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Projektdauer: 2008 - 2012

Windkräfte auf Pflanzen und Böden

Die Wechselwirkung des atmosphärischen Winds mit der Erdoberfläche führt zu Erosions-, Transport- und Ablagerungsprozessen von Boden und Schnee. Diese Prozesse sind unter anderen verantwortlich für die zunehmende Verwüstung arider Gebiete. Pflanzen beeinflussen diese Prozesse indem sie die dem Wind ausgesetzte Bodenoberfläche reduzieren, Schnee und Bodenpartikel, die mit dem Wind transportiert werden, einfangen und die aus dem Wind resultierende Kraft auf den Boden verringern. Pflanzen bilden somit einen Schutz des Bodens vor Verwüstung. Diese Effekte zu verstehen und zu quantifizieren ist das Hauptziel dieses Projektes.

Abb. 1:	Turbulente Grenzschicht an einer bewachsenen Oberfläche. U ist die mittlere Geschwindigkeit oberhalb der Pflanzendecke, τ der totalen Schubspannung und τs der Schubspannung die auf den Boden wirkt.

Um die physikalischen Prozesse grundlegend zu verstehen muss die innerste Schicht der Atmosphäre, die turbulente Grenzschicht (Prandtlschicht) nahe am Boden untersucht werden. In dieser Grenzschicht werden die Kräfte des Winds durch Schubspannungen in Richtung Boden transportiert. Je nach Stärke der resultierenden Kraft auf die Bodenoberfläche kommt es schliesslich zu Erosion und zum Transport von Bodenpartikeln beziehungsweise von Schneekristallen. Auf bewachsenen Oberflächen wird ein Teil der vom Wind übertragenen Kräfte von den Pflanzen absorbiert. Durch das Verhältnis aus der totalen Schubspannung τ über der Pflanzendecke zur reduzierten Schubspannung τ_s die auf den Boden wirkt kann die Schutzwirkung der Vegetation quantifiziert werden (Abb. 1). Diese "Schubspannungsaufteilung" ist Gegenstand der momentanen Untersuchungen in diesem Projekt.

In den meisten bisherigen Windkanaluntersuchungen an Pflanzen wurden künstliche Pflanzenimitate verwendet. Im SLF Windkanal hingegen werden natürliche, lebende Pflanzen untersucht. Natürliche Pflanzen besitzen eine höchst unregelmässige Struktur und können extrem flexibel und porös sein im Gegensatz zu Pflanzenimitaten.

Das Ziel dieser Studie ist die Entwicklung eines Modells mit welchem man für eine gegebene Pflanzendecke und Windgeschwindigkeit die Kräfte auf die Bodenoberfläche ermitteln kann. Anhand dieser Informationen könnten geeignete Schutzmassnahmen gegen Schnee- und Bodenverfrachtung entwickelt werden. Weiter können die Ergebnisse als Eingangsgrössen für Boden- und Schneetransportmodelle dienen.

Kontakt

• Benjamin Walter
  

Mitwirkende

• Christof Gromke
  

• Michael Lehning
  

Versuchseinrichtung Windkanal