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Bedarfsgerechte Automatisierung der Freiflächen- und Tröpfchenbewässerungstechnik mittels on-site IOT-Sensorik, unterstützt durch Satellitentechnik, Teilprojekt B

Bedingt durch den Klimawandel sind landwirtschaftliche Kulturpflanzen vermehrt Wasserstress und Frostschäden ausgesetzt. Gleichzeitig prognostiziert die FAO einen Anstieg des globalen Wasserbedarfs um 55% (Landwirtschaft um 11%), bei einem Anstieg der gesamten beregneten Fläche um 6% bis 2050. Diese Problematik, kombiniert mit dem Bevölkerungsanstieg, wachsendem Energiebedarf und dem Rückgang der nutzbaren landwirtschaftlichen Fläche in den Industriestaaten, verlangt nach Lösungen. Ein bedarfsgerechter, energiesparender und effizienter Einsatz der Ressourcen Wasser und Energie ist erforderlich, um eine zukunftsfähige und nachhaltige Bewässerung zu gewährleisten und der steigenden Nutzungskonkurrenz, um die Ressource Wasser, zu begegnen. Während eine automatisierte Bewässerung im Gewächshaus bereits Stand der Technik ist, wird die Freiflächen und Tröpfchenbewässerung wie z.B. im Gemüse bzw. Obstbau überwiegend manuell auf Basis von Erfahrungswerten der Anbauer oder aufgrund fest geplanter Bewässerungsintervalle durchgeführt. Dies führt in der Regel zu zu hohen Bewässerungsgaben und kann weiterhin zu Nährstoffauswaschungen führen. Ziel dieses Projektes ist es daher, Daten aus den unterschiedlichsten Quellen auf einer intelligenten Service-Plattform miteinander zu verknüpfen, um dadurch über eine digitale Entscheidungsunterstützung, eine bedarfsgerechte und (teil-)automatisierte Bewässerung zu ermöglichen. Gerade die Integration lokaler Sensoren in einem multivariaten Ansatz, soll dabei auch der zunehmenden Entwicklung von teilabgedeckten Agrarflächen durch Agri-Photovoltaik-Anlagen, Folien und Netzen gerecht werden. Kern des Projekts ist dabei ein Cloud-basierter Bewässerungsplaner, der sich automatisiert an die on-Site gemessenen Klimaparameter, sowie den aktuellen phänologischen Bedingungen in Echtzeit anpasst. Der Planer wird dann mit den bestehenden Systemen der Projektpartner vernetzt, um die Ausführung der Bewässerung zu (teil)-automatisieren.

Bedarfsgerechte Automatisierung der Freiflächen- und Tröpfchenbewässerungstechnik mittels on-site IOT-Sensorik, unterstützt durch Satellitentechnik, Teilprojekt C

Bedingt durch den Klimawandel sind landwirtschaftliche Kulturpflanzen vermehrt Wasserstress und Frostschäden ausgesetzt. Gleichzeitig prognostiziert die FAO einen Anstieg des globalen Wasserbedarfs um 55% (Landwirtschaft um 11%), bei einem Anstieg der gesamten beregneten Fläche um 6% bis 2050. Diese Problematik, kombiniert mit dem Bevölkerungsanstieg, wachsendem Energiebedarf und dem Rückgang der nutzbaren landwirtschaftlichen Fläche in den Industriestaaten, verlangt nach Lösungen. Ein bedarfsgerechter, energiesparender und effizienter Einsatz der Ressourcen Wasser und Energie ist erforderlich, um eine zukunftsfähige und nachhaltige Bewässerung zu gewährleisten und der steigenden Nutzungskonkurrenz, um die Ressource Wasser, zu begegnen. Während eine automatisierte Bewässerung im Gewächshaus bereits Stand der Technik ist, wird die Freiflächen und Tröpfchenbewässerung wie z.B. im Gemüse bzw. Obstbau überwiegend manuell auf Basis von Erfahrungswerten der Anbauer oder aufgrund fest geplanter Bewässerungsintervalle durchgeführt. Dies führt in der Regel zu hohen Bewässerungsgaben und kann weiterhin zu Nährstoffauswaschungen führen. Ziel dieses Projektes ist es daher, Daten aus den unterschiedlichsten Quellen auf einer intelligenten Service-Plattform miteinander zu verknüpfen, um dadurch über eine digitale Entscheidungsunterstützung, eine bedarfsgerechte und (teil-)automatisierte Bewässerung zu ermöglichen. Gerade die Integration lokaler Sensoren in einem multivariaten Ansatz, soll dabei auch der zunehmenden Entwicklung von teilabgedeckten Agrarflächen durch Agri-Photovoltaik-Anlagen, Folien und Netzen gerecht werden. Kern des Projekts ist dabei ein Cloud-basierter Bewässerungsplaner, der sich automatisiert an die on-Site gemessenen Klimaparameter, sowie den aktuellen phänologischen Bedingungen in Echtzeit anpasst. Der Planer wird dann mit den bestehenden Systemen der Projektpartner vernetzt, um die Ausführung der Bewässerung zu (teil)-automatisieren.

