Zunehmende Gewaessereutrophierung, wobei Ursachen und Verursacher z.T. unbekannt; Ziel der Untersuchungen: Einfluss natuerlicher (geologisches Substrat/Boden und Niederschlag) und anthropogener (u.a. Landnutzung/Abwassereinleitung) Faktoren bezueglich der Eutrophierung unter besonderer Beruecksichtigung der Bodenerosion und der oberflaechennahen Wasserbewegung.
Die Wechselwirkung zwischen der Kryosphäre und dem Ozean bildet eine der Hauptursachen für lokale und globale Veränderungen des Meeresspiegels. Das Schmelzen des grönländischen Eisschildes trägt derzeit zu rund einem Drittel zum globalen Meeresspiegelanstieg bei, und der Massenverlust des Eisschildes und damit der Transport von Eis aus dem Eisschild in den Ozean beschleunigen sich weiter. Bis vor kurzem schien es, als sei die Beschleunigung der abfließenden Eisströme auf Grönlands Westküste und die Fjorde im Südosten beschränkt, während die Gletscher im Nordosten als weitgehend stabil galten. Einer dieser scheinbar stabilen Gletscher ist der Nioghalvfjerdsbrae oder 79°Nord Gletscher, der größere zweier Gletscher, die aus dem nordostgrönländischen Eisstrom gespeist werden und direkt ins Meer münden. Wegen der Existenz einer Kaverne unter der schwimmenden Eiszunge analog zu den Schelfeisen der Antarktis ist der 79°Nord Gletscher für Studien der Eis Ozean Wechselwirkung sehr interessant, besonders da das Einzugsgebiet des nordostgrönländischen Eisstroms mehr als 15% der Fläche des grönländischen Eisschildes erfasst. Aktuelle Studien weist nun auf eine Beschleunigung des Eisstromes und eine Abnahme der Eisdicke entlang der Küste von Nordostgrönland hin. Gleichzeitig wurde eine Erwärmung und eine Zunahme des Volumens des Atlantikwassers in der Ostgrönlandsee und der Framstraße beobachtet. Unser Projekt hat zum Ziel, (1) die Mechanismen zu verstehen, mit denen der Ozean Wärme aus der Framstraße und vom Kontinentalhang Nordostgrönlands in die Kaverne unter dem schwimmenden 79°N Gletscher transportiert, (2) die Rolle externer Variabilität relativ zu Prozessen innerhalb der Kaverne hinsichtlich ihres Einflusses auf das Schmelzen an der Eisunterseite zu untersuchen und (3) die wichtigsten Sensitivitäten innerhalb dieses gekoppelten Systems aus Eis und Ozean zu identifizieren. Wir verfolgen dieses Ziel durch eine Kombination von gezielter Beobachtung und innovativer hochauflösender Modellierung. Im Rahmen zweier Forschungsreisen mit dem Eisbrecher FS Polarstern werden Strömungsgeschwindigkeiten, Hydrographie und Mikrostruktur sowohl mit gefierten als auch mit verankerten Instrumenten gemessen. Diese Beobachtungen werden durch den Einsatz eines autonomen Unterwasserfahrzeugs ergänzt. Zur Modellierung nutzen wir das Finite Element Sea ice Ocean Model (FESOM), das um eine Schelfeiskomponente erweitert wurde und in einer Konfiguration betrieben wird, die mit hoher Auflösung die kleinskaligen Prozesse auf dem Kontinentalschelf vor Nordostgrönland und in der Kaverne unter dem 79°N Gletscher in einem globalen Kontext wiedergibt. Zusammen mit den Beiträgen unserer Kooperationspartner aus der Glaziologie und der Tracerozeanographie entwickelt sich aus der Synthese dieser beiden Komponenten ein detailliertes Bild der Prozesse auf dem Kontinentalschelf Nordostgrönlands, einer Schlüsselregion für zukünftige Veränderungen des globalen Meeresspiegels.
Das Ziel der Untersuchungen ist es, die Dynamik der Durchflussprozesse durch eine hydrologisch-hydraulische Modellierung vor allem im rueckgestauten Bereich der Warnow zu erfassen. Dazu ist die systematische Beobachtung und Analyse der Wasserhaushaltsgroessen notwendig. Es ist u.a. der Einfluss von Niederschlag und Verdunstung in Bezug auf das Abflussverhalten von Interesse, ebenso das Retentionsverhalten des Grundwasserleiters in Verbindung mit landwirtschaftlichen Vorflutern, Torfstichen und Seen im Nebenschluss. An den Wehren in Rostock und Buetzow werden Wasserstands-Durchfluss-Beziehungen ermittelt.
Eine wichtige Fragestellung des SFB 248 ist die integrierte Betrachtung von biologischen und physikalischen Prozessen. Die physikalischen Mischungsprozesse sind fuer die biologischen Vorgaenge von grosser Bedeutung. Sie beeinflussen zum einen die Horizontalverteilung von Organismen und sind zum anderen fuer den passiven Transport des Planktons und den Naehrstofftransport vom Hypolimnion in die euphotische Zone verantwortlich. Teilprojekt A1 befasst sich (a) mit den horizontalen und vertikalen Durchmischungsprozessen und (b) mit dem vom Wassertransport unabhaengigen Stofftransport in der Wassersaeule und speziell mit der Anlagerung geloester Spurenstoffe an Partikel. Fuer die Parametrisierung der Prozesse und deren Modellierung ist ein Verstaendnis des Stroemungsverhaltens des Sees notwendig.
