TY - GEN
A1 - Ziesemer, Florence
A1 - Hüttel, Alexandra
A1 - Balderjahn, Ingo
T1 - Pioneers’ insights into governing social innovation for sustainable anti-consumption
T2 - Postprints der Universität Potsdam Wirtschafts- und Sozialwissenschaftliche Reihe
N2 - Transcending the conventional debate around efficiency in sustainable consumption, anti-consumption patterns leading to decreased levels of material consumption have been gaining importance. Change agents are crucial for the promotion of such patterns, so there may be lessons for governance interventions that can be learnt from the every-day experiences of those who actively implement and promote sustainability in the field of anti-consumption. Eighteen social innovation pioneers, who engage in and diffuse practices of voluntary simplicity and collaborative consumption as sustainable options of anti-consumption share their knowledge and personal insights in expert interviews for this research. Our qualitative content analysis reveals drivers, barriers, and governance strategies to strengthen anti-consumption patterns, which are negotiated between the market, the state, and civil society. Recommendations derived from the interviews concern entrepreneurship, municipal infrastructures in support of local grassroots projects, regulative policy measures, more positive communication to strengthen the visibility of initiatives and emphasize individual benefits, establishing a sense of community, anti-consumer activism, and education. We argue for complementary action between top-down strategies, bottom-up initiatives, corporate activities, and consumer behavior. The results are valuable to researchers, activists, marketers, and policymakers who seek to enhance their understanding of materially reduced consumption patterns based on the real-life experiences of active pioneers in the field.
T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Wirtschafts- und Sozialwissenschaftliche Reihe - 116
KW - social innovation
KW - sufficiency
KW - collaborative consumption
KW - expert interview
KW - consumer behavior
KW - sustainability
KW - innovation policy
KW - governance for sustainable development
KW - consumer education
Y1 - 2019
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-439404
SN - 1867-5808
IS - 116
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 - JOUR
A1 - Zieris, Holger
A1 - Gerstberger, Herbert
A1 - Müller, Wolfgang
T1 - Using Arduino-Based Experiments to Integrate Computer Science Education and Natural Science
JF - KEYCIT 2014 - Key Competencies in Informatics and ICT
N2 - Current curricular trends require teachers in Baden-
Wuerttemberg (Germany) to integrate Computer Science (CS) into
traditional subjects, such as Physical Science. However, concrete guidelines
are missing. To fill this gap, we outline an approach where a
microcontroller is used to perform and evaluate measurements in the
Physical Science classroom.
Using the open-source Arduino platform, we expect students to acquire
and develop both CS and Physical Science competencies by using a
self-programmed microcontroller. In addition to this combined development
of competencies in Physical Science and CS, the subject matter
will be embedded in suitable contexts and learning environments,
such as weather and climate.
KW - Computer Science Education
KW - Natural Science Education
KW - Inquiry-based Learning
KW - Physical Science
KW - Measurement
KW - Arduino
KW - Sensors
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-82938
SN - 1868-0844
SN - 2191-1940
IS - 7
SP - 381
EP - 389
PB - Universitätsverlag Potsdam
CY - Potsdam
ER -
TY - INPR
A1 - Zienicke, Egbert
A1 - Seehafer, Norbert
A1 - Feudel, Fred
T1 - Bifurcations in two-dimensional Rayleigh-Bénard convection
N2 - Two-dimensional bouyancy-driven convection in a horizontal fluid layer with stress-free boundary conditions at top and bottom and periodic boundary conditions in the horizontal direction is investigated by means of numerical simulation and bifurcation-analysis techniques. As the bouyancy forces increase, the primary stationary and symmetric convection rolls undergo successive Hopf bifurcations, bifurcations to traveling waves, and phase lockings. We pay attention to symmetry breaking and its connection with the generation of large-scale horizontal flows. Calculations of Lyapunov exponents indicate that at a Rayleigh number of 2.3×105 no temporal chaos is reached yet, but the system moves nonchaotically on a 4-torus in phase space.
T3 - NLD Preprints - 42
Y1 - 1997
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-14534
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 - RPRT
A1 - Ziemann, Niklas
T1 - You will receive your money next week!
BT - Experimental evidence on the role of Future-Time Reference for intertemporal decision-making
T2 - CEPA Discussion Papers
N2 - Against the background of the increasingly discussed “Linguistic Saving Hypothesis” (Chen, 2013), I studied whether the targeted use of a present tense (close tense) and a future tense (distant tense) within the same language have an impact on intertemporal decision-making. In a monetarily incentivized laboratory experiment in Germany, I implemented two different treatments on intertemporal choices. The treatments differed in the tense in which I referred to future rewards. My results show that individuals prefer to a greater extent rewards which are associated with a present tense (close tense). This result is in line with my prediction and the first empirical support for the Linguistic Saving Hypothesis within one language. However, this result holds exclusively for males. Females seem to be unaffected by the linguistic manipulation. I discuss my findings in the context of “gender-as-culture” as well as their potential policy-implications.
T3 - CEPA Discussion Papers - 56
KW - Experiment
KW - Intertemporal Choice
KW - Language
KW - Linguistic Saving Hypothesis
Y1 - 2022
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-563983
SN - 2628-653X
IS - 56
CY - Potsdam
ER -
TY - JOUR
A1 - Zielnica, Krzystof
ED - Ette, Ottmar
ED - Knobloch, Eberhard
T1 - Alexander von Humboldt und Polen – zum 150. Jahrestag seiner Reise nach Warschau
BT - mit einleitenden Worten von Ingo Schwarz
JF - HiN : Alexander von Humboldt im Netz ; International Review for Humboldtian Studies
N2 - Zuerst erschienen in:
Alexander von Humboldt-Stiftung. Mitteilungen, 5. Jg., Heft 38, Oktober 1980, S. 27–36.
KW - Verhältnis zu Polen
KW - Ehrenmitglied der Warschauer Gesellschaft der Freunde der Wissenschaften
KW - Julian Ursyn Niemcewicz
KW - Nikolaus I.
KW - Kaiser von Russland und König von Polen (Kongresspolen)
Y1 - 2024
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-646635
SN - 2568-3543
SN - 1617-5239
VL - XXV
IS - 48
SP - 87
EP - 101
PB - Universitätsverlag Potsdam
CY - Potsdam
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 V der Daten X zu finden, sodass die Komponenten Un der transformierten Daten U = V X (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
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
ER -
TY - GEN
A1 - Ziegler, Moritz O.
A1 - Heidbach, Oliver
A1 - Reinecker, John
A1 - Przybycin, Anna M.
A1 - Scheck-Wenderoth, Magdalena
T1 - A multi-stage 3-D stress field modelling approach exemplified in the Bavarian Molasse Basin
T2 - Postprints der Universität Potsdam Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2 - The knowledge of the contemporary in situ stress state is a key issue for safe and sustainable subsurface engineering. However, information on the orientation and magnitudes of the stress state is limited and often not available for the areas of interest. Therefore 3-D geomechanical-numerical modelling is used to estimate the in situ stress state and the distance of faults from failure for application in subsurface engineering. The main challenge in this approach is to bridge the gap in scale between the widely scattered data used for calibration of the model and the high resolution in the target area required for the application. We present a multi-stage 3-D geomechanical-numerical approach which provides a state-of-the-art model of the stress field for a reservoir-scale area from widely scattered data records. Therefore, we first use a large-scale regional model which is calibrated by available stress data and provides the full 3-D stress tensor at discrete points in the entire model volume. The modelled stress state is used subsequently for the calibration of a smaller-scale model located within the large-scale model in an area without any observed stress data records. We exemplify this approach with two-stages for the area around Munich in the German Molasse Basin. As an example of application, we estimate the scalar values for slip tendency and fracture potential from the model results as measures for the criticality of fault reactivation in the reservoir-scale model. The modelling results show that variations due to uncertainties in the input data are mainly introduced by the uncertain material properties and missing S-Hmax magnitude estimates needed for a more reliable model calibration. This leads to the conclusion that at this stage the model's reliability depends only on the amount and quality of available stress information rather than on the modelling technique itself or on local details of the model geometry. Any improvements in modelling and increases in model reliability can only be achieved using more high-quality data for calibration.
T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 556
KW - in-situ stress
KW - induced seismicity
KW - geothermal-reservoirs
KW - geomechanical model
KW - fault reactivation
KW - alpine foreland
KW - map project
KW - km depth
KW - orientation
KW - system
Y1 - 2019
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-409806
SN - 1866-8372
IS - 556
ER -
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
ER -
TY - GEN
A1 - Ziegler, Joceline
A1 - Pfitzner, Bjarne
A1 - Schulz, Heinrich
A1 - Saalbach, Axel
A1 - Arnrich, Bert
T1 - Defending against Reconstruction Attacks through Differentially Private Federated Learning for Classification of Heterogeneous Chest X-ray Data
T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Reihe der Digital Engineering Fakultät
N2 - Privacy regulations and the physical distribution of heterogeneous data are often primary concerns for the development of deep learning models in a medical context. This paper evaluates the feasibility of differentially private federated learning for chest X-ray classification as a defense against data privacy attacks. To the best of our knowledge, we are the first to directly compare the impact of differentially private training on two different neural network architectures, DenseNet121 and ResNet50. Extending the federated learning environments previously analyzed in terms of privacy, we simulated a heterogeneous and imbalanced federated setting by distributing images from the public CheXpert and Mendeley chest X-ray datasets unevenly among 36 clients. Both non-private baseline models achieved an area under the receiver operating characteristic curve (AUC) of 0.940.94 on the binary classification task of detecting the presence of a medical finding. We demonstrate that both model architectures are vulnerable to privacy violation by applying image reconstruction attacks to local model updates from individual clients. The attack was particularly successful during later training stages. To mitigate the risk of a privacy breach, we integrated Rényi differential privacy with a Gaussian noise mechanism into local model training. We evaluate model performance and attack vulnerability for privacy budgets ε∈{1,3,6,10}�∈{1,3,6,10}. The DenseNet121 achieved the best utility-privacy trade-off with an AUC of 0.940.94 for ε=6�=6. Model performance deteriorated slightly for individual clients compared to the non-private baseline. The ResNet50 only reached an AUC of 0.760.76 in the same privacy setting. Its performance was inferior to that of the DenseNet121 for all considered privacy constraints, suggesting that the DenseNet121 architecture is more robust to differentially private training.