Gibt es eine neue Attraktivität der Städte?

Seit Anfang dieses Jahrzehnts zeigt sich für eine Reihe von deutschen Großstädten wieder eine positive Bevölkerungsentwicklung. Zugleich zeigt sich, dass die Suburbanisierungsprozesse rückläufig sind. Diese Entwicklung wird in Fachkreisen begrüßt, hat es doch den Anschein, als käme die Stadtentwicklung dem Ideal einer kompakten, Ressourcen sparenden Entwicklung näher. Im Rahmen dieses Projektes sollen die Effekte überprüft werden. Außerdem werden die lokalen Ausprägungen eines weiteren Städtewachstums als Forschungsthema in den Blick gerückt. Bedeutet eine positive Bevölkerungsentwicklung automatisch eine neue Attraktivität der Städte? Welche Prozesse und Strategien stecken hinter den Zahlen, wie schlagen sie sich in den Stadtquartieren nieder und wie sind sie zu bewerten? Es soll herausgefunden werden, inwieweit die steigenden Bevölkerungszahlen geplant sind, d.h. ob sie Resultat gezielter Strategien sind und unter welchen Bedingungen kommunale Strategien greifen. Bringt das statisch feststellbare Städtewachstum auf der einen und die gebremste Suburbanisierung auf der anderen Seite die Stadtentwicklung einer kompakten, ausgewogenen, sozialverträglichen und Ressourcen sparenden Entwicklung näher? Ausgangslage: Die Städtelandschaft ist in Deutschland durch gleichzeitig stattfindende Wachstums- und Schrumpfungsprozesse auf der Ebene der Stadtbevölkerung gekennzeichnet. Auch wenn nur die wachsenden oder nur die schrumpfenden Städte betrachtet werden, weisen sie untereinander recht heterogene Entwicklungen auf. Im Vorfeld des Forschungsprojektes hat das Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung (BBSR) ein Arbeitspapier erstellt, in dem die quantitativen Prozesse in deutschen Städten mit Bevölkerungsgewinnen näher unter die Lupe genommen werden. Die Bevölkerungsentwicklung wurde über die vergangenen zehn Jahre betrachtet, Städte wurden mit ihrem Umland verglichen und die Bevölkerungsentwicklung in Relation zur Beschäftigtenentwicklung gesetzt (Rubrik 'Ergebnisse'). Die Ergebnisse führen zur Auswahl von zehn Städten, für die vertiefende Analysen angestellt werden. Die Auswahl wurde erstens geleitet durch die Anforderung eines (geringfügigen) repräsentativen Charakters der ausgewählten Städte. Zweites galt die Bedingung, dass die Städte Mitglied im Netzwerk 'Innenstädtische Raumbeobachtung des BBSR' sind, weil dadurch eine Reihe von Daten unmittelbar verfügbar und Ansprechpartner bekannt sind. Als elfte Stadt hat sich Frankfurt am Main als assoziiertes Mitglied dem aus BBSR und Kommunen bestehenden Forschungskonsortium angeschlossen. Die BBSR-Website Werkstatt-Stadt gibt zum Einstieg und zur Illustration Hinweise auf Projekte, die in den zehn Städten in ihrer 'Wachstumsperiode' umgesetzt wurden und die Kriterien einer nachhaltigen Stadtentwicklung erfüllen.

