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Messgeräteplattform & Sensorpaket zum hybriden Monitoring von Fließgewässern

Das Wasserfahrzeug als Messgeräteplattform besteht aus einem durch zwei Motoren angetriebenen Katamaran. Das Sensorpaket beinhaltet Messtechnik zur gleichzeitigen Erfassung der Gewässergüte (Multiparametersonde), der Gewässertopografie (Vertikal-Echolot, Seitensichtsonar) sowie hochaufgelöster Strömungsverhältnisse im Fließquerschnitt (9-strahlige Akustik-Doppler-Sonde). Weiter ist ein LiDAR-Sensor zur Erfassung und Kartierung der Ufervegetation bzw. Bebauung an und in Gewässerrandstreifen vorgesehen. Für eine georeferenzierte Datenerfassung soll die Messgeräteplattform mit einem GNSS-Empfänger (RTK-Genauigkeit) ausgestattet werden und ergänzend eine Zielmarke erhalten, sodass ein Tracking über Kopter und Vermessungsdrohnen (UAVs) ermöglicht wird. Mit den Messgeräten sollen Forschungsfragen in den Handlungsfeldern „Digitalisierung der Wasserwirtschaft“, „Resilienz gegenüber Hoch- und Niedrigwasserereignissen“ und „Neue Verfahren zur Datenerhebung in der Wasserwirtschaft“ beantwortet werden. Grundlegend wird mit dem Großgerät die Aufnahme von Messdaten angestrebt, die möglichst viele gewässerbezogene Parameter enthalten. So soll eine Datenbasis geschaffen werden, welche die Grundlage für die Beantwortung der folgenden Forschungsfragen darstellt: - Inwiefern sind datengetriebene Modelle in der Lage, strukturelle Veränderungen im Gewässer abzubilden und diese auf Wasserstand-Abfluss-Beziehungen zu übertragen bzw. ebendiese zu aktualisieren? - Lassen sich räumliche und raumzeitliche (Auto-) Korrelationen von Niederschlag- und Abflussdaten mittels maschineller Lernverfahren (ML) (insbesondere Long Short-Term Memory-Methoden) modellieren und welchen Einfluss haben Menge und Qualität der Eingangsdaten auf die Genauigkeit der Systemantwort „Abfluss“? - Wann und wo finden Sedimentationsprozesse in Speichersystemen (z. B. Talsperren) statt und können diese durch gezielte Bewirtschaftungspläne verhindert werden? - Welche Auswirkungen hat die Volumenänderung auf die Bewirtschaftung von Speichersystemen und die Bereitstellung bzw. Aufrechterhaltung der Wasserversorgung?

WP2.2: Rückwirkungen der marinen Biogeochemie auf Klima und atmosphärisches CO2 - die Rolle von Zirkulation, Biologie, Sedimentation - Effekte des Absinkens von partikulärem Material im deglazialen und anthropogenen Klimawandel

Chemismus der Sedimentminerale (Phyllosilikate, Fe- oxide und -oxidhydroxide, Manganoxide)

Die Verwitterung von Gesteinen, die Bodenbildung und die Sedimentbildung beinhalten u.a. die Struktur, Morphologie und den Chemismus von Phyllosilikaten (Tonmineralen), Oxiden und Oxidhydroxiden des Fe, des Mn und anderer Elemente. Durch Laborversuche an synthetischen FeOOH und MnO2 werden deren Reaktionen und Bildungsbedingungen naeher ermittelt und beschrieben.

