TY  - THES
A1  - Šustr, David
T1  - Molecular diffusion in polyelectrolyte multilayers
N2  - Research on novel and advanced biomaterials is an indispensable step towards their applications in desirable fields such as tissue engineering, regenerative medicine, cell culture, or biotechnology. The work presented here focuses on such a promising material: polyelectrolyte multilayer (PEM) composed of hyaluronic acid (HA) and poly(L-lysine) (PLL). This gel-like polymer surface coating is able to accumulate (bio-)molecules such as proteins or drugs and release them in a controlled manner. It serves as a mimic of the extracellular matrix (ECM) in composition and intrinsic properties. These qualities make the HA/PLL multilayers a promising candidate for multiple bio-applications such as those mentioned above. The work presented aims at the development of a straightforward approach for assessment of multi-fractional diffusion in multilayers (first part) and at control of local molecular transport into or from the multilayers by laser light trigger (second part).

The mechanism of the loading and release is governed by the interaction of bioactives with the multilayer constituents and by the diffusion phenomenon overall. The diffusion of a molecule in HA/PLL multilayers shows multiple fractions of different diffusion rate. Approaches, that are able to assess the mobility of molecules in such a complex system, are limited. This shortcoming motivated the design of a novel evaluation tool presented here.
The tool employs a simulation-based approach for evaluation of the data acquired by fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) method. In this approach, possible fluorescence recovery scenarios are primarily simulated and afterwards compared with the data acquired while optimizing parameters of a model until a sufficient match is achieved. Fluorescent latex particles of different sizes and fluorescein in an aqueous medium are utilized as test samples validating the analysis results. The diffusion of protein cytochrome c in HA/PLL multilayers is evaluated as well.
This tool significantly broadens the possibilities of analysis of spatiotemporal FRAP data, which originate from multi-fractional diffusion, while striving to be widely applicable. This tool has the potential to elucidate the mechanisms of molecular transport and empower rational engineering of the drug release systems.

The second part of the work focuses on the fabrication of such a spatiotemporarily-controlled drug release system employing the HA/PLL multilayer. This release system comprises different layers of various functionalities that together form a sandwich structure. The bottom layer, which serves as a reservoir, is formed by HA/PLL PEM deposited on a planar glass substrate. On top of the PEM, a layer of so-called hybrids is deposited. The hybrids consist of thermoresponsive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) -based hydrogel microparticles with surface-attached gold nanorods. The layer of hybrids is intended to serve as a gate that controls the local molecular transport through the PEM–solution-interface. The possibility of stimulating the molecular transport by near-infrared (NIR) laser irradiation is being explored.
From several tested approaches for the deposition of hybrids onto the PEM surface, the drying-based approach was identified as optimal. Experiments, that examine the functionality of the fabricated sandwich at elevated temperature, document the reversible volume phase transition of the PEM-attached hybrids while sustaining the sandwich stability. Further, the gold nanorods were shown to effectively absorb light radiation in the tissue- and cell-friendly NIR spectral region while transducing the energy of light into heat. The rapid and reversible shrinkage of the PEM-attached hybrids was thereby achieved. Finally, dextran was employed as a model transport molecule. It loads into the PEM reservoir in a few seconds with the partition constant of 2.4, while it spontaneously releases in a slower, sustained manner. The local laser irradiation of the sandwich, which contains the fluorescein isothiocyanate tagged dextran, leads to a gradual reduction of fluorescence intensity in the irradiated region.
The release system fabricated employs renowned photoresponsivity of the hybrids in an innovative setting. The results of the research are a step towards a spatially-controlled on-demand drug release system that paves the way to spatiotemporally controlled drug release.

The approaches developed in this work have the potential to elucidate the molecular dynamics in ECM and to foster engineering of multilayers with properties tuned to mimic the ECM. The work aims at spatiotemporal control over the diffusion of bioactives and their presentation to the cells.
N2  - Die Forschung an neuartigen und komplexen Biomaterialien ist unabdingbar für deren Einsatz in begehrten Bereichen wie der Gewebezüchtung, regenerativen Medizin, Zellkultivierung und Biotechnologie. Die hier vorgelegte Arbeit beschäftigt sich eingehend mit einem dieser vielversprechenden Materialien: Polyelektrolytische Multilayers (PEM), die aus Hyaluronsäure (Hyaluronic Acid, HA) und Poly-L-Lysin (PLL) zusammengesetzt sind. Diese gelartige Polymerbeschichtung ermöglicht es, (Bio-) Moleküle wie z.B. Proteine oder Medikamente zu akkumulieren und diese kontrolliert wieder abzugeben. Durch ihre Zusammensetzung und intrinsischen Merkmale können die PEM der Imitation einer Extrazellulären Matrix (ECM) dienen. Diese Eigenschaften machen die HA/PLL-PEM zu einem Anwärter auf verschiedene Bio-Anwendungen, wie den oben genannten. Die vorliegende Arbeit zielt auf die Entwicklung eines Ansatzes zur Einschätzung der multi-fraktionellen Diffusion in Multilayers (1. Teil), und auf die Kontrolle des lokalen molekularen Transports in und aus den Multilayers durch Laser-Stimulation (2. Teil).

Der Aufnahme- und Freisetzungsmechanismus wird bestimmt von der Wechselwirkung zwischen Bioaktiva und den Bestandteilen der Multilayers, sowie allgemein vom Diffusionsprozess. Der Diffusion eines Molekül in HA/PLL-PEM weist unterschiedliche Diffusionsraten einzelner Molekülbestandteile auf. Derzeit existieren nur wenige Ansätze zur Einschätzung der Mobilität von Molekülen in derart komplexen Systemen. Diesem Mangel will die vorliegende Arbeit durch das Design eines neuartigen Evaluations-Instruments abhelfen.
Dieses Instrument bedient sich eines simulationsbasierten Ansatzes zur Evaluation von Daten, die durch die fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) -Methode erfasst wurden. Der Ansatz simuliert zunächst mögliche Szenarien der Fluoreszenz-Rückbildung, um diese anschließend mit Messdaten zu vergleichen; dazu werden Modell-Parameter angepasst, um suffiziente Vergleichswerte zu erzielen. Fluoreszierende Latex-Partikel verschiedener Größe und eine Fluoresceinlösung wurden als Kontroll- und Vergleichs-Proben verwendet, um die Ergebnisse zu überprüfen. Zusätzlich wurde die Diffusion des Proteins Cytochrom C in eine HA/PLL-PEM ausgewertet.
Dieses Instrument weitet die Möglichkeiten der Analyse von spatiotemporären FRAP-Daten, die aus der multi-fraktionellen Diffusion stammen, erheblich und gleichzeitig ist es vielseitig einsetzbar. Das Instrument hat das Potential, die Mechanismen des Molekültransports weiter zu erhellen, und eine gezielte Steuerung der Freisetzung medikamentöser Wirkstoffe zu ermöglichen.

Der zweite Teil der Arbeit widmet sich der Erstellung eines Systems zur spatiotemporären Wirkstofffreisetzung, das sich die HA/PLL-PEM zunutze macht. Dieses Freisetzungssystem umfasst verschiedene Lagen mit jeweils unterschiedlichen Funktionsweisen, die zusammen ein „Sandwich“ bilden. Die zugrundeliegende Schicht aus HA/PLL-PEM auf einem planaren Glassubstrat dient als Reservoir. Auf diese PEM ist eine Schicht sogenannter Hybride aufgebracht. Die Hybride bestehen aus thermoresponsiven Poly-N-Isopropylacrylamid (PNIPAM) -basierten Hydrogel-Mikropartikeln auf deren Gold-Nanostäbchen gebunden sind. Die Hybridschicht dient in der räumlichen Kontrolle des lokalen Molekültransports als „Schlupfloch“ an der Schnittstelle von PEM und Lösung. Die Möglichkeit der Stimulation des molekülaren Transports durch Bestrahlung mit einem Nah-Infrarot-Laser (NIR) wird hier untersucht.
Von den mehreren getesteten Ansätzen zur Aufbringung von Hybriden auf die PEM-Oberfläche stellte sich die Trocknung als beste Möglichkeit heraus. Funktionalitätskontrollen des hergestellten Sandwiches bei erhöhter Temperatur ergaben eine reversible Volumenphasenübergang der PEM-gebundenen Hybride, wobei die Sandwich-Struktur erhalten blieb. Weiterhin wurde eine effektive Lichtabsorption durch die Gold-Nanostäbchen in den gewebe- und zellschonenden NIR-Spektrumsbereich gezeigt, wobei die aufgenommene Lichtenergie in Wärme umgewandelt wurde. Dadurch wurde eine schnelle und reversible Schrumpfung der PEM-gebundenen Hybride erreicht.
Zuguterletzt wird Dextran als Modellmolekül für den Transport eingesetzt. Dieses wird in wenigen Sekunden – mit einem Verteilungskoeffizient von 2,4 – in das PEM-Reservoir aufgenommen, während es auf langsamere, anhaltende Weise freigesetzt wird. Die lokale Laser-Bestrahlung des Dextran-FITC-haltigen Sandwiches bewirkte eine schrittweise Reduktion der Fluoreszenz-Intensität in der bestrahlten Region.
Das hier vorgestellte Molekül-Freisetzungssystem verwendet die vielzitierte Photoresponsivität von Hybriden auf neuartige Weise. Die Ergebnisse der Untersuchung bedeuten einen Fortschritt in Richtung eines räumlich kontrollierten, nach Bedarf steuerbaren Freisetzungs-Systems, das wiederum den Weg zu einer spatiotemporären Kontrollierbarkeit der Wirkstoff-Freisetzung bereiten könnte.

Die in dieser Arbeit entwickelten Ansätze ermöglichen ein besseres Verständnis der Dynamik in der ECM, sowie die Entwicklung ECM-ähnlicher Multilayers. Die Arbeit hat die spatiotemporäre Kontrolle der Diffusion von bioaktiven Stoffen und deren Präsentation gegenüber Zellen zum Ziel.
T2  - Molekulare Diffusion in Polyelektrolyt-Multischichten
KW  - polyelectrolyte multilayers
KW  - diffusion
KW  - simulation
KW  - FRAP
KW  - microgel
KW  - drug release
KW  - PNIPAM
KW  - IR laser
KW  - assessment of the diffusion
KW  - mulifractional diffusion
KW  - spatially and temporally controlled drug release
KW  - ordering of particles on the surface
KW  - close packing
KW  - dichteste Packung
KW  - Diffusion
KW  - Einschätzung der Diffusion
KW  - Wirkstoff-Freisetzun
KW  - Mikrogel
KW  - multi-fraktionelle Diffusion
KW  - Ordnung der Partikel auf der Oberfläche
KW  - Polyelektrolyt-Multischichten
KW  - Simulation
KW  - räumlich und zeitlich kontrollierte Wirkstoff-Freisetzung
KW  - FRAP
KW  - IR laser
KW  - PNIPAM
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-489038
ER  - 
TY  - THES
A1  - Šedová, Barbora
T1  - Heterogeneous effects of weather and climate change on human migration
T1  - Heterogene Auswirkungen von Wetter und Klimawandel auf menschliche Migration
N2  - While estimated numbers of past and future climate migrants are alarming, the growing empirical evidence suggests that the association between adverse climate-related events and migration is not universally positive. This dissertation seeks to advance our understanding of when and how climate migration emerges by analyzing heterogeneous climatic influences on migration in low- and middle-income countries. To this end, it draws on established economic theories of migration, datasets from physical and social sciences, causal inference techniques and approaches from systematic literature review. In three of its five chapters, I estimate causal effects of processes of climate change on inequality and migration in India and Sub-Saharan Africa. By employing interaction terms and by analyzing sub-samples of data, I explore how these relationships differ for various segments of the population. In the remaining two chapters, I present two systematic literature reviews. First, I undertake a comprehensive meta-regression analysis of the econometric climate migration literature to summarize general climate migration patterns and explain the conflicting findings. Second, motivated by the broad range of approaches in the field, I examine the literature from a methodological perspective to provide best practice guidelines for studying climate migration empirically. Overall, the evidence from this dissertation shows that climatic influences on human migration are highly heterogeneous. Whether adverse climate-related impacts materialize in migration depends on the socio-economic characteristics of the individual households, such as wealth, level of education, agricultural dependence or access to adaptation technologies and insurance. For instance, I show that while adverse climatic shocks are generally associated with an increase in migration in rural India, they reduce migration in the agricultural context of Sub-Saharan Africa, where the average wealth levels are much lower so that households largely cannot afford the upfront costs of moving. I find that unlike local climatic shocks which primarily enhance internal migration to cities and hence accelerate urbanization, shocks transmitted via agricultural producer prices increase migration to neighboring countries, likely due to the simultaneous decrease in real income in nearby urban areas. These findings advance our current understanding by showing when and how economic agents respond to climatic events, thus providing explicit contexts and mechanisms of climate change effects on migration in the future. The resulting collection of findings can guide policy interventions to avoid or mitigate any present and future welfare losses from climate change-related migration choices.
N2  - Während die geschätzten Zahlen zukünftiger Klimamigranten alarmierend sind, deuten die wachsenden empirischen Belege darauf hin, dass der Klimawandel nicht automatisch zu mehr Migration führt. Denn auch wenn klimabezogene Einflüsse die Entscheidung zur Migration zunehmend beeinflussen, wird diese durch eine Vielzahl von Faktoren, wie beispielsweise den sozioökonomischen und politischen Bedingungen, beeinflusst. Der Zusammenhang zwischen Klimawandel und Migration ist also stark kontextabhängig. Diese Dissertation besteht aus fünf Artikeln und zeigt, wann und wie Klimamigration entsteht, indem sie die heterogenen klimatischen Einflüsse in Entwicklungsländern untersucht. Gestützt auf ökonomische Migrationstheorien analysiere ich Datensätze aus den Natur- und Sozialwissenschaften mithilfe von Methodiken der ökonometrischen Kausalanalyse, der Geoinformationssysteme und der systematischen Literatursynthese.
In drei von fünf Kapiteln schätze ich die kausalen Auswirkungen des Klimawandels auf Ungleichheit und Migration in Indien und Subsahara Afrika. Durch die Verwendung von Interaktionstermen und die Analyse von Teilstichproben untersuche ich in Regressionsmodellen, wie sich diese Beziehungen für verschiedene Bevölkerungsgruppen unterscheiden. In den verbleibenden zwei Kapiteln fasse ich die ökonometrische Literatur zur Klimamigration systematisch zusammen. Zunächst führe ich eine umfassende Meta-Regressionsanalyse durch, um die allgemeine Klimamigrationsmuster zusammenzufassen und die widersprüchliche Evidenz zu erklären. In einem zweiten Schritt untersuche ich die ökonometrische Klimamigrationsliteratur aus einer methodologischen Perspektive, um Best-Practice-Leitlinien für künftige empirische Analysen von Klimamigration bereitzustellen.
Insgesamt bestätigen die Ergebnisse dieser Dissertation, dass die klimatischen Einflüsse auf menschliche Migration heterogen sind und von den sozioökonomischen Merkmalen der einzelnen Haushalte wie dem Wohlstand und Bildungsniveau, der Abhängigkeit von der Landwirtschaft oder dem Zugang zu Anpassungstechnologien und Versicherungen, mitbestimmt werden. Ich finde beispielsweise, dass ungünstige klimatische Schocks zu einem Migrationsanstieg im ländlichen Indien führen, sie aber die Migration im landwirtschaftlichen Subsahara Afrika, wo das durchschnittliche Einkommensniveau viel niedriger ist, verhindern. Ich habe zudem herausgefunden, dass im Gegensatz zu lokalen klimatischen Schocks, die in erster Linie die Binnenmigration in die Städte verstärken und damit die Urbanisierung beschleunigen, globale Schocks über landwirtschaftliche Erzeugerpreise die Abwanderung in benachbarte Länder antreiben. 
Diese Ergebnisse erweitern unser derzeitiges Verständnis, indem sie verdeutlichen, wann und wie Akteure auf unterschiedliche Klimaereignisse mit der Entscheidung zur Migration reagieren. Die daraus resultierenden Erkenntnisse können helfen, Entscheidungsträger auf drei wichtige Arten zu informieren. Erstens, wenn man weiß, wer die Klimamigranten sind und welche Destinationsziele sie wählen, wird Klimamigration vorhersehbarer und damit kontrollierbarer. Dies kann verhindern, dass sie zu einer humanitären Krise wird. Zweitens hilft die Identifizierung von Bevölkerungsgruppen, die nicht in der Lage sind, sich durch Migration an die veränderten klimatischen Bedingungen anzupassen, dabei, unfreiwillige Immobilität zu vermeiden, was wiederum auch eine potenzielle humanitären Krise verhindert. Drittens können all diese Informationen helfen, Kosten und Nutzen der Klima(im)mobilität genauer zu bewerten und so die Social Cost of Carbon genauer einzuschätzen.
KW  - migration
KW  - weather
KW  - climate change
KW  - agriculture
KW  - food prices
KW  - inequality
KW  - econometrics
KW  - Landwirtschaft
KW  - Klimawandel
KW  - Ökonometrie
KW  - Lebensmittelpreise
KW  - Ungleichheit
KW  - Migration
KW  - Wetter
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-536733
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TY  - THES
A1  - Öztürk, Ugur
T1  - Learning more to predict landslides
T1  - Ein verbessertes Wissen zur Prognose von Hangrutschungen
N2  - Landslides are frequent natural hazards in rugged terrain, when the resisting frictional force of the surface of rupture yields to the gravitational force. These forces are functions of geological and morphological factors, such as angle of internal friction, local slope gradient or curvature, which remain static over hundreds of years; whereas more dynamic triggering events, such as rainfall and earthquakes, compromise the force balance by temporarily reducing resisting forces or adding transient loads. This thesis investigates landslide distribution and orientation due to landslide triggers (e.g. rainfall) at different scales (6-4∙10^5 km^2) and aims to link rainfall movement with the landslide distribution. It additionally explores the local impacts of the extreme rainstorms on landsliding and the role of precursory stability conditions that could be induced by an earlier trigger, such as an earthquake. 

Extreme rainfall is a common landslide trigger. Although several studies assessed rainfall intensity and duration to study the distribution of thus triggered landslides, only a few case studies quantified spatial rainfall patterns (i.e. orographic  effect). Quantifying the regional trajectories of extreme rainfall could aid predicting landslide prone regions in Japan. To this end, I combined a non-linear correlation metric, namely event synchronization, and radial statistics to assess the general pattern of extreme rainfall tracks over distances of hundreds of kilometers using satellite based rainfall estimates. Results showed that, although the increase in rainfall intensity and duration positively correlates with landslide occurrence, the trajectories of typhoons and frontal storms were insufficient to explain landslide distribution in Japan. Extreme rainfall trajectories inclined northwestwards and were concentrated along some certain locations, such as coastlines of southern Japan, which was unnoticed in the landslide distribution of about 5000 rainfall-triggered landslides. These landslides seemed to respond to the mean annual rainfall rates. 

Above mentioned findings suggest further investigation on a more local scale to better understand the mechanistic response of landscape to extreme rainfall in terms of landslides. On May 2016 intense rainfall struck southern Germany triggering high waters and landslides. The highest damage was reported at the Braunsbach, which is located on the tributary-mouth fan formed by the Orlacher Bach. Orlacher Bach is a ~3 km long creek that drains a catchment of about ~6 km^2. I visited this catchment in June 2016 and mapped 48 landslides along the creek. Such high landslide activity was not reported in the nearby catchments within ~3300 km^2, despite similar rainfall intensity and duration based on weather radar estimates. My hypothesis was that several landslides were triggered by rainfall-triggered flash floods that undercut hillslope toes along the Orlacher Bach. I found that morphometric features such as slope and curvature play an important role in landslide distribution on this micro scale study site (<10 km^2). In addition, the high number of landslides along the Orlacher Bach could also be boosted by accumulated damages on hillslopes due karst weathering over longer time scales.

Precursory damages on hillslopes could also be induced by past triggering events that effect landscape evolution, but this interaction is hard to assess independently from the latest trigger. For example, an earthquake might influence the evolution of a landscape decades long, besides its direct impacts, such as landslides that follow the earthquake. Here I studied the consequences of the 2016 Kumamoto Earthquake (MW 7.1) that triggered some 1500 landslides in an area of ~4000 km^2 in central Kyushu, Japan. Topography, i.e. local slope and curvature, both amplified and attenuated seismic waves, thus controlling the failure mechanism of those landslides (e.g. progressive). I found that topography fails in explaining the distribution and the preferred orientation of the landslides after the earthquake; instead the landslides were concentrated around the northeast of the rupture area and faced mostly normal to the rupture plane. This preferred location of the landslides was dominated mainly by the directivity effect of the strike-slip earthquake, which is the propagation of wave energy along the fault in the rupture direction; whereas amplitude variations of the seismic radiation altered the preferred orientation. I suspect that the earthquake directivity and the asymmetry of seismic radiation damaged hillslopes at those preferred locations increasing landslide susceptibility. Hence a future weak triggering event, e.g. scattered rainfall, could further trigger landslides at those damaged hillslopes.
N2  - Hangrutschungen treten häufig in steilem Gelände auf, wenn die Erdanziehungskraft die Scherkräfte an der Oberfläche übersteigt. Diese Kräfte beinhalten geologische und geomorphologische Faktoren wie den Reibungswinkel oder die Neigung und Krümmung von Hängen, die über Jahrhunderte statisch bleiben können. Dynamische Ereignisse wie Regenfälle und Erdbeben können hingegen das Kräftegleichgewicht beeinträchtigen, indem sie Widerstandskräfte vorübergehend reduzieren oder Lasten temporär hinzufügen. Diese Arbeit untersucht die Verteilung und Orientierung von Hangrutschungen in Abhängigkeit von Auslösern (z.B. Niederschlag) auf verschiedenen Skalenebenen (6-4∙10^5 km^2) und verknüpft die Bewegung des Niederschlagssystems mit der Hangrutschungsverteilung. Zudem werden lokale Auswirkungen von extremen Gewittern auf Hangrutschungen untersucht, sowie vorausgehende Stabilitätsbedingungen, die durch ein früheres Ereignis, beispielsweise ein Erdbeben, verändert werden können.

Extremer Niederschlag ist ein weithin bekannter Auslöser für Hangrutschungen. Obwohl mehrere Studien die Verteilung von Hangrutschungen mit der Niederschlagsintensität und -dauer verglichen haben, beachteten nur wenige Fallstudien das räumliche Bewegungsmuster des Niederschlags, i.e. den orographischen Effekt. Eine solche Quantifizierung könnte die Vorhersage von hangrutschungsgefährdete Regionen in Japan verbessern. Hierfür habe ich ein nicht-lineares Korrelationsmaß (event synchronization) auf regionale Sturmbahnen in Japan angewendet, um deren räumliche Verteilung durch satellitengestützen Regenschätzungen nachzuvollziehen. Die durchgeführten Untersuchungen zeigten, dass sich die Verteilung von Hangrutschungen nur unzureichend mit den Zugbahnen von Taifunen und Sturmtiefen erklären lässt. Die Stabilität von Hängen scheint mehr durch mittlere Jahresniederschlagsmengen beeinflusst zu werden. 

Erzielte Ergebnisse zeigen, dass weitere Untersuchungen auf lokaler Ebene nötig sind, um die unmittelbare Auswirkungen von Extremniederschlägen auf Hangstabilität und -rutschungen besser zu verstehen. Im Mai 2016 kam es in Süddeutschland zu einem heftigen Gewitter, das Hochwasser und Hangrutschungen ausgelöst hat. Der höchste Schaden wurde in Braunsbach, dessen Zentrum sich am Zufluss des Orlacher Bachs befindet, gemeldet. Der Orlacher Bach ist ~3 lang und hat ein Einzugsgebiet von etwa ~6 km^2. Ich habe dieses Einzugsgebiet im Juni 2016 besucht und 48 Hangrutschungen entlang des Baches kartiert. Ich vermutete, dass mehrere Hangrutschungen durch Sturzfluten ausgelöst wurden, welche die Hänge entlang des Orlacher Baches unterspülten. Ich stellte fest, dass morphometrische Merkmale wie die lokale Hangneigung und -krümmung eine wichtige Rolle bei der Hangrutschungsverteilung auf dieser Mikroskala spielen (<10 km^2). Darüber hinaus könnte die hohe Anzahl von Hangrutschungen am Orlacher Bach auch durch Karstverwitterung über längere Zeiträume verstärkt werden.