T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Reihe der Digital Engineering Fakultät - 14
KW - federated learning
KW - privacy and security
KW - privacy attack
KW - X-ray
Y1 - 2023
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-581322
IS - 14
ER -
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
ER -
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 - GEN
A1 - Ziege, Madlen
A1 - Theodorou, Panagiotis
A1 - Jüngling, Hannah
A1 - Merker, Stefan
A1 - Plath, Martin
A1 - Streit, Bruno
A1 - Lerp, Hannes
T1 - Population genetics of the European rabbit along a rural-to-urban gradient
T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch Naturwissenschaftliche Reihe
N2 - The European rabbit (Oryctolagus cuniculus) is declining in large parts of Europe but populations in some German cities remained so far unaffected by this decline. The question arises of how urbanization affects patterns of population genetic variation and differentiation in German rabbit populations, as urban habitat fragmentation may result in altered meta-population dynamics. To address this question, we used microsatellite markers to genotype rabbit populations occurring along a rural-to-urban gradient in and around the city of Frankfurt, Germany. We found no effect of urbanization on allelic richness. However, the observed heterozygosity was significantly higher in urban than rural populations and also the inbreeding coefficients were lower, most likely reflecting the small population sizes and possibly on-going loss of genetic diversity in structurally impoverished rural areas. Global FST and G'ST-values suggest moderate but significant differentiation between populations. Multiple matrix regression with randomization ascribed this differentiation to isolation-by-environment rather than isolation-by-distance. Analyses of migration rates revealed asymmetrical gene flow, which was higher from rural into urban populations than vice versa and may again reflect intensified agricultural land-use practices in rural areas. We discuss that populations inhabiting urban areas will likely play an important role in the future distribution of European rabbits.
T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 880
KW - Conservation biology
KW - Genetics
Y1 - 2020
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-460354
SN - 1866-8372
IS - 880
ER -
TY - GEN
A1 - Ziege, Madlen
A1 - Mahlow, Kristin
A1 - Hennige-Sulz, Carmen
A1 - Kronmarck, Claudia
A1 - Tiedemann, Ralph
A1 - Streit, Bruno
A1 - Plath, Martin
T1 - Audience effects in the Atlantic molly (Poecilia mexicana) : prudent male mate choice in response to perceived sperm competition risk?
N2 - Background: Multidirectional interactions in social networks can have a profound effect on mate choice behavior; e.g., Poecilia mexicana males show weaker expression of mating preferences when being observed by a rival. This may be an adaptation to reduce sperm competition risk, which arises because commonly preferred female phenotypes will receive attention also from surrounding males, and/or because other males can copy the focal male's mate choice. Do P. mexicana males indeed respond to perceived sperm competition risk? We gave males a choice between two females and repeated the tests under one of the following conditions: (1) an empty transparent cylinder was presented (control); (2) another ("audience") male inside the cylinder observed the focal male throughout the 2nd part, or (3) the audience male was presented only before the tests, but could not eavesdrop during the actual choice tests (non-specific sperm competition risk treatments); (4) the focal male could see a rival male interact sexually with the previously preferred, or (5) with the non-preferred female before the 2nd part of the tests (specific sperm competition risk treatments). Results: The strength of individual male preferences declined slightly also during the control treatment (1). However, this decrease was more than two-fold stronger in audience treatment (2), i.e., with non-specific sperm competition risk including the possibility for visual eavesdropping by the audience male. No audience effect was found in treatments (3) and (5), but a weak effect was also observed when the focal male had seen the previously preferred female sexually interact with a rival male (treatment 4; specific sperm competition risk). Conclusion: When comparing the two 'non-specific sperm competition risk' treatments, a very strong effect was found only when the audience male could actually observe the focal male during mate choice [treatment (2)]. This suggests that focal males indeed attempt to conceal their mating preferences so as to prevent surrounding males from copying their mate choice. When there is no potential for eavesdropping [treatment (3)], non-specific specific sperm competition risk seems to play a minor or no role. Our results also show that P. mexicana males tend to share their mating effort more equally among females when the resource value of their previously preferred mate decreases after mating with a rival male (perceived specific sperm competition risk), but this effect is comparatively weak.
T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - paper 143
KW - Siamese fighting fish
KW - Guppies poecilia-reticulata
KW - Betta-splendens
KW - Public information
KW - Mating preferences
Y1 - 2009
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-45171
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 - GEN
A1 - Zibulski, Romy
A1 - Wesener, Felix
A1 - Wilkes, Heinz
A1 - Plessen, Birgit
A1 - Pestryakova, Luidmila Agafyevna
A1 - Herzschuh, Ulrike
T1 - C / N ratio, stable isotope (δ 13 C, δ 15 N), and n-alkane patterns of brown mosses along hydrological gradients of low-centred polygons of the Siberian Arctic
T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2 - Mosses are a major component of the arctic vegetation, particularly in wetlands. We present C / N atomic ratio, delta C-13 and delta N-15 data of 400 brown-moss samples belonging to 10 species that were collected along hydrological gradients within polygonal mires located on the southern Taymyr Peninsula and the Lena River delta in northern Siberia. Additionally, n-alkane patterns of six of these species (16 samples) were investigated. The aim of the study is to see whether the inter-and intraspecific differences in C / N, isotopic compositions and n-alkanes are indicative of habitat, particularly with respect to water level. Overall, we find high variability in all investigated parameters for two different moisture-related groups of moss species. The C / N ratios range between 11 and 53 (median: 32) and show large variations at the intraspecific level. However, species preferring a dry habitat (xero-mesophilic mosses) show higher C / N ratios than those preferring a wet habitat (meso-hygrophilic mosses). The delta C-13 values range between 37.0 and 22.5% (median D 27.8 %). The delta N-15 values range between 6.6 and C 1.7%(median D 2.2 %). We find differences in delta C-13 and delta N-15 compositions between both habitat types. For some species of the meso-hygrophilic group, we suggest that a relationship between the individ-ual habitat water level and isotopic composition can be inferred as a function of microbial symbiosis. The n-alkane distribution also shows differences primarily between xeromesophilic and meso-hygrophilic mosses, i. e. having a dominance of n-alkanes with long (n-C29, n-C31 /and intermediate (n-C25 /chain lengths, respectively. Overall, our results reveal that C / N ratios, isotopic signals and n-alkanes of studied brown-moss taxa from polygonal wetlands are characteristic of their habitat.
T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 672
KW - atmospheric nitrogen deposition
KW - Lena River delta
KW - free amino-acids
KW - ombrotrophic peat
KW - carbon isotopes
KW - aquatic macrophytes
KW - methane oxidation
KW - organic matter
KW - soil-nitrogen
KW - plants
Y1 - 2019
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-417104
SN - 1866-8372
IS - 672
ER -
TY - BOOK
A1 - Zhuchok, Anatolii V.
T1 - Relatively free doppelsemigroups
N2 - A doppelalgebra is an algebra defined on a vector space with two binary linear associative operations. Doppelalgebras play a prominent role in algebraic K-theory. We consider doppelsemigroups, that is, sets with two binary associative operations satisfying the axioms of a doppelalgebra. Doppelsemigroups are a generalization of semigroups and they have relationships with such algebraic structures as interassociative semigroups, restrictive bisemigroups, dimonoids, and trioids.
In the lecture notes numerous examples of doppelsemigroups and of strong doppelsemigroups are given. The independence of axioms of a strong doppelsemigroup is established. A free product in the variety of doppelsemigroups is presented. We also construct a free (strong) doppelsemigroup, a free commutative (strong) doppelsemigroup, a free n-nilpotent (strong) doppelsemigroup, a free n-dinilpotent (strong) doppelsemigroup, and a free left n-dinilpotent doppelsemigroup. Moreover, the least commutative congruence, the least n-nilpotent congruence, the least n-dinilpotent congruence on a free (strong) doppelsemigroup and the least left n-dinilpotent congruence on a free doppelsemigroup are characterized.
The book addresses graduate students, post-graduate students, researchers in algebra and interested readers.
N2 - Eine Doppelalgebra ist eine auf einem Vektorraum definierte Algebra mit zwei binären linearen assoziativen Operationen. Doppelalgebren spielen eine herausragende Rolle in der algebraischen K-Theorie. Wir betrachten Doppelhalbgruppen, d.h Mengen mit zwei binären assoziativen Operationen, welche die Axiome der Doppelhalbgruppe erfüllen. Doppelhalbgruppen sind Veralgemeinerungen von Halbgruppen und sie stehen in Beziehung zu solchen algebraischen Strukturen wie interassoziative Halbgruppen, restriktive Bihalbgruppen, Dimonoiden und Trioden.
In dieser Lecture Notes werden eine Vielzahl von Beispielen für Doppelhalbgruppen und strong Doppelhalbgruppen gegeben. Die Unabhängigkeit der Axiome für Doppelhalbgruppen wird nachgewiesen. Ein freies Produkt in der Varietät der Doppelhalbgruppen wird vorgestellt. Wir konstruieren auch eine freie (kommutative) strong Doppelhalbgruppe, eine freie n-dinilpotent (strong) Doppelhalbgruppe und eine freie Links n-dinilpotent Doppelhalbgruppe. Darüber hinaus werden die kleinste n-nilpotente Kogruenz, die kleinste n-dinilpotente Kongruenz auf der freien (strong) Doppelhalbgruppe und die kleinste n-dinilpotente Kongruenz auf einer freien Doppelhalbgruppe charakterisiert.
Das Buch richtet sich an Graduierte, Doktoranden, Forscher in Algebra und interessierte Leser.
