Das Mischen von Flüssigkeiten ist in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technik von größter Bedeutung. In porösen Medien sind Mischprozesse normalerweise ineffizient. Eine Verbesserung der Durchmischung kann potenziell durch eine Verbesserung der Schadstofffahnenverformung durch Dehnung und Faltung des Strömungsfeldes unter Verwendung von Injektions-Extraktions-Systemen oder in Systemen, die von Natur aus eine komplexe instationäre Dynamik aufweisen, wie z.B. die Wirkung von Gezeiten, erreicht werden. Frühere Studien wurden auf mehreren räumlichen Skalen (d.h. Poren-, Darcy-, Feld- und Regionalskala) durchgeführt, wobei hauptsächlich theoretische und Modellierungsansätze verwendet wurden. Experimentelle Studien hingegen, die unterkontrollierten Bedingungen durchgeführt wurden, sind nur spärlich vorhanden. Das vorgeschlagene Forschungsprojekt zielt darauf ab, die Auswirkungen der chaotischen Advektion auf den Transport gelöster Stoffe in gesättigten porösen Medien unter kontrollierten Laborbedingungen experimentell nachzuweisen. Die experimentellen Arbeiten werden von der Entwicklung neuer fortschrittlicher numerischer Methoden begleitet, die in der DUNE-Umgebung (Distributed Unified Numerics Environment) entwickelt werden, um eine genaue modellgestützte Interpretation der Ergebnisse zuermöglichen. Darüber hinaus werden auch multiparametrische Studien durchgeführt, um die realistischen Szenarien zu untersuchen, die den Rahmen von Laborexperimenten sprengen. Dieses Forschungsprojekt ist innovativ, da folgende Punkte untersuchtwerden: 1) Die Auswirkung der nichtlinearen Geschwindigkeitsabhängigkeit der Dispersion und des Nicht-Fick‘schen Transports im Allgemeinen auf die chaotische Advektion; 2) Die Auswirkung der unvollständigen Vermischung auf der Porenskala auf die effektive Vermischungsverstärkung durch chaotische Advektion; 3) Die Auswirkung der Verzögerungs- und Dichteeffekte, die den Transport von gelösten Stoffen chemisch-relevanter Spezies beeinflussen, auf die durch chaotische Advektion erzielte Vermischungsverstärkung; 4) Die Auswirkung der chaotischen Advektion auf reaktiven Transport. Darüber hinaus zielen wir darauf ab, die fehlende Verbindung zwischen den Metriken, die die chaotische Advektion und die Vermischung auf der Darcy-Skalabeschreiben, herzustellen. Dies kann durch eine modellgestützte Interpretation der in diesem Forschungsprojekt gesammelten experimentellen Ergebnisse erreicht werden.
Die Gletscher Hochasiens, existentielle Ressource der Wasserversorgung von über einer Milliarde Menschen, reagieren ausgesprochen heterogen auf den Klimawandel. Die zugrunde liegenden Wirkmuster, Steuerungsfaktoren und Sensitivitäten sind jedoch bisher nur lückenhaft verstanden. Jüngste Studien zeigen die besondere Bedeutung topoklimatischer Effekte auf der Skale einzelner Täler und Höhenzüge, die auch ein großes Potential zu nicht-linearer Abschmelzdynamik implizieren. Zur Analyse dieser mesoskaligen Phänomene fehlen aber bislang adäquate Werkzeuge, die die big-data-kritische Datenlücke zwischen großräumigen Fernerkundungs- und feldbasierten Detailstudien schließen können. Die Höhe der Gletschergleichgewichtslinie (ELA) integriert alle am Gletscher wirkenden topographischen und klimatischen Faktoren und ist daher als Indikator eben dieser topoklimatischen Phänomene bestens geeignet. Im beantragten Projekt soll ein neuartiges Fernerkundungsverfahren für ganz Hochasien angewendet werden, das eigens entwickelt wurde, um für ganze Orogene Datensätze der ELA und multitemporaler ELA-Änderungen in präzedenzlos hoher Auflösung zu generieren. Durch ein künstliches neurales Netz werden dann die räumlichen Muster und ihnen zugrunde liegende Beziehungen im regional heterogenen Zusammenwirken klimatischer (Globalstrahlung, Temperatur, Niederschlag, Wind, etc.; aus Daten der High Asia Refined analysis, HAR) und topographischer (Exposition, Hangneigung, Gipfelhöhe, etc.; aus digitalen Geländemodellen, DGM) Faktoren zur Steuerung der ELAs in Hochasien aufgeschlüsselt. An für Teilräume repräsentativen Benchmark-Settings mit besonders guter Datensituation werden die steuernden Prozesse am Gletscher durch numerische Modellierung der Energie- und