GAS-REACT: Gas-Austausch und Reaktive Prozesse in gekoppelten Untergrund/Atmosphäre-Systemen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Holger Class, seit 1/2024; Professor Dr. Massimo Rolle, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 529041613

Der Gasaustausch zwischen der Atmosphäre und dem Untergrund spielt eine Schlüsselrolle für biogeochemische Kreisläufe, Schadstoffausbreitungsdynamiken sowie im Allgemeinen für die Grundwasserqualität. Solche Austauschphänomene an der Grenzfläche zwischen Atmosphäre und Untergrund und ihr Einfluss auf die beschriebenen geochemischen Prozesse sind stark von dynamischen Einwirkungen (z.B. Wärme und Wind) durch die Atmosphäre kontrolliert. Um ein besseres Verständnis für die Grundwasserqualität zu erlangen, vor allem auch im Hinblick auf den Klimawandel und die globale Erderwärmung, müssen daher die Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und reaktiven Strömungs- und Transportprozesse im Untergrund untersucht werden. Das wichtigste Ziel des geplanten Vorhabens ist ein verbessertes Verständnis der Mechanismen, die (a) die atmosphärischen Einwirkungen auf den Austausch gasförmiger Komponenten an der Grenzfläche zum Untergrund kontrollieren, (b) das Ausbreitungsverhalten dieser Komponenten im Untergrund beeinflussen sowie (c) deren chemische Reaktionen mit reaktiven Mineralien im Grundwasser. Unser Schwerpunkt liegt auf dem Austausch und Transport von Mehrkomponenten-Gasgemischen mit Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf in gekoppelten Systemen aus porösen Medien und freier Strömung. Wir analysieren dabei den Einfluss ihres Transportverhaltens auf mineralische Reaktionen im Untergrund. Konkrete Ziele umfassen (i) die Untersuchung des Einflusses von Wärmetransport auf den Austausch der Komponenten und die Rückkopplung auf die geochemischen Reaktionen, (ii) die Quantifizierung des Einflusses von Wind sowie Rauigkeit auf den Gasaustausch und den reaktiven Transport im porösen Medium; des Weiteren (iii) die Aufklärung der Rolle von physikalischen und chemischen Heterogenitäten auf Evaporation und Verteilung von Fluiden im porösen Medium, sowie auf die Reaktion und Reaktionsrate der Minerale. Die Methodik kombiniert dabei hochauflösende, mehrdimensionale Laborexperimente mit prozessbasierten numerischen Modellen, um die komplexen Interaktionen zwischen physikalischen und geochemischen Prozessen zu charakterisieren und zu quantifizieren. Die Ergebnisse dieses Projekts sind für verschiedene Umweltsysteme relevant, die durch schnell sich verändernde atmosphärische Bedingungen, wie sie durch den Klimawandel erwartet werden, beeinflusst werden; als Beispiele können genannt werden die Versalzung von Böden, die Verwitterung reaktiver Mineralien und geogene Freisetzung von Schadstoffen, Treibhausgasemissionen aus Böden oder auch der Transport von volatilen Schadstoffen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Mitverantwortliche: Professor Dr.-Ing. Rainer Helmig; Dr.-Ing. Martin Schneider
• Kooperationspartner: Dr. Joaquin Jimenez-Martinez; Dr. Klaus Mosthaf
• Ehemalige Antragstellerin: Dr.-Ing. Katharina Heck, bis 12/2023