T3 - Lectures in pure and applied mathematics - 5
KW - doppelsemigroup
KW - interassociativity
KW - free algebra
KW - semigroup
KW - congruence
Y1 - 2018
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-407719
SN - 978-3-86956-427-2
SN - 2199-4951
SN - 2199-496X
IS - 5
PB - Universitätsverlag Potsdam
CY - Potsdam
ER -
TY - GEN
A1 - Zhu, Fangjun
A1 - Schlupp, Ingo
A1 - Tiedemann, Ralph
T1 - Sequence Evolution and Expression of the Androgen Receptor and Other Pathway-Related Genes in a Unisexual Fish, the Amazon Molly, Poecilia formosa, and Its Bisexual Ancestors
N2 - The all-female Amazon molly (Poecilia formosa) originated from a single hybridization of two bisexual ancestors, Atlantic molly (Poecilia mexicana) and sailfin molly (Poecilia latipinna). As a gynogenetic species, the Amazon molly needs to copulate with a heterospecific male, but the genetic information of the sperm-donor does not contribute to the next generation, as the sperm only acts as the trigger for the diploid eggs’ embryogenesis. Here, we study the sequence evolution and gene expression of the duplicated genes coding for androgen receptors (ars) and other pathway-related genes, i.e., the estrogen receptors (ers) and cytochrome P450, family19, subfamily A, aromatase genes (cyp19as), in the Amazon molly, in comparison to its bisexual ancestors. Mollies possess–as most other teleost fish—two copies of the ar, er, and cyp19a genes, i.e., arα/arβ, erα/erβ1, and cyp19a1 (also referred as cyp19a1a)/cyp19a2 (also referred to as cyp19a1b), respectively. Non-synonymous single nucleotide polymorphisms (SNPs) among the ancestral bisexual species were generally predicted not to alter protein function. Some derived substitutions in the P. mexicana and one in P. formosa are predicted to impact protein function. We also describe the gene expression pattern of the ars and pathway-related genes in various tissues (i.e., brain, gill, and ovary) and provide SNP markers for allele specific expression research. As a general tendency, the levels of gene expression were lowest in gill and highest in ovarian tissues, while expression levels in the brain were intermediate in most cases. Expression levels in P. formosa were conserved where expression did not differ between the two bisexual ancestors. In those cases where gene expression levels significantly differed between the bisexual species, P. formosa expression was always comparable to the higher expression level among the two ancestors. Interestingly, erβ1 was expressed neither in brain nor in gill in the analyzed three molly species, which implies a more important role of erα in the estradiol synthesis pathway in these tissues. Furthermore, our data suggest that interactions of steroid-signaling pathway genes differ across tissues, in particular the interactions of ars and cyp19as.
T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 265
Y1 - 2016
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-97119
ER -
TY - GEN
A1 - Zhu, Fangjun
A1 - Schlupp, Ingo
A1 - Tiedemann, Ralph
T1 - Allele-specific expression at the androgen receptor alpha gene in a hybrid unisexual fish, the Amazon molly (Poecilia formosa)
N2 - The all-female Amazon molly (Poecilia formosa) is the result of a hybridization of the Atlantic molly (P. mexicana) and the sailfin molly (P. latipinna) approximately 120,000 years ago. As a gynogenetic species, P. formosa needs to copulate with heterospecific males including males from one of its bisexual ancestral species. However, the sperm only triggers embryogenesis of the diploid eggs. The genetic information of the sperm donor typically will not contribute to the next generation of P. formosa. Hence, P. formosa possesses generally one allele from each of its ancestral species at any genetic locus. This raises the question whether both ancestral alleles are equally expressed in P. formosa. Allele-specific expression (ASE) has been previously assessed in various organisms, e.g., human and fish, and ASE was found to be important in the context of phenotypic variability and disease. In this study, we utilized Real-Time PCR techniques to estimate ASE of the androgen receptor alpha (arα) gene in several distinct tissues of Amazon mollies. We found an allelic bias favoring the maternal ancestor (P. mexicana) allele in ovarian tissue. This allelic bias was not observed in the gill or the brain tissue. Sequencing of the promoter regions of both alleles revealed an association between an Indel in a known CpG island and differential expression. Future studies may reveal whether our observed cis-regulatory divergence is caused by an ovary-specific trans-regulatory element, preferentially activating the allele of the maternal ancestor.
T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 395
Y1 - 2017
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-403875
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 - CHAP
A1 - Zhou, Neng-Fa
T1 - What I have learned from all these solver competitions
N2 - In this talk, I would like to share my experiences gained from participating in four CSP solver competitions and the second ASP solver competition. In particular, I’ll talk about how various programming techniques can make huge differences in solving some of the benchmark problems used in the competitions. These techniques include global constraints, table constraints, and problem-specific propagators and labeling strategies for selecting variables and values. I’ll present these techniques with experimental results from B-Prolog and other CLP(FD) systems.
Y1 - 2010
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-41431
ER -
TY - GEN
A1 - Zhou, Lin
A1 - Fischer, Eric
A1 - Tunca, Can
A1 - Brahms, Clemens Markus
A1 - Ersoy, Cem
A1 - Granacher, Urs
A1 - Arnrich, Bert
T1 - How We Found Our IMU
BT - Guidelines to IMU Selection and a Comparison of Seven IMUs for Pervasive Healthcare Applications
T2 - Postprints der Universität Potsdam : Reihe der Digital Engineering Fakultät
N2 - Inertial measurement units (IMUs) are commonly used for localization or movement tracking in pervasive healthcare-related studies, and gait analysis is one of the most often studied topics using IMUs. The increasing variety of commercially available IMU devices offers convenience by combining the sensor modalities and simplifies the data collection procedures. However, selecting the most suitable IMU device for a certain use case is increasingly challenging. In this study, guidelines for IMU selection are proposed. In particular, seven IMUs were compared in terms of their specifications, data collection procedures, and raw data quality. Data collected from the IMUs were then analyzed by a gait analysis algorithm. The difference in accuracy of the calculated gait parameters between the IMUs could be used to retrace the issues in raw data, such as acceleration range or sensor calibration. Based on our algorithm, we were able to identify the best-suited IMUs for our needs. This study provides an overview of how to select the IMUs based on the area of study with concrete examples, and gives insights into the features of seven commercial IMUs using real data.
T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Reihe der Digital Engineering Fakultät - 2
KW - inertial measurement unit
KW - pervasive healthcare
KW - gait analysis
KW - comparison of devices
Y1 - 2020
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-481628
IS - 2
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 - GEN
A1 - Zhong, Yufei
A1 - Causa, Martina
A1 - Moore, Gareth John
A1 - Krauspe, Philipp
A1 - Xiao, Bo
A1 - Günther, Florian
A1 - Kublitski, Jonas
A1 - BarOr, Eyal
A1 - Zhou, Erjun
A1 - Banerji, Natalie
T1 - Sub-picosecond charge-transfer at near-zero driving force in polymer:non-fullerene acceptor blends and bilayers
T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2 - Organic photovoltaics based on non-fullerene acceptors (NFAs) show record efficiency of 16 to 17% and increased photovoltage owing to the low driving force for interfacial charge-transfer. However, the low driving force potentially slows down charge generation, leading to a tradeoff between voltage and current. Here, we disentangle the intrinsic charge-transfer rates from morphology-dependent exciton diffusion for a series of polymer:NFA systems. Moreover, we establish the influence of the interfacial energetics on the electron and hole transfer rates separately. We demonstrate that charge-transfer timescales remain at a few hundred femtoseconds even at near-zero driving force, which is consistent with the rates predicted by Marcus theory in the normal region, at moderate electronic coupling and at low re-organization energy. Thus, in the design of highly efficient devices, the energy offset at the donor:acceptor interface can be minimized without jeopardizing the charge-transfer rate and without concerns about a current-voltage tradeoff.
T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1422
KW - organic solar cell
KW - electron-transfer
KW - Donor-Acceptor (DA) interface
KW - transfer dynamics
KW - donor
KW - seperation
KW - efficiency
KW - impact
KW - energy
KW - photovoltaics
Y1 - 2020
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-511936
SN - 1866-8372
IS - 1
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 - GEN
A1 - Zhang, Youjun
A1 - Chen, Moxian
A1 - Siemiatkowska, Beata
A1 - Toleco, Mitchell Rey
A1 - Jing, Yue
A1 - Strotmann, Vivien
A1 - Zhang, Jianghua
A1 - Stahl, Yvonne
A1 - Fernie, Alisdair
T1 - A highly efficient agrobacterium-mediated method for transient gene expression and functional studies in multiple plant species
T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2 - Although the use of stable transformation technology has led to great insight into gene function, its application in high-throughput studies remains arduous. Agro-infiltration have been widely used in species such as Nicotiana benthamiana for the rapid detection of gene expression and protein interaction analysis, but this technique does not work efficiently in other plant species, including Arabidopsis thaliana. As an efficient high-throughput transient expression system is currently lacking in the model plant species A. thaliana, we developed a method that is characterized by high efficiency, reproducibility, and suitability for transient expression of a variety of functional proteins in A. thaliana and 7 other plant species, including Brassica oleracea, Capsella rubella, Thellungiella salsuginea, Thellungiella halophila, Solanum tuberosum, Capsicum annuum, and N. benthamiana. Efficiency of this method was independently verified in three independent research facilities, pointing to the robustness of this technique. Furthermore, in addition to demonstrating the utility of this technique in a range of species, we also present a case study employing this method to assess protein-protein interactions in the sucrose biosynthesis pathway in Arabidopsis.
