ALBERT

Description: Der vorliegende Kolloquiumsband der ”Blauen Bände“ umfasst 41 Beiträge. Dem diesjährigen Kolloquiumsband wurde ein neues Format hinzugefügt. Der sogenannte 1-Pager bietet die Möglichkeit eines einseitigen Beitrages, bestehend aus einer Zusammenfassung, einer Abbildung und einer Referenz zu weiterführender Information. In der Vergangenheit haben sich immer wieder Diskussionen zur Publikation von wissenschaftlichen Arbeiten in den ”Blauen Bänden“ ergeben. Mit diesem neuen niederschwelligen 1-Pager Format wollen wir alle EMTF Kolloquiums Teilnehmer*innen motivieren, ihren Beitrag in diesem traditionellen Kolloquiumsband sichtbar zu machen. Das ist mit einer vergleichsweise großen Anzahl von Beitr¨agen gut gelungen. In diesem Band sind Extended Abstracts (4), Vortragsfolien (8), Postern (19) sowie der neu eingeführte 1-Pager (10) zusammengefasst. Als weitere Neuerung wurde dem Band erstmalig das Tagungsprogramm als Anhang beigefügt. Wir danken allen Teilnehmern, die mit ihren Beiträgen dazu beitragen, die Breite des Kolloquiums auch in den ”Blauen Bänden“ zu dokumentieren.

Description: Am 24. November 2022 veranstaltete das Helmholtz Forum Forschungssoftware eine Informationsveranstaltung zu aktuellen Entwicklungen im Bereich Forschungssoftware in Helmholtz. Das Helmholtz Forum Forschungssoftware wird gemeinsam von der Task Group Forschungssoftware des AK Open Science und dem HIFIS Software Cluster getragen. Die Veranstaltung wurde unter dem Titel „3. Helmholtz Open Science Forum Forschungssoftware“ vom Helmholtz Open Science Office organisiert. Eine erste Veranstaltung des Helmholtz Forum Forschungssoftware fand im Mai 2021 und eine zweite im April 2022 statt. Der vorliegende Bericht dokumentiert die erfolgreiche Veranstaltung, an der rund 90 Mitarbeitende aus Helmholtz teilgenommen haben.

Description: Wie verändert sich der globale Wasserkreislauf? Welche Schwankungen und langfristigen Trends charakterisieren die Süßwasserressourcen in den verschiedenen Regionen der Erde? Was tragen Umweltveränderungen und die Wassernutzung durch Menschen dazu bei? Zur Beantwortung dieser Fragen stellen satellitenbasierte Beobachtungen der Variationen des Erdschwerefelds einzigartige Informationen über die Wasserspeicherung auf den Kontinenten bereit.

Description: Die Landschaft, in der wir leben, ist nicht chaotisch, sondern effizient organisiert, auch wenn wir dies häufig nicht bemerken. Sie wird von einer natürlichen Architektin – Wasser – funktional gestaltet. Den Kräften der Gebirgsbildung stehen eine Reihe von wasserbetriebenen Werkzeugen gegenüber, die die Landschaft in einem dynamischen Gleichgewicht halten. In diesem Beitrag beleuchten wir einige Werke der Architektin Wasser, die das GFZ erforscht.

Description: Das Wasser in der Landschaft weist eine hohe raum-zeitliche Variabilität auf. Immer wieder kommt es zu hydrologischen Extremen wie Dürren und Hochwasser. Treten Hochwasser in besiedelten Gebieten auf, können sie sich zu Hochwasserkatastrophen entwickeln. In diesem Beitrag beleuchten wir das Risikopotenzial des Wassers und diskutieren, was wir als Gesellschaft tun können, um diese Risiken besser zu verstehen und zu minimieren.

Description: Gewaltige Mengen unterschiedlicher Metalle werden für die weltweit angestrebte Energiewende benötigt, welche vielfach aus hydrothermalen Erzlagerstätten stammen. Diese Lagerstätten bilden sich nur unter bestimmten geologischen Bedingungen durch das Zusammenspiel verschiedener physikalischer und chemischer Prozesse. Die Erforschung dieser stark gekoppelten Prozesse auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen ist essentiell für die Entdeckung und nachhaltige Nutzung neuer Rohstoffvorkommen.

Description: Treffen Regenwasser und kleine Mengen darin gelöster Kohlensäure auf Gestein, erfolgt eine chemische Reaktion, bei der ein Teil des Gesteins in Boden umgewandelt und ein anderer Teil im Regenwasser gelöst wird. In der Folge wird gelöster Kohlenstoff über Flüsse in das Meer gespült, wo er zusammen mit ebenso gelöstem Calcium und Magnesium zu Kalkstein wird. Dieser Prozess bindet Kohlendioxid (CO2) über sehr lange Zeiträume. Am GFZ erforschen wir, wie dieser Mechanismus das Erdklima seit Milliarden Jahren reguliert und auf Veränderungen im Wasserkreislauf reagiert.

