TY  - THES
A1  - Hunke, Philip Paul
T1  - The Brazilian Cerrado: ecohydrological assessment of water and soil degradation in heavily modified meso-scale catchments
T1  - Der brasilianische Cerrado: ökohydrologische Analyse von Boden- und Wasserdegradierung in intensiv landwirtschaftlich genutzten mesoskaligen Einzugsgebieten
N2  - The Brazilian Cerrado is recognised as one of the most threatened biomes in the world, as the region has experienced a striking change from natural vegetation to intense cash crop production. The impacts of rapid agricultural expansion on soil and water resources are still poorly understood in the region. Therefore, the overall aim of the thesis is to improve our understanding of the ecohydrological processes causing water and soil degradation in the Brazilian Cerrado. 
I first present a metaanalysis to provide quantitative evidence and identifying the main impacts of soil and water alterations resulting from land use change. Second, field studies were conducted to (i) examine the effects of land use change on soils of natural cerrado transformed to common croplands and pasture and (ii) indicate how agricultural production affects water quality across a meso-scale catchment. Third, the ecohydrological process-based model SWAT was tested with simple scenario analyses to gain insight into the impacts of land use and climate change on the water cycling in the upper São Lourenço catchment which experienced decreasing discharges in the last 40 years.
Soil and water quality parameters from different land uses were extracted from 89 soil and 18 water studies in different regions across the Cerrado. Signiﬁcant effects on pH, bulk density and available P and K for croplands and less-pronounced effects on pastures were evident. Soil total N did not differ between land uses because most of the cropland sites were N-ﬁxing soybean cultivations, which are not artiﬁcially fertilized with N. By contrast, water quality studies showed N enrichment in agricultural catchments, indicating fertilizer impacts and potential susceptibility to eutrophication. Regardless of the land use, P is widely absent because of the high-ﬁxing capacities of deeply weathered soils and the ﬁltering capacity of riparian vegetation. Pesticides, however, were consistently detected throughout the entire aquatic system. In several case studies, extremely high-peak concentrations exceeded Brazilian and EU water quality limits, which pose serious health risks. 
My field study revealed that land conversion caused a significant reduction in infiltration rates near the soil surface of pasture (–96 %) and croplands (–90 % to –93 %). Soil aggregate stability was significantly reduced in croplands than in cerrado and pasture. Soybean crops had extremely high extractable P (80 mg kg–1), whereas pasture N levels declined. A snapshot water sampling showed strong seasonality in water quality parameters. Higher temperature, oxi-reduction potential (ORP), NO2–, and very low oxygen concentrations (<5 mg•l–1) and saturation (<60 %) were recorded during the rainy season. By contrast, remarkably high PO43– concentrations (up to 0.8 mg•l–1) were measured during the dry season. Water quality parameters were affected by agricultural activities at all sampled sub-catchments across the catchment, regardless of stream characteristic. Direct NO3– leaching appeared to play a minor role; however, water quality is affected by topsoil fertiliser inputs with impact on small low order streams and larger rivers. Land conversion leaving cropland soils more susceptible to surface erosion by increased overland flow events.
In a third study, the field data were used to parameterise SWAT. The model was tested with different input data and calibrated in SWAT-CUP using the SUFI-2 algorithm. The model was judged reliable to simulate the water balance in the Cerrado. A complete cerrado, pasture and cropland cover was used to analyse the impact of land use on water cycling as well as climate change projections (2039–2058) according to the projections of the RCP 8.5 scenario. The actual evapotranspiration (ET) for the cropland scenario was higher compared to the cerrado cover (+100 mm a–1). Land use change scenarios confirmed that deforestation caused higher annual ET rates explaining partly the trend of decreased streamflow. Taking all climate change scenarios into account, the most likely effect is a prolongation of the dry season (by about one month), with higher peak flows in the rainy season. Consequently, potential threats for crop production with lower soil moisture and increased erosion and sediment transport during the rainy season are likely and should be considered in adaption plans. 
From the three studies of the thesis I conclude that land use intensiﬁcation is likely to seriously limit the Cerrado’s future regarding both agricultural productivity and ecosystem stability. Because only limited data are available for the vast biome, we recommend further ﬁeld studies to understand the interaction between terrestrial and aquatic systems. This thesis may serve as a valuable database for integrated modelling to investigate the impact of land use and climate change on soil and water resources and to test and develop mitigation measures for the Cerrado in the future.
N2  - Ökohydrologische Interaktionen in Folge von exzessiver Bodenerosion auf landwirtschaftlich stark modifizierten Flächen können speziell in tropischen Gebieten einen großen Einfluss auf die Fruchtbarkeit und zukünftige Nutzbarkeit der Böden haben, wie dies im Cerrado geschieht. Der brasilianische Cerrado ist eine neotropische Savanne und stellt mit 2 Mio. km² das zweitgrößte Biom Südamerikas dar. Das Biom wird global unter den bedeutendsten aber auch meist gefährdetsten 25 Biodiversitätshotspots gelistet. Ein extremer Landnutzungswandel führt dazu, dass der Cerrado zu den weltweit bedeutendsten landwirtschaftlichen Gebieten zählt und mittlerweile > 50 % des Bioms abgeholzt sind. Durch staatliche Subventionsprogramme, Aufkalkung und Düngung der Böden werden mehrere Ernten (v.a. Soja, Mais, Zuckerrohr und Baumwolle) pro Jahr bei hohem Ertrag realisiert. 
Aufgrund weniger Untersuchungen ist bisher unklar, wie sich die Landnutzungsintensivierung mit dem Einsatz großer Mengen an Agrochemikalien auf die Boden- und Wasserressourcen auswirkt. Um die Zielsetzung zu erreichen, wurden in einer umfassenden Metaanalyse Boden- und Wasserqualitätsparameter von mehr als 100 Einzelstudien analysiert, mehrere Feldkampagnen zur Erhebung bodenphysikochemischer und Wasserqualitätsparameter für unterschiedliche Landnutzungen durchgeführt und Modellierungen mit SWAT zur Abschätzung des Landnutzungs- und Klimawandels vorgenommen. 
Die Literaturanalyse konnte zeigen, dass Erosion, Veränderungen des Nährstoffkreislaufs, Nährstoffanreicherungen und sehr hohe Pestizidkonzentrationen in den Gewässern des gesamten Cerrado auftreten, mit stärkster Ausprägung für Ackerflächen. Trotz hoher Düngemengen wird festgestellt, dass P nur in sehr geringen Konzentrationen in den Gewässern nachgewiesen wird, welches auf die P-Fixierung der Böden und die Filterleistung der Uferrandstreifen zurückzuführen ist. In einer Feldstudie bestätigen sich die Ergebnisse, dass der Landnutzungswandel zu deutlichen Änderungen der boden-physikochemischen Parameter führt, wie z.B. einer signifikanten Abnahme der hydraulischen Leitfähigkeit (> –90 %) und der Bodenaggregatstabilität. Außerdem werden erhöhte pH-Werte und Überdüngung anzeigende P und K-gehalte im Oberboden (9-fach natürlicher Hintergrund) mit der stärksten Ausprägung unter Soja gemessen. Die Niederschlagsintensitäten überschreiten die Infiltrationskapazität der landwirtschaftlich genutzten Böden, wodurch es zu erhöhtem Oberflächenabfluss, Bodenerosionsereignissen mit Gullyformierungen kommt und der Eintrag von Agrochemikalien in die zuvor pristinen Gewässer begünstigt wird. Verglichen mit natürlichen Gewässern konnten im gesamten Einzugsgebiet niedrigere O2-Werte (< 5 mg l–1) sowie erhöhte NO3– (0.5 mg l–1), NO2– (0.1 mg l–1) und in der Trockenzeit auf direkte Düngung zurückzuführende sehr hohe PO43– (0.8 mg l–1) Konzentrationen festgestellt werden. Da in den Bodenprofilen keine Tiefenakkumulation von NPK nachgewiesen wurde ist davon auszugehen, dass Dünger durch Oberflächenabflussprozesse in das Flusssystem gelangen. Auch wenn die Nährstoffkonzentrationen nach europäischen Maßstäben gering sind, ist anzunehmen, dass in einem nährstofflimitierten System wie dem Cerrado die um ein vielfach erhöhte Konzentration der natürlichen Hintergrundwerte den Metabolismus der Gewässer negativ beeinflusst. 
In einer dritten Studie wird mit SWAT untersucht wie sich der Landnutzungs- und Klimawandel auf die Wasserbilanz auswirkt. In Testläufen zeigt sich, dass sowohl die verwendeten Niederschlagseingangsdaten als auch die Vegetationsparameter des natürlichen Cerrados von hoher Relevanz sind. Die Simulation verschiedener Landnutzungsszenarien belegt, dass die im Gebiet beobachteten abnehmenden Abflüsse auf die Zunahme landwirtschaftlicher Produktion und einer damit einhergehenden Zunahme der Evapotranspiration zurückzuführen sind. Die Simulation extremer Klimaszenarien (RCP 8.5 2039-2058) verdeutlicht, dass sich die Trockenzeit verlängert, welches Auswirkungen auf die Aussaattermine haben könnte. Gleichzeitig nehmen die Spitzenabflüsse in der Regenzeit zu, welches ohne entsprechende Gegenmaßnahmen zu erhöhter Erosion und gesteigertem Nähr- und Schadstofftransport in die Gewässer führt. 
Kombiniert mit einer weiteren Landnutzungsintensivierung wird für die zukünftige Entwicklung des Cerrado geschlussfolgert, dass die Veränderungen des Wasser- und Nährstoffhaushalt durch die Landwirtschaft und die damit einhergehenden Degradierungserscheinungen die Produktivität und Ökosystemstabilität nicht dauerhaft gewährleisten werden können. Die vorliegende Dissertation liefert einen zentralen Beitrag zur ökohydrologischen Bewertung des Status quo und der zukünftigen Entwicklung des brasilianischen Cerrados. Sie kann einen Ausgangspunkt für weitere Forschungen und Modellierungen darstellen, um die in dieser Arbeit benannten offenen Fragen hinsichtlich der ökohydrologischen Interaktionen zu klären.
KW  - Cerrado
KW  - ecohydrology
KW  - water
KW  - soil
KW  - deforestation
KW  - Cerrado
KW  - Ökohydrologie
KW  - Landnutzung
KW  - Boden
KW  - Wasser
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-85110
ER  - 
TY  - THES
A1  - Baier, Thomas
T1  - Matching events and activities
T1  - Zuordnung von Ereignissen zu Aktivitäten
BT  - preprocessing event logs for process analysis
BT  - Vorverarbeitung von Ereignislogs für die Prozessanalyse
N2  - Nowadays, business processes are increasingly supported by IT services that produce massive amounts of event data during process execution. Aiming at a better process understanding and improvement, this event data can be used to analyze processes using process mining techniques. Process models can be automatically discovered and the execution can be checked for conformance to specified behavior. Moreover, existing process models can be enhanced and annotated with valuable information, for example for performance analysis. While the maturity of process mining algorithms is increasing and more tools are entering the market, process mining projects still face the problem of different levels of abstraction when comparing events with modeled business activities. Mapping the recorded events to activities of a given process model is essential for conformance checking, annotation and understanding of process discovery results. Current approaches try to abstract from events in an automated way that does not capture the required domain knowledge to fit business activities. Such techniques can be a good way to quickly reduce complexity in process discovery. Yet, they fail to enable techniques like conformance checking or model annotation, and potentially create misleading process discovery results by not using the known business terminology.

In this thesis, we develop approaches that abstract an event log to the same level that is needed by the business. Typically, this abstraction level is defined by a given process model. Thus, the goal of this thesis is to match events from an event log to activities in a given process model. To accomplish this goal, behavioral and linguistic aspects of process models and event logs as well as domain knowledge captured in existing process documentation are taken into account to build semiautomatic matching approaches. The approaches establish a pre--processing for every available process mining technique that produces or annotates a process model, thereby reducing the manual effort for process analysts. While each of the presented approaches can be used in isolation, we also introduce a general framework for the integration of different matching approaches.


The approaches have been evaluated in case studies with industry and using a large industry process model collection and simulated event logs. The evaluation demonstrates the effectiveness and efficiency of the approaches and their robustness towards nonconforming execution logs.
N2  - Heutzutage werden Geschäftsprozesse verstärkt durch IT Services unterstützt, welche große Mengen an Ereignisdaten während der Prozessausführung generieren. Mit dem Ziel eines besseren Prozessverständnisses und einer möglichen Verbesserung können diese Daten mit Hilfe von Process–Mining–Techniken analysiert werden. Prozessmodelle können dabei automatisiert erstellt werden und die Prozessausführung kann auf ihre Übereinstimmung hin geprüft werden. Weiterhin können existierende Modelle durch wertvolle Informationen erweitert und verbessert werden, beispielsweise für eine Performanceanalyse. Während der Reifegrad der Algorithmen immer weiter ansteigt, stehen Process–Mining–Projekte immer noch vor dem Problem unterschiedlicher Abstraktionsebenen von Ereignisdaten und Prozessmodellaktivitäten. Das Mapping der aufgezeichneten Ereignisse zu den Aktivitäten eines gegebenen Prozessmodells ist ein essentieller Schritt für die Übereinstimmungsanalyse, Prozessmodellerweiterungen sowie auch für das Verständnis der Modelle aus einer automatisierten Prozesserkennung. Bereits existierende Ansätze abstrahieren Ereignisse auf automatisierte Art und Weise, welche die notwendigen Domänenkenntnisse für ein Mapping zu bestehenden Geschäftsprozessaktivitäten nicht berücksichtigt. Diese Techniken können hilfreich sein, um die Komplexität eines automatisiert erstellten Prozessmodells schnell zu verringern, sie eignen sich jedoch nicht für Übereinstimmungsprüfungen oder Modellerweiterungen. Zudem können solch automatisierte Verfahren zu irreführenden Ergebnissen führen, da sie nicht die bekannte Geschäftsterminologie verwenden.

In dieser Dissertation entwickeln wir Ansätze, die ein Ereignislog auf die benötigte Abstraktionsebene bringen, welche typischerweise durch ein Prozessmodell gegeben ist. Daher ist das Ziel dieser Dissertation, die Ereignisse eines Ereignislogs den Aktivitäten eines Prozessmodells zuzuordnen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden Verhaltens- und Sprachaspekte von Ereignislogs und Prozessmodellen sowie weitergehendes Domänenwissen einbezogen, um teilautomatisierte Zuordnungsansätze zu entwickeln. Die entwickelten Ansätze ermöglichen eine Vorverarbeitung von Ereignislogs, wodurch der notwendige manuelle Aufwand für den Einsatz von Process–Mining–Techniken verringert wird.

Die vorgestellten Ansätze wurden mit Hilfe von Industrie-Case-Studies und simulierten Ereignislogs aus einer großen Prozessmodellkollektion evaluiert. Die Ergebnisse demonstrieren die Effektivität der Ansätze und ihre Robustheit gegenüber nicht-konformem Prozessverhalten.
KW  - process mining
KW  - conformance analysis
KW  - event abstraction
KW  - Process Mining
KW  - Übereinstimmungsanalyse
KW  - Ereignisabstraktion
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-84548
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TY  - THES
A1  - Meyer, Andreas
T1  - Data perspective in business process management
T1  - Daten im Geschäftsprozessmanagement
BT  - the role of data for process modeling, analysis, and execution
BT  - ihre Rolle für Prozessmodellierung, -analyse und -ausführung
N2  - Geschäftsprozessmanagement ist ein strukturierter Ansatz zur Modellierung, Analyse, Steuerung und Ausführung von Geschäftsprozessen, um Geschäftsziele zu erreichen. Es stützt sich dabei auf konzeptionelle Modelle, von denen Prozessmodelle am weitesten verbreitet sind. Prozessmodelle beschreiben wer welche Aufgabe auszuführen hat, um das Geschäftsziel zu erreichen, und welche Informationen dafür benötigt werden. Damit beinhalten Prozessmodelle Informationen über den Kontrollfluss, die Zuweisung von Verantwortlichkeiten, den Datenfluss und Informationssysteme.

Die Automatisierung von Geschäftsprozessen  erhöht die Effizienz der Arbeitserledigung und wird durch Process Engines unterstützt. Dafür werden jedoch Informationen über den Kontrollfluss, die Zuweisung von Verantwortlichkeiten für Aufgaben und den Datenfluss benötigt. Während aktuelle Process Engines die ersten beiden Informationen weitgehend automatisiert verarbeiten können, müssen Daten manuell implementiert und gewartet werden. Dem entgegen verspricht ein modell-getriebenes Behandeln von Daten eine vereinfachte Implementation in der Process Engine und verringert gleichzeitig die Fehleranfälligkeit dank einer graphischen Visualisierung und reduziert den Entwicklungsaufwand durch Codegenerierung.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Modellierung, der Analyse und der Ausführung von Daten in Geschäftsprozessen. Als formale Basis für die Prozessausführung wird ein konzeptuelles Framework für die Integration von Prozessen und Daten eingeführt. Dieses Framework wird durch operationelle Semantik ergänzt, die mittels einem um Daten erweiterten Petrinetz-Mapping vorgestellt wird. Die modellgetriebene Ausführung von Daten muss komplexe Datenabhängigkeiten, Prozessdaten und den Datenaustausch berücksichtigen. Letzterer tritt bei der Kommunikation zwischen mehreren Prozessteilnehmern auf. Diese Arbeit nutzt Konzepte aus dem Bereich der Datenbanken und überführt diese ins Geschäftsprozessmanagement, um Datenoperationen zu unterscheiden, um Abhängigkeiten zwischen Datenobjekten des gleichen und verschiedenen Typs zu spezifizieren, um modellierte Datenknoten sowie empfangene Nachrichten zur richtigen laufenden Prozessinstanz zu korrelieren und um Nachrichten für die Prozessübergreifende Kommunikation zu generieren. Der entsprechende Ansatz ist nicht auf eine bestimmte Prozessbeschreibungssprache begrenzt und wurde prototypisch implementiert.

Die Automatisierung der Datenbehandlung in Geschäftsprozessen erfordert entsprechend annotierte und korrekte Prozessmodelle. Als Unterstützung zur Datenannotierung führt diese Arbeit einen Algorithmus ein, welcher Informationen über Datenknoten, deren Zustände und Datenabhängigkeiten aus Kontrollflussinformationen extrahiert und die Prozessmodelle entsprechend annotiert. Allerdings können gewöhnlich nicht alle erforderlichen Informationen aus Kontrollflussinformationen extrahiert werden, da detaillierte Angaben über mögliche Datenmanipulationen fehlen. Deshalb sind weitere Prozessmodellverfeinerungen notwendig. Basierend auf einer Menge von Objektlebenszyklen kann ein Prozessmodell derart verfeinert werden, dass die in den Objektlebenszyklen spezifizierten Datenmanipulationen automatisiert in ein Prozessmodell überführt werden können. Prozessmodelle stellen eine Abstraktion dar. Somit fokussieren sie auf verschiedene Teilbereiche und stellen diese im Detail dar. Solche Detailbereiche sind beispielsweise die Kontrollflusssicht und die Datenflusssicht, welche oft durch Aktivitäts-zentrierte beziehungsweise Objekt-zentrierte Prozessmodelle abgebildet werden. In der vorliegenden Arbeit werden Algorithmen zur Transformation zwischen diesen Sichten beschrieben.

Zur Sicherstellung der Modellkorrektheit wird das Konzept der „weak conformance“ zur Überprüfung der Konsistenz zwischen Objektlebenszyklen und dem Prozessmodell eingeführt. Dabei darf das Prozessmodell nur Datenmanipulationen enthalten, die auch in einem Objektlebenszyklus spezifiziert sind. Die Korrektheit wird mittels Soundness-Überprüfung einer hybriden Darstellung ermittelt, so dass Kontrollfluss- und Datenkorrektheit integriert überprüft werden. Um eine korrekte Ausführung des Prozessmodells zu gewährleisten, müssen gefundene Inkonsistenzen korrigiert werden. Dafür werden für jede Inkonsistenz alternative Vorschläge zur Modelladaption identifiziert und vorgeschlagen.

Zusammengefasst, unter Einsatz der Ergebnisse dieser Dissertation können Geschäftsprozesse modellgetrieben ausgeführt werden unter Berücksichtigung sowohl von Daten als auch den zuvor bereits unterstützten Perspektiven bezüglich Kontrollfluss und Verantwortlichkeiten. Dabei wird die Modellerstellung teilweise mit automatisierten Algorithmen unterstützt und die Modellkonsistenz durch Datenkorrektheitsüberprüfungen gewährleistet.
N2  - Business process management (BPM) is a systematic and structured approach to model, analyze, control, and execute business operations also referred to as business processes that get carried out to achieve business goals. Central to BPM are conceptual models. Most prominently, process models describe which tasks are to be executed by whom utilizing which information to reach a business goal. Process models generally cover the perspectives of control flow, resource, data flow, and information systems.

Execution of business processes leads to the work actually being carried out. Automating them increases the efficiency and is usually supported by process engines. This, though, requires the coverage of control flow, resource assignments, and process data. While the first two perspectives are well supported in current process engines, data handling needs to be implemented and maintained manually. However, model-driven data handling promises to ease implementation, reduces the error-proneness through graphical visualization, and reduces development efforts through code generation.

This thesis addresses the modeling, analysis, and execution of data in business processes and presents a novel approach to execute data-annotated process models entirely model-driven. As a first step and formal grounding for the process execution, a conceptual framework for the integration of processes and data is introduced. This framework is complemented by operational semantics through a Petri net mapping extended with data considerations. Model-driven data execution comprises the handling of complex data dependencies, process data, and data exchange in case of communication between multiple process participants. This thesis introduces concepts from the database domain into BPM to enable the distinction of data operations, to specify relations between data objects of the same as well as of different types, to correlate modeled data nodes as well as received messages to the correct run-time process instances, and to generate messages for inter-process communication. The underlying approach, which is not limited to a particular process description language, has been implemented as proof-of-concept.

Automation of data handling in business processes requires data-annotated and correct process models. Targeting the former, algorithms are introduced to extract information about data nodes, their states, and data dependencies from control information and to annotate the process model accordingly. Usually, not all required information can be extracted from control flow information, since some data manipulations are not specified. This requires further refinement of the process model. Given a set of object life cycles specifying allowed data manipulations, automated refinement of the process model towards containment of all data manipulations is enabled. Process models are an abstraction focusing on specific aspects in detail, e.g., the control flow and the data flow views are often represented through activity-centric and object-centric process models. This thesis introduces algorithms for roundtrip transformations enabling the stakeholder to add information to the process model in the view being most appropriate.

Targeting process model correctness, this thesis introduces the notion of weak conformance that checks for consistency between given object life cycles and the process model such that the process model may only utilize data manipulations specified directly or indirectly in an object life cycle. The notion is computed via soundness checking of a hybrid representation integrating control flow and data flow correctness checking. Making a process model executable, identified violations must be corrected. Therefore, an approach is proposed that identifies for each violation multiple, alternative changes to the process model or the object life cycles.

Utilizing the results of this thesis, business processes can be executed entirely model-driven from the data perspective in addition to the control flow and resource perspectives already supported before. Thereby, the model creation is supported by algorithms partly automating the creation process while model consistency is ensured by data correctness checks.
KW  - business process management
KW  - process automation
KW  - model-driven
KW  - data
KW  - data objects
KW  - model transformation
KW  - data correctness checking
KW  - process refinement
KW  - data extraction
KW  - data states
KW  - formal framework
KW  - process and data integration
KW  - Geschäftsprozessmanagement
KW  - Prozessautomatisierung
KW  - Modellgetrieben
KW  - Daten
KW  - Datenobjekte
KW  - Modelltransformation
KW  - Datenkorrektheit
KW  - Prozessverfeinerung
KW  - Datenextraktion
KW  - Datenzustände
KW  - formales Framework
KW  - Prozess- und Datenintegration
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-84806
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TY  - THES
A1  - Torres Acosta, Verónica
T1  - Denudation processes in a tectonically active rift on different time scales
T1  - Denudationsprozesse eines tektonisch aktiven Rifts auf unterschiedlichen Zeitskalen
BT  - new insights from thermochronology and CRN dating in the Kenya Rift
BT  - neue Erkenntnisse aus Thermochronologie und CRN-Datierungen im Kenia Rift
N2  - Continental rifts are excellent regions where the interplay between extension, the build-up of topography, erosion and sedimentation can be evaluated in the context of landscape evolution. Rift basins also constitute important archives that potentially record the evolution and migration of species and the change of sedimentary conditions as a result of climatic change. Finally, rifts have increasingly become targets of resource exploration, such as hydrocarbons or geothermal systems. The study of extensional processes and the factors that further modify the mainly climate-driven surface process regime helps to identify changes in past and present tectonic and geomorphic processes that are ultimately recorded in rift landscapes.

The Cenozoic East African Rift System (EARS) is an exemplary continental rift system and ideal natural laboratory to observe such interactions. The eastern and western branches of the EARS constitute first-order tectonic and topographic features in East Africa, which exert a profound influence on the evolution of topography, the distribution and amount of rainfall, and thus the efficiency of surface processes. The Kenya Rift is an integral part of the eastern branch of the EARS and is characterized by high-relief rift escarpments bounded by normal faults, gently tilted rift shoulders, and volcanic centers along the rift axis.

Considering the Cenozoic tectonic processes in the Kenya Rift, the tectonically controlled cooling history of rift shoulders, the subsidence history of rift basins, and the sedimentation along and across the rift, may help to elucidate the morphotectonic evolution of this extensional province. While tectonic forcing of surface processes may play a minor role in the low-strain rift on centennial to millennial timescales, it may be hypothesized that erosion and sedimentation processes impacted by climate shifts associated with pronounced changes in the availability in moisture may have left important imprints in the landscape.

In this thesis I combined thermochronological, geomorphic field observations, and morphometry of digital elevation models to reconstruct exhumation processes and erosion rates, as well as the effects of climate on the erosion processes in different sectors of the rift. I present three sets of results: (1) new thermochronological data from the northern and central parts of the rift to quantitatively constrain the Tertiary exhumation and thermal evolution of the Kenya Rift. (2) 10Be-derived catchment-wide mean denudation rates from the northern, central and southern rift that characterize erosional processes on millennial to present-day timescales; and (3) paleo-denudation rates in the northern rift to constrain climatically controlled shifts in paleoenvironmental conditions during the early Holocene (African Humid Period).

Taken together, my studies show that time-temperature histories derived from apatite fission track (AFT) analysis, zircon (U-Th)/He dating, and thermal modeling bracket the onset of rifting in the Kenya Rift between 65-50 Ma and about 15 Ma to the present. These two episodes are marked by rapid exhumation and, uplift of the rift shoulders. Between 45 and 15 Ma the margins of the rift experienced very slow erosion/exhumation, with the accommodation of sediments in the rift basin.

In addition, I determined that present-day denudation rates in sparsely vegetated parts of the Kenya Rift amount to 0.13 mm/yr, whereas denudation rates in humid and more densely vegetated sectors of the rift flanks reach a maximum of 0.08 mm/yr, despite steeper hillslopes. I inferred that hillslope gradient and vegetation cover control most of the variation in denudation rates across the Kenya Rift today. Importantly, my results support the notion that vegetation cover plays a fundamental role in determining the voracity of erosion of hillslopes through its stabilizing effects on the land surface.

Finally, in a pilot study I highlighted how paleo-denudation rates in climatic threshold areas changed significantly during times of transient hydrologic conditions and involved a sixfold increase in erosion rates during increased humidity. This assessment is based on cosmogenic nuclide (10Be) dating of quartzitic deltaic sands that were deposited in the northern Kenya Rift during a highstand of Lake Suguta, which was associated with the Holocene African Humid Period. Taken together, my new results document the role of climate variability in erosion processes that impact climatic threshold environments, which may provide a template for potential future impacts of climate-driven changes in surface processes in the course of Global Change.
N2  - Kontinentale Riftsysteme wie das ostafrikanische Riftsystem (OARS) bieten ideale Voraussetzungen, um die verschiedenen Wechselwirkungen zwischen Extension, Änderungen in der Topographie, Erosion und Sedimentation im Zusammenhang mit Prozessen der Landschaftsentwicklung auf unterschiedlichen Zeitskalen zu untersuchen. Darüber hinaus spielen diese Regionen eine bedeutsame Rolle für die Entwicklung und Verbreitung der Arten und stellen durch eine kontinuierliche Entwicklung von Sedimentationsräumen und die in ihnen gespeicherten Klimasignale wichtige Klimaarchive dar. Rifts sind außerdem wichtige Regionen, in denen Maßnahmen zur Exploration natürlicher Ressourcen zunehmend wichtiger werden. Von Bedeutung ist hier, diese Prozesse und ihre Auslösemechanismen besser zu verstehen und Veränderungen in den tektonischen und geomorphologischen Prozessen der Vergangenheit und der Gegenwart zu identifizieren, deren Raten zu bestimmen und in den Kontext der Landschaftsentwicklung zu setzen.

Das OARS ist eine markante tektonische und topographische Erscheinung in Ostafrika, die einen tiefgreifenden Einfluss auf die Verteilung und Menge von Niederschlägen und damit auf die Effizienz von Oberflächenprozessen hat. Das Kenia-Rift ist ein integraler Bestandteil des östlichen Zweigs des OARS und ist durch ausgeprägte Riftflanken mit Abschiebungen, und flacheren Riftschultern sowie vulkanischen Zentren entlang des Grabens gekennzeichnet.

In Anbetracht der tektonischen Prozesse im Kenia-Rift während der letzten 60 Millionen Jahre, bilden die Bestimmung der Abkühlungsgeschichte der Riftschultern, sowie die Ablagerungsgeschichte im Riftbecken und auf den Riftschultern die Grundlage für die Rekonstruktion der strukturellen Entwicklung des Rifts. Auf kurzen, hundertjährigen bis tausendjährigen Zeitskalen, spielt tektonische Aktivität aufgrund langsamer Deformationsraten eine untergeordnete Rolle bei der Kontrolle von Erosion und Sedimentation. Dem gegenüber stehen klimagesteuerte Prozesse, die die Verfügbarkeit von Feuchtigkeit, die Niederschlagstätigkeit, die Vegetationsbedeckung sowie die Erosionsprozesse kontrollieren.

In dieser Dissertation habe ich thermochronologische Untersuchungen, geomorphologische Geländeergebnisse und morphometrische Analysen an digitalen Geländemodellen kombiniert, um Exhumationsprozesse und Erosionsraten sowie die Wirkung des Klimas auf die känozoische Entwicklung des Kenia-Rifts zu rekonstruieren. Ich präsentiere: (1) neue thermochronologische Daten aus den nördlichen und zentralen Teilen des Kenia-Rifts, um quantitative Angaben zur Exhumationsgeschichte und der thermischen Entwicklung im Känozoikum zu erhalten, die letztlich die Basis für regionale Riftmodelle bilden und die Dynamik der Riftbildung im Inneren eines Kontinents beleuchten; (2) mittlere Denudationsraten (mithilfe des kosmogenen Nuklids 10Be) in Einzugsgebieten des nördlichen, zentralen und südlichen Rifts um Abhängigkeiten der Erosionsprozesse von klimatischen, lithologischen und tektonischen Parametern auf einer Zeitskala von mehreren 10^3 Jahren zu erfassen; (3) Paläo-Denudationsraten im nördlichen Rift, um klimatisch kontrollierte Veränderungen der Umweltbedingungen im Früh-Holozän zu bestimmen. 

