Laufende Drittmittelprojekte

Der große, alpine Sevansee in Armenien ist die wichtigste Süßwasserreserve im Südkaukasus und nimmt eine Schlüsselposition für die ökologische, kulturelle, und wirtschaftliche Integrität dieses Landes ein. Da der See u.a. durch Wasserkraftnutzung und Fischerei erheblichen Nutzungsdrücken ausgesetzt ist, ist ein breites methodisches Instrumentarium zur Bewertung des aktuellen Zustandes des Sees und den Auswirkungen anthropogener Nutzungen erforderlich. Das übergeordnete Ziel des Pilotvorhabens besteht in der Erarbeitung wissenschaftlicher und methodischer Grundlagen, um ein nachhaltiges Management dieses stark beeinflussten Sees zu sichern.

Projektwebseite

Laufzeit 4.2020- 3.2023

Das Projekt hat zum Ziel den Kohlenstoffkreislauf im Itupararanga-Stausee südöstlich von Sorocaba zu quantifizieren und zu modellieren. Der Fokus soll dabei auf dem organischen Kohlenstoff liegen, da dieser die Rohwasserqualität zur Trinkwassergewinnung stark beeinträchtigt und als Energiequelle für mikrobielle Stoffumsätze fungiert. Zudem wurde die Rolle von Talsperren und Stauseen für den globalen Kohlenstoffhaushalt bisher stark unterschätzt, so dass auch bisher nur wenige Erkenntnisse über die Eintrags- und Austragswege und –mengen des Kohlenstoffs im Einzugsgebiet dieser Gewässer bestehen. Wenig ist bisher auch über die Kopplung des Kohlenstoffkreislaufs mit den Kreisläufen der Nährstoffe Phosphor und Stickstoff in diesen Systemen bekannt. Hinzu kommen Auswirkungen der globalen Erderwärmung, die in der Prognose zu einem erhöhten Austrag von Kohlenstoff aus der Landschaft mit bisher unbekannten Effekten im Gewässer führen werden.

Zur Beschreibung der Stoffkreisläufe sind daher Quellen und Senken sowie die wesentlichen Transformationsvorgänge zu identifizieren, charakterisieren und quantifizieren. Dazu sollen die Zuflüsse, der See selber, Algenkonzentrate, suspendiertes partikuläres Material (SPM), Sinkstoffe (Seston), die Sedimente und deren Porenwässer sowie charakteristische Böden im Einzugsgebiet chemisch und isotopisch (d13C) analysiert werden. Um saisonale, hydrologische und Landnutzungseffekte voneinander abgrenzen zu können, müssen die Untersuchungen der verschiedenen Kompartimente mindestens über 2 Jahre erfolgen.

Vergleichbare Untersuchungen werden in Deutschland am Rappbode-Talsperrensystem im Ostharz durchgeführt, woran die brasilianischen Projektpartner beteiligt sind. Damit werden Vergleiche verschiedener Klimazonen (humid vs. subtropisch) auf ähnlich große Talsperrensysteme möglich.

Als übergeordnete Ziele sind daher zu nennen:
Quantifizierung der Nährstoffkreisläufe (C, N, P), des Partikelrückhaltevermögens und des Kohlenstoffinventars in den Talsperren
Aufzeigen bisher unbekannter Verknüpfungen zwischen dem Kohlenstoff- und den Nährstoffkreisläufen des Phosphors und Stickstoffs
Quellenidentifizerung des Kohlenstoffs durch angepasste Extraktions- und Fraktionierungsmethoden

Im Projekt sind zum jetzigen Zeitpunkt 3 Doktoranden auf deutscher Seite und 3 Doktorandinnen auf brasilianischer Seite sowie ein brasilianischer Jung-Postdoktorand intergriert. Feld- und Laborarbeiten werden in mehreren Kampagnen in Brasilien und Deutschland unter Beteiligung der jeweils anderen Seite gemeinsam durchgeführt und die Ergebnisse gemeinsam ausgewertet und publiziert. Dabei ergänzen sich die drei beteiligten Gruppen mit ihren spezifischen Expertisen in hervorragender Weise, wodurch die bestehende Kooperation intensiviert und gefestigt wird.