Zahlreiche in der Vergangenheit liegende Ereignisse können die Stabilität eines Hanges beeinflussen. Der Einfluss solcher Ereignisse ist nur sehr schwer unabhängig voneinander abschätzbar. Beispielseise könnte ein Erdbeben die Entwicklung einer Landschaft über Jahrzehnte hin beeinflussen. Hier erforsche ich die Folgen des Kumamoto-Erdbebens 2016 (MW 7.1) das im Zentrum von Kyushu, Japan, ca. 1500 Hangrutschungen in einem Gebiet von ~4000 km^2 ausgelöst hat. Die Topographie (Hangneigung und -krümmung) verstärkte schwächte seismische Wellen gleichermaßen ab, wodurch der Auslösemechanismus dieser Hangrutschungen (z.B. progressiv) gesteuert wird. Ich konnte belegen, dass die Topographie die Verteilung und die bevorzugte Ausrichtung der Hangrutsche nach dem Erdbeben nicht erklären kann; stattdessen waren die Hangrutschungen um den Nordosten des Bruchgebiets herum konzentriert und standen meist senkrecht zur Bruchfläche. Diese bevorzugte Lage der Erdrutsche wurde hauptsächlich durch den Richtwirkungseffekt des Blattverschiebung-Erdbebens dominiert. Bei diesem handelt es sich um die Ausbreitung der Wellenenergie entlang des Bruches in Bruchrichtung, während Amplitudenvariationen der seismischen Strahlung die bevorzugte Orientierung ändern. Ich vermute, dass die Richtwirkung des Erdbebens und die Asymmetrie der seismischen Strahlung die Hangneigung an diesen bevorzugten Stellen schädigten und die Anfälligkeit für Hangrutschungen erhöhten. Daher könnte ein zukünftiges schwaches Ereignis wie z.B. ein unbedeutender Niederschlag  an diesen beschädigten Hängen weitere Hangrutschungen auslösen.
KW  - landslides
KW  - complex networks
KW  - event synchronization
KW  - typhoons
KW  - Kumamoto earthquake
KW  - Braunsbach flash flood
KW  - Hangrutschungen
KW  - komplexes Netzwerk
KW  - Synchronisation von Ereignissen
KW  - Taifune
KW  - Kumamoto Erdbeben
KW  - Braunsbach Sturzflut
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-426439
ER  - 
TY  - THES
A1  - Önel, Hakan
T1  - Electron acceleration in a flare plasma via coronal circuits
T1  - Elektronenbeschleunigung im Flareplasma modelliert mit koronalen Schaltkreisen
N2  - The Sun is a star, which due to its proximity has a tremendous influence on Earth. Since its very first days mankind tried to "understand the Sun", and especially in the 20th century science has uncovered many of the Sun's secrets by using high resolution observations and describing the Sun by means of models. As an active star the Sun's activity, as expressed in its magnetic cycle, is closely related to the sunspot numbers. Flares play a special role, because they release large energies on very short time scales. They are correlated with enhanced electromagnetic emissions all over the spectrum. Furthermore, flares are sources of energetic particles. Hard X-ray observations (e.g., by NASA's RHESSI spacecraft) reveal that a large fraction of the energy released during a flare is transferred into the kinetic energy of electrons. However the mechanism that accelerates a large number of electrons to high energies (beyond 20 keV) within fractions of a second is not understood yet. The thesis at hand presents a model for the generation of energetic electrons during flares that explains the electron acceleration based on real parameters obtained by real ground and space based observations. According to this model photospheric plasma flows build up electric potentials in the active regions in the photosphere. Usually these electric potentials are associated with electric currents closed within the photosphere. However as a result of magnetic reconnection, a magnetic connection between the regions of different magnetic polarity on the photosphere can establish through the corona. Due to the significantly higher electric conductivity in the corona, the photospheric electric power supply can be closed via the corona. Subsequently a high electric current is formed, which leads to the generation of hard X-ray radiation in the dense chromosphere. The previously described idea is modelled and investigated by means of electric circuits. For this the microscopic plasma parameters, the magnetic field geometry and hard X-ray observations are used to obtain parameters for modelling macroscopic electric components, such as electric resistors, which are connected with each other. This model demonstrates that such a coronal electric current is correlated with large scale electric fields, which can accelerate the electrons quickly up to relativistic energies. The results of these calculations are encouraging. The electron fluxes predicted by the model are in agreement with the electron fluxes deduced from the measured photon fluxes. Additionally the model developed in this thesis proposes a new way to understand the observed double footpoint hard X-ray sources.
N2  - Die Sonne ist ein Stern, der aufgrund seiner räumlichen Nähe einen großen Einfluss auf die Erde hat. Seit jeher hat die Menschheit versucht die "Sonne zu verstehen" und besonders im 20. Jahrhundert gelang es der Wissenschaft viele der offenen Fragen mittels Beobachtungen zu beantworten und mit Modellen zu beschreiben. Die Sonne ist ein aktiver Stern, dessen Aktivität sich in seinem magnetischen Zyklus ausdrückt, welcher in enger Verbindung zu den Sonnenfleckenzahlen steht. Flares spielen dabei eine besondere Rolle, da sie hohe Energien auf kurzen Zeitskalen freisetzen. Sie werden begleitet von erhöhter Strahlungsemission über das gesamte Spektrum hinweg und setzen darüber hinaus auch energetische Teilchen frei. Beobachtungen von harter Röntgenstrahlung (z.B. mit der RHESSI Raumsonde der NASA) zeigen, dass ein großer Teil der freigesetzten Energie in die kinetische Energie von Elektronen transferiert wird. Allerdings ist nach wie vor nicht verstanden, wie die Beschleunigung der vielen Elektronen auf hohe Energien (jenseits von 20 keV) in Bruchteilen einer Sekunde erfolgt. Die vorliegende Arbeit präsentiert ein Model für die Erzeugung von energetischen Elektronen während solarer Flares, das auf mit realen Beobachtungen gewonnenen Parametern basiert. Danach bauen photosphärische Plasmaströmungen elektrische Spannungen in den aktiven Regionen der Photosphäre auf. Für gewöhnlich sind diese Potentiale mit elektrischen Strömen verbunden, die innerhalb der Photosphäre geschlossen sind. Allerdings kann infolge von magnetischer Rekonnektion eine magnetische Verbindung in der Korona aufgebaut werden, die die Regionen von magnetisch unterschiedlicher Polarität miteinander verbindet. Wegen der deutlich höheren koronalen elektrischen Leitfähigkeit, kann darauf die photosphärische Spannungsquelle über die Korona geschlossen werden. Das auf diese Weise generierte elektrische Feld führt nachfolgend zur Erzeugung eines hohen elektrischen Stromes, der in der dichten Chromosphäre harte Röntgenstrahlung generiert. Die zuvor erläuterte Idee wird mit elektrischen Schaltkreisen modelliert und untersucht. Dafür werden die mikroskopischen Plasmaparameter, die Geometrie des Magnetfeldes und Beobachtungen der harten Röntgenstrahlung verwendet, um makroskopische elektronische Komponenten, wie z.B. elektrische Widerstände zu modellieren und miteinander zu verbinden. Es wird gezeigt, dass der auftretende koronale Strom mit hohen elektrischen Feldern verbunden ist, welche Elektronen schnell auf hohe relativistische Energien beschleunigen können. Die Ergebnisse dieser Berechnungen sind ermutigend. Die vorhergesagten Elektronenflüsse stehen im Einklang mit aus gemessenen Photonenflüssen gewonnenen Elektronenflüssen. Zudem liefert das Model einen neuen Ansatz für das Verständnis der harten Röntgendoppelquellen in den Fußpunkten.
KW  - Elektronenbeschleunigung
KW  - Flarephysik
KW  - koronale Stromsysteme
KW  - electron acceleration
KW  - physics of flares
KW  - coronal currents
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-29035
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TY  - THES
A1  - Zöller, Gert
T1  - Analyse raumzeitlicher Muster in Erdbebendaten
N2  - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Seismizität anhand von Erdbebenkatalogen. Es werden neue Verfahren der Datenanalyse entwickelt, die Aufschluss darüber geben sollen, ob der seismischen Dynamik ein stochastischer oder ein deterministischer Prozess zugrunde liegt und was daraus für die Vorhersagbarkeit starker Erdbeben folgt. Es wird gezeigt, dass seismisch aktive Regionen häufig durch nichtlinearen Determinismus gekennzeichent sind. Dies schließt zumindest die Möglichkeit einer Kurzzeitvorhersage ein. Das Auftreten seismischer Ruhe wird häufig als Vorläuferphaenomen für starke Erdbeben gedeutet. Es wird eine neue Methode präsentiert, die eine systematische raumzeitliche Kartierung seismischer Ruhephasen ermöglicht. Die statistische Signifikanz wird mit Hilfe des Konzeptes der Ersatzdaten bestimmt. Als Resultat erhält man deutliche Korrelationen zwischen seismischen Ruheperioden und starken Erdbeben. Gleichwohl ist die Signifikanz dafür nicht hoch genug, um eine Vorhersage im Sinne einer Aussage über den Ort, die Zeit und die Stärke eines zu erwartenden Hauptbebens zu ermöglichen.
KW  - Erdbeben
KW  - nichtlineare Dynamik
Y1  - 1999
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000122
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TY  - THES
A1  - Zurell, Damaris
T1  - Integrating dynamic and statistical modelling approaches in order to improve predictions for scenarios of environmental change
T1  - Integration dynamischer und statistischer Modellansätze zur Verbesserung von Arealvorhersagen für Szenarien globalen Wandels
N2  - Species respond to environmental change by dynamically adjusting their geographical ranges. Robust predictions of these changes are prerequisites to inform dynamic and sustainable conservation strategies. Correlative species distribution models (SDMs) relate species’ occurrence records to prevailing environmental factors to describe the environmental niche. They have been widely applied in global change context as they have comparably low data requirements and allow for rapid assessments of potential future species’ distributions. However, due to their static nature, transient responses to environmental change are essentially ignored in SDMs. Furthermore, neither dispersal nor demographic processes and biotic interactions are explicitly incorporated. Therefore, it has often been suggested to link statistical and mechanistic modelling approaches in order to make more realistic predictions of species’ distributions for scenarios of environmental change. In this thesis, I present two different ways of such linkage. (i) Mechanistic modelling can act as virtual playground for testing statistical models and allows extensive exploration of specific questions. I promote this ‘virtual ecologist’ approach as a powerful evaluation framework for testing sampling protocols, analyses and modelling tools. Also, I employ such an approach to systematically assess the effects of transient dynamics and ecological properties and processes on the prediction accuracy of SDMs for climate change projections. That way, relevant mechanisms are identified that shape the species’ response to altered environmental conditions and which should hence be considered when trying to project species’ distribution through time. (ii) I supplement SDM projections of potential future habitat for black grouse in Switzerland with an individual-based population model. By explicitly considering complex interactions between habitat availability and demographic processes, this allows for a more direct assessment of expected population response to environmental change and associated extinction risks. However, predictions were highly variable across simulations emphasising the need for principal evaluation tools like sensitivity analysis to assess uncertainty and robustness in dynamic range predictions. Furthermore, I identify data coverage of the environmental niche as a likely cause for contrasted range predictions between SDM algorithms. SDMs may fail to make reliable predictions for truncated and edge niches, meaning that portions of the niche are not represented in the data or niche edges coincide with data limits. Overall, my thesis contributes to an improved understanding of uncertainty factors in predictions of range dynamics and presents ways how to deal with these. Finally I provide preliminary guidelines for predictive modelling of dynamic species’ response to environmental change, identify key challenges for future research and discuss emerging developments.
N2  - Das Vorkommen von Arten wird zunehmend bedroht durch Klima- und Landnutzungswandel. Robuste Vorhersagen der damit verbundenen Arealveränderungen sind ausschlaggebend für die Erarbeitung dynamischer und nachhaltiger Naturschutzstrategien. Habitateignungsmodelle erstellen statistische Zusammenhänge zwischen dem Vorkommen einer Art und relevanten Umweltvariablen und erlauben zügige Einschätzungen potentieller Arealveränderungen. Dabei werden jedoch transiente Dynamiken weitgehend ignoriert sowie demographische Prozesse und biotische Interaktionen. Daher wurden Vorschläge laut, diese statistischen Modelle mit mechanistischeren Ansätzen zu koppeln. In der vorliegenden Arbeit zeige ich zwei verschiedene Möglichkeiten solcher Kopplung auf. (i) Ich beschreibe den sogenannten ‚Virtuellen Ökologen’-Ansatz als mächtiges Validierungswerkzeug, in dem mechanistische Modelle virtuelle Testflächen bieten zur Erforschung verschiedener Probenahmedesigns oder statistischer Methoden sowie spezifischer Fragestellungen. Auch verwende ich diesen Ansatz, um systematisch zu untersuchen wie sich transiente Dynamiken sowie Arteigenschaften und ökologische Prozesse auf die Vorhersagegüte von Habitateignungsmodellen auswirken. So kann ich entscheidende Prozesse identifizieren welche in zukünftigen Modellen Berücksichtigung finden sollten. (ii) Darauf aufbauend koppele ich Vorhersagen von Habitateignungsmodellen mit einem individuen-basierten Populationsmodell, um die Entwicklung des Schweizer Birkhuhnbestandes unter Klimawandel vorherzusagen. Durch die explizite Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen Habitat und demographischer Prozesse lassen sich direktere Aussagen über Populationsentwicklung und damit verbundener Extinktionsrisiken treffen. Allerdings führen verschiedene Simulationen auch zu hoher Variabilität zwischen Vorhersagen, was die Bedeutung von Sensitivitätsanalysen unterstreicht, um Unsicherheiten und Robustheit von Vorhersagen einzuschätzen. Außerdem identifiziere ich Restriktionen in der Datenabdeckung des Umweltraumes als möglichen Grund für kontrastierende Vorhersagen verschiedener Habitateignungsmodelle. Wenn die Nische einer Art nicht vollständig durch Daten beschrieben ist, kann dies zu unrealistischen Vorhersagen der Art-Habitat-Beziehung führen. Insgesamt trägt meine Arbeit erheblich bei zu einem besseren Verständnis der Auswirkung verschiedenster Unsicherheitsfaktoren auf Vorhersagen von Arealveränderungen und zeigt Wege auf, mit diesen umzugehen. Abschließend erstelle ich einen vorläufigen Leitfaden für Vorhersagemodelle und identifiziere Kernpunkte für weitere Forschung auf diesem Gebiet.
KW  - species distribution models
KW  - dynamic population models
KW  - climate change
KW  - prediction
KW  - uncertainty
KW  - Habitatmodelle
KW  - dynamische Populationsmodelle
KW  - Klimawandel
KW  - Vorhersage
KW  - Unsicherheit
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-56845
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zupok, Arkadiusz
T1  - The psbB-operon is a major locus for plastome-genome incompatibility in Oenothera
Y1  - 2015
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zuo, Zhe
T1  - From unstructured to structured: Context-based named entity mining from text
T1  - Von unstrukturiert zu strukturiert: Kontextbasierte Gewinnung benannter Entitäten von Text
N2  - With recent advances in the area of information extraction, automatically extracting structured information from a vast amount of unstructured textual data becomes an important task, which is infeasible for humans to capture all information manually. Named entities (e.g., persons, organizations, and locations), which are crucial components in texts, are usually the subjects of structured information from textual documents. Therefore, the task of named entity mining receives much attention. It consists of three major subtasks, which are named entity recognition, named entity linking, and relation extraction.

These three tasks build up an entire pipeline of a named entity mining system, where each of them has its challenges and can be employed for further applications. As a fundamental task in the natural language processing domain, studies on named entity recognition have a long history, and many existing approaches produce reliable results. The task is aiming to extract mentions of named entities in text and identify their types. Named entity linking recently received much attention with the development of knowledge bases that contain rich information about entities. The goal is to disambiguate mentions of named entities and to link them to the corresponding entries in a knowledge base. Relation extraction, as the final step of named entity mining, is a highly challenging task, which is to extract semantic relations between named entities, e.g., the ownership relation between two companies.

In this thesis, we review the state-of-the-art of named entity mining domain in detail, including valuable features, techniques, evaluation methodologies, and so on. Furthermore, we present two of our approaches that focus on the named entity linking and relation extraction tasks separately. 

To solve the named entity linking task, we propose the entity linking technique, BEL, which operates on a textual range of relevant terms and aggregates decisions from an ensemble of simple classifiers. Each of the classifiers operates on a randomly sampled subset of the above range. In extensive experiments on hand-labeled and benchmark datasets, our approach outperformed state-of-the-art entity linking techniques, both in terms of quality and efficiency. 

For the task of relation extraction, we focus on extracting a specific group of difficult relation types, business relations between companies. These relations can be used to gain valuable insight into the interactions between companies and perform complex analytics, such as predicting risk or valuating companies. Our semi-supervised strategy can extract business relations between companies based on only a few user-provided seed company pairs. By doing so, we also provide a solution for the problem of determining the direction of asymmetric relations, such as the ownership_of relation. We improve the reliability of the extraction process by using a holistic pattern identification method, which classifies the generated extraction patterns. Our experiments show that we can accurately and reliably extract new entity pairs occurring in the target relation by using as few as five labeled seed pairs.
N2  - Mit den jüngsten Fortschritten in den Gebieten der Informationsextraktion wird die automatisierte Extrahierung strukturierter Informationen aus einer unüberschaubaren Menge unstrukturierter Textdaten eine wichtige Aufgabe, deren manuelle Ausführung  unzumutbar ist. Benannte Entitäten, (z.B. Personen, Organisationen oder Orte), essentielle Bestandteile in Texten, sind normalerweise der Gegenstand strukturierter Informationen aus Textdokumenten. Daher erhält die Aufgabe der Gewinnung benannter Entitäten viel Aufmerksamkeit. Sie besteht aus drei groen Unteraufgaben, nämlich Erkennung benannter Entitäten, Verbindung benannter Entitäten und Extraktion von Beziehungen.

Diese drei Aufgaben zusammen sind der Grundprozess eines Systems zur Gewinnung benannter Entitäten, wobei jede ihre eigene Herausforderung hat und für weitere Anwendungen eingesetzt werden kann. Als ein fundamentaler Aspekt in der Verarbeitung natürlicher Sprache haben Studien zur Erkennung benannter Entitäten eine lange Geschichte, und viele bestehenden Ansätze erbringen verlässliche Ergebnisse. Die Aufgabe zielt darauf ab, Nennungen benannter Entitäten zu extrahieren und ihre Typen zu bestimmen. Verbindung benannter Entitäten hat in letzter Zeit durch die Entwicklung von Wissensdatenbanken, welche reiche Informationen über Entitäten enthalten, viel Aufmerksamkeit erhalten. Das Ziel ist es, Nennungen benannter Entitäten zu unterscheiden und diese mit dazugehörigen Einträgen in einer Wissensdatenbank zu verknüpfen. Der letzte Schritt der Gewinnung benannter Entitäten, die Extraktion von Beziehungen, ist eine stark anspruchsvolle Aufgabe, nämlich die Extraktion semantischer Beziehungen zwischen Entitäten, z.B. die Eigentümerschaft zwischen zwei Firmen.

In dieser Doktorarbeit arbeiten wir den aktuellen Stand der Wissenschaft in den Domäne der Gewinnung benannter Entitäten auf, unter anderem wertvolle Eigenschaften und Evaluationsmethoden. Darüberhinaus präsentieren wir zwei Ansätze von uns, die jeweils ihren Fokus auf die Verbindung benannter Entitäten sowie der Aufgaben der Extraktion von Beziehungen legen.

Um die Aufgabe der Verbindung benannter Entitäten zu lösen schlagen wir hier die Verbindungstechnik BEL vor, welche auf einer textuellen Bandbreite relevanter Begriffe agiert und Entscheidungen einer Kombination von einfacher Klassifizierer aggregiert. Jeder dieser Klassifizierer arbeitet auf einer zufällig ausgewählten Teilmenge der obigen Bandbreite. In umfangreichen Experimenten mit handannotierten sowie Vergleichsdatensätzen hat unser Ansatz andere Lösungen zur Verbindung benannter Entitäten, die auf dem Stand der aktuellen Technik beruhen, sowie in Bezug auf Qualität als auch Effizienz geschlagen.

Für die Aufgabe der Extraktion von Beziehungen fokussieren wir uns auf eine bestimmte Gruppe schwieriger Beziehungstypen, nämlich die Geschäftsbeziehungen zwischen Firmen. Diese Beziehungen können benutzt werden, um wertvolle Erkenntnisse in das Zusammenspiel von Firmen zu gelangen und komplexe Analysen ausführen, beispielsweise die Risikovorhersage oder Bewertung von Firmen. Unsere teilbeaufsichtigte Strategie kann Geschäftsbeziehungen zwischen Firmen anhand nur weniger nutzergegebener Startwerte von Firmenpaaren extrahieren. Dadurch bieten wir auch eine Lösung für das Problem der Richtungserkennung asymmetrischer Beziehungen, beispielsweise der Eigentumsbeziehung. Wir verbessern die Verlässlichkeit des Extraktionsprozesses, indem wir holistische Musteridentifikationsmethoden verwenden, welche die erstellten Extraktionsmuster klassifizieren. Unsere Experimente zeigen, dass wir neue Entitätenpaare akkurat und verlässlich in der Zielbeziehung mit bereits fünf bezeichneten Startpaaren extrahieren können.
KW  - named entity mining
KW  - information extraction
KW  - natural language processing
KW  - Gewinnung benannter Entitäten
KW  - Informationsextraktion
KW  - maschinelle Verarbeitung natürlicher Sprache
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-412576
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zuhr, Alexandra
T1  - Proxy signal formation in palaeoclimate archives
T1  - Proxy-Signalbildung in Paläoklimaarchiven
BT  - a characterisation of climate signal deposition and modification in marine sediments and polar ice
BT  - eine Charakterisierung der  Ablagerung und Veränderung von Klimasignalen in Meeressedimenten und Polarem Ei
N2  - Throughout the last ~3 million years, the Earth's climate system was characterised by cycles of glacial and interglacial periods. The current warm period, the Holocene, is comparably stable and stands out from this long-term cyclicality. However, since the industrial revolution, the climate has been increasingly affected by a human-induced increase in greenhouse gas concentrations. While instrumental observations are used to describe changes over the past ~200 years, indirect observations via proxy data are the main source of information beyond this instrumental era. These data are indicators of past climatic conditions, stored in palaeoclimate archives around the Earth. The proxy signal is affected by processes independent of the prevailing climatic conditions. In particular, for sedimentary archives such as marine sediments and polar ice sheets, material may be redistributed during or after the initial deposition and subsequent formation of the archive. This leads to noise in the records challenging reliable reconstructions on local or short time scales. This dissertation characterises the initial deposition of the climatic signal and quantifies the resulting archive-internal heterogeneity and its influence on the observed proxy signal to improve the representativity and interpretation of climate reconstructions from marine sediments and ice cores.

To this end, the horizontal and vertical variation in radiocarbon content of a box-core from the South China Sea is investigated. The three-dimensional resolution is used to quantify the true uncertainty in radiocarbon age estimates from planktonic foraminifera with an extensive sampling scheme, including different sample volumes and replicated measurements of batches of small and large numbers of specimen. An assessment on the variability stemming from sediment mixing by benthic organisms reveals strong internal heterogeneity. Hence, sediment mixing leads to substantial time uncertainty of proxy-based reconstructions with error terms two to five times larger than previously assumed.

A second three-dimensional analysis of the upper snowpack provides insights into the heterogeneous signal deposition and imprint in snow and firn. A new study design which combines a structure-from-motion photogrammetry approach with two-dimensional isotopic data is performed at a study site in the accumulation zone of the Greenland Ice Sheet. The photogrammetry method reveals an intermittent character of snowfall, a layer-wise snow deposition with substantial contributions by wind-driven erosion and redistribution to the final spatially variable accumulation and illustrated the evolution of stratigraphic noise at the surface. The isotopic data show the preservation of stratigraphic noise within the upper firn column, leading to a spatially variable climate signal imprint and heterogeneous layer thicknesses. Additional post-depositional modifications due to snow-air exchange are also investigated, but without a conclusive quantification of the contribution to the final isotopic signature. 

Finally, this characterisation and quantification of the complex signal formation in marine sediments and polar ice contributes to a better understanding of the signal content in proxy data which is needed to assess the natural climate variability during the Holocene.
N2  - Während der letzten ~3 Millionen Jahre war das Klimasystem der Erde durch Zyklen von Glazialen und Interglazialen gekennzeichnet. Die aktuelle Warmperiode, das Holozän, ist vergleichsweise stabil und hebt sich von dieser langen Zyklizität ab. Seit der industriellen Revolution wird das Klima jedoch zunehmend durch einen vom Menschen verursachten Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen beeinflusst. Während instrumentelle Beobachtungen die Veränderungen der letzten ~200 Jahre beschreiben können, liefern Proxydaten die meisten klimatischen Informationen für den Zeitraum vor diesen Beobachtungen. Proxies zeichnen vergangene Klimabedingungen auf und sind in Paläoklimaarchiven rund um die Erde gespeichert. Das Proxysignal wird durch eine Vielzahl an Prozessen beeinflusst, die unabhängig von den vorherrschenden klimatischen Bedingungen sind. Insbesondere bei sedimentären Archiven wie Meeressedimenten und Eisschilden kann es während oder nach der Ablagerung zu einer Umverteilung des Materials und einer Änderung des Signals kommen. Dies führt zu nicht-klimatischen Unsicherheiten in den Daten, was zuverlässige Rekonstruktionen auf lokalen oder kurzen zeitlichen Skalen erschwert. Diese Dissertation charakterisiert die Ablagerung des Klimasignals und quantifiziert die daraus resultierende archiv-interne Heterogenität und ihren Einfluss auf das beobachtete Proxysignal, um die Repräsentativität und Interpretation von Klimarekonstruktionen aus marinen Sedimenten und Eiskernen zu verbessern.

Zu diesem Zweck wird die horizontale und vertikale Variabilität des Radiokarbongehalts in einem Sedimentkern aus dem Südchinesischen Meer untersucht. Die dreidimensionale Auflösung des Kastenbohrers wird genutzt, um die tatsächliche Unsicherheit in Alterabschätzung von planktonische Foraminiferen mittels der Radiokarbonmethode zu quantifizieren. Mit Hilfe von verschiedene Probenvolumina und wiederholten Messungen von kleinen und großen Anzahlen an Lebewesen wird eine Quantifizierung der Variabilität, die auf die Durchmischung des Sediments durch benthische Organismen zurückzuführen ist, durchgeführt. Die Durchmischung der Sedimente verursacht eine starke interne Heterogenität, was zu Fehlertermen, die zwei bis fünf Mal größer sind als bisher angenommen, und einer erheblichen zeitlichen Unsicherheit von Rekonstruktionen basierend auf Proxydaten führt. 

Eine zweite dreidimensionale Analyse liefert Einblicke in die heterogene Signalablagerung in Schnee und Firn. Hierzu wird ein neues Studiendesign in der Akkumulationszone des grönländischen Eisschilds angewandt, wobei ein Structure-from-Motion Photogrammetrie Ansatz mit zweidimensionalen Isotopendaten kombiniert wird. Die photogrammetrische Methode zeigt, dass die Akkumulation von Schnee sehr variable ist. Die Entwicklung der Schneeablagerung an der Oberfläche erfolgt primär schichtweise mit erheblichen Veränderungen durch eine windgestriebene Erosion und Umverteilung des Schnees. Diese Dynamik führt zu einer räumlich variablen Akkumulation und sratigraphischem Rauschens an der Oberfläche. Die heterogene Akkumulation bestimmt die räumliche Ablagerung der klimatischen Informationen, die in der Isotopenzusammensetzung des Schness enthalten ist. Stratigraphische Rauschen der Oberfläche bleibt in der oberen Firnsäule erhalten, was zu einem räumlich variablen Signaleindruck führt. Weiterhin werden zusätzliche Veränderungen nach der Ablagerung durch Austauschprozesse zwischen dem Schnee und der Atmosphäre untersucht, jedoch ohne eine schlüssige Quantifizierung dieses Beitrags zur endgültigen Isotopensignatur.

Die Charakterisierung und Quantifizierung der komplexen und heterogenen Signalbildung in marinen Sedimenten und Gletschereis verbessert letztlich das Verständnis des Signalgehalts in Proxydaten und trägt dazu bei, die natürliche Klimavariabilität des Holozäns besser abzuschätzen.
KW  - polar ice
KW  - marine sediments
KW  - palaeoclimatology
KW  - signal formation
KW  - climatolgoy
KW  - Klimatologie
KW  - Meeressedimente
KW  - Paläoklimatologie
KW  - polares Eis
KW  - Signalbildung
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-582864
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zubaidah, Teti
T1  - Spatio-temporal characteristics of the geomagnetic field over the Lombok Island, the Lesser Sunda Islands region : new geological, tectonic, and seismo-electromagnetic insights along the Sunda-Banda Arcs transition
Y1  - 2010
CY  - Potsdam
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zubaidah, Teti
T1  - Spatio-temporal characteristics of the geomagnetic field over the Lombok Island, the Lesser Sunda Islands region
BT  - new geological, tectonic, and seismo-electromagnetic insights  along the Sunda-Banda Arcs transition
T2  - Scientific Technical Report
N2  - The Lombok Island is part of the Lesser Sunda Islands (LSI) region – Indonesia, situated along the Sunda-Banda Arcs transition. It lies between zones characterized by the highest intensity geomagnetic anomalies of this region, remarkable as one of the eight most important features provided on the 1st edition of World Digital Magnetic Anomaly Map. The seismicity of this region during the last years is high, while the geological and tectonic structures of this region are still not known in detail. Some local magnetic surveys have been conducted previously during 2004–2005. However, due to the lower accuracy of the used equipment and a limited number of stations, the qualities of the previous measurements are questionable for more interpretations. Thus a more detailed study to better characterize the geomagnetic anomaly -spatially and temporally- over this region and to deeply explore the related regional geology, tectonic and seismicity is needed. The intriguing geomagnetic anomalies over this island region vis-à-vis the socio-cultural situations lead to a study with a special aim to contribute to the assessment of the potential of natural hazards (earthquakes) as well as a new natural resource of energy (geothermal potential).

This study is intended to discuss several crucial questions, including:
i.	The real values and the general pattern of magnetic anomalies over the island, as well as their relation to the regional one.
ii.	Any temporal changes of regional anomalies over the recent time.
iii.	The relationships between the anomalies and the geology and tectonic of this region, especially new insights that can be gained from the geomagnetic observations.
iv.	The relationships between the anomalies and the high seismicity of this region, especially some possible links between their variations to the earthquake occurrence.

First, all available geomagnetic data of this region and results of the previous measurements are evaluated. The new geomagnetic surveys carried out in 2006 and 2007/2008 are then presented in detail, followed by the general description of data processing and data quality evaluation. The new results show the general pattern of contiguous negative-positive anomalies, revealing an active arc related subduction region. They agree with earlier results obtained by satellite, aeromagnetic, and marine platforms; and provide a much more detailed picture of the strong anomalies on this island. The temporal characteristics of regional anomalies show a decreasing strength of the dipolar structure, where decreasing of the field intensities is faster than the regional secular variations as defined by the global model (the 10th generation of IGRF). However, some exceptions (increasing of anomalies) have to be noted and further analyzed for several locations. 

Thereafter, simultaneous magnetic anomalies and gravity models are generated and interpreted in detail. Three profiles are investigated, providing new insights into the tectonics and geological evolution of the Lombok Island. Geological structure of this island can be divided as two main parts with different consecutive ages: an old part (from late Oligocene to late Miocene) in the South and a younger one (from Pliocene to Holocene) in the North. A new subduction in the back arc region (the Flores Thrust zone) is considered mature and active, showing a tendency of progressive subduction during 2005–2008. Geothermal potential in the northern part of this island can be mapped in more detail using these geomagnetic regional survey data. The earlier estimates of reservoir depth can be confirmed further to a depth of about 800 m. Evaluation of temporal changes of the anomalies gives some possible explanations related to the evolution of the back arc region, large stress accumulations over the LSI region, a specific electrical characteristic of the crust of the Lombok Island region, and a structural discontinuity over this island. 