Meine Studien zeigen, dass Zeit-Temperatur-Pfade von Apatit Spaltspurenanalysen, Zirkon-(U-Th)/He-Datierungen und thermischen Modellierung den Zeitraum der Grabenbildung im Kenia Rift zwischen 65-50 Ma und von 15 Ma bis zur Gegenwart definieren. Diese beiden Phasen werden durch schnelle Exhumierung der Riftflanken und Anhebung der Riftschultern begleitet. Zwischen 45 und 15 Ma wurden die Riftschultern und -flanken nur sehr langsam erodiert/exhumiert, und Sedimente aus diesen Gebieten im Rift abgelagert, die zum Teil auf die damaligen Riftschultern sedimentiert wurden.

Darüber hinaus ermittelte ich, dass Denudationsraten in spärlich bewachsenen Gebieten heute bis zu 0,13 mm/a erreichen können, während in feuchten und dicht bewachsenen Gebieten ein Maximum von nur 0,08 mm/a erreicht wird, trotz z.T. steilerer Hänge. Die Kombination morphometrischer Untersuchungen und Analysen des kosmogenen Nuklids 10Be zeigt, dass Vegetation und Hangneigung weitgehend die Variabilität von Erosionsraten im heutigen Kenia Rift beeinflussen. Meine Ergebnisse unterstützen mit robusten quantitativen Daten die Hypothese, dass die Vegetationsdecke eine wichtige Rolle bei der Stabilisierung von Hängen spielt.

In einer weiterführenden Pilotstudie konnte ich zeigen, wie Paläo-Denudationsraten zum Verständnis bekannter Perioden der Klimaschwankung und den damit verbundenen Änderungen hydrologischer Bedingungen beitragen können. Diese Beobachtung basiert auf der Analyse kosmogener Nuklide (10Be) an früh-holozänen Deltaablagerungen im nördlichen Kenia Rift, die auf eine Vervierfachung der Erosionsraten in der Anfangsphase eines Wechsels von ariden zu humiden Klimabedingungen hindeuten. Diese Untersuchungen dokumentieren somit die Bedeutung von Klimavariabilität im Erosions- und Sedimentationsregime klimatischer Schwellenregionen und verdeutlichen ein Szenario der Veränderung von Oberflächenprozessen, wie es bei zukünftigen Änderungen des Klimas im Zuge des globalen Wandels erwartet werden kann.
KW  - denudation processes
KW  - East African Rift
KW  - landscape evolution
KW  - thermochronology
KW  - cosmogenic radionuclides
KW  - exhumation processes
KW  - vegetation cover
KW  - Denudation
KW  - Exhumationsprozesse
KW  - kosmogene Nuklide
KW  - Landschaftsentwicklung
KW  - ostafrikanisches Riftsystem
KW  - Vegetationsbedeckung
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-84534
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TY  - THES
A1  - Künstler, Andreas
T1  - Spot evolution on the red giant star XX Triangulum
T1  - Entwicklung von Sternflecken auf dem roten Riesenstern XX Triangulum
N2  - Spots on stellar surfaces are thought to be stellar analogues of sunspots. Thus, starspots are direct manifestations of strong magnetic fields. Their decay rate is directly related to the magnetic diffusivity, which itself is a key quantity for the deduction of an activity cycle length. So far, no single starspot decay has been observed, and thus no stellar activity cycle was inferred from its corresponding turbulent diffusivity.
We investigate the evolution of starspots on the rapidly-rotating K0 giant XX Triangulum. Continuous high-resolution and phase-resolved spectroscopy was obtained with the robotic 1.2-m STELLA telescope on Tenerife over a timespan of six years. With our line-profile inversion code iMap we reconstruct a total of 36 consecutive Doppler maps. To quantify starspot area decay and growth, we match the observed images with simplified spot models based on a Monte-Carlo approach.
It is shown that the surface of XX Tri is covered with large high-latitude and even polar spots and with occasional small equatorial spots. Just over the course of six years, we see a systematically changing spot distribution with various time scales and morphology such as spot fragmentation and spot merging as well as spot decay and formation.
For the first time, a starspot decay rate on another star than the Sun is determined. From our spot-decay analysis we determine an average linear decay rate of D = -0.067±0.006 Gm^2/day. From this decay rate, we infer a turbulent diffusivity of η_τ = (6.3±0.5) x 10^14 cm^2/s and consequently predict an activity cycle of 26±6 years. The obtained cycle length matches very well with photometric observations.
Our time-series of Doppler maps further enables to investigate the differential rotation of XX Tri. We therefore applied a cross-correlation analysis. We detect a weak solar-like differential rotation with a surface shear of α = 0.016±0.003. This value agrees with similar studies of other RS CVn stars.
Furthermore, we found evidence for active longitudes and flip-flops. Whereas the more active longitude is located in phase towards the (unseen) companion star, the weaker active longitude is located at the opposite stellar hemisphere. From their periodic appearance, we infer a flip-flop cycle of ~2 years. Both activity phenomena are common on late-type binary stars.
Last but not least we redetermine several astrophysical properties of XX Tri and its binary system, as large datasets of photometric and spectroscopic observations are available since its last determination in 1999. Additionally, we compare the rotational spot-modulation from photometric and spectroscopic studies.
N2  - Sternflecken gelten als stellare Analoga zu Sonnenflecken. Somit sind Sternflecken direkte Erscheinungsformen starker Magnetfelder. Ihre Zerfallsrate ist direkt mit der magnetischen Diffusivität verknüpft, welche selbst ein Maß für die Länge eines Aktivitätszyklus ist. Bislang konnte noch kein Zerfall eines einzelnen Sternflecks beobachtet werden und somit konnte noch kein stellarer Aktivitätszyklus mittels einer aus dem Fleckenzerfall abgeleiteten Diffusivität bestimmt werden.
Wir untersuchen die Entwicklung von Sternflecken auf dem schnell rotierenden K0 Riesenstern XX Triangulum. Über einen Zeitraum von sechs Jahren wurden durchgängig hochauflösende Spektren mit dem 1.2-m STELLA Teleskop auf Teneriffa aufgenommen. Mit unserem Inversionscode für Linienprofile (iMap) werden insgesamt 36 Dopplerkarten der Sternoberfläche rekonstruiert. Um sowohl den Zerfall als auch die Entstehung von Sternflecken zu bestimmen, werden die rekonstruierten Dopplerkarten mit vereinfachten Fleckenmodellen mittels einer Monte-Carlo-Methode abgebildet.
Es zeigt sich, dass die Oberfläche von XX Tri mit großen Flecken auf hohen und sogar polaren Breiten bedeckt ist sowie gelegentlichen kleineren Flecken nahe des Äquators. Gerade in der Zeitspanne von sechs Jahren sehen wir eine systematische Veränderung der Fleckenverteilung auf unterschiedlichen Zeitskalen und mit unterschiedlicher Morphologie, wie Fleckenaufspaltung und Fleckenvereinigung sowie Fleckenzerfall und Fleckenentstehung.
Zum ersten Mal wird die Zerfallsrate eines Sternflecks auf einem anderen Stern als der Sonne bestimmt. Von unserer Fleckenzerfallsanalyse bestimmen wir eine mittlere lineare Zerfallsrate von D = -0.067±0.006 Gm^2/d. Von dieser Zerfallsrate leiten wir eine turbulente Diffusivität von η_τ = (6.3±0.5) x 10^14 cm^2/s ab, und schließen daraus einen Aktivitätszyklus von 26±6 Jahren. Diese Zykluslänge stimmt gut mit photometrischen Beobachtungen überein.
Unsere Dopplerkarten ermöglichen zusätzlich die Untersuchung der differentiellen Rotation auf XX Tri, wofür eine Kreuzkorrelationsmethode angewandt wird. Wir detektieren eine schwache sonnenähnliche differentielle Rotation mit einer Oberflächenscherung von α = 0.016±0.003. Dieser Wert stimmt mit vergleichbaren Untersuchungen anderer RS CVn-Sterne überein.
Zudem haben wir Anzeichen für aktive Longituden und Flip-Flops gefunden. Während sich die aktivere Longitude in Phase zu dem (nicht sichtbaren) Begleitstern befindet, liegt die schwächere aktive Longitude auf der gegenüberliegenden Hemisphäre. Aus ihrem periodischen Auftreten schließen wir auf einen Flip-Flop-Zyklus von ungefähr zwei Jahren. Beide Aktivitätserscheinungen sind häufig auf Doppelsternen späten Spektraltyps zu finden.
Zu guter Letzt bestimmen wir die astrophysikalischen Eigenschaften von XX Tri neu, da seit der letzten Bestimmung im Jahre 1999 große neue Datensätze unterschiedlicher Beobachtungen vorhanden sind. Zusätzlich vergleichen wir die periodische Fleckenmodulation aus photometrischen und spektroskopischen Analysen.
KW  - stellar physics
KW  - stellar activity
KW  - Doppler imaging
KW  - Sternphysik
KW  - Sternaktivität
KW  - Doppler Imaging
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-84008
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kütter, Sissy
T1  - Magnetotelluric measurements across the southern Barberton Greenstone Belt, South Africa
T1  - Magnetotellurische Messungen am südlichen Barberton Grünsteingürtel, Südafrika
N2  - Der Barberton Grünsteingürtel (BGB) in Südafrika gehört zu den wenigen Regionen mit noch gut erhaltener Archaischer Kruste. Seit Jahrhunderten wurde der BGB eingehend untersucht und seine geologischen und tektonischen Strukturen detailliert kartiert. Über die tiefere Struktur des BGB ist hingegen wenig bekannt. Zahlreiche Evolutionsmodelle, die auf Altersbestimmungsdaten und strukturellen Informationen beruhen wurden über die Jahre aufgestellt. Diese Theorien sind zumeist widersprüchlich. Sie konzentrieren sich im Wesentlichen auf die Frage, ob plattentektonische Prozesse bereits bei der Entwicklung der frühen Erde eine Rolle spielten oder ob vertikale Tektonik, angetrieben durch die im Archaikum höheren Temperaturen, die Bildung der heutigen Kontinente bestimmt hat.
Um neue Erkenntnisse über die interne Struktur und Entwicklungsgeschichte des BGB zu erhalten, wurden im Rahmen der Deutsch-Südafrikanischen Forschungsinitiative Inkaba yeAfrica magnetotellurische (MT) Messungen durchgeführt. Entlang von sechs Profilen, die den gesamten südlichen Teil des BGB’s überdecken, wurden nahezu 200 MT-Stationen installiert. Tektonische Strukturen wie z. B. (fossile) Verwerfungszonen können erhöhte Leitfähigigkeiten haben, wenn sich leitfähige Mineralisationen innerhalb der Scherzonen gebildet haben. Durch die Abbildung der elektrischen Leitfähigkeitsverteilung des Untergrundes mit Hilfe von MT Messungen kann der Verlauf tektonischer Strukturen nachvollzogen werden, woraus Schlüsse über möglicherweise abgelaufene tektonische Prozesse gezogen werden können. Der gesamte MT Datensatz weist starke Störeinflüsse durch künstliche elektromagnetische Signale auf, die bspw. von Stromleitungen und elektrischen Zäunen stammen. Insbesondere langperiodische Daten (>1 s) sind davon betroffen, die für die Auflösung tieferer Strukturen notwendig sind. Die Anwendung etablierter Ansätze wie Verschiebungsfiltern und der Remote Reference-Methode, führte zu Verbesserungen vorrangig für Perioden < 1 s. Der langperiodische Bereich ist durch impulsartige Störsignale in den magnetischen und dazugehörigen Stufen in den elektrischen Feldkomponenten geprägt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuartiger Zeitbereichs-Filter entwickelt, welcher auf einer abgewandelten Form des Wiener Filters beruht und diese Art von Störsignalen aus den Daten entfernt. Durch den Vergleich der Datenvarianz einer lokalen Station mit der einer Referenzstation können gestörte Zeitsegmente identifiziert werden. Anschließend wird ein Wiener-Filter-Algorithmus angewendet, um für diese Segmente mithilfe der Referenzdaten physikalisch sinnvolle Zeitreihen zu berechnen, mit denen die Daten der lokalen Station ersetzt werden. Während impulsartige Störsignale in den magnetischen Datenkanälen relativ einfach erfasst werden können, ist die Detektion von Versätzen in den elektrischen Zeitreihen je nach Versatzhöhe problematischer. Um dieses Problem zu umgehen, habe ich einen Algorithmus entwickelt, bei dem die Zeitreihen differenziert, gefiltert und im letzten Schritt integriert werden. In einer zweiten von mir entwickelten Filtermethode werden die Störsignale durch den Vergleich des kurzzeitigen und des langzeitigen Datenmittelwerts ausfindig gemacht. Bei diesem Filter werden die Störsignale aus den Zeitreihen entfernt und durch eine lineare Interpolation ersetzt. Durch die beiden Filtermethoden wurde eine deutliche Verbesserung der Datenqualität bis zu 10 und teilweise 100 s erreicht.
Zur Interpretation des MT-Datensatzes wurden 2D und 3D Inversionen durchgeführt. Die so erhaltenen elektrischen Leitfähigkeitsmodelle zeigen eine gute Übereinstimmung mit den kartierten, geologischen Strukturen. Die Gesteine des BGB weisen in den Modellen hohe Widerstände auf und sind deutlich von leitfähigen benachbarten geologischen Strukturen abgegrenzt. Verwerfungszonen korrelieren mit leitfähigen Strukturen, die sich bis in eine Tiefe von 5 bis 10 km erstrecken. Eine Fortsetzung der Verwerfungszonen über die südliche Grenze des BGB wird in den 2D-Ergebnissen angedeutet. Insgesamt zeigen die Inversionsmodelle, dass vermutlich sowohl plattentektonische als auch vertikaltektonische Prozesse bei der Entstehung des BGB eine wichtige Rolle spielten.
N2  - The Barberton Greenstone Belt (BGB) in the northwestern part of South Africa belongs to the few well-preserved remnants of Archean crust. Over the last centuries, the BGB has been intensively studied at surface with detailed mapping of its surfacial geological units and tectonic features. Nevertheless, the deeper structure of the BGB remains poorly understood. Various tectonic evolution models have been developed based on geo-chronological and structural data. These theories are highly controversial and centre on the question whether plate tectonics - as geoscientists understand them today - was already evolving on the Early Earth or whether vertical mass movements driven by the higher temperature of the Earth in Archean times governed continent development.
To get a step closer to answering the questions regarding the internal structure and formation of the BGB, magnetotelluric (MT) field experiments were conducted as part of the German-South African research initiative Inkaba yeAfrica. Five-component MT data (three magnetic and two electric channels) were collected at ~200 sites aligned along six profiles crossing the southern part of the BGB. Tectonic features like (fossil) faults and shear zones are often mineralized and therefore can have high electrical conductivities. Hence, by obtaining an image of the conductivity distribution of the subsurface from MT measurements can provide useful information on tectonic processes.
Unfortunately, the BGB MT data set is heavily affected by man-made electromagnetic noise caused, e.g. by powerlines and electric fences. Aperiodic spikes in the magnetic and corresponding offsets in the electric field components impair the data quality particularly at periods >1 s which are required to image deep electrical structures. Application of common methods for noise reduction like delay filtering and remote reference processing, only worked well for periods <1 s. Within the framework of this thesis two new filtering approaches were developed to handle the severe noise in long period data and obtain reliable processing results. The first algorithm is based on the Wiener filter in combination with a spike detection algorithm. Comparison of data variances of a local site with those of a reference site allows the identification of disturbed time series windows for each recorded channel at the local site. Using the data of the reference site, a Wiener filter algorithm is applied to predict physically meaningful data to replace the disturbed windows. While spikes in the magnetic channels are easily recognized and replaced, steps in the electric channels are more difficult to detect depending on their offset. Therefore, I have implemented a novel approach based on time series differentiation, noise removal and subsequent integration to overcome this obstacle. A second filtering approach where spikes and steps in the time series are identified using a comparison of the short and long time average of the data was also implemented as part of my thesis. For this filtering approach the noise in the form of spikes and offsets in the data is treated by an interpolation of the affected data samples. The new developments resulted in a substantial data improvement and allowed to gain one to two decades of data (up to 10 or 100 s).
The re-processed MT data were used to image the electrical conductivity distribution of the BGB by 2D and 3D inversion. Inversion models are in good agreement with the surface geology delineating the highly resistive rocks of the BGB from surrounding more conductive geological units. Fault zones appear as conductive structures and can be traced to depths of 5 to 10 km. 2D models suggest a continuation of the faults further south across the boundary of the BGB. Based on the shallow tectonic structures (fault system) within the BGB compared to deeply rooted resistive batholiths in the area, tectonic models including both vertical mass transport and in parts present-day style plate tectonics seem to be most likely for the evolution of the BGB.
KW  - Magnetotellurik
KW  - magnetotellurics
KW  - Zeitreihenanalyse
KW  - time series analysis
KW  - Datenfilter
KW  - data filtering
KW  - Paläotektonik
KW  - early earth tectonics
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-83198
ER  - 
TY  - THES
A1  - Brosinsky, Arlena
T1  - Spectral fingerprinting
T1  - Spektrales Fingerprinting
BT  - the potential of VNIR-SWIR spectral characteristics for tracing suspended sediment sources
BT  - das Potential spektraler Charakteristika im visuellen bis zum kurzwelligen Infrarotbereich zur Rückverfolgung von Sedimentquellgebieten
N2  - Current research on runoff and erosion processes, as well as an increasing demand for sustainable watershed management emphasize the need for an improved understanding of sediment dynamics. This involves the accurate assessment of erosion rates and sediment transfer, yield and origin. A variety of methods exist to capture these processes at the catchment scale. Among these, sediment fingerprinting, a technique to trace back the origin of sediment, has attracted increasing attention by the scientific community in recent years. It is a two-step procedure, based on the fundamental assumptions that potential sources of sediment can be reliably discriminated based on a set of characteristic ‘fingerprint’ properties, and that a comparison of source and sediment fingerprints allows to quantify the relative contribution of each source.
This thesis aims at further assessing the potential of spectroscopy to assist and improve the sediment fingerprinting technique. Specifically, this work focuses on (1) whether potential sediment sources can be reliably identified based on spectral features (‘fingerprints’), whether (2) these spectral fingerprints permit the quantification of relative source contribution, and whether (3) in situ derived source information is sufficient for this purpose. Furthermore, sediment fingerprinting using spectral information is applied in a study catchment to (4) identify major sources and observe how relative source contributions change between and within individual flood events. And finally, (5) spectral fingerprinting results are compared and combined with simultaneous sediment flux measurements to study sediment origin, transport and storage behaviour.
For the sediment fingerprinting approach, soil samples were collected from potential sediment sources within the Isábena catchment, a meso-scale basin in the central Spanish Pyrenees. Undisturbed samples of the upper soil layer were measured in situ using an ASD spectroradiometer and subsequently sampled for measurements in the laboratory. Suspended sediment was sampled automatically by means of ISCO samplers at the catchment as well as at the five major subcatchment outlets during flood events, and stored fine sediment from the channel bed was collected from 14 cross-sections along the main river. Artificial mixtures of known contributions were produced from source soil samples. Then, all source, sediment and mixture samples were dried and spectrally measured in the laboratory. Subsequently, colour coefficients and physically based features with relation to organic carbon, iron oxide, clay content and carbonate, were calculated from all in situ and laboratory spectra. Spectral parameters passing a number of prerequisite tests were submitted to principal component analyses to study natural clustering of samples, discriminant function analyses to observe source differentiation accuracy, and a mixing model for source contribution assessment. In addition, annual as well as flood event based suspended sediment fluxes from the catchment and its subcatchments were calculated from rainfall, water discharge and suspended sediment concentration measurements using rating curves and Quantile Regression Forests. Results of sediment flux monitoring were interpreted individually with respect to storage behaviour, compared to fingerprinting source ascriptions and combined with fingerprinting to assess their joint explanatory potential.
In response to the key questions of this work, (1) three source types (land use) and five spatial sources (subcatchments) could be reliably discriminated based on spectral fingerprints. The artificial mixture experiment revealed that while (2) laboratory parameters permitted source contribution assessment, (3) the use of in situ derived information was insufficient. Apparently, high discrimination accuracy does not necessarily imply good quantification results. When applied to suspended sediment samples of the catchment outlet, the spectral fingerprinting approach was able to (4) quantify the major sediment sources: badlands and the Villacarli subcatchment, respectively, were identified as main contributors, which is consistent with field observations and previous studies. Thereby, source contribution was found to vary both, within and between individual flood events. Also sediment flux was found to vary considerably, annually as well as seasonally and on flood event base. Storage was confirmed to play an important role in the sediment dynamics of the studied catchment, whereas floods with lower total sediment yield tend to deposit and floods with higher yield rather remove material from the channel bed. Finally, a comparison of flux measurements with fingerprinting results highlighted the fact that (5) immediate transport from sources to the catchment outlet cannot be assumed. A combination of the two methods revealed different aspects of sediment dynamics that none of the techniques could have uncovered individually.
In summary, spectral properties provide a fast, non-destructive, and cost-efficient means to discriminate and quantify sediment sources, whereas, unfortunately, straight-forward in situ collected source information is insufficient for the approach. Mixture modelling using artificial mixtures permits valuable insights into the capabilities and limitations of the method and similar experiments are strongly recommended to be performed in the future. Furthermore, a combination of techniques such as e.g. (spectral) sediment fingerprinting and sediment flux monitoring can provide comprehensive understanding of sediment dynamics.
N2  - Aktuelle Forschung zu Abfluss- und Erosionsprozessen und die steigende Nachfrage nach nachhaltiger Wasserbewirtschaftung unterstreichen die Notwendigkeit für ein verbessertes Verständnis von Sedimentdynamik. Dazu gehören die genaue Bewertung von Erosionsraten sowie die Abschätzung von Sedimenttransfer, -ertrag und -herkunft. Es existiert eine Vielzahl von Verfahren, um diese Prozesse auf Einzugsgebietsskala zu erfassen. Unter diesen hat das Sediment-Fingerprinting, eine Technik zur Bestimmung der Sedimentherkunft, in den letzten Jahren zunehmend die Aufmerksamkeit der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf sich gezogen. Es ist ein zweiteiliges Verfahren auf Grundlage der Annahmen, dass mögliche Sedimentquellen unter Verwendung charakteristischer "Fingerabdrücke" zuverlässig unterschieden und dass ein Vergleich der Quell- und Sedimentfingerabdrücke es ermöglicht, den relativen Beitrag jeder Quelle zu quantifizieren.
Die vorliegende Arbeit untersucht die Möglichkeit, Spektroskopie zur Unterstützung und Verbesserung der Sediment-Fingerprinting Technik einzusetzen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den Fragen, ob (1) potenzielle Sedimentquellen basierend auf spektralen Merkmalen ("Fingerabdrücken") zuverlässig unterschieden werden können, ob (2) diese spektralen Fingerabdrücke die relative Quantifizierung von Quellbeiträgen erlauben und ob (3) in situ gemessene Quellinformationen für diesen Zweck ausreichend sind. Darüber hinaus wird spektrales Sediment-Fingerprinting in einem Untersuchungsgebiet angewandt, um (4) die wichtigsten Quellen zu identifizieren und um zu beobachten, wie sich relative Beiträge zwischen und innerhalb einzelner Hochwasserereignisse verändern. Außerdem werden (5) spektrale Sediment-Fingerprinting Ergebnisse mit gleichzeitig erhobenen Abfluss- und Sedimentflussdaten verglichen und kombiniert um Sedimentherkunft, -transport und -ablagerung zu untersuchen.
Für den Sediment-Fingerprinting Ansatz wurden Bodenproben potenzieller Sedimentquellen im Isábenabecken, einem mesoskaligen Einzugsgebiet in den zentralen spanischen Pyrenäen, gesammelt. Ungestörte Proben der Bodenoberfläche wurden in situ unter Verwendung eines ASD Spektroradiometers gemessen und anschließend für Labormessungen beprobt. Sedimentpartikel (Schwebfracht) wurden während Hochwasserereignissen automatisch mit Hilfe von ISCO Samplern am Gebietsauslass sowie an den fünf wichtigsten Teileinzugsbietsauslässen beprobt. Zusätzlich wurde im Flussbett abgelagertes Feinsediment an 14 Querschnitten entlang des Hauptflusses gesammelt. Aus den Bodenproben wurden zusätzlich künstliche Mischungen bekannter Zusammensetzung hergestellt. Alle Boden-, Sediment- und Gemischproben wurden getrocknet und im Labor spektral gemessen. Anschließend wurden aus allen Spektren (in situ und Labor) Farbkoeffizienten und physikalisch basierte features mit Bezug zu organischem Kohlenstoff, Eisenoxid, Tongehalt und Carbonat berechnet. Die spektralen Parameter wurden auf eine Reihe von Voraussetzungen getested. Auf Grundlage von Parametern, die die vorgegebenen Voraussetungen erfüllten, wurden die Proben anschließend mittels Hauptkomponenten-analyse auf natürliche Gruppierung getested. Die Differenzierungsgenauigkeit einzelner Parameter bzw. von Parameterkombinationen wurde mittels Diskriminanzfunktionsanalyse beurteilt und zur Quantifizierung der Beiträge verschiedener Quellen wurde ein Mischungs-modell entwickelt. Darüber hinaus wurden mittels Eichkurven und Quantile Regression Forests aus Niederschlags-, Abfluss- und Sedimentkonzentrationsmessungen jährliche sowie hochwasserbasierte Sedimentflüsse aus dem Einzugsgebiet und seinen Teileinzugsgebieten berechnet. Ergebnisse des Sedimentfluss Monitorings wurden einzeln in Bezug auf Speicherverhalten interpretiert, mit Quellquantifizierungen aus dem Sediment-Fingerprinting verglichen und mit dem Fingerprinting kombiniert, um das gemeinsame Erklärungspotential der beiden Methoden zu bewerten.
Als Antwort auf die Schlüsselfragen dieser Arbeit konnten (1) drei Quelltypen (Landnutzung) bzw. fünf räumliche Quellen (Teileinzugsgebiete) basierend auf spektralen Fingerabdrücken zuverlässig unterschieden werden. Das Experiment mit den künstlichen Mischungen ergab, dass während (2) Laborparameter die Beitragsabschätzung erlauben, (3) die Verwendung von in situ abgeleiteten Informationen nicht ausreicht. Offenbar bedeutet eine hohe Diskriminierungsgenauigkeit nicht unbedingt gute Quantifizierungs-ergebnisse. Auf Sedimentproben des Gebietsauslasses angewandt war der spektrale Sediment-Fingerprinting Ansatz in der Lage, (4) die Hauptsedimentquellen zu quantifizieren: Badlands und das Villacarli Teileinzugsgebiet wurden jeweils als Hauptquellen identifiziert. Dies ist im Einklang mit Beobachtungen früherer Studien. Dabei wurde festgestellt, dass Quellbeiträge sowohl innerhalb als auch zwischen den einzelnen Hochwasserereignissen variieren. Außerdem wurden starke Schwankungen der Sedimentflüsse, auf jährlicher sowie saisonaler- und Hochwasserereignis-Basis gefunden. Die wichtige Rolle des Flusses als Speicher in der Sedimentdynamik des untersuchten Einzugsgebietes wurde bestätigt, wobei Hochwasser mit niedrigerer Gesamtsedimentausbeute in der Regel Material ablagern und Hochwasser mit höherer Ausbeute eher Material aus dem Flussbett entfernen. Schließlich zeigte ein Vergleich der Sedimentflussmessungen mit Sediment-Fingerprinting Ergebnissen, dass (5) nicht von unmittelbarem Materialtransport von den Quellen zum Gebietsauslass ausgegangen werden kann. Die Kombination der zwei Verfahren offenbarte verschiedene Aspekte der Sedimentdynamik, die keine der beiden Techniken einzeln hätte aufdecken können.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass spektrale Messungen ein schnelles, zerstörungsfreies und kosteneffizientes Mittel zur Unterscheidung und Quantifizierung von Sedimentquellen bieten, wobei in situ gesammelte Quellinformationen leider nicht ausreichend für die Vorgehensweise sind. Experimente mit künstlichen Mischungen ermöglichten wertvolle Einblicke in die Möglichkeiten und Grenzen der Methode und ähnliche Versuche werden dringend für zukünftige Studien empfohlen. Eine Kombination von Techniken, wie z. B. (spektralem) Sediment-Fingerprinting und Sedimentfluss Monitoring können das Verständnis der Sedimentdynamik verbessern und vertiefen.
KW  - spectroscopy
KW  - sediment fingerprinting
KW  - artificial mixtures
KW  - Isábena catchment
KW  - suspended sediment
KW  - Spektroskopie
KW  - Sediment Fingerprinting
KW  - Isábena Einzugsgebiet
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-83369
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bettenbühl, Mario
T1  - Microsaccades
T1  - Mikrosakkaden
BT  - Symbols in fixational eye movements
BT  - Symbole in den Fixationsbewegungen der Augen
N2  - The first thing we do upon waking is open our eyes. Rotating them in our eye sockets, we scan our surroundings and collect the information into a picture in our head. Eye movements can be split into saccades and fixational eye movements, which occur when we attempt to fixate our gaze. The latter consists of microsaccades, drift and tremor. Before we even lift our eye lids, eye movements – such as saccades and microsaccades that let the eyes jump from one to another position – have partially been prepared in the brain stem. Saccades and microsaccades are often assumed to be generated by the same mechanisms. But how saccades and microsaccades can be classified according to shape has not yet been reported in a statistical manner. Research has put more effort into the investigations of microsaccades’ properties and generation only since the last decade. Consequently, we are only beginning to understand the dynamic processes governing microsaccadic eye movements. Within this thesis, the dynamics governing the generation of microsaccades is assessed and the development of a model for the underlying processes. Eye movement trajectories from different experiments are used, recorded with a video-based eye tracking technique, and a novel method is proposed for the scale-invariant detection of saccades (events of large amplitude) and microsaccades (events of small amplitude). Using a time-frequency approach, the method is examined with different experiments and validated against simulated data. A shape model is suggested that allows for a simple estimation of saccade- and microsaccade related properties. For sequences of microsaccades, in this thesis a time-dynamic Markov model is proposed, with a memory horizon that changes over time and which can best describe sequences of microsaccades.
N2  - Beim Aufwachen jeden Morgen, ist es das erste, was wir tun: wir öffnen unsere Augen. Wir lassen die Augen rotieren und suchen unsere Umgebung ab. Gleichzeitig wird die gesammelte Information in unserem Gehirn zu einem Bild vereint. Augenbewegungen können getrennt werden in Sakkaden, welche sprunghafte Augenbewegungen darstellen, und Fixationsbewegungen der Augen, letztere bestehend aus Mikrosakkaden, Tremor und Drift. Bevor wir unsere Augen aufschlagen, wurden die Bewegungen bereits teilweise im Hirnstamm vorprogrammiert. So ist dieser Teil unseres Gehirns verantwortlich für die Auslösung einer Sakkade oder Mikrosakkade, worin man versuchen kann auch gleichzeitig einen Zusammenhang für die Generierung dieser Bewegung herzustellen. Es wird vermutet, dass Mikrosakkaden auch als kleinskaligere Sakkade verstanden werden können, welche auftreten, wenn wir versuchen unsere Augen still auf einen Punkt zu fixieren. Bisher gibt es keine statistische Untersuchung bezüglich einer Klassifizierung von Sakkaden und Mikrosakkaden aufgrund ihrer Form, d.h. ihrer räumlichen Entwicklung über die Zeit. Seit Beginn des neuen Milleniums verstärkte sich die Forschung wieder auf die Eigenschaften und Entstehung von Mikrosakkaden. Demnach stehen wir immer noch am Anfang diese Phänomene mit dynamischen Prozessen beschreiben zu können. Der Fokus dieser Arbeit konzentriert sich auf das Verstehen der generierenden Dynamik von Mikrosakkaden. Es wird ein Model für den unterliegenden Prozess entwickelt und getestet. Es wurden Aufzeichnungen von Augenbewegungen aus verschiedenen Experimenten genutzt, jeweils aufgenommen mit einem videobasiertem System. Es wird eine neue Methode zur amplitudenunabhängigen Detektion von Sakkaden eingeführt, um die Zeitpunkte des Auftretens von Mikrosakkaden und Sakkaden zu bestimmen. Dabei werden für Daten verschiedener Experimente Methoden der Zeit-Frequenz-Analyse genutzt und anschließend die Methode validiert mit simulierten Daten. Außerdem wird ein Modell vorgestellt für die formabhängigen Ausprägungen von Sakkaden und Mikrosakkaden, um die Schätzung ihrer beiden physikalisch relevanten Eigenschaften zu erleichtern. Zum Ende der Arbeit wird ein zeitdynamisches Modell für Sequenzen von Mikrosakkadensymbolen aufgezeigt. Mithilfe der Beschreibung der in Symbolsequenzen übersetzten Mikrosakkadensequenzen als Markovketten, wird diese Form der Augenbewegung durch einen stochastischen Prozess beschrieben. Hierbei bestehen zeitliche und räumliche Abhängigkeiten zwischen den aufeinanderfolgenden zeitdiskreten Symbolen und erlauben somit, ein Referenzmodell für einen Teil der Fixationsbewegungen der Augen zu haben.
T3  - Potsdam Cognitive Science Series - 5 
KW  - Mikrosakkaden
KW  - Fixationsbewegungen der Augen
KW  - Sakkadendetektion
KW  - Mikrosakkadensequenzen
KW  - Waveletanalyse
KW  - microsaccades
KW  - fixational eye movements
KW  - saccade detection
KW  - sequences of microsaccades
KW  - wavelet analysis
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-72622
SN  - 978-3-86956-122-6
PB  - Universitätsverlag Potsdam
CY  - Potsdam
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TY  - THES
A1  - Metzner, Paul-Philipp
T1  - Eye movements and brain responses in natural reading
T1  - Blickbewegungen und Hirnströme im natürlichen Lesen
N2  - Intuitively, it is clear that neural processes and eye movements in reading are closely connected, but only few studies have investigated both signals simultaneously. Instead, the usual approach is to record them in separate experiments and to subsequently consolidate the results. However, studies using this approach have shown that it is feasible to coregister eye movements and EEG in natural reading and contributed greatly to the understanding of oculomotor processes in reading. The present thesis builds upon that work, assessing to what extent coregistration can be helpful for sentence processing research.

