Das Projekt "Teilprojekt 3: Wasserkreislauf und Isotopensignaturen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung durchgeführt. Die Sedimentabfolgen der für PLOT ausgewählten Seen sind einzigartige Archive zur Erforschung der quartären Klima- und Umweltgeschichte. An den Sedimentkernen des PLOT-Transektes wird die Analyse stabiler Isotopen an Diatomeen (d18Odiatom; d30Sidiatom) genutzt, um quantitativ vergangene Klima- und Umweltveränderungen nachzuvollziehen. d18Odiatom ist ein innovativer Proxy, der direkt mit den regionalen hydrologischen und klimatischen Bedingungen verknüpft ist. d30Sidiatom ist ein im lakustrinen Bereich innovativer Parameter, der die Bioproduktivität anzeigt. Eine quantitative Beschreibung der Verknüpfung zwischen Klimavariationen und Isotopen-signal im Niederschlag wird in TP 3 mit Hilfe von globalen Klimasimulationen erreicht. Diese beinhalten eine explizite Modellierung des Sauerstoff-Isotopenverhältnisses im Wasserkreislauf und ermöglichen dadurch einen direkten Vergleich von Modellergebnissen und durchgeführter Isotopenanalytik. Das Teilprojekt 3 umfasst isotopengeochemische Untersuchungen am AWI Potsdam (TP 3a) sowie Klimamodellierungen am AWI Bremerhaven (TP 3b). Der Arbeitsplan des TP 3a unter-teilt sich hierbei in (1) ein umfangreiches Laborprogramm, (2) die Interpretation der Isotopendaten zur räumlich-zeitlichen hydrologischen Variabilität sowie (3) die Synthese der Daten im globalen Kontext. Die geplanten Arbeitsschritte in TP 3b umfassen (1) Zeitscheibensimulationen mit einem vollgekoppelten Erdsystemmodell, (2) darauf aufsetzende räumlich hochaufgelöste Simulationen der atmosphärischen Zirkulationsmuster, sowie (3) eine detaillierte Analyse der jeweils simulierten Isotopenänderungen im hydrologischen Kreislauf im Zusammenhang mit dem im Modell abgebildeten spätquartären Klimaänderungen. Die Projektpartner arbeiten während der gesamten Projektphase gemeinsam an der Verschneidung der isotopengeochemischen Untersuchungen mit den Ergebnissen der Klimasimulationen.
Das Projekt "Isotopic constraints on seasonal N2O dynamics in marine and lacustrine environments" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Basel, Umweltgeowissenschaften durchgeführt. Nitrous oxide (N2O) is now the third largest contributor to radiative forcing of the long-lived greenhouse gases. Human inputs of nitrogen (N), mainly as fertilizers, have stimulated the microbial N cycle transformations that are the dominant source of N2O. The partitioning between the anthropogenic and natural N2O sources is relatively well constrained at 7 and 11 Tg N/yr, respectively. However, large uncertainties remain in the relative contributions of terrestrial versus aquatic environments and with regards to the underlying biogeochemical controls on microbial N2O production. Such uncertainties present challenges for those devising and implementing N2O emissions policies, and make it difficult to interpret prehistoric atmospheric N2O fluctuations and predict the response of N2O production rates to future climate change. Aquatic N2O fluxes are often highly variable through time and space. The variation is likely modulated by fluctuations in the biogeochemical conditions, which may affect microbial N2O production pathways differentially. N2O can be produced by several processes, such as microbial nitrification (ammonia oxidation), denitrification, and nitrifier-denitrification, and multiple groups of microorganisms are involved. Yet, the exact environmental controls on temporal/spatial variations in net N2O production and the balance between the different pathways are still poorly constrained. It is highly probable that changes in the microbial processes that generate N2O are closely linked to seasonal changes in water productivity, organic matter remineralization rates, and in turn water-column redox-conditions. In this study we propose using incubation-based stable N-isotope tracer methods and natural N isotope measurements in dissolved N2O to identify and quantify specific N2O production pathways in two aquatic environments with strong seasonal N cycle dynamics: eutrophic Lake Lugano in southern Switzerland and the highly productive Benguela Upwelling region along the coast of southwestern Africa. Our main goals will be to shed light on the dynamics and controls on N2O production in two comparable environments. Within the frame of one postdoctoral project we propose to address the following research questions: - Hw much do ammonia oxidation, nitrifier-denitrification, and denitrification, respectively, contribute to N2O formation in Lake Lugano and the Benguela Upwelling? - Which biogeochemical factors control nitrifier-denitrification rates, and are there systematic differences between the marine and freshwater environment? (...)