Based on the results, several possible advanced studies involving geomagnetic data and anomaly investigations over the Lombok Island region can be suggested for the future: 
i.	Monitoring the subduction activity of the back arc region (the Flores Thrust zone) and the accumulated stress over the LSI, that could contribute to middle term hazard assessment with a special attention to the earthquake occurrence in this region. Continuous geomagnetic field measurements from a geomagnetic observatory which can be established in the northern part of the Lombok Island and systematic measurements at several repeat stations can be useful in this regards. 
ii.	Investigating the specific electrical characteristic (high conductivity) of the crust, that is probably related to some aquifer layers or metal mineralization. It needs other complementary geophysical methods, such as magnetotelluric (MT) or preferably DC resistivity measurements. 
iii.	Determining the existence of an active structural fault over the Lombok Island, that could be related to long term hazard assessment over the LSI region. This needs an extension of geomagnetic investigations over the neighbouring islands (the Bali Island in the West and the Sumbawa Island in the East; probably also the Sumba and the Flores islands). This seems possible because the regional magnetic lineations might be used to delineate some structural discontinuities, based on the modelling of contrasts in crustal magnetizations.
KW  - geomagnetic
KW  - tectonic
KW  - seismo-electromagnetic
KW  - Lombok
Y1  - 2010
U6  - https://doi.org/10.2312/GFZ.b103-10079
VL  - STR10
IS  - 07
PB  - Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
CY  - Potsdam
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zuba, Anna
T1  - The role of weight stigma and weight bias internalization in psychological functioning among school-aged children
Y1  - 2018
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zou, Yong
T1  - Exploring recurrences in quasiperiodic systems
T1  - Untersuchung des Wiederkehrverhaltens in quasiperiodischen dynamischen Systemen
N2  - In this work, some new results to exploit the recurrence properties of quasiperiodic dynamical systems are presented by means of a two dimensional visualization technique, Recurrence Plots(RPs). Quasiperiodicity is the simplest form of dynamics exhibiting nontrivial recurrences, which are common in many nonlinear systems. The concept of recurrence was introduced to study the restricted three body problem and it is very useful for the characterization of nonlinear systems. I have analyzed in detail the recurrence patterns of systems with quasiperiodic dynamics both analytically and numerically. Based on a theoretical analysis, I have proposed a new procedure to distinguish quasiperiodic dynamics from chaos. This algorithm is particular useful in the analysis of short time series. Furthermore, this approach demonstrates to be efficient in recognizing regular and chaotic trajectories of dynamical systems with mixed phase space. Regarding the application to real situations, I have shown the capability and validity of this method by analyzing time series from fluid experiments.
N2  - In dieser Arbeit stelle ich neue Resultate vor, welche zeigen, wie man Rekurrenzeigenschaften quasiperiodischer, dynamischer Systeme für eine Datenanalyse ausnutzen kann. Die vorgestellten Algorithmen basieren auf einer zweidimensionalen Darstellungsmethode, den Rekurrenz-Darstellungen. Quasiperiodizität ist die einfachste Dynamik, die nicht-triviale Rekurrenzen zeigt und tritt häufig in nichtlinearen Systemen auf. Nicht-triviale Rekurrenzen wurden im Zusammenhang mit dem eingeschränkten Dreikörper-problem eingeführt. In dieser Arbeit, habe ich mehrere Systeme mit quasiperiodischem Verhalten analytisch untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse helfen die Wiederkehreigenschaften dieser Systeme im Detail zu verstehen. Basierend auf den analytischen Resultaten, schlage ich einen neuen Algorithmus vor, mit dessen Hilfe selbst in kurzen Zeitreihen zwischen chaotischem und quasiperiodischem Verhalten unterschieden werden kann. Die vorgeschlagene Methode ist besonders effizient zur Unterscheidung regulärer und chaotischer Trajektorien mischender dynamischer Systeme.Die praktische Anwendbarkeit der vorgeschlagenen Analyseverfahren auf Messdaten, habe ich gezeigt, indem ich erfolgreich Zeitreihen aus fluid-dynamischen Experimenten untersucht habe.
KW  - Wiederkehrverhalten
KW  - quasiperiodisches dynamisches System
KW  - Recurrence Plot
KW  - recurrence
KW  - quasiperiodic dynamical systems
KW  - recurrence plots
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-16497
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zorn, Edgar Ulrich
T1  - Monitoring lava dome growth and deformation with photogrammetric methods and modelling
N2  - Lava domes are severely hazardous, mound-shaped extrusions of highly viscous lava and commonly erupt at many active stratovolcanoes around the world. Due to gradual growth and flank oversteepening, such lava domes regularly experience partial or full collapses, resulting in destructive and far-reaching pyroclastic density currents. They are also associated with cyclic explosive activity as the complex interplay of cooling, degassing, and solidification of dome lavas regularly causes gas pressurizations on the dome or the underlying volcano conduit. Lava dome extrusions can last from days to decades, further highlighting the need for accurate and reliable monitoring data.
This thesis aims to improve our understanding of lava dome processes and to contribute to the monitoring and prediction of hazards posed by these domes. The recent rise and sophistication of photogrammetric techniques allows for the extraction of observational data in unprecedented detail and creates ideal tools for accomplishing this purpose. Here, I study natural lava dome extrusions as well as laboratory-based analogue models of lava dome extrusions and employ photogrammetric monitoring by Structure-from-Motion (SfM) and Particle-Image-Velocimetry (PIV) techniques. I primarily use aerial photography data obtained by helicopter, airplanes, Unoccupied Aircraft Systems (UAS) or ground-based timelapse cameras. Firstly, by combining a long time-series of overflight data at Volcán de Colima, México, with seismic and satellite radar data, I construct a detailed timeline of lava dome and crater evolution. Using numerical model, the impact of the extrusion on dome morphology and loading stress is further evaluated and an impact on the growth direction is identified, bearing important implications for the location of collapse hazards. Secondly, sequential overflight surveys at the Santiaguito lava dome, Guatemala, reveal surface motion data in high detail. I quantify the growth of the lava dome and the movement of a lava flow, showing complex motions that occur on different timescales and I provide insight into rock properties relevant for hazard assessment inferred purely by photogrammetric processing of remote sensing data. Lastly, I recreate artificial lava dome and spine growth using analogue modelling under controlled conditions, providing new insights into lava extrusion processes and structures as well as the conditions in which they form.
These findings demonstrate the capabilities of photogrammetric data analyses to successfully monitor lava dome growth and evolution while highlighting the advantages of complementary modelling methods to explain the observed phenomena. The results presented herein further bear important new insights and implications for the hazards posed by lava domes.
N2  - Lavadome sind kuppelförmige Aufstauungen aus zähflüssiger Lava und bilden sich häufig bei Eruptionen an aktiven Stratovulkanen. Sie stellen dabei oft eine erhebliche Gefahr für Menschen und Infrastruktur dar, weil Lavadome instabil werden können und bei einem Kollaps pyroklastische Ströme (auch Glutlawinen) erzeugen können. Diese können innerhalb von Minuten weite Flächen verwüsten, daher ist die Überwachung von Lavadomen und deren Wachstum mit genauen und zuverlässigen Daten von großer Bedeutung.
In dieser Arbeit werden das Wachstum und die Bewegungen von Lavadomen mit fotogrammetrischen Methoden (Vermessungen anhand von Fotos) und mit Modellierungen in drei Teilstudien getestet und untersucht. Dazu wurden Daten sowohl an Lavadomen von Vulkanen in Mexiko und Guatemala als auch mittels künstlich erzeugter Dome im Labor erhoben. Hierbei wurden insbesondere das Structure-from-Motion-Verfahren, bei dem mithilfe einer Serie von Luftaufnahmen ein hochauflösendes 3D-Modell des Lavadoms und des Vulkans erstellt wird, und das Particle-Image-Velocimetry-Verfahren, bei dem aus einer Zeitreihe von Fotos kleinste Bewegungen detailliert gemessen werden können, verwendet. 
In der ersten Teilstudie wird aus einer Kombination von Überflugsbildern, Radardaten eines Satelliten, und seismischen Daten eine detaillierte Zeitreihe des Lavadom-Wachstums und der Kraterentwickelung am Volcán de Colima, Méxiko, erstellt. Anschließend werden die dabei erfassten Richtungen des Domwachstums mit numerischen Modellen auf Basis der fotogrammetrischen 3D-Modelle simuliert, welche zeigen, dass sich lokale Änderungen der Topografie auf die Wachstumsrichtung auswirken können. In der zweiten Teilstudie werden Drohnen in verschiedenen Zeitintervallen über einen Lavadom am Santa Maria Vulkan, Guatemala, geflogen. Die Überflugsdaten zeigen dabei Bewegungen sowohl an einem Lavastrom als auch ein Anschwellen des Doms mit jeweils unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Ferner können die Daten genutzt werden um Oberflächentemperatur und die Viskosität (Zähflüssigkeit) der Lava zu vermessen, welche für die Gefahrenanalyse eine wichtige Rolle spielen. In der dritten Teilstudie werden künstliche Dom-Modelle mithilfe von Sand-Gips-Gemischen erzeugt. Diese können sowohl den Aufbau und Morphologie als auch die internen Strukturen von Lavadomen simulieren und anhand von Zeitraffer-Aufnahmen im Detail nachstellen.
Die Ergebnisse zeigen, dass Fotogrammetrie und Modellierungen geeignete Mittel sind um Lavadome sowie deren Entstehungsprozesse und Gefahren zu verfolgen und neue Erkenntnisse zu gewinnen.
T2  - Überwachung von Wachstum und Deformation an Lavadomen mit fotogrammetrischen Methoden und Modellierungen
KW  - Lava dome
KW  - Lavadom
KW  - Photogrammetry
KW  - Fotogrammetrie
KW  - Volcano
KW  - Vulkan
KW  - Analogue Model
KW  - Analogmodell
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-483600
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zona, Carlotta Isabella
T1  - Visuo-linguistic integration for thematic-role assignment across speakers
T1  - Visuell-linguistische Integration für die Zuweisung thematischer Rollen über Sprecher hinweg
N2  - This dissertation examines the integration of incongruent visual-scene and morphological-case information (“cues”) in building thematic-role representations of spoken relative clauses in German.
Addressing the mutual influence of visual and linguistic processing, the Coordinated Interplay Account (CIA) describes a mechanism in two steps supporting visuo-linguistic integration (Knoeferle & Crocker, 2006, Cog Sci). However, the outcomes and dynamics of integrating incongruent thematic-role representations from distinct sources have been investigated scarcely. Further, there is evidence that both second-language (L2) and older speakers may rely on non-syntactic cues relatively more than first-language (L1)/young speakers. Yet, the role of visual information for thematic-role comprehension has not been measured in L2 speakers, and only limitedly across the adult lifespan.
Thematically unambiguous canonically ordered (subject-extracted) and noncanonically ordered (object-extracted) spoken relative clauses in German (see 1a-b) were presented in isolation and alongside visual scenes conveying either the same (congruent) or the opposite (incongruent) thematic relations as the sentence did.

1	a	Das ist der Koch,	der	die Braut	verfolgt.
	    	This is the.NOM cook	who.NOM	the.ACC bride	follows
		This is the cook who is following the bride.
	b	Das ist der Koch,	den	die Braut	verfolgt.
		This is the.NOM cook	whom.ACC	the.NOM bride	follows
		This is the cook whom the bride is following.

The relative contribution of each cue to thematic-role representations was assessed with agent identification. Accuracy and latency data were collected post-sentence from a sample of L1 and L2 speakers (Zona & Felser, 2023), and from a sample of L1 speakers from across the adult lifespan (Zona & Reifegerste, under review). In addition, the moment-by-moment dynamics of thematic-role assignment were investigated with mouse tracking in a young L1 sample (Zona, under review).
The following questions were addressed: (1) How do visual scenes influence thematic-role representations of canonical and noncanonical sentences? (2) How does reliance on visual-scene, case, and word-order cues vary in L1 and L2 speakers? (3) How does reliance on visual-scene, case, and word-order cues change across the lifespan?
The results showed reliable effects of incongruence of visually and linguistically conveyed thematic relations on thematic-role representations. Incongruent (vs. congruent) scenes yielded slower and less accurate responses to agent-identification probes presented post-sentence. The recently inspected agent was considered as the most likely agent ~300ms after trial onset, and the convergence of visual scenes and word order enabled comprehenders to assign thematic roles predictively.
L2 (vs. L1) participants relied more on word order overall. In response to noncanonical clauses presented with incongruent visual scenes, sensitivity to case predicted the size of incongruence effects better than L1-L2 grouping. These results suggest that the individual’s ability to exploit specific cues might predict their weighting.
Sensitivity to case was stable throughout the lifespan, while visual effects increased with increasing age and were modulated by individual interference-inhibition levels. Thus, age-related changes in comprehension may stem from stronger reliance on visually (vs. linguistically) conveyed meaning.
These patterns represent evidence for a recent-role preference – i.e., a tendency to re-assign visually conveyed thematic roles to the same referents in temporally coordinated utterances. The findings (i) extend the generalizability of CIA predictions across stimuli, tasks, populations, and measures of interest, (ii) contribute to specifying the outcomes and mechanisms of detecting and indexing incongruent representations within the CIA, and (iii) speak to current efforts to understand the sources of variability in sentence comprehension.
N2  - Diese Dissertation untersucht die Integration inkongruenter visueller Szenen- und morphologisch-kasusbezogener Informationen ("Hinweise") beim Aufbau thematischer Rollenrepräsentationen gesprochener Relativsätze auf Deutsch.
Das Coordinated Interplay Account (CIA) beschreibt einen Mechanismus in zwei Schritten zur Unterstützung der visuell-linguistischen Integration, der die wechselseitige Beeinflussung visueller und sprachlicher Verarbeitung adressiert (Knoeferle & Crocker, 2006, Cog Sci). Die Ergebnisse und Dynamiken der Integration inkongruenter thematischer Rollenrepräsentationen aus verschiedenen Quellen wurden jedoch kaum untersucht. Außerdem gibt es Hinweise darauf, dass sich sowohl Zweitsprachler (L2) als auch ältere Sprecher möglicherweise relativ stärker auf nicht-syntaktische Hinweise verlassen als Erstsprachler (L1)/jüngere Sprecher. Dennoch wurde die Rolle visueller Informationen für das Verständnis thematischer Rollen bei L2-Sprechern nicht gemessen und nur begrenzt über die gesamte Lebensspanne hinweg.
Thematisch eindeutige, kanonisch geordnete (subjektausgezogene) und nichtkanonisch geordnete (objektausgezogene) gesprochene Relativsätze auf Deutsch (siehe 1a-b) wurden isoliert und zusammen mit visuellen Szenen präsentiert, die entweder dieselben (kongruente) oder entgegengesetzte (inkongruente) thematische Beziehungen wie der Satz vermittelten.

Die relative Beitrag jedes Hinweises zur thematischen Rollenrepräsentation wurde durch die Identifizierung des Agenten bewertet. Genauigkeits- und Latenzdaten wurden nach dem Satz von einer Stichprobe von L1- und L2-Sprechern (Zona & Felser, 2023) sowie von einer Stichprobe von L1-Sprechern über die Lebensspanne hinweg (Zona & Reifegerste, in Überprüfung) gesammelt. Darüber hinaus wurden die momentane Dynamik der Zuweisung thematischer Rollen mit Mausverfolgung in einer jungen L1-Stichprobe untersucht (Zona, in Überprüfung).
Die folgenden Fragen wurden adressiert: (1) Wie beeinflussen visuelle Szenen thematische Rollenrepräsentationen kanonischer und nichtkanonischer Sätze? (2) Wie variiert der Verlass auf visuelle Szenen, Kasus- und Wortstellungs-Hinweise bei L1- und L2-Sprechern? (3) Wie verändert sich der Verlass auf visuelle Szenen, Kasus- und Wortstellungs-Hinweise im Laufe des Lebens?
Die Ergebnisse zeigten zuverlässige Effekte der Inkongruenz visuell und sprachlich vermittelter thematischer Beziehungen auf thematische Rollenrepräsentationen. Inkongruente (vs. kongruente) Szenen führten zu langsameren und weniger genauen Reaktionen auf Agentenidentifikationsproben, die nach dem Satz präsentiert wurden. Der kürzlich inspizierte Agent wurde etwa 300 ms nach Beginn des Versuchs als der wahrscheinlichste Agent betrachtet, und die Übereinstimmung von visuellen Szenen und Wortstellung ermöglichte es den Verstehenden, thematische Rollen vorherzusagen.
L2-Teilnehmer (vs. L1) verließen sich insgesamt stärker auf die Wortstellung. Auf nichtkanonische Klauseln, die mit inkongruenten visuellen Szenen präsentiert wurden, sagte die Sensibilität für den Kasus die Größe der Inkongruenzeffekte besser vorher als die Einteilung in L1-L2. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Fähigkeit des Einzelnen, bestimmte Hinweise auszunutzen, ihr Gewicht vorhersagen könnte.
Die Sensibilität für den Kasus blieb über die Lebensspanne hinweg stabil, während sich visuelle Effekte mit zunehmendem Alter verstärkten und durch individuelle Interferenz-Hemmungslevel moduliert wurden. Somit können altersbedingte Veränderungen im Verständnis von einer stärkeren Abhängigkeit von visuell (vs. sprachlich) vermittelter Bedeutung herrühren.
Diese Muster stellen einen Beleg für eine Präferenz für kürzlich eingeführte Rollen dar - d. h. eine Tendenz, visuell vermittelte thematische Rollen den gleichen Referenten in zeitlich koordinierten Äußerungen neu zuzuweisen. Die Ergebnisse (i) erweitern die Verallgemeinerbarkeit der Vorhersagen des CIAs über Stimuli, Aufgaben, Populationen und Interessenmaße hinweg, (ii) tragen zur Spezifizierung der Ergebnisse und Mechanismen bei der Erkennung und Indizierung inkongruenter Repräsentationen innerhalb des CIAs bei und (iii) sprechen aktuelle Bemühungen an, die Quellen der Variabilität im Satzverständnis zu verstehen.
KW  - spoken sentence comprehension
KW  - visuo-linguistic integration
KW  - thematic-role assignment
KW  - Sprachverständnis
KW  - Zuweisung thematischer Rollen
KW  - visuell-linguistische Integration
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-631857
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zinck, Richard
T1  - Diversity, criticality and disturbance in wildfire ecosystems
Y1  - 2009
CY  - Potsdam
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zimmermann, Marc
T1  - Multifunctional patchy silica particles via microcontact printing
T1  - Multifunktionale Patchy Silika Partikel mithilfe des Mikrokontaktdruckverfahrens
N2  - This research addressed the question, if it is possible to simplify current microcontact printing systems for the production of anisotropic building blocks or patchy particles, by using common chemicals while still maintaining reproducibility, high precision and tunability of the Janus-balance

Chapter 2 introduced the microcontact printing materials as well as their defined electrostatic interactions. In particular polydimethylsiloxane stamps, silica particles and high molecular weight polyethylenimine ink were mainly used in this research. All of these components are commercially available in large quantities and affordable, which gives this approach a huge potential for further up-scaling developments. The benefits of polymeric over molecular inks was described including its flexible influence on the printing pressure. With this alteration of the µCP concept, a new method of solvent assisted particle release mechanism enabled the switch from two-dimensional surface modification to three-dimensional structure printing on colloidal silica particles, without changing printing parameters or starting materials. This effect opened the way to use the internal volume of the achieved patches for incorporation of nano additives, introducing additional physical properties into the patches without alteration of the surface chemistry.

The success of this system and its achievable range was further investigated in chapter 3 by giving detailed information about patch geometry parameters including diameter, thickness and yield. For this purpose, silica particles in a size range between 1µm and 5µm were printed with different ink concentrations to change the Janus-balance of these single patched particles. A necessary intermediate step, consisting of air-plasma treatment, for the production of trivalent particles using "sandwich" printing was discovered and comparative studies concerning the patch geometry of single and double patched particles were conducted. Additionally, the usage of structured PDMS stamps during printing was described. These results demonstrate the excellent precision of this approach and opens the pathway for even greater accuracy as further parameters can be finely tuned and investigated, e.g. humidity and temperature during stamp loading.

The performance of these synthesized anisotropic colloids was further investigated in chapter 4, starting with behaviour studies in alcoholic and aqueous dispersions. Here, the stability of the applied patches was studied in a broad pH range, discovering a release mechanism by disabling the electrostatic bonding between particle surface and polyelectrolyte ink. Furthermore, the absence of strong attractive forces between divalent particles in water was investigated using XPS measurements. These results lead to the conclusion that the transfer of small PDMS oligomers onto the patch surface is shielding charges, preventing colloidal agglomeration. However, based on this knowledge, further patch modifications for particle self-assembly were introduced including physical approaches using magnetic nano additives, chemical patch functionalization with avidin-biotin or the light responsive cyclodextrin-arylazopyrazoles coupling as well as particle surface modification for the synthesis of highly amphiphilic colloids. The  successful coupling, its efficiency, stability and behaviour in different solvents were evaluated to find a suitable coupling system for future assembly experiments. Based on these results the possibility of more sophisticated structures by colloidal self-assembly is given.

Certain findings needed further analysis to understand their underlying mechanics, including the relatively broad patch diameter distribution and the decreasing patch thickness for smaller silica particles. Mathematical assumptions for both effects are introduced in chapter 5. First, they demonstrate the connection between the naturally occurring particle size distribution and the broadening of the patch diameter, indicating an even higher precision for this µCP approach. Second, explaining the increase of contact area between particle and ink surface due to higher particle packaging, leading to a decrease in printing pressure for smaller particles.

These calculations ultimately lead to the development of a new mechanical microcontact printing approach, using centrifugal forces for high pressure control and excellent parallel alignment of printing substrates. First results with this device and the comparison with previously conducted by-hand experiments conclude this research. It furthermore displays the advantages of such a device for future applications using a mechanical printing approach, especially for accessing even smaller nano particles with great precision and excellent yield.

In conclusion, this work demonstrates the successful adjustment of the µCP approach using commercially available and affordable silica particles and polyelectrolytes for high flexibility, reduced costs and higher scale-up value. Furthermore, its was possible to increase the modification potential by introducing three-dimensional patches for additional functionalization volume. While keeping a high colloidal stability, different coupling systems showed the self-assembly capabilities of this toolbox for anisotropic particles.
N2  - Diese Forschungsarbeit befasste sich mit der Frage, ob es möglich ist, bekannte Mikrokontaktdruckverfahren, zur Herstellung von anisotropen Bausteinen (Patchy Partikel), weiter zu vereinfachen. Dabei sollten gängige Chemikalien verwendet werden ohne einen Verlust in Reproduzierbarkeit, hoher Präzision und Feineinstellung der Janus-Balance zu erleiden.
In Kapitel 2 wurden die verwendeten Mikrokontaktdruckmaterialien sowie deren elektrostatische Wechselwirkungen vorgestellt. Insbesondere handelte es sich dabei um Polydimethylsiloxan Stempel, Silikapartikel und hoch molekulare Polyethylenimin Tinte. All diese Produkte sind kommerziel in großen und bezahlbaren Mengen erhältlich. Nicht nur die Vorteile von polymeren Tinten im Gegensatz zu molekularen Tinten wurde beschrieben, sondern auch die hohe Flexibilität dieses Verfahrens bezüglich der verwendeten Druckkraft. Mit dieser Anpassung des Mikrokontaktdrucks, wurde eine neue Methode der Lösungsmittel unterstützten Partikelablösung ermöglicht, mit deren Hilfe ein einfaches Schalten zwischen zwei dimensionaler Oberflächenfunktionalisierung und drei dimensionalem Strukturdrucks möglich war, ohne Druckparameter oder Startchemikalien zu verändern. Dadurch konnte neu erschaffenes internes
Volumen verwendet werden um Nanoadditive einzuführen und so zusätzliche physikalische Eigenschaften zu integrieren, ohne die Oberflächenchemie der Patches verändert wurde.

Der Erfolg dieses Systems und seine erreichbaren Grenzen wurde gründlichst in Kapitel 3 erforscht, indem detaillierte Geometrieparameter der Patches einschließlich Durchmesser, Dicke und Ausbeute, erworben wurden. Hierfür wurden Silikapartikel in einem Größenbereich von 1µm bis 5µm mit unterschiedlichen Tintenkonzentrationen bedruckt, um Veränderungen erforschen zu können. Ein notwendiger Luftplasma Ätzschritt für die Produktion von trivalenten Partikeln, mit Hilfe des sogenannten ,,Sandwich‘‘-Drucks, wurde erläutert und vergleichende Untersuchen von einfach und zweifach modifizierten Bausteinen wurden durchgeführt. Zusätzlich dazu, wurde die Verwendung von strukturierten Stempel beschrieben. Die Ergebnisse verdeutlichen die exzellente Genauigkeit dieser Methode und öffnet den Weg um eine hoch höhere Präzision zu erreichen da weitere Parametere genau eingestellt und untersucht werden
können, z.B. Luftfeuchtigkeit und Temperature während der Stempelbeladung.

Die Performance der herstellten anisotropen Partikel wurde in Kapitel 4 mit Verhaltensstudien in alkoholischen und wässrigen Dispersionen getestet. Dabei wurde die Stabilität der Oberflächenfunktionalisierungen in einem breiten pH Bereich untersucht. Dadurch wurde ein Ablösungsmechanismus bei sehr hohen bzw. niedrigen pH-Werten entdeckt, der zur Deaktivierung elektrostatischer Wechselwirkungen zwischen Partikeloberfläche und Polyelektrolyte Tinte führte. Desweitern wurden die Abwesenheit starker Wechselwirkung der divalenten Partikel in Wasser mit Hilfe von XPS untersucht. Das Resultat zeigte, dass der Transfer kleinster PDMS Oligomere auf die Patchoberfläche zu einer Ladungsabschirmung führte. Dadurch konnte Agglomeration verhindert werden. Aufgrund dieser Ergebnisse wurden weitere Modifikationen für Partikelassemblierung durchgeführt. Hierfür wurde die Einführung von magnetischen
Nanoadditiven, die Funktionalisierung mit Avidin-Biotin sowie dem Lichtschaltbaren Cyclodextrin-Arylazopyrazol Komplexen und die Partikeloberflächenfunktionalisierung zur Herstellung amphiphiler Teilchen untersucht. Die Effizienz der Kopplung, deren Stabilität sowie das Verhalten in unterschiedlichen Lösungsmittel wurde beschrieben. Basierend auf diesen Ergebnissen können noch anspruchsvollere Strukturen durch kolloidale Selbstassemblierung erzeugt werden.

Einige Ergebnisse dieser Arbeit benötigten zusätzlicher Analyse um die zugrundeliegenden Mechaniken verstehen zu können. Dazu gehörte die relative hohe Streuung des Durchmessers für unterschiedliche Partikelsysteme, sowie das Ausdünnen des Patches mit kleineren Silikapartikeln. Mathematische Modelle in Kapitel 5 beschreiben beide Effekte. Dadurch war es möglich einen Zusammenhang zwischen der natürlichen Partikelgrößenverteilung sowie der Verbreitung des Patchdurchmessers festzustellen. Des Weiteren konnte eine Verkleinerung der Druckkraft durch eine Erhöhung der Packungsdichte für kleine Partikel beschrieben werden, wodurch eine Erklärung der Ausdünnung möglich war.

All diese Berechnung führten schlussendlich zur Entwicklung eines neuen mechanischen Mikrokontaktdruckverfahrens, welches mit Hilfe von Zentrifugalkräften eine hohe Druckkontrolle und eine exzellente parallele Ausrichtung zwischen den Substraten ermöglicht. Erste Ergebnisse, sowie deren Vergleich mit bisher erhaltenen Resultaten schließen diese Forschung ab. Des Weiteren zeigt es die Vorteile einer solchen Vorrichtung für kommende Applikationen, besonders um noch kleinere Nanopartikel mit einer hohen Präzision modifizieren zu können.