Sedimentation velocity of morphologically diverse macrophytes and plastic particles

The dataset contains sedimentation velocity measurements for 22 morphologically diverse macroalgae species (n = 49), the seagrass Zostera marina (n = 3), and plastic particles of four distinct shapes (n = 16). Each sample was measured at least five times, with some measured up to seven times. Detailed morphological descriptions and images are available in the corresponding paper. Samples with a SampleID starting with "K" were collected in January 2023 from the Kiel Fjord, Germany (between Strande and Bülk light house, 54°26'57.4N 10°11'37.6E). U. gigantea was collected in June 2024 in Yerseke, Netherlands (51°30'09.0N, 4°02'39.7E). All other samples were collected in June 2024 at the same site from the Kiel Fjord as in 2023, as well as two additional locations (Schilksee, 54°25'16.3N 10°10'43.1E and Mönkeberg, 54°21'20.92N 10°10'41.97E). Sedimentation velocity measurements were conducted in plastic cylinders, allowing particles to sink 15 cm to reach their terminal sinking velocity before starting the measurements. The sinking time was recorded using a stopwatch, and sedimentation velocity was calculated by dividing the sinking distance by the elapsed time. Test with varying cylinder heights showed no significant differences in results. Macrophyte species measured: Fucus vesiculosus, Fucus serratus, Saccharina latissima, Gracilaria vermiculophylla, Ceramium virgatum, Vertebrata fucoides, Polysiphonia stricta, Spermothamnion repens, Ahnfeltia plicata, Furcellaria lumbricalis, Coccotylus truncatus, Delesseria sanguinea, Cladophora flexuosa, Cladophora sp., Rhodomela confervoides, Pyropia leucosticta, Ulva clathrata, Ulva linza, Kornmannia leptoderma, Bryopsis hypnoides, Acrosiphonia centralis, Ulva gigantea, and Zostera marina. The plastic particles include eight circular pieces of foil (disks), three table tennis balls, two plastic nets, and three rubber bands. The foil disks were cut to different diameters and some were punched with different numbers of small holes. The name of the foil circles indicates both their diameter and perforation level. For example, "Disk 40-1" had a diameter of 40 mm and was unpunched, where "1" denotes unpunched, "2" partially punched, and "3" heavily punched, "4" extremely heavily punched. The three tennis balls shared identical dimensions but had different mass densities due to the different level of replacement of air with seawater and glass beads in the tennis ball.

Untersuchungen zum Stoffaustausch mit den Sedimenten im Grossen Mueggelsee

Der Mueggelsee hat 1988 eine Wende zu einer P-Quelle vollzogen. Er speichert nun nicht mehr rund 15 kgP/d, sondern gibt im Mittel 18 kgP/d ab. Aus den saisonalen Betrachtungen folgt, dass nicht nur die Freisetzungsvorgaenge im Sommer an Intensitaet gewonnen haben, sondern auch die Rueckhalteprozesse negativ beeinflusst worden sind. Aktuelle Abschaetzungen zum Rueckhalt von P und Fe ergaben, dass der Verlandungsprozess langsamer als bisher angenommen ablaeuft und dass das Gewaesser noch 1500 Jahre als See existiert. Aus pelagischen Bilanzen erhielten wir mittlere herbstliche P- Entzuege von ueber 20 mgP/Quadratmeter/d. Weil die Primaerproduktion im Herbst nicht die zum Entzug solch grosser P-Mengen notwendige Groesse erreicht, muessen auch Sorptions- und Faellungsprozesse an der P-Rueckfuehrung beteiligt sein. Die Quantifizierung von Sedimentation und Resuspension ist weiterhin durch das Fehlen einer zuverlaessigen Messmethode (Sedimentfallen) verhindert. Bisherige Quantifizierungsversuche zeigten, dass die Resuspension weder durch Messungen am Ufer, noch allein im zentralen Bereich zu erfassen ist, da es sich um recht kurzfristige Ereignisse handelt, die nur Teile des Sees stark beeinflussen.

