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Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten, Einflusss von Umweltveränderungen auf antarktisches Phytoplankton untersucht mit Hilfe eines synergistischen multi- und hyper-spektralen Satellitendatenansatzes

Klimamodelle sagen voraus, dass sich in naher Zukunft im Antarktischen Ozean signifikant die Temperatur und der PH-Wert ändern werden, bedingt durch den Anstieg der Konzentrationen troposphärischer Treibhausgase und vor allem durch den erhöhten Kohlenstoffdioxidausstoß aus fossilen Brennstoffen. Solche Änderungen wirken sich auf die Zusammensetzung des Phytoplanktons aus und damit auch auf die Stoffkreisläufe wichtiger Elemente (Kohlenstoff, Stickstoff, usw.). Ziel dieses interdisziplinären Projektes ist die genauere Bestimmung der räumlichen und zeitlichen Variabilität der Biomasse von unterschiedlichen Phytoplanktontypen im Antarktischen Ozean. Einerseits wird hiermit das Verständnis der Rolle des antarktischen Phytoplanktons für das Ökosystem vertieft und andererseits deren Beitrag für den globalen Kohlenstoffzyklus genauer quantifiziert. Durch die einzigartige Kombination von Satellitendaten zweier unterschiedlicher Instrumententypen soll die Konzentration verschiedener Phytoplankton-Typen im Antarktischen Ozean zum ersten Mal mit umfassender zeitlicher und räumlicher Abdeckung bestimmt werden. Die Gesamtbiomasse wird durch eine an die Antarktis angepasste Prozessierung mit Hilfe multispektraler Satellitenmessdaten berechnet. Der Anteil wesentlicher Phytoplanktontypen an der Gesamtbiomasse wird anhand der Auswertung charakteristischer Absorptionsstrukturen von hyperspektralen Messdaten (PhytoDOAS-Methode) ermittelt. Somit soll ein synergetisches Produkt aus sich ergänzenden Informationen multi- und hyperspektraler Satelliteninstrumente entwickelt werden, das auf ähnliche Satelliteninstrumente, deren Messungen in naher Zukunft starten, übertragbar sein wird. Damit kann dann ein Datensatz über die Verteilung von Phytoplanktontypen über Dekaden erstellt werden. Mit dem im Projekt entstehenden Datensatz über die Verteilung der Phytoplanktontypen soll deren Variabilität und Korrelation mit sich ändernden Umweltfaktoren im Antarktischen Ozean in den vergangenen untersucht werden. Darüber hinaus soll unser Datensatz genutzt werden, zur Verbesserung und Evaluierung eines Ökosystem-Models, welches die Biogeographie verschiedener Phytoplanktontypen durch Parametrisierung physiologischer Eigenschaften an ein Ozeanzirkulatonsmodell errechnet. Mit Hilfe des Langzeitdatensatz und dem damit verbundenen Wissen über die Variabilität der Phytoplanktontypen, wird ein Fundament geschaffen, um den Einfluss der Klimaveränderungen im Antarktischen Ozean zu bemessen.

Standardisiertes Monitoring von Wachstumsreaktionen wichtiger Waldbaumarten auf klimatische Extremereignisse

Hauptziel von TV1 ist die Untersuchung verschiedener Hauptbaumarten entlang der deutschen Mittelgebirgsschwelle in Bezug auf ihre Reaktion auf klimatische Extremereignisse. Dazu werden langfristige Klima-Wachstumsbeziehungen ermittelt und mit hochfrequenten physiologischen Messungen am Baum kombiniert. Zur Erklärung der beobachteten Reaktionsmuster werden verschiedene Standortfaktoren und Umweltparameter hinzugezogen. Dabei werden Klima, Boden und Topographie genauso berücksichtigt wie die Bestandshistorie und Managementfaktoren. Ein weiteres Ziel von TV1 ist die Entwicklung eines neuen Strahlungsmoduls. Dies soll in das standardisierte DHC-Monitoringsystem integriert werden, um die kurzwellige Strahlung photosynthetisch und photomorphogenetisch relevanter Spektralbereiche in Echtzeit zu erfassen. Die Spektralanalyse liefert Einblicke in die Kroneneigenschaften und damit in das Stresslevel der Bäume. Durch die Kopplung mit den gemessenen Kohlenstoff- und Wasserflüssen sowie weiteren DHC-Daten können die Strahlungsdaten zudem Aufschluss über verschiedene Aspekte der Morphogenese geben. Die Erkenntnisse aus TV1 dienen dem Prozessverständnis und bilden eine wichtige Basis für die Berechnung von Energie-, Wasser- und Kohlenstoffbilanzen ausgewählter Waldbestände. Sie fließen in die im Gesamtprojekt verwendeten Modelle ein und werden genutzt, um Zusammenhänge zwischen Energieinput, Wachstum und Stress zu quantifizieren. Die Strahlungsdaten dienen zudem der Verbesserung der Validierung von Fernerkundungsprodukten. Neben den genannten Forschungsaktivitäten übernimmt TV1 die Koordination des Verbundvorhabens und leitet die Bereiche Kommunikation und Transfer. Dazu gehört die Organisation von Projektmeetings und Workshops unter Einbezug relevanter AkteurInnen aus Forstpraxis und -verwaltung sowie die Entwicklung eines Leitfadens mit Handlungsempfehlungen für die Forstpraxis. Dieser soll basierend auf den Forschungsergebnissen zum Projektende veröffentlicht werden.

