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SYA: Symposium Physik für die Umwelt

SYA 1: Sondersymposium “Physik für die Umwelt” – Wissenschaftliche Vorträge

SYA 1.6: Hauptvortrag

Dienstag, 24. März 1998, 13:45–14:15, Theatersaal

Fluß und Transport im Boden: Geschichte und Ausblick — •Kurt Roth¹, Hannes Flühler² und Hans-Jörg Vogel¹ — ¹Universität Hohenheim, Institut für Bodenkunde, Fachgebiet Bodenphysik, 70593 Stuttgart — ²ETH Zürich, Institut für terrestrische Ökologie, Fachgebiet Bodenphysik, CH-8952 Schlieren

Boden entsteht als Grenzschicht zwischen Atmosphäre und Lithosphäre. Damit hat er eine komplexe Struktur und ist Ort vielfältiger Kreisläufe und Flüsse, die i. a. eng miteinander gekoppelt sind. Wir beschränken uns hier auf physikalische Aspekte dieses Umweltkompartiments.
Boden wird meist aus zwei Perspektiven betrachtet: Von außen, aus der Sicht der Atmosphäre, dominiert dabei seine Funktion als Kopplungselement zwischen Energie- und Wasserflüssen im Hinblick auf Wetter und Klima, während von innen die Flüsse von Wasser, gelösten Stoffen und Wärme interessieren. Fokus dieses Beitrages ist die zweite Sicht, welche sich auf Quantität und vor allem Qualität der Ressource Wasser richtet.
Durch eine Reihe von Feldexperimenten wurde in den vergangenen 15 Jahren die Phänomenologie von Stofftramsport in natürlichen Böden erkundet. Wir verfügen nun über ein umfangreiches qualitatives Wissen über das Spektrum der auftretenden Prozesse. Modellierung und numerische Simulation der beobachteten Phänomene erlebte in den letzten Jahren einen Durchbruch, nachdem die räumliche Heterogenität der Transporteigenschaften explizit berücksichtigt wurde. Damit ist es z. Z. möglich, einfache Transportphänomene semiquantitativ nachzubilden. Für eine vollständig quantitative Simulation reicht die räumliche Auflösung der gegenwärtig verfügbaren Parameterfelder allerdings noch nicht aus. Komplexere Phänomene, beispielsweise schneller Transport, sind erst mit groben empirischen Ansätzen beschreibbar.
Die gegenwärtige prozessorientierte Forschung auf diesem Gebiet hat u. a. folgende Schwerpunkte: (i) hochaufgelöste und zerstörungsfreie Messung relevanter Parameterfelder, (ii) hochaufgelöste und schnelle Messung von Konzentrationsverteilungen, (iii) Entwicklung schneller Algorithmen, um (Mehrphasen)Fluß- und Transportprozesse sowohl auf der Skala des Probenraumes als auch auf derjenigen des Kontinuums zu simulieren. Problemkomplexe, die sich dabei eröffnen, sind: (i) der Zusammenhang zwischen beobachtbarer Form (des Probenraumes, der Bodenstruktur, der Bodenmuster,...) einerseits und aktueller Funktion (Wasserfluß, Stofftransport,...) andererseits, (ii) Skalenübergänge im hierarchisch heterogenen Medium, damit die Frage nach effektiven Prozessen und deren Parametern.
In diesem Beitrag wird ein Einblick in die Phänomenologie von Stofftransport in natürlichen Böden gegeben, sowie ein Ansatz zur Messung und quantitativen Simulation von Wasserfluß und Stofftransport, ausgehend von einer Beschreibung der Geometrie des Probenraumes, dargestellt.