Zusammenfassend ist zu sagen, dass diese Forschung die erfolgreiche Anpassung des Mikrokontaktdruckverfahrens mit kommerziell erhältlichen und bezahlbaren Silikapartikeln und Polyelektrolyten demonstriert, um hohe Flexibilität, reduzierte Kosten und ein erweitertes Skalierungspotential zu bieten. Zusätzlich ist es gelungen, die Funktionalisierungsdichte zu erhöhen, indem drei dimensionaler Strukturdruck bisher ungenutztes Volumen schaffen konnte. Während eine hohe kolloidale Stabilität erhalten blieb, ist es gelungen unterschiedliche Kopplungssysteme zu nutzen, um das Selbstorganisationspotential dieser Toolbox für anisotrope Partikel aufzuzeigen.
KW  - patchy particles
KW  - microcontact printing
KW  - silica particles
KW  - anisotropic colloids
KW  - polyelectrolytes
KW  - Patchy Partikel
KW  - Mikrokontaktdruck
KW  - Silika Partikel
KW  - Anisotrope Kolloide
KW  - Polyelektrolyte
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427731
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zimmermann, Julia
T1  - Population ecology of a dominant perennial grass : recruitment, growth and mortality in semi-arid savanna
T2  - PhD dissertation / Helmholtz Centre for Environmental Research, UFZ
Y1  - 2009
VL  - 2009,4
PB  - UFZ
CY  - Leipzig
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zimmermann, Heike Hildegard
T1  - Vegetation changes and treeline dynamics in northern Siberia since the last interglacial revealed by sedimentary ancient DNA metabarcoding and organelle genome assembly of modern larches
Y1  - 2017
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zimmermann, Beate
T1  - Spatial and temporal variability of the soil saturated hydraulic conductivity in gradients of disturbance
T1  - Räumliche und zeitliche Variabilität der gesättigten Bodenwasserleitfähigkeit in Störungsgradienten
N2  - As land-cover conversion continues to expand into ever more remote areas in the humid tropics, montane rainforests are increasingly threatened. In the south Ecuadorian Andes, they are not only subject to man-made disturbances but also to naturally occurring landslides. I was interested in the impact of this ecosystem dynamics on a key parameter of the hydrologic cycle, the soil saturated hydraulic conductivity (synonym: permeability; Ks from here on), because it is a sensitive indicator for soil disturbances. My general objective was to quantify the effects of the regional natural and human disturbances on the saturated hydraulic conductivity and to describe the resulting spatial-temporal patterns. The main hypotheses were: 1) disturbances cause an apparent displacement of the less permeable soil layer towards the surface, either due to a loss of the permeable surface soil after land-sliding, or as a consequence of the surface soil compaction under cattle pastures; 2) ‘recovery’ from disturbance, either because of landslide re-vegetation or because of secondary succession after pasture abandonment, involves an apparent displacement of the less permeable layer back towards the original depth an 3) disturbances cause a simplification of the Ks spatial structure, i.e. the spatially dependent random variation diminishes; the subsequent recovery entails the re-establishment of the original structure. In my first study, I developed a synthesis of recent geostatistical research regarding its applicability to soil hydraulic data, including exploratory data analysis and variogram estimation techniques; I subsequently evaluated the results in terms of spatial prediction uncertainty. Concerning the exploratory data analysis, my main results were: 1) Gaussian uni- and bivariate distributions of the log-transformed data; 2) the existence of significant local trends; 3) no need for robust estimation; 4) no anisotropic variation. I found partly considerable differences in covariance parameters resulting from different variogram estimation techniques, which, in the framework of spatial prediction, were mainly reflected in the spatial connectivity of the Ks-field. Ignoring the trend component and an arbitrary use of robust estimators, however, would have the most severe consequences in this respect. Regarding variogram modeling, I encouraged restricted maximum likelihood estimation because of its accuracy and independence on the selected lags needed for experimental variograms. The second study dealt with the Ks spatial-temporal pattern in the sequences of natural and man-made disturbances characteristic for the montane rainforest study area. To investigate the disturbance effects both on global means and the spatial structure of Ks, a combined design-and model-based sampling approach was used for field-measurements at soil depths of 12.5, 20, and 50 cm (n=30-150/depth) under landslides of different ages (2 and 8 years), under actively grazed pasture, fallows following pasture abandonment (2 to 25 years of age), and under natural forest. Concerning global means, our main findings were 1) global means of the soil permeability generally decrease with increasing soil depth; 2) no significant Ks differences can be observed among landslides and compared to the natural forest; 3) a distinct permeability decrease of two orders of magnitude occurs after forest conversion to pasture at shallow soil depths, and 4) the slow regeneration process after pasture abandonment requires at least one decade. Regarding the Ks spatial structure, we found that 1) disturbances affect the Ks spatial structure in the topsoil, and 2) the largest differences in spatial patterns are associated with the subsoil permeability. In summary, the regional landslide activity seems to affect soil hydrology to a marginal extend only, which is in contrast to the pronounced drop of Ks after forest conversion. We used this spatial-temporal information combined with local rain intensities to assess the partitioning of rainfall into vertical and lateral flowpaths under undisturbed, disturbed, and regenerating land-cover types in the third study. It turned out that 1) the montane rainforest is characterized by prevailing vertical flowpaths in the topsoil, which can switch to lateral directions below 20 cm depth for a small number of rain events, which may, however, transport a high portion of the annual runoff; 2) similar hydrological flowpaths occur under the landslides except for a somewhat higher probability of impermeable layer formation in the topsoil of a young landslide, and 3) pronounced differences in runoff components can be observed for the human disturbance sequence involving the development of near-surface impeding layers for 24, 44, and 8 % of rain events for pasture, a two-year-old fallow, and a ten-year-old fallow, respectively.
N2  - Der tropische Bergregenwald in den Südecuadorianischen Anden unterliegt sowohl anthropogenen Eingriffen, d.h. der Umwandlung von Naturwald in Rinderweiden, als auch natürlichen Störungen in der Form von Hangrutschen. Ziel meiner Arbeit war es, die Auswirkungen dieser regionalen Störungsdynamik auf einen Schlüsselparameter des hydrologischen Kreislaufs, die gesättigte hydraulische Wasserleitfähigkeit (Ks), zu untersuchen und die resultierenden raum-zeitlichen Muster zu beschreiben. In der ersten Studie habe ich eine Synthese aktueller geostatistischer Forschung hinsichtlich ihrer Eignung für die Analyse bodenhydrologischer Daten entwickelt. Diese beinhaltet explorative Datenanalyse und verschiedene Techniken zur Schätzung der Kovarianzparameter; die Ergebnisse habe ich in Bezug auf die Ungenauigkeit räumlicher Vorhersagen bewertet. Es hat sich dabei herausgestellt, dass die Schätztechniken teilweise beachtliche Unterschiede in den Parametern hervorrufen, welche sich hauptsächlich in der räumlichen Konnektivität widergespiegeln. Die wichtigste Rolle im Zusammenhang mit der räumlichen Vorhersage kommt jedoch den vorgeordneten explorativen Analyseschritten zu. In der zweiten Studie habe ich mich mit der Beschreibung des raum-zeitlichen Muster der Wasserleitfähigkeit in den anthropogenen und natürlichen Störungsgradienten beschäftigt. Wichtigste Ergebnisse waren, dass es keine signifikanten Unterschiede der Wasserleitfähigkeit zwischen den verschieden alten Hangrutschen und dem Naturwald gibt. Daraus lässt sich schließen, dass die natürlichen Störungen im Untersuchungsgebiet lediglich marginale Auswirkungen auf die Bodenhydrology haben. Das steht in starkem Kontrast zum anthropogenen Störungskreislauf: die Wasserleitfähigkeit im Weideboden hat gegenüber dem Naturwald um zwei Größenordnungen abgenommen; eine „Erholung“ nach Nutzungsaufgabe scheint mindestens ein Jahrzehnt in Anspruch zu nehmen. Die räumlichen Abhängigkeit von Ks in den Oberböden von Wald und einer alten Brache ist stärker als in jenen der gestörten Flächen, was auf eine störungsbedingte Beeinträchtigung der räumlichen Struktur in geringer Bodentiefe schließen lässt. In der dritten Studie habe ich diese raum-zeitlichen Informationen mit dem örtlichen Niederschlagsregime in Verbindung gebracht, um Rückschlüsse auf die Auswirkungen der störungsbedingten Änderungen von Ks auf hydrologische Fließwege zu ziehen. Es hat sich gezeigt, dass im tropischen Bergregenwald und unter Hangrutschen ubiquitäre Tiefenversickerung dominiert, es allerdings zu einer Verschiebung in laterale Fließrichtungen für die seltenen intensiven Regenereignisse kommen kann. Anthropogene Störungen gehen mit einer um bis zu 50 Prozent erhöheren Wahrscheinlichkeit des Auftretens oberflächennaher Stauschichten einher, was die Bedeutung lateraler Fließwege erhöht. Dies trifft in vergleichbarer Größenordnung auch auf ein Vergleichsökosystem im Tieflandregenwald zu.
KW  - Bodenhydrologie
KW  - Tropen
KW  - Landnutzungswandel
KW  - Geostatistik
KW  - Abflussbildung
KW  - soil hydrology
KW  - tropics
KW  - landuse change
KW  - geostatistics
KW  - runoff generation
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-16402
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zimmermann, Alexander
T1  - Rainfall redistribution and change of water quality in tropical forest canopies : patterns and persistence
T1  - Umverteilung von Regenwasser und Änderung der Wasserqualität in Kronendächern Tropischer Wälder : Muster und Persistenz
N2  - Motivations and research objectives: During the passage of rain water through a forest canopy two main processes take place. First, water is redistributed; and second, its chemical properties change substantially. The rain water redistribution and the brief contact with plant surfaces results in a large variability of both throughfall and its chemical composition. Since throughfall and its chemistry influence a range of physical, chemical and biological processes at or below the forest floor the understanding of throughfall variability and the prediction of throughfall patterns potentially improves the understanding of near-surface processes in forest ecosystems. This thesis comprises three main research objectives. The first objective is to determine the variability of throughfall and its chemistry, and to investigate some of the controlling factors. Second, I explored throughfall spatial patterns. Finally, I attempted to assess the temporal persistence of throughfall and its chemical composition. Research sites and methods: The thesis is based on investigations in a tropical montane rain forest in Ecuador, and lowland rain forest ecosystems in Brazil and Panama. The first two studies investigate both throughfall and throughfall chemistry following a deterministic approach. The third study investigates throughfall patterns with geostatistical methods, and hence, relies on a stochastic approach. Results and Conclusions: Throughfall is highly variable. The variability of throughfall in tropical forests seems to exceed that of many temperate forests. These differences, however, do not solely reflect ecosystem-inherent characteristics, more likely they also mirror management practices. Apart from biotic factors that influence throughfall variability, rainfall magnitude is an important control. Throughfall solute concentrations and solute deposition are even more variable than throughfall. In contrast to throughfall volumes, the variability of solute deposition shows no clear differences between tropical and temperate forests, hence, biodiversity is not a strong predictor of solute deposition heterogeneity. Many other factors control solute deposition patterns, for instance, solute concentration in rainfall and antecedent dry period. The temporal variability of the latter factors partly accounts for the low temporal persistence of solute deposition. In contrast, measurements of throughfall volume are quite stable over time. Results from the Panamanian research site indicate that wet and dry areas outlast consecutive wet seasons. At this research site, throughfall exhibited only weak or pure nugget autocorrelation structures over the studies lag distances. A close look at the geostatistical tools at hand provided evidence that throughfall datasets, in particular those of large events, require robust variogram estimation if one wants to avoid outlier removal. This finding is important because all geostatistical throughfall studies that have been published so far analyzed their data using the classical, non-robust variogram estimator.
N2  - Motivation und Zielsetzung: Wenn Regen durch ein Kronendach fällt lassen sich zwei Prozesse beobachten: das Regenwasser wird umverteilt und die chemische Qualität des Wassers verändert sich erheblich. Die Prozesse im Kronenraum resultieren in einer hohen Variabilität des Bestandsniederschlags und dessen chemischer Zusammensetzung. Bestandsniederschlag beeinflusst eine Reihe von physikalischen, chemischen und biologischen Prozessen am Waldboden. Daher können Untersuchungen zur Variabilität und zu Mustern im Bestandsniederschlag helfen, bodennahe Prozesse besser zu verstehen. Diese Dissertation behandelt hauptsächlich drei Aspekte. Erstens, die Arbeit beschäftigt sich mit der Erfassung der Variabilität im Bestandsniederschlag und dessen chemischer Zusammensetzung, zudem werden Einflussfaktoren dieser Variabilität untersucht. Des Weiteren beschäftigt sich die Arbeit mit räumlichen Mustern des Bestandsniederschlagswassers, und drittens wird die zeitliche Stabilität des Bestandsniederschlags und dessen chemischer Zusammensetzung betrachtet. Untersuchungsgebiete und Methoden: Diese Dissertation basiert auf Untersuchungen in einem tropischen Bergregenwald in Ecuador, sowie Studien in tropischen Tieflandregenwäldern in Brasilien und Panama. Die ersten zwei Studien untersuchen Bestandsniederschlag und dessen chemische Zusammensetzung mit Hilfe deterministischer Methoden. Die Arbeit in Panama nutzt geostatistische Methoden zur Beschreibung von Bestandsniederschlagsmustern und verfolgt somit einen stochastischen Ansatz. Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Die Variabilität des Bestandsniederschlages ist hoch; das heißt, die Menge des auf den Waldboden tropfenden Wassers kann sich je nach Standort stark unterscheiden. Diese räumliche Variabilität des Bestandsniederschlags ist in tropischen Wäldern höher als in vielen gemäßigten Waldökosystemen, was nicht allein auf verschiedenen Eigenschaften der Ökosysteme zurückzuführen ist. Vielmehr erklären sich die Unterschiede auch aus verschiedenen Waldnutzungen. Abgesehen von biologischen Faktoren beeinflusst die Regenmenge die Variabilität des Bestandsniederschlags erheblich. Die chemische Zusammensetzung des Bestandsniederschlags weist eine noch höhere Variabilität als der Bestandsniederschlag selbst auf. Unterschiede zwischen tropischen und gemäßigten Wäldern lassen sich hier allerdings nicht erkennen, weshalb die hohe Diversität tropischer Ökosysteme die Heterogenität der chemischen Zusammensetzung des Bestandsniederschlags nicht ausreichend erklärt. Eine Vielzahl anderer Faktoren kontrolliert deshalb die Variabilität der Bestandsniederschlagschemie, beispielsweise die Konzentration gelöster Stoffe im Regenwasser oder die Dauer von Trockenperioden. Deren hohe temporale Variabilität ist verantwortlich für die geringe zeitliche Stabilität von Depositionsmessungen. Im Gegensatz dazu ist die temporale Persistenz von Messungen der Bestandsniederschlagsmenge hoch. Insbesondere die Ergebnisse aus Panama zeigen, dass feuchte und trockene Messpunkte über einen Zeitraum von zwei Regenzeiten fortbestehen. Die räumlichen Bestandsniederschlagsmuster im letztgenannten Untersuchungsgebiet sind schwach bzw. weisen die Struktur eines reinen Nugget-Models auf. Die geostatistische Analyse zeigt, dass vor allem die Daten großer Regenereignisse eine robuste Modellierung des Variogramms erfordern, wenn die willkürliche Entfernung von Fernpunkten in den Daten vermieden werden soll. Dieses Resultat ist insbesondere deshalb von Bedeutung, da alle bisherigen Bestandsniederschlagsstudien den klassischen, nicht-robusten Schätzer benutzen, obwohl das Auftreten von Extremwerten in Bestandsniederschlagsdaten für viele Ökosysteme zu erwarten ist.
KW  - Bestandsniederschlag
KW  - Stoffdeposition
KW  - tropische Waldökosysteme
KW  - Geostatistik
KW  - throughfall
KW  - solute deposition
KW  - tropical forests
KW  - geostatistics
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-32556
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zillmer, Rüdiger
T1  - Statistical properties and scaling of the Lyapunov exponents in stochastic systems
N2  - Die vorliegende Arbeit umfaßt drei Abhandlungen, welche allgemein mit einer stochastischen Theorie für die Lyapunov-Exponenten befaßt sind. Mit Hilfe dieser Theorie werden universelle Skalengesetze untersucht, die in gekoppelten chaotischen und ungeordneten Systemen auftreten.   Zunächst werden zwei zeitkontinuierliche stochastische Modelle für schwach gekoppelte chaotische Systeme eingeführt, um die Skalierung der Lyapunov-Exponenten mit der Kopplungsstärke ('coupling sensitivity of chaos') zu untersuchen. Mit Hilfe des Fokker-Planck-Formalismus werden Skalengesetze hergeleitet, die von Ergebnissen numerischer Simulationen bestätigt werden.   Anschließend wird gezeigt, daß 'coupling sensitivity' im Fall gekoppelter ungeordneter Ketten auftritt, wobei der Effekt sich durch ein singuläres Anwachsen der Lokalisierungslänge äußert. Numerische Ergebnisse für gekoppelte Anderson-Modelle werden bekräftigt durch analytische Resultate für gekoppelte raumkontinuierliche Schrödinger-Gleichungen. Das resultierende Skalengesetz für die Lokalisierungslänge ähnelt der Skalierung der Lyapunov-Exponenten gekoppelter chaotischer Systeme.   Schließlich wird die Statistik der exponentiellen Wachstumsrate des linearen Oszillators mit parametrischem Rauschen studiert. Es wird gezeigt, daß die Verteilung des zeitabhängigen Lyapunov-Exponenten von der Normalverteilung abweicht. Mittels der verallgemeinerten Lyapunov-Exponenten wird der Parameterbereich bestimmt, in welchem die Abweichungen von der Normalverteilung signifikant sind und Multiskalierung wesentlich wird.
N2  - This work incorporates three treatises which are commonly concerned with a stochastic theory of the Lyapunov exponents. With the help of this theory universal scaling laws are investigated which appear in coupled chaotic and disordered systems.   First, two continuous-time stochastic models for weakly coupled chaotic systems are introduced to study the scaling of the Lyapunov exponents with the coupling strength (coupling sensitivity of chaos). By means of the the Fokker-Planck formalism scaling relations are derived, which are confirmed by results of numerical simulations.   Next, coupling sensitivity is shown to exist for coupled disordered chains, where it appears as a singular increase of the localization length. Numerical findings for coupled Anderson models are confirmed by analytic results for coupled continuous-space Schrödinger equations. The resulting scaling relation of the localization length resembles the scaling of the Lyapunov exponent of coupled chaotic systems.   Finally, the statistics of the exponential growth rate of the linear oscillator with parametric noise are studied. It is shown that the distribution of the finite-time Lyapunov exponent deviates from a Gaussian one. By means of the generalized Lyapunov exponents the parameter range is determined where the non-Gaussian part of the distribution is significant and multiscaling becomes essential.
KW  - Lyapunov-Exponenten
KW  - Chaos
KW  - ungeordnete Systeme
KW  - Lokalisierung
KW  - stochastische Systeme
KW  - 'coupling sensitivity'
KW  - parametrisch erregter Oszillator
KW  - Lyapunov exponents
KW  - chaos
KW  - disordered systems
KW  - localization
KW  - stochastic systems
KW  - coupling sensitivity
KW  - parametrically excited oscillator
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001147
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ziese, Ramona
T1  - Geometric electroelasticity
T1  - Geometrische Elektroelastizität
N2  - In this work a diffential geometric formulation of the theory of electroelasticity is developed which also includes thermal and magnetic influences. We study the motion of bodies consisting of an elastic material that are deformed by the influence of mechanical forces, heat and an external electromagnetic field. To this end physical balance laws (conservation of mass, balance of momentum, angular momentum and energy) are established. These provide an equation that describes the motion of the body during the deformation. Here the body and the surrounding space are modeled as Riemannian manifolds, and we allow that the body has a lower dimension than the surrounding space. In this way one is not (as usual) restricted to the description of the deformation of three-dimensional bodies in a three-dimensional space, but one can also describe the deformation of membranes and the deformation in a curved space. Moreover, we formulate so-called constitutive relations that encode the properties of the used material. Balance of energy as a scalar law can easily be formulated on a Riemannian manifold. The remaining balance laws are then obtained by demanding that balance of energy is invariant under the action of arbitrary diffeomorphisms on the surrounding space. This generalizes a result by Marsden and Hughes that pertains to bodies that have the same dimension as the surrounding space and does not allow the presence of electromagnetic fields. Usually, in works on electroelasticity the entropy inequality is used to decide which otherwise allowed deformations are physically admissible and which are not. It is alsoemployed to derive restrictions to the possible forms of constitutive relations describing the material. Unfortunately, the opinions on the physically correct statement of the entropy inequality diverge when electromagnetic fields are present. Moreover, it is unclear how to formulate the entropy inequality in the case of a membrane that is subjected to an electromagnetic field. Thus, we show that one can replace the use of the entropy inequality by the demand that for a given process balance of energy is invariant under the action of arbitrary diffeomorphisms on the surrounding space and under linear rescalings of the temperature. On the one hand, this demand also yields the desired restrictions to the form of the constitutive relations. On the other hand, it needs much weaker assumptions than the arguments in physics literature that are employing the entropy inequality. Again, our result generalizes a theorem of Marsden and Hughes. This time, our result is, like theirs, only valid for bodies that have the same dimension as the surrounding space.
N2  - In der vorliegenden Arbeit wird eine diffentialgeometrische Formulierung der Elektroelastizitätstheorie entwickelt, die auch thermische und magnetische Einflüsse berücksichtigt. Hierbei wird die Bewegung von Körpern untersucht, die aus einem elastischen Material bestehen und sich durch mechanische Kräfte, Wärmezufuhr und den Einfluss eines äußeren elektromagnetischen Feldes verformen. Dazu werden physikalische Bilanzgleichungen (Massenerhaltung, Impuls-, Drehimpuls- und Energiebilanz) aufgestellt, um mit deren Hilfe eine Gleichung zu formulieren, die die Bewegung des Körpers während der Deformation beschreibt. Dabei werden sowohl der Körper als auch der umgebende Raum als Riemannsche Mannigfaltigkeiten modelliert, wobei zugelassen ist, dass der Körper eine geringere Dimension hat als der ihn umgebende Raum. Auf diese Weise kann man nicht nur - wie sonst üblich - die Deformation dreidimensionaler Körper im dreidimensionalen euklidischen Raum beschreiben, sondern auch die Deformation von Membranen und die Deformation innerhalb eines gekrümmten Raums. Weiterhin werden sogenannte konstitutive Gleichungen formuliert, die die Eigenschaften des verwendeten Materials kodieren. Die Energiebilanz ist eine skalare Gleichung und kann daher leicht auf Riemannschen Mannigfaltigkeiten formuliert werden. Es wird gezeigt, dass die Forderung der Invarianz der Energiebilanz unter der Wirkung von beliebigen Diffeomorphismen auf den umgebenden Raum bereits die restlichen Bilanzgleichungen impliziert. Das verallgemeinert ein Resultat von Marsden und Hughes, das nur für Körper anwendbar ist, die die selbe Dimension wie der umgebende Raum haben und keine elektromagnetischen Felder berücksichtigt. Üblicherweise wird in Arbeiten über Elektroelastizität die Entropieungleichung verwendet, um zu entscheiden, welche Deformationen physikalisch zulässig sind und welche nicht. Sie wird außerdem verwendet, um Einschränkungen für die möglichen Formen von konstitutiven Gleichungen, die das Material beschreiben, herzuleiten. Leider gehen die Meinungen über die physikalisch korrekte Formulierung der Entropieungleichung auseinander sobald elektromagnetische Felder beteiligt sind. Weiterhin ist unklar, wie die Entropieungleichung für den Fall einer Membran, die einem elektromagnetischen Feld ausgesetzt ist, formuliert werden muss. Daher zeigen wir, dass die Benutzung der Entropieungleichung ersetzt werden kann durch die Forderung, dass für einen gegebenen Prozess die Energiebilanz invariant ist unter der Wirkung eines beliebigen Diffeomorphimus' auf den umgebenden Raum und der linearen Reskalierung der Temperatur. Zum einen liefert diese Forderung die gewünschten Einschränkungen für die Form der konstitutiven Gleichungen, zum anderen benoetigt sie viel schwächere Annahmen als die übliche Argumentation mit der Entropieungleichung, die man in der Physikliteratur findet. Unser Resultat ist dabei wieder eine Verallgemeinerung eines Theorems von Marsden und Hughes, wobei es, so wie deren Resultat, nur für Körper gilt, die als offene Teilmengen des dreidimensionalen euklidischen Raums modelliert werden können.
KW  - Elastizität
KW  - Elektrodynamik
KW  - Mannigfaltigkeit
KW  - konstitutive Gleichungen
KW  - Bewegungsgleichung
KW  - elasticity
KW  - electrodynamics
KW  - manifold
KW  - constitutive relations
KW  - equation of motion
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-72504
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ziemann, Niklas
T1  - Four essays on the role of distance for economic decision-making
T1  - Vier Studien zur Rolle von Distanzen für ökonomisches Entscheidungsverhalten
N2  - Distances affect economic decision-making in numerous situations. The time at which we make a decision about future consumption has an impact on our consumption behavior. The spatial distance to employer, school or university impacts the place where we live and vice versa. The emotional closeness to other individuals influences our willingness to give money to them. This cumulative thesis aims to enrich the literature on the role of distance for economic decision-making. Thereby, each of my research projects sheds light on the impact of one kind of distance for efficient decision-making.
N2  - Distanzen beeinflussen ökonomische Entscheidungen in vielen Situationen. Der Zeitpunkt an dem wir uns für zukünftige Ausgaben entscheiden, beeinflusst unser Konsumverhalten. Die räumliche Distanz zum Arbeitsgeber, zur Schule oder Universität beeinflusst die Wahl unseres Wohnortes und umgekehrt. Die emotionale Nähe zu anderen Menschen entscheidet darüber, ob wir diese finanziell unterstützen. Mit dieser kumulativen Doktorarbeit möchte ich die Literatur, die sich mit der Rolle von Distanzen für ökonomisches Entscheidungsverhalten beschäftigt, bereichern. Ich schaue mir in jedem meiner Forschungsprojekt an, wie eine Art von Distanz die Effizienz von Entscheidungen beeinflusst.
KW  - lab experiment
KW  - individual choices
KW  - Distanz
KW  - individuelle Entscheidungen
KW  - Laborexperiment
KW  - distance
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-591073
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ziehe, Andreas
T1  - Blind source separation based on joint diagonalization of matrices with applications in biomedical signal processing
T1  - Blinde Signalquellentrennung beruhend auf simultaner Diagonalisierung von Matrizen mit Anwendungen in der biomedizinischen Signalverarbeitung
T1  - Blinde Signalquellentrennung beruhend auf simultaner Diagonalisierung von Matrizen mit Anwendungen in der biomedizinischen Signalverarbeitung
N2  - This thesis is concerned with the solution of the blind source separation problem (BSS). The BSS problem occurs frequently in various scientific and technical applications. In essence, it consists in separating meaningful underlying components out of a mixture of a multitude of superimposed signals.  In the recent research literature there are two related approaches to the BSS problem: The first is known as Independent Component Analysis (ICA), where the goal is to transform the data such that the components become as independent as possible. The second is based on the notion of diagonality of certain characteristic matrices derived from the data. Here the goal is to transform the matrices such that they become as diagonal as possible. In this thesis we study the latter method of approximate joint diagonalization (AJD) to achieve a solution of the BSS problem. After an introduction to the general setting, the thesis provides an overview on particular choices for the set of target matrices that can be used for BSS by joint diagonalization.  As the main contribution of the thesis, new algorithms for approximate joint diagonalization of several matrices with non-orthogonal transformations are developed.  These newly developed algorithms will be tested on synthetic benchmark datasets and compared to other previous diagonalization algorithms.  Applications of the BSS methods to biomedical signal processing are discussed and exemplified with real-life data sets of multi-channel biomagnetic recordings.
N2  - Diese Arbeit befasst sich mit der Lösung des Problems der blinden Signalquellentrennung (BSS). Das BSS Problem tritt häufig in vielen wissenschaftlichen und technischen Anwendungen auf. Im Kern besteht das Problem darin, aus einem Gemisch von überlagerten Signalen die zugrundeliegenden Quellsignale zu extrahieren.  In wissenschaftlichen Publikationen zu diesem Thema werden hauptsächlich zwei Lösungsansätze verfolgt:  Ein Ansatz ist die sogenannte "Analyse der unabhängigen Komponenten", die zum Ziel hat, eine lineare Transformation <B>V</B> der Daten <B>X</B> zu finden, sodass die Komponenten Un der transformierten Daten <B>U</B> = <B> V X</B> (die sogenannten "independent components") so unabhängig wie möglich sind. Ein anderer Ansatz beruht auf einer simultanen Diagonalisierung mehrerer spezieller Matrizen, die aus den Daten gebildet werden. Diese Möglichkeit der Lösung des Problems der blinden Signalquellentrennung bildet den Schwerpunkt dieser Arbeit.  Als Hauptbeitrag der vorliegenden Arbeit präsentieren wir neue Algorithmen zur simultanen Diagonalisierung mehrerer Matrizen mit Hilfe einer nicht-orthogonalen Transformation.  Die neu entwickelten Algorithmen werden anhand von numerischen Simulationen getestet und mit bereits bestehenden Diagonalisierungsalgorithmen verglichen. Es zeigt sich, dass unser neues Verfahren sehr effizient und leistungsfähig ist. Schließlich werden Anwendungen der BSS Methoden auf Probleme der biomedizinischen Signalverarbeitung erläutert und anhand von realistischen biomagnetischen Messdaten wird die Nützlichkeit in der explorativen Datenanalyse unter Beweis gestellt.
KW  - Signaltrennung
KW  - Mischung <Signalverarbeitung>
KW  - Diagonalisierung
KW  - Bioelektrisches Signal
KW  - Magnetoencephalographie
KW  - Elektroencephalographie
KW  - Signalquellentrennung
KW  - Matrizen-Eigenwertaufgabe
KW  - Simultane Diagonalisierung
KW  - Optimierungsproblem
KW  - blind source separation
KW  - BSS
KW  - ICA
KW  - independent component analysis
KW  - approximate joint diagonalization
KW  - EEG
KW  - MEG
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5694
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TY  - THES
A1  - Ziegler, Moritz O.
T1  - The 3D in-situ stress field and its changes in geothermal reservoirs
T1  - Das 3D in-situ Spannungsfeld und seine Änderungen in Geothermiereservoiren
N2  - Information on the contemporary in-situ stress state of the earth’s crust is essential for geotechnical applications and physics-based seismic hazard assessment. Yet, stress data records for a data point are incomplete and their availability is usually not dense enough to allow conclusive statements. This demands a thorough examination of the in-situ stress field which is achieved by 3D geomechanicalnumerical models. However, the models spatial resolution is limited and the resulting local stress state is subject to large uncertainties that confine the significance of the findings. In addition, temporal variations of the in-situ stress field are naturally or anthropogenically induced. In my thesis I address these challenges in three manuscripts that investigate (1) the current crustal stress field orientation, (2) the 3D geomechanical-numerical modelling of the in-situ stress state, and (3) the phenomenon of injection induced temporal stress tensor rotations. In the first manuscript I present the first comprehensive stress data compilation of Iceland with 495 data records. Therefore, I analysed image logs from 57 boreholes in Iceland for indicators of the orientation of the maximum horizontal stress component. The study is the first stress survey from different kinds of stress indicators in a geologically very young and tectonically active area of an onshore spreading ridge. It reveals a distinct stress field with a depth independent stress orientation even very close to the spreading centre. In the second manuscript I present a calibrated 3D geomechanical-numerical modelling approach of the in-situ stress state of the Bavarian Molasse Basin that investigates the regional (70x70x10km³) and local (10x10x10km³) stress state. To link these two models I develop a multi-stage modelling approach that provides a reliable and efficient method to derive from the larger scale model initial and boundary conditions for the smaller scale model. Furthermore, I quantify the uncertainties in the models results which are inherent to geomechanical-numerical modelling in general and the multi-stage approach in particular. I show that the significance of the models results is mainly reduced due to the uncertainties in the material properties and the low number of available stress magnitude data records for calibration. In the third manuscript I investigate the phenomenon of injection induced temporal stress tensor rotation and its controlling factors. I conduct a sensitivity study with a 3D generic thermo-hydro-mechanical model. I show that the key control factors for the stress tensor rotation are the permeability as the decisive factor, the injection rate, and the initial differential stress. In particular for enhanced geothermal systems with a low permeability large rotations of the stress tensor are indicated. According to these findings the estimation of the initial differential stress in a reservoir is possible provided the permeability is known and the angle of stress rotation is observed. I propose that the stress tensor rotations can be a key factor in terms of the potential for induced seismicity on pre-existing faults due to the reorientation of the stress field that changes the optimal orientation of faults.
N2  - Kenntnis des derzeitigen in-situ Spannungszustandes der Erdkruste ist essenziell für geotechnische Anwendungen und seismische Gefährdungsabschätzungen, welche auf physikalischen Beobachtungen basieren. Jedoch sind die Spannungsinformationen jedes Datenpunktes unvollständig und die Menge an vorhandenen Datenpunkten ist normalerweise nicht groß genug, um schlüssige Ergebnisse zu erzielen. Daher ist eine eingehende Untersuchung des in-situ Spannungsfeldes, welche durch 3D geomechanisch-numerische Modellierung geleistet wird, erforderlich. Jedoch ist die räumliche Auflösung der Modelle begrenzt und der resultierende Spannungszustand ist großen Unsicherheiten unterworfen, welche die Aussagekraft der Ergebnisse beschränken. Zusätzlich gibt es zeitliche Änderungen des Spannungsfeldes, welche durch natürliche Prozesse bedingt oder menschengemacht sind. In meiner Dissertation behandle ich diese Herausforderungen in drei Manuskripten, welche (1) die Orientierung des derzeitigen Spannungszustandes, (2) die 3D geomechanisch-numerische Modellierung des in-situ Spannungszustandes und (3) das Phänomen injektionsinduzierter zeitlicher Rotationen des Spannungstensors zum Thema haben. In dem ersten Manuskript präsentiere ich die erste umfassende Spannungsdatensammlung von Island mit insgesamt 495 Einträgen. Dafür habe ich Bilddatenlogs aus 57 Bohrlöchern in Island auf Indikatoren der maximalen horizontalen Spannungsorientierung hin untersucht. Diese Studie ist die erste ganzheitliche Spannungsuntersuchung, welche sich auf verschiedene Indikatoren der Spannungsorientierung stützt und in einem geologisch sehr jungen und tektonisch aktiven Gebiet auf einem Mittelozeanischen Rücken an Land liegt. Es zeigt sich, dass selbst sehr nahe an der Plattengrenze eine tiefenunabhängige, eindeutige Spannungsorientierung existiert. In dem zweiten Manuskript präsentiere ich einen kalibrierten 3D geomechanisch-numerischen Modellierungsansatz des in-situ Spannungszustandes des bayrischen Molassebeckens welches den regionalen (70x70x10km³) und den lokalen (10x10x10km³) Spannungszustand untersucht. Um diese zwei Modelle zu verbinden, habe ich ein mehrstufigen Modellansatz entworfen, welcher eine zuverlässige und effiziente Methode darstellt um Randbedingungen und Initialbedingungen für das kleinere Modell aus dem größeren Modell abzuleiten. Des Weiteren quantifiziere ich die Unsicherheiten in den Modellergebnissen, welche im Allgemeinen durch geomechanisch-numerische Modellierung und im Speziellen durch den Mehrstufenansatz entstehen. Ich zeige, dass die Signifikanz der Modellergebnisse hauptsächlich durch die Unsicherheiten in den Materialeigenschaften sowie der geringen Anzahl vorhandener Spannungsmagnitudendaten zur Kalibrierung reduziert wird. In dem dritten Manuskript untersuche ich das Phänomen injektionsinduzierter zeitlicher Rotationen des Spannungstensors und deren kontrollierende Parameter. Ich führe eine Sensitivitätsanalyse mit einem generischen 3D thermo-hydro-mechanischen Modell durch. Darin zeige ich, dass die Schlüsselparameter, welche die Rotationen des Spannungstensors kontrollieren, die Permeabilität des Reservoirgesteins als der entscheidende Faktor, die Injektionsrate und die initiale Differenzspannung sind. Insbesondere für geothermische Systeme nach dem Hot-Dry-Rock-Verfahren mit einer geringen Permeabilität weisen die Ergebnisse auf große Rotationen des Spannungstensors hin. Gemäß diesen Ergebnissen kann die initiale Differenzspannung in einem Reservoir abgeschätzt werden, sollte die Permeabilität bekannt sein und der Winkel der Spannungsrotation beobachtet werden. Ich schlage vor, dass Spannungsrotationen ein Schlüsselfaktor in Bezug auf das Potenzial für induzierte Seismizität sind, welche auf prä-existierenden Störungen entsteht, die durch die Reorientierung des Spannungsfeldes optimal orientiert werden.
KW  - stress
KW  - stress changes
KW  - induced seismicity
KW  - geothermal
KW  - geomechanical modelling
KW  - Spannung
KW  - Spannungsänderungen
KW  - induzierte Seismizität
KW  - Geothermie
KW  - geomechanische Modellierung
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-403838
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TY  - THES
A1  - Zieger, Tobias
T1  - Self-adaptive data quality
BT  - automating duplicate detection
N2  - Carrying out business processes successfully is closely linked to the quality of the data inventory in an organization. Lacks in data quality lead to problems: Incorrect address data prevents (timely) shipments to customers. Erroneous orders lead to returns and thus to unnecessary effort. Wrong pricing forces companies to miss out on revenues or to impair customer satisfaction. If orders or customer records cannot be retrieved, complaint management takes longer. Due to erroneous inventories, too few or too much supplies might be reordered.

