Theoretische und Experimentelle Untersuchung der Bildung von Arktischen Eis in den Sommermonaten mit metallischen Modellegierungen in Anwendung auf den Klimawandel

• Antragstellerinnen: Privatdozentin Dr.-Ing. Stephanie Lippmann; Dr. Irina Nizovtseva
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 556975451

Das Projekt kombiniert moderne experimentelle Techniken und mathematische Modelle zur Beschreibung von Phasenumwandlungen, um aktuelle Herausforderungen beim Verständnis der Umwelt- und Klimaentwicklung zu lösen. Untersuchungsgegenstand ist die Bildung von Arktischem Eis während des Sommers, dem sogenannten "false bottom"-Effekt. Dafür werden Experimente zur Wiedererstarrung metallischer Legierungen in Temperatur- und Konzentrationsgradienten durchführt und ein zuvor entwickeltes mathematisch-physikalisches Modell des Prozesses von der Mikroskala bis zum globalen Klima(-budget) wird verifiziert und erweitert. Das Thema ist klimapolit. wichtig und seit langem bekannt, dennoch sind die zugrundeliegenden Mechanismen des Phänomens noch nicht vollständig verstanden. Hauptursache für das mangelnde Verständnis ist der begrenzte experimentelle Zugang. Im Rahmen des Projekts werden die bestehenden qualitativen Modelle erweitert und durch experimentelle Untersuchungen am Modellsystem Metalllegierungen validiert. Die neuen Ergebnisse werden zum quantitativen Verständnis des Effekts beitragen und sind aus interdisziplinärer Sicht, insb. Glaziologie und Geowissenschaften, von hoher Bedeutung für das Verständnis des globalen Klimawandels. Der Mechanismus der "false-bottom"-Bildung beruht auf einem leichten Temperaturabfall in Verbindung mit lokalen Konzentrationsunterschieden und ist aufgrund von Schwierigkeiten bei Feldmessungen und experimentellen Beobachtungen nicht im Detail beschrieben worden, obwohl er einen wesentlichen Beitrag zur Klimabilanz leistet. Die konzentrationsinduzierte(solutale) Erstarrung ist ein bekanntes und teilweise verstandenes Phänomen auf dem Gebiet der Phasenumwandlungen metallischer Werkstoffe. Die experimentellen und theoretischen Untersuchungen an den Modelllegierungen werden die Komplexität bei der Gewinnung und Analyse von Daten für die weitere Modellentwicklung und -überprüfung verringern. Die Kombination von Experiment und Modellierung wird die Untersuchung komplexer Parameter und die Analyse der Strukturbildung sowie der Prozesseigenschaften mit Hilfe modernster Thermografie und Mikroskopie ermöglichen, um die kritischen Faktoren zu ermitteln, die die Wärmebilanz des globalen Ökosystems beeinflussen. Die Bedingungen für die Bildung von Eisschichten werden experimentell untersucht, dann werden die experimentellen Ergebnisse in die mathemat./physikal. Modellierung unter Berücksichtigung der Theorie beweglicher Phasengrenzen einbezogen. Die theoretische Beschreibung des Effekts wird weiterentwickelt und anhand von gradierten Metallproben verifiziert, die das natürliche System Eis/Schmelzwasser/Ozeanwasser nachahmen. Die Übertragung des verbesserten Modells auf geowissenschaftl. Systeme mit zusätzl. Überprüfung anhand verfügbarer Felddaten, einschließl. Des jüngsten MOSAiC-Feldexperiments, wird die aktuelle Forschung voranbringen und innovative Anwendungen im Zusammenhang mit globalen Problemen wie dem Klimawandel ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Florian Kargl; Dr. Elke Sondermann