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Binnenwasserstraßen: Abflüsse steuern und Wasserstände regeln

An den staugeregelten Bundeswasserstraßen ist eine genaue Einhaltung der vertraglich festgelegten Wasserstände erforderlich. Die Automatisierung hilft hier mit einer standardisierten Vorgehensweise und sorgt für einen reibungsfreien Betrieb. Effizient und erneuerbar: Wasser bewegt! Deutschland verfügt über ein wirtschaftlich leistungsfähiges Wasserstraßennetz, das die Seehäfen an Nord- und Ostsee mit den Binnenhäfen verbindet. Die 7.350 km Binnenwasserstraßen bestehen zu 25 Prozent aus Kanalstrecken, zu 35 Prozent aus frei fließenden und zu 40 Prozent aus staugeregelten Flussabschnitten. Im Zusammenhang mit dem Staustufenbau wurden an den größeren Flüssen vielfach Laufwasserkraftwerke errichtet, die mit der erneuerbaren Ressource Wasser Strom erzeugen. Zu den staugeregelten Bundeswasserstraßen mit Wasserkraftnutzung zählen Weser, Oberrhein, Neckar, Main, Mosel, Saar und Donau mit einer installierten Leistung von derzeit ca. 750 Megawatt. Damit wird mit den Laufwasserkraftwerken etwa so viel Energie erzeugt, wie alle Schiffstransporte auf dem Wasser verbrauchen (vgl. Verkehrsinvestitionsbericht 2008).

Sonderforschungsbereich Transregio 38 (SFB TRR): Strukturen und Prozesse der initialen Ökosystementwicklung in einem künstlichen Wassereinzugsgebiet; Structures and Processes of the Initial Ecosystem Development Phase in an Artificial Water Catchment, Teilprojekt C 04: Hydrologische Oberflächenprozesse während der Entwicklungsphase eines künstlichen Einzugsgebiets

Das Hauptziel des Projekts ist die Untersuchung und die Entwicklung von Methoden nicht nur zur punktuellen, sondern auch zur flächenhaften Bestimmung der Bodenfeuchte. Zur Anwendung sollen Geländetechniken wie Time-Domain Reflectrometry (TDR), Georadar (GPR), Elektrische Widerstand (ER), Elektromagnetische Induktion (EMI) sowie GNSS Scatterometry kommen. Eine der methodischen Hauptfragen ist die Nutzung der GNSS Scatterometry zur Ermittlung der Bodenfeuchte im Feldmaßstab. Eine weitere grundlegende Forschungsfrage wird die weitere Entwicklung der elektrischen und elektromagnetischen geophysikalischen Techniken für bodenkundliche Anwendungen sein.

Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Untersuchungen zur Variabilität des hydrothermalen Eisenausstoßes an langsamspreizenden Rücken anhand von Bohrlochdaten und Transport-Reaktions-Modellen

Jüngste Entdeckungen in der chemischen Ozeanographie weisen darauf hin, dass hydrothermales Eisen ein wichtiger Modulator biogeochemischer Stoffkreisläufe im globalen Ozean ist, da die Verfügbarkeit von Eisen oft das Phytoplanktonwachstum und somit die biologische Kohlenstoffpumpe limitiert. Diese neuen Ergebnisse aus dem internationalen GEOTRACES-Programm bestätigen interessanterweise frühere Studien zu Mittelozeanischer Rücken, welche bereits zeigten, dass die hydrothermale Aktivität entlang des Mittelatlantischen Rückens (MAR) und damit auch der hydrothermale Stoffeintrag in den Ozean größer ist, als aufgrund der langsamen Spreizungsraten zu erwarten wäre. Über die Prozesse, welche diesen Stoffeintrag kontrollieren und wie sich diese zwischen mafischen und ultramafischen Hydrothermalsystemen unterscheiden, ist jedoch bisher nur wenig bekannt. Wir werden Transport-Reaktions-Modelle mit IODP-Daten kombinieren, um die kritische Kombination von Parametern zu identifizieren, welche den Salz- und Eisengehalt der an den Hydrothermalfeldern TAG und Rainbow freigesetzten Fluiden maximieren. Wird Seewasser in Hydrothermalsystemen stark erhitzt, so teilt es sich in eine dichte, salzige Sole und eine leichtere, salzarme Dampfphase auf, wobei sich die Metalle in der Sole anreichern. Diese Prozesse, zusammen mit der Ausfällung von eisenreichen hydrothermalen Mineralen entlang der Aufstiegswege, sind der Schlüssel zu einem tieferen Verständnis des hydrothermalen Eisentransport. Wie aber die Fließwege und die Strömungsdynamik dieser beiden Phasen innerhalb der Ozeankruste aussehen, ist bisher weitgehend unklar. Um diese Prozesse zu untersuchen, werden wir zu den einzigartigen Daten aus der ODP-158 Bohrkampagne zum mafischen TAG Hydrothermalfeld zurückkehren und diese mit hydrothermalen Transport-Reaktions-Modellen verbinden. Dieser Ansatz wird uns wichtige neue Einblicke in die Solebildung und den Eisentransport erlauben und so Aufschluss über die Gründe für den hohen Eisenausstoß geben. Diese Arbeiten werden durch eine Studie zum ultramafischen Rainbow Hydrothermalfeld ergänzt werden. Für dieses Hydrothermalfeld bereitet ein internationales Forschungsteam zurzeit einen IODP Bohrantrag vor und wir hoffen diesen durch unsere geplanten Arbeiten unterstützen zu können. Aus der Kombination dieser beiden Fallstudien erwarten wir grundlegende neue Erkenntnisse über die wichtigsten geologischen Prozesse, welche den hydrothermalen Eisenexport an langsamspreizenden Rücken kontrollieren und hoffen so einen wichtigen Beitrag zur Erforschung der Rolle von hydrothermalem Eisen in globalen Stoffkreisläufen leisten zu können.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1315: Biogeochemische Grenzflächen in Böden; Biogeochemical Interfaces in Soil, The detritusphere as the biogeochemical interface for bacterial and fungal degradation of MCPA

