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MUSIS - Phase I

 

 

 

Die räumliche Verteilung von Wasser in der ungesättigten Bodenzone sowie deren Dynamik bestimmen in entscheidendem Maße die Energie- und Massenflüsse an der Grenzfläche zwischen Land und Atmosphäre. Dies gilt für Fragestellungen auf der Skala von Bodenprofilen bis hin zum Bereich kontinentaler Wechselwirkungen. Die Umverteilung von Wasser im Boden sowie Austauschprozesse wie Infiltration und Evaporation an der Schnittstelle zur atmosphärischen Grenzschicht oder Drainage und Neubildung in tiefer liegende Grundwasserleiter erzeugen meist Verdrängungsfronten von Fluiden, die durch Schichten und Heterogenitäten verschiedener Bodenmaterialien laufen. Unsere derzeitigen Modellkonzepte sind nicht adäquat, solch komplexe Verdrängungsprozesse in natürlicherweise heterogenen Böden, die durch stark nicht-lineare Fließmechanismen geprägt sind, ausreichend zu beschreiben. Interfaces von Wasser und Luft können stabile Verdrängungsfronten bilden, oder aber Finger und präferentielle Fließbereiche ausbilden, was zu vollkommen unterschiedlichen Mustern der Wasserverteilung und den entsprechenden Transportpfaden für gelöste Stoffe führt. Dadurch, dass diese Phänomene nicht ausreichend erfasst werden, sind unsere Modelle in ihrer Prognosefähigkeit stark limitiert.

Die zentrale Arbeitshypothese dieses Projektes ist, dass die kleinskaligen physikalischen Prozesse während der Bewegung von Wasser-Luft Fronten in heterogenen Bodenstrukturen sowie die Wechselwirkung mit den verschiedenen antreibenden Mechanismen an der Bodenoberfläche zu einer großen Vielfalt von makroskopischen Fließmustern von Wasser und Luft führen, die in Standard-Kontinuumsmodellen nicht erfasst sind.

Die wichtigste Zielstellung des Projekts ist es, die Entwicklung der Verteilungsmuster von Wasser und Luft zu charakterisieren und zu quantifizieren. Diese Muster sollen als Funktion von a) Struktureigenschaften des Bodens in einer Hierarchie von räumlichen Skalen beginnend bei der Porenskala bis hin zur Feldskala und b) äußeren antreibenden Kräften analysiert werden.

Diese Frage soll mit einer breiten Palette sich ergänzender Methoden untersucht werden, die innovative experimentelle Methoden als auch theoretische Ansätze und Modellkonzepte, welche auf höchste Rechnerleistungen zurückgreifen, umfasst. Die Dynamik von Wasser-Luft Verdängungsprozessen werden in einem weiten Bereich von räumlichen Skalen, von der Poren- bis zur Plotskala, analysiert, um Kriterien für verschiedene Typen von Verdängungsprozessen zu entwickeln und sie in bessere, quantitative und prognosefähige Modelle für Austauschprozesse in der oberen Bodenzone der Biosphäre einzubeziehen.

Wir denken, dass die daraus entstehenden neuen Erkenntnisse und verbesserten Prognosewerkzeuge notwendig sind, um entscheidende umweltwissenschaftliche und gesellschaftliche Fragen angehen zu können, wie etwa die Quantifizierung von terrestrischen Kohlestoffflüssen und Austauschprozessen zwischen Land und Atmosphäre für Klimamodelle, realistischere Abschätzungen des Transportverhaltes von Schadstoffen im Untergrund und verbesserte Abschätzungen von natürlichen Risiken.

 

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