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Die Sedimentologie von Grundwasserleitern bestimmt die mikrobielle Reduktion von Nitrat und anderen Elektronenakzeptoren

Die physikalischen und chemische Eigenschaften sedimentärer Grundwasserleiter wird von der Geologie der Ausgangsgesteine und den lokalen Ablagerungsbedingungen zum Zeitpunkt ihrer Bildung bestimmt. Dies führt zu einer charakteristischen Anordnung von Strukturelementen, die sich in ihrer Korngrößenverteilung (und damit hydraulischen Durchlässigkeit) und ihrem Gehalt Redox-aktiver Minerale und organischen Materials unterscheiden. Die hierarchisch organisierte Verteilung von Eigenschaften beeinflusst die Grundwasserströmung und den reaktiven Stofftransport in sedimentären Grundwasserleitern. Die Anwesenheit reaktiver organischer oder mineralischer Phasen bestimmt die potentielle Reaktivität von Nitrat und anderen gelösten Elektronenakzeptoren, aber damit die Reaktionen stattfinden, müssen die reaktive Sedimenten eine ausreichend hohe Durchlässigkeit aufweisen müssen, damit die gelösten Reaktanten die reaktiven Mineralphasen erreichen. Die mangelnde Reaktivität der Sedimentmatrix ist einer der wichtigsten Gründe für die anhaltende Nitratbelastung von Grundwasser, obwohl die Denitrifikation eine energetisch ertragreiche Reaktion für Mikroorganismen, die in den Sedimenten grundsätzlich vorkommen, darstellt. Das beantragte Projekt zielt darauf ab, die Reaktivität von Grundwasserleitern und damit ihre Fähigkeit, Nitrat zu reduzieren, quantitativ mit ihren hydraulischen und biogeochemischen Eigenschaften in Bezug zu setzen. Durch gekoppelte hydrogeologische, sedimentologische und mikrobiologische Felduntersuchungen, Säulenexperimente mit ungestörten Kernen und reaktive Stofftransportmodellierung im Labor- und Grundwasserleitermaßstab werden wir einen einzigartigen Datensatz erstellen, der es uns ermöglicht, die standort- und faziesspezifische Reaktivität abzuschätzen, die in großskalige Vorhersagemodelle für die Denitrifikation einfließen. Direct-Push Felduntersuchungen an fünf Standorten in Deutschland und Österreich mit unterschiedlicher Durchlässigkeit, Nitratbelastung und Gehalt Redox-aktiver Komponenten dienen der vor-Ort-Untersuchung und Probenahme. In biogeochemischen Säulenexperimenten wird die Denitrifizierung und die zugehörige mikrobielle Aktivität untersucht. Die detaillierte sedimentologische Charakterisierung der Kerne dient der Bestimmung des reaktiven Potentials unterschiedlicher Fazies und der Entwicklung standortspezifischer sedimentologischer Modelle. Reaktive Transportmodelle dienen der Bestimmung von Ratenkoeffizienten und der Abschätzung der Gesamtreaktivität der Sedimente. Diese fließen in großskalige, virtuelle, reaktive Transportmodelle auf Grundlage der kumulierten relativen Reaktivität ein. Das Projekt wird unser Verständnis verbessen, wie der sedimentologische Aufbau die Redox-Reaktionen und die mikrobielle Aktivität in Grundwasserleitern bestimmt, und wie sedimentologische Informationen für die Formulierung großskaliger reaktiver Transportmodelle verwendet werden können.

Vorhersagbarkeit von Rossbywellenpaketen: Klimatologie und Eigenschaften der Dynamik