T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1189
KW - transient expression
KW - agro-infiltration
KW - subcellular localization
KW - protein-protein interaction
Y1 - 2019
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-524254
SN - 1866-8372
IS - 5
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 - BOOK
A1 - Zhang, Shuhao
A1 - Plauth, Max
A1 - Eberhardt, Felix
A1 - Polze, Andreas
A1 - Lehmann, Jens
A1 - Sejdiu, Gezim
A1 - Jabeen, Hajira
A1 - Servadei, Lorenzo
A1 - Möstl, Christian
A1 - Bär, Florian
A1 - Netzeband, André
A1 - Schmidt, Rainer
A1 - Knigge, Marlene
A1 - Hecht, Sonja
A1 - Prifti, Loina
A1 - Krcmar, Helmut
A1 - Sapegin, Andrey
A1 - Jaeger, David
A1 - Cheng, Feng
A1 - Meinel, Christoph
A1 - Friedrich, Tobias
A1 - Rothenberger, Ralf
A1 - Sutton, Andrew M.
A1 - Sidorova, Julia A.
A1 - Lundberg, Lars
A1 - Rosander, Oliver
A1 - Sköld, Lars
A1 - Di Varano, Igor
A1 - van der Walt, Estée
A1 - Eloff, Jan H. P.
A1 - Fabian, Benjamin
A1 - Baumann, Annika
A1 - Ermakova, Tatiana
A1 - Kelkel, Stefan
A1 - Choudhary, Yash
A1 - Cooray, Thilini
A1 - Rodríguez, Jorge
A1 - Medina-Pérez, Miguel Angel
A1 - Trejo, Luis A.
A1 - Barrera-Animas, Ari Yair
A1 - Monroy-Borja, Raúl
A1 - López-Cuevas, Armando
A1 - Ramírez-Márquez, José Emmanuel
A1 - Grohmann, Maria
A1 - Niederleithinger, Ernst
A1 - Podapati, Sasidhar
A1 - Schmidt, Christopher
A1 - Huegle, Johannes
A1 - de Oliveira, Roberto C. L.
A1 - Soares, Fábio Mendes
A1 - van Hoorn, André
A1 - Neumer, Tamas
A1 - Willnecker, Felix
A1 - Wilhelm, Mathias
A1 - Kuster, Bernhard
ED - Meinel, Christoph
ED - Polze, Andreas
ED - Beins, Karsten
ED - Strotmann, Rolf
ED - Seibold, Ulrich
ED - Rödszus, Kurt
ED - Müller, Jürgen
T1 - HPI Future SOC Lab – Proceedings 2017
T1 - HPI Future SOC Lab – Proceedings 2017
N2 - The “HPI Future SOC Lab” is a cooperation of the Hasso Plattner Institute (HPI) and industry partners. Its mission is to enable and promote exchange and interaction between the research community and the industry partners.
The HPI Future SOC Lab provides researchers with free of charge access to a complete infrastructure of state of the art hard and software. This infrastructure includes components, which might be too expensive for an ordinary research environment, such as servers with up to 64 cores and 2 TB main memory. The offerings address researchers particularly from but not limited to the areas of computer science and business information systems. Main areas of research include cloud computing, parallelization, and In-Memory technologies.
This technical report presents results of research projects executed in 2017. Selected projects have presented their results on April 25th and November 15th 2017 at the Future SOC Lab Day events.
N2 - Das Future SOC Lab am HPI ist eine Kooperation des Hasso-Plattner-Instituts mit verschiedenen Industriepartnern. Seine Aufgabe ist die Ermöglichung und Förderung des Austausches zwischen Forschungsgemeinschaft und Industrie.
Am Lab wird interessierten Wissenschaftlern eine Infrastruktur von neuester Hard- und Software kostenfrei für Forschungszwecke zur Verfügung gestellt. Dazu zählen teilweise noch nicht am Markt verfügbare Technologien, die im normalen Hochschulbereich in der Regel nicht zu finanzieren wären, bspw. Server mit bis zu 64 Cores und 2 TB Hauptspeicher. Diese Angebote richten sich insbesondere an Wissenschaftler in den Gebieten Informatik und Wirtschaftsinformatik. Einige der Schwerpunkte sind Cloud Computing, Parallelisierung und In-Memory Technologien.
In diesem Technischen Bericht werden die Ergebnisse der Forschungsprojekte des Jahres 2017 vorgestellt. Ausgewählte Projekte stellten ihre Ergebnisse am 25. April und 15. November 2017 im Rahmen der Future SOC Lab Tag Veranstaltungen vor.
T3 - Technische Berichte des Hasso-Plattner-Instituts für Digital Engineering an der Universität Potsdam - 130
KW - Future SOC Lab
KW - research projects
KW - multicore architectures
KW - In-Memory technology
KW - cloud computing
KW - machine learning
KW - artifical intelligence
KW - Future SOC Lab
KW - Forschungsprojekte
KW - Multicore Architekturen
KW - In-Memory Technologie
KW - Cloud Computing
KW - maschinelles Lernen
KW - Künstliche Intelligenz
Y1 - 2020
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-433100
SN - 978-3-86956-475-3
SN - 1613-5652
SN - 2191-1665
IS - 130
PB - Universitätsverlag Potsdam
CY - Potsdam
ER -
TY - THES
A1 - Zhang, Jianrui
T1 - Completely water-based emulsions as compartmentalized systems via pickering stabilization
N2 - Completely water-based systems are of interest for the development of novel material for various reasons: On one hand, they provide benign environment for biological systems and on the other hand they facilitate effective molecular transport in a membrane-free environment. In order to investigate the general potential of aqueous two-phase systems (ATPSs) for biomaterials and compartmentalized systems, various solid particles were applied to stabilize all-aqueous emulsion droplets. The target ATPS to be investigated should be prepared via mixing of two aqueous solutions of water-soluble polymers, which turn biphasic when exceeding a critical polymer concentration. Hydrophilic polymers with a wide range of molar mass such as dextran/poly(ethylene glycol) (PEG) can therefore be applied. Solid particles adsorbed at the interfaces can be exceptionally efficient stabilizers forming so-called Pickering emulsions, and nanoparticles can bridge the correlation length of polymer solutions and are thereby the best option for water-in-water emulsions.
The first approach towards the investigation of ATPS was conducted with all aqueous dextran-PEG emulsions in the presence of poly(dopamine) particles (PDP) in Chapter 4. The water-in-water emulsions were formed with a PEG/dextran system via utilizing PDP as stabilizers. Studies of the formed emulsions were performed via laser scanning confocal microscope (CLSM), optical microscope (OM), cryo-scanning electron microscope (SEM) and tensiometry. The stable emulsions (at least 16 weeks) were demulsified easily via dilution or surfactant addition. Furthermore, the solid PDP at the water-water interface were crosslinked in order to inhibit demulsification of the Pickering emulsion. Transmission electron microscope (TEM) and scanning electron microscope (SEM) were used to visualize the morphology of PDP before and after crosslinking. PDP stabilized water-in-water emulsions were utilized in the following Chapter 5 to form supramolecular compartmentalized hydrogels. Here, hydrogels were prepared in pre-formed water-in-water emulsions and gelled via α-cyclodextrin-PEG (α-CD-PEG) inclusion complex formation. Studies of the formed complexes were performed via X-ray powder diffraction (XRD) and the mechanical properties of the hydrogels were measured with oscillatory shear rheology. In order to verify the compartmentalized state and its triggered decomposition, hydrogels and emulsions were assessed via OM, SEM and CLSM. The last chapter broadens the investigations from the previous two systems by utilizing various carbon nitrides (CN) as different stabilizers in ATPS. CN introduces another way to trigger demulsification, namely irradiation with visible light. Therefore, emulsification and demulsification with various triggers were probed. The investigated all aqueous multi-phase systems will act as model for future fabrication of biocompatible materials, cell micropatterning as well as separation of compartmentalized systems.
N2 - Komplett wässrige Systeme sind aus vielerlei Hinsicht interessant für die Entwicklung neuer Materialien: Zum Einen eignet sich die wässrige Umgebung für Anwendung in biologischen System und zum Anderen ermöglicht eine Membran-freie Umgebung erleichterten Stofftransport. In dieser Arbeit wurden verschiedene Partikeltypen zur Stabilisierung von Wasser-in-Wasser Emulsionströpfchen eingesetzt, um das Potenzial von ATPSs (Aqueous two-phase systems (DE: Wässrige Zweiphasensysteme)) für Biomaterialien und kompartmentalisierte Systeme zu untersuchen.
Das zu untersuchende ATPS sollte durch Mischen von zwei wässrigen Lösungen wasserlöslicher Polymere hergestellt werden und bei Überschreiten einer kritischen Polymerkonzentration zweiphasig werden. Als hydrophile Polymer wurden Dextran und Poly(ethylenglycol) (PEG) für die Bildung des ATPS angewendet. Die Grenzfläche zwischen den beiden Phasen in ATPSs ist undefiniert und erstreckt sich über einen Bereich, deshalb müssen Partikel für die Stabilisierung des ATPS eingesetzt werden. Die an den Grenzflächen adsorbierten Partikel können effizient als Stabilisatoren fungieren und die sogenannten Pickering-Emulsionen bilden.
Der erste Ansatz der Untersuchung von Wasser-in-Wasser Emulsionen wurde mit dem Dextran-PEG-System in Gegenwart von Poly(dopamin)-Partikeln (PDP) als Stabilisatoren durchgeführt. Die bis zu 16 Wochen stabilen Emulsionen konnten mittels Verdünnung oder Tensidzugabe gebrochen werden. Weiterhin wurde die stabilisierenden PDP vernetzt, um eine Deemulgierung der Pickering-Emulsion zu verhindern. Des Weiteren wurden PDP stabiliserte Emulsionen verwednet, um supramolekulare kompartmentalisierte Hydrogele herzustellen. Hier wurden Hydrogele in vorgeformten Wasser-in-Wasser-Emulsionen hergestellt und über die Bildung des α-Cyclodextrin-PEG Komplexes geliert. Die gebildeten Komplexe wurden mittels XRD erforscht und die mechanischen Eigenschaften der Hydrogele mit Rheologie gemessen. Zuletzt wurde die Forschung der zwei vorherigen erwähnten Systemen erweitert, indem verschiedene Kohlenstoffnitride (CN) als Stabilisatoren in ATPS verwendet wurden. Der Einsatz von CN ermöglichte dabei einen weiteren Stimulus zur Deemulgierung, nämlich sichtbares Licht. So wurden Emulgierung und Deemulgierung mit verschiedenen äußeren Reizen untersucht. Die verschiedenen Wasser-in-Wasser Emulsionen werden ein Modell für die zukünftige Herstellung biokompatibler Materialien, die örtlche Zellstrukturierung sowie die Trennung von Kompartimentsystemen liefern.