Standardisiertes Monitoring von Wachstumsreaktionen wichtiger Waldbaumarten auf klimatische Extremereignisse, Teilvorhaben 1: Klima-Wachstumsbeziehungen und spektrale Strahlungsanalyse von Hauptbaumarten sowie Projektkoordination

Hauptziel von TV1 ist die Untersuchung verschiedener Hauptbaumarten entlang der deutschen Mittelgebirgsschwelle in Bezug auf ihre Reaktion auf klimatische Extremereignisse. Dazu werden langfristige Klima-Wachstumsbeziehungen ermittelt und mit hochfrequenten physiologischen Messungen am Baum kombiniert. Zur Erklärung der beobachteten Reaktionsmuster werden verschiedene Standortfaktoren und Umweltparameter hinzugezogen. Dabei werden Klima, Boden und Topographie genauso berücksichtigt wie die Bestandshistorie und Managementfaktoren. Ein weiteres Ziel von TV1 ist die Entwicklung eines neuen Strahlungsmoduls. Dies soll in das standardisierte DHC-Monitoringsystem integriert werden, um die kurzwellige Strahlung photosynthetisch und photomorphogenetisch relevanter Spektralbereiche in Echtzeit zu erfassen. Die Spektralanalyse liefert Einblicke in die Kroneneigenschaften und damit in das Stresslevel der Bäume. Durch die Kopplung mit den gemessenen Kohlenstoff- und Wasserflüssen sowie weiteren DHC-Daten können die Strahlungsdaten zudem Aufschluss über verschiedene Aspekte der Morphogenese geben. Die Erkenntnisse aus TV1 dienen dem Prozessverständnis und bilden eine wichtige Basis für die Berechnung von Energie-, Wasser- und Kohlenstoffbilanzen ausgewählter Waldbestände. Sie fließen in die im Gesamtprojekt verwendeten Modelle ein und werden genutzt, um Zusammenhänge zwischen Energieinput, Wachstum und Stress zu quantifizieren. Die Strahlungsdaten dienen zudem der Verbesserung der Validierung von Fernerkundungsprodukten. Neben den genannten Forschungsaktivitäten übernimmt TV1 die Koordination des Verbundvorhabens und leitet die Bereiche Kommunikation und Transfer. Dazu gehört die Organisation von Projektmeetings und Workshops unter Einbezug relevanter AkteurInnen aus Forstpraxis und -verwaltung sowie die Entwicklung eines Leitfadens mit Handlungsempfehlungen für die Forstpraxis. Dieser soll basierend auf den Forschungsergebnissen zum Projektende veröffentlicht werden.

Automatisierte Fouling-Entfernung von Schiffsrümpfen mittels Laserstrahlung unter Wasser, Vorhaben: Modularer Dioden-Linienlaser im blauen Spektralbereich mit 4 kW Ausgangsleistung zur Fouling-Entfernung unter Wasser

Turbomaschinen für Hydrogen Technologien, Teilvorhaben: Robustes Dämpferdesign und Analyse von Kaskadenströmungen (AP 3.2, AP 4.6c)

Ziel des AP 3.2 ist es, in einem kombinierten numerisch-experimentellen Ansatz das Schwingungsverhalten von Gasturbinenschaufeln zu untersuchen, welche einer multifrequenten Anregung ausgesetzt und durch Reibungsdämpfer nichtlinear miteinander gekoppelt sind. Notwendig wird dies aufgrund der Verbrennung neuartiger Arbeitsfluide wie Wasserstoff, wo es noch erhebliche Unsicherheiten hinsichtlich der in der Brennkammer generierten Frequenzspektren der Anregung für die stromab liegenden Laufbeschaufelungen gibt, sodass die heute üblicherweise getroffene Annahme monofrequenter, harmonischer Anregungen, oder zumindest dominanter Harmonischer, aufgegeben werden muss. Die für die Erhöhung der Dämpfung unverzichtbaren Reibdämpfer führen zu Nichtlinearitäten, die es verbieten, verschiedene Frequenzanteile linear zu superponieren. Hier sind wesentliche Modellerweiterungen vorhandener Berechnungstools sowie insbesondere auch die experimentelle Validierung an einem realitätsnahen Versuchsträger in Blisk-Bauweise (blade integrated disk) unter Rotation notwendig, mit dem Ziel, durch Simulationen robuste und für ein breites Frequenzspektrum optimierte Reibdämpfer zu definieren und ihre Wirkungsweise auch experimentell nachzuweisen. Ziel des AP 4.6c ist die Inbetriebnahme eines virtuellen Kaskadenprüfstandes und aller dafür notwendigen Verfahren im Strömungslöser TRACE. Dafür werden Referenzdaten und Workflows für den Aufbau der Modelle, die Qualitätssicherung der Simulationsergebnisse und die Auswertung der relevanten Größen erarbeitet. Der virtuelle Kaskadenprüfstand soll zukünftig physische Experimente ergänzen und Einblicke in Bereiche der Strömung liefern, die messtechnische nicht, oder nur unter hohem Aufwand zu untersuchen sind.