Description: Der Kronendurchlass, d. h. der Anteil des Niederschlags, der durch das Kronendach des Waldes dringt, wird stark von der Art des Niederschlags und den Eigenschaften des Waldbestands beeinflusst. Das komplexe Zusammenspiel dieser Faktoren inklusive ihrer jahreszeitlichen Veränderungen zu entschlüsseln, ist eine große wissenschaftliche Herausforderung und nur mit langjährigem Monitoring in verschiedenen Waldbeständen möglich. Das Langzeit-Umweltobservatorium TERENO Nord-Ost zur Erforschung der regionalen Auswirkungen des Globalen Wandels liefert hierfür ideale Voraussetzungen.

Description: Mit dem Journal „System Erde“ berichtet das Deutsche GeoForschungsZentrum GFZ über die unterschiedlichen Facetten seiner Forschungsarbeiten. Die Reihe richtet sich vor allem an Entscheiderinnen und Entscheider in Wissenschaft, Gesellschaft und Politik, an interessierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie an die fachinteressierte Öffentlichkeit.

Description: Transfer-Erfolgsindikatoren 42 Fokus Ausgründungen 44 Transfer-Steckbriefe 46

Description: On May 9, 2023, the Helmholtz Open Science Office organized the Forum "Research Evaluation, Reputation Systems, and Openness". On this occasion, experts from Helmholtz and the scientific community presented current developments in the field of research evaluation and reflected on the connection between reputation systems and openness. The event focused on three main topics: 1) Development of Helmholtz quality indicators for data and software products, 2) 10 years Declaration on Research Assessment (DORA) and 3) Coalition for Advancing Research Assessment (CoARA). A central subject in the discussion and presentations was the issue of the use and definitions of indicators which foster Open Science. The discussion centered on what appropriate incentives look like in order to make research evaluation fair and appreciative. Furthermore, the relevance of these questions from the perspective of early-career scientists was highlighted.

Description: Während der Ausstieg aus der Nutzung der Kernenergie in Deutschland für April 2023 vorgesehen ist, bleibt die Entsorgung des hochradioaktiven Materials eine langfristige Aufgabe, die auch zukünftige Generationen betreffen wird. Mit dem Standortauswahlgesetz (StandAG) gibt der Gesetzgeber die Rahmenbedingungen für das derzeit laufende Verfahren zur Standortauswahl für ein tiefengeologisches Lager (1) in Deutschland vor. Ziel des Verfahrens ist es, für einen Zeitraum von einer Million Jahre bestmögliche Sicherheit zu gewährleisten, um Mensch und Umwelt vor möglichen schädlichen Auswirkungen des hochradioaktiven Materials dauerhaft zu schützen. Nach derzeitigem Kenntnisstand stellt die Lagerung der Abfälle in einem geologischen Tiefenlager dafür die beste Option dar. Meist weniger beachtet wird in diesem Zusammenhang der Zeithorizont bis zu einem Verschluss des Tiefen- lagers: Schon nach dem aktuellen Zeitplan wird dieser aller Voraussicht nach bis ins nächste Jahrhundert reichen. Steht der Standort erst mit von der Bundesgesellschaft für Endlage- rung (BGE) geschätzten rund 10 bis 35 Jahren Verzögerung fest, könnte sich der Verschluss des Tiefenlagers bis in die Mitte des 22. Jahrhunderts verschieben. Erst nach Verschluss wird ein wartungsfreier Zustand des Lagers erreicht. Dies bedeutet, dass das StandAG lediglich einen Startpunkt für einen Prozess darstellt, mit dem sich Wissenschaft und Gesellschaft noch einige Generationen lang aktiv befassen müssen.

Description: In einer Lagerhalle wird ein unglaublicher Mordfall entdeckt. Viele Steine sind ermordet worden! Detektiv Hercule Poirot nimmt die Ermittlungen auf. Er engagiert eine Gruppe internationaler Geo-ForscherInnen für die Suche nach den „Tätern“ in einer Bohrkampagne in spektakulären Landschaften Chiles. Sie finden Nachweise zum Tatvorgang in Forschungslaboratorien – und eine überraschende Auflösung des Mordfalles. Im Film geht es um eine wissenschaftliche Frage: Wie wird durch Verwitterung tief unter der Erdoberfläche Gestein zu Boden? Die vier „Verdächtigen“ (also Prozesse) – Brüche im Gestein, Wasserfluss, chemische Reagenzien und Mikroben werden in Animationen sichtbar. Sie sind jedoch Hypothesen. Diese lassen sich nicht direkt beweisen, sondern nur als falsch nachweisen. Wie ein Alibi in einem Kriminalfall. Schaut den Film, um zu sehen, ob dies gelingt!