T2 - Vollständig wasserbasierte Pickeringemulsionen als Kompartimentsysteme
KW - emulsion
KW - water-in-water
KW - ATPS
KW - Emulsionen
KW - Wasser-in-Wasser
Y1 - 2020
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-476542
ER -
TY - GEN
A1 - Zhang, Gong
A1 - Ignatova, Zoya
T1 - Generic algorithm to predict the speed of translational elongation : implications for protein biogenesis
N2 - Synonymous codon usage and variations in the level of isoaccepting tRNAs exert a powerful selective force on translation fidelity. We have developed an algorithm to evaluate the relative rate of translation which allows large-scale comparisons of the non-uniform translation rate on the protein biogenesis. Using the complete genomes of Escherichia coli and Bacillus subtilis we show that stretches of codons pairing to minor tRNAs form putative sites to locally attenuate translation; thereby the tendency is to cluster in near proximity whereas long contiguous stretches of slow-translating triplets are avoided. The presence of slow-translating segments positively correlates with the protein length irrespective of the protein abundance. The slow-translating clusters are predominantly located down-stream of the domain boundaries presumably to fine-tune translational accuracy with the folding fidelity of multidomain proteins. Translation attenuation patterns at highly structurally and functionally conserved domains are preserved across the species suggesting a concerted selective pressure on the codon selection and species-specific tRNA abundance in these regions.
T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - paper 132
Y1 - 2009
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-45007
ER -
TY - THES
A1 - Zhang, Bo
T1 - Magnetic fields near microstructured surfaces : application to atom chips
T1 - Magnetische Felder in der Nähe von microstrukturierten Oberflächen : Anwendung auf Atomchips
N2 - Microfabricated solid-state surfaces, also called atom chip', have become a well-established technique to trap and manipulate atoms. This has simplified applications in atom interferometry, quantum information processing, and studies of many-body systems. Magnetic trapping potentials with arbitrary geommetries are generated with atom chip by miniaturized current-carrying conductors integrated on a solid substrate. Atoms can be trapped and cooled to microKelvin and even nanoKelvin temperatures in such microchip trap. However, cold atoms can be significantly perturbed by the chip surface, typically held at room temperature. The magnetic field fluctuations generated by thermal currents in the chip elements may induce spin flips of atoms and result in loss, heating and decoherence. In this thesis, we extend previous work on spin flip rates induced by magnetic noise and consider the more complex geometries that are typically encountered in atom chips: layered structures and metallic wires of finite cross-section. We also discuss a few aspects of atom chips traps built with superconducting structures that have been suggested as a means to suppress magnetic field fluctuations. The thesis describes calculations of spin flip rates based on magnetic Green functions that are computed analytically and numerically. For a chip with a top metallic layer, the magnetic noise depends essentially on the thickness of that layer, as long as the layers below have a much smaller conductivity. Based on this result, scaling laws for loss rates above a thin metallic layer are derived. A good agreement with experiments is obtained in the regime where the atom-surface distance is comparable to the skin depth of metal. Since in the experiments, metallic layers are always etched to separate wires carrying different currents, the impact of the finite lateral wire size on the magnetic noise has been taken into account. The local spectrum of the magnetic field near a metallic microstructure has been investigated numerically with the help of boundary integral equations. The magnetic noise significantly depends on polarizations above flat wires with finite lateral width, in stark contrast to an infinitely wide wire. Correlations between multiple wires are also taken into account. In the last part, superconducting atom chips are considered. Magnetic traps generated by superconducting wires in the Meissner state and the mixed state are studied analytically by a conformal mapping method and also numerically. The properties of the traps created by superconducting wires are investigated and compared to normal conducting wires: they behave qualitatively quite similar and open a route to further trap miniaturization, due to the advantage of low magnetic noise. We discuss critical currents and fields for several geometries.
N2 - Mikrotechnologische Oberflächen, sogenannte Atomchips, sind eine etablierte Methode zum Speichern und Manipulieren von Atomen geworden. Das hat Anwendungen in der Atom-Interferometrie, Quanteninformationsverarbeitung und Vielteilchensystemen vereinfacht. Magnetische Fallenpotentiale mit beliebigen Geometrien werden durch Atomchips mit miniaturisierten stromführenden Leiterbahnen auf einer Festkörperunterlage realisiert. Atome können bei Temperaturen im $\mu$ K oder sogar nK-Bereich in einer solchen Falle gespeichert und gekühlt werden. Allerdings können kalte Atome signifikant durch die Chip-Oberfläche gestört werden, die sich typischerweise auf Raumtemperatur befindet. Die durch thermische Ströme im Chip erzeugten magnetischen Feldfluktuationen können Spin-Flips der Atome induzieren und Verlust, Erwärmung und Dekohärenz zur Folge haben. In dieser Dissertation erweitern wir frühere Arbeiten über durch magnetisches Rauschen induzierte Spin-Flip-Ratenund betrachten kompliziertere Geometrien, wie sie typischerweise auf einem Atom-Chip anzutreffen sind: Geschichtete Strukturen und metallische Leitungen mit endlichem Querschnitt. Wir diskutieren auch einige Aspekte von Aomchips aus Supraleitenden Strukturen die als Mittel zur Unterdrückung magnetischer Feldfluktuationen vorgeschlagen wurden. Die Arbeit beschreibt analytische und numerische Rechnungen von Spin-Flip Raten auf Grundlage magnetischer Greensfunktionen. Für einen Chip mit einem metallischen Top-Layer hängt das magnetische Rauschen hauptsächlich von der Dicke des Layers ab, solange die unteren Layer eine deutlich kleinere Leitfähigkeit haben. Auf Grundlage dieses Ergebnisses werden Skalengesetze für Verlustraten über einem dünnen metallischen Leiter hergeleitet. Eine gute Übereinstimmung mit Experimenten wird in dem Bereich erreicht, wo der Abstand zwischen Atom und Oberfläche in der Größenordnung der Eindringtiefe des Metalls ist. Da in Experimenten metallische Layer immer geätzt werden, um verschiedene stromleitende Bahnen vonenander zu trennen, wurde der Einfluß eines endlichen Querschnittsauf das magnetische Rauschen berücksichtigt. Das lokale Spektrum des magnetischen Feldes in der Nähe einer metallischen Mikrostruktur wurde mit Hilfe von Randintegralen numerisch untersucht. Das magnetische Rauschen hängt signifikant von der Polarisierung über flachen Leiterbahnen mit endlichem Querschnitt ab, im Unterschied zu einem unendlich breiten Leiter. Es wurden auch Korrelationen zwischen mehreren Leitern berücksichtigt. Im letzten Teil werden supraleitende Atomchips betrachtet. Magnetische Fallen, die von supraleitenden Bahnen im Meissner Zustand und im gemischten Zustand sind werden analytisch durch die Methode der konformen Abbildung und numerisch untersucht. Die Eigenschaften der durch supraleitende Bahnen erzeugten Fallen werden erforscht und mit normal leitenden verglichen: Sie verhalten sich qualitativ sehr ähnlich und öffnen einen Weg zur weiteren Miniaturisierung von Fallen, wegen dem Vorteil von geringem magnetischem Rauschen. Wir diskutieren kritische Ströme und Felder für einige Geometrien.
KW - Magnetische Felder
KW - Atom chip
KW - Supraleiter
KW - magnetisches Rauschen
KW - microstrukturierte Oberfläche
KW - magnetic fields
KW - atom chip
KW - superconductors
KW - magnetic noise
KW - microstructured surface
Y1 - 2008
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-28984
ER -
TY - THES
A1 - Zhang, Baichen
T1 - Dissection of phloem transport in cucurbitaceae by metabolomic analysis
T1 - Analyse des Phloemtransports bei Cucurbitaceae mittels Metabolomics
N2 - This thesis aimed to investigate several fundamental and perplexing questions relating to the phloem loading and transport mechanisms of Cucurbita maxima, by combining metabolomic analysis with cell biological techniques. This putative symplastic loading species has long been used for experiments on phloem anatomy, phloem biochemistry, phloem transport physiology and phloem signalling. Symplastic loading species have been proposed to use a polymer trapping mechanism to accumulate RFO (raffinose family oligosaccharides) sugars to build up high osmotic pressure in minor veins which sustains a concentration gradient that drives mass flow. However, extensive evidence indicating a low sugar concentration in their phloem exudates is a long-known problem that conflicts with this hypothesis. Previous metabolomic analysis shows the concentration of many small molecules in phloem exudates is higher than that of leaf tissues, which indicates an active apoplastic loading step. Therefore, in the view of the phloem metabolome, a symplastic loading mechanism cannot explain how small molecules other than RFO sugars are loaded into phloem. Most studies of phloem physiology using cucurbits have neglected the possible functions of vascular architecture in phloem transport. It is well known that there are two phloem systems in cucurbits with distinctly different anatomical features: central phloem and extrafascicular phloem. However, mistaken conclusions on sources of cucurbit phloem exudation from previous reports have hindered consideration of the idea that there may be important differences between these two phloem systems. The major results are summarized as below: 1) O-linked glycans in C.maxima were structurally identified as beta-1,3 linked glucose polymers, and the composition of glycans in cucurbits was found to be species-specific. Inter-species grafting experiments proved that these glycans are phloem mobile and transported uni-directionally from scion to stock. 2) As indicated by stable isotopic labelling experiments, a considerable amount of carbon is incorporated into small metabolites in phloem exudates. However, the incorporation of carbon into RFO sugars is much faster than for other metabolites. 3) Both CO2 labelling experiments and comparative metabolomic analysis of phloem exudates and leaf tissues indicated that metabolic processes other than RFO sugar metabolism play an important role in cucurbit phloem physiology. 4) The underlying assumption that the central phloem of cucurbits continuously releases exudates after physical incision was proved wrong by rigorous experiments including direct observation by normal microscopy and combined multiple-microscopic methods. Errors in previous experimental confirmation of phloem exudation in cucurbits are critically discussed. 5) Extrafascicular phloem was proved to be functional, as indicated by phloem-mobile carboxyfluorescein tracer studies. Commissural sieve tubes interconnect phloem bundles into a complete super-symplastic network. 6) Extrafascicular phloem represents the main source of exudates following physical incision. The major transported metabolites by these extrafacicular phloem are non-sugar compounds including amino acids, O-glycans, amines. 7) Central phloem contains almost exclusively RFO sugars, the estimated amount of which is up to 1 to 2 molar. The major RFO sugar present in central phloem is stachyose. 8) Cucurbits utilize two structurally different phloem systems for transporting different group of metabolites (RFO sugars and non-RFO sugar compounds). This implies that cucurbits may use spatially separated loading mechanisms (apoplastic loading for extrafascicular phloem and symplastic loading for central phloem) for supply of nutrients to sinks. 9) Along the transport systems, RFO sugars were mainly distributed within central phloem tissues. There were only small amounts of RFO sugars present in xylem tissues (millimolar range) and trace amounts of RFO sugars in cortex and pith. The composition of small molecules in external central phloem is very different from that in internal central phloem. 10) Aggregated P-proteins were manually dissected from central phloem and analysed by both SDS-PAGE and mass spectrometry. Partial sequences of peptides were obtained by QTOF de novo sequencing from trypsin digests of three SDS-PAGE bands. None of these partial sequences shows significant homology to known cucurbit phloem proteins or other plant proteins. This proves that these central phloem proteins are a completely new group of proteins different from those in extrafascicular phloem. The extensively analysed P-proteins reported in literature to date are therefore now shown to arise from extrafascicular phloem and not central phloem, and therefore do not appear to be involved in the occlusion processes in central phloem.