Rossbywellen sind von grundlegender Bedeutung für die Dynamik der Erdatmosphäre. Die Wettersysteme der mittleren Breiten sind häufig in deutlich ausgeprägten Rossbywellenpakete (RWP) eingebettet. Die Bedeutung dieser Wellenpakete für die Wettervorhersage wurde schon vor langem erkannt. Die Rolle der RWP als Vorläufer von Schwerwetterereignissen fand dabei besondere Beachtung. Im allgemeinen ist zu erwarten, dass RWP, da sie sich als großskalige Strömungsmerkmale gemäß balancierter Dynamik entwickeln, einen hohen Grad an Vorhersagbarkeit aufweisen, der sich auch günstig auf die Vorhersagbarkeit der eingelagerten, kleinskaligeren Wetterphänomene auswirkt. Andererseits hat eine Reihe von neueren Studien gezeigt, dass sich Vorhersagefehler und -unsicherheiten innerhalb von RWP ausbreiteten und anwachsen, was zu einer maßgeblichen Beeinträchtigung der Vorhersagbarkeit führen kann. Es steht damit die wichtige Frage im Raum: Unter welchen Bedingungen besitzen RWP eine hohe Vorhersagbarkeit und unter welchen Bedingungen besitzen sie eine geringe Vorhersagbarkeit? Die hier beantragte Arbeit wird zur Beantwortung dieser Frage einen wichtigen Beitrag leisten.Mithilfe dieses Antrags werden wir die Vorhersagbarkeit von RWP aus klimatologischer Sichtweise anhand von Ensemblevorhersagen über einen Zeitraum von 30 Jahren betrachten. Unser Ansatz betrachtet RWP als eigenständige, physikalisch aussagekräftige Einheiten, die durch spezifische Eigenschaften beschrieben werden können: Amplitude, Größe, Form und Lage. Die Vorhersagbarkeit dieser Eigenschaften werden wir aus den Ensembledaten bestimmen und ihre saisonale und regionale Abhängigkeit untersuchen, sowie die Abhängigkeit von der Dauer des RWP und der Phase im Lebenszyklus des RWP. Diese phänomenologische Untersuchung ergänzen wir durch eine prozess-basierte Untersuchung der RWP Dynamik. Das Ziel dabei ist es die Dynamik von RWP mit hoher bzw. niedriger Vorhersagbarkeit gegenüberzustellen, um dadurch ein besseres Verständnis der erheblichen Schwankung der RWP Vorhersagbarkeit zu gewinnen.

Luftreinhaltung Kraftwerke und Industrie. Regionale Umweltberichterstattung und Modellrechnungen

Vorbeugende Konzepte gegen schaedliche Umwelteinwirkungen, wie sie die grundlegende Novellierung des Luftreinhalteplan-Instrumentariums im BImSchG vom 14 Mai 1990 verstanden wissen will, benoetigen nicht nur bundesweit geltende Grenz- und Leitwerte, sondern regional differenzierte Ansaetze. Der rationellen Energienutzung, dh der Vermeidung von Emissionen ist vor einer Emissionsminderung an der Quelle bzw den Massnahmen zum Passivschutz die hoechste Prioritaet einzuraeumen. Relativ gesicherte Aussagen zur lokalen Belastungssituation und den Entwicklungstrends sind hierzu erforderlich. Forschungsfragen sind: - Wie stellt sich die raeumliche Verteilung der Emissionen im Kraftwerkssektor in der BRD im Jahre 1989 dar? - Welche Veraenderungen ergeben sich im Vergleich zum Jahr 1986, und welche Massnahmen verursachten diese Veraenderungen? - Wie entwickeln sich die Kraftwerksstruktur und Kraftwerkstechnik, die aus der Bruttostromerzeugung und Bruttoengpassleistung resultierenden Vollastbenutzungsstunden und das Einsatzspektrum der verschiedenen Energietraeger bis zum Jahr 2005? - Welche regionalen Schadstoffemissionen sind in diesem Zeitraum zu erwarten? - Welche regionalen Auswirkungen hat ein verstaerkter Ausbau der Kraft-Waerme-Kopplung als energiesparende Technik und die Abkopplung der Stromerzeugung vom Gas und Oel auf die Reduktion der Emissionen? - Welche regionalen Entwicklungen erzeugt eine verstaerkte energetische Nutzung von Abfaellen, die statistisch zu den regenerativen Energien gezaehlt wird, bei den Kraftwerksemissionen, und erfolgen evtl Rueckwirkungen auf das Abfallaufkommen?

Klimawandel in Bremen - Folgen und Anpassung

Das Fachkonzept beschreibt die potenziellen Klimaänderungen in und um Bremen und analysiert ausgewählte Handlungsfelder.

Biologische Stabilisierung von Trinkwasser zur Sicherung der hygienischen Resilienz, Teilprojekt 4

Nachhaltige Entwicklung der Bundeswasserstraßen, Integriertes Flussauenmodell INFORM

Flussauen mit ihrem typischen Muster von unterschiedlichen Lebensräumen sind in Mitteleuropa stark gefährdet. Die Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) hat daher das Integrierte Flussauenmodell INFORM (Integrated Floodplain Response Model) für den Einsatz an Bundeswasserstraßen erstellt, mit dem ökologische Modellierungen durchgeführt werden können. Das modular aufgebaute Modellsystem INFORM verknüpft hydrologische, hydraulische, morphologische und bodenkundliche Modelltechniken mit ökologischen Modellen. Dabei werden vor allem sogenannte Lebensraumeignungsmodelle (Habitatmodelle) angewendet. Solche Modelle beschreiben die potentielle Eignung eines Standortes als Lebensraum für bestimmte Arten und / oder Artengruppen anhand der Ausprägung mehrerer abiotischer Standortparameter. Die Bearbeitung folgt prinzipiell dem Wirkungspfad Abfluss - Flusswasser - Grundwasser - Boden - Biotik unter Berücksichtigung morphologischer Einflüsse, des direkten Einflusses der Überflutung und der (landwirtschaftlichen) Nutzung. Die Bewertung der prognostizierten Veränderungen erfolgt an Hand von Gesetzen und Verordnungen und beinhaltet auch die Auswirkungen des menschlichen Handelns.