Massenbilanzen (MB) im Detail untersucht. Auf Basis der resultierenden MB-Daten wird zusätzlich die Sensitivität der MBs zu monatlichen Anomalien in Temperatur und Niederschlag (aus HAR) modelliert. Vorstudien zeigen, dass Verebnungsflächen in den Akkumulationsgebieten der Gletscher großes Potential zu nicht-linearer Abschmelzdynamik bei weiterem ELA-Anstieg bergen. Größe und Topographie dieser Verebnungen werden durch DGM-basierte GIS-Analysen für Gletscher ganz Hochasiens quantifiziert. Zur Identifizierung der zugehörigen Kipppunkte (ELA, ab der eine spezifische Verebnungsfläche zu Ablationsgebiet wird) werden jeweils aus Hochflächentopographie und ELA-Daten die verbleibenden Pufferhöhen berechnet. Die diesen Pufferhöhen entsprechenden Temperaturzu- oder Niederschlagsabnahmen werden auf Basis der zuvor erhobenen Sensitivitätsdaten abgeschätzt und die verbleibende Zeit zur Überschreitung der Kipppunkte für verschiedene Szenarien anthropogenen Klimawandels ermittelt. Die Resultate dieses interdisziplinär-polymethodischen Ansatzes werden erstmals eine Entschlüsselung der topoklimatischen Steuerung der Klimawandelresonanz von Gletschern in Hochasien und ihrer Potentiale zu nicht-linearer Abschmelzdynamik ermöglichen.
Anthropogene CO2 Emissionen werden zum Teil von den Ozeanen absorbiert und führen zu erniedrigten marinen pH und Karbonatwerten, dieser Prozess wird Ozeanversauerung genannt. Ozeanversauerung geht mit Ozeanerwärmung einher, zusammen bedrohen beide Umweltveränderungen das Leben im Meer. Fische wurden bisher als recht unempfindlich gegenüber diesen Veränderungen im Meerwasser eingeschätzt, da sie über hoch entwickelte Säure-Base- und Ionenregulation verfügen. Daher haben nur wenige physiologische Studien den Einfluss von Hyperkapnie auf die Physiologie und das Verhalten von Fischen untersucht, und häufig wurden dabei auch CO2 Partialdrücke eingesetzt, die weit jenseits der vom IPCC prognostizierten Werte für die nahe Zukunft liegen. Weiterhin wurden bisher nur wenige Lebensstadien untersucht, obwohl es immer mehr Anhaltspunkte dafür gibt, dass besonders die frühen Lebensstadien, die noch nicht über voll ausgeprägte homeostatische Kapazitäten und Verhaltenrepertoire verfügen, besonders empfindliche gegenüber OAW reagieren. Weiterhin lassen viele aktuelle Studien eine integrative Analyse von physiologischen Antworten auf zellulärer, Gewebe- und Ganztierebene vermissen, außerdem fehlt uns ein generelles Verständnis des evolutionären (generationenübergreifenden) Anpassungspotentials von Fischen an den Klimawandel. FITNESS versucht kritische Wissenslücken zu schließen, indem die synergistischen Auswirkungen von OAW auf Zell-, Gewebe- und Ganztierebene an verschiedenen Lebensstadien (Embryonen, Larven, Jungfische und Adulte) an warm-temperaten Wolfsbarschen (Dicentrarchus labrax) untersucht werden. Dabei untersucht FITNESS die physiologischen Reaktionen zwischen F0 und F1 Generationen von Fischen, von denen bereits die Elterntiere verschiedenen OAW-Szenarien ausgesetzt waren; weiterhin werden auch Wildpopulationen untersucht. Damit bereitet FITNESS den Weg für eine ganzheitlichere Analyse der Populationsakklimatisation und -adaptation, indem phänotypische Veränderungen mit Darwin'schen Fitnessfaktoren verknüpft und die Vererbbarkeit physiologischer Schlüsselparameter untersucht werden. Um weiterhin unser Ursache-Wirkungs-Verständnis von OAW voran zu treiben, werden konzeptionelle Modelle eingesetzt, die die Antworten auf Zell-, Gewebe- und Ganztierebene parametrisieren und in physiologisch-bioenergetische Modelle einfließen lassen, um mögliche Anpassungskapazitäten und Abstriche in Wachstum, Reproduktion und Mortalitätsrisiko abzuschätzen. FITNESS profitiert dabei von den großzügigen Aquakulturkapazitäten in Frankreich, in denen eine große Anzahl von Fischen (größer als 1000) über zwei Generationen hinweg sowohl unter Labor- als auch unter Feldbedingungen verfolgt werden kann. Weiterhin kommen FITNESS die enge Zusammenarbeit mit aktuellen Ozeanversauerungsprojekten in Deutschland (BIOACID) und Portugal zugute, die sich mit Kalt- bzw. Warmwasserfischen beschäftigen und somit Vergleiche über einen weiten Bereich von Temperaturfenstern erlauben.