N2 - Phloem transportiert ein ausgedehntes Spektrum an Molekülen zwischen Pflanzenorganen, um Wachstum und Entwicklung zu koordinieren. Folglich ist eine umfassende und unvoreingenommene Metabolom-Analyse notwendig, um unser Verständnis über den Transport von Stoffwechselprodukten sowie über Phloemtransport zu vertiefen. Phloemexsudate von Kürbispflanzen werden unter Verwendung der Metabolom-Analyse analysiert. Bei diesen Pflanzen wird angenommen, dass sie symplastische Beladungswege verwenden, um Photoassmilate als Ausgangsschritt des Phloemtransportes zu konzentrieren. Zwei neue Familien Callose-verwandter Substanzen, 1,3-Overknüpfte Glycane, sowie eine Reihe anderer kleinerer Metabolite werden in den Phloemexsudaten detektiert. Metabolom-Daten und physiologische Experimente widersprechen früher berichtetem Verständnis des Phloemexsudationsprozesses in Kürbispflanzen. Folglich bestätigt sich der Phloemexsudationsprozeß durch Kombination unterschiedlicher mikroskopischer Techniken. Kürbispflanzen besitzen zwei Phloemsysteme mit eindeutigen anatomischen Eigenschaften. Es zeigt sich, daß Phloemexsudate in Kürbissen hauptsächlich vom extrafaszikulären Phloem, nicht vom zentralen Phloem, stammen. In den letzten Jahrzehnten wurde gewöhnlich mißverstanden, daß Phloemexsudate vom zentralen Phloem stammen. Die eindeutigen metabolischen Profile der unterschiedlichen Phloemsysteme, die durch Metabolom-Analysen in der räumlichen Auflösung beobachtet werden, bestätigen die unterschiedlichen physiologischen Funktionen der zwei unterschiedlichen Phloemsysteme: das zentrale Phloem transportiert hauptsächlich Zucker, während das extrafaszikuläre Phloem ein ausgedehntes Spektrum von Metaboliten transportiert. Es kann auch ein unterschiedliches metabolisches Profil kleiner Moleküle zwischen internem und externem zentralem Phloem beobachtet werden. Von Strukturproteinen des zentralen Phloems wurden auch Proben genommen und mittels Massenspektrometrie analysiert. Diese Proteine erweisen sich als neuartige Proteine, die sich zu denen im extrafaszikulären Phloem unterscheiden. Dies bestätigt ferner den Funktionsunterschied der unterschiedlichen Phloemsysteme in Kürbispflanzen. Basierend auf diesen neuartigen Entdeckungen des Phloem-Metaboloms und dem vorhergehenden Wissen über den Phloemtransport in Kürbispflanzen, wird ein neues Modell vorgeschlagen, um den Mechanismus des Phloemtransports in der symplastischen Beladung zu verstehen.
KW - phloem
KW - metabolomics
KW - cucurbits
KW - phloem proteins
KW - phloem
KW - symplastic loading
KW - metabolomic analysis
KW - p-proteins
KW - phloem architecture
Y1 - 2005
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-6644
ER -
TY - GEN
A1 - Zghal, Firas
A1 - Colson, Serge S.
A1 - Blain, Grégory
A1 - Behm, David George
A1 - Granacher, Urs
A1 - Chaouachi, Anis
T1 - Combined Resistance and Plyometric Training Is More Effective Than Plyometric Training Alone for Improving Physical Fitness of Pubertal Soccer Players
T2 - Postprints der Universität Potsdam
Humanwissenschaftliche Reihe
N2 - The purpose of this study was to compare the effects of combined resistance and plyometric/sprint training with plyometric/sprint training or typical soccer training alone on muscle strength and power, speed, change-of-direction ability in young soccer players. Thirty-one young (14.5 ± 0.52 years; tanner stage 3–4) soccer players were randomly assigned to either a combined- (COMB, n = 14), plyometric-training (PLYO, n = 9) or an active control group (CONT, n = 8). Two training sessions were added to the regular soccer training consisting of one session of light-load high-velocity resistance exercises combined with one session of plyometric/sprint training (COMB), two sessions of plyometric/sprint training (PLYO) or two soccer training sessions (CONT). Training volume was similar between the experimental groups. Before and after 7-weeks of training, peak torque, as well as absolute and relative (normalized to torque; RTDr) rate of torque development (RTD) during maximal voluntary isometric contraction of the knee extensors (KE) were monitored at time intervals from the onset of contraction to 200 ms. Jump height, sprinting speed at 5, 10, 20-m and change-of-direction ability performances were also assessed. There were no significant between–group baseline differences. Both COMB and PLYO significantly increased their jump height (Δ14.3%; ES = 0.94; Δ12.1%; ES = 0.54, respectively) and RTD at mid to late phases but with greater within effect sizes in COMB in comparison with PLYO. However, significant increases in peak torque (Δ16.9%; p < 0.001; ES = 0.58), RTD (Δ44.3%; ES = 0.71), RTDr (Δ27.3%; ES = 0.62) and sprint performance at 5-m (Δ-4.7%; p < 0.001; ES = 0.73) were found in COMB without any significant pre-to-post change in PLYO and CONT groups. Our results suggest that COMB is more effective than PLYO or CONT for enhancing strength, sprint and jump performances.
T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Humanwissenschaftliche Reihe - 576
KW - strength
KW - power
KW - rate of torque development
KW - jumping
KW - running
Y1 - 2019
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-437810
SN - 1866-8364
IS - 576
ER -
TY - GEN
A1 - Zeuschner, Steffen Peer
A1 - Parpiiev, Tymur
A1 - Pezeril, Thomas
A1 - Hillion, Arnaud
A1 - Dumesnil, Karine
A1 - Anane, Abdelmadjid
A1 - Pudell, Jan-Etienne
A1 - Willig, Lisa
A1 - Rössle, Matthias
A1 - Herzog, Marc
A1 - Reppert, Alexander von
A1 - Bargheer, Matias
T1 - Tracking picosecond strain pulses in heterostructures that exhibit giant magnetostriction
T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-naturwissenschaftliche Reihe
N2 - We combine ultrafast X-ray diffraction (UXRD) and time-resolved Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE) measurements to monitor the strain pulses in laser-excited TbFe2/Nb heterostructures. Spatial separation of the Nb detection layer from the laser excitation region allows for a background-free characterization of the laser-generated strain pulses. We clearly observe symmetric bipolar strain pulses if the excited TbFe2 surface terminates the sample and a decomposition of the strain wavepacket into an asymmetric bipolar and a unipolar pulse, if a SiO2 glass capping layer covers the excited TbFe2 layer. The inverse magnetostriction of the temporally separated unipolar strain pulses in this sample leads to a MOKE signal that linearly depends on the strain pulse amplitude measured through UXRD. Linear chain model simulations accurately predict the timing and shape of UXRD and MOKE signals that are caused by the strain reflections from multiple interfaces in the heterostructure.
T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 706
KW - Heterostructures
KW - Magnetooptical effects
KW - Metal oxides
KW - Crystal lattices
KW - Transition metals
KW - Magnetism
KW - Ultrafast X-ray diffraction
KW - Lasers
KW - Bragg peak
KW - Phonons
Y1 - 2019
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-428457
SN - 1866-8372
IS - 706
ER -
TY - GEN
A1 - Zeuschner, Steffen Peer
A1 - Mattern, Maximilian
A1 - Pudell, Jan-Etienne
A1 - Reppert, Alexander von
A1 - Rössle, Matthias
A1 - Leitenberger, Wolfram
A1 - Schwarzkopf, Jutta
A1 - Boschker, Jos
A1 - Herzog, Marc
A1 - Bargheer, Matias
T1 - Reciprocal space slicing
BT - a time-efficient approach to femtosecond x-ray diffraction
T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2 - An experimental technique that allows faster assessment of out-of-plane strain dynamics of thin film heterostructures via x-ray diffraction is presented. In contrast to conventional high-speed reciprocal space-mapping setups, our approach reduces the measurement time drastically due to a fixed measurement geometry with a position-sensitive detector. This means that neither the incident (ω) nor the exit (2θ) diffraction angle is scanned during the strain assessment via x-ray diffraction. Shifts of diffraction peaks on the fixed x-ray area detector originate from an out-of-plane strain within the sample. Quantitative strain assessment requires the determination of a factor relating the observed shift to the change in the reciprocal lattice vector. The factor depends only on the widths of the peak along certain directions in reciprocal space, the diffraction angle of the studied reflection, and the resolution of the instrumental setup. We provide a full theoretical explanation and exemplify the concept with picosecond strain dynamics of a thin layer of NbO2.