A special problem with data quality and the reason for many of the issues mentioned above are duplicates in databases. Duplicates are different representations of same real-world objects in a dataset. However, these representations differ from each other and are for that reason hard to match by a computer. Moreover, the number of required comparisons to find those duplicates grows with the square of the dataset size. To cleanse the data, these duplicates must be detected and removed. Duplicate detection is a very laborious process. To achieve satisfactory results, appropriate software must be created and configured (similarity measures, partitioning keys, thresholds, etc.). Both requires much manual effort and experience.

This thesis addresses automation of parameter selection for duplicate detection and presents several novel approaches that eliminate the need for human experience in parts of the duplicate detection process.

A pre-processing step is introduced that analyzes the datasets in question and classifies their attributes semantically. Not only do these annotations help understanding the respective datasets, but they also facilitate subsequent steps, for example, by selecting appropriate similarity measures or normalizing the data upfront. This approach works without schema information.

Following that, we show a partitioning technique that strongly reduces the number of pair comparisons for the duplicate detection process. The approach automatically finds particularly suitable partitioning keys that simultaneously allow for effective and efficient duplicate retrieval. By means of a user study, we demonstrate that this technique finds partitioning keys that outperform expert suggestions and additionally does not need manual configuration. Furthermore, this approach can be applied independently of the attribute types.

To measure the success of a duplicate detection process and to execute the described partitioning approach, a gold standard is required that provides information about the actual duplicates in a training dataset. This thesis presents a technique that uses existing duplicate detection results and crowdsourcing to create a near gold standard that can be used for the purposes above. Another part of the thesis describes and evaluates strategies how to reduce these crowdsourcing costs and to achieve a consensus with less effort.
N2  - Die erfolgreiche Ausführung von Geschäftsprozessen ist eng an die Datenqualität der Datenbestände in einer Organisation geknüpft. Bestehen Mängel in der Datenqualität, kann es zu Problemen kommen: Unkorrekte Adressdaten verhindern, dass Kunden (rechtzeitig) beliefert werden. Fehlerhafte Bestellungen führen zu Reklamationen und somit zu unnötigem Aufwand. Falsche Preisauszeichnungen zwingen Unternehmen, auf Einnahmen zu verzichten oder gefährden die Kundenzufriedenheit. Können Bestellungen oder Kundendaten nicht gefunden werden, verlängert sich die Abarbeitung von Beschwerden. Durch fehlerhafte Inventarisierung wird zu wenig oder zu viel Nachschub bestellt.

Ein spezielles Datenqualitätsproblem und der Grund für viele der genannten Datenqualitätsprobleme sind Duplikate in Datenbanken. Duplikate sind verschiedene Repräsentationen derselben Realweltobjekte im Datenbestand. Allerdings unterscheiden sich diese Repräsentationen voneinander und sind so für den Computer nur schwer als zusammengehörig zu erkennen. Außerdem wächst die Anzahl der zur Aufdeckung der Duplikate benötigten Vergleiche quadratisch mit der Datensatzgröße. Zum Zwecke der Datenreinigung müssen diese Duplikate erkannt und beseitigt werden. Diese Duplikaterkennung ist ein sehr aufwändiger Prozess. Um gute Ergebnisse zu erzielen, ist die Erstellung von entsprechender Software und das Konfigurieren vieler Parameter (Ähnlichkeitsmaße, Partitionierungsschlüssel, Schwellwerte usw.) nötig. Beides erfordert viel manuellen Aufwand und Erfahrung.

Diese Dissertation befasst sich mit dem Automatisieren der Parameterwahl für die Duplikaterkennung und stellt verschiedene neuartige Verfahren vor, durch die Teile des Duplikaterkennungsprozesses ohne menschliche Erfahrung gestaltet werden können.

Es wird ein Vorverarbeitungsschritt vorgestellt, der die betreffenden Datensätze analysiert und deren Attribute automatisch semantisch klassifiziert. Durch diese Annotationen wird nicht nur das Verständnis des Datensatzes verbessert, sondern es werden darüber hinaus die folgenden Schritte erleichtert, zum Beispiel können so geeignete Ähnlichkeitsmaße ausgewählt oder die Daten normalisiert werden. Dabei kommt der Ansatz ohne Schemainformationen aus.

Anschließend wird ein Partitionierungsverfahren gezeigt, das die Anzahl der für die Duplikaterkennung benötigten Vergleiche stark reduziert. Das Verfahren findet automatisch besonders geeignete Partitionierungsschlüssel, die eine gleichzeitig effektive und effiziente Duplikatsuche ermöglichen. Anhand einer Nutzerstudie wird gezeigt, dass die so gefundenen Partitionierungsschlüssel Expertenvorschlägen überlegen sind und zudem keine menschliche Konfiguration benötigen. Außerdem lässt sich das Verfahren unabhängig von den Attributtypen anwenden.