Description: In einer Lagerhalle wird ein unglaublicher Mordfall entdeckt. Viele Steine sind ermordet worden! Detektiv Hercule Poirot nimmt die Ermittlungen auf. Er engagiert eine Gruppe internationaler Geo-ForscherInnen für die Suche nach den „Tätern“ in einer Bohrkampagne in spektakulären Landschaften Chiles. Sie finden Nachweise zum Tatvorgang in Forschungslaboratorien – und eine überraschende Auflösung des Mordfalles. Im Film geht es um eine wissenschaftliche Frage: Wie wird durch Verwitterung tief unter der Erdoberfläche Gestein zu Boden? Die vier „Verdächtigen“ (also Prozesse) – Brüche im Gestein, Wasserfluss, chemische Reagenzien und Mikroben werden in Animationen sichtbar. Sie sind jedoch Hypothesen. Diese lassen sich nicht direkt beweisen, sondern nur als falsch nachweisen. Wie ein Alibi in einem Kriminalfall. Schaut den Film, um zu sehen, ob dies gelingt!

Description: Wie wirkt sich Wiederaufforstung auf den Wasserkreislauf aus? 52 Menschen beeinflussen Wachstum von Blaualgen 53 Deutscher Umweltsatellit EnMAP geht in den Regelbetrieb 54 Deutschland: Mehr Wärme im Untergrund als bisher angenommen 55 Kick-off der GeoEnergie Allianz Berlin-Brandenburg GEB² 55 Methan aus Sibirien im Sommer 56 Neues aus der Klimageschichte des Toten Meeres 56 Wie tief schläft der Eifel-Vulkanismus? 57 Schwankungen des Meeresspiegels können Erdbeben auslösen 58 Wasser sickert tiefer in die Erde als erwartet 58 Neue Erkenntnisse zu frühen Ozeanen 58 Überreste einer ausgestorbenen Welt von Lebewesen entdeckt 59 Abholzung der Tropenwälder 60 Europas Sommerdürren in Baumringen 60 Immer weniger Sterne am Nachthimmel 60 Neue Erkenntnisse zum Ringstrom 61 GFZ erfolgreich bei europäischer Forschungsförderung 62 GFZ Friends – Förderverein des GFZ 62 Ausgezeichnet 63 Bücher 67

Description: Das Bürgerwissenschaftsprojekt Nachtlichter ist Teil des Nachtlicht-BüHNE Projekts (2019 – 2022), finanziert von der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren (HGF). Im Projekt haben wir einen bisher einzigartigen und weiterhin wachsenden Datensatz erstellt. Hierzu entwickelten wir im Rahmen einer fast zweijährigen, transdisziplinären Teamleistung zunächst eine mobile Web Applikation, die Nachtlichter App. Zum Einsatz kam die App vom 31. Aug. bis 14. Nov. 2021. Über zweihundert Mitforschende zählten und dokumentierten fast eine Viertelmillion künstliche Lichtquellen auf öffentlichen Straßen und Plätzen. Nachtlichter-Kampagnen liefen vorwiegend in deutschen Städten. Dieser Projektbericht dokumentiert den bürgerwissenschaftlichen Forschungsprozess basierend auf sozialwissenschaftlichen Datenerhebungsmethoden wie Interviews, teilnehmenden Beobachtungen und einer Nachbefragung der Nachtlichter-Beteiligten, an der 97 Personen freiwillig teilnahmen. Ausgehend von unseren gemeinsamen Erfahrungen, teilen wir mit diesem Bericht unser praktisch erprobtes Verständnis von Bürgerwissenschaft als gemeinsamen Prozess auf Augenhöhe und unsere Begeisterung. Wir schließen mit drei Vorschlägen für nachhaltige partizipative Forschung.

