wolkenbildungsregion, und wenn ja, unter welchen Bedingungen. Dies würde die Anwendung von CCN Daten in Modellen stark vereinfachen. Dazu wird die Gültigkeit der Beobachtungen in der Karibik, in zwei gegensätzlichen Umgebungen getestet werden, einmal in einer marinen und einmal in einer kontinentalen Umgebung. Die Messkampagne zu marinen CCN soll auf den Azoren (Portugal) durchgeführt werden. Wir werden kontinuierlich verfügbare CCN Daten von der Azoren Eastern Nordatlantik (ENA) Station auf der Insel La Graciosa (auf Meereshöhe) mit Daten von der Bergstation Pico (Pico Island, 2225 m ü.d.M.) kombinieren. Ergänzend werden CCN und CDNC Messungen auf der Helikopter-Messplattform (ACTOS) durchgeführt, um die vertikale Lücke zwischen den Meeresspiegel- und Bergmessungen zu schließen. Die kontinentalen bodengebundenen CCN Messungen werden kontinuierlich an der ACTRIS Station Melpitz durchgeführt. Die vertikale CCN und CDNC Verteilung wird in Melpitz mit Hilfe eines Ballons in mehreren einwöchigen Kampagnen einmal pro Jahreszeit gemessen werden. Darüber hinaus werden wir mit Hilfe der Aerosol-Wolken-Wechselwirkungsmetrik (ACI) die in der Wolke in-situ gemessen CCN Eigenschaften (das heißt Anzahl und Hygroskopizität) mit den CDNC quantitativ verbinden. Es wird außerdem eine Sensitivitätsstudie mit einem Cloud-Parcel Model durchgeführt, welches durch die realen Messungen in der Atmosphäre angetrieben werden wird. Dies wird einen Einblick in das Übersättigungsregime von frisch gebildeten Wolken gewähren.Die CCN Daten selbst, die Erkenntnisse zu CCN Eigenschaften und ihrer vertikalen Verteilung sowie die quantitative Verbindung zwischen CCN und CDNC werden im Hinblick auf das Verständnis und die Modellierung der Wolkentropfenaktivierung sowie der mikrophysikalischen Wolkeneigenschaften von außerordentlichem Wert sein.

Statistische Mechanik des Wetters und des Klimas: Instabilitaeten, Vorhersagbarkeit und Antwort - MERCI

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.

Turbulenzgesteuerte sedimentäre Prozesse entlang eines hydrodynamischen Gradienten im Ostfriesischen Wattenmeer: Labor- und Geländeuntersuchungen

Dieses Forschungsvorhaben soll in Zusammenarbeit mit der Abteilung Meeresforschung des Forschungsinstitutes Senckenberg, mit Hilfe methodisch neuer sedimenthydraulischer Messungen einen Beitrag zum Grundlagenverständnis des Stoffhaushaltes im System Wattenmeer leisten und physikalische Eingangsparameter und Grenzwerte für den Beginn von Erosion und Sedimenttransport für die Modellierung dieser Küstenzone liefern. In der beabsichtigten Kombination von Labor- und Feldmessungen sollen jene hydraulischen Grenzzustände erfasst werden, in deren Bereich das Watt den weitgehend stabilen Zustand verlässt. Weiterführende und hierauf aufbauende Modelluntersuchungen werden dem geplanten Sonderforschungsbereich 1739 an der Universität Oldenburg vorbehalten. Der Einsatz der Turbulenzsonde (ADV, Acoustic Doppler Velocimeter, Fa. SONTEC) bietet zum ersten Mal die Möglichkeit, sohlnahe turbulente Strömungen im Labor und im Gelände quantitativ und standardisiert zu erfassen. Im Marburger Strömungs- und Wellenkanal sollen zunächst an natürlichen, aber sterilisierten Wattsedimenten die Wechselwirkungen zwischen dem Turbulenzmuster in der bodennahen Strömung unter einfachen monochromatischen Wellen und dem Sediment untersucht werden. Zugleich soll damit das Messverfahren kalibriert und standardisiert werden. In einem zweiten Schritt soll vergleichend über unterschiedlichen, auch kohäsiven und biogenen fixierten natürlichen Sedimenten der kritische Strömungszustand beim Bewegungsbeginn erfasst werden. In sechs aus dem Rückseitenwatt der Nordsee-Insel Spiekeroog ausgewählten und bereits eingemessenen Meßfeldern mit für den Ablagerungsraum typischen faziellen Mustern wird unter verschiedenen Strömungs- und Wellenbedingungen (Ebb- und Flutstrom, verschiedene Wassertiefen, Seegang, Wellenklima) die ADV-Sonde für dreidimensionale Strömungsmessungen eingesetzt. Parallel zu den bodennahen turbulenten Strömungsverhältnissen soll das Einsetzen von Erosion und Suspensionsentwicklung aufgezeichnet werden. Der Einfluss von Mikroorganismen auf Textur und Stabilität der Sedimentoberfläche soll parallel zu den Messungen verfolgt werden.