Das Projekt "Entwicklung modularer Direkt-push Sonden für die dreidimensionale geoelektrische und hydraulische Erkundung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Terrana Geophysik, Dr. Patzelt und Partner, Dipl.-Geophysiker & Dipl.-Geologen durchgeführt. Das Hauptziel besteht in der Entwicklung gekoppelter tomographischer Erkundungs- und Inversionsstrategien, in denen hydraulische und geophysikalische Messungen kombiniert werden, um dreidimensionale hydraulische Aquifereigenschaften zu ermitteln. Dies beinhaltet (1.) die Entwicklung von kostengünstigen, wiederverwertbaren Feldgeräten und von Erkundungsstrategien sowie (2.) die Entwicklung voll gekoppelter hydrogeophysikalischer Inversionsmethoden, die im Softwarepaket DUNE, einer Plattform zur parallelen Berechnung von partiellen Differentialgleichungen, implementiert werden.
Das Projekt "Zur Geschichte der Hydrologie und der Tracerhydrologie" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Freiburg, Institut für Geo- und Umweltnaturwissenschaften, Professur für Hydrologie durchgeführt. Die Hydrologie und damit auch die Wasserforschung ist wissenschaftsgeschichtlich eine junge Disziplin, die sich erst nach dem Zweiten Weltkrieg etablierte. In dieser Phase begannen auch in Freiburg die ersten Forschungen und Lehrveranstaltungen im strukturierten Rahmen der Universität. Am Beispiel Freiburg kann deshalb beispielhaft die Entwicklung dieser Disziplin und der speziellen Methodik der Anwendung von Tracerverfahren aufgezeigt werden. Bereits 1934 erfolgte ein erster Lehrauftrag an den nachmaligen Prof. Dr. W. Wundt. Das wissenschaftliche Profil hat sich entsprechend der jeweiligen Professuren im Laufe der Zeit gewandelt. Unter Prof. Dr. R. Keller (1965-1989) wurden wegweisende Projekte wie 'Einwirkungen des Menschen auf den Wasserhaushalt'(Testgebiete Kaiserstuhl) und der erste 'Hydrologische Atlas von Deutschland' bearbeitet. Mit Prof. Dr. Ch. Leibundgut (ab 1989) erfolgte die Hinwendung zur experimentellen Hydrologie, unter intensiver Anwendung von Tracermethoden, die schließlich in der experimentell gestützten Einzugsgebiets-Modellierung mündete. Ein wesentlicher Schritt in die Zukunft erfolgte durch die Gründung des Zentrums für Wasserforschung (ZWF) im Jahre 2005. Damit wurde wissenschaftsgeschichtlich das Ziel verfolgt, das Dilemma 'Spezialisierung' versus 'Integration' zu lösen. Ziel des Projektes ist die detaillierte Aufarbeitung des Werdeganges der Hydrologie/Wasserforschung in Freiburg und deren Stellung in der internationalen Wissenschaftsgemeinschaft bezüglich Forschung und Lehre.
Das Projekt "Tracerhydrologie als integraler Methodenkanon der Hydrologie und Wasserwirtschaft" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Freiburg, Institut für Geo- und Umweltnaturwissenschaften, Professur für Hydrologie durchgeführt. In diesem Projekt geht es um die zukünftige Bedeutung der Wasserforschung und des Einsatzes von Methoden der Tracerhydrologie. Die Aufgaben der Wasser- und Umweltforschung stehen im globalen Maßstab vor einer großen und rasant wachsenden Entwicklung. Dabei wird der Einsatz hochwertiger und zielführender Fachmethoden eine zentrale Rolle spielen. Die Methodik der Tracerhydrologie - die mit künstlichen und natürlichen Tracern arbeitet -ist bis heute das einzige Verfahren, das hydrologische Prozesse und (Stoff-) Transportvorgänge in Oberflächengewässern und Grundwasser mit belastbaren und direkt validierbaren Daten bis auf die Skala der Einzugsgebietsebenen beschreiben kann. Im zukunftsweisenden Bereich der prozessgestützten Modellierung hydrologischer und hydrogeologischer Fragestellungen nimmt die Anwendung von Tracermethoden eine zentrale Stellung ein. Ein umfassende Darstellung der Tracerhydrologie gibt es bislang nicht. Angesicht der rasanten wissenschaftlichen Fortschritte, die auf diesem Forschungsfeld in den vergangenen Jahren erreicht wurden, soll ein dem Stand der aktuellen wissenschaftlichen Diskussion entsprechendes Werk zusammengestellt werden. Es wird das Ziel verfolgt, den neuesten Stand dieser Methodik umfassend darzulegen und hierzu einen innovativen wissenschaftlichen und didaktischen Ansatz zu entwickeln.