Description: Preprints gewinnen über alle Fachdomänen hinweg an Bedeutung als wissenschaftlicher Kommunikationskanal. Sie rücken zunehmend auch als Werkzeug zur Umsetzung von Open Science in den Fokus1. Sie ermöglichen schnelle, offene Diskussion zu wissenschaftlichen Ergebnissen und können, wie während der vergangenen COVID19-Pandemie geschehen, zentral zum wissenschaftlichen Fortschritt beitragen. Damit gehen Chancen durch die unmittelbare Dissemination neuer wissenschaftlicher Forschungsergebnisse und zur Herstellung von Transparenz durch innovative, offene und nachvollziehbare, communitybasierte Mechanismen der Qualitätssicherung einher. Durch die Einbindung in Fachgemeinschaften und die Nähe zu wissenschaftsgetragenen Infrastrukturen löst sich die Praxis der Preprint-Publikation oft von tradierten, meist kommerziellen, Publikationskanälen. Preprints können so zur erneuerten Stärkung der Souveränität der Wissenschaft beitragen, wie es auch der Rat der Europäischen Union in seinen Empfehlungen formuliert hat2. Preprints bergen allerdings auch Herausforderungen für die öffentliche Wahrnehmung der Qualität von Forschung und für die Reputation seiner Akteure: Es ist anzunehmen, dass sich die Praxis der Preprint-Publikation in zahlreichen Fachkulturen als Standard etabliert. So ist es an den relevanten Akteuren in Forschung, Wissenschaft und Gesellschaft, einen Rahmen zur Nutzung dieses Open-Science-Instrumentes und einen verantwortungsvollen Umgang hiermit zu etablieren. Das Anliegen dieser Handreichung ist daher, Anregungen im Umgang mit Preprints in den Helmholtz-Zentren zu geben und Best-Practices aus der Gemeinschaft zu illustrieren.

Description: Ein neues Wetterradar mit hoher Auflösung kann Niederschlagsmengen in der Fläche genauer lokalisieren. Das zeigt ein Projekt im Raum Neubrandenburg. Woran das liegt und welche Vorteile sich für die Praxis ergeben, veranschaulicht der Beitrag.

Description: Wie können Satellitendaten, genauer gesagt Sentinel Daten des europäischen Erdbeobachtungprogramms Copernicus, im Bereich Umweltmonitoring unterstützend angewandt werden? Und wie können Umweltbehörden diese Erkenntnisse nutzen? Neben diesen beiden Fragen stehen sowohl die Anwendung unterschiedlicher Bandkombinationen und Indizes, als auch unzählige Beispiele aus der Praxis im Mittelpunkt der Schulungsreihe "Framework Partnership Agreement on Copernicus User Uptake - Copernicus für Umweltbehörden". Das erste Dokument dieser Reihe bietet eine Schritt für Schritt Anleitung zur Analyse der Pflanzenvitalität in Naturschutzgebieten. Mithilfe von Sentinel-2 Daten und dem Normalised Difference Vegetation Index (NDVI) analysieren wir die (vitalitäts-bezogenen) Auswirkungen eines Dürreereignisses auf unterschiedliche terrestrische Naturschutzgebiete.

Description: Wie können Satellitendaten, genauer gesagt Sentinel Daten des europäischen Erdbeobachtungprogramms Copernicus, im Bereich Umweltmonitoring unterstützend angewandt werden? Und wie können Umweltbehörden diese Erkenntnisse nutzen? Neben diesen beiden Fragen stehen sowohl die Anwendung unterschiedlicher Bandkombinationen und Indizes, als auch unzählige Beispiele aus der Praxis im Mittelpunkt der Schulungsreihe "Framework Partnership Agreement on Copernicus User Uptake - Copernicus für Umweltbehörden". Das zweite Dokument dieser Reihe bietet eine Schritt für Schritt Anleitung für die Analyse eines 5-jährlichen Hochwasserereignisses am Rhein. Mithilfe von Sentinel-2 Daten, dem Normalised Difference Water Index (NDWI) und Landnutzungsinformationen ermitteln wir Überschwemmungsflächen und identifizieren die betroffenen Landnutzungsarten.