In the first study, we explore how well coregistration is suited to study subtle effects common to psycholinguistic experiments by investigating the effect of distance on dependency resolution. The results demonstrate that researchers must improve the signal-to-noise ratio to uncover more subdued effects in coregistration. In the second study, we compare oscillatory responses in different presentation modes. Using robust effects from world knowledge violations, we show that the generation and retrieval of memory traces may differ between natural reading and word-by-word presentation. In the third study, we bridge the gap between our knowledge of behavioral and neural responses to integration difficulties in reading by analyzing the EEG in the context of regressive saccades. We find the P600, a neural indicator of recovery processes, when readers make a regressive saccade in response to integration difficulties.

The results in the present thesis demonstrate that coregistration can be a useful tool for the study of sentence processing. However, they also show that it may not be suitable for some questions, especially if they involve subtle effects.
N2  - Es erscheint offensichtlich, dass neuronale Prozesse und Blickbewegungen im Lesen eng miteinander verwoben sind, aber nur wenige Studien haben beide Signale simultan betrachtet. Der übliche Ansatz ist, sie stattdessen in separaten Esxperimenten aufzuzeichnen und die Ergebnisse anschließend miteinander zu vereinbaren. Es wurde jedoch bereits gezeigt, dass Blickbewegungen und EEG im natürlichen Lesen koregistriert werden können; Studien, die diesen Ansatzes verfolgen, haben entscheidend zum Verständnis okulomotorischer Prozesse beim Lesen beigetragen. Von diesen Studien ausgehend erörtert die vorliegende Dissertation, inwieweit Koregistrierung auch für Satzverarbeitungsforschung nützlich sein kann.

In der ersten Studie wird erörtert, wie gut Koregistrierung für die Erfassung schwacher Effekte geeignet ist, wie sie für psycholinguistische Experimente typisch sind. Die linguistische Fragestellung in dieser Studie ist, wie sich Distanz auf die Auflösung linguistischer Abhängigkeiten auswirkt. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass Forscher den Signal-Rausch-Abstand erhöhen müssen, um kleinere Effekte mittels Koregistrierung zu erfassen. In der zweiten Studie werden neuronale Oszillationen in unterschiedlichen Präsentationsformen untersucht. Mithilfe robuster Effekte in Reaktion auf Weltwissensverletzungen wird gezeigt, dass Enkodierung und Abruf von Gedächtnisspuren sich zwischen natürlichem und wortweisem Lesen unterscheidet. In der dritten Studie wird eine Verbindung zwischen behavioralen und elektrophysiologischen Reaktionen auf Integrationsschwierigkeiten im Lesen hergestellt. Hierzu wird das EEG in An- und Abwesenheit regressiver Sakkaden analysiert. Die P600, eine neuronale Reflektion von Reparaturprozessen, ist nur im Kontext von regressiven Sakkaden in Reaktion auf Integrationsschwierigkeiten zu beobachen.

Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit demonstrieren, dass Koregistrierung eine vielversprechende Methode für die Satzverarbeitungsforschung ist. Sie zeigen jedoch auch, dass Koregistrierung sich nicht für jede Fragestellung eignet, insbesondere, wenn schwache Effekte zu erwarten sind.
KW  - natural reading
KW  - sentence processing
KW  - eye tracking
KW  - EEG
KW  - coregistration
KW  - dependency resolution
KW  - neural oscillations
KW  - regressive saccades
KW  - natürliches Lesen
KW  - Satzverarbeitung
KW  - Blickbewegungen
KW  - EEG
KW  - Koregistrierung
KW  - Abhängigkeitsauflösung
KW  - neuronale Oszillationen
KW  - regressive Sakkaden
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-82806
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TY  - THES
A1  - Trauth, Nico
T1  - Flow and reactive transport modeling at the stream-groundwater interface
T1  - Strömungs- und reaktive Stofftransportmodellierung an der Schnittstelle Fluss-Grundwasser
BT  - effects of hydrological conditions and streambed morphology
BT  - Einfluss der hydrologischen Bedingungen und der 
Flussbettmorphologie
N2  - Stream water and groundwater are important fresh water resources but their water quality is deteriorated by harmful solutes introduced by human activities. The interface between stream water and the subsurface water is an important zone for retention, transformation and attenuation of these solutes. Streambed structures enhance these processes by increased water and solute exchange across this interface, denoted as hyporheic exchange.
This thesis investigates the influence of hydrological and morphological factors on hyporheic water and solute exchange as well as redox-reactions in fluvial streambed structures on the intermediate scale (10–30m). For this purpose, a three-dimensional numerical modeling approach for coupling stream water flow with porous media flow is used. Multiple steady state stream water flow scenarios over different generic pool-riffle morphologies and a natural in-stream gravel bar are simulated by a computational fluid dynamics code that provides the hydraulic head distribution at the streambed. These heads are subsequently used as the top boundary condition of a reactive transport groundwater model of the subsurface beneath the streambed. Ambient groundwater that naturally interacts with the stream water is considered in scenarios of different magnitudes of downwelling stream water (losing case) and upwelling groundwater (gaining case). Also, the neutral case, where stream stage and groundwater levels are balanced is considered. Transport of oxygen, nitrate and dissolved organic carbon and their reaction by aerobic respiration and denitrification are modeled.
The results show that stream stage and discharge primarily induce hyporheic exchange flux and solute transport with implications for specific residence times and reactions at both the fully and partially submerged structures. Gaining and losing conditions significantly diminish the extent of the hyporheic zone, the water exchange flux, and shorten residence times for both the fully and partially submerged structures. With increasing magnitude of gaining or losing conditions, these metrics exponentially decrease.
Stream water solutes are transported mainly advectively into the hyporheic zone and hence their influx corresponds directly to the infiltrating water flux. Aerobic respiration takes place in the shallow streambed sediments, coinciding to large parts with the extent of the hyporheic exchange flow. Denitrification occurs mainly as a “reactive fringe” surrounding the aerobic zone, where oxygen concentration is low and still a sufficient amount of stream water carbon source is available. The solute consumption rates and the efficiency of the aerobic and anaerobic reactions depend primarily on the available reactive areas and the residence times, which are both controlled by the interplay between hydraulic head distribution at the streambed and the gradients between stream stage and ambient groundwater. Highest solute consumption rates can be expected under neutral conditions, where highest solute flux, longest residence times and largest extent of the hyporheic exchange occur. The results of this thesis show that streambed structures on the intermediate scale have a significant potential to contribute to a net solute turnover that can support a healthy status of the aquatic ecosystem.
N2  - Fluss- und Grundwasser sind wichtige Süßwasserressourcen, deren Qualität durch anthropogene Einträge schädlicher Stoffe vermindert wird. Im Grenzbereich zwischen Fluss- und Grundwasser können diese Stoffe zurückgehalten, umgewandelt oder abgebaut werden. Flussbettstrukturen erhöhen den sogenannten hyporheischen Austausch von Wasser und Stoffflüssen, wodurch diese Prozesse gefördert werden.
In dieser Arbeit wird der Einfluss von hydrologischen und morphologischen Faktoren auf Wasser und Stoffflüsse sowie Redox-Reaktionen in Flussbettstrukturen der mittleren Skala (10–30m) untersucht. Hierfür wird ein dreidimensionales numerisches Modell-Konzept verwendet, welches die Flussströmung und die Strömung im darunter liegenden porösen Medium koppelt. Mit einer Computational Fluid Dynamics Software wird die stationäre Flussströmung über generische Pool-Riffle Strukturen sowie über eine natürliche Flussinsel für verschiedene Abflüsse simuliert. Die berechneten Drücke am Flussbett werden als Randbedingungen erster Ordnung an ein reaktives Grundwasser- und Stofftransportmodell übertragen. An der unteren bzw. seitlichen Randbedingung werden zusätzliche Gradienten erzeugt, die die Interaktion zwischen Fluss und regionalem Grundwasser als in– oder exfiltrierende Bedingungen repräsentieren. Sind Flusswasserund Grundwasserstand ausgeglichen, liegen neutrale Bedingungen vor. Im Grundwassermodell werden der Transport von Sauerstoff, Nitrat und gelöstem organischen Kohlenstoff sowie deren mögliche Reaktion durch aerobe Respiration und Denitrifikation modelliert.
Die Simulationensergebnisse zeigen, dass der hyporheische Austausch durch hydraulische Gradienten am Flussbett verursacht wird. Existiert ein zusätzlicher hydraulischer Gradient zwischen Fluss- und Grundwasser, werden die ausgetauschten Wassermengen sowie die Größe der hyporheischen Zone vermindert, was mit kürzeren Verweilzeiten einhergeht. Dieser Effekt ist unabhängig von der Richtung dieses Gradienten und umso ausgeprägter, je stärker der Gradient zwischen dem Grundwasser und dem Flusswasserstand ist.
Die im Flusswasser gelösten Stoffe werden advektiv in die hyporheische Zone transportiert. Die aerobe Respiration nimmt große Bereiche der flachen hyporheischen Zone ein. Hohe Denitrifikationsraten existieren vor allem in einem “reaktiven Saum”, der den aeroben Bereich umschließt, da hier die Sauerstoffkonzentration niedrig und ausreichend Kohlenstoff verfügbar ist. Die Raten und die Effizienz der aeroben und anaeroben Reaktionen hängen vor allem von dem für die Reaktionen verfügbaren Raum sowie den Verweilzeiten der Stoffe in der hyporheischen Zone ab. Beide Parameter werden von der Wechselwirkung zwischen den hydraulischen Gradienten entlang des Flussbettes und dem Gradienten zwischen Fluss- und Grundwasser kontrolliert. Die höchsten Zehrraten werden unter neutralen Bedingungen erreicht, wenn die Menge der infiltrierenden gelösten Stoffe am höchsten ist, die längsten Verweilzeiten auftreten und die hyporheische Zone die größte Ausbreitung aufweist. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die untersuchten Flussbettstrukturen ein bedeutendes Potential für den Umsatz von Wasserinhaltsstoffen haben können, wodurch ein guter Status des aquatischen Ökosystems gefördert wird.
KW  - hyporheic zone
KW  - denitrification
KW  - streambed morphology
KW  - Computational Fluid Dynamics (CFD)
KW  - reactive transport groundwater model
KW  - hyporheische Zone
KW  - Denitrifikation
KW  - Flussbettmorphologie
KW  - numerische Strömungsmechanik
KW  - reaktives Grundwassermodell
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-82748
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TY  - THES
A1  - Mulyukova, Elvira
T1  - Stability of the large low shear velocity provinces
T1  - Stabilität der basalen Melange im untersten Erdmantel
BT  - numerical modeling of thermochemical mantle convection
BT  - numerische Modellierung thermochemischer Mantelkonvektion
N2  - We study segregation of the subducted oceanic crust (OC) at the core mantle boundary and its ability to accumulate and form large thermochemical piles (such as the seismically observed Large Low Shear Velocity Provinces - LLSVPs). Our high-resolution numerical simulations suggest that the longevity of LLSVPs for up to three billion years, and possibly longer, can be ensured by a balance in the rate of segregation of high-density OC-material to the CMB, and the rate of its entrainment away from the CMB by mantle upwellings.
For a range of parameters tested in this study, a large-scale compositional anomaly forms at the CMB,  similar in shape and size to the LLSVPs. Neutrally buoyant thermochemical piles formed by mechanical stirring - where thermally induced negative density anomaly is balanced by the presence of a fraction of dense anomalous material - best resemble the geometry of LLSVPs. Such neutrally buoyant piles tend to emerge and survive for at least 3Gyr in simulations with quite different parameters. We conclude that for a plausible range of values of density anomaly of OC material in the lower mantle - it is likely that it segregates to the CMB, gets mechanically mixed with the ambient material, and forms neutrally buoyant large scale compositional anomalies similar in shape to the LLSVPs.
We have developed an efficient FEM code with dynamically adaptive time and space resolution, and marker-in-cell methodology. This enabled us to model thermochemical mantle convection at realistically high convective vigor, strong thermally induced viscosity variations, and long term evolution of compositional fields.
N2  - Es wird allgemein akzeptiert, dass Mantelkonvektion - das langsame Fließen der Mantelgesteine, das mutmaßlich ein wichtiger Antrieb der Plattentektonik ist - von Dichteunterschieden verursacht wird, die thermischen aber auch chemischen Ursprungs sind. Es fehlen aber Kenntnisse über die thermochemischen Prozesse im Erdinneren, vor allem wegen Schwierigkeiten bei der Beobachtung.  Eines der zuverlässigsten Resultate von tomographischen Beobachtungen ist die Existenz von zwei Haufen einer basalen Melange  (BAM, LLSVP auf Englisch), die sich auf gegenüber liegenden Seiten in 3000 km Tiefe am Boden des Mantels unter Afrika bzw dem Pazifik befinden. Die niedrige Scherwellengeschwindigkeit in der BAM scheint eine thermischen (heiß) sowie einen chemischen (Material mit hoher Dichte) Ursprung zu haben. Aufgrund von plattentektonischen Rekonstruktionen wird angenommen dass die BAM langlebig und stabil sind, und dass sie von überwiegend von ihren Rändern hochquellenden Manteldiapiren beprobt werden.
Die Hauptfrage meiner Doktorarbeit ist, wie solche großen chemischen Speicher wie die BAM  sich bilden und über hunderte von Millionen Jahren überleben können, ohne dass sie von der Mantelkonvektion zerstört werden. Was sind die physikalischen Eigenschaften des BAM-Materials, z.B. Dichte, die dazu beitragen?

Ich benutze numerische Modellierung um zu erforschen, wie sich eine dichte Bodenschicht bildet und wie die Mantelkonvektion Material daraus mitnimmt. Mein Ziel ist, die langfristige thermochemische Entwicklung des Erdmantels zu verstehen, insbesondere die Rolle der Dichteheterogeintäten Viskosität im untersten Mantel.
KW  - earth's mantle
KW  - thermochemical mantle convection
KW  - numerical modeling
KW  - Erdmantel
KW  - thermochemischer Mantelkonvektion
KW  - numerische Modellierung
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-82228
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TY  - THES
A1  - Conforti, Giovanni
T1  - Reciprocal classes of continuous time Markov Chains
T1  - Reziproke Klassen zeitkontinuierlicher Markov-Ketten
N2  - In this thesis we study reciprocal classes of Markov chains. Given a continuous time Markov chain on a countable state space, acting as reference dynamics, the associated reciprocal class is the set of all probability measures on path space that can be written as a mixture of its bridges. These processes possess a conditional independence property that generalizes the Markov property, and evolved from an idea of Schrödinger, who wanted to obtain a probabilistic interpretation of quantum mechanics.
Associated to a reciprocal class is a set of reciprocal characteristics, which are space-time functions that determine the reciprocal class. We compute explicitly these characteristics, and divide them into two main families: arc characteristics and cycle characteristics. As a byproduct, we obtain an explicit criterion to check when two different Markov chains share their bridges.
Starting from the characteristics we offer two different descriptions of the reciprocal class, including its non-Markov probabilities.
The first one is based on a pathwise approach and the second one on short time asymptotic. With the first approach one produces a family of functional equations whose only solutions are precisely the elements of the reciprocal class. These equations are integration by parts on path space associated with derivative operators which perturb the paths by mean of the addition of random loops. Several geometrical tools are employed to construct such formulas. The problem of obtaining sharp characterizations is also considered, showing some interesting connections with discrete geometry. Examples of such formulas are given in the framework of counting processes and random walks on Abelian groups, where the set of loops has a group structure.
In addition to this global description, we propose a second approach by looking at the short time behavior of a reciprocal process. In the same way as the Markov property and short time expansions of transition probabilities characterize Markov chains, we show that a reciprocal class is characterized by imposing the reciprocal property and two families of short time expansions for the bridges. Such local approach is suitable to study reciprocal processes on general countable graphs. As application of our characterization, we considered several interesting graphs, such as lattices, planar
graphs, the complete graph, and the hypercube.
Finally, we obtain some first results about concentration of measure implied by lower bounds on the reciprocal characteristics.
N2  - Diese Dissertation behandelt die reziproke zufällige Prozesse mit Sprüngen. Gegeben eine zeitkontinuierliche Markovkette als Referenzdynamik, ist die assoziierte reziproke Klasse die Menge aller Wahrscheinlichkeiten auf dem Pfadraum, die als eine Mischung ihrer Brücken geschrieben werden kann. Reziproke Prozesse zeichnen sich durch eine Form der bedingten Unabhängigkeit aus, die die Markoveigenschaft verallgemeinert. Ursprünglich ist diese Idee auf Schrödinger zurückzuführen, der nach einer probabilistischen Interpretation für die Quantenmechanik suchte.
Einer reziproken Klasse wird eine Familie reziproker Charakteristiken assoziiert. Dies sind Raum-Zeit Abbildungen, die die reziproke Klasse eindeutig definieren. Wir berechnen diese Charakteristiken explizit und unterteilen sie in zwei Typen: Bogen-Charakteristiken und Kreis-Charakteristiken. Zusätzlich erhalten wir ein klares Kriterium zur Prüfung wann die Brücken von zwei verschiedenen Markovketten übereinstimmen.
Wir beschreiben auf zwei verschiedene Arten reziproken Klasse und berücksichtigen auch ihre nicht-Markov Elemente. Die erste Charakterisierung basiert auf einem pfadweisen Ansatz, während die zweite kurzzeit Asymptotik benutzt. Der erste Ansatz liefert eine Familie funktionaler Gleichungen deren einzige Lösungen die Elemente der reziproken Klasse sind. Die Gleichungen können als partielle Integration auf dem Pfadraum mit einem Ableitungsoperator, der eine St¨orung der Pfade durch zusätzliche zufällige Kreise hervorruft, interpretiert werden. Die Konstruktion dieser Gleichungen benötigt eine geometrische Analyse des Problems. Wir behandeln außerdem die Fragestellung einer scharfen Charakterisierung und zeigen interessante Verbindungen zur diskreten Geometrie. Beispiele, für die wir eine solche Formel finden konnten, sind für Zählprozesse und für Irrfahrte auf abelschen Gruppen, in denen die Menge der Kreise eine Gruppenstruktur erweist.
Zusätzlich zu diesem globalen Zugang, erforschen wir eine lokale Beschreibung durch die Analyse des kurzfristigen Verhaltens eines reziproken Prozesses. Analog zur Markoveigenschaft und kurzzeit Entwicklung ihrer Übergangswahrscheinlichkeit Markovketten charakterisieren, zeigen wir, dass eine reziproke Klasse charakterisiert werden kann indem wir ihre reziproke Eigenschaft und zwei Familien von Kurzzeit Entwicklungen der Brücken voraussetzen. Solche lokalen Ansatz ist geeignet, um Sprungprozesse auf allgemeine zählbaren Graphen zu studieren. Als Beispiele unserer Charakterisierung, betrachten wir Gitter, planare Graphen, komplette Graphen und die Hyperwürfel.
Zusätzlich präsentieren wir erste Ergebnisse über Maßenkonzentration eines reziproken Prozesses, als Konsequenz unterer Schranken seiner Charakteristiken.
N2  - In questa tesi si studiano le classi reciproche delle catene di Markov. Data una catena di Markov a tempo continuo su uno spazio numerabile, che svolge il ruolo di dinamica di riferimento, la sua classe reciproca é costituita da tutte le leggi sullo spazio dei cammini che si possono scrivere come un miscuglio dei ponti della legge di riferimento. Questi processi stocastici godono di una propriet`a di independenza condizionale che generalizza la proprietá di Markov ed é ispirata ad un’idea avuta da Schrödinger nel tentativo di derivare un’interpretazione stocastica della meccanica quantistica.
A ciascuna classe reciproca é associato un insieme di caratteristiche reciproche. Una caratteristica reciproca é una proprietá della dinamica di riferimento che viene trasmessa a tutti gli elementi della classe, e viene espressa matematicamente da un opportuna combinazione di funzionali del generatore della catena di riferimento. Nella tesi, le caratteristiche vengono calcolate esplicitamente e suddivise in due famiglie principali: le caratteristiche di arco e le caratteristice di ciclo. Come sottoprodotto, otteniamo un criterio esplicito per decidere quando due catene di Markov hanno gli stessi ponti.
A partire dalle caratteristiche reciproche, vengono proposte due caratterizzazioni della classe reciproca, compresi i suoi elementi non Markoviani. La prima é basata su un approccio traiettoriale, mentre la seconda si basa sul comportamento asintotico locale dei processi reciproci. Utilizzando il primo approccio, si ottiene una famiglia di equazioni funzionali che ammette come soluzioni tutti e soli gli elementi della classe reciproca. Queste equazioni sono integrazioni per parti sullo spazio dei cammini associate ad operatori differenziali che perturbano le traiettorie del processo canonico con l’aggiunta di loops casuali. Nella costruzione di queste equazioni si impiegano tecniche di geometria discreta, stabilendo un interessante collegamento con risultati recenti in questo campo. Le caratterizzazioni ottenute sono ottimali, in quanto impiegano un numero minimo di equazioni per descrivere la classe. Con questo metodo vengono studiate le classi reciproche di processi di conteggio, di camminate aleatorie su gruppi Abeliani, dove l’insieme dei cicli gode anch’esso di una struttura di gruppo. Il secondo approccio, di natura locale, si basa su stime asintotiche in tempo corto. É ben noto come una catena di Markov sia caratterizzata dal fatto di possedere la propriet`a di Markov e dal comportamento in tempo corto delle probabilitá di transizione. In questa tesi mostriamo che una classe reciproca é caratterizzata dalla propriet`a reciproca, e da due famiglie di stime asintotiche per i ponti del processo. Questo approccio locale permette di analizzare le classi reciproche di passeggiate aleatorie su grafi generali. Come applicazione dei risultati teorici, consideriamo i lattici, i grafi planari, il grafo completo, e l’ipercubo discreto.
Infine, otteniamo delle stime di concentrazione della misura e sul comportamento globale dei ponti, sotto l’ipotesi di un limite inferiore per le caratteristiche reciproche.
KW  - reciprocal characteristics
KW  - random walks on graphs
KW  - reziproke Invarianten
KW  - reziproke Klassen
KW  - Schrödinger Problem
KW  - partielle Integration auf dem Pfadraum
KW  - Irrfahrten auf Graphen
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-82255
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TY  - THES
A1  - Sarem, Zeinab
T1  - Regulation of IGF-1 bioactivity by dietary hormones, impact of glucagon and insulin-induced hypoglycemia
T1  - Regulierung der IGF-1 Bioaktivität durch diätische Hormone, Auswirkungen von Glucagon und Insulin-induzierte Hypoglykämie
N2  - Der Zusammenhang zwischen Ernährung und der Entwicklung von chronischen Krankenheiten wie metabolischem Syndrom, Diabetes mellitus, Krebs und kardiovaskulären Erkrankungen
 wurde untersucht. Veränderungen der GH-IGF-1 Achse in Verbindung mit ernährungsbedingten Erkrankungen wurden früher beschrieben. Das Wechselspiel zwischen GH, gesamt IGF-1 und verschiedenen hemmenden und stimulierenden IGF-1 bindenden Proteinen (IGFBPs) bestimmt die IGF-1 Bioaktivität, die als die Fähigkeit von IGF-1 die Phosphorylierung von seinem Rezeptor und folglich seinem Signalsweg zu induzieren, identifiziert ist. Deshalb reicht die Messung der IGF-1 Bioaktivität aus, um Änderungen des GH-IGF-1 Systems darzustellen. Studien deuten darauf hin, dass proteinreiche Diät, gekennzeichnet durch erhöhte Glukagonsekretion, und Insulin-induzierte Hypoglykämie die Sterblichkeit erhöhen, und die Mechanismen sind unklar. Sowohl Glukagon als auch Insulin-induzierte Hypoglykämie stimulieren die GH Sekretion. Das Ziel der vorliegenden Studie war, die Wirkung von Glucagon und Insulin-induzierter Hypoglykämie auf die IGF-1 -Bioaktivität als mögliche Mechanismen zu characterizieren. In einer doppelblinden, Placebo-kontrollierten Studie wurde Glukagon intramuskulär 13 Patienten mit T1DM (6 Männer / 7 Frauen; [ BMI ] : 24,8 ± 0,95 kg / m2) , 11 übergewichtigen Teilnehmern (OP ; 5/6 ; 34,4 ± 1,7 kg / m2) und 13 gesunden schlanken Teilnehmern (LP ; 6/7 ; 21,7 ± 0,6 kg / m2) administriert. Zwölf übergewichtige Teilnehmer (OP ; 6/6 ; 34,4 ± 1,7 kg / m2) und 13 gesunde schlanke Teilnehmer (LP ; 6/7 ; 21,7 ± 0,6 kg / m2) führten Insulintoleranztests in einer weiteren doppelblinden, Plazebo- kontrollierten Studie durch. Änderungen des GH, gesamt-IGF-1, der IGF-bindenden Proteinen ( IGFBPs ) und der IGF-1-Bioaktivität wurden durch das zellbasierte KIRA-Verfahren gemessen. Außerdem wurde die Wechselwirkung zwischen den metabolischen Hormonen (Glucagon und Insulin) und GH-IGF-1-System auf der Transkriptionsebene mit primären Maus-Hepatozyten untersucht. In dieser Arbeit verringerte Glukagon die IGF-1-Bioaktivität bei den Menschen unabhängig von körpereigenen Insulinspiegeln, höchstwahrscheinlich durch Modulation des IGFBP-1 und -2. Die Glukagon-induzierte Reduktion der IGF-1-Bioaktivität stellt einen neuen Mechanismus der Wirkung von Glucagon auf die GH-Sekretion dar und kann als mögliche Erklärung für die negativen Auswirkungen der proteinreichen Diät im Zusammenhang auf das erhöhte kardiovaskuläre Risiko und die Mortalität vorgeschlagen werden.
Zusätzlich wurde die Insulin-induzierten Hypoglykämie eine Abnahme der IGF-1-Bioaktivität durch Hochregulierung von IGFBP-2 zugeordnet. Diese Ergebnisse können auf mögliche und wenig erforschte Mechanismen zur Erläuterung der starken Assoziation zwischen Hypoglykämie und erhöhter kardiovaskulärer Mortalität bei diabetischen Patienten beziehen.
N2  - The relationship between nutrition and the development of chronic diseases including metabolic syndrome, diabetes mellitus, cancer and cardiovascular disease has been well studied. On the other hand, changes in the GH-IGF-1 axis in association with nutrition-related diseases have been reported. The interplay between GH, total IGF-1 and different inhibitory and stimulatory kinds of IGF-1 binding proteins (IGFBPs) results in IGF-1 bioactivity, the ability of IGF-1 to induce phosphorylation of its receptor and consequently its signaling. Moreover, IGF-1 bioactivity is sufficient to reflect any change in the GH-IGF-1 system. Accumulating evidence suggests that both of high protein diet, characterized by increased glucagon secretion, and insulin-induced hypoglycemia increase mortality rate and the mechanisms are unclear. However both of glucagon and insulin-induced hypoglycemia are potent stimuli of GH secretion. The aim of the current study was to identify the impact of glucagon and insulin-induced hypoglycemia on IGF-1 bioactivity as possible mechanisms. In a double-blind placebo-controlled study, glucagon was intramuscularly administrated in 13 type 1 diabetic patients (6 males /7 females; [BMI]: 24.8 ± 0.95 kg/m2), 11 obese subjects (OP; 5/ 6; 34.4 ± 1.7 kg/m2), and 13 healthy lean participants (LP; 6/ 7; 21.7 ± 0.6 kg/m2), whereas 12 obese subjects (OP; 6/ 6; 34.4 ± 1.7 kg/m2), and 13 healthy lean participants (LP; 6/ 7; 21.7 ± 0.6 kg/m2) performed insulin tolerance test in another double-blind placebo-controlled study and changes in GH, total IGF-1, IGF binding proteins (IGFBPs) and IGF-1 bioactivity, measured by the cell-based KIRA method, were investigated. In addition, the interaction between the metabolic hormones (glucagon and insulin) and the GH-IGF-1 system on the transcriptional level was studied using mouse primary hepatocytes. In this thesis, glucagon decreased IGF-1 bioactivity in humans independently of endogenous insulin levels, most likely through modulation of IGFBP-1 and-2 levels. The glucagon-induced reduction in IGF-1 bioactivity may represent a novel mechanism underlying the impact of glucagon on GH secretion and may explain the negative effect of high protein diet related to increased cardiovascular risk and mortality rate. In addition, insulin-induced hypoglycemia was correlated with a decrease in IGF-1 bioactivity through up-regulation of IGFBP-2. These results may refer to a possible and poorly explored mechanism explaining the strong association between hypoglycemia and increased cardiovascular mortality among diabetic patients.
KW  - IGF-1
KW  - bioactivity
KW  - glucagon
KW  - insulin-induced hypoglycemia
KW  - IGF-1
KW  - Bioaktivität
KW  - Glucagon
KW  - Insulin-induzierte Hypoglykämie
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-82198
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TY  - THES
A1  - Jäger, Lena Ann
T1  - Working memory and prediction in human sentence parsing
T1  - Arbeitsgedächtnis und Vorhersagbarkeit in der menschlichen Satzverarbeitung
BT  - cross-linguistic evidence from anaphoric dependencies and relative clauses
BT  - neue Erkenntnisse durch cross-linguistische Untersuchungen zu anaphorischen Dependenzen und Relativsätzen
N2  - This dissertation investigates the working memory mechanism subserving human sentence processing and its relative contribution to processing difficulty as compared to syntactic prediction. Within the last decades, evidence for a content-addressable memory system underlying human cognition in general has accumulated (e.g., Anderson et al., 2004). In sentence processing research, it has been proposed that this general content-addressable architecture is also used for language processing (e.g., McElree, 2000). 
Although there is a growing body of evidence from various kinds of linguistic dependencies that is consistent with a general content-addressable memory subserving sentence processing (e.g., McElree et al., 2003; VanDyke2006), the case of reflexive-antecedent dependencies has challenged this view. It has been proposed that in the processing of reflexive-antecedent dependencies, a syntactic-structure based memory access is used rather than   cue-based retrieval within a content-addressable framework  (e.g., Sturt, 2003). 