ThWIC: Vorort-Bestimmung von Mikroschadstoffen in Abwasserproben mit plasmonisches Multiplex-Assays und kombinierter Fingerprintanalyse, Teilprojekt C

ACTRIS-D National Facilities, Phase 1, Teilprojekt 2 (KIT-NF): Implementierung der nationalen Einrichtungen des KIT (Observatorium Zugspitze; Wolkensimulationskammer AIDA; mobile Plattform KIT-Cube)

Dispersion von Meereis unter Nutzung der Lagrangeschen Betrachtungsweise: Eine Studie dynamischer Systeme

Beobachtungen zeigen drastische Veränderungen in der Arktis bedingt durch den Klimawandel. In den Regionen, in denen der Anteil des mehrjährigen Eises an der Eisdecke abnimmt, weist das Meereis erhöhte Driftgeschwindigkeiten auf, da das dünnere und mechanisch schwächere einjährige Eis stärker auf den Windantrieb reagiert.Ein besseres Verständnis der Meereisdynamik ist daher notwendig um dessen Entwicklung und Variabilität im Zuge des Klimawandels besser vorhersagen zu können. Insbesondere auf lokaler Skala hängt die dynamische Entwicklung des Meereises von seiner Belastung und Deformation ab, welche umgekehrt wieder für die Veränderung des Eises, beispielsweise für das Aufbrechen der Eisdecke und für die Dispersion des Eises verantwortlich sind.In dieser Studie planen wir die Kinematik des Meereises anhand der Finite Scale Lyapunov Exponents (FSLEs) durch Beobachtungen von auf dem Meereis ausgebrachten Bojen zu untersuchen. Zunächst werden statistische Methoden zur Ausbreitung von Partikeln, wie Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen und Frequenzspektren, analysiert. Die FSLEs können beispielsweise für eine Charakterisierung von Dynamiken, welche eine vielskalige Natur besitzen, wie es bei Meereis der Fall ist, genutzt werden. Die Tatsache, dass die FSLEs die Einheit Hertz haben, lässt den Rückschluss zu, dass diese als Indikator für die Vorhersagbarkeit der Strömung genutzt werden können: Das Inverse stellt eine typische Zeitskala für die Separation von Teilchen und daher auch für die Deformierung von Meereis dar. FSLEs stehen außerdem in direktem Zusammenhang mit der horizontalen Dispersion von Teilchen (Bojen) und können anzeigen, ob die Separation der Bojen im Laufe der Zeit exponentiell (chaotisch) oder linear (diffusiv) verläuft oder ob sie einer anomalen Diffusion unterliegt. Die Wiederholung der Berechnungen für unterschiedliche Regionen und Jahre wird hoffentlich die Abhängigkeit der dynamischen Merkmale von unterschiedlichen klimatischen Bedingungen aufzeigen.

Digitalisierung und interdisziplinäre Auslegungstechnologien von Turbomaschinen für die Energiewende, Teilvorhaben: AP1.1b, AP 1.2c und AP 3.1b