The detritusphere is an excellent model to study microbial-physicochemical interactions during degradation of the herbicide MCPA. Whereas during the first phase of SPP 1315 we focused on bacterial and fungal abundance at the soil litter interface and carbon flow between different compartments, the second phase will be devoted to elucidating complex regulation mechanisms of MCPA degradation in the detritusphere: (1) At the cellular level, co-substrate availability and laccase abundance might be important regulators, (2) at the community level, bacteria harbouring different classes of tfdA genes might control degradation of MCPA and (3) at the microhabitat level, interaction between MCPA degraders and organo-mineral surfaces as well as transport processes might be important regulators. The concept of hierarchical regulation of MCPA degradation will be included into the modelling of small-scale microbial growth, MCPA transport and MCPA degradation near the soil-litter interface.

Der Einfluß von Wasserinhaltsstoffen auf die strahlungsbedingte Wärmeübertragung in Ozean und Küstengewässern

Die Wechselwirkungen von solaren Strahlungsflüssen und biologischen Prozessen haben fundamentale Auswirkungen auf physikalische Prozesse, Verfügbarkeit von Nährstoffen und Primärproduktion in den oberen Ozeanschichten, sowie den Austausch von Gasen mit der atmosphärischen Grenzschicht. Durch die Absorption solarer Strahlung tragen optisch aktive Wasserinhaltsstoffe zur Erwärmung der oberflächennahen Ozeanschichten bei und beeinflussen so über die Temperaturabhängigkeit der Stoffwechselraten von marinem Phytoplankton Primärproduktion und Export von Biomasse. Aufgrund der im Vergleich mit dem offenen Ozean stärker variablen Konzentrationen von anorganischen Schwebstoffen und CDOM (coloured dissolved organic matter, im Folgenden als Gelbstoff bezeichnet) ist die Zusammensetzung der Wasserinhaltsstoffe in Küstengewässern und Schelfmeeren oftmals durch eine hohe Heterogenität gekennzeichnet. Die Bildung von Gelbstoff und Änderungen in dessen Zusammensetzung aufgrund nicht-konservativer Prozesse hängen dabei in hohem Maße von der Lichtverfügbarkeit, weiterer Umweltbedingungen sowie der Zusammensetzung des Phytoplanktons ab. Darüber hinaus haben heterogene Verteilungen von Phytoplanktonpigmenten und anderen Wasserinhaltsstoffen Auswirkungen auf sub-mesoskalige vertikale Mischungsprozesse und advektive Flüsse, und damit auch auf Wassertemperatur und dichte, sowie das oberflächennahe Nährstoffangebot. Ein gutes Verständnis der Energieflüsse an der Ozeanoberfläche und in den oberen Ozeanschichten sowie deren Auswirkungen auf den Wärmehaushalt in Küstengewässern und Schelfmeeren ist von großer Bedeutung für die Modellierung des regionalen ozeanischen Klimas. Das vorgeschlagene Projekt hat zum Ziel, den Beitrag von optisch aktiven Wasserinhaltsstoffen (einschließlich Phytoplankton, Gelbstoff und anorganischen Schwebstoffen) zu den Energieflüssen in den oberen Ozeanschichten und durch die Ozeanoberfläche hindurch zu quantifizieren. Es soll untersucht werden, inwieweit die heterogene Verteilung von Wasserinhaltsstoffen die sub-mesoskaligen vertikalen turbulenten Austauschvorgänge und advektiven Flüsse beeinflusst, und inwieweit die Lichtattenuation durch Gelbstoff Auswirkungen auf die Zusammensetzung des Phytoplanktons hat. Zu diesem Zweck soll ein gekoppeltes Atmosphäre Ozean Zirkulationsmodell mit integriertem bio-optischem Modul synchron mit einem Atmosphäre Ozean Strahlungstransportmodell betrieben werden, so dass Erwärmungsraten aufgrund hochvariabler Konzentrationen von optisch aktiven Inhaltsstoffen mit hoher Genauigkeit berechnet, und so deren Auswirkungen auf die biophysikalischen Prozesse im Ozean analysiert werden können.

