DFG-Projekt SATIN: Wie Bodeneigenschaften Prozesse im Boden und an der Schnittstelle zwischen Boden und Atmosphäre beeinflussen - Eine Verknüpfung von Experimenten und Modellierung

Das primäre Ziel dieses Projektes ist es, Prozesse an der Schnittstelle zwischen Boden und Atmosphäre und deren Einfluss auf die ungesättigte Bodenzone zu analysieren. Dazu soll die Theorie solcher nicht-isothermen, mehrphasen und mehrkomponenten Prozesse verbessert werden. Hierbei liegt der Hauptfokus auf dem Einfluss von Oberflächenrauheiten und Heterogenitäten auf das Austauschverhalten. Das übergeordnete Ziel ist es, neue und validierte physikalische und mathematische Modelle zu entwickeln. Diese Modelle sollen mithilfe von umfassenden experimentellen und numerischen Analysen auf verschiedenen örtlichen und zeitlichen Skalen erstellt werden.

Das Projekt hat vier Hauptziele:

1. Hochauflösende Laborexperimente sollen auf verschiedenen Skalen (0,25-8m) durchgeführt werden, um neuartige Datenreihen zu erstellen, die aktuell nicht verfügbar sind. Dazu werden Experimente in einem Boden-Atmosphären Windkanal, dem Einzigen seiner Art, durchgeführt in denen die Eigenscha ften der freien Strömung, der Bodenoberfläche und des Bodens variiert werden.

2. Auf der Intermediate Skala werden Freifeldversuche unter dynamischen Randbedingungen durchgeführt um
(i) die theoretischen Beschreibungen unter dem Einfluss von natürliche Heterogenitäten (z.B. Aggregaten) zu testen
(ii) den Einfluss von tagesgang- abhängigen Triebkräften (z.B. Windgeschwindigkeit) zu analysieren und
(iii) zu untersuchen wie die Heterogenitäten am besten auf unterschiedlichen Skalen integriert werden können und wie diese die Austauschprozesse beeinflussen.

3. Mit Hilfe dieser experimentellen Daten werden detaillierte numerische Simulationen auf der Darcy Skala (wenn notwendig mit der Forchheimer Erweiterung) benutzt, um zu analysieren ob es notwendig ist, die freie Strömung und deren Grenzschichteffekte für Masse, Impuls und Energie in aktuelle Modelle zu integrieren.

4. Die Theorie für Massen-, Impuls- und Energieaustauschprozesse zwischen der Atmosphäre und dem Boden soll verbessert werden. Das beinhaltet Verdunstung, Kondensation, Strahlung und Transport von Komponenten, wie flüchtigen Komponenten in der Gasphase (VOC) oder stabilen Wasserisotopen, unter der Berücksichtigung unterschiedlicher Materialgrenzflächen.

In einem zweiten Schritt sollen vereinfachte Modelle mit effektiven Parametern, basierend auf der integralen Betrachtung von Strömungs- und Transportprozessen, entwickelt, erweitert und getestet werden. Diese Modelle sollen die Effekte auf den unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Skalen wiedergeben.

Prof. Dr.-Ing. Rainer Helmig

Prof. Dr.-Ing. Insa Neuweiler, Universität Hannover
Prof. Dr. Jan Vanderborght, FZ Jülich

Thomas Fetzer

LH2

01/2017 - 04/2020

Universität Hannover, Forschungszentrum Jülich