Description: Seit mehreren Jahrzehnten weisen die Grund- und Seewasserstände vielerorts in Nordostdeutsch-land einen negativen Trend auf, wofür die Ursachen bis heute nicht eindeutig geklärt sind. Ohne ein umfassendes System- und Prozessverständnis können die möglichen negativen Konsequenzen für die Ressource Grundwasser nicht ausreichend erfasst werden. Daher ist das Ziel der vorliegenden Arbeit, das Grundwasserfließsystem sowie den Wasserhaushalt des von sinkenden Wasserständen betrof-fenen Gebietes um den Großen Fürstenseer See (Mecklenburg-Vorpommern) zu erforschen. Die Untersuchung des Jungmoränengebietes stellt aufgrund der Heterogenität des Untergrundes in Kom-bination mit nur wenigen direkten Aufschlüssen eine sehr komplexe Aufgabe dar, weshalb ein Multi-methodenansatz unter Einbeziehung hochaufgelöster, raumerfassender geoelektrischer Messungen in die zumeist nur punktuell durchführbaren hydrogeologischen Verfahren gewählt wird. Das betrachtete Gebiet besteht aus der Pommerschen Hauptendmoräne im Norden sowie dem ihr vorgelagerten Sander. In den das Gebiet durchziehenden weichselglazialen Schmelzwasserrinnen entwickelten sich grundwasserdominierte Seen. Der Fokus liegt auf den miteinander verbundenen Seen Großer Fürstenseer See und Hinnensee sowie dem unbedeckten Grundwasserleiter des Sanders. Dessen Basis bildet weichselglazialer, in den Rinnen nicht flächenhaft verbreiteter Geschiebemergel. Zur Untersuchung der geologischen Strukturen und hydraulischen Eigenschaften wurden im Bereich des Sanders 17 Bohrungen abgeteuft und zu Grundwassermessstellen ausgebaut. Die dabei gewonnen Proben dienten der Analyse der Korngrößenverteilungen, hydraulischen Durchlässigkeiten und Porositäten. Der Sander besitzt einen sehr heterogenen Aufbau aus vorrangig Mittelsanden mit entsprechend variablen, zumeist guten hydraulischen Durchlässigkeiten und verhältnismäßig niedri-gen Porositäten. Es ergaben sich tendenzielle Abhängigkeiten der Porosität von Gleichförmigkeit und Korngrößenverteilung sowie der hydraulischen Durchlässigkeit von der Korngrößenverteilung. Die räumliche Erkundung der Untergrundstrukturen erfolgte mittels hochaufgelöster 2D-geoelektrischer Widerstandsmessungen, die die Obergrenze des ersten Grundwassergeringleiters, hydraulische Fenster sowie fließrelevante gering durchlässige Strukturen erfassten. Eine Begrenzung erfährt die Methode im Betrachtungsgebiet durch ungünstige Deckschichtverhältnisse und das begrenzte Auflösungsvermögen bei größeren Tiefen. Die Messung von Grund- und Seewasserständen diente der Erfassung ihrer Entwicklung sowie der aus der räumlichen Verteilung abgeleiteten allgemeinen Fließsituation. Ihre Dynamik sowie die Korrelation ausgewählter Zeitreihen enthalten Hinweise auf die Grundwasserneubildungssituation und auf bevorzugte hydraulische Verbindungen. Detailliertere Erkenntnisse zur Grundwasserherkunft und zu präferenziellen Fließwegen lassen sich mittels hydrochemischer Methoden gewinnen. Dazu erfolgten regelmäßige Untersuchungen der physiko-chemischen Parameter, der stabilen Isotope Deuterium und Sauerstoff-18 sowie einmalig der Ioneninhalte der Grund- und Seewässer. Die Analyse der zeitlich und räumlich erhobenen Daten demonstriert, dass vor allem die stabilen Isotope, speziell auch bei Seewasserinfiltrationen, der Identifizierung des Grundwasserursprungs dienen. Besonders die elektrischen Leitfähigkeiten sowie unter geeigneten Randbedingungen auch die Kombination mit weiteren physiko-chemischen Parametern unterstützen die Herkunftsbestimmung. Die elektrischen Leitfähigkeiten und Wasserstandsentwicklungen enthalten zudem Hinweise auf lokale Reduktionen der Grundwasser-neubildungsrate. Anhand der Ioneninhalte des Grundwassers wurden anthropogene Einflüsse ermittelt. Die für das Verständnis des lokalen Fließ- und Neubildungsgeschehens notwendigen Strukturinformationen liefern die geoelektrischen Messungen. Aus den spezifischen elektrischen Widerständen wurden zudem effektive elektrische Leitfähigkeiten als Maß für relative Versickerungsgeschwindigkeiten der ungesättigten Zone abgeleitet, welche potenziell zur flächenhaften Bestimmung von Grundwasserneubildungsraten genutzt werden können. Während die Aussagekraft der einzelnen Methoden begrenzt ist, trägt ihre Kombination und integrierte Auswertung, insbesondere mit den geoelektrischen Messungen, maßgeblich zum Verständnis des Grundwasserfließsystems und Wasserhaushalts bei. Aus den erfassten Strukturen und Eigenschaften wurde ein detailliertes Konzeptmodell als Basis weiterer Untersuchungen, wie Grundwassermodellierungen, erstellt.