Laufzeit: 1.6.2016 - 31.5.2020

Goal: In this project, we investigate the processes that control the abundance and characteristics of gas bubbles in freshwater ecosystems, along with an assessment of their role in transporting gases, dissolved and particulate matter. We distinguish between bubbles generated by air entrainment at the water surface, bubbles nucleating in the pelagic zone due to excess dissolved gas pressure and bubbles formed in aquatic sediments. We hypothesize that these three different types of bubbles have distinct properties.

 The ISIMIP (www.isimip.org) is a framework for projecting the impacts of climate change across sectors and spatial scales. The project has created an international network of climate-impact modellers contributing to a comprehensive and consistent picture of the world under different climate-change scenarios. In the Department of Lake Research at UFZ, scientists are using one- and two-dimensional models to simulate how climate change will affect lakes and reservoirs. We are firstly investigating the physical changes that occur as a result of warming, such as an increase in water temperature, decrease in ice cover, and changes in stratification and mixing. Ultimately, modelling results from different sectors will be combined to assess the integrated and more indirect effects of climate warming, like how land-use change and altered patterns of nutrient export from catchments will affect freshwater ecology and water quality.

The ISIMIP enables a large number of international scientists to join forces towards a common goal. For instance, we are working together with lake modelling teams from Switzerland, Belgium, Sweden, the United States, Ireland, and other countries. Each team is using different models to simulate the same climate warming scenarios in the same set of lakes. This method, called “ensemble” modelling, delivers more reliable model projections and a better idea of the uncertainty in our results. The initiative is ongoing and funded independently for each researcher, including contributions from UFZ.

The correct quantification of the mass and energy exchange between inland waters and the atmosphere is of great importance for both scientific and practical issues. Exact direct measurements are possible, but expensive and technically challenging. Thus, different gradient approaches, such as the ‘turbulent boundary layer’ (TBL) approach, provide the methodological backbone to determine diffusive gas fluxes, energy fluxes and evaporation rates from inland water utilizing easy–to–measure limnologic and atmospheric variables. However, the reliability of such flux approximations significantly depends on (i) the parameterisation of the transfer coefficient and (ii) the representativeness of input data. In order to enhance our capabilities to determine fluxes from inland waters, exchange processes will be intensively studied in this project. In particular, we aim to (A) improve the predictive power of gradient approaches and (B) quantify effects of spatial and short-term variations of meteorological and limnological drivers on flux approximations.
Two long-term and four additional short-term intensive measurement experiments will be performed at Bautzen reservoir in Lusatia (Germany) to observe mass and energy fluxes under different weather and limnic conditions as well as on different scales of space and time. A floating outdoor laboratory equipped with an eddy covariance measurement system and several meteorological, hydro-chemical and hydro-physical sensors will be used for direct continuous measurements of fluxes and variables that are unaffected by land surfaces and are representative for the pure water-atmosphere-interaction. Three additional satellite platforms with a simplified set-up will be utilized to detect the spatial variations of atmospheric and limnic conditions along the fetch. Furthermore, the occurrence and the effects of surface films and micro-stratification in the uppermost water layers will be examined by additional hydro–chemical field and laboratory experiments.
The combination of experimental fieldwork, statistical analyses and model–based investigations as well as the nexus between limnological and micrometeorological researches provide the foundations to better understand the processes that are relevant for the mass and energy exchange on different temporal and spatial scales. Our analyses will focus on the development of novel methods to (a) parameterise atmospheric transfer coefficients, especially under low turbulence conditions, (b) evaluate effects of limnological phenomena such as micro-stratification and surface films, and (c) quantify influences of atmospheric and limnologic heterogeneities on flux estimates. Additionally (d), we will examine atmospheric turbulence structures and develop models for the numerical description of spectra and cospectra of atmospheric variables to improve the correction of damping losses and therefore the fidelity of eddy covariance measurements above water surfaces.