Analyse hydraulisch/dielektrisch gekoppelter Materialeigenschaften mineralischer Böden

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Alexander Scheuermann; Dr. Norman Wagner
• Subject Area: Hydrogeology, Hydrology, Limnology, Urban Water Management, Water Chemistry, Integrated Water Resources Management ; Soil Sciences
• Term: from 2008 to 2013
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 108604457

Hochfrequente elektromagnetische Messverfahren werden in einer Vielzahl wissenschaftlicher und praxisbezogener Fragestellungen unterschiedlicher Disziplinen zum Einsatz gebracht, um zeitliche und räumliche Feuchteänderungen zu quantifizieren. Für eine erfolgreiche Anwendung dieser Verfahren ist die genaue Kenntnis der frequenzabhängigen elektromagnetischen Materialeigenschaften zwingend erforderlich, die in Anwendungen jedoch meist unzureichend ist. Insbesondere in feinkörnigen Böden unterliegt die Wasserphase aufgrund von grenzflächenenergetischen Prozessen verschiedenartigen Bindungskräften. Diese Bindungskräfte können mittels der Saugspannungsbeziehung quantifiziert werden. In den elektromagnetischen Materialeigenschaften führen die Grenzflächeneffekte zu Relaxationsprozessen (z. B. Maxwell-Wagner-Effekte), die die Ursache einer drastischen Frequenzabhängigkeit der dielektrischen Permittivität im Frequenzbereich unterhalb 1 GHz sind. Die gebundene Wasserphase stellt somit das physikalische Bindeglied in den Bodenanalysen innerhalb der Hydraulik und der Elektromagnetik dar. Das Ziel des vorliegenden Projektes ist die Entwicklung neuer Analysemethoden für die Ableitung der gekoppelten, von der Struktur und Textur abhängigen dielektrischen und hydraulischen Materialeigenschaften von mineralischen Böden. Hierzu werden Versuchseinrichtungen entwickelt, mit denen simultan die Wassergehalts-Saugspannungsbeziehung sowie die dielektrischen Spektren von Böden in einem breiten Frequenzbereich (1 MHz - 10 GHz) unter kontrollierten Bedingungen bestimmt werden können. Die Parametrisierung des dielektrischen Materialverhaltens erfolgt mit generalisierten fraktionalen Relaxationsmodellen, wodurch eine quantitative Charakterisierung der dielektrischen Relaxationsprozesse im teilgesättigten und gesättigten Boden ermöglicht wird. Auf dieser experimentellen Basis werden erweiterte hochfrequente elektromagnetische Modellierungskonzepte erarbeitet.

• DFG Programme: Research Grants
• Participating Persons: Dr. Klaus Kupfer; Professor Dr.-Ing. Theodoros Triantafyllidis