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Hydrogeologie

Lehrstuhl für Hydrogeologie

 
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↑ Lysimeterschacht FOR918-Testfeld Göttingen
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Leitung



Univ.-Prof. Dr. Dr. habil. Kai U. Totsche

iconp ++49-(0)3641 - 9-48651
iconf ++49-(0)3641 - 9-48652
E-Mail

Internet


www.hydro.uni-jena.de

 



Lehre am LS Hydrogeologie


Das Lehrangebot des Lehrstuhls für Hydrogeologie basiert auf einem strukturierten, konsekutiven Lehrkonzept, in dem neben fachspezifischem Wissen und Kompetenzen auch methodische Fähigkeiten und Praxiskompetenzen vermittelt werden.

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↑ Stichtagsmessung an Grundwassermessstellen
  Die Lehrveranstaltungen wurden für die Studierenden der Studiengänge Geowissenschaften (B.Sc. und M.Sc), Biogeowissenschaften (B.Sc. & M.Sc.), des Studienschwerpunktes Angewandte Umweltwissenschaften (B. Sc. AUW) entwickelt, bieten aber auch interessante inhaltliche Erweiterungen für Studierende anderer Fächer wie z.B. Geografie, Werkstoffwissenschaften, Mikrobiologie oder Umweltchemie, aber auch der Studiengänge Physik, Chemie und Biologie.

Darüberhinaus engagiert sich der LS Hydrogeolgoie in verschiedenen Programmen der  strukturierten Doktorandenausbildung an der Friedrich-Schiller-Universität Jena sowie in Graduiertenschulen der Max-Planck-Gesellschaft und  der Helmholtz-Gemeinschaft.


Das Vorlesungsangebot mit (Teil)Modulen der am IGW angebotenten Studiengänge, umfasst folgende Lehrveranstaltungen, die sich in das konsekutive Lehrkonzept (siehe Link für inhaltl. Details) einfügen:

Struktur Lehre Hydrogeologie


Weitere Ziele der Lehre sind die Vermittlung eines sicheren Umgangs mit quantitativen Methoden, mit unscharfen Daten und kleinen Datenmengen; aber auch des Umgangs mit Heterogenität und Variabilität auf unterschiedlichen Skalen, sowie die Vermittlung der sicheren Anwendung von Feldmethoden. Die klassischen Formen der Lehre wie Vorlesung, Seminare, Praktika, Übungen und die Anleitung zum wissenschaftlichen Arbeiten werden um die Inhalte Publikations- und Präsentationstechnik erweitert. Letzteres umfasst zum Beispiel die Analyse wissenschaftlicher Publikationen bezüglich Inhalt, aber auch hinsichtlich Form und Gestalt, sowie die Projektplanung und das schriftliche Berichtswesen, das insbesondere bei drittmittelfinanzierter Forschung eine besondere Rolle spielt.


Forschung am LS Hydrogeologie


Die hydrogeologische Forschung an der Friedrich-Schiller-Universität Jena fokussiert auf ein vertieftes Verständnis von Struktur, Dynamik und Funktion jenes Bereiches der Erdkruste, der durch die Überlagerung von Atmosphäre, Hydrosphäre, Biosphäre und Lithosphäre gebildet wird und als Kritische Zone bezeichnet wird. Neben den Böden im engeren Sinne umfasst dies die Ungesättigte Zone sowie die oberflächennahe Hydrogeosphäre. Dieser oberste Bereich der Erdkruste, gleichsam "der Erde dünne Haut", ist nicht nur überlebenswichtig durch die Produktion von Nahrung und Rohstoffen für eine nach wie vor wachsende Weltbevölkerung. Er ist vielmehr auch zentrales Bindeglied zwischen den globalen Informations-, Stoff- und Energiekreisläufen. So entstammen fast 25% des atmosphärischen Kohlenstoffs aus biologischen Prozessen, die in Böden ablaufen. Böden enthalten doppelt soviel Kohlenstoff wie die gesamte Atmosphäre und dreimal soviel Kohlenstoff, wie in der gesamten Vegetation gespeichert ist. Doch nicht nur die globalen Stoffkreisläufe werden durch die "dünne Haut der Erde", die Böden im weiteren Sinne, kontrolliert. Eine zentrale Funktion haben sie als Puffer-, Speicher-, Filter- und Umwandlungsmedium für Wasser, aber auch für gelöste und partikuläre Stoffe. Die Qualität des Trinkwassers, dass zu einem großen Teil den Grundwasserreservoiren, den Flüssen und Seen entstammt, wird in entscheidender Weise bestimmt durch die Eigenschaften der Böden, der Ungesättigten Zone und Aquifere, durch die und über die es geflossen ist.


Der Schutz, die Sicherung und Wiederherstellung dieser für unser Überleben so zentralen Funktionen sind dabei untrennbar geknüpft an ein Verständnis der biogeochemischen und biogeophysikalischen Prozesse und Mechanismen, die die Grundlage dieser Funktionen sind.


