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 "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 "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 "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 "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.
Das Projekt "Isotopic constraints on seasonal N2O dynamics in marine and lacustrine environments" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Basel, Umweltgeowissenschaften durchgeführt. Lachgas (N2O) ist ein wichtiges und langlebiges Treibhausgas, dessen anthropogene und natürliche Quellen recht gut bekannt sind (7 bzw. 11 Tg N/yr). Grosse Unsicherheiten bestehen jedoch bezüglich der jeweiligen Anteile terrestrischer gegenüber aquatischer Quellen an den Gesamt-Lachgasemissionen sowie der biogeochemischen Mechanismen welche die N2O Produktion in aquatischen Systemen steuern. Unser übergeordnetes Ziel ist, zu einem verbesserten Verständnis von Lachgasproduktion durch verschiedene Mikroorganismen in marinen und lakustrinen Umweltsystemen mit saisonal stark variierenden Umweltbedingungen beizutragen. Unsere Studiengebiete sind: der Luganersee (Schweiz) sowie das hoch-produktive Auftriebsgebiet vor der Küste Namibias. Im Detail sollen folgende Fragen beantwortet werden: Welche Anteile der Gesamt-Lachgasproktion können jeweils den Prozessen Ammoniumoxidation, Nitrifikanten-Denitrifizierung und Denitrifizierung in den beiden Studiengebieten zugeordnet werden? Welche biogeochemischen Faktoren (e.g., pH, O2) sind primär für die Steuerung von Nitrifikanten-Denitrifizierungsraten verantwortlich, und gibt es systematische Unterschiede zwischen marinen und lakustrinen Milieus? Gibt es direkte und diagnostisch verwertbare Zusammenhänge zwischen den Konzentrationen und Isotopenzusammensetzungen von N2O, NO2-, NO3-, and NH4+ und den gemessenen N2O Umsatzraten in den Studiengebieten? In beiden Studiengebieten werden mittels 15N-Tracermethoden N2O-Produktionsraten sowie Schlüsselparameter wie pH, Chlorophyll a, Sauerstoffkonzentration (O2) und Konzentrationen und Sickstoffisotopenverhältnisse anorganisch-gelöster Stickstoffverbindungen gemessen mit dem Ziel, Lachgasproduktionsmechanismen und relevante Kontrollfaktoren besser zu beleuchten. Unsere Arbeit wird neue und wichtige Informationen bezüglich der Rolle von Auftriebsgebieten und produktiven Seen in globalen N2O Budgets liefern. Auch wird sie neue Erkenntnisse über einen bisher von wissenschaftlichen Studien eher wenig berücksichtigten aber im globalen Stickstoffkreislauf vermutlich überaus wichtigen Prozess, der Nitrifikanten-Denitrifizierung, erlauben.
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