Die Prozesse der Wasser- und Stoffbewegung sowie des Gasaustausches in Böden werdenmaßgeblich durch das an die Bodenstruktur gebundene Porensystem gesteuert. Die Funktionalität des Porensystems beruht hierbei sowohl auf den Anteilen unterschiedlicher Porengrößen als auch auf der Geometrie des Porenraumes. Während die Porengrößenverteilung mit bodenphysikalischen Standardmethoden unter der Annahme von Kapillarität quantifizierbar ist, lassen sich die realen Porenformen in ihrer räumlichen Anordnung (u.a. Kontinuität, Bottlenecks, Konnektivität, Tortuosität) nur durch optische Verfahren erschließen. Die präferentiellen Fließwege der Makro- und Grobporen (größer als 50 mym) wurden bereits in zahlreichen Studien in 2D und 3D analysiert. Für die mittleren Porengrößen (0,2 - 50 mym) mit hoher ökologischer Wirksamkeit in ungesättigten Böden liegen jedoch kaum morphologische Informationen vor. In diesem Projekt sollen die Verfahren der Kunstharzeinbettung und der Mikrofokus- Computertomographie (myCT) für eine qualitative und quantitative räumliche Analyse des Porensystems in verbesserter hoher Auflösung (bis zu 1 mym) eingesetzt werden. Die Darstellung der mittleren Porengrößen wird mit der neuesten hochauflösenden Technik der myCT bei gleichzeitiger Differenzierung von Matrix, Wasser und Luft realisiert. Die zu analysierenden Geometrieparameter unterschiedlicher Porengrößen werden mit den Funktionen der Wasser- und Luftleitfähigkeit korreliert. Die Darstellung der Wasserverteilung in realen Poren bei unterschiedlichem Entwässerungsgrad ermöglicht zudem eine Überprüfung der Kapillartheorie, die als allgemeine Grundlage für Wasserverteilung und Wasserfluss vorausgesetzt wird.
Fruehere Experimente der vertikalen Verteilung des Kernwaffen- (oder kuenstlich eingebrachten) Tritiums zeigten eine nur sehr langsame, geschichtete Abwaertsbewegung des Niederschlagswassers in der ungesaettigten Bodenzone. Da das Vorruecken des Tritium Tracers immer schneller als das anderer Verunreinigungen im Regenwasser ist, sind so Abschaetzungen des unguenstigsten Falles moeglich (Zivilschutz, Umweltschutz). Jetzt soll geprueft werden, inwieweit eine geschichtete Abwaertsbewegung der Grundwasserspende in der ungesaettigten Bodenzone bei starker kuenstlicher Beregnung erhalten bleibt, bzw. ab welchen Regen-Intensitaeten mit staerkerer Dispersion und Kanalbildung zu rechnen ist.
Die Wasserströmung in ungesättigten Böden erfolgt hauptsächlich vertikal entlang der abwärts oder aufwärts gerichteten Gradienten im Wasserpotenzial. Laterale Flüsse treten nur nahe Wassersättigung auf, wo die Kapillarkräfte an Bedeutung verlieren. Laterale Flüsse entlang stauender Bodenhorizonte und anderer Strukturen auf der Hangskala können auch mit hochaufgelösten, dreidimensionalen numerischen Modellen nicht realistisch beschrieben werden, da geeignete Modellkonzepte für eine prozessbasierte Beschreibung fehlen. Wesentliche Schwierigkeiten bereiten Phänomene wie das hydraulische Ungleichgewicht und die Hysterese der hydraulischen Bodeneigenschaften. Ursache für beides sind strukturelle Heterogenitäten des Bodens, die dazu führen, dass das Wasserpotenzial gegen Null geht, bevor eine vollständige Wassersättigung des Porenraums erreicht wird. Eine weitere Schwierigkeit ist der hohe Daten- und Rechenaufwand für eine 2- oder 3-dimensionale Parametrisierung zur Darstellung der hydraulisch relevanten Heterogenitäten von Bodentextur und -struktur. In diesem Projekt entwickeln wir einen neuen konzeptionellen Rahmen, um hydraulisches Ungleichgewicht einschließlich der Hysterese für die 1D vertikale Wasserdynamik physikalisch konsistent zu beschreiben. Dabei stützen wir uns auf die einzigartigen Datensätze aus dem Monitoring-System VAMOS und dem TERENO Lysimeternetzwerk SoilCan. Mit VAMOS werden seit 2013 die Wassergehalte und -potenziale in verschiedenen Böden kontinuierlich gemessen, und zwar sowohl in Lysimetern (1D) als auch im Feld (3D). Das Upscaling auf die Hangskala soll durch eine dynamische Kopplung von parallelen 1D Säulen realisiert werden, wobei die Kopplung durch die lokale Wassersättigung (Wasserpotenzial =0) gesteuert wird. Damit können Lateralflüsse auf größerer Skala mit erheblich reduzierter Modellkomplexität und geringerem Rechenaufwand beschrieben werden. Das Projekt ist in drei gekoppelte Pakete gegliedert: (1) die Entwicklung eines vereinheitlichten Konzepts zur Beschreibung von hydraulischem Ungleichgewicht und Hysterese (H.-J. Vogel), (2) die Analyse der Dynamik von Lateralflüssen (H.H. Gerke) und (3) die Implementierung und Bewertung eines dynamischen 1D-3D Modells für die Hangskala (T. Wöhling). Zur Validierung der Modellkonzepte werden Experimente im Feld und im Labor gemeinsam konzipiert und durchgeführt. Wir erwarten, dass mit den vorgeschlagenen Modellkonzepten die Lateralflüsse in überwiegend wasser-ungesättigten Böden realistisch beschrieben werden können. Damit wird eine Grundlage geschaffen, um die zeitlich variierenden Fließpfade und Transportzeiten auch auf größeren Skalen zu erfassen, was ein ungelöstes Problem für das Verständnis und die Vorhersage von Transportprozessen im Boden darstellt.
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.