Zum Messen des Erfolges eines Duplikaterkennungsverfahrens und für das zuvor beschriebene Partitionierungsverfahren ist ein Goldstandard nötig, der Auskunft über die zu findenden Duplikate gibt. Die Dissertation stellt ein Verfahren vor, das anhand mehrerer vorhandener Duplikaterkennungsergebnisse und dem Einsatz von Crowdsourcing einen Nahezu-Goldstandard erzeugt, der für die beschriebenen Zwecke eingesetzt werden kann. Ein weiterer Teil der Arbeit beschreibt und evaluiert Strategien, wie die Kosten dieses Crowdsourcingeinsatzes reduziert werden können und mit geringerem Aufwand ein Konsens erreicht wird.
KW  - data quality
KW  - Datenqualität
KW  - Duplikaterkennung
KW  - duplicate detection
KW  - Machine Learning
KW  - Information Retrieval
KW  - Automatisierung
KW  - automation
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-410573
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TY  - THES
A1  - Ziege, Ricardo
T1  - Growth dynamics and mechanical properties of E. coli biofilms
T1  - Wachstumsdynamik und mechanische Eigenschaften von E. coli Biofilmen
N2  - Biofilms are complex living materials that form as bacteria get embedded in a matrix of self-produced protein and polysaccharide fibres. The formation of a network of extracellular biopolymer fibres contributes to the cohesion of the biofilm by promoting cell-cell attachment and by mediating biofilm-substrate interactions. This sessile mode of bacteria growth has been well studied by microbiologists to prevent the detrimental effects of biofilms in medical and industrial settings. Indeed, biofilms are associated with increased antibiotic resistance in bacterial infections, and they can also cause clogging of pipelines or promote bio-corrosion. However, biofilms also gained interest from biophysics due to their ability to form complex morphological patterns during growth. Recently, the emerging field of engineered living materials investigates biofilm mechanical properties at multiple length scales and leverages the tools of synthetic biology to tune the functions of their constitutive biopolymers.  
This doctoral thesis aims at clarifying how the morphogenesis of Escherichia coli (E. coli) biofilms is influenced by their growth dynamics and mechanical properties. To address this question, I used methods from cell mechanics and materials science. I first studied how biological activity in biofilms gives rise to non-uniform growth patterns. In a second study, I investigated how E. coli biofilm morphogenesis and its mechanical properties adapt to an environmental stimulus, namely the water content of their substrate. Finally, I estimated how the mechanical properties of E. coli biofilms are altered when the bacteria express different extracellular biopolymers.
On nutritive hydrogels, micron-sized E. coli cells can build centimetre-large biofilms. During this process, bacterial proliferation and matrix production introduce mechanical stresses in the biofilm, which release through the formation of macroscopic wrinkles and delaminated buckles. To relate these biological and mechanical phenomena, I used time-lapse fluorescence imaging to track cell and matrix surface densities through the early and late stages of E. coli biofilm growth. Colocalization of high cell and matrix densities at the periphery precede the onset of mechanical instabilities at this annular region. Early growth is detected at this outer annulus, which was analysed by adding fluorescent microspheres to the bacterial inoculum. But only when high rates of matrix production are present in the biofilm centre, does overall biofilm spreading initiate along the solid-air interface. By tracking larger fluorescent particles for a long time, I could distinguish several kinematic stages of E. coli biofilm expansion and observed a transition from non-linear to linear velocity profiles, which precedes the emergence of wrinkles at the biofilm periphery. Decomposing particle velocities to their radial and circumferential components revealed a last kinematic stage, where biofilm movement is mostly directed towards the radial delaminated buckles, which verticalize. The resulting compressive strains computed in these regions were observed to substantially deform the underlying agar substrates. The co-localization of higher cell and matrix densities towards an annular region and the succession of several kinematic stages are thus expected to promote the emergence of mechanical instabilities at the biofilm periphery. These experimental findings are predicted to advance future modelling approaches of biofilm morphogenesis. 
E. coli biofilm morphogenesis is further anticipated to depend on external stimuli from the environment. To clarify how the water could be used to tune biofilm material properties, we quantified E. coli biofilm growth, wrinkling dynamics and rigidity as a function of the water content of the nutritive substrates. Time-lapse microscopy and computational image analysis revealed that substrates with high water content promote biofilm spreading kinetics, while substrates with low water content promote biofilm wrinkling. The wrinkles observed on biofilm cross-sections appeared more bent on substrates with high water content, while they tended to be more vertical on substrates with low water content. Both wet and dry biomass, accumulated over 4 days of culture, were larger in biofilms cultured on substrates with high water content, despite extra porosity within the matrix layer. Finally, the micro-indentation analysis revealed that substrates with low water content supported the formation of stiffer biofilms. This study shows that E. coli biofilms respond to the water content of their substrate, which might be used for tuning their material properties in view of further applications.
Biofilm material properties further depend on the composition and structure of the matrix of extracellular proteins and polysaccharides. In particular, E. coli biofilms were suggested to present tissue-like elasticity due to a dense fibre network consisting of amyloid curli and phosphoethanolamine-modified cellulose. To understand the contribution of these components to the emergent mechanical properties of E. coli biofilms, we performed micro-indentation on biofilms grown from bacteria of several strains. Besides showing higher dry masses, larger spreading diameters and slightly reduced water contents, biofilms expressing both main matrix components also presented high rigidities in the range of several hundred kPa, similar to biofilms containing only curli fibres. In contrast, a lack of amyloid curli fibres provides much higher adhesive energies and more viscoelastic fluid-like material behaviour. Therefore, the combination of amyloid curli and phosphoethanolamine-modified cellulose fibres implies the formation of a composite material whereby the amyloid curli fibres provide rigidity to E. coli biofilms, whereas the phosphoethanolamine-modified cellulose rather acts as a glue. These findings motivate further studies involving purified versions of these protein and polysaccharide components to better understand how their interactions benefit biofilm functions. 
All three studies depict different aspects of biofilm morphogenesis, which are interrelated. The first work reveals the correlation between non-uniform biological activities and the emergence of mechanical instabilities in the biofilm. The second work acknowledges the adaptive nature of E. coli biofilm morphogenesis and its mechanical properties to an environmental stimulus, namely water. Finally, the last study reveals the complementary role of the individual matrix components in the formation of a stable biofilm material, which not only forms complex morphologies but also functions as a protective shield for the bacteria it contains. Our experimental findings on E. coli biofilm morphogenesis and their mechanical properties can have further implications for fundamental and applied biofilm research fields.
N2  - Biofilme sind komplexe lebende Materialien, die sich bilden, wenn Bakterien in eine Matrix aus selbstproduzierten Protein- und Polysaccharidfasern eingebettet werden. Die Bildung eines Netzwerks aus extrazellulären Biopolymerfasern trägt zum Zusammenhalt des Biofilms bei, indem sie die Zell-Zell-Anhaftung fördert und die Wechselwirkungen zwischen Biofilm und Substrat vermittelt. Diese sessile Form des Bakterienwachstums wurde von Mikrobiologen eingehend untersucht, um die schädlichen Auswirkungen von Biofilmen in der Medizin und Industrie zu verhindern. Biofilme werden nämlich mit einer erhöhten Antibiotikaresistenz bei bakteriellen Infektionen in Verbindung gebracht, und sie können auch zur Verstopfung von Rohrleitungen führen oder Biokorrosion fördern. Biofilme sind jedoch auch für die Biophysik von Interesse, da sie während ihres Wachstums komplexe morphologische Muster bilden können. In jüngster Zeit werden auf dem aufstrebenden Gebiet der künstlich hergestellten lebenden Materialien die mechanischen Eigenschaften von Biofilmen auf verschiedenen Längenskalen untersucht und die Werkzeuge der synthetischen Biologie genutzt, um die Funktionen ihrer konstitutiven Biopolymere zu beeinflussen.  
In dieser Doktorarbeit soll geklärt werden, wie die Morphogenese von Escherichia coli (E. coli)-Biofilmen durch deren Wachstumsdynamik und mechanische Eigenschaften beeinflusst wird. Um dieser Frage nachzugehen, habe ich Methoden aus der Zellmechanik und der Materialwissenschaft verwendet. Zunächst habe ich untersucht, wie die biologische Aktivität in Biofilmen zu ungleichmäßigen Wachstumsmustern führt. In einer zweiten Studie untersuchte ich, wie sich die Morphogenese von E. coli-Biofilmen und ihre mechanischen Eigenschaften an einen Umweltstimulus, nämlich den Wassergehalt des Substrats, anpassen. Schließlich habe ich abgeschätzt, wie sich die mechanischen Eigenschaften von E. coli-Biofilmen verändern, wenn die Bakterien verschiedene extrazelluläre Biopolymere exprimieren.
Auf nährstoffhaltigen Hydrogelen können mikrometergroße E. coli-Zellen zentimetergroße Biofilme bilden. Während dieses Prozesses führen die bakterielle Vermehrung und die Matrixproduktion zu mechanischen Spannungen im Biofilm, die sich durch die Bildung von makroskopischen Falten und delaminierten Knicken entladen. Um diese biologischen und mechanischen Phänomene miteinander in Beziehung zu setzen, habe ich mit Hilfe von Zeitraffer-Fluoreszenzaufnahmen die Zell- und Matrixoberflächendichte in den frühen und späten Phasen des E. coli-Biofilmwachstums verfolgt. Die Kolokalisierung hoher Zell- und Matrixdichten an der Peripherie geht dem Auftreten mechanischer Instabilitäten in diesem ringförmigen Bereich voraus. An diesem äußeren Ring wird ein frühes Wachstum festgestellt, das durch Zugabe von fluoreszierenden Mikrokugeln zum bakteriellen Inokulum analysiert wurde. Aber nur wenn im Zentrum des Biofilms hohe Raten der Matrixproduktion vorhanden sind, beginnt die Ausbreitung des gesamten Biofilms entlang der Feststoff-Luft-Grenzfläche. Indem ich größere fluoreszierende Partikel über einen längeren Zeitraum verfolgte, konnte ich mehrere kinematische Stadien der E. coli-Biofilmexpansion unterscheiden und einen Übergang von nichtlinearen zu linearen Geschwindigkeitsprofilen beobachten, der dem Auftreten von Falten an der Biofilmperipherie vorausgeht. Die Zerlegung der Partikelgeschwindigkeiten in ihre radialen und umlaufenden Komponenten ergab ein letztes kinematisches Stadium, in dem die Bewegung des Biofilms hauptsächlich auf die radialen delaminierten Knicke gerichtet ist, die sich vertikalisieren. Die in diesen Regionen berechneten Druckspannungen verformen die darunter liegenden Agarsubstrate erheblich. Die gleichzeitige Ansammlung höherer Zell- und Matrixdichten in einer ringförmigen Region und die Abfolge mehrerer kinematischer Stadien dürften somit das Entstehen mechanischer Instabilitäten an der Biofilm-Peripherie fördern. Diese experimentellen Ergebnisse werden voraussichtlich zukünftige Modellierungsansätze der Biofilmmorphogenese voranbringen. 
Die Morphogenese des E. coli-Biofilms wird voraussichtlich auch von externen Stimuli aus der Umwelt abhängen. Um zu klären, wie das Wasser zur Einstellung der Materialeigenschaften von Biofilmen genutzt werden könnte, haben wir das Wachstum, die Faltenbildung und die Steifigkeit von E. coli-Biofilmen in Abhängigkeit vom Wassergehalt der Nährsubstrate quantifiziert. Zeitraffermikroskopie und computergestützte Bildanalyse zeigten, dass Substrate mit hohem Wassergehalt die Ausbreitungskinetik des Biofilms fördern, während Substrate mit niedrigem Wassergehalt die Faltenbildung des Biofilms begünstigen. Die auf Biofilm-Querschnitten beobachteten Falten erschienen auf Substraten mit hohem Wassergehalt stärker gebogen, während sie auf Substraten mit niedrigem Wassergehalt eher vertikal verliefen. Sowohl die feuchte als auch die trockene Biomasse, die während der 4-tägigen Kultur akkumuliert wurde, war in Biofilmen, die auf Substraten mit hohem Wassergehalt gezüchtet wurden, größer, trotz der zusätzlichen Porosität innerhalb der Matrixschicht. Schließlich ergab die Mikroindentationsanalyse, dass Substrate mit niedrigem Wassergehalt die Bildung von steiferen Biofilmen begünstigten. Diese Studie zeigt, dass E. coli-Biofilme auf den Wassergehalt ihres Substrats reagieren, was für die Abstimmung ihrer Materialeigenschaften im Hinblick auf weitere Anwendungen genutzt werden könnte.
Die Materialeigenschaften von Biofilmen hängen außerdem von der Zusammensetzung und Struktur der Matrix aus extrazellulären Proteinen und Polysacchariden ab. Insbesondere wurde vermutet, dass E. coli-Biofilme aufgrund eines dichten Fasernetzwerks aus Amyloid-Curli und Phosphoethanolamin-modifizierter Cellulose eine gewebeähnliche Elastizität aufweisen. Um den Beitrag dieser Komponenten zu den entstehenden mechanischen Eigenschaften von E. coli-Biofilmen zu verstehen, führten wir an Biofilmen, die aus Bakterien verschiedener Stämme gewachsen waren, Mikroeindrücke durch. Biofilme, die beide Hauptmatrixkomponenten enthalten, wiesen nicht nur eine höhere Trockenmasse, einen größeren Ausbreitungsdurchmesser und einen leicht verringerten Wassergehalt auf, sondern auch eine hohe Steifigkeit im Bereich von mehreren hundert kPa, ähnlich wie Biofilme, die nur Curli-Fasern enthalten. Das Fehlen von Amyloid-Curli-Fasern führt dagegen zu deutlich höheren Adhäsionsenergien und einem viskoelastischeren, flüssigkeitsähnlichen Materialverhalten. Die Kombination von Amyloid-Curli-Fasern und Phosphoethanolamin-modifizierten Cellulosefasern impliziert daher die Bildung eines Verbundmaterials, bei dem die Amyloid-Curli-Fasern den E. coli-Biofilmen Steifigkeit verleihen, während die Phosphoethanolamin-modifizierte Cellulose eher als Klebstoff wirkt. Diese Ergebnisse motivieren zu weiteren Studien mit gereinigten Versionen dieser Protein- und Polysaccharidkomponenten, um besser zu verstehen, wie ihre Interaktionen die Funktionen des Biofilms unterstützen. 
Alle drei Studien zeigen verschiedene Aspekte der Biofilm-Morphogenese, die miteinander verbunden sind. Die erste Arbeit zeigt den Zusammenhang zwischen ungleichmäßigen biologischen Aktivitäten und dem Auftreten mechanischer Instabilitäten im Biofilm auf. Die zweite Arbeit bestätigt die Anpassungsfähigkeit der Morphogenese des E. coli-Biofilms und seiner mechanischen Eigenschaften an einen Umweltreiz, nämlich Wasser. Die letzte Studie schließlich zeigt die komplementäre Rolle der einzelnen Matrixkomponenten bei der Bildung eines stabilen Biofilmmaterials, das nicht nur komplexe Morphologien bildet, sondern auch als Schutzschild für die darin enthaltenen Bakterien fungiert. Unsere experimentellen Erkenntnisse über die Morphogenese von E. coli-Biofilmen und ihre mechanischen Eigenschaften können weitere Auswirkungen auf grundlegende und angewandte Biofilm-Forschungsbereiche haben.
KW  - biofilm
KW  - E. coli
KW  - living materials
KW  - mechanobiology
KW  - E. coli
KW  - Biofilm
KW  - lebende Materialien
KW  - Mechanobiologie
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-559869
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zickfeld, Kirsten
T1  - Modeling large-scale singular climate events for integrated assessment
N2  - Erkenntnisse aus paläoklimatologischen Studien, theoretischen Betrachtungen und Modellsimulationen deuten darauf hin, dass anthropogene Emissionen von Treibhausgasen und Aerosolen zu großskaligen, singulären Klimaereignissen führen könnten. Diese bezeichnen stark nichtlineare, abrupte Klimaänderungen, mit regionalen bis hin zu globalen Auswirkungen. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von Modellen zweier maßgeblicher Komponenten des Klimasystems, die singuläres Verhalten aufweisen könnten: die atlantische thermohaline Zirkulation (THC) und der indische Monsun. Diese Modelle sind so konzipiert, dass sie den Anforderungen der "Integrated Assessment"-Modellierung genügen, d.h., sie sind realistisch, recheneffizient, transparent und flexibel.   Das THC-Modell ist ein einfaches, interhemisphärisches Boxmodell, das anhand von Daten kalibriert wird, die mit einem gekoppelten Klimamodell mittlerer Komplexität erzeugt wurden. Das Modell wird durch die globale Mitteltemperatur angetrieben, die mit Hilfe eines linearen Downscaling-Verfahrens in regionale Wärme- und Süßwasserflüsse übersetzt wird. Die Ergebnisse einer Vielzahl von zeitabhängigen Simulationen zeigen, dass das Modell in der Lage ist, maßgebliche Eigenschaften des Verhaltens komplexer Klimamodelle wiederzugeben, wie die Sensitivität bezüglich des Ausmaßes, der regionalen Verteilung und der Rate der Klimaänderung.   Der indische Monsun wird anhand eines neuartigen eindimensionalen Boxmodells der tropischen Atmosphäre beschrieben. Dieses enthält Parmetrisierungen der Oberflächen- und Strahlungsflüsse, des hydrologischen Kreislaufs und derHydrologie der Landoberfläche. Trotz des hohen Idealisierungsgrades ist das Modell in der Lage, relevante Aspekte der beobachteten Monsundynamik, wie z.B. den Jahresgang des Niederschlags und das Eintritts- sowie Rückzugsdatum des Sommermonsuns, zufrieden stellend zu simulieren. Außerdem erfasst das Modell die Sensitivitätdes Monsuns bezüglich Änderungen der Treibhausgas- und Aerosolkonzentrationen, die aus komplexeren Modellen bekannt sind.   Eine vereinfachte Version des Monsunmodells wird für die Untersuchung des qualitativen Systemverhaltens in Abhängigkeit von Änderungen der Randbedingungen eingesetzt. Das bemerkenswerteste Ergebnis ist das Auftreten einer Sattelknotenbifurkation des Sommermonsuns für kritische Werte der Albedo oder der Sonneneinstrahlung. Darüber hinaus weist das Modell zwei stabile Zustände auf: neben dem niederschlagsreichen Sommermonsun besteht ein Zustand, der sich durch einen schwachen hydrologischen Kreislauf auszeichnet. Das Beachtliche an diesen Ergebnissen ist, dass anthropogene Störungen der plantetaren Albedo, wie Schwefelemissionen und/oder Landnutzungsänderungen, zu einer Destabilisierung des indischen Monsuns führen könnten.   Das THC-Boxmodell findet exemplarische Anwendung in einem "Integrated Assessment" von Klimaschutzstrategien. Basierend auf dem konzeptionellen und methodischen Gerüst des Leitplankenansatzes werden Emissionskorridore (d.h. zulässige Spannen an CO2-Emissionen) berechnet, die das Risiko eines THC-Zusammenbruchs begrenzen sowie sozioökonomische Randbedingungen berücksichtigen. Die Ergebnisse zeigen u.a. eine starke Abhängigkeit der Breite der Emissionskorridore von der Klima- und hydrologischen Sensitivität. Für kleine Werte einer oder beider Sensitivitäten liegt der obere Korridorrand bei weit höheren Emissionswerten als jene, die von plausiblen Emissionsszenarien für das 21. Jahrhundert erreicht werden. Für große Werte der Sensitivitäten hingegen, verlassen schon niedrige Emissionsszenarien den Korridor in den frühen Jahrzehnten des 21. Jahrhunderts. Dies impliziert eine Abkehr von den gegenwärtigen Emissionstrends innherhalb der kommenden Jahrzehnte, wenn das Risko eines THC Zusammenbruchs gering gehalten werden soll.   Anhand einer Vielzahl von Anwendungen - von Sensitivitäts- über Bifurkationsanalysen hin zu integrierter Modellierung - zeigt diese Arbeit den Wert reduzierter Modelle auf. Die Ergebnisse und die daraus zu ziehenden Schlussfolgerungen liefern einen wertvollen Beitrag zu der wissenschaftlichen und politischen Diskussion bezüglich der Folgen des anthropogenen Klimawandels und der langfristigen Klimaschutzziele.
N2  - Concerns have been raised that anthropogenic climate change could lead to large-scale singular climate events, i.e., abrupt nonlinear climate changes with repercussions on regional to global scales. One central goal of this thesis is the development of models of two representative components of the climate system that could exhibit singular behavior: the Atlantic thermohaline circulation (THC) and the Indian monsoon. These models are conceived so as to fulfill the main requirements of integrated assessment modeling, i.e., reliability, computational efficiency, transparency and flexibility.   The model of the THC is an interhemispheric four-box model calibrated against data generated with a coupled climate model of intermediate complexity. It is designed to be driven by global mean temperature change which is translated into regional fluxes of heat and freshwater through a linear down-scaling procedure. Results of a large number of transient climate change simulations indicate that the reduced-form THC model is able to emulate key features of the behavior of comprehensive climate models such as the sensitivity of the THC to the amount, regional distribution and rate of change in the heat and freshwater fluxes.   The Indian monsoon is described by a novel one-dimensional box model of the tropical atmosphere. It includes representations of the radiative and surface fluxes, the hydrological cycle and surface hydrology. Despite its high degree of idealization, the model satisfactorily captures relevant aspects of the observed monsoon dynamics, such as the annual course of precipitation and the onset and withdrawal of the summer monsoon. Also, the model exhibits the sensitivity to changes in greenhouse gas and sulfate aerosol concentrations that are known from comprehensive models.   A simplified version of the monsoon model is employed for the identification of changes in the qualitative system behavior against changes in boundary conditions. The most notable result is that under summer conditions a saddle-node bifurcation occurs at critical values of the planetary albedo or insolation. Furthermore, the system exhibits two stable equilibria: besides the wet summer monsoon, a stable state exists which is characterized by a weak hydrological cycle. These results are remarkable insofar, as they indicate that anthropogenic perturbations of the planetary albedo such as sulfur emissions and/or land-use changes could destabilize the Indian summer monsoon.   The reduced-form THC model is employed in an exemplary integrated assessment application. Drawing on the conceptual and methodological framework of the tolerable windows approach, emissions corridors (i.e., admissible ranges of CO2- emissions) are derived that limit the risk of a THC collapse while considering expectations about the socio-economically acceptable pace of emissions reductions. Results indicate, for example, a large dependency of the width of the emissions corridor on climate and hydrological sensitivity: for low values of climate and/or hydrological sensitivity, the corridor boundaries are far from being transgressed by any plausible emissions scenario for the 21st century. In contrast, for high values of both quantities low non-intervention scenarios leave the corridor already in the early decades of the 21st century. This implies that if the risk of a THC collapse is to be kept low, business-as-usual paths would need to be abandoned within the next two decades.   All in all, this thesis highlights the value of reduced-form modeling by presenting a number of applications of this class of models, ranging from sensitivity and bifurcation analysis to integrated assessment. The results achieved and conclusions drawn provide a useful contribution to the scientific and policy debate about the consequences of anthropogenic climate change and the long-term goals of climate protection. ---  Anmerkung: Die Autorin ist Trägerin des von der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Potsdam vergebenen Michelson-Preises für die beste Promotion des Jahres 2003/2004.
KW  - Nichtlineare Dynamik
KW  - 'Reduced-Form' Modellierung
KW  - Thermohaline Atlantikzirkulation
KW  - Indischer Monsun
KW  - Integrated Assessment
KW  - Nonlinear Dynamics
KW  - Reduced-Form Modeling
KW  - Atlantic Thermohaline Circulation
KW  - Indian Monsoon
KW  - Integrated Assessment
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001176
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zibulski, Romy
T1  - Taxonomic composition and biochemical and isotopic characteristics of  North-Siberian mosses and their application to the palaeoecological  reconstruction of tundra polygon development
Y1  - 2014
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhu, Fangjun
T1  - Gene evolution and expression patterns in the all-female fish Amazon molly: Poecilia formosa
Y1  - 2016
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhou, Xu
T1  - Atmospheric interactions with land surface in the arctic based on regional climate model solutions
Y1  - 2014
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhou, Xiangqian
T1  - Modeling of spatially distributed nitrate transport to investigate the effects of drought and river restoration in the Bode catchment, Central Germany
N2  - The European Water Framework Directive (WFD) has identified river morphological alteration and diffuse pollution as the two main pressures affecting water bodies in Europe at the catchment scale. Consequently, river restoration has become a priority to achieve the WFD's objective of good ecological status. However, little is known about the effects of stream morphological changes, such as re-meandering, on in-stream nitrate retention at the river network scale. Therefore, catchment nitrate modeling is necessary to guide the implementation of spatially targeted and cost-effective mitigation measures. Meanwhile, Germany, like many other regions in central Europe, has experienced consecutive summer droughts from 2015-2018, resulting in significant changes in river nitrate concentrations in various catchments. However, the mechanistic exploration of catchment nitrate responses to changing weather conditions is still lacking. 
Firstly, a fully distributed, process-based catchment Nitrate model (mHM-Nitrate) was used, which was properly calibrated and comprehensively evaluated at numerous spatially distributed nitrate sampling locations. Three calibration schemes were designed, taking into account land use, stream order, and mean nitrate concentrations, and they varied in spatial coverage but used data from the same period (2011–2019). The model performance for discharge was similar among the three schemes, with Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) scores ranging from 0.88 to 0.92. However, for nitrate concentrations, scheme 2 outperformed schemes 1 and 3 when compared to observed data from eight gauging stations. This was likely because scheme 2 incorporated a diverse range of data, including low discharge values and nitrate concentrations, and thus provided a better representation of within-catchment heterogenous. Therefore, the study suggests that strategically selecting gauging stations that reflect the full range of within-catchment heterogeneity is more important for calibration than simply increasing the number of stations.
Secondly, the mHM-Nitrate model was used to reveal the causal relations between sequential droughts and nitrate concentration in the Bode catchment (3200 km2) in central Germany, where stream nitrate concentrations exhibited contrasting trends from upstream to downstream reaches. The model was evaluated using data from six gauging stations, reflecting different levels of runoff components and their associated nitrate-mixing from upstream to downstream. Results indicated that the mHM-Nitrate model reproduced dynamics of daily discharge and nitrate concentration well, with Nash-Sutcliffe Efficiency ≥ 0.73 for discharge and Kling-Gupta Efficiency ≥ 0.50 for nitrate concentration at most stations. Particularly, the spatially contrasting trends of nitrate concentration were successfully captured by the model. The decrease of nitrate concentration in the lowland area in drought years (2015-2018) was presumably due to (1) limited terrestrial export loading (ca. 40% lower than that of normal years 2004-2014), and (2) increased in-stream retention efficiency (20% higher in summer within the whole river network). From a mechanistic modelling perspective, this study provided insights into spatially heterogeneous flow and nitrate dynamics and effects of sequential droughts, which shed light on water-quality responses to future climate change, as droughts are projected to be more frequent.
Thirdly, this study investigated the effects of stream restoration via re-meandering on in-stream nitrate retention at network-scale in the well-monitored Bode catchment. The mHM-Nitrate model showed good performance in reproducing daily discharge and nitrate concentrations, with median Kling-Gupta values of 0.78 and 0.74, respectively. The mean and standard deviation of gross nitrate retention efficiency, which accounted for both denitrification and assimilatory uptake, were 5.1 ± 0.61% and 74.7 ± 23.2% in winter and summer, respectively, within the stream network. The study found that in the summer, denitrification rates were about two times higher in lowland sub-catchments dominated by agricultural lands than in mountainous sub-catchments dominated by forested areas, with median ± SD of 204 ± 22.6 and 102 ± 22.1 mg N m-2 d-1, respectively. Similarly, assimilatory uptake rates were approximately five times higher in streams surrounded by lowland agricultural areas than in those in higher-elevation, forested areas, with median ± SD of 200 ± 27.1 and 39.1 ± 8.7 mg N m-2 d-1, respectively. Therefore, restoration strategies targeting lowland agricultural areas may have greater potential for increasing nitrate retention. The study also found that restoring stream sinuosity could increase net nitrate retention efficiency by up to 25.4 ± 5.3%, with greater effects seen in small streams. These results suggest that restoration efforts should consider augmenting stream sinuosity to increase nitrate retention and decrease nitrate concentrations at the catchment scale.
N2  - Die Europäische Wasserrahmenrichtlinie hat die morphologischen Veränderungen der Flüsse und die diffuse Verschmutzung als die Hauptprobleme der Gewässer in Europa identifiziert. Um diese Probleme anzugehen, hat die Renaturierung von Fließgewässern  hohe Priorität. Es ist jedoch nur wenig darüber bekannt, wie sich Veränderungen der Flussform, wie z. B. die Re-Mäanderung, auf die Nitratrückhaltung im Fließgewässer auswirken. Deutschland hat in den letzten Jahren Dürreperioden erlebt, die zu Veränderungen der Nitratkonzentration in den Fließgewässern geführt haben. Es gibt jedoch nur wenig Erkenntnisse darüber, wie sich diese Dürreperioden auf die Nitratkonzentration auswirken. Zur Untersuchung dieser Einflüsse kann eine Modellierung des Nitrat-Transports und -Rückhalts in Einzugsgebieten wichtige Hinweise zu wirksamen Reduzierungsmaßnahmen liefern.
In dieser Studie wurde ein prozessbasiertes hydrologisches Wasserqualitätsmodell (mHM-Nitrate) verwendet, um die Nitratdynamik im Einzugsgebiet der Bode (3200 km2) zu simulieren. Das Modell wurde anhand von Daten aus verschiedenen Teileinzugsgebieten kalibriert und bewertet. Es wurden drei Kalibrierungsvarianten entwickelt, die die Flächennutzung, die Ordnung der Fließgewässer und die mittleren Nitratkonzentrationen mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad berücksichtigten. Die Modellierungsgüte für den Abfluss war bei allen drei Kalibrierungsvarianten ähnlich, während sich bei den Nitratkonzentrationen deutliche Unterschiede ergaben. Die Studie zeigte, dass die Auswahl von Messstationen, die die charakteristischen Gebietseigenschaften widerspiegeln, für die Nitrat-Kalibrierung wichtiger ist als die reine Anzahl der Messstationen.
Das Modell wurde auch verwendet, um die Beziehung zwischen Dürreperioden und der Nitratdynamik im Bodegebiet zu untersuchen. Das Modell gab die Dynamik von Abfluss und Nitrat sehr gut wider und erfasste hierbei auch die räumlichen Unterschiede in den Nitratkonzentrationen sehr gut. Die Studie ergab, dass Dürreperioden zu niedrigeren Nitratkonzentrationen in den landwirtschaftlich genutzten Gebieten im Tiefland führten, was auf einen geringeren terrestrischen Export und einen erhöhten Rückhalt in den Fließgewässern zurückzuführen war. Die Untersuchung liefert Erkenntnisse über die Auswirkungen von Dürren auf den Nitrataustrag, was für das Verständnis der Auswirkungen des künftigen Klimawandels wichtig ist.
Darüber hinaus untersuchte die Studie die Auswirkungen der Renaturierung von Fließgewässern, insbesondere der Re-Mäanderung, auf die Nitratrückhaltung im Fließgewässernetz. Die Untersuchung zeigte, dass der gewässerinterne Nitratrückhalt in landwirtschaftlichen Tieflandgebieten höher war als in bewaldeten Gebieten. Die Wiederherstellung natürlich meandrierender  Fließgewässer erhöhte die Nitratretention und verringerte die Nitratkonzentration im Fließgewässer, insbesondere in kleinen Bächen in landwirtschaftlichen Gebieten. Dies deutet darauf hin, dass bei Sanierungsmaßnahmen die Erhöhung der Gewässersinuosität berücksichtigt werden sollte, um den Nitratrückhalt und die Wasserqualität insbesondere in den Teiflandgebieten zu erhöhen.
KW  - multi-site calibration
KW  - spatiotemporal validation
KW  - uncertainty
KW  - parameter transferability
KW  - drought
KW  - catchment hydrology Water quality model
KW  - river restoration
KW  - stream sinuosity
KW  - mHM-Nitrate model
KW  - stream denitrification
KW  - assimilatory uptake
KW  - Kalibrierung an mehreren Standorten
KW  - räumlich-zeitliche Validierung
KW  - Ungewissheit
KW  - Übertragbarkeit der Parameter
KW  - Dürre
KW  - Einzugsgebietshydrologie Wasserqualitätsmodell
KW  - Restaurierung von Flüssen
KW  - Strömungsneigung
KW  - mHM-Nitrat-Modell
KW  - Bachdenitrifikation
KW  - assimilatorische Aufnahme
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-621059
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhou, Wei
T1  - Access control model and policies for collaborative environments
Y1  - 2008
CY  - Potsdam
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhou, Shuo
T1  - Biological evaluation and sulfation of polymer networks from glycerol glycidyl ether
N2  - Cardiovascular diseases are the main cause of death worldwide, and their prevalence is expected to rise in the coming years. Polymer-based artificial replacements have been widely used for the treatment of cardiovascular diseases. Coagulation and thrombus formation on the interfaces between the materials and the human physiological environment are key issues leading to the failure of the medical device in clinical implantation. The surface properties of the materials have a strong influence on the protein adsorption and can direct the blood cell adhesion behavior on the interfaces. Furthermore, implant-associated infections will be induced by bacterial adhesion and subsequent biofilm formation at the implantation site. Thus, it is important to improve the hemocompatibility of an implant by altering the surface properties. One of the effective strategies is surface passivation to achieve protein/cell repelling ability to reduce the risk of thrombosis. 
This thesis consists of synthesis, functionalization, sterilization, and biological evaluation of bulk poly(glycerol glycidyl ether) (polyGGE), which is a highly crosslinked polyether-based polymer synthesized by cationic ring-opening polymerization. PolyGGE is hypothesized to be able to resist plasma protein adsorption and bacterial adhesion due to analogous chemical structure as polyethylene glycol and hyperbranched polyglycerol. Hydroxyl end groups of polyGGE provide possibilities to be functionalized with sulfates to mimic the anti-thrombogenic function of the endothelial glycocalyx. 
PolyGGE was synthesized by polymerization of the commercially available monomer glycerol glycidyl ether, which was characterized as a mixture of mono-, di- and tri-glycidyl ether. Cationic ring opening-polymerization of this monomer was carried out by ultraviolet (UV) initiation of the photo-initiator diphenyliodonium hexafluorophosphate. With the increased UV curing time, more epoxides in the side chains of the monomers participated in chemical crosslinking, resulting in an increase of Young’s modulus, while the value of elongation at break of polyGGE first increased due to the propagation of the polymer chains then decreased with the increase of crosslinking density. Eventually, the chain propagation can be effectively terminated by potassium hydroxide aqueous solution. PolyGGE exhibited different tensile properties in hydrated conditions at body temperature compared to the values in the dry state at room temperature. Both Young’s modulus and values of elongation at break were remarkably reduced when tested in water at 37 °C, which was above the glass transition temperature of polyGGE. At physiological conditions, entanglements of the ployGGE networks unfolded and the free volume of networks were replaced by water molecules as softener, which increased the mobility of the polymer chains, resulting in a lower Young’s modulus. 
Protein adsorption analysis was performed on polyGGE films with 30 min UV curing using an enzyme-linked immunosorbent assay. PolyGGE could effectively prevent the adsorption of human plasma fibrinogen, albumin, and fibronectin at the interface of human plasma and polyGGE films. The protein resistance of polyGGE was comparable to the negative controls: the hemocompatible polydimethylsiloxane (PDMS), showing its potential as a coating material for cardiovascular implants. Moreover, antimicrobial tests of bacterial activity using isothermal microcalorimetry and the microscopic image of direct bacteria culturing demonstrated that polyGGE could directly interfere biofilm formation and growth of both Gram-negative and antibiotic-resistant Gram-positive bacteria, indicating the potential application of polyGGE for combating the risk of hospital-acquired infections and preventing drug-resistant superbug spreading.
To investigate its cell compatibility, polyGGE films were extracted by different solvents (ethanol, chloroform, acetone) and cell culture medium. Indirect cytotoxicity tests showed extracted polyGGE films still had toxic effects on L929 fibroblast cells. High-performance liquid chromatography/electrospray ionization mass spectrometry revealed the occurrence of organochlorine-containing compounds released during the polymer-cell culture medium interaction. A constant level of those organochlorine-containing compounds was confirmed from GGE monomer by a specific peak of C-Cl stretching in infrared spectra of GGE. This is assumed to be the main reason causing the increased cell membrane permeability and decreased metabolic activity, leading to cell death. Attempts as changing solvents were made to remove toxic substances, however, the release of these small molecules seems to be sluggish. The densely crosslinked polyGGE networks can possibly contribute to the trapping of organochlorine-containing compounds. These results provide valuable information for exploring the potentially toxic substances, leaching from polyGGE networks, and propose a feasible strategy for minimizing the cytotoxicity via reducing their crosslinking density.

Sulfamic acid/ N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) were selected as the reagents for the sulfation of polyGGE surfaces. Fourier transform attenuated total reflection infrared spectroscopy (ATR-FT-IR) was used to monitor the functionalization kinetics and the results confirmed the successful sulfate grafting on the surface of polyGGE with the covalent bond -C-O-S-. X-ray photoelectron spectroscopy was used to determine the element composition on the surface and the cross-section of the functionalized polyGGE and sulfation within 15 min guarantees the sulfation only takes place on the surface while not occurring in the bulk of the polymer. The concentration of grafted sulfates increased with the increasing reaction time. The hydrophilicity of the surface of polyGGE was highly increased due to the increase of negatively charged end groups. Three sterilization techniques including autoclaving, gamma irradiation, and ethylene oxide (EtO) sterilization were used for polyGGE sulfates. Results from ATR-FT-IR and Toluidine Blue O quantitative assay demonstrated the total loss of the sulfates after autoclave sterilization, which was also confirmed by the increased water contact angle. Little influence on the concentration of sulfates was found for gamma-irradiated and autoclaving sterilized polyGGE sulfates. To investigate the thermal influence on polyGGE sulfates, one strategy was to use poly(hydroxyethyl acrylate) sulfates (PHEAS) for modeling. The thermogravimetric analysis profile of PHEAS demonstrated that sulfates are not thermally stable independent of the substrate materials and decomposition of sulfates occurs at around 100 °C. Although gamma irradiation also showed little negative effect on the sulfate content, the color change in the polyGGE sulfates indicates chemical or physical change might occur in the polymer. EtO sterilization was validated as the most suitable sterilization technique to maintain the chemical structure of polyGGE sulfates.
In conclusion, the conducted work proved that bulk polyGGE can be used as an antifouling coating material and shows its antimicrobial potential. Sulfates functionalization can be effectively realized using sulfamic acid/NMP. EtO sterilization is the most suitable sterilization technique for grafted sulfates. Besides, this thesis also offers a good strategy for the analysis of toxic leachable substances using suitable physicochemical characterization techniques. Future work will focus on minimizing/eliminating the release of toxic substances via reducing the crosslinking density. Another interesting aspect is to study whether grafted sulfates can meet the need for anti-thrombogenicity.
N2  - Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind weltweit die Haupttodesursache, und es wird erwartet, dass ihre Prävalenz in den kommenden Jahren zunehmen wird. Künstlicher Ersatz auf Polymerbasis wird in großem Umfang für die Behandlung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen eingesetzt. Gerinnung und Thrombenbildung an den Grenzflächen zwischen den Materialien und der menschlichen physiologischen Umgebung sind ein Hauptproblem, das zum Versagen des Medizinprodukts bei der klinischen Implantation führt. Die Oberflächeneigenschaften der Materialien haben einen starken Einfluss auf die Proteinadsorption und können das Adhäsionsverhalten von Blutzellen an den Grenzflächen steuern. Darüber hinaus werden Implantat-assoziierte Infektionen durch bakterielle Adhäsion und anschließende Biofilmbildung an der Implantationsstelle ausgelöst. Daher ist es wichtig, die Hämokompatibilität eines Implantats durch Veränderung der Oberflächeneigenschaften zu verbessern. Eine der wirksamen Strategien ist die Oberflächenpassivierung, um die Fähigkeit zur Protein-/Zellabweisung zu erreichen und so das Thromboserisiko zu verringern. 
Diese Arbeit befasst sich mit der Synthese, Funktionalisierung, Sterilisation und biologischen Bewertung von Poly(glycerin glycidyl ether) (polyGGE), einem stark vernetzten Polymer auf Polyetherbasis, das durch kationische Ringöffnungspolymerisation hergestellt wird. Es wird angenommen, dass PolyGGE aufgrund seiner ähnlichen chemischen Struktur wie Polyethylenglykol und hyperverzweigtes Polyglycerin der Adsorption von Plasmaproteinen und der Anhaftung von Bakterien widerstehen kann. Die Hydroxyl-Endgruppen von PolyGGE können mit Sulfaten funktionalisiert werden, um die antithrombogene Funktion der endothelialen Glykokalyx zu imitieren. 
PolyGGE wurde durch Polymerisation des kommerziell erhältlichen Monomers Glycerin Glycidyl ether synthetisiert, das als Mischung aus Mono-, Di- und Triglycidylether charakterisiert wurde. Die kationische Ringöffnungspolymerisation dieses Monomers wurde mit Hilfe des Photoinitiators Diphenyliodoniumhexafluorophosphat durch Ultraviolett (UV) ausgelöst. Mit zunehmender UV-Härtungszeit nahmen mehr Epoxide in den Seitenketten der Monomere an der chemischen Vernetzung teil, was zu einem Anstieg des Elastizitätsmoduls führte, während der Wert der Bruchdehnung von polyGGE zunächst aufgrund der Ausbreitung der Polymerketten anstieg und dann mit zunehmender Vernetzungsdichte abnahm. Schließlich kann die Kettenausbreitung durch wässrige Kaliumhydroxidlösung wirksam gestoppt werden. PolyGGE wies im hydratisierten Zustand bei Körpertemperatur andere Zugeigenschaften auf als im trockenen Zustand bei Raumtemperatur. Sowohl der Elastizitätsmodul als auch die Werte der Bruchdehnung waren deutlich reduziert, wenn sie in Wasser bei 37 °C getestet wurden, was oberhalb der Glasübergangstemperatur von PolyGGE lag. Unter physiologischen Bedingungen entfalteten sich die Verflechtungen der PolyGGE-Netzwerke und das freie Volumen der Netzwerke wurde durch Wassermoleküle als Weichmacher ersetzt, was die Mobilität der Polymerketten erhöhte und zu einem niedrigeren Elastizitätsmodul führte. 
Die Proteinadsorptionsanalyse wurde an PolyGGE-Filmen mit 30-minütiger UV-Härtung unter Verwendung eines Enzymimmunoassays durchgeführt. PolyGGE konnte die Adsorption von Fibrinogen, Albumin und Fibronektin aus menschlichem Plasma an der Grenzfläche zwischen menschlichem Plasma und PolyGGE-Filmen wirksam verhindern. Die Proteinresistenz von PolyGGE war vergleichbar mit den Negativkontrollen: dem hämokompatiblen Polydimethylsiloxan, was sein Potenzial als Beschichtungsmaterial für kardiovaskuläre Implantate zeigt. Darüber hinaus zeigten antimikrobielle Tests der bakteriellen Aktivität mittels isothermischer Mikrokalorimetrie und das mikroskopische Bild der direkten Bakterienkultur, dass PolyGGE die Biofilmbildung und das Wachstum sowohl von gramnegativen als auch von antibiotikaresistenten grampositiven Bakterien direkt stören kann, was auf die potenzielle Anwendung von PolyGGE zur Bekämpfung des Risikos von Krankenhausinfektionen und zur Verhinderung der Ausbreitung arzneimittelresistenter Superbugs hinweist.
Um die Zellkompatibilität zu untersuchen, wurden polyGGE-Folien mit verschiedenen Lösungsmitteln (Ethanol, Chloroform, Aceton) und Zellkulturmedium extrahiert. Indirekte Zytotoxizitätstests zeigten, dass die extrahierten polyGGE-Filme immer noch eine toxische Wirkung auf L929-Fibroblastenzellen hatten. Die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie/Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometrie zeigte das Auftreten von chlororganischen Derivaten, die während der Interaktion zwischen Polymer und Zellkulturmedium freigesetzt wurden. Ein konstantes Niveau dieser chlororganischen Derivate wurde vom GGE-Monomer durch einen spezifischen C-Cl-Streckungspeak im Infrarotspektrum von GGE bestätigt. Es wird angenommen, dass dies der Hauptgrund für die erhöhte Permeabilität der Zellmembran und die verringerte Stoffwechselaktivität ist, was zum Zelltod führt. Es wurden Versuche unternommen, die Lösungsmittel zu wechseln, um die toxischen Substanzen zu entfernen, aber die Freisetzung dieser kleinen Moleküle scheint nur langsam zu erfolgen. Die dicht vernetzten polyGGE-Netzwerke können möglicherweise zum Einschluss chloridhaltiger Verbindungen beitragen. Diese Ergebnisse liefern wertvolle Informationen für die Erforschung potenzieller toxischer Substanzen, die aus PolyGGE-Netzwerken ausgewaschen werden, und schlagen eine praktikable Strategie zur Minimierung der Zytotoxizität durch Verringerung der Vernetzungsdichte vor.
Als Reagenzien für die Sulfatierung von PolyGGE-Oberflächen wurden Sulfaminsäure und N-Methyl-2-Pyrrolidon (NMP) gewählt. Die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie mit abgeschwächter Totalreflexion (ATR-FT-IR) wurde zur Überwachung der Funktionalisierungskinetik eingesetzt, und die Ergebnisse bestätigten die erfolgreiche Sulfatpfropfung auf der Oberfläche von PolyGGE mit der kovalenten Bindung -C-O-S-. Mit Hilfe der Röntgen-Photoelektronenspektroskopie wurde die Elementzusammensetzung auf der Oberfläche und der Querschnitt des funktionalisierten PolyGGE bestimmt, und die Sulfatierung innerhalb von 15 Minuten garantiert, dass die Sulfatierung nur auf der Oberfläche stattfindet, während sie in der Masse des Polymers nicht vorkommt. Die Konzentration der gepfropften Sulfate nahm mit zunehmender Reaktionszeit zu. Die Hydrophilie der Oberfläche von polyGGE wurde durch die Zunahme negativ geladener Endgruppen stark erhöht. Für die PolyGGE-Sulfate wurden drei Sterilisationstechniken verwendet: Autoklavieren, Gammastrahlenbestrahlung und Ethylenoxid (EtO)-Sterilisation. Die Ergebnisse der quantitativen ATR-FT-IR und Toluidinblau O-Untersuchung zeigten den vollständigen Verlust der Sulfate nach der Sterilisation im Autoklaven, was auch durch den erhöhten Wasserkontaktwinkel bestätigt wurde. Bei den mit Gammastrahlen und im Autoklaven sterilisierten PolyGGE-Sulfaten wurde nur ein geringer Einfluss auf die Sulfatkonzentration festgestellt. Um den thermischen Einfluss auf PolyGGE-Sulfate zu untersuchen, bestand eine Strategie darin, ein Poly(hydroxyethylacrylat)-Sulfat (PHEAS) für die Modellierung zu verwenden. Das Profil der thermogravimetrischen Analyse von PHEAS zeigte, dass Sulfate unabhängig von den Substratmaterialien thermisch nicht stabil sind und die Zersetzung der Sulfate bei etwa 100 °C stattfindet. Obwohl die Gammasterilisation ebenfalls kaum negative Auswirkungen auf den Sulfatgehalt hat, deutet die Farbveränderung der PolyGGE-Sulfate darauf hin, dass chemische oder physikalische Veränderungen im Polymer auftreten könnten. Die EtO-Sterilisation erwies sich als die am besten geeignete Sterilisationstechnik, um die chemische Struktur der PolyGGE-Sulfate zu erhalten.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die durchgeführte Arbeit bewiesen hat, dass PolyGGE als Antifouling-Beschichtungsmaterial verwendet werden kann und sein antimikrobielles Potenzial zeigt. Die Funktionalisierung der Sulfate kann mit Sulfaminsäure/NMP effektiv durchgeführt werden. Die EtO-Sterilisation ist die am besten geeignete Sterilisationstechnik für gepfropfte Sulfate. Darüber hinaus bietet diese Arbeit auch eine gute Strategie für die Analyse toxischer auslaugbarer Substanzen mit Hilfe geeigneter physikalisch-chemischer Charakterisierungstechniken. Zukünftige Arbeiten werden sich darauf konzentrieren, die Freisetzung toxischer Substanzen durch Verringerung der Vernetzungsdichte zu minimieren bzw. zu eliminieren. Ein weiterer interessanter Aspekt ist die Untersuchung, ob gepfropfte Sulfate den Anforderungen an die Anti-Thrombogenität gerecht werden können.
KW  - Sulfation
KW  - Antifouling
KW  - antimicrobial
KW  - Polyether
Y1  - 2022
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhou, Fei
T1  - Optimization of foreign gene expression in plastids
Y1  - 2008
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhou, Bin
T1  - On the assessment of surface urban heat island
T1  - Bewertung des urbanen Hitzeinseleffekts
BT  - size, urban form, and seasonality
BT  - Stadtgröße, Stadtform, und Seasonalität
N2  - Inwiefern Städte unter den Megatrends der Urbanisierung und des Klimawandels nachhaltig gestaltet werden können, bleibt umstritten. Dies ist zum Teil auf unzureichende Kenntnisse der Mensch-Umwelt-Interaktionen zurückzuführen. Als die am vollständigsten dokumentierte anthropogene Klimamodifikation ruft der Urbane Hitzeinsel (UHI) Effekt weltweit Sorgen hinsichtlich der Gesundheit der Bevölkerung hervor. Dazu kommt noch ein immer häufigeres und intensiveres Auftreten von Hitzewellen, wodurch das Wohlbefinden der Stadtbewohner weiter beeinträchtigt wird.