Biogeochemie von Spurenelementen im Südost-Atlantik; ein deutscher Beitrag zum internationalen GEOTRACES-Programm

Unsere bewilligte Forschungsfahrt M121 mit FS Meteor im Südostatlantik wird im November/Dezember 2015 stattfinden. Mit dem vorliegenden Antrag beantragen wir Mittel für Personal zur Teilnahme an der Fahrt und Kosten für die Auswertephase nach der Fahrt. Der Fokus des Projektes liegt auf der Biogeochemie und chemischen Ozeanographie von Spurenmetallen, wofür aber auch physikalische und biologisch-ozeanographische Informationen gesammelt werden. Die Untersuchungsschwerpunkte sind die detaillierte Erfassung der Verteilung von Spurenelementen in der Wassersäule des Südostatlantiks, die Untersuchung von Eintrags- und Austragsmechanismen, die biogeochemischen Zyklen dieser Spurenelemente, und deren Zusammenhänge mit dem Stickstoffkreislauf im Untersuchungsgebiet. Die Ausfahrt wird als offizieller Bestandteil in das international koordinierte GEOTRACES-Programm eingebettet sein. Der erste Schwerpunkt wird die detaillierte Untersuchung der Verteilung der Spurenelemente in der Wassersäule des Benguela-Auftriebs sein, von denen einige als limitierende Mikronährstoffe der Bioproduktivität und der Diazotrophie fungieren. Wir werden die Beziehung zwischen Makro- und Mikronährstoffkonzentrationen und den Flüssen dieser Nährstoffe untersuchen sowie die Beziehung zur biologischen Produktivität und dem Stickstoffzyklus. Die Spurenmetallverteilung soll auch mit der Verteilung und Mischung der Wassermassen im Benguela-Auftriebsgebiet und deren Eigenschaften in Verbindung gebracht werden, insbesondere den Sauerstoffgehalten und dem Austausch mit dem anoxischen Schelf. Weiterhin werden wir den Eintrag und die Eintragswege der Spurenmetalle über Staub (Wüste Namib), Sediment und große Flüsse (hauptsächlich Orange und Kongo) erfassen. Den Abschluss der Projektarbeiten wird die Verteilung der Spurenmetalle in der gesamten Wassersäule im offenen Ozean des Südostatlantiks als Funktion der großskaligen Ozeanzirkulation und Wassermassenmischung sein; diese Arbeiten werden in enger Kooperation mit J. Scholten und M. Frank (Kiel) stattfinden, die einen komplementären Antrag einreichen. Die Arbeiten dieses Projektes haben eine Bedeutung für das globale Verständnis der Rolle unterschiedlicher Prozesse, die die chemischen Umweltbedingungen im Ozean, mit dem Fokus auf Spurenmetalle, steuern und in denen die Ökosysteme funktionieren.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1685: Ecosystem nutrition: forest strategies for limited phosphorus resources; Ökosystemernährung: Forststrategien zum Umgang mit limitierten Phosphor-Ressourcen, Phosphorus transport along soil pathways in forested catchments