Karstsysteme stellen heterogene hydrologische Systeme mit ausgeprägter Anisotropie dar. Die Charakterisierung solcher Systeme ist extrem aufwendig, da viele Prozesse bisher nur unzureichend verstanden sind. Die Aussagekraft von klassischen Feld- und Geländeuntersuchungen in Karstsysteme kann durch geeignete Modellkonzepte entscheidend erhöht werden. Aufgrund der Komplexität von Karstsystem sind numerische Simulationsmethoden geeignet, um das Strömungs- und Transportverhalten von Wasser und gelösten Stoffen zu beschreiben. Zahlreiche numerische Werkzeuge können die einzelnen Karst-Kompartimente (Oberfläche bzw. Surface Zone, vadose Zone, phreatische Zone) beschreiben, es fehlt jedoch an integrierten hydrologischen Modellen mit physikalisch-basierten Ansätzen, welche die relevanten physikalischen Prozesse sowie deren Zusammenspiel beschreiben können. Unsere Vorarbeiten verdeutlichen, dass die Quellsignale in Karstgebieten von einer Vielzahl von interagierenden Prozessen geprägt werden (Generierung der Eingangssignale, Austausch zwischen Karströhren und Festgesteinsmatrix oder Röhrenspeicherprozesse). Darüber hinaus limitieren mehrdeutige Modelllösungen (z. B. resultierende aus der Modellstruktur, den verwendeten Parametern etc.) die Anwendung von hoch-parametrisierten Modellen für komplexe Karstsysteme. Die Zerlegung des Gesamtsystems in individuelle Kompartimente wird genutzt, um bereits existierende Modelle mit räumlich verteilten Parametern (distributed parameter models) für die prozessbasierte Charakterisierung zu nutzen. Dies ermöglicht ein deutlich verbessertes Prozessverständnis in Hinblick auf Grundwasserströmung und Transport gelöster Stoffe. Vorhandene numerische Werkzeuge werden zu einem integrierten Modellansatz gekoppelt. Dabei wird die Vorwärtsmodellierung von idealisierten Szenarien genutzt, um das systematische Verhalten verschiedener Karsttypen zu untersuchen. Zum Beispiel werden Eingangssignale in das Röhrensystem auf Grundlage von multiplen Quellsignalen (Strömung, Wärme sowie gelöste Stoffe) identifiziert und quantifiziert. Gleichzeitig wird die Relevanz der jeweiligen Prozesse und Parameter mittels Sensitivitätsanalyse untersucht. Maßgebende Modelleigenschaften und -Parameter sowie resultierende Modellunsicherheiten werden anschließend mit Hilfe inverser Methoden (z. B. automatische Parametrisierung) gezielt untersucht und identifiziert. Für reale Einzugsgebiete wird die nötige Modellkomplexität mit geeigneten Kriterien in Abhängigkeit von verfügbaren Informationen und Daten bestimmt. Dabei kann die Modellkomplexität schrittweise bis hin zu hoch-parametrisierten Modellen angepasst werden, um gezielt und unter Berücksichtigung der vorhandenen Rechenkapazitäten Aussagen treffen zu können. Damit können zukünftige Anforderungen in Hinblick auf die Erkundung und Charakterisierung von Karstgebieten identifiziert werden. Ebenso wird das Wassermanagement in Karstsystemen unterstützt.
