News

  • Nächster Jour Fixe: 10.09.2021
  • Öffentliche Projektvorstellung in Wittbülten: 23.09.2021
  • Kick-off 14.10.2021 (ganztägig)
  • Pressemitteilung

Kontakt (Sprecherin)

Prof. Dr. Gudrun Massmann
Carl von Ossietzky Universität Oldenburg

Finanzierung und Laufzeit

Finanzierung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Laufzeit (1. Phase): 01.04.2021 -31.03.2025

DynaDeep

DynaDeep

Dynamik des tiefen Untergrundes von Hochenergiestränden

In der Forschungsgruppe DynaDeep soll ein tieferes Verständnis der physikalischen und biogeochemischen Prozesse im Untergrund von Hochenergiestränden erlangt werden. Ein detailliertes Prozessverständnis in diesen sogenannten subterranen Ästuaren ist eine Grundvoraussetzung, um Stoffflüsse am Land-Meer Übergang und ihren Effekt auf Küstenökosysteme adequat quantifzieren und prognostizieren zu können.  

Wir nehmen an, dass der Untergrund von Hochenergiestränden in Bezug auf Grundwasserströmung und -transport sowie assoziierte biogeochemische Prozesse hoch dynamisch ist und von gängigen Modellvorstellungen abweicht. Dieses einmalige mikrobiologische Habitat unterscheidet sich vermutlich grundlegend von den normalerweise stabilen Lebensräumen im Untergrund.

DynaDeep wird deshalb Grundwasserströmungsmuster als Funktion hydro- und morphodynamischer Randbedingungen untersuchen. Wir werden abiotische und biotische Umsatzraten organischer Substanz quantifizieren. Speziation und Umsetzung von Spurenmetallen und Metallisotopen sind ebenso Gegenstand der Untersuchungen wie die Diversität und Funktionsweise der mikrobiellen Gemeinschaft. Ultimatives Ziel ist es, die globale Bedeutung tiefer, dynamischer biogeochemischer Reaktoren im Untergrund von Hochenergiestränden für Küstenökosysteme und globale Stoffkreisläufe abzuschätzen.

Das subterrane Ästuar

Der Untergrund eines Strandes wird als subterranes Ästuar (engl.: subterranean estuary - STE) bezeichnet und verbindet den terrestrischen Grundwasserkörper mit dem Meer. Subterrane Ästuare geben gelöste Stoffe, z.b., Kohlenstoff, Stickstoff und Spurenelemente an den Ozean ab und beeinflussen so die Küstenökosysteme.

STEs gelten als aktive biogeochemische Reaktoren, die durch terrestrische und marine Stoffeinträge gespeist werden. Vermischung und Verweilzeit auf den unterirdischen Fließwegen steuern die Intensität von Anlieferung, Umwandlung und schließlich Austrag von Stoffen in das Meer. Vermischung und Verweilzeit hängen wiederum von Faktoren wie Grundwasserzufluss,  Gezeiten und Wellen, sowie der Morphologie der Strandoberfläche ab.

Das etablierte Konzept von Grundwasserströmung und -transport in einem gezeitenbeeinflussten subterranen Ästuar (siehe Abbildung unten) beschreibt eine tideinduzierte Salzwasserrezirkulationszelle (engl.: "upper saline plume - USP") oberhalb des Süßwasserabstroms (engl.: "freshwater discharge tube - FDT"), der wiederum durch einen dichtegetriebenen Salzwasserkeil (engl.: "saltwater wedge") unterlagert wird. Aufgrund der dispersiven Vermischung mit rezirkuliertem Meerwasser (rot) entlang des Fließweges wird das Süßwasser (blau) im Allgemeinen brackig (grün), bevor es in der Nähe der Niedrigwasserlinie austritt und das subterrane Ästuar verlässt.

Strömung und Transport in Hochenergiestränden

Hochenergiestrände zeichnen sich durch intensive Morphodynamik aufgrund von verstärkten Gezeiten- und Wellenbedingungen in Kombination mit Sturmfluten aus. Wir nehmen an, dass sich diese dynamischen hydrologischen und geomorphologischen Randbedingungen bis tief in den Untergrund von Hochenergiestränden durchpausen und zu einer extrem instationären und komplexen Grundwasserströmungs- und Transportdynamik bis in mehrere Zehnermeter Tiefe führen.

Dieses Phänomen ist in der Abbildung unten illustiert. Sie zeigt das Simulationsergebnis eines dynamischen, dichteabhängigen Grundwasserströmungsmodells unter Berücksichtigung von Sturmfluten und Morphodynamik und deren Auswirkungen auf die Grundwasserströmung. Die die Dicke der weißen Pfeile verdeutlicht die Fließgeschwindigkeit. Dabei muss beachteted werden, dass der gezeigte Querschnitt nur eine Momentaufnahme des dynamischen Systems ist. Die Strömungs- und Transportdynamik ist am besten in dem in Greskowiak and Massmann (2021) bereitgestellten Film nachzuvollziehen.

Der biogeochemische Reaktor

Im subterranen Ästuar finden eine Vielzahl von hydrobiogeochemischen Reaktionen statt. Dieser biogeochemische Reaktor wird unter anderem durch terrestisch und marin angeliefertes organisches Material angetrieben. Dabei definiert die mikrobielle Gemeinschaft die vorherrschenden Redoxbedingungen, verändert die Zusammensetzung des organischen Materials, sowie die Nährstoffkonzentrationen und den pH. Diese Veränderungen wiederum führen zu Mineral- und Oberflächenreaktionen und damit zu einer weiteren Modifikation der Porenwasserzusammensetzung während der Passage durch das subterrane Ästuar (siehe konzeptionelle Abbildung unten).     

Die biogeochemischen Prozesse hängen sowohl von den Stoffeinträgen als auch von den Strömungs- und Mischungsprozessen im Porenraum ab. Daher nehmen wir an, dass die dynamischen hydrologischen, hydrochemischen und physikochemischen Randbedingungen wesentlich die Reaktivität des subterranen Ästuars kontrollieren.

Globale Relevanz

Ein großer Anteil globaler Strände sind Hochenergiestrände (rote Bereiche in der Abbildung unten), wobei deren subterrane Ästuare bislang als wenig untersucht gelten, möglicherweise durch die schwierigen Bedingungen für das Arbeiten in solchen Systemen. Nur ca. 16% aller STE-Studien (minimale Untersuchungstiefe = 0.5 m) wurden an Hochenergiestränden durchgeführt (siehe Abbildung unten). An den meisten dieser Standorte wurden in größerer Tiefe jedoch keine biogeochemischen und mikrobiologischen Daten erhoben. Der biogeochemische Reaktor im Untergrund von Hochenergiestrände ist demnach bislang nur unzureichend verstanden, obwohl er global wahrscheinlich wesentlich die Stoffflüsse in Küstengewässer beeinflusst.

(Stand: 26.07.2021)