FOR 1083:  Multi-Scale Interfaces in Unsaturated Soil (MUSIS)

• Fachliche Zuordnung: Geowissenschaften
• Förderung: Förderung von 2008 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 66234063

Die räumliche Verteilung von Wasser in der ungesättigten Bodenzone sowie deren Dynamik bestimmen in entscheidendem Maße die Energie- und Massenflüsse an der Grenzfläche zwischen Land und Atmosphäre. Dies gilt für Fragestellungen auf der Skala von Bodenprofilen bis hin zum Bereich kontinentaler Wechselwirkungen. Die Umverteilung von Wasser im Boden sowie Austauschprozesse wie Infiltration und Evaporation an der Schnittstelle zur atmosphärischen Grenzschicht oder Drainage und Neubildung in tiefer liegende Grundwasserleitern erzeugen meist Verdrängungsfronten von Fluiden, die durch Schichten und Heterogenitäten verschiedener Bodenmaterialien laufen.
Unsere derzeitigen Modellkonzepte sind nicht adäquat, solch komplexe Verdrängungsprozesse in natürlicherweise heterogenen Böden, die durch stark nicht lineare Fließmechanismen geprägt sind, ausreichend zu beschreiben. Interfaces von Wasser und Luft können stabile Verdrängungsfronten bilden oder aber Finger und präferentielle Fließbereiche ausbilden, was zu vollkommen unterschiedlichen Mustern der Wasserverteilung und den entsprechenden Transportpfaden für gelöste Stoffe führt. Dadurch, dass diese Phänomene nicht ausreichend erfasst werden, sind unsere Modelle in ihrer Prognosefähigkeit stark limitiert.
Die zentrale Arbeitshypothese dieser Forschergruppe ist, dass die kleinskaligen physikalischen Prozesse während der Bewegung von Wasser-Luft-Fronten in heterogenen Bodenstrukturen sowie die Wechselwirkung mit den verschiedenen antreibenden Mechanismen an der Bodenoberfläche zu einer großen Vielfalt von makroskopischen Fließmustern von Wasser und Luft führen, die in Standard-Kontinuumsmodellen nicht erfasst sind. Die wichtigste Zielstellung der Projekte ist es, die Entwicklung der Verteilungsmuster von Wasser und Luft zu charakterisieren und zu quantifizieren. Diese Muster sollen als Funktion von
(1) Struktureigenschaften des Bodens in einer Hierarchie von räumlichen Skalen, beginnend bei der Porenskala bis hin zur Feldskala, und
(2) äußeren antreibenden Kräften analysiert werden.
Diese Frage wird mit einer breiten Palette sich ergänzender Methoden analysiert, die innovative experimentelle Methoden als auch theoretische Ansätze und Modellkonzepte umfasst. Die Dynamik von Wasser-Luft-Verdrängungsprozessen wird in einem weiten Bereich von räumlichen Skalen, von der Poren- bis zur Plotskala, analysiert, um Kriterien für verschiedene Typen von Verdrängungsprozessen zu entwickeln und sie in bessere, quantitative und prognosefähige Modelle für Austauschprozesse in der oberen Bodenzone der Biosphäre einzubeziehen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Internationaler Bezug: Schweiz

Projekte

• Characteristics of displacement fluid fronts - from rapid interfacial jumps to steady capillary flows (Antragsteller Or, Dani )
• Coordination (Antragstellerin Neuweiler, Insa )
• Development of flow and transport models and effective parameters for flow with dynamic boundary conditions (Antragstellerin Neuweiler, Insa )
• DNS-LES pore scale simulation of thermal multi-component, multi-phase flow including radiative heating (Antragsteller Krafczyk, Manfred )
• Dynamics and morphology of displacement fronts across textural and wettability discontinuities (Antragsteller Or, Dani )
• Evaporation from heterogeneous surfaces at the field-plot scale: effect of lateral heat and water fluxes in soil and atmosphere (Antragsteller Vanderborght, Jan )
• Identification of effective process formulations for evaporation of water from bare soil (Antragsteller Durner, Wolfgang )
• Modeling and analysis of the movement of fluid-fluid interfaces ín porous media coupled with free flow (Antragsteller Helmig, Rainer )
• Non-equilibrium processes during infiltration into structured soil (Antragsteller Vogel, Hans-Jörg )

• Sprecherin: Professorin Dr. Insa Neuweiler