Trotz eines deutlichen Anstiegs der Zahl der UHI-bezogenen Veröffentlichungen in den letzten Jahrzehnten haben die unterschiedlichen Definitionen von städtischen und ländlichen Gebieten in bisherigen Studien die allgemeine Vergleichbarkeit der Resultate stark erschwert. Darüber hinaus haben nur wenige Studien den UHI-Effekt und seine Einflussfaktoren anhand einer Kombination der Landnutzungsdaten und der thermischen Fernerkundung systematisch untersucht.

Diese Arbeit stellt einen allgemeinen Rahmen zur Quantifizierung von UHI-Intensitäten mittels eines automatisierten Algorithmus vor, wobei Städte als Agglomerationen maximal räumlicher Kontinuität basierend auf Landnutzungsdaten identifiziert, sowie deren ländliche Umfelder analog definiert werden. Durch Verknüpfung der Landnutzungsdaten mit Landoberflächentemperaturen von Satelliten kann die UHI-Intensität robust und konsistent berechnet werden. Anhand dieser Innovation wurde nicht nur der Zusammenhang zwischen Stadtgröße und UHI-Intensität erneut untersucht, sondern auch die Auswirkungen der Stadtform auf die UHI-Intensität quantifiziert.

Diese Arbeit leistet vielfältige Beiträge zum tieferen Verständnis des UHI-Phänomens. Erstens wurde eine log-lineare Beziehung zwischen UHI-Intensität und Stadtgröße unter Berücksichtigung der 5,000 europäischen Städte bestätigt. Werden kleinere Städte auch berücksichtigt, ergibt sich eine log-logistische Beziehung. Zweitens besteht ein komplexes Zusammenspiel zwischen der Stadtform und der UHI-Intensität: die Stadtgröße stellt den stärksten Einfluss auf die UHI-Intensität dar, gefolgt von der fraktalen Dimension und der Anisometrie. Allerdings zeigen ihre relativen Beiträge zur UHI-Intensität eine regionale Heterogenität, welche die Bedeutung räumlicher Muster während der Umsetzung von UHI-Anpassungsmaßnahmen hervorhebt.

Des Weiteren ergibt sich eine neue Saisonalität der UHI-Intensität für individuelle Städte in Form von Hysteresekurven, die eine Phasenverschiebung zwischen den Zeitreihen der UHI-Intensität und der Hintergrundtemperatur andeutet. Diese Saisonalität wurde anhand von Luft- und Landoberflächentemperaturen untersucht, indem die Satellitenbeobachtung und die Modellierung der urbanen Grenzschicht mittels des UrbClim-Modells kombiniert wurden. Am Beispiel von London ist die Diskrepanz der Saisonalitäten zwischen den beiden Temperaturen vor allem auf die mit der einfallenden Sonnenstrahlung verbundene Besonderheit der Landoberflächentemperatur zurückzuführen. Darüber hinaus spielt das regionale Klima eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der UHI. Diese Arbeit ist eine der ersten Studien dieser Art, die eine systematische und statistische Untersuchung des UHI-Effektes ermöglicht. Die Ergebnisse sind von besonderer Bedeutung für die allgemeine räumliche Planung und Regulierung auf Meso- und Makroebenen, damit sich Vorteile der rapiden Urbanisierung nutzbar machen und zeitgleich die folgende Hitzebelastung proaktiv vermindern lassen.
N2  - To what extent cities can be made sustainable under the mega-trends of urbanization and climate change remains a matter of unresolved scientific debate. Our inability in answering this question lies partly in the deficient knowledge regarding pivotal humanenvironment interactions. Regarded as the most well documented anthropogenic climate modification, the urban heat island (UHI) effect – the warmth of urban areas relative to the rural hinterland – has raised great public health concerns globally. Worse still, heat waves are being observed and are projected to increase in both frequency and intensity, which further impairs the well-being of urban dwellers. Albeit with a substantial increase in the number of publications on UHI in the recent decades, the diverse urban-rural definitions applied in previous studies have remarkably hampered the general comparability of results achieved. In addition, few studies have attempted to synergize the land use data and thermal remote sensing to systematically assess UHI and its contributing factors.

Given these research gaps, this work presents a general framework to systematically quantify the UHI effect based on an automated algorithm, whereby cities are defined as clusters of maximum spatial continuity on the basis of land use data, with their rural hinterland being defined analogously. By combining land use data with spatially explicit surface skin temperatures from satellites, the surface UHI intensity can be calculated in a consistent and robust manner. This facilitates monitoring, benchmarking, and categorizing UHI intensities for cities across scales. In light of this innovation, the relationship between city size and UHI intensity has been investigated, as well as the contributions of urban form indicators to the UHI intensity.

This work delivers manifold contributions to the understanding of the UHI, which have complemented and advanced a number of previous studies. Firstly, a log-linear relationship between surface UHI intensity and city size has been confirmed among the 5,000 European cities. The relationship can be extended to a log-logistic one, when taking a wider range of small-sized cities into account. Secondly, this work reveals a complex interplay between UHI intensity and urban form. City size is found to have the strongest influence on the UHI intensity, followed by the fractality and the anisometry. However, their relative contributions to the surface UHI intensity depict a pronounced regional heterogeneity, indicating the importance of considering spatial patterns of UHI while implementing UHI adaptation measures.

Lastly, this work presents a novel seasonality of the UHI intensity for individual clusters in the form of hysteresis-like curves, implying a phase shift between the time series of UHI intensity and background temperatures. Combining satellite observation and urban boundary layer simulation, the seasonal variations of UHI are assessed from both screen and skin levels. Taking London as an example, this work ascribes the discrepancies between the seasonality observed at different levels mainly to the peculiarities of surface skin temperatures associated with the incoming solar radiation. In addition, the efforts in classifying cities according to their UHI characteristics highlight the important role of regional climates in determining the UHI.

This work serves as one of the first studies conducted to systematically and statistically scrutinize the UHI. The outcomes of this work are of particular relevance for the overall spatial planning and regulation at meso- and macro levels in order to harness the benefits of rapid urbanization, while proactively minimizing its ensuing thermal stress.
KW  - urban heat island effect
KW  - surface urban heat island effect
KW  - UHI
KW  - urban form
KW  - der Urbane Hitzeinsel Effekt
KW  - der Städtische Wärmeinseleffekt
KW  - der Urbane Hitzeinsel Effekt basierend auf Landoberflächentemperatur
KW  - UHI
KW  - die Stadtform
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-404383
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zheng, Chunming
T1  - Bursting and synchronization in noisy oscillatory systems
T1  - Bursting und Synchronisation in verrauschten, oszillierenden Systemen
N2  - Noise is ubiquitous in nature and usually results in rich dynamics in stochastic systems such as oscillatory systems, which exist in such various fields as physics, biology and complex networks. The correlation and synchronization of two or many oscillators are widely studied topics in recent years.

In this thesis, we mainly investigate two problems, i.e., the stochastic bursting phenomenon in noisy excitable systems and synchronization in a three-dimensional Kuramoto model with noise. Stochastic bursting here refers to a sequence of coherent spike train, where each spike has random number of followers due to the combined effects of both time delay and noise. Synchronization, as a universal phenomenon in nonlinear dynamical systems, is well illustrated in the Kuramoto model, a prominent model in the description of collective motion.

In the first part of this thesis, an idealized point process, valid if the characteristic timescales in the problem are well separated, is used to describe statistical properties such as the power spectral density and the interspike interval distribution. We show how the main parameters of the point process, the spontaneous excitation rate, and the probability to induce a spike during the delay action can be calculated from the solutions of a stationary and a forced Fokker-Planck equation. We extend it to the delay-coupled case and derive analytically the statistics of the spikes in each neuron, the pairwise correlations between any two neurons, and the spectrum of the total output from the network.

In the second part, we investigate the three-dimensional noisy Kuramoto model, which can be used to describe the synchronization in a swarming model with helical trajectory. In the case without natural frequency, the Kuramoto model can be connected with the Vicsek model, which is widely studied in collective motion and swarming of active matter. We analyze the linear stability of the incoherent state and derive the critical coupling strength above which the incoherent state loses stability. In the limit of no natural frequency, an exact self-consistent equation of the mean field is derived and extended straightforward to any high-dimensional case.
N2  - Rauschen ist in der Natur allgegenwärtig und führt zu einer reichen Dynamik in stochastischen Systemen von gekoppelten Oszillatoren, die in so unterschiedlichen Bereichen wie Physik, Biologie und in komplexen Netzwerken existieren. Korrelation und Synchronisation von zwei oder vielen Oszillatoren ist in den letzten Jahren ein aktives Forschungsfeld. 

In dieser Arbeit untersuchen wir hauptsächlich zwei Probleme, d.h. das stochastische Burst-Phänomen in verrauschten anregbaren Systemen und die Synchronisation in einem dreidimensionalen Kuramoto-Modell mit Rauschen. Stochastisches Bursting bezieht sich hier auf eine Folge von kohärenten Spike-Zügen, bei denen jeder Spike aufgrund der kombinierten Effekte von Zeitverzögerung und Rauschen eine zufällige Anzahl von Folge Spikes aufweist. Die Synchronisation als universelles Phänomen in nichtlinearen dynamischen Systemen kann anhand des Kuramoto-Modells, einem grundlegenden Modell bei der gekoppelter Oszillatoren und kollektiver Bewegung, gut demonstriert und analysiert werden.

Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein idealisierter Punktprozess betrachtet, der gültig ist, wenn die charakteristischen Zeitskalen im Problem gut voneinander getrennt sind,um statistische Eigenschaften wie die spektrale Leistungsdichte und die Intervallverteilung zwischen Neuronen Impulsen zu beschreiben. Wir zeigen, wie die Hauptparameter des Punktprozesses, die spontane Anregungsrate und die Wahrscheinlichkeit, während der Verzögerungsaktion einen Impuls zu induzieren, aus den Lösungen einer stationären und einer getriebenen Fokker-Planck-Gleichung berechnet werden können. Wir erweitern dieses Ergebnis auf den verzögerungsgekoppelten Fall und leiten analytisch
die Statistiken der Impulse in jedem Neuron, die paarweisen Korrelationen zwischen zwei beliebigen Neuronen und das Spektrum der Zeitreihe alle Impulse aus dem Netzwerk ab.

Im zweiten Teil untersuchen wir das dreidimensionale verrauschte Kuramoto-Modell, mit dem die Synchronisation eines Schwarmmodells mit schraubenförmigen Flugbahnen beschrieben werden kann. Im Fall ohne Eigenfrequenz jedes Teilchensist das System äquivalent zum Vicsek Modell, welches in der Beschreibung der kollektiven Bewegung von Schwärmen und aktiver Materie eine breite Anwendung findet. Wir analysieren die lineare Stabilität des inkohärenten Zustands und leiten die kritische Kopplungsstärke ab, oberhalb derer der inkohärente Zustand an Stabilität verliert. Im Fall ohne Eigenfrequenz wird eine exakte selbstkonsistente Gleichung für das mittlere Feld abgeleitet und direkt für höherdimensionale Bewegungen verallgemeinert.
KW  - Synchronization
KW  - Kuramoto model
KW  - Oscillation
KW  - stochastic bursting
KW  - Synchronisation
KW  - Kuramoto-Modell
KW  - Oszillatoren
KW  - Stochastisches Bursting
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-500199
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhelavskaya, Irina
T1  - Modeling of the Plasmasphere Dynamics
T1  - Modellierung der Plasmasphärendynamik
N2  - The plasmasphere is a dynamic region of cold, dense plasma surrounding the Earth. Its shape and size are highly susceptible to variations in solar and geomagnetic conditions. Having an accurate model of plasma density in the plasmasphere is important for GNSS navigation and for predicting hazardous effects of radiation in space on spacecraft. The distribution of cold plasma and its dynamic dependence on solar wind and geomagnetic conditions remain, however, poorly quantified. Existing empirical models of plasma density tend to be oversimplified as they are based on statistical averages over static parameters. Understanding the global dynamics of the plasmasphere using observations from space remains a challenge, as existing density measurements are sparse and limited to locations where satellites can provide in-situ observations. In this dissertation, we demonstrate how such sparse electron density measurements can be used to reconstruct the global electron density distribution in the plasmasphere and capture its dynamic dependence on solar wind and geomagnetic conditions. 

First, we develop an automated algorithm to determine the electron density from in-situ measurements of the electric field on the Van Allen Probes spacecraft. In particular, we design a neural network to infer the upper hybrid resonance frequency from the dynamic spectrograms obtained with the Electric and Magnetic Field Instrument Suite and Integrated Science (EMFISIS) instrumentation suite, which is then used to calculate the electron number density. The developed Neural-network-based Upper hybrid Resonance Determination (NURD) algorithm is applied to more than four years of EMFISIS measurements to produce the publicly available electron density data set.

We utilize the obtained electron density data set to develop a new global model of plasma density by employing a neural network-based modeling approach. In addition to the location, the model takes the time history of geomagnetic indices and location as inputs, and produces electron density in the equatorial plane as an output. It is extensively validated using in-situ density measurements from the Van Allen Probes mission, and also by comparing the predicted global evolution of the plasmasphere with the global IMAGE EUV images of He+ distribution. The model successfully reproduces erosion of the plasmasphere on the night side as well as plume formation and evolution, and agrees well with data.

The performance of neural networks strongly depends on the availability of training data, which is limited during intervals of high geomagnetic activity. In order to provide reliable density predictions during such intervals, we can employ physics-based modeling. We develop a new approach for optimally combining the neural network- and physics-based models of the plasmasphere by means of data assimilation. The developed approach utilizes advantages of both neural network- and physics-based modeling and produces reliable global plasma density reconstructions for quiet, disturbed, and extreme geomagnetic conditions. 

Finally, we extend the developed machine learning-based tools and apply them to another important problem in the field of space weather, the prediction of the geomagnetic index Kp. The Kp index is one of the most widely used indicators for space weather alerts and serves as input to various models, such as for the thermosphere, the radiation belts and the plasmasphere. It is therefore crucial to predict the Kp index accurately. Previous work in this area has mostly employed artificial neural networks to nowcast and make short-term predictions of Kp, basing their inferences on the recent history of Kp and solar wind measurements at L1. We analyze how the performance of neural networks compares to other machine learning algorithms for nowcasting and forecasting Kp for up to 12 hours ahead. Additionally, we investigate several machine learning and information theory methods for selecting the optimal inputs to a predictive model of Kp. The developed tools for feature selection can also be applied to other problems in space physics in order to reduce the input dimensionality and identify the most important drivers.

Research outlined in this dissertation clearly demonstrates that machine learning tools can be used to develop empirical models from sparse data and also can be used to understand the underlying physical processes. Combining machine learning, physics-based modeling and data assimilation allows us to develop novel methods benefiting from these different approaches.
N2  - Die Plasmasphäre ist eine die Erde umgebende dynamische Region aus kaltem, dichtem Plasma. Ihre Form und Größe sind sehr anfällig für Schwankungen der solaren und geomagnetischen Bedingungen. Ein präzises Modell der Plasmadichte in der Plasmasphäre ist wichtig für die GNSS-Navigation und für die Vorhersage gefährlicher Auswirkungen der kosmischen Strahlung auf Raumfahrzeuge. Die Verteilung des kalten Plasmas und seine dynamische Abhängigkeit vom Sonnenwind und den geomagnetischen Bedingungen sind jedoch nach wie vor nur unzureichend quantifiziert. Bestehende empirische Modelle der Plasmadichte sind in der Regel zu stark vereinfacht, da sie auf statistischen Durchschnittswerten statischer Parameter basieren. Das Verständnis der globalen Dynamik der Plasmasphäre anhand von Beobachtungen aus dem Weltraum bleibt eine Herausforderung, da vorhandene Dichtemessungen spärlich sind und sich auf Orte beschränken, an denen Satelliten In-situ-Beobachtungen liefern können. In dieser Dissertation zeigen wir, wie solche spärlichen Elektronendichtemessungen verwendet werden können, um die globale Elektronendichteverteilung in der Plasmasphäre zu rekonstruieren und ihre dynamische Abhängigkeit vom Sonnenwind und den geomagnetischen Bedingungen zu erfassen.

Zunächst entwickeln wir einen automatisierten Algorithmus zur Bestimmung der Elektronendichte aus In-situ-Messungen des elektrischen Feldes der Van Allen Probes Raumsonden. Insbesondere entwerfen wir ein neuronales Netzwerk, um die obere Hybridresonanzfrequenz aus den dynamischen Spektrogrammen abzuleiten, die wir durch die Instrumentensuite „Electric and Magnetic Field Instrument Suite“ (EMFISIS) erhielten, welche dann zur Berechnung der Elektronenzahldichte verwendet wird. Der entwickelte „Neural-network-based Upper Hybrid Resonance Determination“ (NURD)-Algorithmus wird auf mehr als vier Jahre der EMFISIS-Messungen angewendet, um den öffentlich verfügbaren Elektronendichte-Datensatz zu erstellen.

Wir verwenden den erhaltenen Elektronendichte-Datensatz, um ein neues globales Modell der Plasmadichte zu entwickeln, indem wir einen auf einem neuronalen Netzwerk basierenden Modellierungsansatz verwenden. Zusätzlich zum Ort nimmt das Modell den zeitlichen Verlauf der geomagnetischen Indizes und des Ortes als Eingabe und erzeugt als Ausgabe die Elektronendichte in der äquatorialebene. Dies wird ausführlich anhand von In-situ-Dichtemessungen der Van Allen Probes-Mission und durch den Vergleich der vom Modell vorhergesagten globalen Entwicklung der Plasmasphäre mit den globalen IMAGE EUV-Bildern der He+ -Verteilung validiert. Das Modell reproduziert erfolgreich die Erosion der Plasmasphäre auf der Nachtseite sowie die Bildung und Entwicklung von Fahnen und stimmt gut mit den Daten überein.

Die Leistung neuronaler Netze hängt stark von der Verfügbarkeit von Trainingsdaten ab, die für Intervalle hoher geomagnetischer Aktivität nur spärlich vorhanden sind. Um zuverlässige Dichtevorhersagen während solcher Intervalle zu liefern, können wir eine physikalische Modellierung verwenden. Wir entwickeln einen neuen Ansatz zur optimalen Kombination der neuronalen Netzwerk- und physikbasierenden Modelle der Plasmasphäre mittels Datenassimilation. Der entwickelte Ansatz nutzt sowohl die Vorteile neuronaler Netze als auch die physikalischen Modellierung und liefert zuverlässige Rekonstruktionen der globalen Plasmadichte für ruhige, gestörte und extreme geomagnetische Bedingungen.

Schließlich erweitern wir die entwickelten auf maschinellem Lernen basierten Werkzeuge und wenden sie auf ein weiteres wichtiges Problem im Bereich des Weltraumwetters an, die Vorhersage des geomagnetischen Index Kp. Der Kp-Index ist einer der am häufigsten verwendeten Indikatoren für Weltraumwetterwarnungen und dient als Eingabe für verschiedene Modelle, z.B. für die Thermosphäre, die Strahlungsgürtel und die Plasmasphäre. Es ist daher wichtig, den Kp-Index genau vorherzusagen. Frühere Arbeiten in diesem Bereich verwendeten hauptsächlich künstliche neuronale Netze, um Kurzzeit-Kp-Vorhersagen zu treffen, wobei deren Schlussfolgerungen auf der jüngsten Vergangenheit von Kp- und Sonnenwindmessungen am L1-Punkt beruhten. Wir analysieren, wie sich die Leistung neuronaler Netze im Vergleich zu anderen Algorithmen für maschinelles Lernen verhält, um kurz- und längerfristige Kp-Voraussagen von bis zu 12 Stunden treffen zu können. Zusätzlich untersuchen wir verschiedene Methoden des maschinellen Lernens und der Informationstheorie zur Auswahl der optimalen Eingaben für ein Vorhersagemodell von Kp. Die entwickelten Werkzeuge zur Merkmalsauswahl können auch auf andere Probleme in der Weltraumphysik angewendet werden, um die Eingabedimensionalität zu reduzieren und die wichtigsten Treiber zu identifizieren.

