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Meteorologische Treiber des Stoff- und Energieaustauschs zwischen Binnengewässern und der Atmosphäre

Fachliche Zuordnung Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
Physik und Chemie der Atmosphäre
Förderung Förderung von 2020 bis 2024
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445326344
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die genaue Kenntnis der über Binnengewässern auftretenden Stoff- und Energieflüsse ist entscheidend für ein nachhaltiges Wasserressourcen- und Ökosystemmanagement. Die direkte messtechnische Erfassung ist möglich jedoch teuer und aufwendig. Daher werden meist modellbasierte Approximationen verwendet, deren Zuverlässigkeit jedoch sehr stark vom Modell, Parametrisierung und Repräsentativität der verwendeten Daten abhängig ist. Diese Studie adressiert die Verbesserung von Modellabschätzungen insbesondere durch Berücksichtigung der räumlichen und zeitlichen Variabilität der maßgebenden Treibergrößen. An der Talsperre Bautzen (Lausitz, Deutschland) wurde der Stoff- und Energieaustausch mittels eines schwimmendes Freilandlabor über den Zeitraum von 3 Jahren untersucht. Ein Eddy-Kovarianz- (EC-) System lieferte zeitlich hochaufgelöste und räumlich repräsentative Messdaten der aufgetretenen Stoff- (H2O, CO2 und CH4) und Energieflüsse (H und LE). Hydrochemische Sensoren detektierten zeitgleich die CO2-, CH4- und O2-Konzentrationen im Wasserkörper nahe der Oberfläche. Zur Erfassung der asymptotischen Veränderung der atmophärischen Turbulenzstruktur und weiterer meteorologischer Größen entlang der Hauptwindrichtung wurden drei zusätzliche schwimmende EC-Messstationen entlang eines Transekts aufgebaut. Die mikrometeorologischen und hydrochemischen Dauermessungen wurden durch monatliche Wasserproben und Messungen mit Blasenfallen und Schwimmkammern ergänzt. Zusätzlich wurden in Kooperation mit anderen Forschungsgruppen spezielle Messkampagnen mit einem mobile EC-System auf einem Roboterboot, einem Wind-LIDAR und einem Verdunstungsgefäß durchgeführt. Unsere Untersuchungen enthüllten unbekannte Prozesse bezüglich des Gasaustauschs bei geringen Windgeschwindigkeiten. Wir konnten zeigen, dass sich in ruhigen Nächten eine dünne Schicht mit erhöhten CO₂-Konzentrationen an der Wasseroberfläche ausbildet, die den CO2-Austausch mit der Atmosphäre triggert. Dieser Prozess erklärt teilweise die oft beobachteten Diskrepanzen zwischen hydrochemischen und mikrometeorologischen Messungen. Für eingehendere Analysen dazu wurde ein spezielles Messsystem zur Erfassung von Gaskonzentrationen in definierten Wasserschichten entwickelt. Wir konnten nachweisen, dass der Übergang von terrestrischen zu aquatischen atmosphärischen Bedingungen sehr nahe am Ufer erfolgt und die Anpassung in weniger als 200 m abgeschlossen ist. Zusätzlich offenbarte sich durch die Kombination verschiedener Messmethoden eine deutliche Heterogenität des Windfelds mit ausgeprägten räumlichen Strukturen, was gängigen Vorstellungen widerspricht. Grundsätzlich wurden auch wesentliche Ergebnisse des Vorgängerprojekts „TREGATA“ verifiziert. Die Verdunstung über offenen Wasserflächen ist deutlich geringer, als es klassische Modellkonzepte und vorherrschende Doktrinen behaupten. Ebenso wurde die große zwischenjährliche Variabilität der Treibhausgasemissionen (CO2 und CH4) bestätigt, was die Notwendigkeit eines dauerhaften Monitorings unterstreicht.

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