Das Projekt "Upscale Error Growth - A2: Structure formation on cloud scale and impact on larger scales" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Institut für Physik der Atmosphäre durchgeführt. Cloud particles are determined by microscopic processes, such as nucleation/condensation, growth, aggregation and sedimentation. These processes can feedback on dynamics or organize themselves and form macroscopic cloud structures on the order of tens of kilometers. At particles scales (order of micrometers) only little energy is transferred in the system. However through forming structures on cloud scales, diabatic heat sources are confined and concentrated on this scale and can interact with atmospheric flows. In this project the formation of cloud structures and structures in clouds will be investigated. We will identify and determine possible structures in clouds containing ice crystals, i.e., mixed-phase clouds and pure ice clouds. In addition, we will identify the governing processes leading to structure formation and investigate the impact of cloud structures on processes on larger scales than cloud scale. Our approach is two-fold, using high-resolution modeling of clouds and mathematical analysis of cloud physics equations. For consistency, we start with a common analytical cloud model, which will be used in both parts of the project. In the modeling part of the project we will carry out high-resolution numerical simulation of clouds, represented by the cloud model coupled to equations of atmospheric motion (sound-proof models of compressible viscous flows). We will concentrate on convective situations, starting with moist Rayleigh-Benard convection, extended to multiphase systems, but proceed to more realistic convective scenarios. The output of the simulations will be evaluated in terms of temporal and/or spatial structures of clouds. Complementary, we will investigate the underlying equation of cloud physics combined with atmospheric dynamics using mathematical analysis. We will use different methods in order to identify possible structure formation. For direct analysis we will use techniques from dynamical system theory in order to analyze the equations in terms of equilibrium states, limit cycles, Lyapunov exponents, bifurcations due to parameters and attractors, respectively. On the other hand, we will use reduction techniques (e.g., as used for Landau-Ginzburg equations or reduced order methods) in order to simplify the underlying equations towards the governing processes determining structure formation. In a synthesis of these methods (structures in numerical modeling vs. mathematical analysis) we will finally derive some minimal models describing structure formation on cloud scale. These models will allow us to determine the impact of cloud scale structures on larger scales. Finally, we will carry out first numerical investigations on the impact of structured heat sources on atmospheric flows. Here, minimal models as derived during the project will be used for describing the structured heat sources, embedded into an atmospheric flow for certain idealized flow conditions. (abridged text).
Das Projekt "Sub project: Viscous flow of magmas from Unzen volcano, Japan - implications for magma mixing and ascent" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz Universität Hannover, Institut für Mineralogie durchgeführt. In the proposed project the viscosity of magmas of the Unzen volcano in Japan (compositions: rhyodacite to andesite) will be determined at conditions relevant to the local geological situation. Effects of pressure, water content, redox state of iron and degree of crystallization on rheological properties of the magma are of special importance in our studies. At present the influence of these parameters on viscosity of rhyodacitic to andesitic melts can not be modeled due to a lack of reliable experimental data. In the high-viscosity range nearby the glass transition, viscosities will be measured under pressure using a parallel-plate viscometer developed in our institute. Previous measurements were performed only at ambient pressure in this viscosity range. In the low-viscosity range (stable melt), the fallingsphere method will be applied. Combining both methods, the temperature dependence of viscosity can be defined in a large T range. Based on our viscosity measurements and on data from literature we want to develop a viscosity model applicable to melts with rhyolitic to andesitic composition. Using the viscosity data and results on phase equilibria and volatile solubility (project Ho1337/3+7), an attempt will be made to reconstruct the evolution of Unzen magmas from pre-eruptive conditions to the beginning of the eruption.
Das Projekt "Sub project: Viscous flow of magmas from Unzen volcano, Japan - Implications for magma ascent and emplacement" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität München, Department für Geo- und Umweltwissenschaften - Sektion Mineralogie, Petrologie & Geochemie durchgeführt. The lack in understanding the flow behaviour of ascending highly viscous conduit magmas is a major drawback in forecasting explosive volcanic eruptions. Due to the very recent development of a unique high-load, high-temperature deformation apparatus it is now, for the first time, possible to determine the effective non-Newtonian viscosity of rhyolitic multi-phase magmas at strain rates actually occurring prior to and during volcanic eruptions. This opportunity comes when cores from a section of Unzen's conduit were recently acquired. Taken together, the new technique and the new sample availability provide a unique opportunity to advance the rheological understanding of Unzen. The new data will enable the elaboration of complete volcanic eruption models at Unzen. Such models have important implications for the interpretation of (a) shallow volcanic earthquakes (e.g. low frequency events) and their potential use as indicators for near-future volcanic eruptions, (b) self-sealing mechanisms of the Unzen conduit, and (c) the poorly understood displacement mechanism of Unzen lava lobes, potentially indicative of non-Newtonian flow behaviour.
