Teilchenbasierte Simulation des &#228;olischen Sandtransports&#160;und der damit verbundenen Staubemission
Authors: Kamath Sandesh , Shao Yaping , Parteli Eric 
Published: December 2021

&lt;p&gt;Im gegenw&amp;#228;rtigen Beitrag wird ein numerisches Werkzeug f&amp;#252;r die teilchenbasierte Simulation des &amp;#228;olischen Sedimenttransports in der atmosph&amp;#228;rischen Grenzschicht vorgestellt. Die zuverl&amp;#228;ssige Modellierung dieses Transports als Funktion der Windverh&amp;#228;ltnisse und der Bodenerodierbarkeit ist f&amp;#252;r viele Anwendungen, von der K&amp;#252;sten- bis hin zur Desertifikationsforschung, sehr wichtig. Im Zusammenhang mit der Klimasimulation ist die korrekte Vorhersage der &amp;#228;olischen Sedimentransportraten f&amp;#252;r die Repr&amp;#228;sentation des Staubzykluses im Erdsystem unabdingbar &amp;#8211; die Emission von Staubpartikeln aus dem Boden wird haupts&amp;#228;chlich durch die Kollision gr&amp;#246;&amp;#223;erer Sandpartikeln in sprungweiser Bewegung (Saltation) auf das Sedimentbett verursacht. Doch die Auswirkungen der Bodenbeschaffenheit und turbulenten Windfluktuationen auf die Partikelbewegung sind noch wenig verstanden. Ungeachtet der zahlreichen, auf empirischen Beobachtungen basierten Parametrisierungsschemata zur Erfassung &amp;#228;olischer Prozesse z&amp;#228;hlt die quantitative Bestimmung der Bodenerosionsrate und des damit verbundenen vertikalen Staubemissionsflusses zu den wichtigsten Unsicherheitsquellen in Klimamodellen.&lt;/p&gt;
&lt;p&gt;Deshalb befasst sich gegenw&amp;#228;rtige Arbeit mit der direkten, teilchenbasierten Simulation des &amp;#228;olischen Sedimenttransports mit Hilfe der Diskrete-Elemente-Methode (DEM). Dabei werden die Newtonschen Bewegungsgleichungen f&amp;#252;r jedes einzelne Teilchen im System &amp;#8211; ob in der Luft oder im Sedimentbett &amp;#8211; unter Ber&amp;#252;cksichtigung der Schwerkraft, einer effizienten hydrodynamischen Beschreibung der Teilchen-Wind-Kopplung, sowie eines Modells f&amp;#252;r die interpartikul&amp;#228;ren Kontakt- und van-der-Waals-Kr&amp;#228;fte numerisch gel&amp;#246;st. Die hier vorgestellte numerische Simulation verzichtet somit vollst&amp;#228;ndig auf Splash-Funktionen. Zudem wird ein Modell f&amp;#252;r die stochastische Natur des Teilchen-Teilchen-Wechselwirkungspotentials miteinbezogen.&lt;/p&gt;
&lt;p&gt;Unsere numerische Vorhersage der Sandtransportrate (&lt;em&gt;Q&lt;/em&gt;) als Funktion der zeitlich gemittelten turbulenten Windschergeschwindigkeit (&lt;em&gt;u&lt;sub&gt;*&lt;/sub&gt;&lt;/em&gt;) stimmt quantitativ mit entsprechenden Daten aus Windkanalversuchen &amp;#252;berein. Auch die erforderliche Schergeschwindigkeit f&amp;#252;r den Sandtransport im Windkanal wird von unserem Modell quantitativ wiedergegeben. Aus den Simulationsergebnissen wird weiterhin deutlich, dass die Dicke &lt;em&gt;D&lt;/em&gt; des losen Sedimentbettes im Verh&amp;#228;ltnis zum Teilchendurchmesser &lt;em&gt;d&lt;/em&gt; eine entscheidende Rolle f&amp;#252;r die Skalierung von &lt;em&gt;Q&lt;/em&gt; mit &lt;em&gt;u&lt;/em&gt;&lt;sub&gt;*&lt;/sub&gt; einnimmt. Im Besonderen wird bei einer Verringerung der Sedimentverf&amp;#252;gbarkeit ein &amp;#220;bergang von einer quadratischen (&lt;em&gt;D/d&lt;/em&gt; &gt;~ 2) in eine kubische (&lt;em&gt;D/d&lt;/em&gt; &lt;&lt; 2) Skalierung der Sandtransportrate mit der Schergeschwindigkeit beobachtet. Eine Erweiterung des Modells f&amp;#252;r stark polydisperse Systeme erm&amp;#246;glicht die Ermittlung des mit dem Sandtransport hervorgehenden vertikalen Staubemissionsflusses.&lt;/p&gt;