Two eye-tracking experiments on Chinese reflexives were designed to tease apart  accounts assuming a syntactic-structure based memory access mechanism  from  cue-based retrieval  (implemented in ACT-R as proposed by Lewis and Vasishth (2005).
In both experiments, interference effects were observed from   noun phrases which syntactically do not qualify as the reflexive's antecedent but match the animacy requirement the reflexive imposes on its antecedent. These results are interpreted as evidence against a purely syntactic-structure based memory access. However, the exact pattern of effects observed in the data is only partially compatible with the Lewis and Vasishth cue-based parsing model.  
Therefore, an extension of the Lewis and Vasishth model is proposed. Two principles are added to the original model, namely 'cue confusion' and 'distractor prominence'.
 
Although interference effects are generally interpreted  in favor of a content-addressable memory architecture, an alternative explanation for interference effects in reflexive processing has been proposed which, crucially, might reconcile interference effects with a structure-based account.  
It has been argued that interference effects do not necessarily reflect cue-based  retrieval interference in a content-addressable memory but might equally well be accounted for by interference effects which have already occurred at the moment of encoding the antecedent in memory (Dillon, 2011).  
Three experiments (eye-tracking and self-paced reading) on German reflexives  and Swedish possessives were designed to tease apart cue-based retrieval interference  from encoding interference. The results of all three experiments suggest that there is no evidence that encoding interference affects the retrieval of a reflexive's antecedent. 
Taken together, these findings suggest that the processing of reflexives can be explained with the same cue-based retrieval  mechanism  that has been invoked to explain syntactic dependency resolution in a range of other structures. This supports the view that the language processing system is located within a  general cognitive architecture, with a general-purpose content-addressable working memory system operating on linguistic expressions. 

Finally, two experiments (self-paced reading and eye-tracking) using Chinese relative clauses were conducted to determine the relative contribution to sentence processing difficulty of working-memory processes as compared to  syntactic prediction during incremental parsing. 
Chinese has the cross-linguistically rare property of being a language with  subject-verb-object word order and pre-nominal relative clauses. This property leads to opposing predictions of expectation-based 
 accounts and memory-based accounts with respect to the relative processing difficulty of subject vs. object relatives. 
Previous studies showed contradictory results, which  has been attributed to different kinds local ambiguities confounding the materials  (Lin and Bever, 2011). The two experiments presented are the first to compare Chinese relatives clauses in syntactically unambiguous contexts.
 The results of both  experiments were consistent with the predictions of the expectation-based account of sentence processing but not with the memory-based account.  From these findings, I conclude that  any theory of human sentence processing needs to take into account the power of predictive processes unfolding in the human mind.
N2  - Diese Dissertation untersucht die der menschlichen Satzverarbeitung zugrunde liegenden Mechanismen des Arbeitsgedächtnisses sowie deren Bedeutung für die Verarbeitungskomplexität im Vergleich zu dem Einfluss syntaktischer Erwartung. Vor dem Hintergrund der in den vergangenen Jahrzehnten angewachsenen empirischen Evidenz für ein assoziatives Gedächtnissystem als Grundlage der menschlichen Kognition im Allgemeinen (z.B. Anderson et al., 2004) wurde u.a. von McElree (2000) vorgeschlagen, dass dieses assoziative Gedächtnissystem auch der Sprachverarbeitung im Besonderen dient (z.B. McElree, 2000) und die Sprachverarbeitung folglich nicht etwa als ein von anderen kognitiven Fähigkeiten weitgehend losgelöstes Modul (z.B. Frazier, 1979) zu begreifen ist.

Obwohl sich die Evidenz für ein assoziatives Gedächtnis in der Sprachverarbeitung stetig mehrt (z.B. McElree et al., 2003; VanDyke2006), werden Daten zur Verarbeitung von Reflexivpronomen als Argument gegen ein assoziatives Gedächtnis herangezogen. So schlug beispielsweise Sturt (2003) vor, dass der Gedächtniszugriff in der Verarbeitung von Reflexivpronomen-Antezedens-Dependenzen nicht assoziativer Natur ist, sondern rein syntaktisch gesteuert ist (z.B., Sturt, 2003).
Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit werden zwei Leseexperimente (Eyetracking) vorgestellt, welche die Verarbeitung des chinesischen Reflexivpronomens 'ziji' testen und die darauf ausgelegt sind, Theorien, die einen syntaktisch gesteuerten Gedächtniszugriff annehmen, von Theorien, die einen assoziativen Gedächtniszugriff, wie er beispielsweise in dem ACTR-basierten Modell von Lewis and Vasishth (2005) implementiert wurde, zu unterscheiden.
In beiden Experimenten wurden Interferenzeffekte von Nominalphrasen beobachtet, die syntaktisch nicht als Antezedens des Reflexivpronomens in Frage kommen, aber das Belebtheitskriterium, das 'ziji' an seinen Antezedens stellt, erfüllen. Diese Ergebnisse werden als Evidenz gegen einen rein syntaktisch gesteuerten Gedächtniszugriff interpretiert. Jedoch sind diese Ergebnisse auch mit dem assoziativen Modell von Lewis und Vasishth (2005) nicht vollkommen vereinbar. Daher wird in der vorliegenden Arbeit eine Erweiterung des Modells von Lewis und Vasishth entwickelt. Zwei neue Prinzipien, 'cue confusion' und 'distractor prominence’, werden dem Originalmodell hinzugefügt und deren Auswirkungen auf die Vorhersagen des Modells diskutiert. 

Wenngleich Interferenzeffekte im Allgemeinen als Evidenz für ein assoziatives Gedächtnis herangezogen werden, argumentierte Dillon (2011), dass die empirisch beobachteten Interferenzeffekte nicht notwendigerweise Interferenzen im Moment eines assoziativen Gedächtniszugriffs reflektieren, sondern gleichermaßen Interferenzen widerspiegeln können, die bereits bei der Abspeicherung des entsprechenden Elements (z.B. des Antezedens in Reflexiv-Antezedens-Dependenzen) im Gedächtnis stattgefunden haben. Dies würde Interferenzeffekte mit einem nicht-assoziativen Gedächtnismodell vereinbar machen. Im zweiten Teil dieser Dissertation werden drei Experimente (selbst-gesteuertes Lesen und Eyetracking) vorgestellt, die deutsche Reflexivpronomen sowie schwedische Possessivpronomen testen und darauf abzielen, Rückschlüsse über den Moment der Interferenz (Interferenz beim Gedächtniszugriff im Gegensatz zu Interferenz bei der Speicherung) zu ziehen. Die Ergebnisse aller drei Experimente zeigen, dass etwaige Interferenzen beim Abspeichern eines Nomens keinen Einfluss auf dessen späteren Zugriff haben. 

Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse dieser Experimente zum Chinesischen, Deutschen und Schwedischen, dass die Verarbeitung von Reflexivpronomen mit demselben assoziativen Gedächtniszugriff erklärt werden kann, von dem angenommen wird, dass er der Verarbeitung einer Reihe anderer syntaktischer Dependenzen zugrunde liegt. Darüber hinaus sind die hier vorgestellten Ergebnisse im Einklang mit einer generellen Theorie über die menschliche Kognition, die das Sprachverarbeitungssystem als Bestandteil einer allgemeinen kognitiven Architektur begreift, in welcher ein allgemeines assoziatives Gedächtnissystem auf sprachlichen Repräsentationen operiert.

Im dritten Teil dieser Dissertation werden zwei weitere Leseexperimente (selbst-gesteuertes Lesen und Eyetracking) vorgestellt, in denen anhand chinesischer Relativsätze die Wirkung von Arbeitsgedächtnisprozessen im Vergleich zu der Wirkung syntaktischer Erwartung auf die Komplexität der inkrementellen Satzverarbeitung untersucht wird. Chinesisch ist cross-linguistisch insofern eine außergewöhnliche Sprache, als dass es eine Subjekt-Verb-Objekt-Wortstellung mit pränominalen Relativsätzen vereint. Die Kombination dieser Eigenschaften führt dazu, dass Theorien, die Satzverarbeitungskomplexität primär Arbeitsgedächtnisprozessen zuschreiben (z.B. Gibson, 2000), und erwartungsbasierte Theorien, welche die Satzverarbeitungskomplexität dem Erfüllen bzw. dem Brechen syntaktischer oder lexikalischer Erwartungen zuschreiben (z.B. Hale, 2001; Levy, 2008), gegensätzliche Vorhersagen machen. Bisherige Studien zu chinesischen Relativsätzen zeigten widersprüchliche Ergebnisse, was mit dem Vorhandensein konfundierender lokaler syntaktischer Ambiguitäten in den Stimuli erklärt wurde (Lin und Bever, 2011). Die beiden in dieser Arbeit vorgestellten Experimente testen erstmals chinesische Relativsätze anhand von Materialien, die frei von syntaktischen Ambiguitäten sind. Die Ergebnisse beider Experimente sind vereinbar mit erwartungsbasierten Theorien, aber nicht mit Theorien, die Satzverarbeitungskomplexität allein mit Arbeitsgedächtnisprozessen erklären. Diese Ergebnisse zeigen, dass jede umfassende Theorie der Satzverarbeitung erwartungsgesteuerten kognitiven Prozessen einen wichtigen Stellenwert einräumen muss.
KW  - working memory
KW  - Arbeitsgedächtnis
KW  - sentence processing
KW  - Satzverarbeitung
KW  - cognitive modeling
KW  - kognitive Modellierung
KW  - psycholinguistics
KW  - Psycholinguistik
KW  - ACT-R
KW  - Chinese
KW  - Chinesisch
KW  - reflexives
KW  - Reflexivpronomen
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KW  - linguistics
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KW  - prediction
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KW  - content-addressable memory
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-82517
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pingel, Heiko
T1  - Mountain-range uplift & climate-system interactions in the Southern Central Andes
T1  - Wechselwirkungen zwischen Gebirgsbildung und Klima in den südlichen Zentralanden
N2  - Zwei häufig diskutierte Aspekte der spätkänozoischen Gebirgsbildung der Anden sind der Zeitpunkt sowie die Art und Weise der Heraushebung des Puna-Plateaus und seiner Randgebiete innerhalb der Ostkordillere und die damit verbundenen klimatischen Änderungen in NW Argentinien. Die Ostkordillere trennt die Bereiche des endorheischen, ariden Plateaus von semiariden und extern entwässerten intermontanen Becken sowie dem humiden Andenvorland im Osten. Diese Unterschiede verdeutlichen die Bedeutung der östlichen Flanken der Anden als orografische Barrieren gegenüber feuchten Luftmassen aus dem Osten und spiegelt sich auch in ausgeprägten Relief- und Topografiegradienten, der Niederschlagsverteilung, und der Effizienz von Oberflächenprozessen wider. Obwohl das übergeordnete Deformationsmuster in diesem Teil der Anden eine ostwärts gerichtete Wanderung der Deformationsprozesse im Gebirge indiziert, gibt es hier keine klar definierte Deformationsfront. Hebungsvorgänge und die damit im Zusammenhang stehenden Sedimentprozesse setzen räumlich und zeitlich sehr unterschiedlich ein. Zudem gestalten periodisch wiederkehrende Deformationsereignisse innerhalb intermontaner Becken und diachrone Hebungsvorgänge, durch Reaktivierung älterer Sockelstrukturen im Vorland, eine detaillierte Auswertung der räumlich-zeitlichen Hebungsmuster zusätzlich schwierig. 

Die vorliegende Arbeit konzentriert sich hauptsächlich auf die tektonische Entwicklung der Ostkordillere im Nordwesten Argentiniens, die Ablagerungsgeschichte ihrer intermontanen Sedimentbecken und die topografische Entwicklung der Ostflanke des andinen Puna-Plateaus. Im Allgemeinen sind sich die Sedimentbecken der Ostkordillere und der angrenzenden Provinzen, den Sierras Pampeanas und der Santa Bárbara Region, den durch Störungen begrenzten und mit Sedimenten verfüllten Becken der hochandinen Plateauregion sehr ähnlich. Deutliche Unterschiede zur Puna bestehen aber dennoch, denn wiederholte Deformations-, Erosions- und Sedimentationsprozesse haben in den intermontanen Becken zu einer vielfältigen Stratigrafie, Überlagerungsprozessen und einer durch tektonische Prozesse und klimatischen Wandel charakterisierten Landschaft beigetragen. Je nach Erhaltungsgrad können in einigen Fällen Spuren dieser sedimentären und tektonischen Entwicklung bis in die Zeit zurückreichen, als diese Bereiche des Gebirges noch Teil eines zusammenhängenden und unverformten Vorlandbeckens waren. Im Nordwesten Argentiniens enthalten känozoische Sedimente zahlreiche datierbare und geochemisch korrelierbare Vulkanaschen, die nicht nur als wichtige Leithorizonte zur Entschlüsselung tektonischer und sedimentärer Ereignisse dienen. Die vulkanischen Gläser dieser Aschen archivieren außerdem Wasserstoff-Isotopenverhältnisse früherer Oberflächenwasser, mit deren Hilfe - im Vergleich mit den Isotopenverhältnissen rezenter meteorischer Wässer - die räumliche und zeitliche Entstehung orografischer Barrieren und tektonisch erzwungene Klima- und Umweltveränderungen verfolgt werden können. 

Uran-Blei-Datierungen an Zirkonen aus den vulkanischen Aschelagen und die Rekonstruktion sedimentärer Paläotransportrichtungen im intermontanen Humahuaca-Becken in der Ostkordillere (23.5° S) deuten an, dass das heutige Becken bis vor etwa 4.2 Ma Bestandteil eines größtenteils uneingeschränkten Ablagerungsbereichs war, der sich bis ins Vorland erstreckt haben muss. Deformation und Hebung östlich des heutigen Beckens sorgten dabei für eine fortschreitende Entkopplung des Entwässerungsnetzes vom Vorland und eine Umlenkung der Flussläufe nach Süden. In der Folge erzwang die weitere Hebung der Gebirgsblöcke das Abregnen östlicher Luftmassen in immer östlicher gelegene Bereiche. Zudem können periodische Schwankungen der hydrologischen Verbindung des Beckens mit dem Vorland im Zusammenhang mit der Ablagerung und Erosion mächtiger Beckenfüllungen identifiziert werden. Systematische Beziehungen zwischen Verwerfungen, regionalen Diskontinuitäten und verstellten Terrassenflächen verweisen außerdem auf ein generelles Muster beckeninterner Deformation, vermutlich als Folge umfangreicher Beckenerosion und damit verbundenen Änderungen im tektonischen Spannungsfeld der Region. Einige dieser Beobachtungen können anhand veränderter Wasserstoff-Isotopenkonzentrationen vulkanischer Gläser aus der känozoischen Stratigrafie untermauert werden. Die δDg-Werte zeigen zwei wesentliche Trends, die einerseits in Verbindung mit Oberflächenhebung innerhalb des Einzugsgebiets zwischen 6.0 und 3.5 Ma stehen und andererseits mit dem Einsetzen semiarider Bedingungen durch Erreichen eines Schwellenwertes der Topografie der östlich gelegenen Gebirgszüge nach 3.5 Ma erklärt werden können. Tektonisch bedingte Unterbrechung der Sedimentzufuhr aus westlich gelegenen Liefergebieten um 4.2 Ma und die folgende Hinterland-Aridifizierung deuten weiterhin auf die Möglichkeit hin, dass diese Prozesse die Folge eines lateralen Wachstums des Puna-Plateaus sind. Diese Aridifizierung im Bereich der Puna resultierte in einem ineffizienten, endorheischen Entwässerungssystem, das dazu beigetragen hat, das Plateau vor Einschneidung und externer Entwässerung zu bewahren und Reliefgegensätze aufgrund fortgesetzter Beckensedimentation reduzierte. 

Die diachrone Natur der Hebungen und Beckenbildungen sowie deren Auswirkungen auf das Flusssystem im angrenzenden Vorland wird sowohl durch detaillierte Analysen der Sedimentherkunft und Transportrichtungen als auch Uran-Blei-Datierungen im Lerma- und Metán-Becken (25° S) weiterhin unterstrichen. Das wird besonders deutlich am Beispiel der isolierten Hebung der Sierra de Metán vor etwa 10 Ma, die mehr als 50 km von der aktiven orogenen Front im Westen entfernt liegt. Ab 5 Ma sind typische Lithologien der Puna nicht mehr in den Vorlandsedimenten nachweisbar, welches die weitere Hebung innerhalb der Ostkordillere und die hydrologische Isolation des Angastaco-Beckens in dieser Region dokumentiert. Im Spätpliozän und Quartär ist die Deformation letztlich über das gesamte Vorland verteilt und bis heute aktiv. 

Um die Beziehungen zwischen tektonisch kontrollierten Veränderungen der Topografie und deren Einfluss auf atmosphärische Prozesse besser zu verstehen, werden in dieser Arbeit weitere altersspezifische Wasserstoff-Isotopendaten vulkanischer Gläser aus dem zerbrochenen Vorland, dem Angastaco-Becken in der Übergangsregion zwischen Ostkordillere und Punarand und anderer intermontaner Becken weiter südlich vorgestellt. Die Resultate dokumentieren ähnliche Höhenlagen der untersuchten Regionen bis ca. 7 Ma, gefolgt von Hebungsprozessen im Bereich des Angastaco-Beckens. Ein Vergleich mit Isotopendaten vom benachbarten Puna-Plateau hilft abrupte δDg-Schwankungen in den intermontanen Daten zu erklären und untermauert die Existenz wiederkehrender Phasen verstärkt konvektiver Wetterlagen im Pliozän, ähnlich heutigen Bedingungen. 

In dieser Arbeit werden geländeorientierte und geochemische Methoden kombiniert, um Erkenntnisse über die Abläufe von topografiebildenden Deformations- und Hebungsprozessen zu gewinnen und Wechselwirkungen mit der daraus resultierenden Niederschlagsverteilung, Erosion und Sedimentation innerhalb tektonisch aktiver Gebirge zu erforschen. Diese Erkenntnisse sind für ein besseres Verständnis von Subduktionsgebirgen essentiell, besonders hinsichtlich des Deformationsstils und der zeitlich-räumlichen Beziehungen bei der Hebung und Sedimentbeckenbildung. Diese Arbeit weist darüberhinaus auf die Bedeutung stabiler Isotopensysteme zur Beantwortung paläoaltimetrischer Fragestellungen und zur Erforschung von Paläoumweltbedingungen hin und liefert wichtige Erkenntnisse für einen kritischen Umgang mit solchen Daten in anderen Regionen.
N2  - Two of the most controversial issues concerning the late Cenozoic evolution of the Andean orogen are the timing of uplift of the intraorogenic Puna plateau and its eastern border, the Eastern Cordillera, and ensuing changes in climatic and surface-process conditions in the intermontane basins of the NW-Argentine Andes. The Eastern Cordillera separates the internally drained, arid Puna from semi-arid intermontane basins and the humid sectors of the Andean broken foreland and the Subandean fold-and-thrust belt to the east. With elevations between 4,000 and 6,000 m the eastern flanks of the Andes form an efficient orographic barrier with westward-increasing elevation and asymmetric rainfall distribution and amount with respect to easterly moisture-bearing winds. This is mirrored by pronounced gradients in the efficiency of surface processes that erode and re-distribute sediment from the uplifting ranges. Although the overall pattern of deformation and uplift in this sector of the southern central Andes shows an eastward migration of deformation, a well-developed deformation front does not exist and uplift and associated erosion and sedimentary processes are highly disparate in space and time. In addition, periodic deformation within intermontane basins, and continued diachronous foreland uplifts associated with the reactivation of inherited basement structures furthermore make a rigorous assessment of the spatiotemporal uplift patterns difficult. 

This thesis focuses on the tectonic evolution of the Eastern Cordillera of NW Argentina, the depositional history of its intermontane sedimentary basins, and the regional topographic evolution of the eastern flank of the Puna Plateau. The intermontane basins of the Eastern Cordillera and the adjacent morphotectonic provinces of the Sierras Pampeanas and the Santa Bárbara System are akin to reverse fault bounded, filled, and partly coalesced sedimentary basins of the Puna Plateau. In contrast to the Puna basins, however, which still form intact morphologic entities, repeated deformation, erosion, and re-filling have impacted the basins in the Eastern Cordillera. This has resulted in a rich stratigraphy of repeated basin fills, but many of these basins have retained vestiges of their early depositional history that may reach back in time when these areas were still part of a contiguous and undeformed foreland basin. Fortunately, these strata also contain abundant volcanic ashes that are not only important horizons to decipher tectono-sedimentary events through U-Pb geochronology and geochemical correlation, but they also represent terrestrial recorders of the hydrogen-isotope composition of ancient meteoric waters that can be compared to the isotopic composition of modern meteoric water. The ash horizons are thus unique recorders of past environmental conditions and lend themselves to tracking the development of rainfall barriers and tectonically forced climate and environmental change through time. 

U-Pb zircon geochronology and paleocurrent reconstructions of conglomerate sequences in the Humahuaca Basin of the Eastern Cordillera at 23.5° S suggest that the basin was an integral part of a largely unrestricted depositional system until 4.2 Ma, which subsequently became progressively decoupled from the foreland by range uplifts to the east that forced easterly moisture-bearing winds to precipitate in increasingly eastward locations. Multiple cycles of severed hydrological conditions and drainage re-capture are identified together with these processes that were associated with basin filling and sediment evacuation, respectively. Moreover, systematic relationships among faults, regional unconformities and deformed landforms reveal a general pattern of intra-basin deformation that appears to be linked with basin-internal deformation during or subsequent to episodes of large-scale sediment removal. Some of these observations are supported by variations in the hydrogen stable isotope composition of volcanic glass from the Neogene to Quaternary sedimentary record, which can be related to spatiotemporal changes in topography and associated orographic effects. δDg values in the basin strata reveal two main trends associated with surface uplift in the catchment area between 6.0 and 3.5 Ma and the onset of semiarid conditions in the basin following the attainment of threshold elevations for effective orographic barriers to the east after 3.5 Ma. The disruption of sediment supply from western sources after 4.2 Ma and subsequent hinterland aridification, moreover, emphasize the possibility that these processes were related to lateral orogenic growth of the adjacent Puna Plateau. As a result of the hinterland aridification the regions in the orogen interior have been characterized by an inefficient fluvial system, which in turn has helped maintaining internal drainage conditions, sediment storage, and relief reduction within high-elevation basins. 

The diachronous nature of basin formation and impacts on the fluvial system in the adjacent broken foreland is underscored by the results of detailed sediment provenance and paleocurrent analyses, as well as U-Pb zircon geochronology in the Lerma and Metán basins at ca. 25° S. This is particularly demonstrated by the isolated uplift of the Metán range at ~10 Ma, which is more than 50 km away from the presently active orogenic front along the eastern Puna margin and the Eastern Cordillera to the west. At about 5 Ma, Puna-sourced sediments disappear from the foreland record, documenting further range uplifts in the Eastern Cordillera and hydrological isolation of the neighboring Angastaco Basin from the foreland. Finally, during the late Pliocene and Quaternary, deformation has been accommodated across the entire foreland and is still active. To elucidate the interactions between tectonically controlled changes in elevation and their impact on atmospheric circulation processes in this region, this thesis provides additional, temporally well-constrained hydrogen stable isotope results of volcanic glass samples from the broken foreland, including the Angastaco Basin, and other intermontane basins farther south. The results suggest similar elevations of intermontane basins and the foreland sectors prior to ca. 7 Ma. In case of the Angastaco Basin the region was affected by km-scale surface uplift of the basin. A comparison with coeval isotope data collected from sedimentary sequences in the Puna plateau explains rapid shifts in the intermontane δDg record and supports the notion of recurring phases of enhanced deep convection during the Pliocene, and thus climatic conditions during the middle to late Pliocene similar to the present day. 

Combined, field-based and isotope geochemical methods used in this study of the NW-Argentine Andes have thus helped to gain insight into the systematics, rate changes, interactions, and temporal characteristics among tectonically controlled deformation patterns, the build-up of topography impacting atmospheric processes, the distribution of rainfall, and resulting surface processes in a tectonically active mountain belt. Ultimately, this information is essential for a better understanding of the style and the rates at which non-collisional mountain belts evolve, including the development orogenic plateaus and their bordering flanks. The results presented in this study emphasize the importance of stable isotope records for paleoaltimetric and paleoenvironmental studies in mountain belts and furnishes important data for a rigorous interpretation of such records.
KW  - geology
KW  - Argentina
KW  - Eastern Cordillera
KW  - Puna
KW  - neotectonics
KW  - paleoaltimetry
KW  - stable isotopes
KW  - volcanic glass
KW  - U-Pb geochronology
KW  - Geologie
KW  - Argentinien
KW  - Ostkordillere
KW  - Puna
KW  - Neotektonik
KW  - Paläoaltimetrie
KW  - stabile Isotope
KW  - vulkanischer Gläser
KW  - U-Pb Geochronologie
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-82301
ER  - 
TY  - THES
A1  - Grubic, Mira
T1  - Focus and alternative sensitivity in Ngamo (West-Chadic)
T1  - Fokus und Alternativensensitivität in Ngamo (Westtschadisch)
N2  - The main research question of this thesis concerns the relation between focus interpretation, focus realization, and association with focus in the West Chadic language Ngamo.

Concerning the relation between focus realization and interpretation, this thesis contributes to the question, cross-linguistically, what factors influence a marked realization of the focus/background distinction. There is background-marking rather than focus-marking in Ngamo, and the background marker is related to the definite determiner in the language. Using original fieldwork data as a basis, a formal semantic analysis of the background marker as a definite determiner of situations is proposed.

Concerning the relation between focus and association with focus, the thesis adds to the growing body of crosslinguistic evidence that not all so-called focus-sensitive operators always associate with focus. The thesis shows that while the exclusive particle yak('i) (= "only") in Ngamo conventionally associates
with focus, the particles har('i) (= "even, as far as, until, already"), and ke('e) (= "also, and") do not.

The thesis provides an analysis of these phenomena in a situation semantic framework.
N2  - Diese Arbeit untersucht die Verbindung zwischen Fokusinterpretation, Fokusrealisierung und Assoziation mit Fokus in der westtschadischen Sprache Ngamo. Was den Zusammenhang zwischen Fokusinterpretation und -realisierung angeht, leistet diese Arbeit einen Beitrag zu der Frage, welche Faktoren in verschiedenen Sprachen für markierte Realisierung von Fokus zuständig sind. Ngamo ist in diesem Zusammenhang besonders interessant, da es Hintergrundierung statt Fokus markiert (Schuh, 2005). Was den Zusammenhang zwischen Fokus und Assoziation mit Fokus angeht, liefert die Arbeit weitere Evidenz dafür, dass sogenannte fokussensitive Partikeln nicht in allen Sprachen obligatorisch mit Fokus assoziieren müssen. Sie zeigt dass obwohl die Partikel yak'i ("nur") in Ngamo konventionell mit Fokus assoziiert, die Partikeln har('i) (= "sogar, bis, schon") und ke('e) (= "auch, und") dies nicht tun. Die Arbeit analysiert diese Phänomene mit Hilfe eines situationssemantischen Ansatzes.
KW  - focus
KW  - focus-sensitivity
KW  - formal semantics
KW  - African languages
KW  - definiteness
KW  - situation semantics
KW  - Fokus
KW  - Fokussensitivität
KW  - formale Semantik
KW  - Situationssemantik
KW  - afrikanische Sprachen
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-81666
ER  - 
TY  - THES
A1  - Streich, David
T1  - Understanding massive disk galaxy formation through resolved stellar populations
T1  - Über die Entstehung massiver Scheibengalaxien anhand 
Aufgelöster Stellare Populationen
N2  - In this thesis we utilize resolved stellar populations to improve our understanding of galaxy formation and evolution. In the first part we improve a method for metallicity determination of faint old stellar systems, in the second and third part we analyze the individual history of six nearby disk galaxies outside the Local Group.

A New Calibration of the Color Metallicity Relation of Red Giants for HST data:
It is well known, that the color distribution of stars on the the Red Giant Branch (RGB) can be used to determine metallicities of old stellar populations that have only shallow photometry. Based on the largest sample of globular clusters ever used for such studies, we quantify the relation between metallicity and color in the widely used HST ACS filters F606W and F814W.
We use a sample of globular clusters from the ACS Globular Cluster Survey and measure their RGB color at given absolute magnitudes to derive the color-metallicity relation. We find a clear relation between metallicity and RGB color; we investigate the scatter and the uncertainties in this relation and show its limitations. A comparison with isochrones shows reasonably good agreement with BaSTI models, a small offset to Dartmouth models, and a larger offset to Padua models.
Even for the best globular cluster data available, the metallicity of a simple stellar population can be determined from the RGB alone only with an accuracy of 0.3 dex for [M/H]<-1, and 0.15 dex for [M/H]>-1. For mixed populations, as they are observed in external galaxies, the uncertainties will be even larger due to uncertainties in extinction, age, etc. Therefore caution is necessary when interpreting photometric metallicities.