Description: For several decades, groundwater and lake water levels have been showing a negative trend in many places in north-eastern Germany. The causes for this decline are still not clearly understood. Without a comprehensive understanding of systems and processes, their possible negative consequences for groundwater as a resource cannot be adequately assessed. Therefore, the aim of the present study is to investigate the groundwater flow system as well as the water balance of the area around Lake Großer Fürstenseer See (Mecklenburg-West Pomerania), which is affected by decreasing water levels. The investigation of the young moraine area is a very complex task due to the heterogeneity of the subsurface in combination with only a few direct outcrops. This is why a multi-method approach was chosen. It included high-resolution, spatial geoelectrical measurements in the hydrogeological procedures, which can mostly only be carried out at specific points. The study area consists of the Pomeranian main terminal moraine and the outwash plain. Groundwater-dominated lakes developed in the glacial meltwater channels running through the area. The focus is on the interconnected lakes Großer Fürstenseer See and Hinnensee and the unconfined aquifer of the outwash plain. The base of this aquifer is formed by glacial till, which is not widespread in the meltwater channels. To investigate the geological structures and hydraulic properties, 17 boreholes were drilled into the outwash plain and used as groundwater monitoring wells. Samples obtained were analysed for grain size distributions, hydraulic permeabilities and porosities. The outwash plain has a very heterogeneous structure of predominantly medium sands with corresponding variable, mostly good hydraulic permeabilities and relatively low porosities. There was a tendency for porosity to be dependent on uniformity and grain size distribution, and for hydraulic permeability to be dependent on grain size distribution. The spatial exploration of the subsurface structures, using high-resolution 2D geoelectric resistivity measurements, recorded the upper limit of the first aquitard, hydraulic windows and flow-relevant low-permeability structures. This method was hampered in the study area by unfavourable overburden conditions and limited resolution capacity at greater depths. The measurement of groundwater and lake water levels served to record their temporal variation as well as the general flow situation derived from their spatial distribution. Their dynamics as well as the correlation of selected time series contained indications of the groundwater recharge situation and preferred hydraulic connections. More detailed findings on the origin of groundwater and preferential flow paths can be obtained using hydrochemical methods. For this purpose, regular investigations of the physico-chemical parameters, the stable isotopes deuterium and oxygen-18 as well as the ionic content of groundwater and lake water were carried out. The analysis of the temporally and spatially collected data demonstrates that especially the stable isotopes, particularly in the case of lakewater infiltrations, serve to identify the groundwater origin. Especially the electrical conductivities and, under suitable boundary conditions, the combination with other physico-chemical parameters support the determination of origin. The electrical conductivities and water level trends also show indications of local reductions in the groundwater recharge rate. Anthropogenic influences were determined based on the ion contents of the groundwater. The geoelectric measurements provide the structural information necessary for understanding the local flow and recharge processes. In addition, the effective electrical conductivities were derived from the electrical resistivities as a measure of the relative seepage velocity in the unsaturated zone. The effective electrical conductivities can potentially be used for the areal determination of groundwater recharge rates. While the informative values of the individual methods are limited, their combination and integrated evaluation, especially with the geoelectric measurements, contributed significantly to the understanding of the groundwater flow system and water balance. From the recorded structures and properties, a detailed conceptual model was created as a basis for further investigations, such as groundwater modelling.

Description: Gas hydrates are ice-like crystalline compounds made of water cavities that retain various types of guest molecules. Natural gas hydrates are CH4-rich but also contain higher hydrocarbons as well as CO2, H2S, etc. They are highly dependent of local pressure and temperature conditions. Considering the high energy content, natural gas hydrates are artificially dissociated for the production of methane gas. Besides, they may also dissociate in response to global warming. It is therefore crucial to investigate the hydrate nucleation and growth process at a molecular level. The understanding of how guest molecules in the hydrate cavities respond to warming climate or gas injection is also of great importance. This thesis is concerned with a systematic investigation of simple and mixed gas hydrates at conditions relevant to the natural hydrate reservoir in Qilian Mountain permafrost, China. A high-pressure cell that integrated into the confocal Raman spectroscopy ensured a precise and continuous characterization of the hydrate phase during formation/dissociation/transformation processes with a high special and spectral resolution. By applying laboratory experiments, the formation of mixed gas hydrates containing other hydrocarbons besides methane was simulated in consideration of the effects from gas supply conditions and sediments. The results revealed a preferential enclathration of different guest molecules in hydrate cavities and further refute the common hypothesis of the coexistence of hydrate phases due to a changing feed gas phase. However, the presence of specific minerals and organic compounds in sediments may have significant impacts on the coexisting solid phases. With regard to the dissociation, the formation damage caused by fines mobilization and migration during hydrate decomposition was reported for the first time, illustrating the complex interactions between fine grains and hydrate particles. Gas hydrates, starting from simple CH4 hydrates to binary CH4—C3H8 hydrates and multi-component mixed hydrates were decomposed by thermal stimulation mimicking global warming. The mechanisms of guest substitution in hydrate structures were studied through the experimental data obtained from CH4—CO2, CH4—mixed gas hydrates and mixed gas hydrates—CO2 systems. For the first time, a second transformation behavior was documented during the transformation process from CH4 hydrates to CO2-rich mixed hydrates. Most of the crystals grew or maintained when exposed to CO2 gas while some others decreased in sizes and even disappeared over time. The highlight of the two last experimental simulations was to visualize and characterize the hydrate crystals which were at different structural transition stages. These experimental simulations enhanced our knowledge about the mixed gas hydrates in natural reservoirs and improved our capability to assess the response to global warming.