Das Projekt "Hochaufgelöste Ensemble-Vorhersage für den Offshore Windpark Horns Rev (Dänisches PSO-Projekt)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) - Institutsteil Kassel durchgeführt. Die Anforderungen an die Reserveleistungsbereitstellung für Windenergie hängen von der Genauigkeit der Windleistungsprognose und den kurzfristigen Leistungsschwankungen ab. Eine Ensemble-Vorhersage kann nicht nur die Windleistung vorhersagen, sondern zusätzlich ihre Wahrscheinlichkeitsverteilung bestimmen. Dadurch kann die bereitzustellende Reserveleistung im Voraus angepasst werden. Dazu muss allerdings die räumliche und zeitliche Auflösung der Ensemble-Vorhersage verbessert werden. Außerdem wird ein verbessertes Atmosphäre-Ozean-Modell benötigt, um die atmosphärische Strömung offshore bei nicht neutralen Bedingungen zu modellieren. Hauptziel des Projektes ist die Verbesserung der Windleistungsvorhersage und der Vorhersage der Leistungsschwankungen mit besonderem Augenmerk auf den Offshore Windpark Horns Rev. Dies wird durch die Entwicklung verschiedener Parametrisierungen und deren Verwendung in hochaufgelösten, gekoppelten Atmosphäre-Ozean-Modellen erreicht.
Das Projekt "Wissenschaftliche Vorstudie zur Gewinnung von Grundlagenwissen über das Verdriften von Munitionskörpern auf Grund von Umströmung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Hannover, Ludwig-Franzius-Institut für Wasserbau, Ästuar- und Küsteningenieurwesen durchgeführt. Nach derzeit vorliegenden Erkenntnissen lagern in der Nord- und Ostsee noch mindestens 1.600.000 Tonnen Munition. Die Kampfmittel gelangten vor allem im Zusammenhang mit den beiden Weltkriegen in diese Gewässer und die davon ausgehende Gefährdung steigt mit zunehmender Lagerdauer auf Grund von Abbauprozessen. Dies geht aus einem Ende 2011 vorgelegten ersten Lagebericht einer Expertengruppe des Bundes und der Länder zur Munitionsbelastung der deutschen Meeresgewässer hervor und aus dem Fortschrittsbericht der Gruppe im März 2017. Nicht nur in der Vergangenheit gefährdete die in die Meere eingebrachte Munition die maritime Sicherheit wie Menschen und Umwelt an den Stränden. Auch in der Gegenwart übt dieser Risikofaktor seinen Einfluss aus. Vielmehr noch wird er durch die stark steigende Nutzung von Meeresflächen im Rahmen der Energiewende durch Offshore-Windparks und die zugehörigen Infrastrukturbauwerke (Seekabel, Umspannwerke, Versorgungs- und Wartungsstandorte) erheblich an Bedeutung gewinnen. Auch der steigende kommerzielle Seeverkehr, der Kreuzfahrtourismus, die maritime Sportschifffahrt und der Ausbau von Aquakulturen werden zur wachsenden Relevanz des Risikofaktors 'Munition im Meer' beitragen. Neben den eventuellen Munitionsverdriftungen in den Verklappungsgebieten selbst werden Munitionskörper auch gelegentlich an Stränden angespült, wo sie ein Gefahren- und Verletzungspotential für Touristen und Anwohner bilden. In der Literatur finden sich nur einige wenige Beispiele, bei denen eine Verdriftung von Körpern in quasi-stationärer Strömung untersucht wurde. Vor diesem Hintergrund soll in einer grundlegenden Studie mittels PIV Strömungsmessungen ermittelt werden, welche Munitionskörper sich bei welchen Strömungsbedingungen auf sandigem Boden in der horizontalen Ebene bewegen.
Das Projekt "Laminare und turbulente Strahlausbreitung in nicht ruhenden Medien mit Anwendung auf Luftfahrt und Umweltschutz" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt, Institut für Experimentelle Strömungsmechanik durchgeführt. Gegeben beliebige Ebene, stationaere Grundstroemung; inkompremiertes Medium mit konstanter Zaehigkeit. Kann durch Wand begrenzt sein. Stationaere oder instationaere Einleitung eines mediengleichen Strahls; Naehrungsloesungen mit bzw. ohne Schrankencharakter fuer Felder der Uebergeschwindigkeit, Temperatur; Konzentrationen des sich ausbreitenden Strahls werden bestimmt.
