Das Projekt "Properties of solitary wave trains at internal fronts in Lake Constance" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Konstanz, Limnologisches Institut durchgeführt. In the thermocline of lakes and oceans high-frequency internal waves are considered to be the major source of turbulent kinetic energy and a key process driving vertical mixing. In Lake Constance the most energetic high-frequency waves are typically solitary waves generated at the steepened front of the basin scale internal Kelvin wave. The main questions addressed in this project are how stratification, the characteristics of the internal front and lake-morphometry affect the occurrence and properties of solitary wave trains at the internal front in Lake Constance, how much energy is lost from these solitary waves and the wave front to turbulence in the open water and how the properties of solitary wave trains change along their path of propagation. The study will combine the analysis of existing data on high-frequency temperature time series from several years with a new field experiment. The empirical investigations will be complemented by numerical modeling solving the Korteweg-de Vries / Korteweg-de Vries-Burgers equation with spatially varying coefficients to simulate solitary wave trains at the internal front. The spatial differences in solitary wave amplitude, the frequency of the occurrence of solitary waves provided by the statistical analysis and the empirical estimates of energy dissipation during the passage of solitary waves will provide a basis to assess the role of solitary waves for the energy flux from basin scale motion to turbulence and for mixing in the open water.
Das Projekt "Quantification of shear-induced convection and bottom-boundary mixing in natural waters" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau, Institut für Umweltwissenschaften durchgeführt. It has been pointed out by numerous authors that estimates of the vertical mixing obtained by microstructure profiling techniques in lakes and the ocean can, in general, not explain the total mixing suggested by the global budgets of matter and heat. Searching for additional mixing mechanisms, boundary mixing has been identified as a key process. In this study, a boundary mixing process driven by a gravitationally unstable bottom boundary layer (BBL) is investigated. Such unstable BBLs in stably stratified basins are the result of strong up-slope currents, typically caused by internal seiching in lakes or by long internal-inertial waves in the coastal ocean. Due to the fact that in a turbulent BBL, the up-slope speed increases with increasing distance from the sediment, heavy (i.e. cold or salty) water in the BBL may be advected above lighter (i.e. warmer or fresher) water, leading to convective mixing. Inversely, down-slope currents lead to a suppression of mixing. We plan to investigate this process with an interdisciplinary approach: our primary study site will be Lake Constance, where the BBL dynamics and turbulence will be studied in detail for a limnological set-up. Our oceanographic study site will be the Baltic Sea, where a similar mixing process takes place. A numerical turbulence model will be used to analyze this process at the measuring sites, study the basin-wide effect, and construct a general theory.
Das Projekt "The role of littoral zones as source of methane in lakes: Dynamics, distribution patterns, and emissions" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Konstanz, Fachbereich Biologie, Limnologisches Institut, Arbeitsgruppe Umweltphysik durchgeführt. Kleinseen (kleiner 1 km2) stellen eine bedeutende Quelle von Methan im globalen Methanhaushalt dar. Diese Seen machen flächenmäßig den größten Teil der weltweiten, natürlichen Süßwasserkörper aus und weisen pro Flächeneinheit wesentlich höhere Methanflüsse auf als große Seen. Allerdings sind die Abschätzungen der seeweiten Methanemissionen mit sehr großen Unsicherheiten behaftet. Das liegt daran, dass es nur wenige und unzureichende Messungen gibt, die die zeitliche und räumliche Variabilität von Methan in Seen aber auch zwischen den Seen erfasst. Ziel des Projekts ist es, die Dynamik und Verteilungsmuster von Methan in und Methanemissionen aus Kleinseen auf regionaler und interregionaler Skala zu untersuchen. Ein spezieller Fokus des Projekts liegt dabei auf der Bestimmung von systematischen Mustern und Proxies für die gelöste Methankonzentration und -emissionen, die eine Verallgemeinerung und räumliche Erweiterung der Ergebnisse, basierend auf einer Auswahl von Seen, erlauben. Die wesentlichen Hypothesen des Projekts lassen sich wie folgt zusammenfassen: 1) Zwischen den Seen weisen die gelöste Methankonzentration und -emissionen sehr große Unterschiede auf, die durch die unterschiedlichen Eigenschaften der Seen bedingt sind. 2) Einzelne Eigenschaften der Seen und der Seeeinzugsgebiete, aber auch einzelne abiotische Parameter, fungieren möglicherweise als Proxies für die gelöste Methankonzentration in und Methanemissionen aus Seen auf regionaler oder größerer räumlicher Skala. 