Soil-gas transport-processes as key factors for methane oxidation in soils

Methane (CH4) is a major greenhouse gas of which the atmospheric concentration has more than doubled since pre-industrial times. Soils can act as both, source and sink for atmospheric CH4, while upland forest soils generally act as CH4 consumers. Oxidation rates depend on factors influenced by the climate like soil temperature and soil moisture but also on soil properties like soil structure, texture and chemical properties. Many of these parameters directly influence soil aeration. CH4 oxidation in soils seems to be controlled by the supply with atmospheric CH4, and thus soil aeration is a key factor. We aim to investigate the importance of soil-gas transport-processes for CH4 oxidation in forest soils from the variability the intra-site level, down to small-scale (0.1 m), using new approaches of field measurements. Further we will investigate the temporal evolution of soil CH4 consumption and the influence of environmental factors during the season. Based on previous results, we hypothesize that turbulence-driven pressure-pumping modifies the transport of CH4 into the soil, and thus, also CH4 consumption. To improve the understanding of horizontal patterns of CH4 oxidation we want to integrate the vertical dimension on the different scales using an enhanced gradient flux method. To overcome the constraints of the classical gradient method we will apply gas-diffusivity measurements in-situ using tracer gases and Finite-Element-Modeling. Similar to the geophysical technique of Electrical Resistivity Tomography we want to develop a Gas Diffusivity Tomography. This will allow to derive the three-dimensional distribution of soil gas diffusivity and methane oxidation.

MudEstuary - Die Beeinflussung der Dynamik der Tideästuare durch Flüssigschlick, Vorhaben: Numerische Simulation des Emsästuars (MudEstuary-B)

Mit der Durchführung des Verbundprojekts MudEstuary soll ein maßgeblich weiterentwickeltes numerisches Verfahren zur Verfügung stehen, welches die Tidedynamik und den Transport von schlickhaltigem Material in Ästuaren in Abhängigkeit von der Rheologie und der Turbulenz berechnen kann. Weiterhin ist ein Hauptziel anhand der Untersuchung historischer Zustände des Emsästuars ein tieferes Verständnis der Tidedynamik durch Flüssigschlick sowie der Bedingungen, unter denen ein so erheblicher Flüssigschlickanfall wie in der Ems auch in anderen Ästuaren entstehen kann. Der Fokus des Teilprojekts B der Bundesanstalt für Wasserbau liegt auf der numerischen Simulation des Emsästuars. Die wesentlichen Arbeitsschritte des Teilprojekts B umfassen: (i) Weiterentwicklung des Simulationsmodells unter Zusammenführung von Turbulenz- und rheologischem Modell, (ii) Anwendung und Validierung des neuen Simulationsansatzes in einem bestehenden Emsmodell, (iii) Integration des im Teilprojekt A entwickelten Viskositätsmodels, (iv) Anwendung des erweiterten Modellverfahrens auf das Emsästuar sowie Untersuchung historischer Systemzustände. Insbesondere im Hinblick auf die Verschlickungsproblematik des Emsästuars werden mit diesem beantragten Projekt neue Erkenntnisse gewonnen, die bereits in laufenden sowie in zukünftigen Sedimentmanagementstrategien (mit dem Fokus auf Feinsedimente) berücksichtigt werden können. Das weiterentwickelte Modellverfahren mit der neuen Modellviskosität aus Turbulenz und Rheologie ermöglicht darüber hinaus, zukünftig erforderliche Maßnahmen zur Rückentwicklung ungünstiger Systemzustände auch in ihrer Wirkung auf Schlicktransport und Schlickakkumulation fachlich abgesichert zu untersuchen und zu beurteilen. Weiterhin soll durch eine Übertragung der Erkenntnisse der Ems auf andere Ästuare überprüft werden, ob diese ebenfalls gefährdet sind, zu einem schlickdominierten System zu werden.