Bestimmung partikelgebundener PAK, NPAK und 3-Nitrobenzanthron sowie ihre Verteilung auf verschiedene Ultrafeinstaubfraktionen von Emissionsquellen

Als ultrafeine Partikel werden Teilchen mit Durchmessern kleiner als 100 nm bezeichnet. Die ultrafeinen Partikel entstehen in Verbrennungsprozessen, die unter Sauerstoffmangel stattfinden. Hierbei sind u.a. der Straßenverkehr mit seinen unzähligen instationären Verbrennungen, Industrieprozesse und Hausbrand zu nennen. Partikel dieses Größenbereichs können sehr spezielle chemische oder physikalische Wechselbeziehungen mit der Umgebung eingehen. Man beobachtet bei ultrafeinen Partikeln vorwiegend Diffusion, wogegen sich größere Teilchen eher durch Anlagerung bzw. Sedimentation auszeichnen (Limbach, 2005). In der Europäischen Union gilt seit Januar 2005 ein Grenzwert für Feinstaub, d.h. für Partikel kleiner als 10ìm (PM10), vorgeschrieben. Für ultrafeine Partikel gibt es in Europa bisher keine eigenen Grenzwerte. In einem bis dahin einmaligen Projekt wurde die Entwicklung der Belastung mit ultrafeinen Partikeln in Erfurt über zehn Jahre quantitativ bestimmt. Dabei wurde ein deutlicher Anstieg festgestellt (Krug, 2005). Die Korngrößen des Ultrafeinstaubs können das menschliche Respirationssystem erreichen. Man spricht daher vom inhalierbaren Anteil des Feinstaubs. Partikel kleiner als 100 nm werden als noch gefährlicher eingestuft, da sie lungengängig sind. Wegen ihrer geringen Größe können einzelne ultrafeine Partikel ein Lungenepithel durchqueren. Ein Weitertransport zu Leber, Knochenmark oder Herz ist möglich. Die Ultrafeinpartikel können sich in der Lunge bis zu mehreren Monaten ablagern bzw. verbleiben (WHO,1997). Es sind einige Verfahren entwickelt worden, um die PAK-Belastung auf Menschen zu erfassen und ihre Auswirkungen zu beschreiben. Dabei wurde Benzo(a)Pyren oft als Indikator für die Präsenz von karzinogenen PAK in der Umwelt genutzt. Verbreitet ist zum Beispiel die Bestimmung von PAK in Blut oder Urin und die Untersuchung der Auswirkungen von PAK auf den Metabolismus in Organen wie Niere und Leber (Larsen, 1995). Die Exposition durch NPAK erfolgt hauptsächlich über die Luft. Es gibt bislang wenige Studien, welche die Langzeitwirkung der inhalativen Aufnahme untersuchen. Darüber hinaus gelten auch die Metaboliten der NPAK als kanzerogen (Uhl, 2007). Laut WHO gibt es erheblichen Forschungsbedarf hinsichtlich der Exposition der Menschen und der Wirkungen von NPAK auf die menschliche Gesundheit (IPCS 2003). Obwohl die NPAK nur einen Bruchteil (1 bis 10Prozent) der PAK ausmachen (Nielsen, 1984), ist spezielle Aufmerksamkeit wegen ihrer hohen biologischen Aktivität notwendig. Zahlreiche NPAK wirkten in Tierversuchen deutlich mutagen und kanzerogen (Fiedler et.al, 1990). Über ihr Verhalten und ihre Anreicherung in Boden und Staub ist bis jetzt noch sehr wenig bekannt. Ebenso wenig wie über deren Metabolismus und Akkumulation in biologischem Gewebe (Fiedler et al., 1991, Fieder und Mücke 1990). (...)

Automatische Messeinrichtung zur Korngroessenanalyse mittels Druckmessung an einer Suspension im Schwerefeld

Auf der Grundlage der Sedementation in Fluessigkeiten und der Bestimmung des Konzentrationsverlaufs durch Druckmessung wird ein automatisches, kompaktes Korngroessenmessgeraet fuer den Durchmesserbereich von 1 bis 100 um entwickelt, das zum Anschluss an Prozessrechner geeignet ist.