3) Die Ausbildung und -prägung eines anoxischen Hypolimnions im Zusammenspiel mit der zeitlichen Dynamik der vertikalen Mischung während Zirkulationsphasen (d. h. im Herbst und nach dem Eisaufbruch) bestimmen den jährlichen, diffusiven Methanfluss aus Kleinseen. 4) Abgesehen von den Eigenschaften und den abiotischen Parametern der Seen lassen sich die Unterschiede in den seeweiten Methanemissionen mit der unterschiedlichen Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft zwischen den Seen erklären. Die aufgeworfenen Hypothesen werden mit Hilfe von intensiven Feldexperimenten getestet. Während der Feldexperimente werden die seeinterne Dynamik, räumliche Heterogenität, seeweite Verteilung und saisonale Variabilität von gelöstem Methan und Methanemissionen zusammen mit den abiotischen Bedingungen in und zwischen den einzelnen schwäbischen und bayrischen Kleinseen gemessen und analysiert. Dabei kommen neuste Messtechniken zum Einsatz (Eddy-Covarianz System, mehrfrequenz Echolote, Methansonden, automatisierte Methanflusskammern und -trichter, O2- und CO2-Optoden, Multi-Parameter Sonden und Thermistoren), die mit einer intensiven Wasserprobenahme und -analyse (gelöstes Methan, CH4-Isotope, Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft und andere Wasserinhaltsstoffe) verknüpft werden. Diese Kombination erlaubt eine genaue und zuverlässige Aufnahme aller im Kontext nötigen abiotischen Parameter und im Speziellen der gelösten Methankonzentration mit einer hohen zeitlichen Auslösung.
Das Projekt "Influence of bottom-up, top-down and external forces on compensatory dynamics - a model study related to plankton data of Lake Constance" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Potsdam, Institut für Biochemie und Biologie, Arbeitsgebiet Ökologie, Ökosystemmodellierung durchgeführt. Our overall goal is to understand how planktonic trait diversity influences the stability of lake ecosystem functions. The latter is influenced by the degree of covariation among component populations which may be related to functional similarity of ecological traits between plankton populations. In particular, we aim to understand how competition, abiotic forcing and grazing impact the relationship between species covariation and their functional similarity. After having analyzed observational phytoplankton data in this respect we want to extend our conceptual understanding using a suitable dynamic model comprising the interactions between diverse predator and prey communities. We will employ a factorial manipulation of the model parameters which govern the relative strength of competition, abiotic environmental forcing and grazing to generate insights and new hypotheses about relationships between the functional similarity and the covariation among phytoplankton morphotypes and among various groups of zooplankton (ciliates, rotifers, cladocerans, copepods). The latter differ with respect to factors likely influencing the relationship between functional and dynamic similarity such as grazing selectivity, metabolic rates, and susceptibility to abiotic forcing. In a later step these conceptual insights will be related to long-term lake data sets.
Das Projekt "Interplay between energy, mineral and biochemical constraints of herbivores in the pelagic food web of Lake Constance" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Konstanz, Limnologisches Institut durchgeführt. Understanding trophic interactions and food web regulation and their response to anthropogenetically altered nutrient and climate conditions demands information on the food quantity and quality. Stoichiometric theory suggests that the ratio between carbon (C, surrogate for energy) and essential nutrients, e.g. phosphorus (P), determines the food quality of primary producers for consumers. As recent studies showed that a shortage of essential fatty acids can also reduce food quality, we intend to extend the existing stoichiometric theory by additionally considering potential growth limitations by polyunsaturated fatty acids (PUFAs). For this purpose already available comprehensive long-term data on plankton abundance, production, and C and P fluxes of the pelagic food web of Lake Constance shall be combined with new laboratory measurements of species-specific, nutrient- and temperature-dependent fatty acid contents of major algal species, and with field measurements of plankton abundance and size-fractionated C, P and fatty acid contents in Lake Constance. This enables to estimate the contribution of different functional groups to the fluxes of energy, minerals and fatty acids throughout the food web, and to develop hypotheses on the interplay of consumer growth limitations by energy, nutrients and/or distinct PUFAs, which shall then be explicitly tested experimentally. This improves our ability to understand the response of individual plankton groups and the entire food web to the past decades of re-oligotrophication, and to predict future reactions to altered nutrient and climate conditions.