Leistungssteigerung bei der Querstrommikrofiltration durch Dean-Wirbel

Druckgetriebene Filtrationsprozesse, wie z.B. die Querstrommikrofiltration, sind in ihrer Leistungsfaehigkeit durch Effekte wie Fouling und Konzentrationspolarisation bzw. Deckschichtwachstum beschraenkt. Ziel der hier genannten Arbeit ist es, durch eine gezielte Induzierung von Stroemungsinstabilitaeten in Form von Sekundaerstroemungen das Deckschichtwachstum an der Membran zu limitieren, somit hoehere Filtratfluesse zu erzielen und den Filtrationsprozess insgesamt effizienter zu betreiben. Die Stroemungsinstabilitaeten werden durch die Stroemungsfuehrung in maeanderfoermig gekruemmten Kapillarmembranen aufgrund von Zentrifugalkraeften erzeugt. In Technikumsversuchen mit Latex- und Hefesuspensionen konnte nachgewiesen werden, dass sich der Filtratfluss durch den Einsatz von Dean Wirbeln gegenueber der Filtration mit geraden Kapillarmembranen um bis zu 140 Prozent steigern laesst, die Effizienz des Prozesses kann bei gleichem spezifischen Filtratfluss sogar um bis zu 400 Prozent hoeher sein. Neben den experimentellen Untersuchungen erfolgt eine intensive theoretische Betrachtung des Filtrationsprozesses. Mit Hilfe einer CFD-Software werden die hydrodynamischen Vorgaenge untersucht und in Hinblick auf den Deckschichtaufbau analysiert. Die Berechnung mehrphasiger Stroemungen und der Ablagerungsmechanismen von Partikeln soll in Zukunft durch die Simulation des dynamischen Deckschichtaufbaus in maeanderfoermig gekruemmten Kapillarmembranen erfolgen und zur Optimierung von Filtrationsmodulen hinsichtlich der Hydrodynamik herangezogen werden.

Experimentelle Arbeiten zur Untersuchung der Stroemungs- und turbulenten Austauschvorgaenge in der unteren Troposphaere

Untersuchung klimabestimmender Prozesse und der turbulenten Ausbreitung von Luftverunreinigungen im mesoskaligen Bereich mit Hilfe von langfristigen Beobachtungen und kuerzeren Messkampagnen. Die Messergebnisse dienen der Parametrisierung und Verifikation von Modellrechnungen. Dabei werden u.a. mit Fernmessverfahren meteorologische Vorgaenge untersucht, die fuer das mesoskalige Klima von Bedeutung sind; Landoberflaechenprozesse werden mit Energie- und Feuchtebilanzstationen erfasst. Es werden ferner Transport und turbulente Ausbreitung von Luftverunreinigungen verfolgt, Turbulenzstrukturen erfasst und analysiert und der Einfluss der Gelaendeoberflaeche beobachtet. Dazu dienen Messungen mit bodengebundenen Turbulenz-Messsystemen, der Einsatz von Tretoons, eines Doppler-Sodars, sowie die Wetterdaten einer Reihe von Bodenstationen.

Sonderforschungsbereich Transregio 172 (SFB TRR): Arktische Verstärkung: Klimarelevante Atmosphären- und Oberflächenprozesse und Rückkopplungsmechanismen (AC)3, Teilprojekt E03: Prozessbasierte Einschätzungen von arktischen tiefen Wolken

Dieses Teilprojekt untersucht die Prozesse, die zur Entwicklung, Lebensdauer und Zerfall von arktischen tiefen Wolken führen. Dabei liegt der Fokus auf deren makro-, mikropysikalischen und dynamischen Eigenschaften als auch deren Wechselwirkung mit heterogenen Oberflächeneigenschaften. Unsere Forschungsstrategie besteht aus einem integrierten Ansatz von Large-Eddy aufgelösten Simulationen (LES) in Verbindung mit neuartigen bodengebundenen Fernerkundungsmethoden. Die Konfiguration des LES wird aus Eulerschen aber auch Lagrangschen Beschreibungen bestehen, wobei die Eulersche Darstellung Langzeit Perioden an einer bestimmten Stelle abdeckt, wohingegen die Lagrangsche Darstellung dafür entwickelt wird die Schiffsrouten mit den Flugzeugmessungen zusammenzuführen.

Sonderforschungsbereich Transregio 129 (SFB TRR): Oxyflame - Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung der Reaktion fester Brennstoffe in einer Oxyfuel-Atmosphäre, Teilprojekt B05: Robuste absorptionsspektroskopische Diagnosemethoden für Kohlestaubverbrennungs-prozesse: Verfahren zur Bestimmung von Gasspezies, Gastemperaturen und der Partikelbeladung

Auf Basis verschiedener absorptionsspektroskopischer Methoden werden neue, robuste, probennahmefreie in-situ-Messtechniken entwickelt, die unter den Bedingungen turbulenter Kohlestaubfeuerungen eine Bestimmung prozessrelevanter Gasspezies (H2O, CO, CO2, C2H2 oder HCl) sowie der Gastemperatur ermöglichen, um diese dann für die experimentelle Validierung von Verbrennungsmodellen sowie für die Regelung von Oxyfuel-Prozessen nutzbar zu machen. Hierzu werden an unterschiedlichen hierarchisch aufgebauten Brennerkonfigurationen unter zunehmend komplexeren, thermochemischen Randbedingungen (ein-/zweiphasig, nicht-reaktiv/chem.-reaktiv) Oxyfuel-Bedingungen untersucht und die Erkenntnisse sukzessive auf technische Feuerungsanlagen übertragen sowie für deren Prozessoptimierung nutzbar gemacht.

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