Description: Gashydrate sind eisähnliche, kristalline Verbindungen bestehend aus Wasserkäfigen, in denen verschiedene Arten von Gastmolekülen eingeschlossen sind. Natürliche Gashydrate sind CH4-reich, enthalten aber auch höhere Kohlenwasserstoffe sowie CO2, H2S usw. Sie sind stark von den lokalen Druck- und Temperaturbedingungen abhängig. Aufgrund ihres hohen Energiegehalts werden natürliche Gashydrate zur Produktion von Methangas kontrolliert zersetzt. Sie können sich aber auch als Reaktion auf die globale Erwärmung zersetzen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, den Hydratnukleation und des Wachstumsprozesses auf molekularer Ebene zu verstehen. Es ist auch von großer Bedeutung zu klären, wie die Gastmoleküle in den Hydratkäftigen auf die Erderwärmung oder die Gasinjektion antworten. Diese Arbeit beschäftigt sich mit einer systematischen Untersuchung von einfachen und gemischten Gashydraten unter Bedingungen, die für die natürlichen Hydratvorkommen im Qilian Mountain Permafrost, China, relevant sind. Eine in die konfokale Raman-Spektroskopie integrierte Hochdruckzelle gewährleistet eine präzise und kontinuierliche Charakterisierung der Hydratphase während des Bildungs-/Dissoziations-/Umwandlungsprozesses mit hoher örtlicher und spektraler Auflösung. Anhand von Laborversuchen wurde der Entstehungsprozess von gemischten Gashydraten unter Berücksichtigung der Auswirkungen unterschiedliches Gaszufuhr und Sedimenten simuliert. Die Ergebnisse zeigten eine bevorzugte Einlagerung verschiedener Gastmoleküle in die Hydratkäfige und widerlegen die gängige Hypothese der Bildung koexistierender Hydratphasen aufgrund einer sich ändernden Gasphase. Das Vorhandensein bestimmter Mineralien und organischer Verbindungen in Sedimenten kann ebenfalls erhebliche Auswirkungen auf die koexistierenden festen Phasen haben. Bezüglich der Hydratzersetzung konnte im Rahmen dieser Arbeit erstmals über die Formationsschädigung durch Feinkornmobilisierung und -migration beim Hydratabbau berichtet werden, was die komplexen Wechselwirkungen zwischen feinen Sedimentkörnern und Hydratpartikeln verdeutlicht. Gashydrate, angefangen von einfachen CH4-Hydraten über binäre CH4-C3H8-Hydrate bis hin zu Mehrkomponenten-Mischhydraten, wurden durch thermische Stimulation zersetzt, um die Reaktion auf die globale Erwärmung nachzuahmen. Die Mechanismen der Substitution der Gasmoleküle in Hydratstrukturen wurden anhand der experimentellen Daten von CH4-CO2-, CH4-Mischgashydraten und Mischgashydraten-CO2-Systemen untersucht. Erstmals wurde ein zweites Umwandlungsverhalten während des Umwandlungsprozesses von CH4-Hydraten zu CO2-reichen Mischhydraten dokumentiert. In den meisten Fällen wird das Modell des Schrumpfenden Kerns (Shrinking-core-model) unterstützt, während in einigen anderen Fällen die Kristalle mit konstanter Geschwindigkeit umwandelten. Der Höhepunkt der beiden letzten experimentellen Simulationen war die Visualisierung und Charakterisierung von Hydratkristallen, die sich in verschiedenen strukturellen Übergangsstadien befanden. Diese experimentellen Simulationen erweiterten unser Wissen über gemischte Gashydrate in natürlichen Lagerstätten und verbesserten unsere Fähigkeit, die Reaktion auf die globale Erwärmung zu bewerten.