Das Projekt "Advancing the use of noble gases as paleoclimate indicators" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Heidelberg, Institut für Umweltphysik durchgeführt. Noble gases are established tools for paleotemperature reconstruction from the groundwater archive. However, the reliability of the derived temperatures depends on our ability to understand and correctly account for excess air in groundwater. Furthermore, other potential archives for the noble gas method are increasingly being studied. This project aims to develop and advance these current approaches in noble gas thermometry. The analysis of dissolved noble gas concentrations in groundwater has proven to be a reliable method to determine quantitative paleotemperatures. Noble gas studies in semi-arid regions have shown that in addition to recharge temperatures, the excess air phenomenon may be useful as a proxy for the important climate parameter humidity. A better understanding of gas partitioning during groundwater infiltration is a prerequisite for the reliable use of noble gases as paleoclimate proxies. In addition, such an understanding is important for several gas-tracer based methods for age-dating shallow groundwaters (3H-3He, CFCs, SF6). The present project aims at advancing and broadening the scope and applicability of noble gases in paleoclimatology and hydrology, in particular at establishing the paleoclimatic significance of excess air. The primary goal is to obtain a detailed understanding of the the physical mechanisms linking climate and soil parameters to the noble gas patterns imprinted during groundwater recharge. This objective shall be achieved by careful analysis of noble gas, climate, and soil data from several semi-arid regions, complemented by experiments on the scale of laboratory soil columns and test-fields. In order to study the distribution of noble gases in pore water with high resolution, improvements of sampling and analytical methods are planned, aiming at reducing the sample size. Such developments will provide a strong methodical link to concurrent efforts to the advancement of applications of noble gases in environments other than groundwater. Hence, this project is also expected to contribute to the development of new applications of the noble gas thermometer to important climate archives such as sediment pore waters or fluid inclusions in carbonate sinters. The accomplishment of the above goals requires experience in tracer hydrology and specialised analytical methods, which is rather rare in Europe. This project will thus contribute to the establishment of a strong European expertise in hydrologic and paleoclimatic research based on noble gases and other environmental tracers.
Das Projekt "Der Einfluß von kurzfristigen abiotischen Transformationen auf die mikrobielle Verfügbarkeit von gelösten organischen Verbindungen in Fließgewässern" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Hamburg, Fachbereich Geowissenschaften, Institut für Geologie durchgeführt. Mit neuartigen Laboranlagen sollen die Wechselwirkungen zwischen der Freisetzung von gelösten organischen Verbindungen (DOM) durch Phytoplankton, einer abiotischen Transformation von refraktärem und frischem DOM und dem mikrobiellen Abbau von DOM durch Bakteriengemeinschaften aus verschiedenen Fließgewässern analog zur Natur untersucht werden. Dazu wird zunächst eine natürliche Phytoplanktongemeinschaft selektiv angereichert und die Exkretion von DOM induziert. Das dabei frisch gebildete DOM wird anschließend zusammen mit refraktären DOM aus dem gleichen Gewässer einer abiotischen Alterung unterworfen. Die dabei neu entstehenden gelösten organischen Verbindungen werden auf ihre Verfügbarkeit für die natürliche Bakteriengemeinschaft untersucht. Mikrobielle Umsatzraten während der Inkubationsversuche und die abiotischen Transformationen zwischen DOM unterschiedlicher Herkunft, Zusammensetzung und Molekülgröße werden über Massenbilanzen, Änderungen in den Anteilen der stabilen Kohlenstoffisotope und über den Einsatz von 15N als Tracer erfaßt. Durch einen Vergleich der Laborergebnisse mit gleichzeitig durchgeführten Freilanduntersuchungen soll die spezifische Reaktivität von DOM-Verbindungen in Fließgewässern aufgeklärt werden. Darüber hinaus werden im Rahmen der Untersuchungen neue experimentelle und analytische Instrumentarien entwickelt, mit denen erstmals die selektive mikrobielle Nutzung von natürlichen Substraten auch bei extrem niedrigen Konzentrationen erfaßt werden kann.