The Structural History of Nearby Low Mass Disk Galaxies:
We study the individual evolution histories of three nearby, low-mass, edge-on galaxies (IC5052, NGC4244, NGC5023).
Using the color magnitude diagrams of resolved stellar populations, we construct star count density maps for populations of different ages and analyze the change of structural parameters with stellar age within each galaxy.
The three galaxies show low vertical heating rates, which are much lower than the heating rate of the Milky Way. This indicates that heating agents, as giant molecular clouds and spiral structure are weak in low mass galaxies.
We do not detect a separate thick disk in any of the three galaxies, even though our observations cover a larger range in equivalent surface brightness than any integrated light study. While scaleheights increase with age, each population can be well described by a single disk. Only two of the galaxies contain a very weak additional component, which we identify as the faint halo. The mass of these faint halos is less than 1% of the mass of the disk.
All populations in the three galaxies exhibit no or only little flaring. While this finding is consistent with previous integrated light studies, it poses strong constraints on galaxy formation models, because most theoretical simulations often find strong flaring due to interactions or radial migration.
Furthermore, we find breaks in the radial profiles of all three galaxies. The radii of these breaks are independent of age, and the break strength is decreasing with age in two of the galaxies (NGC4244 and NGC5023). This is consistent with break formation models, that combine a star formation cutoff with radial migration. The differing behavior of IC5052 can be explained by a recent interaction or minor merger.

The Structural History of Massive Disk Galaxies:
We extend the structural analysis of stellar populations with distinct ages to three massive galaxies, NGC891, NGC4565 and NGC7814. While confusion effects due to the high stellar number densities in their central region, and the prominent dust lanes inhibit an detailed analysis of the radial profiles, we can study their vertical structure.

These massive galaxies also have a slower heating than the Milky Way, comparable to the low mass galaxies. This can be traced back to their already thick young populations and thick layers of their interstellar medium.

We do not find a clear separate thick disk in any of these three galaxies; all populations can be described by a single disk plus a S\'ersic bulge/halo component. In contrast to the low mass galaxies, we cannot rule out the presence of thick disks in the massive galaxies, because of the strong influence of the halo, that might hide the possible contribution of the thick disk to the vertical star count profiles. However, the faintness of the possible thick disks still points to problems in the earlier ubiquitous findings of thick disks in external galaxies.
N2  - Es ist noch nicht einmal einhundert Jahre her, dass sich in der ``Großen Debatte'' die beiden Astronomen Harlow Shapley und Heber Curtis über die Frage stritten, wie groß unsere Milchstraße sei und ob die Spiralnebel innerhalb dieser lägen oder eigene, von dieser getrennte Objekte seien. Seitdem diese Fragen in den darauffolgenden Jahren, insbesondere durch die Arbeiten Hubbles, gelöst werden konnten, hat das Forschungsfeld der Galaxienentstehung und -entwicklung bis heute enorme Fortschritte gemacht, und lässt doch noch so viele Frage offen. 
Das Schwierige, aber eben auch das Interessante an der Physik der Galaxien besteht darin, dass sich hier so viele Teilbereiche der (Astro-)physik treffen: von der allgemeinen Relativitätstheorie und der Kosmologie, die die Anfangs- und Randbedingungen geben, über die Dynamik kollisionsfreier Systeme für die Bewegung von Sternen und die Hydrodynamik zum Verständnis der Sternentstehung, bis zur Kernphysik zur Entstehung der Elemente in Sternen und Supernovae. All diese verschiedenen Prozesse (und viele mehr) beeinflussen das Bild der Galaxien, das wir heute sehen.

In dieser Arbeit benutzen wir aufgelöste Sternenpopulationen, d.h. photometrische Messungen einer großen Zahl einzelner Sterne, um die Entstehungseschichte von Galaxien zu erforschen. Das Hauptwerkzeug dabei ist das Farben-Helligkeits-Diagramm der Sterne. Seit den frühen Arbeiten Ejnar Hertzsprungs und Henry Russels zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts ist bekannt, dass Sterne in einem Diagramm, in dem die absolute Helligkeit (oder analog die Leuchtkraft) über der Spektralklasse (oder analog der Effektivtemperatur oder der Farbe) der Sterne aufgetragen ist, nur bestimmte Bereiche belegen. Die genaue  Verteilung der Sterne in einem solchen Diagramm wird vor allem durch das Alter und die chemische Zusammensetzung, d.h. die Metallizität, bestimmt. Dies bedeutet, dass man aus der verteilung der Sterne im Farben-Helligkeits-Diagramm Rückschlüsse auf deren Alter und Metallizität, und daraus Rückschüsse auf die Entwicklund einer Galaxie ziehen kann.
Im ersten Teil der Arbeit widmen wir uns der Farb-Metallizitäts-Beziehung von Roten Riesensternen, die genutzt weden kann, um die Metallizität alter Sternenpopulation aus rein photometrischen Messungen zu bestimmen. Wir verbessern diese Beziehung, die im Grundsatz schon lange bekannt ist, für die Filtersysteme des Hubble-Weltraumteleskopes. Ausgehend von einer Probe von 71 Kugelsternhaufen, für die sowohl spektroskopische Metallizitätsbestimmungen als auch Photometrie mit den Hubble Filtern F606W und F814W verfügbar sind, haben wir die Farben-Helligkeitsbeziehung neu bestimmt und die Streuung um diese Beziehung sowie die Unsicherheiten untersucht. Im Vergleich mit theoretischen Sternentwicklungsmodellen zeigt sich, dass die beobachtete Beziehung gut mit den BaSTI-Modellen übereinstimmt, während die Dartmouth-Modelle eine kleine, und die Padua-Modelle eine größere Abweichung aufzeigen.
Desweiteren zeigen wir, dass selbst für die derzeit besten Daten von einfachen, eindeutig alten Populationen, wie die Kugelsternhaufen sie darstellen, eine Metallizitätsbestimmung anhand des Roten-Riesenastes nur mit einer Genauigkeit von 0.3 dex für niedrige Metallizitäten ([M/H]<-1), und mit einer Genauigkeit von 0.15 dex für höhere Metallizitäten durchgeführt werden kann. In komplizierteren Fällen mit gemischten Populationen, wie sie in externen Galaxies häufig zu finden sind, sind die Unsicherheiten noch größer.

Im weiteren Teil der Arbeit erforschen wir die Entstehungsgeschichte von sechs nahen edge-on Scheibengalaxien, von denen drei eine Rotationsgeschwindigkeit ähnlich der Milchstraße haben, während drei weitere deutlich kleiner sind. Mit Hilfe der Farben-Helligkeits-Diagramme unterteilen wir deren Sterne in Populationen unterschiedlichen Alters und erstellen Karten der Anzahldichte einer jeden Population. Damit untersuchen wir dann die Abhängigheit der strukturellen Parameter, wie z.B. Skalenhöhe und -länge, vom Alter der Sterne.

In allen Galaxien finden wir einen Anstieg der Skalenhöhe mit dem Alter, dessen Stärke jedoch deutlich unterhalb dem der Milchstraße liegt. In den drei massearmen Galaxien kann dies durch eine geringere Häufigkeit und Stärke der die Heizung verursachenden Streuzentren (z.B. Riesenmolekülwolken oder Spiralarme) erklärt werden. In den drei massereichen Galaxien hängt dies wahrschinlch mit der bereits intrinsisch dickeren Verteilung des interstellaren Mediums und der jungen Sterne zusammen.

Weiterhin untersuchen wir die Veränderung der Skalenhöhe mit zunehmenden Radius in den Galaxien und finden nur eine geringen Anstieg der Skalenhöhe zu den Außenbereichen der Galaxien hin. Dies ist in Übereinstimmung mit vorherigen Beobachten, stellt jedoch eine bedeutsamen Einschränkung für Galaxiensimulationen dar, in denen oftmals eine starke Aufweitung der Scheiben zu ihrem Rand hin stattfindet.

In keiner der Galaxien entdecken wir eine separate dicke Scheibe. In den massearmen Galaxien kann jede der Population gut durch eine einfache Scheibe beschrieben werden. Darüberhinaus finden wir in zwei Galaxien lediglich eine sehr schwache Halo-Komponente, die mit einer maximalen Masse von nur 1% der Masse der Scheibe aber deutlich schwächer ist als es für eine dicke Scheibe erwartet würde. In den massereicheren Galaxien können die Populationen jeweils mit einer Kombination aus einer Scheibe und einer gemeinsamen S\'ersic-Komponente für Halo und Bulge beschrieben werden. Hier können wir die Existenz einer dicken Scheiben nicht mit Sicherheit ausschließen, da die Präsenz einer massiven Halo/Bulge-Komponente eine mögliche Messung der dicken Scheibe verhindern könnte. Allerdings deutet das Fehlen der dicken Scheiben in unseren Beobachtungen darauf hin, dass eventuelle dicke Scheiben deutlich schwächer sein müssen als sie andere Studien bisher gefunden haben.
KW  - astrophysics
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KW  - galaxy formation
KW  - galaxy evolution
KW  - galaxy structure
KW  - stellar populations
KW  - globular clusters
KW  - Astronomie
KW  - Astrophysik
KW  - Galaxienphysik
KW  - stellare Populationen
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KW  - Spiralgalaxien
KW  - Galaxienentstehung
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-81027
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mitzscherling, Steffen
T1  - Polyelectrolyte multilayers for plasmonics and picosecond ultrasonics
T1  - Multischichten aus Polyelektrolyten in der Pikosekundenakustik und Plasmonik
N2  - This thesis investigates the application of polyelectrolyte multilayers in plasmonics and picosecond acoustics. The observed samples were fabricated by the spin-assisted layer-by-layer deposition technique that allowed a precise tuning of layer thickness in the range of few nanometers. 

The first field of interest deals with the interaction of light-induced localized surface plasmons (LSP) of rod-shaped gold nanoparticles with the particles' environment. The environment consists of an air phase and a phase of polyelectrolytes, whose ratio affects the spectral position of the LSP resonance. 

Measured UV-VIS spectra showed the shift of the LSP absorption peak as a function of the cover layer thickness of the particles. The data are modeled using an average dielectric function instead of the dielectric functions of air and polyelectrolytes. In addition using a measured dielectric function of the gold nanoparticles, the position of the LSP absorption peak could be simulated with good agreement to the data. 

The analytic model helps to understand the optical properties of metal nanoparticles in an inhomogeneous environment.

The second part of this work discusses the applicability of PAzo/PAH and dye-doped PSS/PAH polyelectrolyte multilayers as transducers to generate hypersound pulses. The generated strain pulses were detected by time-domain Brillouin scattering (TDBS) using a pump-probe laser setup. Transducer layers made of polyelectrolytes were compared qualitatively to common aluminum transducers in terms of measured TDBS signal amplitude, degradation due to laser excitation, and sample preparation. 

The measurements proved that fast and easy prepared polyelectrolyte transducers provided stronger TDBS signals than the aluminum transducer. AFM topography measurements showed a degradation of the polyelectrolyte structures, especially for the PAzo/PAH sample.

To quantify the induced strain, optical barriers were introduced to separate the transducer material from the medium of the hypersound propagation. Difficulties in the sample preparation prohibited a reliable quantification. But the experiments showed that a coating with transparent polyelectrolytes increases the efficiency of aluminum transducers and modifies the excited phonon distribution.

The adoption of polyelectrolytes to the scientific field of picosecond acoustics enables a cheap and fast fabrication of transducer layers on most surfaces. In contrast to aluminum layers the polyelectrolytes are transparent over a wide spectral range. Thus, the strain modulation can be probed from surface and back.
N2  - Diese Doktorarbeit behandelt die Verwendung von Multischichtsystemen aus Polyelektrolyten in den Fachgebieten der Plasmonik und der Pikosekunden-Akustik. Die verwendeten Proben wurden mit dem Spincoater-gestützten Layer-by-Layer-Verfahren hergestellt. Diese Methode ermöglichte die Einstellung Schichtdicke mit einer Präzision von wenigen Nanometern. 

Im Bereich der Plasmonik wurde die Wechselwirkung von Oberflächenplasmonen stabförmiger Gold-Nanopartikel mit deren Umgebung untersucht. Diese Umgebung bestand aus zwei Phasen: Polyelektrolyte und Luft. Das Volumenverhältnis der Materialien bestimmte die spektrale Position des Oberflächenplasmons.

Bei zunehmender Einbettung der Goldpartikel zeigten die gemessenen UV-VIS Spektren eine Rotverschiebung der Plasmonenabsorption. Es wurde ein Modell entwickelt, das die inhomogene Umgebung der Partikel durch eine mittlere dieelekrische Funktion beschreibt. Nachdem die dielektrische Funktion der Goldpartikel in separaten Messungen bestimmt waren, konnte die Lage der Plasmonenabsorption berechnet werden. Die Berechnungen stimmten dabei mit den Messwerten überein.

Mit diesem analytischen Modell ist es möglich, die optischen Eigenschaften von metallischen Nanopartikeln in einer inhomogenene Umgebung zu verstehen.

Der zweite Teil dieser Arbeit diskutiert die Anwendbarkeit von polyelektrolytischen Multischichten aus PAzo/PAH bzw. Porphyrin-dotiertem PSS/PAH für die Erzeugung von Hyperschallpulsen. Die erzeugten Schallpulse wurden durch zeitaufgelöste Brillouin-Streuung in einem sogenannten pump-probe Aufbau detektiert. Schallerzeugende Schichten aus Polyelektrolyten wurden mit Wandlern aus Aluminium verglichen.

Die Messungen zeigten, dass die Polyelektrolyte sehr gut für die Erzeugung von Schallpulsen geeignet sind. Der einfachen Probenpräparation und der guten Effizienz steht jedoch eine geringe Zerstörschwelle gegenüber. AFM-Messungen zeigten besonders bei den PAzo/PAH Multischichten sehr starke Veränderungen in der Struktur.

Eine Quantisierung der induzierten Schallamplitude sollte durch eine optische Trennung von Wandler und Propagationmedium erreicht werden. Da die Trennschichten auch eine akustische Abkopplung bewirkten, ließen sich die Schallamplituden nicht bestimmen. Es wurde jedoch festgestellt, dass sich die Effizienz eines Aluminium-Wandlers durch das Aufbringen transparenter Polyelektrolytschichten deutlich steigern lässt.