Description: Die Hochwasserkatastrophe im Juli 2021 in Westdeutschland erfordert eine kritische Diskussion über die Abschätzung der Hoch- wassergefährdung, Aktualisierung von Hochwassergefahrenkarten und Kommunikation von extremen Hochwasserszenarien. In der vor- liegenden Arbeit wurde die Extremwertstatistik für die jährlichen maximalen Spitzenabflüsse am Pegel Altenahr im Ahrtal mit und ohne Berücksichtigung historischer Hochwasser berechnet und verglichen. Die Schätzung der Wiederkehrperiode für das aktuelle Hoch- wasser mittels Generalisierter Extremwertverteilung (GEV) unter Berücksichtigung historischer Hochwasser schwankt zwischen etwa 2.600 und über 58.700 Jahren (90%-Konfidenzintervall) mit einem Median bei etwa 8.600 Jahren, wogegen die Schätzung, die nur auf der systematisch gemessenen Abflusszeitreihe von 74 Jahren basiert, theoretisch eine Wiederkehrperiode von über 100 Millionen Jahren ergeben würde. Die Berücksichtigung der historischen Hochwasser führt zu einer dramatischen Änderung der Hochwasserquan- tile, die für eine Gefahrenkartierung zugrunde gelegt werden. Die Anpassung der GEV an die Zeitreihe mit historischen Hochwassern zeigt dennoch, dass das GEV-Modell möglicherweise die Grundgesamtheit der Hochwasser im Ahrtal nicht adäquat abbilden kann. Es könnte sich im vorliegenden Fall um eine gemischte Stichprobe handeln, in der die extremen Hochwasser im Vergleich zu kleineren Ereignissen durch besondere Prozesse hervorgerufen werden. Somit könnten die Wahrscheinlichkeiten von extremen Hochwassern deutlich größer sein, als aus dem GEV-Modell hervorgeht. Hier sollte in Zukunft die Anwendung einer prozessbasierten Mischverteilung untersucht werden. Der Vergleich von amtlichen Gefahrenkarten zu Extremhochwassern (HQextrem) im Ahrtal mit den Überflutungsflächen vom Juli 2021 zeigt eine deutliche Diskrepanz in den betroffenen Gebieten und die Notwendigkeit, die Grundlagen zur Erstellung der Extremszena- rien zu überdenken. Die hydrodynamisch-numerischen Simulationen von 1.000-jährlichen Hochwassern (HQ1000) unter Berücksich- tigung historischer Ereignisse und des größten historischen Hochwassers 1804 können die Gefährdung des Juli-Hochwassers 2021 deutlich besser widerspiegeln, wenngleich auch diese beiden Szenarien die Überflutungsflächen unterschätzen. Besondere Effekte wie die Verklausung von Brücken und die geomorphologischen Änderungen im Flussschlauch führten zu noch größeren Überflutungs- flächen im Juli 2021, als die Simulationsergebnisse zeigten. Basierend auf dieser Analyse wird eine einheitliche Festlegung von HQextrem bei Hochwassergefahrenkartierungen in Deutschland vorgeschlagen, die sich an höheren Hochwasserquantilen im Bereich von HQ1000 orientiert. Zusätzlich sollen simulationsbasierte Rekonstruktionen von den größten verlässlich dokumentierten historischen Hoch- wassern und/oder synthetische Worst-Case-Szenarien in den Hochwassergefahrenkarten gesondert dargestellt werden. Damit wird ein wichtiger Beitrag geleistet, um die potenziell betroffene Bevölkerung und das Katastrophenmanagement vor Überraschungen durch sehr seltene und extreme Hochwasser in Zukunft besser zu schützen.

Description: Modelle und Simulationen erlauben eine Prognose, wie sich Prozesse in der Geosphäre unter Berücksichtigung der physikalischen und chemischen Gesetzmäßigkeiten in der Zukunft entwickeln. Sie sind die Grundlage, um Entwicklungsszenarien zu prüfen und darüber praktikable Entscheidungen treffen zu können. Nur so ist z. B. eine Quantifizierung potenzieller Radionuklidmigration im hydrogeologischen System des einschlusswirksamen Gebirgsbereichs und damit eine Bewertung des Rückhaltevermögens eines Endlagers für eine Million Jahre möglich.

Description: Fünf im norddeutschen Untergrund liegende, aus dem Erdmittelalter stammende Sandsteinformationen - sogenannte mesozoische Sandsteinaquifere – wurden auf ihre Eignung zur Speicherung von Wärme (Aquifer Thermal Energy Storage) untersucht Verschiedene weitläufige Regionen in Norddeutschland (dem Norddeutschen Becken) sind geeignet Hohe Speicherpotenziale in urbanen Räumen mit direktem Wärmebedarf identifiziert