Um dem Klimawandel zu begegnen, ist das Ziel, die Technologie für eine stabile, sichere und CO2-neutrale Energieversorgung einer mittelgroßen Stadt am Beispiel von Herzogenrath, inklusive der Industriebetriebe sowie neuen Prosumern in der Stadt, durch eine zentrale Hybrid-Kraftwerksanlage sowie dezentrale PV-Anlagen, dezentrale Wärmepumpen und Elektromobilität zu entwickeln. Im Teilprojekt 'Energiemanagementsystem' soll mit Hilfe digitaler Systeme eine neue Methodik zur ökonomischen und effizienten Vernetzung und Einsatzsteuerung dezentraler Ressourcen über alle Sektoren entwickelt und erforscht werden. Zur Identifizierung und Hebung von Synergien soll in einem zentralen Energiemanagementknoten eine übergreifende Koordination der angeschlossenen Energieknoten (bspw. dem Sandbergwerk) erfolgen können. Für das zentrale Energiemanagement werden KI-basierte Vorhersageverfahren für Last & Erzeugung entwickelt. Ferner soll das Verfahren zudem zur Prädiktion von Verkaufserlösen auf unterschiedlichen Vermarktungskanälen Anwendung finden. Diese erlauben es, durch intelligente Kopplung der heute autonomen Teilsysteme, die Energieflüsse zu steuern, ohne die Versorgungssicherheit zu beeinträchtigen bzw. diese sogar zu erhöhen. Im Teilprojekt 'CO2 neutrale Mobilität' soll der Mobilitätssektor der Stadt in die Betrachtung mit aufgenommen und vernetzt werden. Dazu soll in einer Bestandsaufnahme die aktuelle Mobilität der Stadt erfasst werden, sowie die Technologieoptionen zur zukünftigen Darstellung einer CO2-neutralen Mobilität aufgezeigt werden. Es werden Szenarien der Mobilität von Herzogenrath definiert, anhand derer ein digitaler Zwilling erstellt wird, mit dem Prognosen für das Energiesystem getätigt werden können.
Die große Sauerstoffkatastrophe (Great Oxidation Event - GOE) kennzeichnet den starken Anstieg von molekularem Sauerstoff (O2) in der Atmosphäre während der Frühgeschichte der Erde, was flächendeckende Habitabilität ermöglicht und komplexes Leben auf der Erde erlaubt. Viele Fragen sind diesbezüglich weiterhin offen. Was dazu führte, dass sich Sauerstoff in der Atmosphäre anreicherte, der Zeitpunkt und das Ausmaß sind nicht gut bestimmt. Erst jetzt ist es möglich die komplizierten Wechselwirkungen zwischen atmosphärischen, biologischen und geologischen Prozessen zu identifizieren. Das sich daraus ergebende Absterben methanogener Lebensformen und das Auftreten eines sogenannten Schneeball-Erden-Zustandes sind Beispiele für die extremen Auswirkungen des GOE. Eine zentrale Frage, die wir untersuchen, ist ob der GOE in einem linearen oder, aufgrund einer möglichen Bistabilität von Sauerstoff, in einem sprungweisen Anstieg von O2 erfolgte. Des Weiteren studieren wir den Einfluss des Kohlenstoffzyklus und des Klimas auf die Charakteristika und den Zeitpunkt des GOE. Wir wenden unsere Erfahrung in eindimensionalen (1D) und 3D Klimamodellierungen an, um die Auswirkung unterschiedlicher Klima auf den GOE zu ermitteln. Um dies zu erreichen entwickeln und verwenden wir unser einzigartiges Atmosphärenmodell mit detailliertem Sauerstoffzyklus (inklusive zum Beispiel Verwitterungsprozesse, atmosphärische Photochemie) welches die Atmosphäre, Biosphäre und Geosphäre umfasst. Ein wichtiges Ziel ist die Analyse der Kernprozesse für den GOE unter der Berücksichtigung jüngster Ergebnisse geologischer Untersuchungen (zu zum Beispiel Oberflächendruck, atmosphärischen Treibhausgases, usw.).