Geophysikalische Untersuchungen von Beckenstrukturen und Sedimentinventar in der Inneren Mongolei, NW China

Dieses Projekt ist ein Teil des DFG-Bündelprojektes 'Rekonstruktiondes spätpleistozänen und holozänen Environments in der westlichen Inneren Mongolei, NW-China'. Zur Klärung der tektonischen, sedimentologischen und hydrogeologischen Entwicklung eines Sedimentbeckens in der Badain Jaran Shamao werden in einem multimethodischen Ansatz elektrisch-elektromagnetische Messungen durchgeführt (Spektrale Induzierte Polarisation, Magnetotellurik, Transiente Elektromagnetik, Bodenradar, Geoelektrik). Aufbauend auf langjährigen Erfahrungen in Wüstengebieten sind optimierte multimethodische Messstrategien und Methoden zur gemeinsamen Inversion der verschiedenen Meßdaten weiter zu entwickeln. Das Vorhaben ist Teil eines interdisziplinären Bündelantrages (Paläoklimatologie, Hydrogeologie, Strukturgeologie, Fernerkundung, Bodenkunde). Hauptforschungsziel des Gesamtantrages ist die Klärung der Frage, ob in Nordafrika nachgewiesene spätquartäre abrupte Klimawechsel in den zentralasiatischen Wüsten einen kontemporären Verlauf zeigen. Ziel: Das Ziel des Projektes ergibt sich aus der Frage, ob in Nordafrika nachgewiesene, spätquartäre, abrupte Klimawechsel in den zentralasiatischen Wüsten einen kontemporären Verlauf zeigen. Seitdem die afrikanische Platte etwa die heutige geographische Position erreicht hat und das tibetische Plateau eine bedeutende Höhenlage entwickelte, besteht ein von letzterem ausgehender, hochtroposphärische Strahlstrom, welcher zu einem Delta über Nordafrika führt mit der Folge der weitgehenden Unterdrückung der für die übrigen Wüstengebiete charakteristischen Sommerniederschläge. Es ist daher von besonderem Interesse zu wissen, ob die am Nordrand des tibetischen Plateaus gelegenen Wüstengebiete eine korrelate Änderung des Environments erfuhren, da die Albedo über dem tibetischen Plateau und seinen Randgebieten Rückwirkungen auf die Zirkulation über den altweltlichen Wüstengürteln zur Folge haben müsste. Deren Steuerung durch Vergletscherung, Vegetationsbedeckung und topographische Position müsste sich in den fluvialen Akkumulationsräumen in den ariden Gebieten nördlich Tibets abzeichnen. Sie bieten besonders günstige Voraussetzungen, da sie wahrscheinlich seit dem Beginn des Quartärs geschlossene und langfristig endorheische Becken darstellen, in denen zeitweise ausgedehnte Endseen entstanden. Die Sedimentmächtigkeit überschreitet nach Vorstudien 230m. Es handelt sich um feinklastische Sedimente, die zum Teil rhythmisch geschichtete sind und einen Zeitraum von 800.000 Jahren überspannen. Es ist eine Feinauflösung sowohl der potamologischen, äolischen wie limnologischen Sedimentführung auf die klimatisch gesteuerten Einträge zu erwarten. Insofern erweisen sich die Sedimentationsräume als Archive für die klimatisch und gegebenenfalls tektonisch gesteuerte Variabilität und Entwicklung innerhalb des tibetischen Orogens und seines nördlichen Vorlandes. (...)