T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1137
Y1 - 2021
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-499761
SN - 1866-8372
IS - 1137
ER -
TY - THES
A1 - Zeuschner, Steffen Peer
T1 - Magnetoacoustics observed with ultrafast x-ray diffraction
N2 - In the present thesis I investigate the lattice dynamics of thin film hetero structures of magnetically ordered materials upon femtosecond laser excitation as a probing and manipulation scheme for the spin system. The quantitative assessment of laser induced thermal dynamics as well as generated picosecond acoustic pulses and their respective impact on the magnetization dynamics of thin films is a challenging endeavor. All the more, the development and implementation of effective experimental tools and comprehensive models are paramount to propel future academic and technological progress.
In all experiments in the scope of this cumulative dissertation, I examine the crystal lattice of nanoscale thin films upon the excitation with femtosecond laser pulses. The relative change of the lattice constant due to thermal expansion or picosecond strain pulses is directly monitored by an ultrafast X-ray diffraction (UXRD) setup with a femtosecond laser-driven plasma X-ray source (PXS). Phonons and spins alike exert stress on the lattice, which responds according to the elastic properties of the material, rendering the lattice a versatile sensor for all sorts of ultrafast interactions. On the one hand, I investigate materials with strong magneto-elastic properties; The highly magnetostrictive rare-earth compound TbFe2, elemental Dysprosium or the technological relevant Invar material FePt. On the other hand I conduct a comprehensive study on the lattice dynamics of Bi1Y2Fe5O12 (Bi:YIG), which exhibits high-frequency coherent spin dynamics upon femtosecond laser excitation according to the literature. Higher order standing spinwaves (SSWs) are triggered by coherent and incoherent motion of atoms, in other words phonons, which I quantified with UXRD. We are able to unite the experimental observations of the lattice and magnetization dynamics qualitatively and quantitatively. This is done with a combination of multi-temperature, elastic, magneto-elastic, anisotropy and micro-magnetic modeling.
The collective data from UXRD, to probe the lattice, and time-resolved magneto-optical Kerr effect (tr-MOKE) measurements, to monitor the magnetization, were previously collected at different experimental setups. To improve the precision of the quantitative assessment of lattice and magnetization dynamics alike, our group implemented a combination of UXRD and tr-MOKE in a singular experimental setup, which is to my knowledge, the first of its kind. I helped with the conception and commissioning of this novel experimental station, which allows the simultaneous observation of lattice and magnetization dynamics on an ultrafast timescale under identical excitation conditions. Furthermore, I developed a new X-ray diffraction measurement routine which significantly reduces the measurement time of UXRD experiments by up to an order of magnitude. It is called reciprocal space slicing (RSS) and utilizes an area detector to monitor the angular motion of X-ray diffraction peaks, which is associated with lattice constant changes, without a time-consuming scan of the diffraction angles with the goniometer. RSS is particularly useful for ultrafast diffraction experiments, since measurement time at large scale facilities like synchrotrons and free electron lasers is a scarce and expensive resource. However, RSS is not limited to ultrafast experiments and can even be extended to other diffraction techniques with neutrons or electrons.
N2 - In der vorliegenden Arbeit untersuche ich die Gitterdynamik von magnetisch geordneten und dünnen Filmen, deren Spinsystem mit Femtosekunden-Laserpulsen angeregt und untersucht wird. Die Quantifizierung der laserinduzierten thermischen Dynamik, der erzeugten Pikosekunden-Schallpulse sowie deren jeweiliger Einfluss auf die Magnetisierungsdynamik ist ein schwieriges Unterfangen. Umso mehr ist die Entwicklung und Anwendung von effizienten experimentellen Konzepten und umfangreichen Modellen grundlegend für das Antreiben des zukünftigen wissenschaftlichen und technologischen Fortschritt.
In jedem Experiment dieser kummulativen Dissertation untersuche ich das Kristallgitter von Nanometer dünnen Filmen nach der Anregung mit Femtosekunden-Laserpulsen. Die relative Änderung der Gitterkonstante, hervorgerufen durch thermische Ausdehnung oder Pikosekunden-Schallpulse, wird dabei direkt mittels ultraschneller Röntgenbeugung (UXRD) gemessen. Der Aufbau nutzt zur Bereitstellung von ultrakurzen Röntgenpulsen eine lasergetriebene Plasma-Röntgenquelle (PXS). Phononen und Spins üben gleichermaßen einen Druck auf das Gitter aus, welches entsprechend der elastsischen Eigenschaften des Materials reagiert, was das Gitter zu einem vielseitigen Sensor für ultraschenlle Wechselwirkungen macht. Zum einen untersuche ich Materialien mit starken magnetoelastischen Eigentschaften: die stark magnetostriktive Seltenen-Erden-Verbindung TbFe2, elementares Dysprosium oder das technologisch relavante Invar-Material FePt. Zum anderen habe ich eine umfangreiche Studie der Gitterdynamik von Bi1Y2Fe5O12 (Bi:YIG) angestellt, in dem der Literatur zufolge hochfrequente kohärente Spindynamiken durch Femtosekunden-Laseranregung zu beobachten sind. Diese stehenden Spinwellen (SSWs) höherer Ordnung entstehen durch die kohärente und inkohärente Bewegung von Atomen, in anderen Worten Phononen, welche ich durch UXRD vermessen habe. Somit sind wir in der Lage, die experimentellen Beobachtungen der Gitter- und Spindynamik qualitativ und quantitativ zu vereinigen. Dies geschieht durch eine Kombination von Viel-Temperatur- und Anisotropiemodellierung sowie elastische, magnetoelastische, und mikromagnetsiche Modelle.
Die gemeinsamen Daten von UXRD und der zeitaufgelösten magnetooptischen Kerr-Effekt Messungen (tr-MOKE), um jeweils die Gitter- und Spindynamik zu messen, wurden in der Vergangenheit noch an unterschiedlichen experimentellen Aufbauten gemessen. Um die Quantifizierung präziser zu gestalten, haben wir in unserer Arbeitsgruppe UXRD und tr-MOKE in einem einzigen Aufbau kombiniert, welcher somit meines Wissens der erste seiner Art ist. Ich half bei dem Entwurf und der Inbetriebnahme des neuen Aufbaus, welcher die gleichzeitige Messung von Gitter- und Spindynamik auf einer ultraschnellen Zeitskala unter identischen Anregungsbedingungen ermöglicht. Außerdem entwickelte ich eine neue Messroutine für Röntgenbeugung, welche die Messzeit von UXRD-Experimenten um bis zu einer Größenordnungen reduziert. Es nennt sich das Schneiden des reziproken Raumes (reciprocal space slicing, RSS) und nutzt den Vorteil von Flächendetektoren die Bewegung von Beugungsreflexen zu detektieren, was von einer Änderung der Gitterkonstante einhergeht, ohne zeitintensive Scans der Beugungswinkel mit dem Goniometer durchzuführen. RSS ist besonders nützlich für ultraschnelle Beugungsexperimente, weil die Messzeit an Großgeräten wie Synchrotrons oder Freie Elektronen Laser eine seltene und teure Ressource ist. Darüber hinaus ist RSS nicht zwangsläufig auf die Anwendung in ultraschnellen Experimenten beschränkt und kann sogar auf andere Beugungsexperimente, wie die mit Neutronen und Elektronen, ausgeweitet werden.
KW - ultrafast
KW - X-ray diffraction
KW - thin films
KW - magnetoelasticity
KW - ultraschnell
KW - Röntgenbeugung
KW - dünne Filme
KW - Magnetoelastizität
Y1 - 2022
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-561098
ER -
TY - INPR
A1 - Zessin, Hans
T1 - Classical Symmetric Point Processes : Lectures held at ICIMAF, La Habana, Cuba, 2010
N2 - The aim of these lectures is a reformulation and generalization of the fundamental investigations of Alexander Bach [2, 3] on the concept of probability in the work of Boltzmann [6] in the language of modern point process theory. The dominating point of view here is its subordination under the disintegration theory of Krickeberg [14]. This enables us to make Bach's consideration much more transparent. Moreover the point process formulation turns out to be the natural framework for the applications to quantum mechanical models.
T3 - Mathematische Statistik und Wahrscheinlichkeitstheorie : Preprint - 2010, 06
Y1 - 2010
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-49619
ER -
TY - GEN
A1 - Zenner, Alexander M.
A1 - Böttinger, Erwin
A1 - Konigorski, Stefan
T1 - StudyMe
BT - a new mobile app for user-centric N-of-1 trials
T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Reihe der Digital Engineering Fakultät
N2 - N-of-1 trials are multi-crossover self-experiments that allow individuals to systematically evaluate the effect of interventions on their personal health goals. Although several tools for N-of-1 trials exist, there is a gap in supporting non-experts in conducting their own user-centric trials. In this study, we present StudyMe, an open-source mobile application that is freely available from https://play.google.com/store/apps/details?id=health.studyu.me and offers users flexibility and guidance in configuring every component of their trials. We also present research that informed the development of StudyMe, focusing on trial creation. Through an initial survey with 272 participants, we learned that individuals are interested in a variety of personal health aspects and have unique ideas on how to improve them. In an iterative, user-centered development process with intermediate user tests, we developed StudyMe that features an educational part to communicate N-of-1 trial concepts. A final empirical evaluation of StudyMe showed that all participants were able to create their own trials successfully using StudyMe and the app achieved a very good usability rating. Our findings suggest that StudyMe provides a significant step towards enabling individuals to apply a systematic science-oriented approach to personalize health-related interventions and behavior modifications in their everyday lives.
