9. Schadstoffausbreitung in einem Gewässer

Transportprozesse, bei denen sich extensive Größen – eine chemische Substanz, Bakterien oder auch Energie in Form von Wärme – in einem umgebenden Medium ausbreiten, spielen in vielen Anwendungen eine wichtige Rolle. In diesem Kapitel wird die folgende konkrete Fragestellung untersucht: Wie lässt sich die Ausbreitung einer Schadstoffsubstanz in einem Gewässer modellieren? Wie kann man eine solche Ausbreitung berechnen, wenn die Anfangskonzentration sowie die Quelle des Schadstoffes bekannt sind? Wir beginnen mit einer mathematischen Beschreibung der Diffusions-, Konvektions-, und Reaktionsprozesse, die als Teilprozesse eines solchen Transportprozesses fungieren. Dann diskutieren wir an dem konkreten Beispiel der Schadstoffausbreitung, wie man anhand der relevanten Prozessparameter - den Diffusionskoeffizienten, Konvektionsgeschwindigkeiten und Abbauraten – den Einfluss der entsprechenden Teilprozesse abschätzen kann. Mithilfe von numerischen Simulationen berechnen und visualisieren wir den Verlauf des Gesamttransportprozesses. Darüber hinaus untersuchen wir auch die Geschwindigkeit der Ausbreitungsfront und die charakteristische Zeit, in der die Schadstoffsubstanz ein bestimmtes Gebiet erreicht.