Entwicklung eines mikroskaligen numerischen Modells zur Simulation der Wechselwirkungen zwischen lokaler Umweltgestaltung und dem Mikroklima in Staedten (ENVI-met Projekt)

Es wurde ein hochaufloesendes mikroskaliges numerisches Rechenmodell zur Simulation der Wechselwirkungen zwischen verschiedenen natuerlichen und kuenstlichen Oberflaechen, der Vegetation und der Atmosphaere entwickelt. Das Modell ermoeglicht die Simulation der Auswirkungen lokaler Umweltgestaltung (Strassengruen, Entsiegelung, Baugestaltung) auf das Mikroklima im staedtischen Umfeld.

Prognose wirtschaftsstrategischer Hochtechnologiemetalle im Erzgebirge (WISTAMERZ)

Turbulenzinteraktionen in der atmosphärischen Grenzschicht: Ein skalenübergreifender Ansatz zur Aufklärung oberflächennaher Austauschprozesse

Die Atmosphäre und die Vegetation der Erdoberfläche beeinflussen sich gegenseitig durch bidirektionale Austauschprozesse. Modelle zur Wetter- und Klimavorhersage basieren auf einem mechanistischen Verständnis dieser Interaktionen. Die Vorhersagen und die grundlegenden Theorien funktionieren allerdings nur im Falle einer gut durchmischten (turbulenten) atmosphärischen Grenzschicht. Wenn jedoch stabile atmosphärische Bedingungen vorherrschen, wie typischerweise nachts der Fall, dann sind die bisherigen Theorien nicht ausreichend, um zuverlässige Vorhersagen zu treffen. Um oberflächennahe turbulente Austauschprozesse während stabiler atmosphärischer Schichtung mechanistisch zu verstehen und neue Theorien zu entwickeln, sind zunächst neuartige Mess- und Analyse-Methoden notwendig. Ziel dieses Projekts ist die Beobachtung und Charakterisierung von oberflächennahen Prozessen in der stabilen atmosphärischen Grenzschicht durch eine neuartige Kombination von Mess- und Analysemethoden. Mit einem hochauflösenden in-situ Messkubus (20x20x5m), der sich innerhalb eines größeren mittels Fernerkundung überwachten Raumes (500x500x1000m) befindet, können Bewegung und Strukturen von Temperatur gleichzeitig in Raum und Zeit erfasst werden. Dieser skalenübergreifende Ansatz erlaubt es, nicht-periodische, nicht gut gemischte und räumlich heterogene Bewegungen der Luft nahe der Erdoberfläche zu erfassen. Die gewonnenen Daten werden mittels neuester stochastischer Auswerteverfahren analysiert, um die (nicht-)turbulenten Bedingungen und deren Durchmischung zu charakterisieren. Der wissenschaftliche Gewinn des Projektes liegt in einem wegweisenden innovativen Ansatz, um Modelle in den Bereichen Strömungsmechanik und Erd-System Wissenschaften zu validieren, und so zu einem verbesserten Verständnis unseres Lebensraums, der Schnittstelle zwischen Land und Atmosphäre, zu führen.

Modellierung der CH4 und N2O Spurengasemissionen aus Reisanbaugebieten in China

Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll ein prozessorientiertes Modell zur Beschreibung von biogeochemischen Stoffumsetzungen in landwirtschaftlich genutzten Böden derart weiterentwickelt werden, daß es zur Prognose von CH4- und N2O-Spurengasemissionen aus dem Reisanbau eingesetzt werden kann. Insbesondere soll die numerische Beschreibung der in der CH4- und N2O-Produktion und Konsumption involvierten mikrobiologischen Prozesse Methanogenese, Methan-Oxidation, Nitrifikation und Denitrifikation und deren Abhängigkeit von Änderungen des Redoxpotentials im Boden implementiert bzw. verbessert werden. Zudem sollen die verschiedenen Mechanismen, die zur Emission von Spurengasen aus dem Reisanbau beitragen (Diffusion, Gasblasenbildung bei Überstauung, Pflanzentransport) sowie die Auswirkung von radialen Sauerstoffverlusten der Reiswurzeln auf die mikrobiologischen Prozesse in einer durch Anaerobiosis dominierten Umgebung in das Modell implementiert werden.

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