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↑ Säulenexperiment zur Mobilität kolloidaler Substanzen

  Hierzu wird in der Hydrogeologie an der Friedrich-Schiller-Universität in Jena ein komplementärer wissenschaftlicher Ansatz verfolgt, der aus den vier Elementen Laborexperimentelle Untersuchung, Feldexperimenten, Theoriebildung, sowie Modellierung und Simulation besteht. Im Rahmen interdisziplinärer Forschungsprojekte über die klassischen Fächergrenzen hinaus, kooperieren wir in Arbeitsgruppen unterschiedlicher wissenschaftlicher, aber auch ingenieurtechnischer Disziplinen, um unter Ausnutzung der Synergien gemeinsam Problemlösungen erarbeiten zu können. Durch die Einbindung methodischer und theoretischer Verfahren und Konzepte aus den Bereichen der Materialforschung, der Festkörperphysik, der Nanotechnologie, oder der Molekuar- und Biotechnologie, ergeben sich dabei auch neue Inhalte für die Lehre und universitäre Ausbildung.

Grundlagenorientierte Forschungsschwerpunkte



Die Prozessforschung in natürlichen und anthropogen beeinflussten, belebten, heterogenen Systemen auf unterschiedlichen Skalen definiert das Leitmotiv für unsere Forschungsarbeiten (Bio-Geo-Interaktionen). Ziel ist es, zu einem vertieften mechanistischem Verständnis von Architektur, Dynamik und der Funktion von Geo- und Pedosystemen zu gelangen. Das bedeutet, die komplexen Wechselwirkungen, Antagonismen und Synergismen der physikalischen, chemischen und biologischen Prozesse aufzuklären, Theorien zu bilden, und in geeigneten mathematischen Modellvorstellungen zu abstrahieren und zu beschreiben. Dabei wird immer deutlicher, dass die Phänomene auf der Kontinuumskala, wie zum Beispiel dem Pedon eines land- oder forstwirtschaftlichen Schlages, durch biogeochemische und biophysikalische Prozesse und Eigenschaften kontrolliert und beeinflusst werden, die auf der molekularen und atomaren Skala ablaufen. Eine der zentralen wissenschaftlichen Herausforderungen ist es daher, die dabei auftretenden extremen Skalenübergänge, die neun Größenordnungen im Raum (vom nm zum m) und bis zu 21! Größenordnungen in der Zeit (fs-Gs) umfassen können, quantitativ zu fassen und mechanistisch zu beschreiben.

Eine wesentliche Voraussetzung hierfür ist es, ein "Bild" vom Aufbau und der Struktur, mithin der "Architektur" natürlicher poröser Medien und ihrer zeitlichen Veränderung zu erhalten. Mit der Forschung in der Hydrogeologie in Jena versuchen wir daher, ein Fenster in den opaken Untergrund Boden, Ungesättigte Zone und Grundwasserleiter zu schaffen. Die Kombination modernster bildgebender spektroskopischer, mikroskopischer und tomographischer Verfahren mit der prozessorientierten mathematischen Modellbildung sowie der Modellierung quantenchemischer Prozesse stellt dabei einen vielversprechenden Ansatz dar, mit dem es möglich wird, die Struktur natürlicher poröser Medien zur rekonstruieren, ihre zeitliche Dynamik quantitativ abzubilden sowie den Zusammenhang von Struktur und Funktion aufzuklären. Dabei stehen nanopartikuläre bzw. kolloidal natürliche sowie synthetische Mischphasen immer wieder im Fokus, da diese in vielfältger Weise die Eigenschaften und Funktionen von natülichen porösen Medien beeinflussen. Dieser integrative experimentelle und theoretische Ansatz wird in der Grundlagenforschung in der Hydrogeologie in Jena im Rahmen von unterschiedlichen Projekten und mit verschiedenen Projektpartnern systematisch verfolgt.

Gegenwärtige Schwerpunkte unserer Forschung sind die:

  • Architektur, Dynamik und Funktion biogeochemischer Grenzflächen: Verständnis des Prozessgeschehens und Quantifizierung der Skalenübergänge vom Atom zum Pedon. Zu diesem Forschungsschwerpunkt wurde ein Schwerpunktprogramm eingerichtet, dass von der Hydrogeologie in Jena koordiniert wird (www.spp1315.uni-jena.de).
  • Mobilität und Persistenz von gelösten, kolloidal- und partikulär dispergierten Partikeln und (Schad-)Stoffen
  • Mineralorganische nanopartikuläre und kolloidale Mischphasen: Bildung, Eigenschaften und Funktion
  • Strukturdynamik natürlicher poröser Medien
  • Charakterisierung und mathematische Beschreibung der räumlichen Heterogenität auf unterschiedlichen Skalen und Quantifizierung der Skalenübergänge
  • Modellbildung und numerische Modellierung des gekoppelten reaktiven Transports in porösen Medien in Gegenwart mobiler Sorbenten
  • Modellbildung und Simulation der kolloidbeeinflussten Fluiddynamik (Kopplung der Fluiddynamik und der Kolloiddynamik in porösen Systemen)
  • Bildung, Freisetzung, Transport, Transformation und Wiederfestlegung natürlicher organischer Substanzen in Böden und Aquiferen