Die Herstellung von Ultraschall-Wandlern aus Polyelektrolyten erweitert die Möglichkeiten der Pikosekunden-Akustik. Zum einen können diese Wandler schnell und kostengünstig direkt auf fast jeder Oberfläche aufgebracht werden. Zum anderen sind Polyelektrolyte in einem breiten Spektralbereich transparent. Das ermöglicht Messungen von der Vorderseite, die bei herkömmlichen Aluminium-Wandlern nicht oder nur schwer realisierbar sind.
KW  - polyelectrolyte
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KW  - picosecond acoustics
KW  - hypersound
KW  - nanoparticle
KW  - Polyelektrolyte
KW  - Pikosekundenakustik
KW  - Hyperschall
KW  - Plasmonik
KW  - Nanopartikel
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-80833
ER  - 
TY  - THES
A1  - Prieske, Olaf
T1  - The role of surface condition in athletic performance
T1  - Die Bedeutung des Untergrundes für die sportmotorische Leistung
N2  - During the last two decades, instability training devices have become a popular means in athletic training and rehabilitation of mimicking unstable surfaces during movements like vertical jumps. Of note, under unstable conditions, trunk muscles seem to have a stabilizing function during exercise to facilitate the transfer of torques and angular momentum between the lower and upper extremities. The present thesis addresses the acute effects of surface instability on performance during jump-landing tasks. Additionally, the long-term effects (i.e., training) of surface instability were examined with a focus on the role of the trunk in athletic performance/physical fitness.
Healthy adolescent, and young adult subjects participated in three cross-sectional and one longitudinal study, respectively. Performance in jump-landing tasks on stable and unstable surfaces was assessed by means of a ground reaction force plate. Trunk muscle strength (TMS) was determined using an isokinetic device or the Bourban TMS test. Physical fitness was quantified by standing long jump, sprint, stand-and-reach, jumping sideways, Emery balance, and Y balance test on stable surfaces. In addition, activity of selected trunk and leg muscles and lower limb kinematics were recorded during jump-landing tasks.
When performing jump-landing tasks on unstable compared to stable surfaces, jump performance and leg muscle activity were significantly lower. Moreover, significantly smaller knee flexion angles and higher knee valgus angles were observed when jumping and landing on unstable compared to stable conditions and in women compared to men. Significant but small associations were found between behavioral and neuromuscular data, irrespective of surface condition. Core strength training on stable as well as on unstable surfaces significantly improved TMS, balance and coordination.
The findings of the present thesis imply that stable rather than unstable surfaces provide sufficient training stimuli during jump exercises (i.e., plyometrics). Additionally, knee motion strategy during plyometrics appears to be modified by surface instability and sex. Of note, irrespective of surface condition, trunk muscles only play a minor role for leg muscle performance/activity during jump exercises. Moreover, when implemented in strength training programs (i.e., core strength training), there is no advantage in using instability training devices compared to stable surfaces in terms of enhancement of athletic performance.
N2  - Instabile Trainingsgeräte sind etablierte Bestandteile im sportlichen Training und in der Rehabilitation, um instabile Untergründe während verschiedener alltags- und sportartspezifischer Bewegungen  zu simulieren. Dabei scheint der Rumpfmuskulatur insbesondere unter instabilen Bedingungen eine wichtige Rolle zur Stabilisierung zu zukommen. Die vorliegende Arbeit widmet sich den Akuteffekten von Untergrundinstabilität auf die Leistung bei Sprüngen und Landungen. Zudem wurden Langzeiteffekte von Untergrundinstabilität auf die Bedeutung des Rumpfes für die sportliche/sportmotorische Leistung untersucht.
Gesunde Jugendliche und junge Erwachsene nahmen an drei Quer- bzw. einer Längsschnittstudie teil. Die Leistung der Sprung-Lande-Aufgaben auf stabilen und instabilen Untergründen wurde mittels Kraftmessplatte erfasst. Die Rumpfkraft wurde mit einem Isokineten oder dem Bourban-Rumpfkraft-Test gemessen. Die Ermittlung sportmotorischer Leistungen erfolgte durch Standweitsprung-, Sprint-, Rumvorbeuge-, Seitsprung-, Emery- und Y-Balance-Test auf stabilen Untergründen. Zudem wurde die Aktivität ausgewählter Rumpf- und Beinmuskeln und Beinkinematik während der Sprung-Lande-Aufgaben erfasst.
Sprung-Lande-Aufgaben auf instabilen im Vergleich zu stabilen Unterlagen führten zu signifikant geringeren Sprungleistungen und Beinmuskelaktivitäten. Dabei wurden die Kniegelenke unter instabilen im Vergleich zu stabilen Bedingungen stärker extendiert und valgisiert. Dies gilt auch für Frauen im Vergleich zu Männern während des Springens und Landens. Zusammenhänge zwischen den Verhaltens- und neuromuskulären Daten unabhängig vom Untergrund sind als gering einzuschätzen sind. Ein Rumpfkrafttraining auf stabilen sowie auf instabilen Untergründen verbesserte die Rumpfkraft, das Gleichgewicht und die Koordination.
Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass stabile gegenüber instabilen Unterlagen bessere Voraussetzungen bei Sprungübungen zur Steigerung der Sprungleistung im Training schaffen. Zudem scheint die biomechanische Kontrollstrategie des Kniegelenks bei Sprüngen durch den Untergrund und das Geschlecht modifiziert. Dabei ist zu erwähnen, dass für den Leistungsvollzug der unteren Extremitäten beim Springen der Rumpf unabhängig von den Untergrundbedingungen nur eine kleine Rolle zu spielen scheint. Darüber hinaus zeigen instabile gegenüber stabilen Untergründen in einem Rumpfkrafttraining keinen Vorteil hinsichtlich der Steigerung sportlicher Leistungen.
KW  - biomechanics
KW  - jump-landing tasks
KW  - trunk muscle strength
KW  - instability
KW  - injury prevention
KW  - Biomechanik
KW  - Sprung-Lande-Aufgaben
KW  - Rumpfmuskelkraft
KW  - Instabilität
KW  - Verletzungsprävention
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-80503
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TY  - THES
A1  - Grygiel, Konrad
T1  - Poly(ionic liquid) stabilizers and new synthetic approaches
T1  - Polyionische Flüssigkeiten als Stabilisatoren und neue Synthesewege
N2  - The main focus of the present thesis was to investigate the stabilization ability of poly(ionic liquid)s (PILs) in several examples as well as develop novel chemical structures and synthetic routes of PILs. The performed research can be specifically divided into three parts that include synthesis and application of hybrid material composed of PIL and cellulose nanofibers (CNFs), thiazolium-containing PILs, and main-chain imidazolium-type PILs. 
In the first chapter, a vinylimidazolium-type IL was polymerized in water in the presence of CNFs resulting in the in situ electrostatic grafting of polymeric chains onto the surface of CNFs. The synthesized hybrid material merged advantages of its two components, that is, superior mechanical strength of CNFs and anion dependent solution properties of PILs. In contrast to unmodified CNFs, the hybrid could be stabilized and processed in organic solvents enabling its application as reinforcing agent for porous polyelectrolyte membranes. 
In the second part, PILs and ionic polymers containing two types of thiazolium repeating units were synthesized. Such polymers displayed counterion dependent thermal stability and solubility in organic solvents of various dielectric constants. This new class of PILs was tested as stabilizers and phase transfer agents for carbon nanotubes in aqueous and organic media, and as binder materials to disperse electroactive powders and carbon additives in solid electrode in lithium-ion batteries. The incorporation of S and N atoms into the polymeric structures make such PILs also potential precursors for S, N - co-doped carbons.
In the last chapter, reactants originating from biomass were successfully harnessed to synthesize main-chain imidazolium-type PILs. An imidazolium-type diester IL obtained via a modified Debus-Radziszewski reaction underwent transesterification with diol in a polycondensation reaction. This yielded a polyester-type PIL which CO2 sorption properties were investigated. In the next step, the modified Debus-Radziszewski reaction was further applied to synthesize main-chain PILs according to a convenient, one-step protocol, using water as a green solvent and simple organic molecules as reagents. Depending on the structure of the employed diamine, the synthesized PILs after anion exchange showed superior thermal stability with unusually high carbonization yields. 
Overall, the outcome of these studies will actively contribute to the current research on PILs by introducing novel PIL chemical structures, improved synthetic routes, and new examples of stabilized materials. The synthesis of main-chain imidazolium-type PILs by a modified Debus-Radziszewski reaction is of a special interest for the future work on porous ionic liquid networks as well as colloidal PIL nanoparticles.
N2  - Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit stand die Entwicklung neuer polymerer ionischen Flüssigkeiten (PILs) mittels neuer Synthesewege als auch auf diesen PILs basierenden Kompositmaterialien. Die hergestellten Materialien wurden folgend hinsichtlich ihrer Tauglichkeit als Stabilisatoren, Phasentransferreagenzien, „binder“ oder CO2-Absorber untersucht. Die Untersuchungen lassen sich in drei Teile untergliedern und beinhalten Herstellung und Anwendungsuntersuchungen von Hybridmaterialien basierend auf PILs und Cellulosefasern im Nanometerbereich (CNF), von PILs mit Thiazoliumgruppen und schließlich PILs welche teilweise oder vollständig aus Biomaterialien hergestellt wurden mit Imidazoliumgruppen in der Hauptkette.
 In Gegenwart von CNF  wurde eine vinylimidazoliumbasierte ionische Flüssigkeit (IL) in Wasser polymerisiert. Dies führte in situ zu einem elektrostatischen angraften der Ketten auf der Oberfläche der CNFs. Diese Kompositmaterialien vereinigen die Vorteile beider Komponenten, die außerordentliche mechanische Stabilität der CNFs und die vielseitigen mittels Gegenionen einstellbaren Lösungseigenschaften der PIL. Beispielsweise können diese Hybridmaterialien im Gegensatz zu den unmodifizierten CNFs in organischen Lösungsmitteln und somit zur Verstärkung für poröse Polyelektrolytmembranen eingesetzt werden. 
Im zweiten Teil wurden PILs und ioniosche Polymere synthetisiert mit Thiazoliumkationen in den Monomerbausteinen. Diese Polymere zeigten eine vom Gegenion abhängige thermische Stabilität und Löslichkeit in Lösungsmitteln verschiedenster Dielektrizitätskonstanten. Diese neue Klasse der PILs bzw. ionischen Polymere wurde hinsichtlich der Nutzbarkeit als Vorläufer für Stickstoff- und Schwefel-codotierte Kohlenstoffsysteme, Stabilisator sowie Phasentransferreagenz für „carbon nanotubes“ in wässrigem und organischen Lösungsmitteln und „binder“ für Elektrodenmaterialien in Lithiumionenbatterien. 
Im letzten Teil wurden aus Biomaterialien die Ausgangsstoffe für PILs mit imidazoliumbasierter Hauptkette gewonnen. Hierzu wurde der imidazoliumbasierende Diester mittels abgewandelter Debus-Radziszewski-Reaktion gewonnen und eine Umesterung mittels eines ebenfalls aus Biomaterialien stammenden Diols vorgenommen. Die erhaltene polyesterbasierte PIL wurde folgend hinsichtlich ihres CO2 – Absorbtionspotentials untersucht. Die geänderte Debus-Radziszewski-Reaktion wurde folgend für eine PIL-Einstufensynthese mit Wasser als grünem Lösungsmittel und einfachen hauptsächlich aus Biomasse gewonnen Reagenzien herangezogen. Abhängig von den eingesetzten Diaminen und Gegenionen konnten für die hergestellten PILs hervorragende thermische Stabilitäten oder beträchtliche Karbonisierungsausbeuten erreicht werden, welche für PILs zu den höchsten publizierten Werten in der Literatur zählen.
Die vorgelegten Studien stellen einen wichtigen Beitrag auf dem Gebiet der PIL-Forschung dar mit neuen PIL-Strukturen, verbesserten Synthesewegen und neuen Stabilisierungsmöglichkeiten. Die Synthese der Hauptkettenimidazolium-PIL mittels angepasster Debus-Radziszewski-Reaktion ist eine vielversprechende Methode sowohl für die Herstellung poröser IL-Netzwerke als auch kolloidaler PIL-Nanopartikel.
KW  - ionic polymers
KW  - polymerised ionic liquids
KW  - ionic liquids
KW  - Debus-Radziszewski polymerization
KW  - thiazolium
KW  - ionische Flüssigkeit
KW  - Thiazol-Salze
KW  - ionischen Polymere
KW  - elektroaktive Polymere
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-80367
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TY  - THES
A1  - Eid-Sabbagh, Rami-Habib
T1  - Business process architectures
BT  - concepts, formalism, and analysis
N2  - Business Process Management has become an integral part of modern organizations in the private and public sector for improving their operations. In the course of Business Process Management efforts, companies and organizations assemble large process model repositories with many hundreds and thousands of business process models bearing a large amount of information. With the advent of large business process model collections, new challenges arise as structuring and managing a large amount of process models, their maintenance, and their quality assurance.
This is covered by business process architectures that have been introduced for organizing and structuring business process model collections. A variety of business process architecture approaches have been proposed that align business processes along aspects of interest, e. g., goals, functions, or objects. They provide a high level categorization of single processes ignoring their interdependencies, thus hiding valuable information. The production of goods or the delivery of services are often realized by a complex system of interdependent business processes. Hence, taking a holistic view at business processes interdependencies becomes a major necessity to organize, analyze, and assess the impact of their re-/design. Visualizing business processes interdependencies reveals hidden and implicit information from a process model collection.
In this thesis, we present a novel Business Process Architecture approach for representing and analyzing business process interdependencies on an abstract level. We propose a formal definition of our Business Process Architecture approach, design correctness criteria, and develop analysis techniques for assessing their quality. We describe a methodology for applying our Business Process Architecture approach top-down and bottom-up. This includes techniques for Business Process Architecture extraction from, and decomposition to process models while considering consistency issues between business process architecture and process model level. Using our extraction algorithm, we present a novel technique to identify and visualize data interdependencies in Business Process Data Architectures. Our Business Process Architecture approach provides business process experts,managers, and other users of a process model collection with an overview that allows reasoning about a large set of process models,
understanding, and analyzing their interdependencies in a facilitated way. In this regard we evaluated our Business Process Architecture approach in an experiment and provide implementations of selected techniques.
N2  - Geschäftsprozessmanagement nimmt heutzutage eine zentrale Rolle zur Verbesserung von Geschäftsabläufen in Organisationen des öffentlichen und privaten Sektors ein. Im Laufe von Geschäftsprozessmanagementprojekten
entstehen große Prozessmodellsammlungen mit hunderten und tausenden Prozessmodellen, die vielfältige Informationen enthalten. Mit der Entstehung großer Prozessmodellsammlungen, entstehen neue Herausforderungen. Diese beinhalten die Strukturierung und Organisation vieler Prozessmodelle, ihre Pflege und Aktualisierung, sowie ihre Qualitätssicherung.
Mit diesen Herausforderungen befassen sich Geschäftsprozessarchitekturen. Viele der aktuellen Geschäftsprozessarchitekturen ordnen
Geschäftsprozesse nach bestimmen Aspekten von Interesse, zum
Beispiel, nach Zielen, Funktionen, oder Geschäftsobjekten. Diese Herangehensweisen bieten eine sehr abstrakte Kategorisierung von einzelnen Geschäftsprozessen, wobei sie wichtige Abhängigkeiten zwischen Prozessen ignorieren und so wertvolle Informationen verbergen.
Die Produktion von Waren und das Anbieten von Dienstleistungen bilden ein komplexes System untereinander abhängiger Geschäftsprozesse. Diesbezüglich ist es unabdingbar eine ganzheitliche Sicht auf Geschäftsprozesse und ihre Abhängigkeiten zu schaffen, um die Geschäftsprozesse zu organisieren, zu analysieren und zu optimieren. Die Darstellung von Geschäftsprozessabhängigkeiten zeigt
versteckte und implizite Informationen auf, die bisher in Geschäftsprozesssammlungen
verborgen blieben.
In dieser Arbeit stellen wir eine Geschäftsprozessarchitekturmethodik
vor, die es erlaubt Geschäftsprozessabhänigigkeiten auf einer abstrakten Ebene darzustellen und zu analysieren. Wir führen eine formale Definition unserer Geschäftsprozessarchitektur und entsprechende
Korrektheitskriterien ein. Darauf aufbauend stellen wir Analysetechniken
für unsere Geschäftsprozessarchitektur vor. In einem
Anwendungsrahmenwerk eläutern wir die top-down und bottomup
Anwendung unserer Geschäftsprozessarchitekturmethodik. Dies
beinhaltet die Beschreibung von Algorithmen zur Extraktion von Geschäftsprozessarchitekturen
und zur Generierung von Prozessmodellen
aus Geschäftsprozessarchitekturen, die die Konsistenz zwischen den Elementen auf Prozessmodellebene und Geschäftsprozessarchitekturebene
gewährleisten. Aufbauend auf dem Extraktionsalgorithmus,
stellen wir eine neue Technik zur Identifizierung, Extraktion, und Visualisierung von versteckten Datenabhängigkeiten zwischen Prozessmodellen in Geschäftsprozessdatenarchitekturen vor.
Unsere Arbeit stellt Geschäftsprozessexperten, Manager, und Nutzern einer Geschäftsprozessmodellsammlung eine Methodik zur Verfügung, die es ihnen ermöglicht und vereinfacht, eine Übersicht über Prozesse und ihren Abhängigkeiten zu erstellen, diese zu verstehen und zu analysieren. Diesbezüglich haben wir unsere Geschäftsprozessarchitekturmethodik in einem empirischen Experiment auf ihre Anwendbarkeit und Effektivität untersucht und zur weiteren Evaluierung ausgewählte Algorithmen implementiert.
KW  - business process architecture
KW  - bpm
KW  - formalism
KW  - analysis
KW  - abstraction
KW  - Prozessarchitektur
KW  - Geschäftsprozessmanagement
KW  - Analyse
KW  - Abstraktion
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-79719
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TY  - THES
A1  - Düthmann, Doris
T1  - Hydrological modeling of mountain catchments in Central Asia
T1  - Hydrologische Modellierung von Gebirgsgebieten in Zentralasien
BT  - approaches for data sparse catchments
BT  - Ansätze für datenarme Einzugsgebiete
N2  - Water resources from Central Asia’s mountain regions have a high relevance for the water supply of the water scarce lowlands. A good understanding of the water cycle in these mountain regions is therefore needed to develop water management strategies. Hydrological modeling helps to improve our knowledge of the regional water cycle, and it can be used to gain a better understanding of past changes or estimate future hydrologic changes in view of projected changes in climate. However, due to the scarcity of hydrometeorological data, hydrological modeling for mountain regions in Central Asia involves large uncertainties.
Addressing this problem, the first aim of this thesis was to develop hydrological modeling approaches that can increase the credibility of hydrological models in data sparse mountain regions. This was achieved by using additional data from remote sensing and atmospheric modeling. It was investigated whether spatial patterns from downscaled reanalysis data can be used for the interpolation of station-based precipitation data. This approach was compared to other precipitation estimates using a hydrologic evaluation based on hydrological modeling and a comparison of simulated and observed discharge, which demonstrated a generally good performance of this method. The study further investigated the value of satellite-derived snow cover data for model calibration. Trade-offs of good model performance in terms of discharge and snow cover were explicitly evaluated using a multiobjective optimization algorithm, and the results were contrasted with single-objective calibration and Monte Carlo simulations. The study clearly shows that the additional use of snow cover data improved the internal consistency of the hydrological model. In this context, it was further investigated for the first time how many snow cover scenes were required for hydrological model calibration.
The second aim of this thesis was the application of the hydrological model in order to investigate the causes of observed streamflow increases in two headwater catchments of the Tarim River over the recent decades. This simulation-based approach for trend attribution was complemented by a data-based approach. The hydrological model was calibrated to discharge and glacier mass balance data and considered changes in glacier geometry over time. The results show that in the catchment with a lower glacierization, increasing precipitation and temperature both contributed to the streamflow increases, while in the catchment with a stronger glacierization, increasing temperatures were identified as the dominant driver.
N2  - Wasserressourcen aus den Gebirgsregionen Zentralasiens haben eine große Bedeutung für die Wasserversorgung der niederschlagsarmen Tiefebenen. Ein gutes Verständnis des Wasserkreislaufs in diesen Gebirgsregionen ist daher eine wichtige Grundlage für die Entwicklung von Wassermanagementstrategien. Hydrologische Modelle sind ein gut geeignetes Hilfsmittel, um den Wasserhaushalt dieser Gebiete besser zu verstehen, sowie Änderungen des Wasserkreislaufs in der Vergangenheit nachzuvollziehen oder zukünftige hydrologische Änderungen infolge des Klimawandels zu projizieren. Allerdings ist die hydrologische Modellierung in Gebirgsgebieten Zentralasiens aufgrund der nur spärlich vorhandenen hydrometeorologischen Daten mit großen Unsicherheiten verbunden.
Das erste Ziel dieser Arbeit war daher, Ansätze für die hydrologische Modellierung zu entwickeln, mit denen die Unsicherheiten der Modellierung in datenarmen Gebirgsregionen reduziert werden können. Dazu wurden zusätzliche Daten aus der Fernerkundung und atmosphärischen Modellierung verwendet. Es wurde untersucht, ob räumliche Muster von herunterskalierten Reanalysedaten für die Interpolation von stationsbasierten Niederschlagsdaten verwendet werden können. Diese Methode zeigte bei einem Vergleich mit anderen Niederschlagsschätzungen, wozu ein Ansatz basierend auf hydrologischer Modellierung und dem Vergleich von beobachteten und simulierten Abflussdaten angewandt wurde, generell gute Ergebnisse. Des Weiteren wurde in dieser Arbeit der Wert von satellitenbasierten Schneebedeckungsdaten analysiert. Der Zielkonflikt zwischen hoher Modellgüte bezüglich Abfluss und Schneebedeckung wurde explizit mit einem multiobjektiven Kalibrieralgorithmus untersucht. Die Ergebnisse wurden mit Modellkalibrierungen mit nur einer Zielfunktion sowie mit Monte-Carlo-Simulationen verglichen. Die Studie zeigt sehr deutlich, dass die zusätzliche Verwendung von Schneebedeckungsdaten die interne Konsistenz des Modells erhöht. In diesem Zusammenhang wurde auch erstmalig die Anzahl der für die Modellkalibrierung erforderlichen Schneebedeckungsszenen analysiert.
Das zweite Ziel dieser Arbeit war die Anwendung des hydrologischen Modells, um die Ursachen einer beobachteten Zunahme des Abflusses in zwei Kopfeinzugsgebieten des Tarim-Flusses über die letzten Jahrzehnte zu untersuchen. Dieser simulationsbasierte Ansatz zur Trendattributierung wurde durch einen datenbasierten Ansatz ergänzt. Das hydrologische Modell wurde sowohl an Abfluss- als auch an Gletschermassenbilanzdaten kalibriert und berücksichtigt Änderungen in der Gletschergeometrie über die Zeit. Die Ergebnisse zeigen, dass in dem geringer vergletscherten Gebiet Zunahmen im Niederschlag und in der Temperatur zum Anstieg des Abflusses beigetragen haben, während in dem stärker vergletscherten Gebiet die Temperaturzunahme als dominierender Treiber identifiziert wurde.
KW  - hydrological modeling
KW  - mountain hydrology
KW  - precipitation interpolation
KW  - multiobjective calibration
KW  - remote sensing data
KW  - trend attribution
KW  - hydrologische Modellierung
KW  - Gebirgshydrologie
KW  - Niederschlagsinterpolation
KW  - multiobjektive Kalibrierung
KW  - Fernerkundungsdaten
KW  - Trendattributierung
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-80071
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TY  - THES
A1  - Hildebrandt, Dominik
T1  - The HI Lyman-alpha opacity at redshift  2.7 < z < 3.6
T1  - Die HI-Lyman-α-Opazität im Rotverschiebungsbereich  2.7 < z < 3.6
N2  - Most of the baryonic matter in the Universe resides in a diffuse gaseous phase in-between galaxies consisting mostly of hydrogen and helium. This intergalactic medium (IGM) is distributed in large-scale filaments as part of the overall cosmic web. The luminous extragalactic objects that we can observe today, such as galaxies and quasars, are surrounded by the IGM in the most dense regions within the cosmic web. The radiation of these objects contributes to the so-called ultraviolet background (UVB) which keeps the IGM highly ionized ever since the epoch of reionization.
Measuring the amount of absorption due to intergalactic neutral hydrogen (HI) against extragalactic background sources is a very useful tool to constrain the energy input of ionizing sources into the IGM. Observations suggest that the HI Lyman-alpha effective optical depth, τ_eff, decreases with decreasing redshift, which is primarily due to the expansion of the Universe. However, some studies find a smaller value of the effective optical depth than expected at the specific redshift z~3.2, possibly related to the complete reionization of helium in the IGM and a hardening of the UVB. The detection and possible cause of a decrease in τ_eff at z~3.2 is controversially debated in the literature and the observed features need further explanation.
To better understand the properties of the mean absorption at high redshift and to provide an answer for whether the detection of a τ_eff feature is real we study 13 high-resolution, high signal-to-noise ratio quasar spectra observed with the Ultraviolet and Visual Echelle Spectrograph (UVES) at the Very Large Telescope (VLT). The redshift evolution of the effective optical depth, τ_eff(z), is measured in the redshift range 2.7≤z≤3.6. The influence of metal absorption features is removed by performing a comprehensive absorption-line-fitting procedure.
In the first part of the thesis, a line-parameter analysis of the column density, N, and Doppler parameter, b, of ≈7500 individually fitted absorption lines is performed. The results are in good agreement with findings from previous surveys.
The second (main) part of this thesis deals with the analysis of the redshift evolution of the effective optical depth. The τ_eff measurements vary around the empirical power law τ_eff(z)~(1+z)^(γ+1) with γ=2.09±0.52. The same analysis as for the observed spectra is performed on synthetic absorption spectra. From a comparison between observed and synthetic spectral data it can be inferred that the uncertainties of the τ_eff values are likely underestimated and that the scatter is probably caused by high-column-density absorbers with column densities in the range 15≤logN≤17. In the real Universe, such absorbers are rarely observed, however. Hence, the difference in τ_eff from different observational data sets and absorption studies is most likely caused by cosmic variance. If, alternatively, the disagreement between such data is a result of an too optimistic estimate of the (systematic) errors, it is also possible that all τ_eff measurements agree with a smooth evolution within the investigated redshift range. To explore in detail the different analysis techniques of previous studies an extensive literature comparison to the results of this work is presented in this thesis.
Although a final explanation for the occurrence of the τ_eff deviation in different studies at z~3.2 cannot be given here, our study, which represents the most detailed line-fitting analysis of its kind performed at the investigated redshifts so far, represents another important benchmark for the characterization of the HI Ly-alpha effective optical depth at high redshift and its indicated unusual behavior at z~3.2.
N2  - Der Großteil der baryonischen Materie des Universums, die im Wesentlichen aus Wasserstoff und Helium besteht, befindet sich in Form von diffusem Gas zwischen den Galaxien. Dieses intergalaktische Medium (IGM) bildet großräumige Strukturen aus, dessen Filamente als "kosmisches Netz" bezeichnet werden. Die leuchtkräftigen extragalaktischen Objekte, die man heutzutage beobachten kann (z.B. Galaxien und Quasare), sind von diesem IGM umgeben und befinden sich in den dichtesten Regionen innerhalb des kosmischen Netzes. Die von diesen Objekten ausgehende ultraviolette (UV) Strahlung ist Bestandteil des UV-Strahlungshintergrunds, der seit der Reionisationsphase den hochionisierten Zustand des IGM aufrecht hält.
Eine Auswertung des absorbierten Strahlungsanteils durch den noch im IGM vorhandenen neutralen Wasserstoff (HI) entlang der Sichtlinie zu einer beobachteten extragalaktischen Hintergrundquelle lässt auf den Energieeintrag der Strahlungsquellen ins IGM schließen. Aus geeigneten Messdaten lässt sich schlussfolgern, dass sich die effektive optische Tiefe von HI (Ly-alpha Übergang) mit abnehmender Rotverschiebung verringert, was im Wesentlichen auf die Expansion des Universums zurückzuführen ist. Einige Arbeiten finden jedoch bei der ausgewiesenen Rotverschiebung z~3.2 einen kleineren Wert für die effektive optische Tiefe als erwartet, ein Trend der möglicherweise mit der vollständigen Reionisation von Helium im IGM und einem Anstieg der Intensität des UV-Hintergrunds in Verbindung steht. Die Detektion und mögliche Ursache einer Abnahme der effektiven optischen Tiefe bei z~3.2 ist in der Literatur kontrovers diskutiert und die beobachteten Besonderheiten machen eine weitere Untersuchung erforderlich.
Um die Eigenschaften der mittleren Absorption bei hoher Rotverschiebung besser zu verstehen und um einen Lösungsansatz für die Debatte zu liefern, untersuchen wir 13 hoch aufgelöste Quasarabsorptionsspektren mit einem hohen Signal-zu-Rauschen Verhältnis, die mit dem Instrument UVES des Very Large Telescope (VLT) aufgenommen wurden. Die Entwicklung der effektiven optischen Tiefe wird im Rotverschiebungsbereich 2.7≤z≤3.6 gemessen. Die Messung wird um den Beitrag von Metallen durch die detaillierte Anpassung von Linienprofilen an die beobachtete Absorption korrigiert.
Im ersten Teil der Arbeit wird eine Auswertung der Parameter der ≈7500 einzeln angepassten Absorptionslinien (Säulendichte N und Doppler-Parameter b) vorgenommen. Die entsprechenden Ergebnisse stimmen im Rahmen der Messunsicherheiten mit Literaturwerten überein.
Der Hauptteil der Arbeit beschäftigt sich mit der Berechnung der effektiven optischen Tiefe in Abhängigkeit von der Rotverschiebung τ_eff(z). Es stellt sich heraus, dass die τ_eff-Messwerte um ein empirisches Potengesetz der Form τ_eff(z)~(1+z)^(γ+1) mit γ=2.09±0.52 streuen. Die gleiche Auswertung wie für die Beobachtungsdaten wird für synthetische Spektren durchgeführt. Ein Vergleich dieser Daten legt nahe, dass die Größe der Unsicherheiten der τ_eff-Messwerte wahrscheinlich unterschätzt wird und dass die Streuung der Datenpunkte auf Absorber hoher Säulendichte (15≤logN≤17) zurückzuführen ist. Solche Absorber sind im beobachtbaren Universum jedoch selten, sodass der Unterschied in den τ_eff-Messwerten bei verschiedenen Zusammenstellungen von Beobachtungsdaten und Studien zum Absorptionsverhalten höchstwahrscheinlich durch kosmische Varianz bedingt ist. Sollte jedoch die fehlende Übereinstimmung dieser Daten eine Folge zu optimistischer (systematischer) Fehlerabschätzungen sein, so ist es ebenfalls denkbar, dass die τ_eff-Messwerte mit einer gleichmäßigen Entwicklung über den untersuchten Rotverschiebungsbereich hinweg konsistent sind. Um die wesentlichen Unterschiede in den Untersuchungsmethoden vorheriger Studien zu untersuchen, wird in dieser Arbeit ein umfassender Vergleich der Ergebnisse dieser Arbeit mit entsprechender Literatur vorgenommen.
Eine endgültige Erklärung für das Auftreten einer Abweichung in τ_eff(z) vom empirischen Potenzgesetz, wie sie von einigen Studien bei z~3.2 gefunden wurde, kann in dieser Arbeit zwar nicht gegeben werden, dennoch stellt sie die bislang umfassendste Parameterbestimmung von Absorptionslinien ihrer Art im untersuchten Rotverschiebungsbereich dar. Sie ist somit ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung des ganzheitlichen Verständnisses der effektiven optischen Tiefe bei hohen Rotverschiebungen und deren möglicherweise ungewöhnlichem Verlauf bei z~3.2.
KW  - intergalactic medium
KW  - cosmology: observations
KW  - methods: data analysis
KW  - methods: statistical
KW  - quasars: absorption lines
KW  - intergalaktisches Medium
KW  - Kosmologie: Beobachtungen
KW  - Methoden: Datenauswertung
KW  - Methoden: statistisch
KW  - Quasare: Absorptionslinien
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-78355
ER  - 
TY  - THES
A1  - Vlasov, Vladimir
T1  - Synchronization of oscillatory networks in terms of global variables
T1  - Synchronisation in Netzwerken von Oszillatoren via globaler Variabler
N2  - Synchronization of large ensembles of oscillators is an omnipresent phenomenon observed in different fields of science like physics, engineering, life sciences, etc. The most simple setup is that of globally coupled phase oscillators, where all the oscillators contribute to a global field which acts on all oscillators. This formulation of the problem was pioneered by Winfree and Kuramoto. Such a setup gives a possibility for the analysis of these systems in terms of global variables. In this work we describe nontrivial collective dynamics in oscillator populations coupled via mean fields in terms of global variables. We consider problems which cannot be directly reduced to standard Kuramoto and Winfree models.
		
In the first part of the thesis we adopt a method introduced by Watanabe and Strogatz.  The main idea is that the system of identical oscillators of particular type can be described by a low-dimensional system of global equations. This approach enables us to perform a complete analytical analysis for a special but vast set of initial conditions. Furthermore, we show how the approach can be expanded for some nonidentical systems. We apply the Watanabe-Strogatz approach to arrays of Josephson junctions and systems of identical phase oscillators with leader-type coupling. 
	
In the next parts of the thesis we consider the self-consistent mean-field theory method that can be applied to general nonidentical globally coupled systems of oscillators both with or without noise. For considered systems a regime, where the global field rotates uniformly, is the most important one. With the help of this approach such solutions of the self-consistency equation for an arbitrary distribution of frequencies and coupling parameters can be found analytically in the parametric form, both for noise-free and noisy cases.

We apply this method to deterministic Kuramoto-type model with generic coupling and an ensemble of spatially distributed oscillators with leader-type coupling. Furthermore, with the proposed self-consistent approach we fully characterize rotating wave solutions of noisy Kuramoto-type model with generic coupling and an ensemble of noisy oscillators with bi-harmonic coupling.
	