Das Projekt "Wettbewerb Zukunftsstadt - Planungs- und Umsetzungskonzept der Vision 2030+ (2. Phase) - Smart wachsen: Qualität statt Quadratmeter" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Stadt Konstanz, Stadtverwaltung durchgeführt. Phase 2 der Zukunftsstadt Konstanz widmet sich dem Thema Flächeneffizienz, das für die verschiedensten Bereiche der Wohnungsbau-, Infrastruktur- und Quartiersentwicklung betrachtet werden soll. Ein Ziel der transdisziplinären Zusammenarbeit ist der Aufbau eines Werkzeugkastens für die vernetzte Planung nachhaltiger Stadtquartiere. Dieser enthält prozessuale sowie inhaltliche Instrumentarien und wird anschließend auf das Reallabor 'Christiani-Wiesen' adaptiert. Wesentliches Merkmal ist eine querschnittsorientierte und fachlich breit aufgestellte Betrachtung der Fragestellung. Die Hauptgliederungspunkte des Werkzeugkastens werden durch die vier Handlungsfelder der Vision aus Phase 1 der Zukunftsstadt vorgegeben. Aufbauend darauf sollen Kriterien definiert werden, welche Grundlage für planerisch integrierte, organisatorische und prozessuale Lösungsansätze sind. Der Kriterienkatalog soll alle für die Quartiersentwicklung relevanten Themenbereiche abdecken (ähnlich bspw. der DGNB-Kriterien zur Quartierszertifizierung) und die spezifischen Konstanzer Rahmenbedingungen beinhalten. Für jedes Kriterium werden unterschiedliche planerische und organisatorische Lösungsansätze erarbeitet und mit Blick auf ihre Wirkung bewertet. Anschließend werden diese visualisiert. Damit entsteht ein Grundlagenwerk, welches die jeweiligen Wechselwirkungen zwischen den Kriterien und die Gesamtwirkung auf die Flächeneffizienz der Baulandentwicklung übersichtlich darstellt. Die Zukunftsstadt wird im November 2016 mit der Konzeptarbeit beginnen. Dabei werden systematische Grundlagen in allgemeiner Form für den Werkzeugkasten erarbeitet. Ab März 2017 beginnt die Planung und Umsetzung des Werkzeugkastens auf das Quartier 'Christiani-Wiesen'. Ab Oktober 2017 wird die Realisierung, der Transfer und die Evaluation durchgeführt. Erfahrungen und Zwischenergebnisse werden überprüft, ergänzt, dokumentiert, präsentiert und publiziert.
Das Projekt "Sub project: Effects of Abrupt Climate Change on Ice Age Ecosystem of Lake Petén Itzá and on Distribution Patterns of Ostracodes across the Yucatan Peninsula" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Institut für Geosysteme und Bioindikation durchgeführt. Results from a 85 ka old sediment sequence from Lake Petén Itzá, Gutemala, show extreme cooling of the Neotropics of up to 10 C during Heinrich Events (Hodell et al., 2012) and suggest high climate sensitivity for the older sediment sections of about 200 ka. It is proposed to analyze the consequences of abrupt climate change on the stability of aquatic ecosystems over time and consequently the historical biogeography of the Peninsula Yucatán by using ostracodes as model bioindicators interlinking three major research topics. A (1) quantitative assessment of lake level changes during the past 200 ka is targeted by expanding an existing trainingset of recent ostracodes and refining transfer functions for water depth and conductivity. (2) Fossil ostracode assemblages will be used to reconstruct the ultrastructure of Late Pleistocene climate extremes and their effects on aquatic diversity of Lake Petén Itzá, and (3) to assess biogeography, phylogeography and phylogeny of freshwater ostracodes as model organisms by integrative taxonomy using morphology and molecular tools. In order to initiate research efforts on Lake Petén Itzá sediments extending beyond 85 ka a core sampling party for the Petén Itzá Scientific Drilling Project at LacCore, University of Minnesota, is proposed. This will also further strengthen the collaboration with Central America and prepare for future ICDP-drilling in Lake Junin (Peru) and planned work on Lake Chalco (Mexico Basin).