Auf dem Weg zu intelligenten Wasserversorgungsnetzen (Entwicklung von wissensbasierten Techniken für die Echtzeit-Leck-Erkennung)

Die rasche Verstädterung und das Bevölkerungswachstum haben in den heutigen Gesellschaften neue Probleme geschaffen. Zu diesen Problemen gehören die Verknappung der Trinkwasserressourcen, Schwierigkeiten bei der Abfallbewirtschaftung, Luftverschmutzung, Verkehrsstaus und eine sich verschlechternde und veraltete Infrastruktur. Neben der zunehmenden Dringlichkeit einer nachhaltigen Entwicklung haben Fortschritte in der Mathematik und im Data Science das Konzept der "Smart Cities" zur Lösung dieser Probleme hervorgebracht. Die Versorgung der Menschen mit einer sicheren, zuverlässigen und kostengünstigen Trinkwasserversorgung ist von größter Bedeutung für die Gesundheit in der Gesellschaft, die Wirtschaft und die Politik. Daher ist der Zugang zu sauberem Wasser und sanitären Einrichtungen als eines der 17 Ziele in der Agenda 2030 für nachhaltige Entwicklung der Vereinten Nationen enthalten (https://sdgs.un.org/goals). In diesem Zusammenhang sind die Wasserversorgungsnetze (WDN) das Herzstück jeder intelligenten Stadt und erfordern neue Überlegungen und Entwicklungen, um intelligenter verwaltet und betrieben zu werden. Eines der Hauptprobleme in WDNs sind Lecks im System. Leckagen führen zu einem spürbaren Verlust von sauberem Wasser, was zu umgekehrten Leckagen, Verunreinigungen durch Grundwasser und ernsthaften Betriebsschwierigkeiten führen kann. Eine frühzeitige Leckerkennung spart Wasser und verhindert, dass sich kleine Lecks zu Wassereinbrüchen ausweiten. Daher sind Einrichtungen zur frühzeitigen Leckerkennung für jedes intelligente WDN unerlässlich, um Verluste und die Gefahr von Leckagen zu verringern. SMARTWINE zielt darauf ab, das Potenzial einer Kombination aus maschinellem Lernen (ML), Graphentheorie und Optimierungstechniken zu erforschen und zu nutzen, um zuverlässige, schnelle und einfach zu bedienende Methoden zur Echtzeit-Leckerkennung und Alarmierung in WDNs zu entwickeln.

Bevölkerungswachstum und Umweltnutzung. Eine ökonomische Perspektive

In der vorliegenden Habilitationsschrift wird der Zusammengang von Bevölkerungswachstum und Umweltproblemen untersucht. Diese Thematik wird bislang in der umweltökonomischen Literatur kaum behandelt. Eine Ursache hierfür ist die Komplexität der Beziehungen zwischen Bevölkerungsentwicklung und Umweltproblemen. Anhand historischer und aktueller empirisch-deskriptiver Analysen wird zu klären versucht, inwieweit Bevölkerungswachstum durch die wirtschaftliche Entwicklung beeinflusst wird, und wie diese beiden Veränderungen die Inanspruchnahme der Umwelt als Schadstoffaufnahmemedium bestimmen. Eine Analyse der Theoriegeschichte zum Verhältnis von Natur und Bevölkerung und die Diskussion positiver und normativer ökonomischer Theorien der Fertilität zeigen die Möglichkeiten und Grenzen ökonomischer Modelle zur Erklärung und Beurteilung der Bevölkerungsentwicklung und der dadurch möglicherweise hervorgerufenen Umweltprobleme.

Seawater carbonate chemistry and growth, survival and Chlorophyll a fluorescence parameters of Fucus vesiculosus L.(Phaeophyceae) in a seasonally fluctuating environment

Global change exposes brown algal Fucus vesiculosus populations to increasing temperature and pCO2, which may threaten individuals, in particular the early life-stages. Genetic diversity of F. vesiculosus populations is low in the Baltic compared to Atlantic populations. This might jeopardise their potential for adaptation to environmental changes. Here, we report on the responses of early life-stage F. vesiculosus to warming and acidification in a near-natural scenario maintaining natural and seasonal variation (spring 2013–2014) of the Kiel Fjord in the Baltic Sea, Germany (54°27ʹN, 10°11ʹW). We assessed how stress sensitivity differed among sibling groups and how genetic diversity of germling populations affected their stress tolerance. Warming increased growth rates of Fucus germlings in spring and in early summer, but led to higher photoinhibition in spring and decreased their survival in late summer. Acidification increased germlings' growth in summer but otherwise showed much weaker effects than warming. During the colder seasons (autumn and winter), growth was slow while survival was high compared to spring and summer, all at ambient temperatures. A pronounced variation in stress response among genetically different sibling groups (full-sib families) suggests a genotypic basis for this variation and thus a potential for adaptation for F. vesiculosus populations to future conditions. Corroborating this, survival in response to warming in populations with higher diversity was better than the mean survival of single sibling groups. We conclude that impacts on early life-stages depend on the combination of stressors and season and that genetic variation is crucial for the tolerance to global change stress.