Whenever possible, a complete analysis of global dynamics is performed and compared with direct numerical simulations of large populations.
N2  - Die Synchronisation einer großen Menge von Oszillatoren ist ein omnipräsentes Phänomen, das in verschiedenen Forschungsgebieten wie Physik, Ingenieurwissenschaften, Medizin und Weiteren beobachtet wird. In der einfachsten Situation ist von einer Menge Phasenoszillatoren jeder mit dem Anderen gekoppelt und trägt zu einem gemeinsamen Feld (dem sogenannten mean field) bei, das auf alle Oszillatoren wirkt. Dieser Formulierung wurde von Winfree und Kuramoto der Weg bereitet und sie birgt die Möglichkeit einer Analyse des Systems mithilfe von globalen Variablen. In dieser Arbeit beschreiben wir mithilfe globaler Variablen die nicht-triviale kollektive Dynamik von Oszillatorpopulationen, welche mit einem mean field verbunden sind. Wir beschäftigen uns mit Problemen die nicht direkt auf die Standardmodelle von Kuramoto und Winfree reduziert werden können.
Im ersten Teil der Arbeit verwenden wir eine Methode die auf Watanabe und Stro- gatz zurückgeht. Die Hauptidee ist, dass ein System von identischen Oszillatoren eines bestimmten Typs durch ein niedrig-dimensionales System von globalen Gleichungen beschrieben werden kann. Dieser Ansatz versetzt uns in die Lage eine vollständige analytische Untersuchung für eine spezielle jedoch große Menge an Anfangsbedingungen durchzuführen. Wir zeigen des Weiteren wie der Ansatz auf nicht-identische Systeme erweitert werden kann. Wir wenden die Methode von Watanabe und Strogatz auf Reihen von Josephson-Kontakten und auf identische Phasenoszillatoren mit einer Anführer-Kopplung an.
Im nächsten Teil der Arbeit betrachten wir eine selbst-konsistente mean-field-Methode, die auf allgemeine nicht-identische global gekoppelte Phasenoszillatoren mit oder ohne Rauschen angewendet werden kann. Für die betrachteten Systeme gibt es ein Regime, in dem die globalen Felder gleichförmig rotieren. Dieses ist das wichtigste Regime. Es kann mithilfe unseres Ansatzes als Lösung einer Selbstkonsistenzgleichung für beliebige Verteilungen der Frequenzen oder Kopplungsstärken gefunden werden. Die Lösung liegt in einer analytischen, parametrischen Form sowohl für den Fall mit Rauschen, als auch für den Fall ohne Rauschen, vor. Die Methode wird auf ein deterministisches System der Kuramoto-Art mit generischer Kopplung und auf ein Ensemble von räumlich verteilten Oszillatoren mit Anführer-Kopplung angewendet. Zuletzt sind wir in der Lage, die Rotierende-Wellen-Lösungen der Kuramoto-artigen Modelle mit generischer Kopplung, sowie ein Ensemble von verrauschten Oszillatoren mit bi-harmonischer Kopplung, mithilfe des von uns vorgeschlagenen selbst-konsistenten Ansatzes vollständig zu charakterisieren.
Wann immer es möglich war, wurde eine vollständige Untersuchung der globalen Dynamik durchgeführt und mit numerischen Ergebnissen von großen Populationen verglichen.
KW  - synchronization
KW  - Synchronisation
KW  - complex networks
KW  - komplexe Netzwerke
KW  - global description
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-78182
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wettstein, Christoph
T1  - Cytochrome c-DNA and cytochrome c-enzyme interactions for the construction of analytical signal chains
N2  - Electron transfer (ET) reactions play a crucial role in the metabolic pathways of all organisms. In biotechnological approaches, the redox properties of the protein cytochrome c (cyt c), which acts as an electron shuttle in the respiratory chain, was utilized to engineer ET chains on electrode surfaces. With the help of the biopolymer DNA, the redox protein assembles into electro active multilayer (ML) systems, providing a biocompatible matrix for the entrapment of proteins. 
In this study the characteristics of the cyt c and DNA interaction were defined on the molecular level for the first time and the binding sites of DNA on cyt c were identified. Persistent cyt c/DNA complexes were formed in solution under the assembly conditions of ML architectures, i.e. pH 5.0 and low ionic strength. At pH 7.0, no agglomerates were formed, permitting the characterization of the NMR spectroscopy. Using transverse relaxation-optimized spectroscopy (TROSY)-heteronuclear single quantum coherence (HSQC) experiments, DNAs’ binding sites on the protein were identified. In particular, negatively charged AA residues, which are known interaction sites in cyt c/protein binding were identified as the main contact points of cyt c and DNA. 
Moreover, the sophisticated task of arranging proteins on electrode surfaces to create functional ET chains was addressed. Therefore, two different enzyme types, the flavin dependent fructose dehydrogenase (FDH) and the pyrroloquinoline quinone dependent glucose dehydrogenase (PQQ-GDH), were tested as reaction partners of freely diffusing cyt c and cyt c immobilized on electrodes in mono- and MLs. The characterisation of the ET processes was performed by means of electrochemistry and the protein deposition was monitored by microgravimetric measurements. FDH and PQQ-GDH were found to be generally suitable for combination with the cyt c/DNA ML system, since both enzymes interact with cyt c in solution and in the immobilized state. The immobilization of FDH and cyt c was achieved with the enzyme on top of a cyt c monolayer electrode without the help of a polyelectrolyte. Combining FDH with the cyt c/DNA ML system did not succeed, yet. However, the basic conditions for this protein-protein interaction were defined. PQQ-GDH was successfully coupled with the ML system, demonstrating that that the cyt c/DNA ML system provides a suitable interface for enzymes and that the creation of signal chains, based on the idea of co-immobilized proteins is feasible. 
Future work may be directed to the investigation of cyt c/DNA interaction under the precise conditions of ML assembly. Therefore, solid state NMR or X-ray crystallography may be required. Based on the results of this study, the combination of FDH with the ML system should be addressed. Moreover, alternative types of enzymes may be tested as catalytic component of the ML assembly, aiming on the development of innovative biosensor applications.
N2  - In den Energiegewinnungsprozessen der Zellen spielen biochemische Reaktion, die auf Elektronentransfer (ET) basieren, eine wichtige Rolle. So sind die Proteinkomplexe der Atmungskette, welche an der inneren Membran der Mitochondrien abläuft, über eine ET-Kette miteinander verbunden. In biotechnologischen Anwendungen wird dieses Phänomen genutzt um Proteine auf der Oberfläche von Elektroden als funktionierende ET-Ketten zu arrangieren. Dabei kann der ET innerhalb dieser Kaskaden als elektrischer Strom gemessen und als Signal betrachtet werden. Dies ermöglicht die Anwendung von proteinmodifizierten Elektroden als Biosensoren und Biobrennstoffzellen. Ein geeigneter Baustein für den Aufbau vielschichtiger ET-Systeme ist das kleine, eisenhaltige Protein Cytochrom c (Cyt c), welches in der Lage ist Elektronen aufzunehmen, zu transportieren und wieder abzugeben. Als zweiter Baustein dient das lange, fadenartige Biomolekül DNA. DNA und Cyt c interagieren unter bestimmten Bedingungen aufgrund ihrer entgegengesetzten Oberflächenladungen. Dies ermöglicht den schichtweisen Aufbau stabiler Cyt c/DNA-Multischichten (MS) auf Elektrodenoberflächen, welche durch die sogenannte Layer-by-Layer (LbL) Technik aufgebaut werden. In diesen MS Systemen behält Cyt c trotz der Immobilisierung seine Beweglichkeit um die eigene Achse, wodurch der Selbstaustausch von Elektronen zwischen den Cyt c Molekülen sowie der ET zur Elektrode gewährleistet wird.
Der molekulare Aufbau der Cyt c/DNA MS sowie die Interaktion zwischen den zwei biologischen Bausteine ist weitgehend unerforscht, daher wurden in der vorliegenden Studie die genauen Bedingungen der Cyt c/DNA Interaktion in Lösung untersucht. Außerdem wird die Eignung des MS Systems zur Einbettung von Enzymen getestet.
Die Bausteine des MS-Systems, Cyt c und DNA bilden in Lösung stabile Komplexe unter den Assemblierungsbedingungen der MS (d.h. pH 5.0 und geringe Salzkonzentration). Im Vergleich dazu tritt  bei pH 7.0 eine schwächere Interaktion auf, die für eine Komplexbildung nicht ausreicht. Dies ermöglicht die Untersuchung der Interaktion mittels Kernspinresonanzspektroskopie (NMR, engl. nuclear magnetic resonance spectroscopy), wobei die Interaktionsstellen des DNA-Moleküls auf Cyt c bestimmt werden. Im Vergleich zu pH 7.0 wird im leicht sauren pH-Bereich (6.0) eine erhöhte Anzahl an Interaktionspunkten gefunden, was Rückschlüsse auf eine erhöhte Interaktion zulässt. Dies resultiert schließlich in der starken Bindung bei pH 5.0, die den Aufbau stabiler Cyt c/DNA-MS auf Elektrodenoberflächen ermöglicht. Darüber hinaus spielen der Salzgehalt der Lösung sowie das Konzentrationsverhältnis von Cyt c und DNA eine wichtige Rolle.
Auf der Grundlage des Cyt c/DNA-MS Aufbaus sollte durch die Kopplung eines Enzymes eine Signalkette mit sensorischen Eigenschaften geschaffen werden. Das Enzym dient dabei als Erkennungselement für bestimmte Moleküle in Lösung. Durch die Reaktion des Enzyms mit dem Molekül wird ein bioelektrisches Signal generiert, das durch elektrochemische Methoden gemessen wird. Dies wurde mit zwei verschiedenen Enzymen, der Glukose Dehydrogenase (GDH) und der Fruktose Dehydrogenase (FDH), untersucht. Beide Enzyme waren in der Lage mit einer Cyt c Monoschicht zu kommunizieren und konnten mit dem redox Protein auf der Elektrodenoberfläche immobilisiert werden. GDH konnte erfolgreich mit dem Cyt c/DNA-MS System gekoppelt und die Sensoreigenschaften der so aufgebauten Elektronentransferkette charakterisiert werden.
Zusammenfassend charakterisiert diese Arbeit die Bedingungen der Cyt c/DNA-Komplexbildung und gibt einen Einblick in die bisher unbekannte Interaktion zwischen Cyt c und DNA auf der molekularen Ebene. Darüber hinaus wird die Nutzbarkeit des Cyt c/DNA MS Systems zur Einbettung von Enzymen am Beispiel der GDH gezeigt und schafft somit die Grundlage für das bessere Verständnis von ET Reaktionen zwischen Proteinen auf Elektrodenoberflächen.
T2  - Cytochrom c-DNA und Cytochrom c-Enzym Interaktion für den Aufbau analytischer Signalketten
KW  - biosensor
KW  - protein
KW  - DNA
KW  - enzyme
KW  - interaction
KW  - DNA
KW  - Biosensor
KW  - Enzym
KW  - Interaktion
KW  - Protein
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-78367
ER  - 
TY  - THES
A1  - Jantz, Bastian
T1  - The dynamics of accountability in public sector reforms
T1  - Accountability-Dynamiken und Reformen des öffentlichen Sektors
N2  - This PhD thesis is essentially a collection of six sequential articles on dynamics of accountability in the reformed employment and welfare administration in different countries. The first article examines how recent changes in the governance of employment services in three European countries (Denmark, Germany and Norway) have influenced accountability relationships from a very wide-ranging perspective. It starts from the overall assumption in the literature that accountability relationships are becoming more numerous and complex, and that these changes may lead to multiple accountability disorder. The article explores these assumptions by analyzing the different actors involved and the information requested in the new governance arrangements in all three countries. It concludes that the considerable changes in organizational arrangements and more managerial information demanded and provided have led to more shared forms of accountability. Nevertheless, a clear development towards less political or administrative accountability could not be observed.
The second article analyzes how the structure and development of reform processes affect accountability relationships and via what mechanisms. It is distinguished between an instrumental perspective and an institutional perspective and each of these perspectives takes a different view on the link between reforms and concrete action and results. By taking the welfare reforms in Norway and Germany as an example, it is shown that the reform outcomes in both countries are the result of a complex process of powering, puzzling and institutional constraints where different situational interpretations of problems, interests and administrative legacies had to be balanced. Accountability thus results not from a single process of environmental necessity or strategic choice, but from a dynamic interplay between different actors and institutional spheres.
The third article then covers a specific instrument of public sector reforms, i.e. the increasing use of performance management. The article discusses the challenges and ambiguities between performance management and different forms of accountability based on the cases of the reformed welfare administration in Norway and Germany. The findings are that the introduction of performance management creates new accountability structures which influence service delivery, but not necessarily in the direction expected by reform agents. Observed unintended consequences include target fixation, the displacement of political accountability and the predominance of control aspects of accountability.
The fourth article analyzes the accountability implications of the increasingly marketized models of welfare governance. It has often been argued that relocating powers and discretion to private contractors involve a trade-off between democratic accountability and efficiency. However, there is limited empirical evidence of how contracting out shapes accountability or is shaped by alternative democratic or administrative forms of accountability. Along these lines the article examines employment service accountability in the era of contracting out in Germany, Denmark and Great Britain. It is found that market accountability instruments are complementary instruments, not substitutes. The findings highlight the importance of administrative and political instruments in legitimizing marketized service provision and shed light on the processes that lead to the development of a hybrid accountability model.
The fifth and sixth articles focus on the diagonal accountability relationships between public agencies, supreme audit institutions (SAI) and parental ministry or parliament. 
The fifth article examines the evolving role of SAIs in Denmark, Germany and Norway focusing particularly on their contribution to public accountability and their ambivalent relationship with some aspects of public sector reform in the welfare sector. The article analyzes how SAIs assess New Public Management inspired reforms in the welfare sector in the three countries. The analysis shows that all three SAIs have taken on an evaluative role when judging New Public Management instruments. At the same time their emphasis on legality and compliance can be at odds with some of the operating principles introduced by New Public Management reforms.
The sixth article focuses on the auditing activities of the German SAI in the field of labor market administration as a single in-depth case study. The purpose is to analyze how SAIs gain impact in diagonal accountability settings. The results show that the direct relationship between auditor and auditee based on cooperation and trust is of outstanding importance for SAIs to give effect to their recommendations. However, if an SAI has to rely on actors of diagonal accountability, it is in a vulnerable position as it might lose control over the interpretation of its results.
N2  - Die öffentliche Verwaltung sieht sich einem immer stärker werdenden Legitimationsdruck ausgesetzt, da Verwaltungshandeln nicht mehr nur innerhalb hierarchisch strukturierter Behörden erfolgt, sondern eine Vielzahl von Akteuren (öffentlich und privat) – mit für den Bürger teilweise unklaren Zuständigkeiten – beteiligt sind. Die Beziehungen zwischen den Akteuren innerhalb dieser Netzwerke folgen nicht länger einer klaren Hierarchie, sondern es entwickeln sich unübersichtliche Strukturen, innerhalb derer es schwierig ist, konkrete Instanzen zur Verantwortung zu ziehen. Die Pluralisierung und Dynamisierung von Governance-Strukturen verändert somit die Legitimationsgrundlage staatlichen Handelns. Kritische Stimmen sprechen in diesem Zusammenhang gar von einem Legitimationsdefizit.
Zentral innerhalb dieser Diskussion ist das Konzept der Accountability, definiert als Beziehung, in deren Rahmen ein Akteur einem anderen Akteur gegenüber eine Verpflichtung zur Rechenschaft eingeht und von diesem Gegenüber für diese Rechenschaft im Gegenzug legitimiert wird oder auch sanktioniert werden kann. Ganz im Gegensatz zu der gestiegenen Aufmerksamkeit für Accountability fehlt es derzeit an einer systematischen Diskussion über den Bedeutungs- und Formenwandel von Accountability. Accountability-Phänomene werden weiterhin mit den Maßstäben tradierter und vergleichsweise statischer Accountability-Konzepte behandelt. Die vorliegende Arbeit setzt hier an, indem Accountability als soziale Beziehung konzeptualisiert und analysiert wird. Accountability-Beziehungen sind somit als dynamische Arrangements zu verstehen, die Prozesse des Wandels, der Reform, Veränderung, Hybridisierung oder Transformation durchlaufen können. 
Dieses konzeptionelle Verständnis von Accountability-Dynamiken wird in der Folge auf die jüngsten Reformen im Wohlfahrtsstaat, insbesondere in der Arbeitsmarktpolitik, angewendet. Wohlfahrtsstattliche Systeme stehen seit geraumer Zeit unter Reform- und Anpassungsdruck, gängige Kritikpunkte sind mangelnde Effizienz und Nachhaltigkeit sowie sinkende öffentliche Unterstützung. Politische Legitimität und Verantwortlichkeit ist dabei eine der Grundvoraussetzungen für das Fortbestehen des Wohlfahrtsstaates kontinentaleuropäischer Prägung. Daher untersucht die Arbeit, in welcher Form die jüngsten Wohlfahrtsstaatreformen die Accountability-Strukturen beeinflusst haben.
Dabei haben die jüngsten Modernisierungsansätze im Zuge der internationalen Reformbewegung des „New Public Management“ auch im Bereich der Arbeitsmarktverwaltung das Verhältnis zwischen demokratischer, politischer Accountability auf der einen Seite und organisatorischer Autonomie der administrativen Einheiten zur Erbringung von arbeitsmarktpolitischen Dienstleistungen auf der anderen Seite, verändert. Somit gerät das Spannungsverhältnis zwischen Legitimation und Effizienz in den Blickpunkt. Wie können die unterschiedlichen Verantwortlichkeiten (Ergebnis- und Leistungsverantwortung der dezentralen Ebenen und politische Verantwortung der gewählten Körperschaften) verknüpft werden? Wie verändert sich die Rechenschaftspflicht nachgeordneter Organisationen im Bereich der Arbeitsmarktpolitik durch zunehmende autonome Kompetenzen? Der Analysefokus richtet sich somit primär auf Organisationsreformen und deren Einfluss auf die Veränderung der Verantwortlichkeitsstrukturen in der Arbeitsmarktverwaltung in unterschiedlichen Ländern (Norwegen, Dänemark, Großbritannien und Deutschland).
KW  - accountability
KW  - administrative reforms
KW  - employment services
KW  - Accountability
KW  - Rechenschaftspflicht
KW  - Verwaltungsreformen
KW  - Arbeitsmarktpolitik
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-78131
ER  - 
TY  - THES
A1  - Maerten, Lena
T1  - Spectroscopic perspectives on ultrafast coupling phenomena in perovskite oxides
T1  - Spektroskopische Untersuchung ultraschneller Kopplungsphänomene in Perowskit-Oxiden
N2  - In this thesis, I study ultrafast dynamics in perovskite oxides using time resolved broadband spectroscopy. I focus on the observation of coherent phonon propagation by time resolved Brillouin scattering: following the excition of metal transducer films with a femtosecond infrared pump pulse, coherent phonon dynamics in the GHz frequency range are triggered. Their propagation is monitored using a delayed white light probe pulse. The technique is illustrated on various thin films and multilayered samples. I apply the technique to investigate the linear and nonlinear acoustic response in bulk SrTiO_3, which displays a ferroelastic phase transition from a cubic to a tetragonal structural phase at T_a=105 K. In the linear regime, I observe a coupling of the observed acoustic phonon mode to the softening optic modes describing the phase transition. In the nonlinear regime, I find a giant slowing down of the sound velocity in the low temperature phase that is only observable for a strain amplitude exceeding the tetragonality of the material. It is attributed to a coupling of the high frequency phonons to ferroelastic domain walls in the material. I propose a new mechanism for the coupling of strain waves to the domain walls that is only effective for high amplitude strain. A detailed study of the phonon attenuation across a wide temperature range shows that the phonon attenuation at low temperatures is influenced by the domain configuration, which is determined by interface strain. Preliminary measurements on magnetic-ferroelectric multilayers reveal that the excitation fluence needs to be carefully controlled when dynamics at phase transitions are studied.
N2  - In dieser Doktorarbeit untersuche ich ultraschnelle Dynamik in perovskitischen Oxiden mittels zeitaufgelöster optischer Spektroskopie. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Phononendynamik, die mithilfe von zeitaufgelöster Brillouin-Streuung sichtbar gemacht wird: durch die Anregung einer metallischen Transducer-Schicht mit einem ultrakurzen Anregepuls wird eine kohärente Phononendynamik im GHz Frequenzbereich erzeugt. Die Ausbreitung der Schallpulse wird mit einem Weißlicht-Abfragepuls aufgezeichnet. Diese Methode wird am Beispiel verschiedener Dünnschicht- und Übergitterproben illustriert. Die Methode und das gewonnene Verständnis wende ich an, um lineare und nichtlineare akustische Eigenschaften an einem SrTiO_3-Kristall zu untersuchen. Dieser weist einen ferroelastischen Phasenübergang von kubischer zu tetragonaler Kristallstruktur bei T_a=105 K auf. Im linearen Regime beobachte ich eine Kopplung der untersuchten akustischen Mode an eine weichwerdende optische Mode, welche den Phasenübergang charakterisiert. Im nichtlinearen Regime tritt eine gigantische Verlangsamung der Schallgeschwindigkeit unterhalb von T_a auf, wenn die induzierte Gitterverzerrung die Tetragonalität des Materials übersteigt. Dies kann auf eine Kopplung der hochfrequenten akustischen Mode an ferroelastische Domänenwände bei tiefen Temperaturen zurückgeführt werden. Ich entwickle einen neuen Mechanismus, der die Kopplung der Verzerrungswelle an die Domänenwände beschreibt. Eine detaillierte Untersuchung der Phononendämpfung in SrTiO_3 über einen weiten Temperaturbereich zeigt, dass diese bei tiefen Temperaturen durch die Domänenkonfiguration beeinflusst ist. Die Domänenkonfiguration ist durch Verzerrungen an der Kristall-Transducer Grenzfläche bestimmt. Erste Untersuchungen an magnetisch-ferroelektrischen Übergittern zeigen, dass die Anregungsfluenz vorsichtig eingestellt werden muss, um die Dynamik an Phasenübergängen zu untersuchen.
KW  - coherent phonons
KW  - phonon dynamics
KW  - time resolved
KW  - Brillouin scattering
KW  - perovskite oxides
KW  - optical spectroscopy
KW  - hypersound propagation
KW  - phonon damping
KW  - domain wall motion
KW  - phonon backfolding
KW  - superlattice dispersion
KW  - kohärente Phononen
KW  - Phononen Dynamik
KW  - zeitaufgelöst
KW  - Brillouin Streuung
KW  - Perowskit-Oxide
KW  - optische Spektroskopie
KW  - Hyperschall Propagation
KW  - Phononen Dämpfung
KW  - Domänenwandbewegung
KW  - Phononen Rückfaltung
KW  - Übergitter Dispersion
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-77623
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rohrmann, Alexander
T1  - The role of wind and water in shaping earth's plateaus
T1  - Die Rolle von Wind und Wasser bei der Bildung von Hochplateaus der Erde
N2  - The overarching goal of this dissertation is to provide a better understanding of the role of wind and water in shaping Earth’s Cenozoic orogenic plateaus - prominent high-elevation, low relief sectors in the interior of Cenozoic mountain belts. In particular, the feedbacks between surface uplift, the build-up of topography and ensuing changes in precipitation, erosion, and vegetation patterns are addressed in light of past and future climate change. Regionally, the study focuses on the two world’s largest plateaus, the Altiplano-Puna Plateau of the Andes and Tibetan Plateau, both characterized by average elevations of >4 km. Both plateaus feature high, deeply incised flanks with pronounced gradients in rainfall, vegetation, hydrology, and surface processes. These characteristics are rooted in the role of plateaus to act as efficient orographic barriers to rainfall and to force changes in atmospheric flow.
The thesis examines the complex topics of tectonic and climatic forcing of the surface-process regime on three different spatial and temporal scales: (1) bedrock wind-erosion rates are quantified in the arid Qaidam Basin of NW Tibet over millennial timescales using cosmogenic radionuclide dating; (2) present-day stable isotope composition in rainfall is examined across the south-central Andes in three transects between 22° S and 28° S; these data are modeled and assessed with remotely sensed rainfall data of the Tropical Rainfall Measuring Mission and the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer; (3) finally, a 2.5-km-long Mio-Pliocene sedimentary record of the intermontane Angastaco Basin (25°45’ S, 66°00’ W) is presented in the context of hydrogen and carbon compositions of molecular lipid biomarker, and oxygen and carbon isotopes obtained from  pedogenic carbonates; these records are compared to other environmental proxies, including hydrated volcanic glass shards from volcanic ashes intercalated in the sedimentary strata.
There are few quantitative estimates of eolian bedrock-removal rates from arid, low relief landscapes. Wind-erosion rates from the western Qaidam Basin based on cosmogenic 10Be measurements document erosion rates between 0.05 to 0.4 mm/yr. This finding indicates that in arid environments with strong winds, hyperaridity, exposure of friable strata, and ongoing rock deformation and uplift, wind erosion can outpace fluvial erosion. Large eroded sediment volumes within the Qaidam Basin and coeval dust deposition on the Chinese Loess plateau, exemplify the importance of dust production within arid plateau environments for marine and terrestrial depositional processes, but also health issues and fertilization of soils.
In the south-central Andes, the analysis of 234 stream-water samples for oxygen and hydrogen reveals that areas experiencing deep convective storms do not show the commonly observed patterns of isotopic fractionation and the expected co-varying relationships between oxygen and hydrogen with increasing elevation. These convective storms are formed over semi-arid intermontane basins in the transition between the broken foreland of the Sierras Pampeanas, the Eastern Cordillera, and the Puna Plateau in the interior of the orogen. Here, convective rainfall dominates the precipitation budget and no systematic stable isotope-elevation relationship exists.  Regions to the north, in the transition between the broken foreland and the Subandean foreland fold-and-thrust belt, the impact of convection is subdued, with lower degrees of storminess and a stronger expected isotope-elevation relationship. This finding of present-day fractionation trends of meteoric water is of great importance for paleoenvironmental studies in attempts to use stable isotope relationships in the reconstruction of paleoelevations. 
The third part of the thesis focuses on the paleohydrological characteristics of the Mio-Pliocene (10-2 Ma) Angastaco Basin sedimentary record, which reveals far-reaching environmental changes during Andean uplift and orographic barrier formation. A precipitation- evapotranspiration record identifies the onset of a precipitation regime related to the South American Low Level Jet at this latitude after 9 Ma. Humid foreland conditions existed until 7 Ma, followed by orographic barrier uplift to the east of the present-day Angastaco Basin. This was superseded by rapid (~0.5 Myr) aridification in an intermontane basin, highlighting the effects of eastward-directed deformation. A transition in vegetation cover from a humid C3 forest ecosystem to semi-arid C4-dominated vegetation was coeval with continued basin uplift to modern elevations.
N2  - Das übergreifende Ziel dieser Dissertation ist es, ein besseres Verständnis des Einflusses von Wind und Wasser auf die Entstehung orogener Plateaus im Känozoikum zu erlangen. Orogene Plateaus sind hochgelegene, durch geringes Relief und oft endorheische Entwässerung charakterisierte trockene Hochgebirgsregionen. In dieser Arbeit wird vor allem die Rückkopplung zwischen tektonischer Hebung, dem Aufbau von Relief und den daraus resultierenden Veränderungen des Niederschlags, der Erosion und variierenden Vegetationsmustern im Zusammenhang mit vergangenen und zukünftigen Klimaveränderungen untersucht. Der regionale Fokus dieser Arbeit liegt auf den zwei größten Plateaus der Erde, das Altiplano-Puna-Plateau in den Anden und das Tibet Plateau. Beide besitzen eine durchschnittliche Höhe von > 4 km. Als effiziente orographische Barrieren und „Heizflächen“ beeinflussen Plateaus großräumig die atmosphärische Zirkulation und bewirken somit ausgeprägte Gradienten in Niederschlag, Vegetation, Hydrologie und Oberflächenprozessen.
	Vor diesem Hintergrund untersucht diese Arbeit das komplexe Zusammenspiel zwischen Tektonik und Klima und damit verbundene Auswirkungen auf Erdoberflächenprozesse auf drei verschiedenen zeitlichen und räumlichen Skalen: (1) die Quantifizierung von Wind-Erosionsraten im Festgestein des ariden Qaidam-Beckens von Nordwest-Tibet mittels kosmogener Nukliddatierungen über Zeiräume von mehreren 103 Jahren; (2) die heutige Isotopenzusammensetzung von Niederschläge wird entlang von drei Transekten über die Südzentralanden zwischen 22° und 28° S ermittelt; diese Daten werden modelliert und der Niederschlag mit satellitenbasierten Fernerkundungsdaten der Tropical Rainfall Measuring Mission und des Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer ausgewertet; (3) eine 2,5 km mächtige mio-pliozäne Sedimentabfolge des intermontanen Angastaco-Beckens (25°45’ S, 66°00’ W) wird auf die Wasserstoff- und Kohlenstoffzusammensetzungen von molekularen Blattwachsen und hinsichtlich der Sauerstoff- und Kohlenstoffisotopie von Bodenkarbonaten untersucht; diese Datensätze werden mit anderen Umweltindikatoren verglichen, u.a. mit hydratisierten Gläsern vulkanischer Aschen, die in der Sedimentabfolge aufgeschlossen sind.
Es gibt nur wenige quantitative Abschätzungen von Winderosionsraten im Festgestein arider Gebiete mit geringem Relief. Kosmogene 10Be-Messungen im westlichen Qaidam-Becken dokumentieren Erosionsraten zwischen 0,05 bis 0,4 mm/a. Diese Resultate zeigen, dass in ariden Gebieten mit hohen Windgeschwindigkeiten, leicht erodierbaren Gesteinen und andauernder Deformation und Hebung, Wind-Erosionsprozesse die Denudationsraten der fluvialen Erosion bei weitem übersteigen kann. Das große Volumen erodierter Gesteine im Qaidam-Becken und die gleichzeitige Lössablagerung im chinesischen Löss-Plateau veranschaulichen die wichtige Rolle der äolischen Sedimentproduktion in ariden Plateaugebieten und unterstreichen deren Bedeutung für marine und terrestrische Ablagerungsprozesse sowie Nährstoffeinträge in Böden und respiratorische Gesundheitsprobleme. 
	Die Analyse der Sauerstoff- und Wasserstoffisotopie von 234 Flusswasserproben aus den Südzentralanden belegt, dass Gebiete mit starken konvektiven meteorologischen Ereignissen nicht die erwarteten Isotopenmuster zwischen der Abnahme der Isotopie und der Höhe aufweisen.  Diese konvektiven Ereignisse werden über semiariden intermontanen Becken in der Übergangszone zwischen dem zerbrochenen Vorland der Sierras Pampeanas, der Ostkordillere und dem Puna-Plateau im Inneren des Orogens gebildet. Konvektiver Niederschlag dominiert hier den Niederschlagshaushalt und eliminiert jegliche systematische Beziehung zwischen der Isotopie und der Höhe. In den nördlichen Regionen, - in der Übergangszone zwischen dem zerbrochenen Vorland und dem subandinen Falten- und Überschiebungsgürtel, verringert sich der Einfluss konvektiver Niederschläge und hydrometeorologische Extremereignisse gegenüber den orographischen bedingten Niederschlagsmechanismen. Dieser Unterschied wirkt sich in einer besseren  Beziehung zwischen Isotopenverhältnissen und Höhe aus. Eine bessere Kenntnis der meteorologischen Einflüsse auf die Wasserisotopie sind der Schlüssel für zukünftige Paläoumweltstudien und zukünftige Bestrebungen, mit Hilfe der Trends in der Isotopie meteorischer Wässer das vertikale Wachstum von Gebirgen zu quantifizieren.
Der dritte Teil der Arbeit behandelt die Isotopenverhältnisse in Blattwachsen und daraus abgeleitete paläohydrologische Eigenschaften des Anagastaco-Beckens im Mio-Pliozän (10-2 Ma), welche weitreichende Umweltveränderungen während der Hebung der Anden und der Bildung von orografischen Barrieren im Vorland aufzeigen. Als Proxies für Niederschlag und Evapotranspiration dokumentieren Isotopenverhältnisse in Blattwachsen, Bodenkarbonaten und vulkanischen Gläsern den Beginn eines Niederschlagsystems in diesem Teil der Anden, welches durch feuchtebringende Winde des South American Low Level Jet ab 9 Ma etabliert war. Humide Bedingungen existierten bis 7 Ma im Vorland, gefolgt von einer Bildung einer orografischen Barriere im Osten des heutigen Angastaco-Beckens. Als Folge dieser Hebung folgte eine rasche Aridifikation (innerhalb ~0,5 Ma) des nun intermontanen Angastaco-Beckens. Ein Wechsel von einem feuchten C3-Wald-Ökosystem zu semiariden Umweltbedingungen mit einer C4-dominierten Vegetationsdecke vollzog sich gleichzeitig mit der fortlaufenden Hebung des Beckens auf heutige Höhen.
KW  - plateau
KW  - isotopes
KW  - erosion
KW  - water
KW  - leaf wax
KW  - Plateau
KW  - stabile Isotope
KW  - Wasser
KW  - Erosion
KW  - Blattwachse
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-77938
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pradhan, Prajal
T1  - Food demand and supply under global change
T1  - Nahrungsmittelnachfrage und -Versorgung im Globalen Wandel
N2  - Anthropogenic activities have transformed the Earth's environment, not only on local level, but on the planetary-scale causing global change. Besides industrialization, agriculture is a major driver of global change. This change in turn impairs the agriculture sector, reducing crop yields namely due to soil degradation, water scarcity, and climate change. However, this is a more complex issue than it appears. Crop yields can be increased by use of agrochemicals and fertilizers which are mainly produced by fossil energy. This is important to meet the increasing food demand driven by global demographic change, which is further accelerated by changes in regional lifestyles. In this dissertation, we attempt to address this complex problem exploring agricultural potential globally but on a local scale. For this, we considered the influence of lifestyle changes (dietary patterns) as well as technological progress and their effects on climate change, mainly greenhouse gas (GHG) emissions. Furthermore, we examined options for optimizing crop yields in the current cultivated land with the current cropping patterns by closing yield gaps. Using this, we investigated in a five-minute resolution the extent to which food demand can be met locally, and/or by regional and/or global trade. Globally, food consumption habits are shifting towards calorie rich diets. Due to dietary shifts combined with population growth, the global food demand is expected to increase by 60-110% between 2005 and 2050. Hence, one of the challenges to global sustainability is to meet the growing food demand, while at the same time, reducing agricultural inputs and environmental consequences. In order to address the above problem, we used several freely available datasets and applied multiple interconnected analytical approaches that include artificial neural network, scenario analysis, data aggregation and harmonization, downscaling algorithm, and cross-scale analysis.

Globally, we identified sixteen dietary patterns between 1961 and 2007 with food intakes ranging from 1,870 to 3,400 kcal/cap/day. These dietary patterns also reflected changing dietary habits to meat rich diets worldwide. Due to the large share of animal products, very high calorie diets that are common in the developed world, exhibit high total per capita emissions of 3.7-6.1 kg CO2eq./day. This is higher than total per capita emissions of 1.4-4.5 kg CO2eq./day associated with low and moderate calorie diets that are common in developing countries. Currently, 40% of the global crop calories are fed to livestock and the feed calorie use is four times the produced animal calories. However, these values vary from less than 1 kcal to greater 10 kcal around the world. On the local and national scale, we found that the local and national food production could meet demand of 1.9 and 4.4 billion people in 2000, respectively. However, 1 billion people from Asia and Africa require intercontinental agricultural trade to meet their food demand. Nevertheless, these regions can become food self-sufficient by closing yield gaps that require location specific inputs and agricultural management strategies. Such strategies include: fertilizers, pesticides, soil and land improvement, management targeted on mitigating climate induced yield variability, and improving market accessibility. However, closing yield gaps in particular requires global N-fertilizer application to increase by 45-73%, P2O5 by 22-46%, and K2O by 2-3 times compare to 2010. Considering population growth, we found that the global agricultural GHG emissions will approach 7 Gt CO2eq./yr by 2050, while the global livestock feed demand will remain similar to 2000. This changes tremendously when diet shifts are also taken into account, resulting in GHG emissions of 20 Gt CO2eq./yr and an increase of 1.3 times in the crop-based feed demand between 2000 and 2050. However, when population growth, diet shifts, and technological progress by 2050 were considered, GHG emissions can be reduced to 14 Gt CO2eq./yr and the feed demand to nearly 1.8 times compare to that in 2000. Additionally, our findings shows that based on the progress made in closing yield gaps, the number of people depending on international trade can vary between 1.5 and 6 billion by 2050. In medium term, this requires additional fossil energy. Furthermore, climate change, affecting crop yields, will increase the need for international agricultural trade by 4% to 16%.

In summary, three general conclusions are drawn from this dissertation. First, changing dietary patterns will significantly increase crop demand, agricultural GHG emissions, and international food trade in the future when compared to population growth only. Second, such increments can be reduced by technology transfer and technological progress that will enhance crop yields, decrease agricultural emission intensities, and increase livestock feed conversion efficiencies. Moreover, international trade dependency can be lowered by consuming local and regional food products, by producing diverse types of food, and by closing yield gaps. Third, location specific inputs and management options are required to close yield gaps. Sustainability of such inputs and management largely depends on which options are chosen and how they are implemented. However, while every cultivated land may not need to attain its potential yields to enable food security, closing yield gaps only may not be enough to achieve food self-sufficiency in some regions. Hence, a combination of sustainable implementations of agricultural intensification, expansion, and trade as well as shifting dietary habits towards a lower share of animal products is required to feed the growing population.
N2  - Der Mensch beeinflusst die landwirtschaftlichen Erträge unmittelbar durch anthropogen verursachte Treiber des globalen Wandels, wie Bodenerosion, Wasserknappheit und Klimawandel, wovon er und seine Lebensmittelversorgung wiederum direkt betroffen sein werden. Einerseits steigert der Einsatz von Agrochemikalien und mithilfe fossiler Energien erzeugte Dünger die landwirtschaftlichen Erträge. Andererseits tragen Bevölkerungswachstum sowie die Tendenz zu kalorienreichen Ernährungsweisen zu einer vermehrten Nahrungsmittelnachfrage von 60-110% von 2005 bis 2050 bei. Das Decken der wachsenden Lebensmittelnachfrage bei gleichzeitiger Reduktion des landwirtschaftlichen Ressourcenverbrauchs und Umweltbelastungen stellt eine zentrale Herausforderung für die globale Nachhaltigkeit dar. In diesem Rahmen versucht diese Arbeit, die Potentiale der globalen Landwirtschaft auf kleinräumiger Skala auszuloten. Hierbei werden Prognosen zu Auswirkungen von Ernährungsmustern und Veränderungen der landwirtschaftlichen Produktionsmethoden unter Beibehaltung der der Anbaufolge und deren Einfluss auf den Klimawandel berücksichtigt. Projektionen basierend auf räumlich hoch aufgelösten Daten lassen Aussagen darüber zu, inwieweit die Nahrungsmittelproduktion lokal sichergestellt werden kann und falls nicht, wie dies durch regionalen und/oder globalen Handel erfolgen kann. Frei verfügbare Datensätze und Ansätze, wie künstliche neuronale Netze, Szenarioanalysen, Downscaling und skalenübergreifende Methoden werden zur Bearbeitung genutzt.

Für den Zeitraum von 1961 bis 2007 konnten 16 globale Ernährungstypologien identifiziert werden. Diese spiegeln vor allem eine Tendenz hin zu fleischhaltiger Kost wider. Durch den hohen Anteil tierischer Produkte verursachen kalorienreiche Ernährungsmuster, wie in Industrieländern üblich, hohe pro Kopf Emissionen von 3,7-6,1 kg CO2eq./Tag und übersteigen die pro Kopf Emissionen von 1,4-4,5 kg CO2eq./Tag einer kalorienarmen Ernährungsweise in Entwicklungsländern. Weltweit werden 40% aller landwirtschaftlichen Erzeugnisse als Futtermittel genutzt, was bedeutet, dass aus einem regional variierenden Wert von weniger als 1 kcal bis 10 kcal Getreide, 1 kcal tierische Produkte erzeugt werden. Im Jahr 2000 konnten lokale und nationale Nahrungsmittelproduktionen die Nachfrage von 1,9 bzw. 4,4 Milliarden Menschen erfüllen. Trotzdem sind ca. 1 Milliarde Menschen in Asien und Afrika auf interkontinentalen Handel angewiesen um ihre Lebensmittelnachfrage zu decken. Bei alleiniger Betrachtung des Bevölkerungswachstums wird ein Anstieg der globalen landwirtschaftlichen Treibhausgasemissionen bis zum Jahr 2050 auf jährlich 7 Gt CO2eq. deutlich, während die Nachfrage nach angebauten Futtermitteln gegenüber 2000 annähernd gleich bleiben wird. Das Hinzuziehen von Ernährungsgewohnheiten zeigt, dass zwischen 2000 und 2050 ein Anstieg der Treibhausgasemissionen auf 20 Gt CO2eq. pro Jahr und eine 1,3-fach gesteigerte Nachfrage nach Futtermittel möglich ist. Der zusätzliche Einbezug von technologischem Fortschritt ergibt, dass Emissionen auf jährlich 14 Gt CO2eq. und der Anstieg der Futtermittelnachfrage auf das 0,8-fache reduziert werden können. Daraus geht die Erkenntnis hervor, dass je nachdem, wie erfolgreich Ertragslücken geschlossen werden, 1,5 bis 6 Milliarden Menschen vom internationalen Handel abhängig sind, welcher mittelfristig zusätzliche fossile Energie benötigt. Der Einfluss des Klimawandels auf Ernteerträge wird den Bedarf an internationalem Handel mit landwirtschaftlichen Produkten um 4% bis 16% erhöhen. Weiterhin lässt sich schlussfolgern, dass insbesondere veränderte Ernährungsgewohnheiten, im Gegensatz zu Bevölkerungswachstum, die Nachfrage nach Getreide, die landwirtschaftlichen Treibhausgasemissionen sowie den internationalen Handel mit Nahrungsmitteln erhöhen werden. Durch adäquaten Technologietransfer und technologischen Fortschritt lassen sich Ernteerträge steigern, landwirtschaftliche Emissionen senken und die Effizienz der Umwandlung von Futtermittel in tierische Produkte erhöhen. Abhängigkeiten vom internationalen Handel könnten durch den Konsum lokaler und regionaler Produkte und durch Diversifizierung von Erzeugnissen verringert werden. Zur Schließung von Ertragslücken sind ortsspezifische Maßnahmen erforderlich, wie die nachhaltige Verwendung von Düngemitteln und Pestiziden, Bodenverbesserung, Maßnahmen zur Abschwächung klimabedingter Ernteschwankungen sowie ein verbesserter Marktzugang. Um die Ernährung einer wachsenden Weltbevölkerung zu gewährleisten, ist eine Kombination aus nachhaltiger Intensivierung und Ausweitung der Landwirtschaft, des Handels sowie Ernährungsmuster mit  geringeren Anteilen tierischer Produkte notwendig.
KW  - food security
KW  - global change
KW  - climate change
KW  - yield gap
KW  - dietary patterns
KW  - livestock feed
KW  - food self-sufficiency
KW  - emissions
KW  - food demand
KW  - dietary changes
KW  - self-organising maps
KW  - cross-scale analysis
KW  - sustainability
KW  - Nahrungsmittelsicherheit
KW  - Nahrungsmittelselbstversorgung
KW  - Ertragslücken
KW  - Emissionen
KW  - Futtermittel
KW  - Ernährungsmuster
KW  - Ernährungsumstellung
KW  - Klimawandel
KW  - Lebensmittelnachfrage
KW  - selbstorganisierte Karten
KW  - skalenübergreifende Analyse
KW  - Nachhaltigkeit
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-77849
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rajasundaram, Dhivyaa
T1  - Integrative analysis of heterogeneous plant cell wall related data
T1  - Integrative Analyse von heterogenen Pflanzenzellwand-Daten
N2  - Plant cell walls are complex structures that underpin plant growth and are widely exploited in diverse human activities thus placing them with a central importance in biology. Cell walls have been a prominent area of research for a long time, but the chemical complexity and diversity of cell walls not just between species, but also within plants, between cell-types, and between cell wall micro-domains pose several challenges. Progress accelerated several-fold in cell wall biology owing to advances in sequencing technology, aided soon thereafter by advances in omics and imaging technologies. This development provides additional perspectives of cell walls across a rapidly growing number of species, highlighting a myriad of architectures, compositions, and functions. 
Furthermore, rather than the component centric view, integrative analysis of the different cell wall components across system-levels help to gain a more in-depth understanding of the structure and biosynthesis of the cell envelope and its interactions with the environment.