Phosphorus (P) is an essential nutrient for living organisms. Whereas agriculture avoids P-limitation of primary production through continuous application of P fertilizers, forest ecosystems have developed highly efficient strategies to adapt to low P supply. A main hypothesis of the SPP 1685 is that P depletion of soils drives forest ecosystems from P acquiring system (efficient mobilization of P from the mineral phase) to P recycling systems (highly efficient cycling of P). Regarding P fluxes in soils and from soil to streamwater, this leads to the assumption that recycling systems may have developed strategies to minimize P losses. Further, not only the quantity but also the chemistry (P forms) of transported or accumulated P will differ between the ecosystems. In our project, we will therefore experimentally test the relevance of the two contrasting hypothetical nutritional strategies for P transport processes through the soil and into streamwater. As transport processes will occur especially during heavy rainfall events, when preferential flow pathways (PFPs) are connected, we will focus on identifying those subsurface transport paths. The chemical P fractionation in PFPs will be analyzed to draw conclusions on P accumulation and transport mechanism in soils differing in their availability of mineral bound P (SPP core sites). The second approach is an intensive streamwater monitoring to detect P losses from soil to water. The understanding of P transport processes and P fluxes at small catchment scale is fundamental for estimating the P exports of forest soils into streams. With a hydrological model we will simulate soil water fluxes and estimate P export fluxes for the different ecosystems based on these simulations.

Was bestimmt die Konzentration von Aerosolpartikeln in der marinen Grenzschicht über dem atlantischen Ozean?

Aerosolpartikel spielen eine wichtige Rolle für das regionale und globale Klima. Weltweit gibt es deshalb zahlreiche Messstationen, von denen allerdings nur ein kleiner Teil die marine Grenzschicht (MBL) erfasst, obwohl etwa 70% der Erdoberfläche mit Wasser bedeckt sind. Dieses Projekt soll dazu beitragen, das Wissen über Quellen und Austauschprozesse von Aerosolpartikeln in der MBL mithilfe einer Messkampagne über den Azoren im Nordostatlantik, welche nahezu unbeeinflusst von lokalen Quellen sind, zu verbessern.Die zentrale Hypothese ist, dass sowohl Ferntransport aus Nordamerika, als auch Partikelneubildung in der freien Troposphäre (FT) und an Wolkenrändern mit anschließendem Vertikaltransport wesentlich zur Anzahlkonzentration der Aerosolpartikel in der MBL beitragen. Das Verständnis der Partikelquellen und Senken zusammen mit dem vertikalen Partikelaustausch zwischen MBL und FT ist daher eine Grundvoraussetzung für die Vorhersagbarkeit der Partikelanzahlkonzentration in den unteren Schichten der MBL wo sie z.B. für die Wolkenbildung von großer Bedeutung ist. Diese Prozesse sind bisher über dem offenen Ozean nur unzureichend quantifiziert. Zur Verifizierung der Hypothese sollen vertikale Austauschprozesse und Partikelquellen über den Azoren mit hoher räumlicher Auflösung untersucht werden. Dazu werden mit einer am TROPOS entwickelten hubschraubergetragenen Messplattform Partikelanzahlkonzentration und Vertikalwind mit einer zeitlichen Auflösung gemessen, die erstmalig eine direkte Bestimmung des vertikalen turbulenten Partikelflusses in verschiedenen Höhen ermöglicht. Die hierfür notwendigen schnellen Partikelmessungen von mind. 10 Hz werden durch den Einsatz eines schnellen Partikelzählers ermöglicht, welcher am TROPOS im Rahmen eines abgeschlossenen DFG-Projektes entwickelt und erfolgreich eingesetzt wurde. Durch dieses Gerät ist es ebenfalls möglich zu prüfen, ob auch in dieser Region regelmäßig die Neubildung von Aerosolpartikeln an Wolkenrändern stattfindet, wie es an Passatwolken auf Skalen von wenigen Dekametern beobachtet wurde. Weiterhin werden Anzahlgrößenverteilungen von Aerosolpartikeln sowie Absorptionskoeffizienten bei drei Wellenlängen bestimmt. Damit sind Rückschlüsse auf die Herkunft der untersuchten Aerosolpartikel möglich.Da die Hubschrauberflüge zeitlich begrenzt sind und damit nur Momentaufnahmen darstellen, werden zusätzlich kontinuierliche Messungen der Partikelanzahlgrößenverteilung an zwei bodengebundenen Stationen installiert. Eine dieser Stationen ist wenige Meter über Meeresniveau gelegen, die andere auf 2200 m und somit in der FT. Damit wird auf der Basis kontinuierlicher Messungen über einen Zeitraum von einem Monat die Untersuchung der Austauschprozesse zwischen MBL und FT ermöglicht. Mit Hilfe der gewonnen Datensätze können Einflüsse globaler Klimaänderungen auf das lokale Klima und mögliche Rückkopplungseffekte über den Einfluss von Aerosol auf Wolken in dieser Region besser eingeordnet werden.

