Geophysical Process Simulations

 

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Um die Ziele der Vereinten Nationen für nachhaltige Entwicklung zu erreichen, benötigen wir Vorhersagen über die Prozesse im Untergrund der Erde. Leider haben wir keinen direkten Zugang zum Untergrund. Daher benötigen wir numerische Simulationen, die auf physikalischen Modellen basieren, um diese Vorhersagen dennoch zu erhalten. Um komplexe Modellgeometrien und die richtigen In-situ-Bedingungen sowie flächendeckende Informationen zu berücksichtigen, können wir uns weder auf analytische noch auf Laboranalysen verlassen. Daher benötigen wir numerische Simulationen, um die komplexen gekoppelten physikalischen Prozesse des Untergrundes der Erde zu charakterisieren. Zu den Prozessen gehören beispielsweise der Grundwasser- und Wärmetransport, der Transport chemischer Spezies und mechanische Prozesse.

In unserer Forschungsgruppe konzentrieren wir uns vor allem auf die thermische und hydraulische Simulation und auf Anwendungen der elektrischen Widerstandstomographie (Link zum ERT-Standort Rhea). Die Bestimmung der unterirdischen Eigenschaften ist in der Regel ein inverser Prozess. Geowissenschaftliche Simulationen haben mehrere Herausforderungen:

• Wir müssen komplexe gekoppelte Prozesse über große räumliche und zeitliche Bereiche hinweg analysieren.
• Die sehr heterogene Beschaffenheit des Untergrundes erhöht die Dimensionalität des Problems weiter und führt zu dem "Fluch der Dimensionalität".
• Aufgrund des begrenzten Datenzugangs ist die Gewinnung von Informationen aus dem Untergrund ein nicht-trivialer Prozess.
• Messungen sind mit hohen Unsicherheiten verbunden.
• Die eingeführten Vereinfachungen und die Unsicherheiten der Modellgeometrie sind eine weitere Fehlerquelle.

Aufgrund all dieser Probleme benötigen wir probabilistische Ansätze, um den auftretenden Unsicherheiten Rechnung zu tragen. Diese Ansätze erfordern jedoch schnell Tausende bis Millionen von Vorwärtssimulationen. Dies macht sie für Standard-Finite-Elemente-Simulationen auf dem neuesten Stand der Technik unerschwinglich. Aus diesem Grund untersuchen wir das Potenzial von Techniken zur Reduzierung der Modellordnung (Link zum MOR-Standort) für geophysikalische Prozesssimulationen.