Vorhabenbeschreibung AP 1.1b: Die heutige Vorgehensweise der industriellen aerodynamischen und strukturmechanischen Turbomaschinen Schaufel-Auslegung ist disziplinär und sequenziell organisiert. Im Rahmen des Vorhabens soll dies durch interdisziplinäre Prozessketten und automatisierte Optimierungsstrategien abgelöst werden. Durch eine zielgerichtete Nutzung von Methoden aus dem Bereich Maschinelles Lernen (ML) und künstliche Intelligenz (KI) werden datengetriebene Modelle für die physikalisch umfassende digitale Modellierung bereitgestellt. Vorhabenbeschreibung AP 1.2: Mit dem Harmonic-Balance-Verfahren steht dem DLR ein hochwertiges Frequenzbereichsverfahren für instationäre Strömungssimulationen zur Verfügung, das deutlich effizienter als konventionelle, instationäre Zeitbereichsverfahren (URANS) bei akzeptablem Genauigkeitsverlust ist. Aufgrund sekundärer, instationärer Effekte, deren physikalische Frequenzen nicht Teil des aufgelösten Spektrums sind, konvergieren bis zu einem Drittel der Flatter-Simulationen mit Harmonic Balance nicht. Auslöser sind gerade in den aeroelastischen Bewertungspunkten auftretende strömungsinduzierte Effekte wie Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkungen und offene Ablösungen. Vorhabenbeschreibung AP3.1: Das Arbeitspaket teilt sich in zwei Bereiche auf, die jeweils der Untersuchung des entstehenden Wärmeeintrags und des Verschleißes, ausgelöst durch Anstreifen zwischen Bürstendichtung und Rotor, gewidmet sind. Es wird ein Modell zur Beschreibung des Verschleißes erstellt und mit den am DLR erhobenen Versuchsdaten verbessert und validiert. Der beim Anstreifen entstehende Wärmeeintrag wird bestimmt. Die Erkenntnisse sind für die Ertüchtigung der Bürstendichtung als Inner Air Seal essentiell, um den Verschleiß im Betrieb sowie Wärmeeintrag in den Rotor beschreiben zu können.

Untersuchung des Einflusses vulkanischer Eruptionen auf stratosphärische Aerosole und den Strahlungsantrieb

Das Projekt VolARC ist eines von fünf Projekten des Antrags für die zweite Phase der DFG Forschungsgruppe VolImpact (FOR 2820), deren erste Phase im Frühjahr 2019 begann. VolARC befasst sich mit wichtigen und offenen Fragen vulkanischer Effekte auf stratosphärische Aerosole und deren Einfluss auf die Strahlungsbilanz des Erdsystems. Basierend auf den Arbeiten der laufenden Phase I sollen in Phase II folgende drei Themen bearbeitet werden:(1) Konsolidierung des Verständnisses der Entwicklung stratosphärischer Aerosolparameter nach Vulkanausbrüchen und Untersuchung der Gründe für die verbleibenden Unterschiede zwischen beobachteten und modellierten stratosphärischen Aerosolparametern (Aerosolextinktionsprofile, optische Tiefe und insbesondere die Teilchengrößenverteilung stratosphärischer Aerosols), sowie Behebung der Ursachen für die Unterschiede. Insbesondere die zeitliche Entwicklung der Aerosolgrößenverteilung soll besser verstanden werden. (2) Untersuchung des Einflusses von Modellauflösung und Transport auf die Entwicklung vulkanischer Aerosolwolken in der Stratosphäre. In Phase II wird ein “Seamless Simulation”-Ansatz verwendet, der mittels mehrerer Nests eine konsistente Modellierung aller relevanten Prozesse auf den entsprechenden Skalen ermöglicht, von der initialen Entwicklung der Vulkanwolke bis hin zu globalen und längerfristigen Skalen. (3) Untersuchung der Fähigkeit von Limb- und Okkultationsinstrumenten, vulkanische Sulfataerosole in der Stratosphäre nach stärkeren Vulkanausbrüchen zu erfassen. Bereits bei relativ moderaten optischen Tiefen wird die Sichtlinie in Limb-Geometrie optisch dicht und eine robuste Bestimmung der Aerosolextinktion problematisch. Außerdem wird untersucht, ob aktuelle Satelliteninstrument in der Lage sind, eine im Rahmen von Geoengineering Aktivitäten künstliche verstärkte stratosphärische Aerosolschicht zu erfassen und zu überwachen. Diese Themen werden durch die Synergy globaler Satellitenbeobachtung stratosphärischer Aerosolparameter im optischen Spektralbereich und globaler Modellsimulationen mit expliziter Aerosolmikrophysik untersucht. Wir werden u.a. unsere eigenen Algorithmen verwenden um aus Messungen vergangener, aktueller und zukünftiger Satelliteninstrumente (bsp. OMPS-LP, SAGE III and SCIAMACHY) Aerosolparameter abzuleiten. Die Modellsimulationen werden hauptsächlich mit ICON-ART durchgeführt, aber auch MAECHAM-HAM-Simulationen werden zum Vergleich mit Messdaten und ICON-ART-Simulationen zum Einsatz kommen. Das VolARC-Projekt ist sehr gut mit den anderen vier VolImpact-Projekten vernetzt, insbesondere durch die definierten übergreifenden Forschungsthemen an denen jeweils mehrere VolImpact-Projekte beteiligt sind. Diese Themen sind: (1) die Aerosolteilchengrößenverteilung, (2) vulkanische H2O-Injektionen in die mittlere Atmosphäre und (3) Strahlungsantrieb durch vulkanische Effekte. Darüber hinaus wird VolARC alle Aktivitäten zur Seamless-Simulation in VolImpact koordinieren.

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