Das Projekt "Einfluss einer pulsierenden Stroemung auf das Foulingverhalten" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Braunschweig, Institut für Verfahrens- und Kerntechnik durchgeführt. In vielen Waermeaustauschern findet eine unerwuenschte Belagbildung, auch Fouling genannt, auf den waermeuebertragenden Flaechen statt, die durch unterschiedliche Mechanismen bedingt sein kann (z.B. chemische Reaktion, Sedimentation von Feststoffen oder Kristallisation). Diese Belagbildung fuehrt zu einer drastischen Erhoehung des Waermedurchgangswiderstandes und damit zu einem Leistungsverlust des Waermeuebertraegers. Die Anstrengungen zur Vermeidung bzw. Verminderung des Foulings von Waermeaustauscherflaechen fuehren nur selten und dann nur durch den Einsatz erheblicher Mittel zum Erfolg. Die bisherigen wissenschaftlichen Untersuchungen ueber die Belagbildung beschraenken sich alle auf stationaere Betriebsbedinungen. Sie haben gezeigt, dass neben anderen Groessen, die Stroemungsgeschwindigkeit entscheidenden Einfluss auf das Foulingverhalten hat. Hoehere Geschwindigkeiten bewirken aufgrund der groesseren Schubspannung zwischen Fluessigkeit und Foulingschicht eine staerkere Feststoffabtragung und damit eine Verringerung der Verschmutzung. Dieses Forschungsvorhaben hat zum Ziel, den Einfluss momentaner Stroemungsbeschleunigungen und -verzoegerungen einer pulsierenden Stroemung auf die Belagbildung durch Kristallisation bzw. Sedimentation und damit auf die Waermeuebertragung zu untersuchen. Hierbei werden verschiedene Oberflaechenstrukturen, die zusaetzliche Turbulenzen und damit eine Schubspannungserhoehung an der Foulingschichtoberflaeche bewirken, eingesetzt. Dabei ist zu pruefen, ob der durch die hoehere Turbulenz verbesserte Stoffuebergang bei der Kristallisation durch die schubspannungsbedingte erhoehte Abtragung aufgewogen wird. Eine am Institut entwickelte Modellvorstellung zu den Ablagerungs- und Abtragungsmechanismen von Foulingschichten bei stationaeren Betriebsbedingungen soll auf pulsierende Stroemungen erweitert und mit den Ergebnissen der experimentellen Untersuchungen verglichen werden.
Das Projekt "Kombiniertes Grundwasser-Shuttle-Guard-System" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von DGFZ Dresdner Grundwasserforschungszentrum e.V. durchgeführt. Ziel des Projektes war die innovative Weiterentwicklung des 'Grundwasser-Proben-Shuttle' bis zur Anwendungsreife zu einem kombinierten Grundwassermonitoringsystem mit drei Funktionen: Grundwasserprobennahme, Messstellenschutz und Frühwarnfunktion über eine kontinuierliche, stationäre Überwachung. Mit Ende des Projektes steht ein unter Feldbedingungen einsatzfähiges innovatives kombiniertes Grundwasserprobenahme- und Monitoringsystem zur Verfügung. Das sogenannte Shuttle-Guard-System besteht aus zwei Teilgeräten. Die Grundwasser-Monitoring-Station (GWMon-Station) wird permanent im Filterbereich der Grundwassermessstelle eingebaut, kann zur Wartung aber auch problemlos ausbaugebaut werden. Sie ist mit einem Datenlogger und Sensorik zum Überwachen von Wasserspiegel, Temperatur, Leitfähigkeit, pH-Wert und Redoxpotenzial ausgestattet. Das mobile Grundwasser-Shuttle (GW-Shuttle) vermag an der GWMon-Station anzudocken, entnimmt eine Grundwasserprobe unter in-situ Druck (isobare Probenahme) und transportiert diese nach Übertage. Das innovative Shuttle-Guard-System unterbindet Verfälschungen der Messwerte, indem die GWMon-Station einen vom Grundwasser durchströmten, aber vom Standwasser abgegrenzten, Raum erzeugt und so den Stofftransport zwischen Aquifer und Standwasser verhindert. Auch wird die Messstelle so nachhaltig vor Schädigungen (z.B. Verockerungen) geschützt, die eine vorzeitige Alterung der Messstelle bewirken und deren aufwändige und kostenintensive Reinigung und Regenerierung erforderlich machen würden. Die Handhabung und Steuerung des neuen GW-Shuttles gestaltet sich komfortabel und kundenfreundlich. Das GW-Shuttle kann mithilfe der zugehörigen Kabeltrommel als autarkes System betrieben werden. Die Steuerung der Probenahme erfolgt kabellos über eine Bluetooth-Verbindung. Die autonom agierende stationäre GWMon-Station ist kompatibel zum GW-Shuttle, kann aber auch unabhängig in Messstellen eingesetzt werden. Sie ermöglicht eine konstante und unbeeinflusste Überwachung des Grundwassers, wie z.B. ein Langzeit-Monitoring zum Schadstoffabbau. Vergleichende Probennahmen zeigten, dass mit dem Shuttle-Guard-System unbeeinflusste Proben gewonnen werden, die gegenüber der konventionellen Pumpprobenahme und auch gegenüber der speziellen druckhaltenden Probenahme mit dem BAT®-System teufenrichtig zuordenbar ein breiteres Schadstoffspektrum und höhere Schadstoffkonzentrationen im Grundwasserleiter ausweisen. Die Probe des Shuttle-Guard-Systems zeigte im Rahmen des Vergleichs dabei als einzige an, dass im Grundwasser Schadstoffkonzentrationen über dem Grenzwert der Trinkwasserverordnung vorliegen. Das Shuttle-Guard-System wurde auf zahlreichen Veranstaltungen gezeigt und in Vorträgen vorgestellt. Es hat seine Funktionstüchtigkeit unter Feldbedingungen über mehrere Monate unter Beweis gestellt. Die Verbesserung der Qualität der in Grundwassermessstellen gewonnenen Proben konnte im Labor nachgewiesen werden.