To this end, in this work three case studies are detailed, all pertaining to the integrative analysis of heterogeneous cell wall related data arising from different system-levels and analytical techniques. A detailed account of multiblock methods is provided and in particular canonical correlation and regression methods of data integration are discussed. In the first integrative analysis, by employing canonical correlation analysis - a multivariate statistical technique to study the association between two datasets - novel insight to the relationship between glycans and phenotypic traits is gained. In addition, sparse partial least squares regression approach that adapts Lasso penalization and allows for the selection of a subset of variables was employed. The second case study focuses on an integrative analysis of images obtained from different spectroscopic techniques. By employing yet another multiblock approach - multiple co-inertia analysis, insitu biochemical composition of cell walls from different cell-types is studied thereby highlighting the common and complementary parts of the two hyperspectral imaging techniques. Finally, the third integrative analysis facilitates gene expression analysis of the Arabidopsis root transcriptome and translatome for the identification of cell wall related genes and compare expression patterns of cell wall synthesis genes. The computational analysis considered correlation and variation of expression across cell-types at both system-levels, and also provides insight into the degree of co-regulatory relationships that are preserved between the two processes.

The integrative analysis of glycan data and phenotypic traits in cotton fibers using canonical methods led to the identification of specific polysaccharides which may play a major role during fiber development for the final fiber characteristics. Furthermore, this analysis provides a base for future studies on glycan arrays in case of developing cotton fibers. The integrative analysis of images from infrared and Raman spectroscopic approaches allowed the coupling of different analytical techniques to characterize complex biological material, thereby, representing various facets of their chemical properties. Moreover, the results from the co-inertia analysis demonstrated that the study was well adapted as it is relevant for coupling data tables in a symmetric way. Several indicators are proposed to investigate how the global and block scores are related. In addition, studying the root cells of \textit{Arabidopsis thaliana} allowed positing a novel pipeline to systematically investigate and integrate the different levels of information available at the global and single-cell level. The conducted analysis also confirms that previously identified key transcriptional activators of secondary cell wall development display highly conserved patterns of transcription and translation across the investigated cell-types. Moreover, the biological processes that display conserved and divergent patterns based on the cell-type-specific expression and translation levels are identified.
N2  - Pflanzliche Zellwände sind komplexe Strukturen, die wichtig für das Zellwachstum und auch nützlich für den Menschen sind, weshalb sie eine wichtige zentrale Rolle in der Biologie haben. Zellwände sind schon seit einiger Zeit ein bedeutsames Untersuchungsgebiet, jedoch stellen Fragen nach der chemischen Komplexizität und Diversität nicht nur zwischen Zellwänden verschiedener Spezies, sondern auch innerhalb von Pflanzen, zwischen verschiedenen Zelltypen und auch zwischen dem Mikro-Bereich von Zellwänden eine Herausforderung dar. Ein grosser Fortschritt in der Forschung konnte durch die Weiterentwicklung der Sequenziertechniken erzielt werden, sowie auch durch Fortschritte der "Omik"-Technologien und Imaging-Technologien. Dieser Fortschritt ermöglicht eine zusätzliche Perspektive auf Zellwände über die stark wachsende Anzahl verschiedener Spezies, die eine Vielzahl von Architekturen, Zusammensetzung und Funktionen hervorhebt. Des Weiteren werden statt einer Komponenten-zentrierten Sichtweise eine integrative Analyse der verschiedenen Zellwandkomponenten über unterschiedliche Systemebenen genutzt, um ein tieferes Verständnis über die Struktur und Biosynthese der Zellhülle und ihrer Wechselwirkung mit der Umgebung zu erlangen.

Zu diesem Zweck werden in dieser Arbeit drei Fallstudien ausführlich beschrieben, die sich alle auf die integrative Analyse von heterogenen zellwandbezogenen Daten beziehen, die von unterschiedlichen Systemebenen und analystischen Techniken stammen. Eine detailierte Darstellung von Multiblock-Methoden wird verschafft, wobei besonders  kanonische Korrelationsanalyse und Regressionsmethoden der Datenintegration diskutiert werden. In der ersten Studie werden unter Einsatz kanonischer Korrelationsanalyse - einer multivariaten statistischen Technik, um Zusammenhänge zwischen zwei Datensätzen zu ermitteln - angewendet, um neue Erkenntnisse in Bezug auf die Beziehungen zwischen Glycanen und phenotypischen Merkmalen zu erhalten. In der zweiten integrativen Analyse wird ein Sparse Partial Least Square Regressionsansatz verwendet, der Lasso Penalization anwendet und die Auswahl von einem Sub-Set von Variablen erlaubt. Ausserdem fokussiert sich die zweite Studie auch auf integrative Analyse von Bildern, die von zwei verschiedenen spektroskopischen Techniken aufgenommen wurden. Zunächst werden die zwei Sets von Bildern vor-bearbeitet und so aufbereitet, dass sie eine Blockdaten-Struktur bilden. Durch Anwendung eines weiteren Multiblock-Verfahrens, der multiple Co-Inertia Analyse, wird die in-situ biochemische Zusammensetzung der Zellwände von verschiedenen Zelltypen untersucht und die Gemeinsamkeiten und Unterschiede der zwei hyperspektralen Imaging-Techniken hervorgehoben. Zuletzt ermöglicht die dritte Studie eine integrative Genexpressions-Analyse des Arabidopsis Wurzeltranskriptoms und -translatoms zur Identifikation von zellwandbezogenen Genen und dem Vergleich von Expressionsmustern von Zellwandsynthese-Genen. Die numerische Analyse zieht sowohl Korrelation als auch Variation der Genexpression verschiedener Zelltypen auf den beiden Systemebenen in Betracht und liefert so einen Einblick in den Grad der ko-regulierten Beziehungen, die zwischen den beiden Prozessen konserviert sind.

Die integrative Analyse der Glycandaten und den phenotypischen Merkmalen in Baumwollfasern unter Benutzung der kanonischen Methoden führte zur Identifikation von spezifischen Polysacchariden, welche eine wesentliche Rolle für die Entwicklung der finalen Fasereigenschaften spielen könnten. Weiterhin stellt diese Analyse eine Basis für zukünftige Studien über Glycanarrays von sich in der Entwicklung befindlichen Baumwollfasern dar. Die integrative Analyse von Bildern von Infrarot- und Raman-spektroskopischen Methoden erlaubt die Verknüpfung von verschiedenen analytischen Techniken, um komplexes biologisches Material zu charakterisieren, und somit eine Vielzahl ihrer chemischen Eigenschaften darzustellen. Dar über hinaus zeigen die Ergebnisse der Co-Inertia Analyse, dass die Studie gut adaptiert ist, was relevant für die symmetrische Verknüpfung von Datentabellen ist, aber auch weil mehrere Indikatoren vorgestellt wurden, um zu untersuchen, in wie
fern die globalen und Block-Scores in Beziehung stehen. Ausserdem konnte durch die Untersuchung der Wurzelzellen von Arabidopsis thaliana eine neue Pipeline zur systematischen Untersuchung und Integration verschiedener Informationsebenen auf globaler und Einzelzellebene zuzüglich Identifikation von zellwandbezogenen Genen postuliert werden. Die ausgeführte Analyse bestätig auch, dass vorherige identifizierte Schlüssel-Transkriptionsfaktoren der sekundären Zellwandentwicklung hoch-konservierte Transkripions- und Translationsmuster in den untersuchten Zelltypen zeigen. Dazu kommt, dass biologischen Prozesse mit konservierten und divergenten Mustern auf zelltypspezifischer Expressions- und Translationebene identifiziert werden konnten.
KW  - pflanzliche Zellwände
KW  - "Omik"-Technologien
KW  - multivariate statistische Technik
KW  - integrative omics analysis
KW  - plant cell walls
KW  - canonical correlation analysis
KW  - regression methods
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-77652
ER  - 
TY  - THES
A1  - Busch, Jan Philip
T1  - Investigations on mobility of carbon colloid supported nanoscale zero-valent iron (nZVI) for groundwater remediation
T1  - Untersuchungen zur Mobilität künstlicher Kohlenstoff-Eisen-Komposite zum Einsatz in der Altlastensanierung
N2  - Injection of nanoscale zero-valent iron (nZVI) is an innovative technology for in situ installation of a permeable reactive barrier in the subsurface. Zerovalent iron (ZVI) is highly reactive with chlorinated hydrocarbons (CHCs) and renders them into less harmful substances. Application of nZVI instead of granular ZVI can increase rates of dechlorination of CHCs by orders of magnitude, due to its higher surface area. This approach is still difficult to apply due to fast agglomeration and sedimentation of colloidal suspensions of nZVI, which leads to very short transport distances. To overcome this issue of limited mobility, polyanionic stabilisers are added to increase surface charge and stability of suspensions. In field experiments maximum transport distances of a few metres were achieved. A new approach, which is investigated in this thesis, is enhanced mobility of nZVI by a more mobile carrier colloid. The investigated composite material consists of activated carbon, which is loaded with nZVI.
In this cumulative thesis, transport characteristics of carbon-colloid supported nZVI (c-nZVI) are investigated. Investigations started with column experiments in 40 cm columns filled with various porous media to investigate on physicochemical influences on transport characteristics. The experimental setup was enlarged to a transport experiment in a 1.2-m-sized two-dimensional aquifer tank experiment, which was filled with granular porous media. Further, a field experiment was performed in a natural aquifer system with a targeted transport distance of 5.3 m. Parallel to these investigations, alternative methods for transport observations were investigated by using noninvasive tomographic methods. Experiments using synchrotron radiation and magnetic resonance (MRI) were performed to investigate in situ transport characteristics in a non-destructive way.
Results from column experiments show potentially high mobility under environmental relevant conditions. Addition of mono-and bivalent salts, e.g. more than 0.5 mM/L CaCl2, might decrease mobility. Changes in pH to values below 6 can inhibit mobility at all. Measurements of colloid size show changes in the mean particle size by a factor of ten. Measurements of zeta potential revealed an increase of –62 mV to –82 mV. Results from the 2D-aquifer test system suggest strong particle deposition in the first centimetres and only weak straining in the further travel path and no gravitational influence on particle transport. Straining at the beginning of the travel path in the porous medium was observed with tomographic investigations of transport. MRI experiments revealed similar results to the previous experiments, and observations using synchrotron radiation suggest straining of colloids at pore throats. The potential for high transport distances, which was suggested from laboratory experiments, was confirmed in the field experiment, where the transport distance of 5.3 m was reached by at least 10% of injected nZVI. Altogether, transport distances of the investigated carbon-colloid supported nZVI are higher than published results of traditional nZVI.
N2  - Die Injektion nanoskaligen nullwertigen Eisens ist eine innovative Technik zur In-situ-Sanierung chlororganisch belasteter Standorte. Hierbei wird das nullwertige Eisen in den Untergrund injiziert und soll dort eine permeable reaktive Barriere aufbauen, in der chlororganische Schadstoffe zu weniger schädlichen Substanzen abgebaut werden sollen. Die Einbringung nanoskaliger Kolloide birgt gegenüber klassischen eisengefüllten permeablen reaktiven Barrieren den Vorteil einer durch die wesentlich größere Oberfläche vielfach schnelleren Reaktion und dadurch einer möglicherweise kürzeren Sanierungszeit. Noch ist die praktische Anwendung dieses Ansatzes durch schnelle Agglomeration und Sedimentation der Nanokolloide begrenzt. Durch Hinzufügen von polyanionischen Zusatzstoffen, welche die Oberflächenladung erhöhen und damit die Agglomeration und Sedimentation der Partikel verlangsamen, konnten bereits Transportreichweiten von wenigen Metern beobachtet werden. Ein weiterer Ansatz ist das Aufbringen von Nanoeisen auf ein mobiles Trägerkolloid.
In dieser kumulativen Dissertation werden die Transporteigenschaften von kohlenstoffkolloidunterstütztem Nanoeisen untersucht. Die Untersuchungen beginnen mit Versuchen in Laborsäulen, die mit verschiedenen porösen Medien gefüllt wurden. Hier wurde der Einfluss verschiedener physikochemischer Parameter (u.a. Salinität und pH-Wert) auf das Transportverhalten untersucht. Anschließend wurde der Versuchsaufbau auf einen 1,2 m langen 2D-Laboraquifer, der ebenfalls mit einem porösen Medium gefüllt wurde, vergrößert. Außerdem wurde ein Feldversuch in einem natürlichen Aquifer ein gerichtetes Fließfeld eingerichtet und darin der Transport über eine Distanz von 5,3 m untersucht. Parallel dazu wurde das Transportverhalten mit nichtinvasiven Methoden, hier Magnetresonanztomographie (MRT) und Synchrotronstrahlung, in laborskaliger Größe untersucht.
Die Ergebnisse der Säulenversuche deuten auf eine hohe Anwendbarkeit unter umweltrelevanten Bedingungen hin. Ein sehr niedriger pH-Wert oder eine hohe Salinität (z. B. mehr als 5 mM/L CaCl2) können die Anwendbarkeit jedoch einschränken. Zusätzlich wurde eine Änderung der durchschnittlichen Kolloidgröße um den Faktor einer Größenordnung und eine Änderung des Zetapotentials von –62 auf –80 mV beobachtet. Die Ergebnisse des Transportexperiments im 2D-Laboraquifer deuten auf eine Deposition der Kolloide auf den ersten Zentimetern der Fließstrecke hin, aber geringe Deposition im weiteren Verlauf des Transports. Dabei konnte kein direkter Einfluss der Gravitation festgestellt werden. Die Ergebnisse konnten mithilfe von MRT-Untersuchungen bestätigt werden. Die Beobachtung mittels Synchrotrontomographie deutet auf eine Deposition an Porenhälsen hin. Die vielversprechenden Ergebnisse der Laboruntersuchungen konnten in dem Feldversuch bestätigt werden, da hier mehr als 10% der zugegebenen nZVI eine Stecke von 5,3 m oder mehr im Aquifer passiert haben. In der Gesamtbetrachtung scheint der Einsatz dieses kolloidunterstützten nanoskaligem nullwertigen Eisens den gängigen Methoden der Eiseninjektion im Hinblick auf die erzielbare Transportreichweite überlegen zu sein.
KW  - nanoscale zero-valent iron (nZVI)
KW  - Carbo-Iron®
KW  - colloid transport
KW  - in-situ remediation
KW  - Nanoeisen
KW  - Carbo-Iron
KW  - Kolloidtransport
KW  - Sanierung
KW  - Altlasten
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-76873
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gerth, Sabrina
T1  - Memory limitations in sentence comprehension
T1  - Begrenzungen des Arbeitsgedächtnisses in der Satzverarbeitung
BT  - a structural-based complexity metric of processing difficulty
BT  - eine strukturbasierte Komplexitätsmetrik von Verarbeitungsschwierigkeiten
N2  - This dissertation addresses the question of how linguistic structures can be represented in working memory. We propose a memory-based computational model that derives offline and online complexity profiles in terms of a top-down parser for minimalist grammars (Stabler, 2011). The complexity metric reflects the amount of time an item is stored in memory. The presented architecture links grammatical representations stored in memory directly to the cognitive behavior by deriving predictions about sentence processing difficulty. 

Results from five different sentence comprehension experiments were used to evaluate the model's assumptions about memory limitations. The predictions of the complexity metric were compared to the locality (integration and storage) cost metric of Dependency Locality Theory (Gibson, 2000). Both metrics make comparable offline and online predictions for four of the five phenomena. The key difference between the two metrics is that the proposed complexity metric accounts for the structural complexity of intervening material. In contrast, DLT's integration cost metric considers the number of discourse referents, not the syntactic structural complexity.

We conclude that the syntactic analysis plays a significant role in memory requirements of parsing. An incremental top-down parser based on a grammar formalism easily computes offline and online complexity profiles, which can be used to derive predictions about sentence processing difficulty.
N2  - Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Frage wie linguistische Strukturen im Arbeitsgedächtnis dargestellt werden. Es wurde ein gedächtnisbasiertes Computermodell entwickelt, das offline und online Komplexitätsprofile für bestimmte Satzstrukturen erstellt. Diese Komplexitätsprofile basieren auf den Berechnungen eines top-down Parsers für minimalistische Grammatiken (Stabler, 2011). Die Komplexitätsprofile spiegeln die Zeit wider, die ein Item im Gedächtnis oder Speicher gehalten wird. Das entwickelte Modell verbindet grammatische Repräsentationen, die im Speicher gehalten werden, direkt mit dem kognitiven menschlichen Verhalten in Sprachverarbeitungsexperimenten indem es Vorhersagen über Satzverarbeitungsschwierigkeiten trifft. 

Die Ergebnisse von fünf Satzverarbeitungsexperimenten wurden verwendet, um die Vorhersagen des Modells über die Begrenzungen des Gedächtnisses zu evaluieren. Die Vorhersagen der Komplexitätsmetrik wurden mit den Vorhersagen einer in der Psycholinguistik etablierten Komplexitätsmetrik (Dependency Locality Theory, DLT (Gibson, 2000)) verglichen. Beide Metriken machen vergleichbare offline und online Vorhersagen für vier der fünf Experimente. Der Unterschied zwischen beiden Metriken ist, dass die in dieser Dissertation erarbeitete Komplexitätsmetrik die strukturelle Komplexität der Satzstruktur mit einbezieht. Im Gegensatz zu DLTs Integrationsmetrik, die die Komplexität eines Satzes lediglich anhand der Anzahl der Wörter misst.

Diese Dissertation zeigt, dass ein inkrementeller Top-down Parser, der auf einem Grammatikformalismus basiert, offline und online Komplexitätsprofile berechnen kann, die verwendet werden können, um Vorhersagen über Satzverarbeitungsschwierigkeiten zu treffen.
T3  - Potsdam Cognitive Science Series - 6 
KW  - psycholinguistics
KW  - syntax
KW  - working memory
KW  - Psycholinguistik
KW  - Computermodell
KW  - Arbeitsgedächtnis
KW  - Syntax
KW  - computational model
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-71554
SN  - 978-3-86956-321-3
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TY  - THES
A1  - Wieland, Volkmar
T1  - Particle-in-cell simulations of perpendicular supernova shock fronts
T1  - Particle-in-Cell Simulationen von senkrechten Supernova Schock-Fronten
N2  - The origin of cosmic rays was the subject of several studies for over a century. The investigations done within this dissertation are one small step to shed some more light on this mystery.
Locating the sources of cosmic rays is not trivial due to the interstellar magnetic field. However, the Hillas criterion allows us to arrive at the conclusion that supernova remnants are our main suspect for the origin of galactic cosmic rays. The mechanism by which they are accelerating particles is found within the field of shock physics as diffusive shock acceleration. To allow particles to enter this process also known as Fermi acceleration pre-acceleration processes like shock surfing acceleration and shock drift acceleration are necessary. Investigating the processes happening in the plasma shocks of supernova remnants is possible by utilising a simplified model which can be simulated on a computer using Particle-in-Cell simulations.
We developed a new and clean setup to simulate the formation of a double shock, i.e., consisting of a forward and a reverse shock and a contact discontinuity, by the collision of two counter-streaming plasmas, in which a magnetic field can be woven into. In a previous work, we investigated the processes at unmagnetised and at magnetised parallel shocks, whereas in the current work, we move our investigation on to magnetised perpendicular shocks.
Due to a much stronger confinement of the particles to the collision region the perpendicular shock develops much faster than the parallel shock. On the other hand, this leads to much weaker turbulence. We are able to find indications for shock surfing acceleration and shock drift acceleration happening at the two shocks leading to populations of pre-accelerated particles that are suitable as a seed population to be injected into further diffusive shock acceleration to be accelerated to even higher energies. We observe the development of filamentary structures in the shock ramp of the forward shock, but not at the reverse shock. This leads to the conclusion that the development of such structures in the shock ramp of quasi-perpendicular collisionless shocks might not necessarily be determined by the existence of a critical sonic Mach number but by a critical shock speed.
The results of the investigations done within this dissertation might be useful for further studies of oblique shocks and for studies using hybrid or magnetohydrodynamic simulations. Together with more sophisticated observational methods, these studies will help to bring us closer to an answer as to how particles can be accelerated in supernova remnants and eventually become cosmic rays that can be detected on Earth.
N2  - Der Ursprung der kosmischen Strahlung war seit über einem Jahrhundert Gegenstand von zahlreichen Untersuchungen. Die Untersuchungen, welche innerhalb dieser Dissertation gemacht wurden, sind ein kleiner Schritt dazu etwas mehr Licht auf dieses Geheimnis zu werfen.
Die Quellen der kosmischen Strahlung herauszufinden stellt sich aufgrund des interstellaren Magnetfeldes als nicht trivial heraus. Jedoch erlaubt uns das Hillas-Kriterium die Schlussfolgerung, dass Supernovaüberreste unsere Hauptverdächtigen für den Ursprung der galaktischen kosmischen Strahlung sind. Der Mechanismus, durch welchen sie Teilchen beschleunigen, kann im Gebiet der Schock-Physik in Form der diffusen Schockbeschleunigung gefunden werden. Um den Teilchen zu ermöglichen an diesem Prozess, der auch als Fermi-Beschleunigung bekannt ist, teilzunehmen, sind Vorbeschleunigungsprozesse wie die Schock-Surfing-Beschleunigung und die Schock-Drift-Beschleunigung nötig. Die Untersuchung der Prozesse in Plasma-Schocks ist durch die Verwendung eines vereinfachten Modells möglich, welches sich mit Hilfe von Particle-in-Cell Simulationen auf einem Computer simulieren lässt.
Wir haben einen neuen und sauberen Setup entwickelt um die Entstehung eines Doppelschocks, bestehend aus einem vorwärts und einem rückwärts gerichtet Schock und einer Kontakt-Diskontinuität, durch die Kollision zweier gegeneinander strömender Plasmen, in welche ein Magnetfeld eingelagert werden kann, zu simulieren. In einer vorhergehenden Arbeit haben wir bereits die Prozesse an unmagnetisierten und an magnetisierten parallelen Schocks untersucht, weshalb wir in der vorliegenden Arbeit zu der Untersuchung magnetisierter senkrechter Schocks weiter gegangen sind.
Aufgrund eines sehr viel stärkeren Einfangens der Teilchen in der Kollisionsregion, entwickelt sich der senkrechte Schock sehr viel schneller als der parallele Schock. Andererseits führt dies zu einer viel schwächeren Turbulenz. Wir finden Anzeichen für Schock-Surfing-Beschleunigung und Schock-Drift-Beschleunigung in beiden Schocks, welche Populationen von vorbeschleunigten Teilchen erzeugen, die wiederum als Ausgangspopulation für die Injektion in die diffusive Schock-Beschleunigung geeignet sind um zu noch höheren Energien beschleunigt zu werden. Wir beobachten die Entwicklung von Filamentstrukturen in der Schockrampe des vorwärts gerichteten Schocks, jedoch nicht im rückwärts gerichtet Schock. Dies führt zu der Schlussfolgerung, dass die Entwicklung dieser Strukturen in der Schockrampe von quasi-senkrechten kollisionsfreien Schocks nicht notwendigerweise durch die Existenz einer kritischen sonischen Machzahl bestimmt ist, sondern durch eine kritische Schock-Geschwindigkeit.
Die Ergebnisse der Untersuchungen in dieser Dissertation können sich für weiterführende Untersuchungen von schrägen Schocks und für Untersuchungen mit Hilfe von hybriden oder magnetohydrodynamischen Simulationen als nützlich erweisen. Zusammen mit ausgefeilteren Beobachtungsmethoden helfen uns diese Untersuchungen dabei näher an eine Antwort auf die Frage zu kommen, wie Teilchen in Supernovaüberresten beschleunigt werden können um schließlich als kosmische Strahlung auf der Erde detektiert werden zu können.
KW  - cosmic rays
KW  - kosmische Strahlung
KW  - supernova remnants
KW  - Supernovaüberreste
KW  - particle-in-cell simulations
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-74532
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schirmack, Janosch
T1  - Activity of methanogenic archaea under simulated Mars analog conditions
T1  - Aktivität methanogener Archaeen unter simulierten Marsanalogen Bedingungen
N2  - Assumed comparable environmental conditions of early Mars and early Earth in 3.7 Ga ago – at a time when first fossil records of life on Earth could be found – suggest the possibility of life emerging on both planets in parallel. As conditions changed, the hypothetical life on Mars either became extinct or was able to adapt and might still exist in biological niches. The controversial discussed detection of methane on Mars led to the assumption, that it must have a recent origin – either abiotic through active volcanism or chemical processes, or through biogenic production. Spatial and seasonal variations in the detected methane concentrations and correlations between the presence of water vapor and geological features such as subsurface hydrogen, which are occurring together with locally increased detected concentrations of methane, gave fuel to the hypothesis of a possible biological source of the methane on Mars.
Therefore the phylogenetically old methanogenic archaea, which have evolved under early Earth conditions, are often used as model-organisms in astrobiological studies to investigate the potential of life to exist in possible extraterrestrial habitats on our neighboring planet. In this thesis methanogenic archaea originating from two extreme environments on Earth were investigated to test their ability to be active under simulated Mars analog conditions. These extreme environments – the Siberian permafrost-affected soil and the chemoautotrophically based terrestrial ecosystem of Movile cave, Romania – are regarded as analogs for possible Martian (subsurface) habitats. Two novel species of methanogenic archaea isolated from these environments were described within the frame of this thesis.
It could be shown that concentrations up to 1 wt% of Mars regolith analogs added to the growth media had a positive influence on the methane production rates of the tested methanogenic archaea, whereas higher concentrations resulted in decreasing rates. Nevertheless it was possible for the organisms to metabolize when incubated on water-saturated soil matrixes made of Mars regolith analogs without any additional nutrients. Long-term desiccation resistance of more than 400 days was proven with reincubation and indirect counting of viable cells through a combined treatment with propidium monoazide (to inactivate DNA of destroyed cells) and quantitative PCR. Phyllosilicate rich regolith analogs seem to be the best soil mixtures for the tested methanogenic archaea to be active under Mars analog conditions. Furthermore, in a simulation chamber experiment the activity of the permafrost methanogen strain Methanosarcina soligelidi SMA-21 under Mars subsurface analog conditions could be proven. Through real-time wavelength modulation spectroscopy measurements the increase in the methane concentration at temperatures down to -5 °C could be detected. 
The results presented in this thesis contribute to the understanding of the activity potential of methanogenic archaea under Mars analog conditions and therefore provide insights to the possible habitability of present-day Mars (near) subsurface environments. Thus, it contributes also to the data interpretation of future life detection missions on that planet. For example the ExoMars mission of the European Space Agency (ESA) and Roscosmos which is planned to be launched in 2018 and is aiming to drill in the Martian subsurface.
N2  - Die Vermutung vergleichbarer Umweltbedingungen des frühen Mars und der frühen Erde vor 3,7 Mrd. Jahren – der Zeitpunkt, zu dem die ersten fossilen Spuren des Lebens auf der Erde gefunden werden konnten – weisen auf die Möglichkeit hin, dass das Leben auf beiden Planeten parallel entstanden sein könnte. Als die Bedingungen auf dem Mars schlechter wurden, ist das hypothetische Leben dort entweder ausgestorben, oder es war in der Lage sich anzupassen und könnte noch heute in biologischen Nischen auf dem Planeten existieren. Die kontrovers diskutierte Detektion von Methan auf dem Mars führte zu der Annahme, dass dieses einen rezenten Ursprung haben muss – entweder abiotisch durch aktiven Vulkanismus oder chemische Prozesse oder aber durch biogene Produktion. Räumliche und saisonale Schwankungen der durch Fernerkundung gemessenen Methankonzentrationen, sowie die Korrelation zwischen dem Auftreten von Wasserdampf und im Untergrund detektiertem Wasserstoff zusammen mit lokal erhöhten Konzentrationen von Methan, befürworten die Hypothese einer biologischen Methanquelle auf dem Mars.
Daher werden methanogene Archaeen, welche sich unter den Bedingungen der frühen Erde entwickelt haben, oft als Modellorganismen in astrobiologischen Studien zu potentiellem Leben auf unserem benachbarten Planeten Mars verwendet. In dieser Dissertation wurden methanogene Archaeen aus zwei extremen Habitaten auf der Erde auf ihre Fähigkeiten hin untersucht, unter simulierten Mars-analogen Bedingungen aktiven Metabolismus zu zeigen. Die beiden extremen Habitate – der active layer des sibirischen Permafrosts und das auf Chemoautotrophie basierende terrestrische Ökosystem der Movile Höhle in Rumänien – gelten als Analoga für mögliche Habitate auf dem Mars. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei neue Arten von methanogenen Archaeen beschrieben, die aus den beiden genannten extremen Habitaten isoliert worden sind.
In dieser Studie konnte gezeigt werden, dass Mars-Regolith-Analoga, in Konzentrationen bis zu 1 Gew.-% zum Wachstumsmedium hinzugefügt, einen positiven Einfluss auf die Methanbildungsraten der getesteten Archaeen hatten, während höhere zugefügte Konzentrationen sinkende Raten verursachten. Dennoch war es den Organismen möglich, auf wassergesättigten künstlichen Böden aus Mars-Regolith-Analoga Methan zu produzieren, auch ohne Zugabe jeglicher weiterer Nährstoffe. Die Resistenz gegenüber Langzeit-Austrocknung von mehr als 400 Tagen wurde mittels Reinkubation sowie indirekter Zellzahlbestimmung von lebensfähigen Zellen nachgewiesen. Dies erfolgte durch eine Kombinationsbehandlung mit Propidium-Monoazide (zur Inaktivierung der DNA aus Zellen mit zerstörter Membran) und quantitativer PCR. Regolith-Analoga mit einem hohen Anteil an Phyllosilikaten schienen die besten Bodenmischungen für die metabolische Aktivität der getesteten methanogenen Archaeen unter Marsanalogen Bedingungen zu liefern. Des Weiteren konnte mittels einer Simulationskammer für den Permafrost-Stamm Methanosarcina soligelidi SMA-21 Methanbildung unter Bedingungen analog zum Marsuntergrund nachgewiesen werden. Durch Wellenlängen-Modulations-Spektroskopie konnte die Zunahme der Methankonzentration bei Temperaturen bis zu -5 °C gemessen werden.
Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse erweitern das Verständnis des Potenzials der methanogenen Archaeen, unter Mars-analogen Bedingungen aktiv sein zu können und vermitteln Einblicke in die mögliche Habitabilität vom heutigen Marsuntergrund. Außerdem tragen sie zur Interpretation der Daten von zukünftigen Marsmissionen zur Erkundung von möglichem Leben auf dem Planeten bei. Ein Beispiel hierfür könnte die ExoMars-Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und Roskosmos sein, welche im Jahr 2018 gestartet werden soll und bestrebt ist, in den Marsuntergrund zu bohren.
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Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-73010
ER  -