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MUSIS - Phase II

 

 

Die Bewegung von Wasser und Gasen in der ungesättigten Bodenzone und der damit verbundene Transport von Stoffen sind gekennzeichnet durch eine Vielfalt von Fließmustern und erfolgt mit höchst unterschiedlicher Fließdynamik. Dies spiegelt die vielskalige Heterogenität der durchströmten Bodenstrukturen wieder, und das Zusammenwirken der verschiedenen Kräfte, welche auf die Fluidpakete einwirken. In diesem Projektverbund wollen wir die Dynamik und Ausprägung von scharfen Fluid-Fluid Grenzflächen (im Folgenden Interfaces) und deren Bewegung durch Materialgrenzflächen und Strukturgrenzflächen (Schichten) quantifizieren, welche im Allgemeinen mit Standard-Strömungsmodellen auf der Kontinuumsskala (Richards Gleichung) nicht valide beschrieben werden können. Bei der Erfassung von Fluid-, Stoff- und Energieflüssen in natürlichen porösen Medien bestehen konzeptionelle und praktische Schwierigkeiten. Beispielhaft seien genannt: (i) die Verdrängung eines Fluids im Porenraum erfolgt auf der Porenskala oftmals über eine Abfolge von schnellen Interface-Sprüngen, welche starken Trägheitskräften unterworfen sind. Glatte Grenzflächenbewegungen, welche dem Buckingham- Darcy-Gesetz zugrundeliegen und von viskosen Kräften bestimmt werden, können dies nicht reflektieren; (ii) instabile Verdrängungsfronten (Fingering) und starke Kontraste hydraulischer Eigenschaften an Materialgrenzflächen führen zu einer hydraulischen Kopplung, die in üblichen Upscaling-Schemata nicht erfasst wird; (iii) die den Verdunstungsprozess bestimmende Kopplung von Flüssen zwischen der Oberfläche des porösen Mediums und der darüber liegenden freien Luftströmung wird von den Eigenschaften beider Bereiche, der Feuchteverteilung und den Eigenschaften der Luftströmung maßgeblich bestimmt.

Die Forschergruppe MUSIS kombiniert innovative Modellierungs- und experimentelle Methoden, um neue Erkenntnisse über die zu Grunde liegenden Prozesse und deren Auswirkung und Darstellung auf größeren Skalen zu gewinnen. Während der ersten Projektphase von MUSIS wurden Beobachtungsmethoden für Grenzflächenphänomene entwickelt, experimentelle Nachweise für verschiedene Interface-Prozesse für Wasser-Luft-Strömung im Untergrund erbracht, sowie Modellkonzepte zur Beschreibung einiger Prozesse entwickelt. Für die zweite Phase sollen diese Ergebnisse zusammengeführt und Vorhersagemethoden für Interface-Bewegungen auf hydrologisch relevanten Skalen entwickelt werden. Hierzu setzen wir fünf Schwerpunkte:

(A) Eigenschaften der Luftgrenzschicht wirken sich auf den Evaporationsprozess aus. Dies wurde in der letzten Projektphase mit experimentellen Methoden verifiziert, und soll nun unter Berücksichtigung von turbulenter Mischung in der Luftströmung erweitert werden auf die Beschreibung von Trocknungsprozessen von porösen Medien mit variabler Bodenfeuchteverteilung an der Oberfläche;

(B) Der Übergang von schnellen Druck- und Interface-Sprüngen an einer Infiltrationsfront zu gleichmäßigeren Interface-Bewegungen hinter der Front soll analysiert werden um quantitative Aussagen darüber zu gewinnen, in welchem Zustandsraum eine Prozessbeschreibung mit der Richards Gleichung gültig erfolgen kann;

(C) Für Interface- Phänomene sollen Upscaling-Methoden entwickelt werden, so z.B. soll eine Beschreibung von Fluid-Verdrängung auf der Darcy Skala basierend auf einer Entkopplung von Wassergehalt und Druck oder unter Verwendung von sogenannten "memory Funktionenentwickelt und weiter entwickelt werden;

(D) Ungleichmäßige Änderungen von Randbedingungen zwischen Evaporation und Infiltration beeinflussen die Fließrichtungen, was zu neuen Phänomenen bei der Betrachtung von gemittelten Wasserverteilungen führt;

(E) Alle Phänomene, welche die Wasser-Luft Grenzflächendynamik bestimmen, beeinflussen natürlicherweise Stofftransport, Mischung von gelösten Stoffen und Muster von Nährstoff- oder Schadstoffverteilung.

 

Diese Forschergruppe wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft ( DFG ) finanziert.