Die in dieser Dissertation skizzierten Untersuchungen zeigen deutlich, dass Werkzeuge für maschinelles Lernen sowohl zur Entwicklung empirischer Modelle aus spärlichen Daten als auch zum Verstehen zugrunde liegender physikalischer Prozesse genutzt werden können. Die Kombination von maschinellem Lernen, physikbasierter Modellierung und Datenassimilation ermöglicht es uns, kombinierte Methoden zu entwickeln, die von unterschiedlichen Ansätzen profitieren.
KW  - Plasmasphere
KW  - Inner magnetosphere
KW  - Neural networks
KW  - Machine learning
KW  - Modeling
KW  - Kp index
KW  - Geomagnetic activity
KW  - Data assimilation
KW  - Validation
KW  - IMAGE EUV
KW  - Kalman filter
KW  - Plasmasphäre
KW  - Innere Magnetosphäre
KW  - Neuronale Netze
KW  - Maschinelles Lernen
KW  - Modellieren
KW  - Forecasting
KW  - Kp-Index
KW  - Geomagnetische Aktivität
KW  - Datenassimilation
KW  - Validierung
KW  - Kalman Filter
KW  - Prognose
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-482433
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhao, Yuhang
T1  - Synthesis and surface functionalization on plasmonic nanoparticles for optical applications
N2  - This thesis focuses on the synthesis of novel functional materials based on plasmonic nanoparticles. Three systems with targeted surface modification and functionalization have been designed and synthesized, involving modified perylenediimide doped silica-coated silver nanowires, polydopamine or TiO2 coated gold-palladium nanorods and thiolated poly(ethylene glycol) (PEG-SH)/dodecanethiol (DDT) modified silver nanospheres. Their possible applications as plasmonic resonators, chiral sensors as well as photo-catalysts have been studied. In addition, the interaction between silver nanospheres and 2,3,5,6-Tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane (F4TCNQ) molecules has also been investigated in detail.
In the first part of the thesis, surface modification on Ag nanowires (NWs) with optimized silica coating through a modified Stöber method has been firstly conducted, employing sodium hydroxide (NaOH) to replace ammonia solution (NH4OH). The coated silver nanowires with a smooth silica shell have been investigated by single-particle dark-field scattering spectroscopy, transmission electron microscopy and electron-energy loss spectroscopy to characterize the morphologies and structural components. The silica-coated silver nanowires can be further functionalized with fluorescent molecules in the silica shell via a facile one-step coating method. The as-synthesized nanowire is further coupled with a gold nanosphere by spin-coating for the application of the sub-diffractional chiral sensor for the first time. The exciton-plasmon-photon interconversion in the system eases the signal detection in the perfectly matched 1D nanostructure and contributes to the high contrast of the subwavelength chiral sensing for the polarized light.
In the second part of the thesis, dumbbell-shaped Au-Pd nanorods coated with a layer of polydopamine (PDA) or titanium dioxide (TiO2) have been constructed. The PDA- and TiO2- coated Au-Pd nanorods show a strong photothermal conversion performance under NIR illumination. Moreover, the catalytic performance of the particles has been investigated using the reduction of 4-nitrophenol (4-NP) as the model reaction. Under light irradiation, the PDA-coated Au-Pd nanorods exhibit a superior catalytic activity by increasing the reaction rate constant of 3 times. The Arrhenius-like behavior of the reaction with similar activation energies in the presence and absence of light irradiation indicates the photoheating effect to be the dominant mechanism of the reaction acceleration. Thus, we attribute the enhanced performance of the catalysis to the strong photothermal effect that is driven by the optical excitation of the gold surface plasmon as well as the synergy with the PDA layer.
In the third part, the kinetic study on the adsorption of 2,3,5,6-Tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanoquino-dimethane (F4TCNQ) on the surface of Ag nanoparticles (Ag NPs) in chloroform has been reported in detail. Based on the results obtained from the UV-vis-NIR absorption spectroscopy, cryogenic transmission electron microscopy (cryo-TEM), scanning nano-beam electron diffraction (NBED) and electron energy loss spectroscopy (EELS), a two-step interaction kinetics has been proposed for the Ag NPs and F4TCNQ molecules. It includes the first step of electron transfer from Ag NPs to F4TCNQ indicated by the ionization of F4TCNQ, and the second step of the formation of Ag-F4TCNQ complex. The whole process has been followed via UV-vis-NIR absorption spectroscopy, which reveals distinct kinetics at two stages: the instantaneous ionization and the long-term complex formation. The kinetics and the influence of the molar ratio of Ag NPs/F4TCNQ molecules on the interaction between Ag NPs and F4TCNQ molecules in the organic solution are reported herein for the first time. Furthermore, the control experiment with silica-coated Ag NPs indicates that the charge transfer at the surface between Ag NPs and F4TCNQ molecules has been prohibited by a silica layer of 18 nm.
KW  - plasmonic nanoparticles
KW  - silica
KW  - polydopamine
KW  - TiO2
KW  - chiral sensing
KW  - catalysis
KW  - surface interaction
Y1  - 2021
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhao, Xueru
T1  - Palaeoclimate and palaeoenvironment evolution from the last glacial maximum into the early holocene (23-8 ka BP) derived from Lago Grande di Monticchio sediment record (S Italy)
Y1  - 2021
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhao, Liming
T1  - Characterization genes involved in leaf development and senescence of arabidopsis
Y1  - 2015
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhao, Li
T1  - Sustainable approaches towards novel nitrogen-doped carbonaceous structures
Y1  - 2010
CY  - Potsdam
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhang, Zhuodong
T1  - A regional scale study of wind erosion in the Xilingele grassland based on computational fluid dynamics
Y1  - 2011
CY  - Potsdam
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhang, Youjun
T1  - Investigation of the TCA cycle and glycolytic metabolons and their physiological impacts in plants
Y1  - 2016
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhang, Xiaorong
T1  - Electrosynthesis and characterization of molecularly imprinted polymers for peptides and proteins
Y1  - 2019
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhang, Xiaolin
T1  - Evaluation of nitrogen dynamics in high-order streams and rivers based on high-frequency monitoring
T1  - Bewertung der Stickstoffdynamik in Fliessgewässern 4.-6. Ordnung auf der Grundlage zeitlich hochaufgelöster Sensormessungen
N2  - Nutrient storage, transform and transport are important processes for achieving environmental and ecological health, as well as conducting water management plans. Nitrogen is one of the most noticeable elements due to its impacts on tremendous consequences of eutrophication in aquatic systems. Among all nitrogen components, researches on nitrate are blooming because of widespread deployments of in-situ high-frequency sensors. Monitoring and studying nitrate can become a paradigm for any other reactive substances that may damage environmental conditions and cause economic losses. 
Identifying nitrate storage and its transport within a catchment are inspiring to the management of agricultural activities and municipal planning. Storm events are periods when hydrological dynamics activate the exchange between nitrate storage and flow pathways. In this dissertation, long-term high-frequency monitoring data at three gauging stations in the Selke river were used to quantify event-scale nitrate concentration-discharge (C-Q) hysteretic relationships. The Selke catchment is characterized into three nested subcatchments by heterogeneous physiographic conditions and land use. With quantified hysteresis indices, impacts of seasonality and landscape gradients on C-Q relationships are explored. For example, arable area has deep nitrate legacy and can be activated with high intensity precipitation during wetting/wet periods (i.e., the strong hydrological connectivity). Hence, specific shapes of C-Q relationships in river networks can identify targeted locations and periods for agricultural management actions within the catchment to decrease nitrate output into downstream aquatic systems like the ocean.
The capacity of streams for removing nitrate is of both scientific and social interest, which makes the quantification motivated. Although measurements of nitrate dynamics are advanced compared to other substances, the methodology to directly quantify nitrate uptake pathways is still limited spatiotemporally. The major problem is the complex convolution of hydrological and biogeochemical processes, which limits in-situ measurements (e.g., isotope addition) usually to small streams with steady flow conditions. This makes the extrapolation of nitrate dynamics to large streams highly uncertain. Hence, understanding of in-stream nitrate dynamic in large rivers is still necessary. High-frequency monitoring of nitrate mass balance between upstream and downstream measurement sites can quantitatively disentangle multi-path nitrate uptake dynamics at the reach scale (3-8 km). In this dissertation, we conducted this approach in large stream reaches with varying hydro-morphological and environmental conditions for several periods, confirming its success in disentangling nitrate uptake pathways and their temporal dynamics. Net nitrate uptake, autotrophic assimilation and heterotrophic uptake were disentangled, as well as their various diel and seasonal patterns. Natural streams generally can remove more nitrate under similar environmental conditions and heterotrophic uptake becomes dominant during post-wet seasons. Such two-station monitoring provided novel insights into reach-scale nitrate uptake processes in large streams. 
Long-term in-stream nitrate dynamics can also be evaluated with the application of water quality model. This is among the first time to use a data-model fusion approach to upscale the two-station methodology in large-streams with complex flow dynamics under long-term high-frequency monitoring, assessing the in-stream nitrate retention and its responses to drought disturbances from seasonal to sub-daily scale. Nitrate retention (both net uptake and net release) exhibited substantial seasonality, which also differed in the investigated normal and drought years. In the normal years, winter and early spring seasons exhibited extensive net releases, then general net uptake occurred after the annual high-flow season at later spring and early summer with autotrophic processes dominating and during later summer-autumn low-flow periods with heterotrophy-characteristics predominating. Net nitrate release occurred since late autumn until the next early spring. In the drought years, the late-autumn net releases were not so consistently persisted as in the normal years and the predominance of autotrophic processes occurred across seasons. Aforementioned comprehensive results of nitrate dynamics on stream scale facilitate the understanding of instream processes, as well as raise the importance of scientific monitoring schemes for hydrology and water quality parameters.
N2  - Die Speicherung, Umwandlung und der Transport von Nährstoffen sind wichtige Prozesse, welche  den ökologische Status der Fließgewässer bestimmen. Aufgrund seiner Auswirkungen auf die Eutrophierung von aquatischen Systemen ist hierbei Stickstoff eines der wichtigsten Elemente. Durch neue Entwicklungen in der Sensortechnik zeigt die Forschung zum Nitrat derzeit eine besonders große Dynamik.
In dieser Dissertation werden die hysteretischen Beziehungen zwischen Nitratkonzentration und Abfluss (C-Q) an drei Pegeln der Selke im Bodegebiet analysiert, um die Dynamik von Nitratspeicherung und -transport während Hochwasserereignissen in einem genesteten Einzugsgebiet zu untersuchen. Verschiedene Kombinationen der C-Q-Hysterese-Indizes  deuten auf unterschiedliche Muster des Nitrat-Transports und seiner Einflussfaktoren hin. Die Hysterese im Uhrzeigersinn tritt eher während der Trockenzeit auf, was auf eine geringe hydrologische Konnektivität vom Land zum Fließgewässer auf den Export distaler Nitratquellen hinweist. Im untersten Einzugsgebiet der Selke dominieren Verdünnungseffekte, die möglicherweise durch Abflüsse aus flussaufwärts gelegenen Teileinzugsgebieten während der Niederschlagsereignisse oder durch schnelle Abflüsse von befestigten Flächen beeinflusst wurden. Unterschiede in der Reaktion des Nitratexports auf Abflussereignisse können während sommerlicher  Trockenperioden verstärkt werden, wenn sich die hydrologische Konnektivität und die biogeochemischen Prozesse stark verändern. Daher können spezifische Formen von C-Q-Beziehungen in Fließgewässern zur Verortung  und Bestimmung von Zeiträume für landwirtschaftliche Bewirtschaftungsmaßnahmen innerhalb des Wassereinzugsgebiets genutzt werden, um den Nitrateintrag in die Fließ- und Standgewässer zu verringern.
Die Fähigkeit von Fließgewässern, Nitrat zu entfernen, ist sowohl von wissenschaftlichem als auch von gesellschaftlichem Interesse. Obwohl die Untersuchungen der Nitratdynamik im Vergleich zu anderen Wasserinhaltsstoffen fortgeschritten sind, ist die Methodik zur direkten Quantifizierung der Nitrataufnahme- und -retention räumlich und zeitlich nicht vollständig verstanden. Das Hauptproblem ist die komplexe Verflechtung von hydrologischen und biogeochemischen Prozessen. In-situ-Messungen (z. B. Isotopenanreicherung) sind aufgrund methodischer Beschränkungen in der Regel auf kleine Fließgewässer mit konstanten Strömungsverhältnissen beschränkt. Dadurch ist die Extrapolation der Nitratdynamik auf große Bäche und kleine Flüsse mit großen Unsicherheiten behaftet. Daher bestehen große Defizite beim Verständnis der Nitratdynamik in größeren Fließgewässer. Die hochfrequente Messung der Nitrat-Massenbilanz zwischen flussaufwärts und flussabwärts gelegenen Messstellen kann die Dynamik der Nitrataufnahme über unterschiedliche Aufnahme- und Retentionspfade anhand der gezielten Untersuchung von Gewässerabschnitten (3-8 km) quantitativ erfassen. In dieser Dissertation wurde dieser Ansatz in Fließgewässern mittlerer Größe mit unterschiedlichen hydro-morphologischen und saisonalen Bedingungen eingesetzt. Die Ergebnisse erlaubten  eine Aufschlüsselung der unterschiedlichen Nitrataufnahmewege und ihrer zeitlichen Dynamik. Die Netto-Nitrataufnahme, die autotrophe Assimilation und die heterotrophe Aufnahme sowie ihre unterschiedlichen tages- und jahreszeitlichen Muster konnten analysiert werden. Natürliche Fließgewässer können im Allgemeinen unter ähnlichen Umweltbedingungen mehr Nitrat entfernen als anthropogen überprägte Fließgewässer. Es konnte gezeigt werden, dass die heterotrophe Aufnahme während der trockenen Jahreszeit dominiert. Auf der Basis von gezielten Untersuchungen von Gewässerabschnitten lieferte die Zwei-Stationen-Methode neue Einblicke in die Prozesse der Nitrataufnahme in größeren Fließgewässern.
Die langfristige Nitratdynamik in Fließgewässern kann auch durch die zusätzliche Anwendung von Wasserqualitätsmodellen analysiert werden. Dies ist eines der ersten Forschungsvorhaben, bei dem die Zwei-Stationen-Methode in größeren Fließgewässern mit komplexer Strömungsdynamik im Rahmen einer zeitliche hochaufgelösten Langzeitüberwachung eingesetzt wird, um den Nitratrückhalt im Fließgewässer und den Einfluss von Niedrigwasserbedingungen hinsichtlich saisonaler und diurnaler Zeitskalen zu untersuchen. Der Nitratrückhalt (sowohl die Nettoaufnahme als auch die Nettoabgabe) wies erhebliche saisonale Schwankungen auf, die sich auch in den untersuchten normalen Jahren und Jahren mit ausgeprägten Niedrigwasserbedingungen unterschieden. In den normalen Jahren kam es im Winter und zu Beginn des Frühjahrs zu einer umfangreichen Freisetzung  von Stickstoff, während die  Nettoaufnahme nach der jährlichen abflussreichen Winterperiode im späteren Frühjahr und im Frühsommer am höchsten war, wobei autotrophe Prozesse dominierten. Während der Niedrigwasserperioden im Spätsommer und Herbst dominierte bei der Netto-Stickstoffretention die heterotrophe Aufnahme. Die Netto-Nitratfreisetzung erfolgte vom Spätherbst bis zum folgenden Frühjahr. In den Dürrejahren war die Netto-Nitratfreisetzung im Spätherbst weniger konstant wie in den Normaljahren, und die autotrophen Prozesse dominierten über die Jahreszeiten hinweg. Diese umfassenden Ergebnisse der Nitratdynamik in größeren Fließgewässern verbessern das Verständnis von gewässerinternen Umsetzungsprozessen und zeigen die Möglichkeiten auf, die der gezielte Einsatz von zeitlich hochaufgelöster Sensormessungen in der Gewässerüberwachung bieten kann.
KW  - high-frequency monitoring
KW  - in-stream nitrogen dynamics
KW  - high-order streams and rivers
KW  - Bäche und Flüsse hoher Ordnung
KW  - Stickstoffdynamik in Fliessgewässern
KW  - zeitlich hochaufgelöste Sensormessungen
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-607642
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhang, Weiyi
T1  - Functional Poly(ionic liquid) Materials based on Poly(1,2,4-triazolium)s
Y1  - 2017
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhang, Shuhao
T1  - Synthesis and self-assembly of protein-polymer conjugates for the preparation of biocatalytically active membranes
T1  - Synthese und Selbstassemblierung von Protein/Polymer-Konjugaten für die Herstellung einer biokatalytisch aktiven Membran
N2  - This thesis covers the synthesis of conjugates of 2-Deoxy-D-ribose-5-phosphate aldolase (DERA) with suitable polymers and the subsequent immobilization of these conjugates in thin films via two different approaches.
2-Deoxy-D-ribose-5-phosphate aldolase (DERA) is a biocatalyst that is capable of converting acetaldehyde and a second aldehyde as acceptor into enantiomerically pure mono- and diyhydroxyaldehydes, which are important structural motifs in a number of pharmaceutically active compounds. Conjugation and immobilization renders the enzyme applicable for utilization in a continuously run biocatalytic process which avoids the common problem of product inhibition. Within this thesis, conjugates of DERA and poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAm) for immobilization via a self-assembly approach were synthesized and isolated, as well as conjugates with poly(N,N-dimethylacrylamide) (PDMAA) for a simplified and scalable spray-coating approach. For the DERA/PNIPAm-conjugates different synthesis routes were tested, including grafting-from and grafting-to, both being common methods for the conjugation. Furthermore, both lysines and cysteines were addressed for the conjugation in order to find optimum conjugation conditions. It turned out that conjugation via lysine causes severe activity loss as one lysine plays a key role in the catalyzing mechanism. The conjugation via the cysteines by a grafting-to approach using pyridyl disulfide (PDS) end-group functionalized polymers led to high conjugation efficiencies in the presence of polymer solubilizing NaSCN. The resulting conjugates maintained enzymatic activity and also gained high acetaldehyde tolerance which is necessary for their use later on in an industrial relevant process after their immobilization.
The resulting DERA/PNIPAm conjugates exhibited enhanced interfacial activity at the air/water interface compared to the single components, which is an important pre-requisite for the immobilization via the self-assembly approach. Conjugates with longer polymer chains formed homogeneous films on silicon wafers and glass slides while the ones with short chains could only form isolated aggregates. On top of that, long chain conjugates showed better activity maintenance upon the immobilization.
The crosslinking of conjugates, as well as their fixation on the support materials, are important for the mechanical stability of the films obtained from the self-assembly process. Therefore, in a second step, we introduced the UV-crosslinkable monomer DMMIBA to the PNIPAm polymers to be used for conjugation. The introduction of DMMIBA reduced the lower critical solution temperature (LCST) of the polymer and thus the water solubility at ambient conditions, resulting in lower conjugation efficiencies and in turn slightly poorer acetaldehyde tolerance of the resulting conjugates. Unlike the DERA/PNIPAm, the conjugates from the copolymer P(NIPAM-co-DMMIBA) formed continuous, homogenous films only after the crosslinking step via UV-treatment. For a firm binding of the crosslinked films, a functionalization protocol for the model support material cyclic olefin copolymer (COC) and the final target support, PAN based membranes, was developed that introduces analogue UV-reactive groups to the support surface. The conjugates immobilized on the modified COC films maintained enzymatic activity and showed good mechanical stability after several cycles of activity assessment. Conjugates with longer polymer chains, however, showed a higher degree of crosslinking after the UV-treatment leading to a pronounced loss of activity. A porous PAN membrane onto which the conjugates were immobilized as well, was finally transferred to a dead end filtration membrane module to catalyze the aldol reaction of the industrially relevant mixture of acetaldehyde and hexanal in a continuous mode. Mono aldol product was detectable, but yields were comparably low and the operational stability needs to be further improved
Another approach towards immobilization of DERA conjugates that was followed, was to generate the conjugates in situ by simply mixing enzyme and polymer and spray coat the mixture onto the membrane support. Compared to the previous approach, the focus was more put on simplicity and a possible scalability of the immobilization. Conjugates were thus only generated in-situ and not further isolated and characterized. For the conjugation, PDMAA equipped with N-2-thiolactone acrylamide (TlaAm) side chains was used, an amine-reactive comonomer that can react with the lysine residues of DERA, as well as with amino groups introduced to a desired support surface. Furthermore disulfide formation after hydrolysis of the Tla groups causes a crosslinking effect. The synthesized copolymer poly(N,N-Dimethylacrylamide-co-N-2-thiolactone acrylamide) (P(DMAA-co-TlaAm)) thus serves a multiple purpose including protein binding, crosslinking and binding to support materials. The mixture of DERA and polymer could be immobilized on the PAN support by spray-coating under partial maintenance of enzymatic activity. To improve the acetaldehyde tolerance, the polymer in used was further equipped with cysteine reactive PDS end-groups that had been used for the conjugation as described in the first part of the thesis. The generated conjugates indeed showed good acetaldehyde tolerance and were thus used to be coated onto PAN membrane supports. Post treatment with a basic aqueous solution of H2O2 was supposed to further crosslink the spray-coated film hydrolysis and oxidation of the thiolactone groups. However, a washing off of the material was observed. Optimization is thus still necessary.
N2  - Die vorliegende Arbeit beschreibt die Synthese von Konjugaten aus 2-Deoxy-D-ribose-5-phosphat aldolase (DERA) und geeigneten Polymeren sowie deren nachfolgende Immobilisierung in dünnen Filmen mittels zwei verschiedener Herangehensweisen.
DERA ist ein Biokatalysator, der in der Lage ist, Acetaldehyd mit einem weiteren Aldehyd zu enantiomerenreinen Mono- und Dihydroxyaldehyden zu verknüpfen. Diese Verbindungen sind wichtige Strukturmotive für eine Reihe von pharmazeutisch aktiven Verbindungen. Konjugation und Immobilisierung machen das Enzym nutzbar für den Einsatz in einem kontinuierlich betriebenen, biokatalytischen Prozess, welcher das bekannte Problem der Produktinhibierung umgeht.
In der vorliegenden Arbeit wurden einerseits Konjugate aus DERA und Poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPAm) für die Immobilisierung mittels eines Selbstassemblierungsverfahrens synthetisiert und isoliert, sowie andererseits entsprechende Konjugate mit Poly(N,N-dimethylacrylamid) (PDMAA) für ein vereinfachtes und skalierbares Immobilisierungsverfahren mittels Sprühauftrag hergestellt. Für die DERA/PNIPAm-Konjugate wurden verschiedene Syntheserouten getestet, einschließlich grafting-from und grafting-to. Beide Methoden werden standardmäßig für entsprechende Konjugationen eingesetzt. Weiterhin wurden sowohl die Lysine als auch die Cysteine des Enzyms für die Konjugation herangezogen, um optimale Konjugationsbedingungen zu finden. Konjugation über die Lysine verursachte deutliche Aktivitätsverluste, da ein Lysin auch die Schlüsselrolle im katalytischen Mechanismus des Enzyms spielt. Die Konjugation über die Cysteine sowie einen grafting-to-Ansatz unter Nutzung eines entsprechenden Polymers mit cysteinreaktiver Pyridyldisulfid-Endgruppe (PDS) führte zu einer hohen Konjugationseffizienz, sofern polymersolubilisierendes NaSCN eingesetzt wurde. Die resultierenden Konjugate behielten ihre enzymatische Aktivität bei deutlich gesteigerter Toleranz gegenüber Acetaldehyd. Beide Aspekte sind wichtig für den Einsatz des Enzyms in einem industriell relevanten Prozess nach dem Immobilisierungsschritt. Die DERA/PNIPAm-Konjugate zeigten eine erhöhte Oberflächenaktivität im Vergleich zu den Einzelkomponenten, was eine wichtige Voraussetzung für die Immobilisierung über eine Selbstassemblierung darstellt. Konjugate mit relativ langen Polymerketten bildeten nach dem Selbstassemblierungsschritt homogene Filme auf Silizium-Wafern und Glass-Objektträgern während Konjugate mit kurzen Ketten nur isolierte Aggregate bildeten. Darüber hinaus zeigten die Konjugate mit längeren Ketten einen besseren Erhalt der Enzymaktivität im Zuge der Immobilisierung.
Die nachträgliche Vernetzung der Konjugate, sowie ihre feste Anbindung an die Trägermaterialien sind wichtige Voraussetzungen für die mechanische Stabilität des aus dem Selbstassemblierungsschritt erhaltenen Films. Aus diesem Grund wurde in einem zweiten Schritt das UV-vernetzbare Monomer DMMIBA in das für die Konjugation vorgesehene, PNIPAm-basierte Polymer eingeführt. Die Einbindung von DMMIBA setzte die untere kritische Lösungstemperatur (LCST) und damit die Löslichkeit des Polymers in Wasser bei Raumtemperatur herab. Dies führte zu niedrigeren Konjugationseffizienzen und damit zu einer etwas schlechteren Acetaldehydtoleranz der resultierenden Konjugate. Anders als im Fall von DERA/PNIPAm, bildeten die mit P(NIPAM-co-DMMIBA) synthetisierten Konjugate einen homogenen Film nur nach Vernetzung mittels UV-Behandlung aus. Für eine feste Anbindung des vernetzten Films wurde ein Funktionalisierungsprotokoll für das Modell-Trägermaterial aus cycloolefinischem Copolymer (COC) und das letztliche Zielmaterial, PAN-basierte Membranen, entwickelt, welches analoge UV-reaktive Gruppen auf der Trägeroberfläche erzeugt. Die auf COC immobilisierten Konjugate bewahrten ihre Enzymaktivität und zeigten eine gute mechanische Stabilität nach mehreren Aktivitäts-Messzyklen. Der Einsatz von Konjugaten mit längeren Polymerketten führte jedoch zu Filmen mit zu hohem Vernetzungsgrad was einen deutlichen Aktivitätsverlust bedingte. Eine poröse, PAN-basierte Membran, auf welcher die Konjugate ebenso immobilisiert wurden, wurde schlussendlich in ein Dead-End-Filtrationsmodul überführt, um die Aldolreaktion eines industriell relevanten Gemisches aus Acetaldehyd und Hexanal in einem kontinuierlich betriebenen Verfahren durchzuführen. Es konnte Monoaldolprodukt detektiert werden, jedoch waren die Ausbeuten vergleichsweise niedrig, während sich die operative Stabilität als verbesserungswürdig erwies.
Ein weiterer Immobilisierungsansatz für DERA-Konjugate, beinhaltete die in-situ-Generierung der Konjugate durch einfaches Vermischen von Enzym und Polymer gefolgt von unmittelbaren Auftrag des Materials auf ein Membranträgermaterial mittels Sprühen. Im Vergleich zum ersten Ansatz lag der Fokus hier mehr auf der Einfachheit und prinzipiellen Skalierbarkeit der Immobilisierung. Daher wurden die Konjugate hier nur in-situ erzeugt und nicht weiter isoliert sowie charakterisiert. Für die Konjugation wurde PDMAA herangezogen, welches mit Thiolactongruppen entlang der Seitenkette ausgerüstet ist. Die Thiolactongruppen sind reaktiv gegenüber Aminen und können daher sowohl mit den Lysineinheiten der DERA reagieren als auch mit Aminogruppen, die im Vorfeld auf dem Trägermaterial erzeugt wurden. Darüber hinaus können durch Hydrolyse der Thiolactoneinheiten sowie anschließender Ausbildung von Disulfidbrücken Vernetzungspunkte erzeugt werden. Das hergestellte Copolymer poly(N,N-Dimethylacrylamide-co-N-2-thiolactone acrylamide) (P(DMAA-co-TlaAm) übernimmt daher mehrere Aufgaben einschließlich Proteinbindung, Vernetzung und Anbindung an das Trägermaterial. Mischungen aus DERA und Polymer konnten durch Sprühauftrag auf funktionalisierten PAN-Trägermaterialien unter teilweisem Erhalt der Enzymaktivität immobilisiert werden. Um auch hier die Acetaldehydtoleranz zu verbessern, wurde das Polymer in einem zweiten Schritt wieder mit PDS-Endgruppen ausgerüstet, die schon zuvor im ersten Teil der Arbeit für die Konjugatsynthese mittels grafting-to herangezogen wurden. Die hergestellten Konjugate zeigten eine gute Acetaldehydtoleranz und wurden daher verwendet, um PAN-Membranen zu beschichten. Eine Nachbehandlung mittels einer basischen Wasserstoffperoxidlösung sollte den aufgesprühten Film vernetzen. Im Ergebnis wurde jedoch ein großer Teil des aufgebrachten Materials im Zuge dieses Schritts heruntergewaschen. Eine weitere Optimierung dieses Schritts ist daher noch notwendig.
KW  - 2-deoxy-D-ribose-5-phoshphate aldolase
KW  - enzyme immobilization
KW  - enzymatically active membrane
KW  - enzyme/polymer conjugate
KW  - self-assembly
Y1  - 2019
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhang, Quanchao
T1  - Shape-memory properties of polymeric micro-scale objects prepared by electrospinning and electrospraying
N2  - The ongoing trend of miniaturizing multifunctional devices, especially for minimally-invasive medical or sensor applications demands new strategies for designing the required functional polymeric micro-components or micro-devices. Here, polymers, which are capable of active movement, when an external stimulus is applied (e.g. shape-memory polymers), are intensively discussed as promising material candidates for realization of multifunctional micro-components. In this context further research activities are needed to gain a better knowledge about the underlying working principles for functionalization of polymeric micro-scale objects with a shape-memory effect. First reports about electrospun solid microfiber scaffolds, demonstrated a much more pronounced shape-memory effect than their bulk counterparts, indicating the high potential of electrospun micro-objects. 
Based on these initial findings this thesis was aimed at exploring whether the alteration of the geometry of micro-scale electrospun polymeric objects can serve as suitable parameter to tailor their shape-memory properties. The central hypothesis was that different geometries should result in different degrees of macromolecular chain orientation in the polymeric micro-scale objects, which will influence their mechanical properties as well as thermally-induced shape-memory function. As electrospun micro-scale objects, microfiber scaffolds composed of hollow microfibers with different wall thickness and electrosprayed microparticles as well as their magneto-sensitive nanocomposites all prepared from the same polymer exhibiting pronounced bulk shape-memory properties were investigated. For this work a thermoplastic multiblock copolymer, named PDC, with excellent bulk shape-memory properties, associated with crystallizable oligo(ε-caprolactone) (OCL) switching domains, was chosen for the preparation of electrospun micro-scale objects, while crystallizable oligo(p-dioxanone) (OPDO) segments serve as hard domains in PDC.   
In the first part of the thesis microfiber scaffolds with different microfiber geometries (solid or hollow with different wall thickness) were discussed. Hollow microfiber based PDC scaffolds were prepared by coaxial electrospinning from a 1, 1, 1, 3, 3, 3 hexafluoro-2-propanol (HFP) solution with a polymer concentration of 13% w·v-1. Here as a first step core-shell fiber scaffolds consisting of microfibers with a PDC shell and sacrificial poly(ethylene glycol) (PEG) core are generated. The hollow PDC microfibers were achieved after dissolving the PEG core with water. The utilization of a fixed electrospinning setup and the same polymer concentration of the PDC spinning solution could ensure the fabrication of microfibers with almost identical outer diameters of 1.4 ± 0.3 µm as determined by scanning electron microscopy (SEM). Different hollow microfiber wall thicknesses of 0.5 ± 0.2 and 0.3 ± 0.2 µm (analyzed by SEM) have been realized by variation of the mass flow rate, while solid microfibers were obtained by coaxial electrospinning without supplying any core solution. Differential scanning calorimetry experiments and tensile tests at ambient temperature revealed an increase in degree of OCL crystallinity form χc,OCL = 34 ± 1% to 43 ± 1% and a decrease in elongation of break from 800 ± 40% to 200 ± 50% associated with an increase in Young´s modulus and failture stress for PDC hollow microfiber scaffolds when compared with soild fibers. The observed effects were enhanced with decreasing wall thickness of the single hollow fibers. The shape-memory properties of the electrospun PDC scaffolds were quantified by cyclic, thermomechanical tensile tests. Here, scaffolds comprising hollow microfibers exhibited lower shape fixity ratios around Rf = 82 ± 1% and higher shape recovery ratios of Rr = 67 ± 1% associated to more pronounced relaxation at constant strain during the first test cycle and a lower switching temperature of Tsw = 33 ± 1 °C than the fibrous meshes consisting of solid microfibers. These findings strongly support the central hypothesis that different fiber geometries (solid or hollow with different wall thickness) in electrospun scaffolds result in different degrees of macromolecular chain orientation in the polymeric micro-scale objects, which can be applied as design parameter for tailoring their mechanical and shape-memory properties.
The second part of the thesis deals with electrosprayed particulate PDC micro-scale objects. Almost spherical PDC microparticles with diameters of 3.9 ± 0.9 μm (as determined by SEM) were achieved by electrospraying of HFP solution with a polymer concentration of 2% w·v-1. In contrast, smaller particles with sizes of 400 ± 100 nm or 1.2 ± 0.3 μm were obtained for the magneto-sensitive composite PDC microparticles containing 23 ± 0.5 wt% superparamagnetic magnetite nanoparticles (mNPs). All prepared PDC microparticles exhibited a similar overall crystallinity like the PDC bulk material as analyzed by DSC. AFM nanoindentation results revealed no influence of the nanofiller incorporation on the local mechanical properties represented by the reduced modulus determined for pure PDC microparticles and magneto-sensitive composite PDC microparticles with similar diameters around 1.3 µm. It was found that the reduced modulus of the nanocomposite microparticles increased substantially with decreasing particles size from 2.4 ± 0.9 GPa (1.2 µm) to 11.9 ± 3.1 GPa (0.4 µm), which can be related to a higher orientation of the macromolecules at the surface of smaller sized microparticles. The magneto-sensitivity of such nanocomposite microparticles could be demonstrated in two aspects. One was by attracting/collecting the composite micro-objects with an external permanent magnet. The other one was by a inductive heating to 44 ± 1 °C, which is well above the melting transition of the OCL switching domains, when compacted to a 10 x 10 mm2 film with a thickness of 10 µm and exposed to an alternating magnet field with an magnetic field strength of 30 kA·m-1. Both functions are of great relevance for designing next generation drug delivery systems combining targeting and on demand release.
By a compression approach shape-memory functionalization of individual microparticles could be realized. Here different programming pressures and compression temperatures were applied. The shape-recovery capability of the programmed PDC microparticles was quantified by online and off-line heating experiments analyzed via microscopy measurement. The obtained shape-memory properties were found to be strongly depending on the applied programming pressure and temperature. The best shape-memory performance with a high shape recovery rate of about Rr = 80±1% was obtained when a low pressure of 0.2 MPa was applied at 55 °C. Finally, it was demonstrated that PDC microparticles can be utilized as micro building parts for preparation of a macroscopic film with temporary stability by compression of a densely packed array of PDC microparticles at 60 °C followed by subsequent cooling to ambient temperature. This film disintegrates into individual microparticles upon heating to 60 °C. Based on this technology the design of stable macroscopic release systems can be envisioned, which can be easily fixed at the site of treatment (i.e. by suturing) and disintegrate on demand to microparticles facilitating the drug release.
In summary, the results of this thesis could confirm the central hypothesis that the variation of the geometry of polymeric micro-objects is a suitable parameter to adjust their shape-memory performance by changing the degree of macromolecular chain orientation in the specimens or by enabling new functions like on demand disintegration. These fundamental findings might be relevant for designing novel miniaturized multifunctional polymer-based devices.
KW  - shape-memory effect
KW  - microparticles
KW  - hollow microfibers
KW  - geometry
Y1  - 2018
ER  -