Anwendungsorientierte Forschungsschwerpunkte



Ein weiteres Aufgabenfeld hat die Hydrogeologie in Jena im anwendungsorientierten Bereich der Geo- und Pedopotentiale Thüringens sowie in der Bodentechnologie. Bei ersterem steht die Erkundung, Beurteilung, und Nutzbarmachung der Böden und des Untergrunds im Hinblick auf Geothermie, Stoff- und Energie-Speicherung/Sequestrierung, sowie das Reinigungsvermögen natürlicher poröser Medien im Vordergrund. Letzteres zielt auf die systematische Entwicklung von bodenbasierten Techniken zur Lösung von Problemen:

  • im vorsorgenden und nachsorgenden Grundwasser- und Bodenschutz,
  • bei der Sanierung und Rekultivierung.

Durch die gezielte Verstärkung und Optimierung von natürlich ablaufenden Prozessen sowie die Verwendung und intelligente Kombination von Bodenmaterialien und Bodenprozessen werden Verfahren und Methoden zu Schutz und Sanierung entwickelt. Klassische Beispiele hierfür sind Pflanzenkläranlagen, Mieten,  Deponieabdeckungen,  Geruchs- und Gasfilter (z.B. für Ausgasungen aus tieferen Bodenschichten, Friedhöfen). Jüngere innovative Konzepte, die hier an der Hydrogeologie in Jena verfolgt werden, sind die "intelligenten Flächenfilter", bei denen es um den Rückhalt und den Abbau von unerwünschten Stoffen geht, die durch menschlich Tätigkeiten direkt oder diffus auf und in Böden gelangen.

Der Bereich der Sanierungstechnik, hier insbesondere der Bodentechnologie, gewinnt eine immer größere wirtschaftliche Bedeutung. Denken wir nur an die systematische Zerstörung und Vergiftung der  Bodenressourcen und Grundwasserreservoire in Südamerika, den Tigerstaaten, Indien und China. Hier erwachsen Probleme, die bereist jetzt direkte Auswirkungen auf die Gesundheit und die Lebenserwartung der Menschen haben. China hat dieses Problem mittlerweile erkannt und wird mittelfristig entgegensteuern. Das wird eine Nachfrage nach intelligenter und bezahlbarer Schutz- und Sanierungstechnik mit sich bringen. Die Forschungsthemen der Hydrogeologie an der Friedrich-Schiller-Universität in Jena im Anwendungsbereich sind:

  • Entwicklung innovativer Sanierungstechniken
  • Entwicklung von "intelligenten Flächenfiltern"
  • Pedo-/Geopotentiale Thüringens


Die Rolle der Modellierung in der Hydrogeologie



Dem Bereich der analytischen und numerischen, direkten und inversen Modellbildung und Simulation kommt eine zentrale und integrierende Rolle im Rahmen des integrativen Forschungsansatzes in der Hydrogeologie zu. Neben der Tatsache, dass Modelle ein wichtiges Werkzeug zur Falsifikation wissenschaftlicher Theorien darstellen, sind die komplexen Zusammenhänge und Wechselwirkungsgeflechte des Prozessgeschehens in natürlichen porösen Medien oftmals nur unter Verwendung mathematischer Modelle integrativ und synoptisch zu erfassen. In breitem Umfang entwickeln und verwenden wir analytische und numerische Modelle von der atomaren Skala über die Aggregat- und Pedonskala bis hin zur Kleineinzugsgebietsskala. Auf der atomaren Skala befassen wir uns mit der Modellierung der Bildung, des Wachstums und der Wiederauflösung von (pedogenen) Mineralen sowie von Wechselwirkungen von Schadstoffen an Fest-Flüssig-, Fest-Gas- und Flüssig-Gas-Grenzflächen. Auf der Aggregat- und Pedonskala liegt der Fokus auf der  Simulation gekoppelter physikalischer, chemischer und biologischer Prozesse sowie der Parameteridentifikation durch inverse numerische Verfahren. Ein weiteres Feld stellt die computergestützte Entwicklung und Optimierung von Experimentdesigns zur eindeutigen Identifikation von biologischen, chemischen und physikalischen Prozessen und Parametern des reaktiven Stofftransports dar. Auf der Feldebene beschäftigen wir uns mit der Simulation und Parameteridentifikation von Strömungs- und Transportprozessen in heterogenen 3-dimensionalen Pedo- und Geosystemen sowie mit der computergestützten Überwachung des (Schad-)Stofftransports und der Phasenverteilung im Untergrund (Fluid, Stoff- und Energieflussmodellierung) bis hin zur Skala von Kleineinzugsgebieten. Die Modellanwendung dient dabei auch der Unterstützung der Entwicklung und Optimierung von nicht-invasiven/minimalinvasiven Verfahren zur Erkundung pedo- und geohydraulischer Strukturen im Untergrund.