Ecosystem functions of rare arable plants - field experiment: Aphidoidea data

Taken from materials and methods of https://doi.org/10.1016/j.baae.2022.12.003: Aphids were counted on 50 randomly selected shoots in two crop rows (100 shoots in total) per plot and sampling round. To reduce edge effects, rows with less than 20 cm to the edge were excluded. Counting took place twice a year, that is, once during crop flowering (BBCH 61; beginning of aphid population growth) and once during crop milk ripening stage (BBCH 75).

Ecosystem functions of rare arable plants - field study: Aphidoidea data

Taken from materials and methods of https://doi.org/10.1016/j.baae.2022.12.003: Aphids were counted on 50 randomly selected shoots in two crop rows (100 shoots in total) per plot and sampling round. To reduce edge effects, rows with less than 20 cm to the edge were excluded. Counting took place twice a year, that is, once during crop flowering (BBCH 61; beginning of aphid population growth) and once during crop milk ripening stage (BBCH 75).

Sources and Sinks of short-lived radium isotopes in the southern North Sea: Implications for the system functioning and budget estimates

Continued population growth increases the demand for space and resources, which in turn enhances anthropogenic pressure on coastal seas. Biotic and abiotic ecosystem understanding in a wider context is essential for effective management of stakeholder interests. This study is a synthesis of recent findings based on short-lived radium isotopes in the shelf ocean North Sea and uses the isotopes to quantify relevant sources and sinks in biogeochemical cycles in the coastal sea in order to enhance system understanding. We improve upon the previously designed box model for the southern North Sea by Burt et al. [2014], using a denser data coverage for nearshore areas. Specifically, the updated model considers decay-supported desorbable Ra from suspended particles and input from submarine groundwater discharge. The model quantified a total of five source terms for Ra: the Wadden Sea, rivers, desorption from suspended particles in the water column, submarine groundwater discharge from beach systems, and porewater exchange at North Sea bottom sediments; whereas considered losses are radioactive decay and mixing with the open North Sea. The mass balance reveals that porewater exchange, e.g., ripple flow, significantly dominates the total short-lived Ra isotope discharge to the southern North Sea. An eddy diffusion based Ra approach was not successful to quantify submarine groundwater discharge from beach systems, due to other major inputs of Ra isotopes from the adjacent Wadden Sea and river discharge, superimposing the minor submarine groundwater discharge from beaches.

Larval survival and development of Carcinus maenas from Norway and Spain reared in a laboratory experiment

Larval and adult stages of marine species with complex life cycles often differ in thermal tolerance, with larvae typically showing narrower thermal tolerance limits. To assess how such stage-specific differences may influence species' range dynamics under climate change, we quantified larval performance of the European shore crab Carcinus maenas across an environmental temperature gradient. We measured larval survival rates (%) from hatching to metamorphosis to megalopa and the duration of development (days) at seven constant-temperature treatments (9-27 °C, in 3 °C increments). Data represent experimental observations of larval performance under laboratory conditions and are reported at the level of replicates by females of each population. Replication was performed on two levels: 5 * 10 larvae were reared per female, and 4 to 6 females were used per population. Larvae originated from berried females collected from populations at the southern and northern parts of the native European distribution (Vigo, Spain; Bergen and Trondheim, Norway). The data were collected during one reproductive period in 2022. We aimed to test the hypothesis that larvae from northern populations are more tolerant to low temperatures, while southern populations exhibit increased tolerance to high temperatures, which would facilitate poleward range expansion under warming conditions. Our results show that larvae from Spain displayed slightly higher survival rates to megalopa at warmer temperatures compared to those from northern populations. However, little variation in tolerance was observed between northern Spain and Norway, with low survival at the temperature extremes (9 °C and 27 °C). Notably, larvae from Norway exhibited faster development at low temperatures.

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