Das Projekt "Effects of climate warming and increased meteorological variability on large monomictic lakes - a simulation approach using ecological lake models" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ, Department Seenforschung durchgeführt. The projected consequences of global climatic change are expected to negatively affect water resources availability for humankind in terms of both, quantity and quality of water. This proposed project aims at providing information about the response of dominant determinants of water quality, e.g. phytoplankton or nutrient dynamics, and basic ecosystem processes in lakes to climatic conditions as projected by climatologists. In a first phase, we extend an existing coupled hydrodynamic-ecological water quality model of Lake Constance (DYRESM-CAEDYM) for achieving a generalized model specification (long-term simulations of the reoligotrophication of Lake Constance). In a second step we study the response of the model to expected changes in climatic conditions. In advance to previous approaches we will not only investigate the effects of rising temperature (warming effect) but also the consequences of increasing variability in meteorological conditions (variability effect) on the ecosystem scale. Thirdly, we perform - for the first time - model ensemble simulations with four European water quality models for providing a quantitative estimate of model uncertainties. Finally, since we hypothesize that the variability effect has strongly negative consequences for the deep water renewal in large lakes, we conduct field studies about the deep water renewal in Lake Constance and the role of lateral processes involved therein.
Das Projekt "Acoustic observation of the spatial and temporal distribution of zooplankton in Lake Constance: The driving mechanisms and ecological consequences of patchiness" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau, Institut für Umweltwissenschaften durchgeführt. The spatial and temporal scales of variability of phytoplankton, zooplankton and fish abundances will be investigated simultaneously by combining different remote sensing techniques. Major technological advances will be achieved by the evaluation and calibration of the acoustic backscatter signal from common Acoustic Doppler Current Profilers (ADCPs) for the in situ observation of zooplankton. Typical scales of horizontal patchiness will be estimated from the measurements. The formation, maintenance and dynamics of the patches will be investigated with special emphasize on the relative importance of abiotic (currents, large-scale circulation, internal waves, turbulence and diffusion) and biotic (swimming, shoaling, swarming, migration, differential growth) mechanisms. Further, the ecological consequences of the patchiness in all three food-web compartments will be discussed in terms of trophic interactions as well as in terms of predator-prey encounter rates and avoidance strategies. The measurements will cover the seasonal variability of the physical forcing and the biological activity, and they will be supplemented by numerical modeling and simulations.
Das Projekt "Eco-evolutionary responses and feedbacks of a key herbivore to lake oligotrophication" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Konstanz, Limnologisches Institut durchgeführt. The project will use analysis of long-term data, resurrection ecology and modeling to investigate the ecological and evolutionary response of an aquatic key herbivore, Daphnia, to environmental change. In addition, the results obtained will enable to estimate the consequences of the evolutionary response of Daphnia for its population dynamics, persistence and consequently, overall ecosystem dynamics. The project will analyze in detail the response of Daphnia, its food, competitors and predators to oligo-trophication in a model ecosystem, i.e., Lake Constance and additionally variability in Daphnia population dynamics in several of the best studied lakes of the world. Historical field samples from Lake Constance will be re-analyzed to study the phenotypic life history and morphological responses of Daphnia to oligo-trophication. Using resurrection ecology we will analyze the evolutionary response of Daphnia galeata life history parameters to oligo-trophication - with special emphasis on its investment into sexual reproduction/production of resting eggs as well as life history plasticity in response to invertebrate predators and declining food levels. These analyses (in combination with model simulations) will provide key data for understanding the role of Daphnia life cycle strategy (overwintering in the plankton or in resting eggs) for Daphnia persistence in permanent lakes, for the interpretation of Daphnia resting egg banks, and the evolution of the genetic variances and co-variances of life history parameters.
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