Zyklische Redoxreaktionen organischer Kohlenstoffverbindungen in Binnengewässern

Das vorliegende Forschungsprojekt zielt auf die Verknüpfung zweier, bisher als unabhängig angesehener, aquatischer Transport- und Transformationsprozesse:(a) In tiefen Gewässern können sich Wasserkörper unterschiedlicher Dichte stabil übereinander schichten. Die dort ablaufenden Umsatzprozesse werden so räumlich entkoppelt und es kommt zur Bildung einer aquatischen Grenzzone. Bei deren Durchtritt können sich physikochemische Parameter, wie etwa die Sauerstoffverfügbarkeit, abrupt ändern.(b) Die Verfügbarkeit des Elektronen-Akzeptors Sauerstoff entscheidet über die Reaktionspfade, auf denen aquatische Mikroorganismen Energie gewinnen. Unter Ausschluss von Sauerstoff können sie gelöstes organisches Material als alternativen Elektronen-Akzeptor nutzen. Die Elektronen werden von redox-aktiven Verbindungen innerhalb des organischen Materials (Quinone) aufgenommen die daraufhin antioxidativ, also empfindlich auf Änderungen der Sauerstoffverfügbarkeit reagieren. Die hohe räumliche- und zeitliche Dynamik aquatischer Grenzzonen in Binnengewässern haben zur Folge, dass antioxidatives organisches Material vom sauerstoffarmen in sauerstoffreiche Wasserkörper transportiert werden kann. Die dort rasch ablaufende Re Oxidation macht gelöstes organisches Material daher zu einem vollständig regenerierbaren Elektronenakzeptorsystem. Mikrobielle Konsortien, die ihre Energiegewinnung an diesen zyklisch regenerierten organischen Elektronenakzeptor koppeln, könnten einen entscheidenden Beitrag zum Kohlenstoffumsatz in aquatischen Grenzzonen leisten. Mikroorganismen beeinflussen maßgeblich, zu welchem Anteil umgesetztes organisches Material als Kohlendioxid oder als Methan in die Atmosphäre entweicht oder stattdessen dem Kohlenstoffkreislauf durch Sedimentation entzogen wird. Da Grenzzonen durch überproportional hohe Reaktionsraten und Biodiversität gekennzeichnet sind, ist die Kenntnis der dort ablaufenden Material- und Energieflüsse von großer Bedeutung für das grundlegende Verständnis des Kohlenstoffumsatzes in Binnengewässern. Die Binnenseen der borealen Zone haben großen Anteil an den globalen Süßwasservorräten und sind durch zukünftig steigende Frachten terrestrischen organischen Kohlenstoffs gefährdet. Das beantragte Forschungsprojekt hat daher zum Ziel, durch Prozessstudien auf verschiedenen Skalen und mechanistische Modellierung einen wichtigen Beitrag zu einem besseren Verständnis der Rolle organischen Materials als Elektronendonor und -akzeptor in diesen dynamischen Ökosystemen zu leisten.

Entwicklung flacher Sedimentfallen

Nachdem gezeigt worden ist, das man im bewegten Wasser von Flachseen, Kanaelen, Altwaessern und Totzonen mit zylindrischen Sedimentfallen keine realistischen Sedimentationsraten messen kann, ging es darum, Alternativen zu entwickeln und die Bereiche anzugeben, in denen man mit den traditionellen Zylinderfallen noch weiterhin gute Ergebnisse zu erwarten hat. Letzteres wurde mit Hilfe eines mathematischen Modells getan, das das Wechselspiel von Partikelnettoproduktion, turbulenter Vermischung und Sedimentation beschreibt. Es zeigte sich, dass die Zylinderfalle in tiefen Gewaessern unterhalb der trophogenen Zone und dort, wo die Partikel nur geringe kohaesive Eigenschaften besitzen, einsetzbar sind. Da sich organisches Material auch kohaesiv verhaelt, sind voellig fehlerlose Messergebnisse nur in speziellen Faellen zu erwarten. Um den Mangel an geeigneten Messgeraeten insbesondere fuer Flachseen und Fluesse zu beseitigen, wurde das Messprinzip der Tellerfallen entwickelt. Es wurde eine Konzeption ausgebaut, die ab 1996 im Rahmen eines BMBF-Projektes zu Geraeten mit neuen Moeglichkeiten fuehren soll.

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