Der Erfolg der Energiewende in den Bereichen Wärme, Verkehr und lokale Stromerzeugung entscheidet sich auf lokaler, kleinräumiger Ebene. Damit verbunden sind große und langfristige Ausgabenentscheidungen (Gebäudesanierung, Wahl des Heizsystems, Antrieb des Fahrzeugs, Ladeinfrastruktur, eigene Stromerzeugung), die wesentlich von der Kommune und den lokal bestehenden Versorgungsstrukturen, aber auch von den individuellen Entscheidungen der privaten Haushalte bestimmt sind. Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Dashboards für kommunale Entscheidungsträger zur Abschätzung der sozialen und wirtschaftlichen Auswirkungen von Maßnahmen zur Energiewende und dem aus der damit verbundenen Transformation resultierenden Strukturwandel. Dabei sollen zum einen ein Monitoring des Fortschritts der Energiewende auf kommunaler Ebene und zum anderen die Identifikation von möglichen zukünftigen Chancen und Herausforderungen bei der Betrachtung kommunaler Energiewendeszenarien im Kontext nationaler wie globaler Entwicklungspfade ermöglicht werden. Im Teilvorhaben der GWS 'Entwicklung eines Dashboards zur modellgestützten Analyse kommunaler Energiewendeszenarien' wird ein um Energie- und Umweltaspekte erweitertes makroökonometrisches Input-Output Modell entwickelt und mit einem vom PIK entwickelten Mikrosimulationsmodell der Haushalte kombiniert. Die räumliche Auflösung der Modelle umfasst alle deutschen Kreise und Gemeinden. Auf diese Weise werden kommunale Energiewendeszenarien unter Einbeziehung von demographischem Wandel und wirtschaftlichem Strukturwandel analysiert und kommunalen Akteur:innen Erkenntnisse für die eigene Umsetzung der Energiewende geliefert. Ergebnisse werden Nutzern in Form eines Dashboards präsentiert. Die Entwicklung der Indikatoren und Szenarien sowie des Dashboards erfolgt in enger Abstimmung mit 6 Modellkommunen sowie Vertretern des deutschen Städtetags, des Landkreistags, sowie des Landesamtes für Umwelt und Verbraucherschutz NRW.
Um dem Klimawandel zu begegnen, ist das Ziel, die Technologie für eine stabile, sichere und CO2-neutrale Energieversorgung einer mittelgroßen Stadt am Beispiel von Herzogenrath, inklusive der Industriebetriebe sowie neuen Prosumern in der Stadt, durch eine zentrale Hybrid-Kraftwerksanlage sowie dezentrale PV-Anlagen, dezentrale Wärmepumpen und Elektromobilität zu entwickeln. Im Teilprojekt 'Energiemanagementsystem' soll mit Hilfe digitaler Systeme eine neue Methodik zur ökonomischen und effizienten Vernetzung und Einsatzsteuerung dezentraler Ressourcen über alle Sektoren entwickelt und erforscht werden. Zur Identifizierung und Hebung von Synergien soll in einem zentralen Energiemanagementknoten eine übergreifende Koordination der angeschlossenen Energieknoten (bspw. dem Sandbergwerk) erfolgen können. Für das zentrale Energiemanagement werden KI-basierte Vorhersageverfahren für Last & Erzeugung entwickelt. Ferner soll das Verfahren zudem zur Prädiktion von Verkaufserlösen auf unterschiedlichen Vermarktungskanälen Anwendung finden. Diese erlauben es, durch intelligente Kopplung der heute autonomen Teilsysteme, die Energieflüsse zu steuern, ohne die Versorgungssicherheit zu beeinträchtigen bzw. diese sogar zu erhöhen. Im Teilprojekt 'CO2 neutrale Mobilität' soll der Mobilitätssektor der Stadt in die Betrachtung mit aufgenommen und vernetzt werden. Dazu soll in einer Bestandsaufnahme die aktuelle Mobilität der Stadt erfasst werden, sowie die Technologieoptionen zur zukünftigen Darstellung einer CO2-neutralen Mobilität aufgezeigt werden. Es werden Szenarien der Mobilität von Herzogenrath definiert, anhand derer ein digitaler Zwilling erstellt wird, mit dem Prognosen für das Energiesystem getätigt werden können.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 4801 |
| Europa | 330 |
| Kommune | 68 |
| Land | 237 |
| Schutzgebiete | 1 |
| Wirtschaft | 39 |
| Wissenschaft | 2052 |
| Zivilgesellschaft | 42 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 4721 |
| Text | 37 |
| unbekannt | 43 |
| License | Count |
|---|---|
| Geschlossen | 72 |
| Offen | 4723 |
| Unbekannt | 6 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 4234 |
| Englisch | 1214 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Bild | 3 |
| Datei | 2 |
| Dokument | 35 |
| Keine | 2936 |
| Webseite | 1860 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 3363 |
| Lebewesen und Lebensräume | 4004 |
| Luft | 3088 |
| Mensch und Umwelt | 4801 |
| Wasser | 2583 |
| Weitere | 4727 |