Sonderforschungsbereich (SFB) 990: Ökologische und sozioökonomische Funktionen tropischer Tieflandregenwald-Transformationssysteme (Sumatra, Indonesien), Teilprojekt A05: Fachliche Zuordnung Bodenwissenschaften Förderung Förderung seit 2012

Unser Projekt hat folgende Ziele: 1. Die Bewertung von Managementsystemen von Palmöl-Plantagen im Hinblick auf die N2-Fixierung und die Effizienz mit der Nährstoffe genutzt und im System gespeichert werden. 2. Ableitung einer Treibhausgasbilanz auf Ökosystemebene durch die Kombination von Gasflussmessungen im Boden mit Messungen der Eddy-Kovarianz. 3. Die Bestimmung des Anteils von Nitrifikation und Denitrifikation an den N2O-Flüssen und die Quantifizierung der räumlichen und zeitlichen Variabilität von Treibhausgasflüssen im Boden. 4. Die Bewertung des Beitrags von Flussufer- und -Auenbereichen sowie Baumstammemissionen zur Treibhausgasbilanz auf Landschaftsebene.

Modelluntersuchungen zu turbulenten Strukturbildungsprozessen in Raumluftströmungen mittels Experimenten an komprimiertem Schwefelhexafluorid in einem weiten Kennzahlbereich

Die genaue Vorhersage der räumlichen Verteilung von Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit im Inneren von Gebäuden sowie in Passagierkabinen von Flugzeugen, Bahnen, Reisebussen und Personenkraftwagen ist für die Gesundheit und das Wohlbefinden von Menschen sowie für den sparsamen Einsatz von Energie zum Heizen und Klimatisieren von entscheidender Bedeutung. Obwohl die Strömungsmechanik bei der Erforschung dieser Strömungen - den sogenannten Raumluftströmungen - sowohl in experimenteller als auch in numerischer Hinsicht in den vergangenen zehn Jahren große Fortschritte erzielt hat, ist es bis heute noch nicht möglich, Strukturbildungsprozesse in diesen Strömungen auf räumlichen Skalen von mehreren Metern und auf zeitlichen Skalen von mehreren Stunden mit hinreichender Genauigkeit vorherzusagen. Die physikalische Ursache für diese Schwierigkeit liegt darin begründet, dass es sich hierbei um eine Überlagerung von erzwungener und natürlicher thermischer turbulenter Konvektion handelt, die als gemischte Konvektion oder Mischkonvektion bezeichnet wird. Dieser Strömungstyp ist im Gegensatz zu rein erzwungener oder rein thermischer Konvektion notorisch schwer vorherzusagen. Das Ziel des vorliegenden Projektes besteht darin, den Mangel an Wissen über Strukturbildungsprozesse in gemischter turbulenter Konvektion zu überwinden, wobei sich die untersuchte Geometrie an Fragestellungen der Raumluftströmung orientiert. Nachdem der Antragsteller im Rahmen des von 2007 bis 2012 laufenden DFG- Antrages Strukturbildung turbulenter Mischkonvektion in Räumen und Passagierkabinen erstmalig die Machbarkeit einer realitätsgetreuen Nachbildung von Raumluftströmungen in einem verkleinerten Modellmaßstab von 1 zu 10 durch Verwendung des Gases Schwefelhexafluorid bei 5 bar nachgewiesen hat, steht die im Paketantrag errichtete Versuchsanlage SCALEX nunmehr für umfassende experimentelle Untersuchungen zur Verfügung. Aufbauend auf den im Paketantrag geleisteten Vorarbeiten besteht das spezielle Ziel des vorliegenden Projektes in der experimentellen Analyse dreier Strukturbildungsaspekte turbulenter Mischkonvektion für eine bislang in keinem Laborexperiment erreichte Breite des Parameterbereiches von Reynolds- und Rayleighzahlen. Hierzu sollen in einem ersten Schritt räumliche Symmetriebrechungsprozesse, in einem zweiten Schritt Hystereseprozesse und in einem dritten Schritt zeitabhängige Strukturwandlungen erforscht werden. Obwohl das Projekt erkenntnisorientiert ist und nicht der Lösung konkreter Raumluftströmungsprobleme dient, ist die untersuchte Geometrie der Passagierkabine eines Verkehrsflugzeuges nachempfunden. Somit kommen die zu gewinnenden grundlegenden Erkenntnisse langfristig der Luftfahrt- sowie der Schinen- und Straßenfahrzeugforschung zugute.

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