Das Projekt "Transportverhalten von Coprostanol im Gewaesser und seine Eignung als Tracer fuer faekale Abwaesser" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften, Fachgruppe Geowissenschaften, Lehrstuhl für Hydrologie durchgeführt. Die Hoffnung, mit der Auffindung von Coprostanol einen sicheren Hinweis auch auf das Ausmass einer faekalen Belastung eines Gewaessers gefunden zu haben, scheint solange voreilig, als das Transportverhalten dieses faekalen Sterols nicht genauer untersucht wurde. Fuer eine Untersuchung dieses Transportverhaltens von Coprostanol eignet sich der Rautunselkae in Suedfinnland besonders gut, weil dort die limnologischen Verhaeltnisse eingehend untersucht worden sind und weil nebeneinander und nur an dieser einen Stelle faekal belastete kommunale Abwaesser mit dem Tracer Coprostanol und Abwaser aus der Zelluloseherstellung mit den so unterschiedlichen Tracern Ligninsulfonat und fluechtige Halogenkohlenwasserstoffe in den See geleitet werden. Die raeumliche Ausbreitung von Coprostanol kann dort unter winterlichen stationaeren Stroemungsbedingungen vergleichsweise gut kontrolliert werden. Diese Untersuchung soll an Hand von raeumlich verteilten Vertikalprofilen vorgenommen werden, indenen im Eis, im Wasser - hier in Abhaengigkeit von Temperatur, O2 und H2S - und im Sediment Coprostanol sowie im Wasser die Tracer Ligninsulfonat und fluechtige Halogenkohlenwasserstoffe gemessen werden.
Das Projekt "Strahlintermittenz. Grobstrukturelle Zerfallsprobleme in einem Freistrahl mit ueberlagerter Aussenstroemung (Fortsetzung Teil 2)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Vereinigte Flugtechnische Werke Fokker durchgeführt. Die theoretischen Strahlmodelle, wie sie im Flugzeugbau verwendet werden, beruecksichtigen im allgemeinen nur die stationaeren Anteile der Stroemung, wie zum Beispiel die Verdraengungswirkung des Strahles und die Zulaufstroemung zu dem Strahl. Hiermit lassen sich bei der Verwendung der modernen Panel-Methoden Interferenzsprobleme bei der Integration Zelle/Triebwerk vorausbestimmen. Die berechneten Ergebnisse stimmen jedoch nur ungenuegend mit den Messergebnissen ueberein. Ein Grund liegt in der Vernachlaessigung der sogenannten Intermittenzeffekte, die im Strahlaussenbereich auftreten und die einen statistischen Charakter aufweisen. In frueheren Untersuchungen wurden die Intermittenzsignale fuer einen einfachen Freistrahl bestimmt (VFW-F Bericht Grobstrukturelle Zerfallsphaenomene im Freistrahl RueFo IV Bericht T/RF42/RF420/51067/1977). Diese Arbeiten wurden im vorliegenden Bericht fuer den Fall des Doppelfreistrahles fortgesetzt. Neben dem Nachweis gleichwertiger Intermittenzsignale wie im Einfachstrahl gelang es jedoch, die Signale rechnerisch nachzubilden und den wirbelartigen Charakter der Intermittenzsignale nachzuweisen. Unter Annahme eines Wirbelmodells nach Hamel-Oseen wurden aus den statistischen Verteilungen der Signale Angaben ueber Zirkulation und Energie Inhalt eines mittleren 'Intermittenz'-Ballens gemacht. Die Groessenordnung der Werte deutet auf die Notwendigkeit hin, dass rechnerische Strahlmodell fuer Interferenzprobleme zu korregieren.
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