T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Reihe der Digital Engineering Fakultät - 18
Y1 - 2022
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-589763
IS - 18
ER -
TY - THES
A1 - Zenichowski, Karl
T1 - Quantum dynamical study of Si(100) surface-mounted, STM-driven switches at the atomic and molecular scale
T1 - Quantendynamische Untersuchung von Si(100) Oberflächen-gebundenen, STM-gesteuerten atomaren und molekularen Schaltern
N2 - The aim of this thesis is the quantum dynamical study of two examples of scanning tunneling microscope (STM)-controllable, Si(100)(2x1) surface-mounted switches of atomic and molecular scale. The first example considers the switching of single H-atoms between two dangling-bond chemisorption sites on a Si-dimer of the Si(100) surface (Grey et al., 1996). The second system examines the conformational switching of single 1,5-cyclooctadiene molecules chemisorbed on the Si(100) surface (Nacci et al., 2008). The temporal dynamics are provided by the propagation of the density matrix in time via an according set of equations of motion (EQM). The latter are based on the open-system density matrix theory in Lindblad form. First order perturbation theory is used to evaluate those transition rates between vibrational levels of the system part. In order to account for interactions with the surface phonons, two different dissipative models are used, namely the bilinear, harmonic and the Ohmic bath model. IET-induced vibrational transitions in the system are due to the dipole- and the resonance-mechanism. A single surface approach is used to study the influence of dipole scattering and resonance scattering in the below-threshold regime. Further, a second electronic surface was included to study the resonance-induced switching in the above-threshold regime. Static properties of the adsorbate, e.g., potentials and dipole function and potentials, are obtained from quantum chemistry and used within the established quantum dynamical models.
N2 - Die vorliegende Doktorarbeit befasst sich mit kleinsten schaltbaren Einheiten in Form des Moleküls Cyclooctadien (COD) und dem Wasserstoff-Atom, die chemisch fest mit einer Oberfläche aus kristallinem Silizium verbunden sind. Jeder dieser Schalter kann mittels einer winzigen Spitze, eines so genannten Rastertunnelmikroskops (RTM), von atomarem Durchmesser in zwei unterscheidbare und stabile Schaltpositionen gebracht werden. Dabei besteht das Schalten entweder in einer Änderung der Geometrie des molekularen Schalters oder im Brechen und Neu-knüpfen chemischer Bindungen. Dabei ist es entscheidend, dass durch die geringe Grösse dieser Schalter eine hohe Anzahl dieser Schalter auf einer Oberfläche deponiert werden können. Mit der in den Schaltern speicherbaren Informationen an oder aus, 0 oder 1 ließen sich sehr hohe Speicherkapazitäten erreichen. Vor einer Anwendung dieser Art ist es wichtig zunächst ein grundlegendes Verständnis der Schaltprozesse auf der Oberfläche zu gewinnen. Wenn alle wesentlichen Faktoren berücksichtigt wurden und der Mechanismus des Schaltens verstanden ist, kann das Ergebnis des Experiments mit Hilfe eines theoretischen Modells vorhergesagt werden. Für die Handhabbarkeit muss sich das theoretisches Modell auf wesentliche Einflüsse beschränken und diese so einfach wie möglich beschreiben. So wurde die simultane Bewegung der 12 Atome des COD in die Bewegung eines gemittelten Massenpunktes entlang von einer oder von zwei räumlichen Freiheitsgraden übersetzt. Dabei kann der Massenpunkt im klassischen Bild anschaulich als eine rollende Kugel beschrieben werden, die in einer Seite einer Doppelmulde gefangen ist. Die Kugel kann durch äußere Anregung zum Schwingen gebracht werden und schließlich über eine Barriere in die benachbarte Mulde schalten. Nun muss die Schwingung der Kugel gebremst werden, um ein Zurück-Schwingen der Kugel zu verhindern. Die Anregung erfolgt durch elektrische Ladungen die von der Spitze des RTM zur Oberfläche wandern oder durch eine schwingende, d.h. warme Oberfläche. Das Bremsen wird über die elastische Bindung zu einer kalten Oberfläche vermittelt. Um Quanteneffekte wie das Tunneln der Kugel durch die Barriere zu beschreiben wurde die Kugel durch ein Wellenpaket beschrieben und dessen Aufenthaltswahrscheinlichkeit in der Doppelmulde untersucht. Im Fall des Wasserstoffatoms war die experimentelle Prüfung des entworfenen Modells für ein Schalten bei starkem Strom leider nicht möglich. Für das COD Molekül konnte jedoch nicht nur die Übereinstimmung mit den experimentellen Befunden, sondern im Fall des Schaltens in Abhängigkeit der Oberflächentemperatur auch die Vorhersagefähigkeit des Modells unter Beweis gestellt werden.
KW - Kerndynamik
KW - molekulare Schalter
KW - Nanotechnologie
KW - STM
KW - Oberflächen
KW - Quantum dynamics
KW - molecular switches
KW - nanotechnology
KW - STM
KW - surfaces
Y1 - 2012
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-62156
ER -
TY - JOUR
A1 - Zemtsov, Alexander
T1 - Alexander von Humboldt’s ideas on volcanism and their influence on Russian scientists
N2 - The article provides historical background for Alexander von Humboldt’s expedition into Russia in 1829. It includes information on Humboldt’s works and publications in Russia over the course of his lifetime, as well as an explanation of the Russian scientific community’s response to those works. Humboldt’s ideas on the existence of an active volcano in Central Asia attracted the attention of two prominent Russian geographers, P. Semenov and P. Kropotkin, whose views on the nature of volcanism were quite different. P. Semenov personally met Humboldt in Berlin. P. Kropotkin made one of the most important geological discoveries of the 19th Century: he found the fresh volcanic cones near Lake Baikal.
Soon after Humboldt’s Russian expedition, and partly as a result of it, an important mineral was found in the Ilmen mountains – samarskite, which later gave its name to the chemical element Samarium, developed in 1879. At the beginning of the 20th Century, the Russian scientist V. Vernadskiy pointed out that samarskite was the first uranium-rich mineral found in Russia.
KW - 1829
KW - P. Kropotkin
KW - P. Semenov
KW - Samarium
KW - Vulkanismus
Y1 - 2005
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-35335
SN - 1617-5239
SN - 2568-3543
VL - VI
IS - 11
SP - 31
EP - 37
PB - Universitätsverlag Potsdam
CY - Potsdam
ER -
TY - GEN
A1 - Zemella, Anne
A1 - Thoring, Lena
A1 - Hoffmeister, Christian
A1 - Šamalíková, Mária
A1 - Ehren, Patricia
A1 - Wüstenhagen, Doreen Anja
A1 - Kubick, Stefan
T1 - Cell-free protein synthesis as a novel tool for directed glycoengineering of active erythropoietin
T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch Naturwissenschaftliche Reihe
N2 - As one of the most complex post-translational modification, glycosylation is widely involved in cell adhesion, cell proliferation and immune response. Nevertheless glycoproteins with an identical polypeptide backbone mostly differ in their glycosylation patterns. Due to this heterogeneity, the mapping of different glycosylation patterns to their associated function is nearly impossible. In the last years, glycoengineering tools including cell line engineering, chemoenzymatic remodeling and site-specific glycosylation have attracted increasing interest. The therapeutic hormone erythropoietin (EPO) has been investigated in particular by various groups to establish a production process resulting in a defined glycosylation pattern. However commercially available recombinant human EPO shows batch-to-batch variations in its glycoforms. Therefore we present an alternative method for the synthesis of active glycosylated EPO with an engineered O-glycosylation site by combining eukaryotic cell-free protein synthesis and site-directed incorporation of non-canonical amino acids with subsequent chemoselective modifications.
T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 824
KW - recombinat-human-erythropoietin
KW - glycosylation
KW - expression
KW - site
KW - anemia
KW - CDNA
KW - glycoprotein
KW - purification
KW - cloning
KW - growth
Y1 - 2020
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427017
IS - 824
ER -
TY - THES
A1 - Zemanová, Lucia
T1 - Structure-function relationship in hierarchical model of brain networks
T1 - Das Verhältnis von Struktur und Funktion in hierarchischem Model der Hirn-Netzwerken
N2 - The mammalian brain is, with its numerous neural elements and structured complex connectivity, one of the most complex systems in nature. Recently, large-scale corticocortical connectivities, both structural and functional, have received a great deal of research attention, especially using the approach of complex networks. Here, we try to shed some light on the relationship between structural and functional connectivities by studying synchronization dynamics in a realistic anatomical network of cat cortical connectivity. We model the cortical areas by a subnetwork of interacting excitable neurons (multilevel model) and by a neural mass model (population model). With weak couplings, the multilevel model displays biologically plausible dynamics and the synchronization patterns reveal a hierarchical cluster organization in the network structure. We can identify a group of brain areas involved in multifunctional tasks by comparing the dynamical clusters to the topological communities of the network. With strong couplings of multilevel model and by using neural mass model, the dynamics are characterized by well-defined oscillations. The synchronization patterns are mainly determined by the node intensity (total input strengths of a node); the detailed network topology is of secondary importance. The biologically improved multilevel model exhibits similar dynamical patterns in the two regimes. Thus, the study of synchronization in a multilevel complex network model of cortex can provide insights into the relationship between network topology and functional organization of complex brain networks.
N2 - Das Gehirn von Säugetieren stellt mit seinen zahlreichen, hochgradig vernetzten Neuronen ein natürliches Netzwerk von immenser Komplexität dar. In der jüngsten Vergangenheit sind die großflächige kortikale Konnektivitäten, sowohl unter strukturellen wie auch funktionalen Gesichtspunkten, in den Fokus der Forschung getreten. Die Verwendung von komplexe Netzwerke spielt hierbei eine entscheidende Rolle. In der vorliegenden Dissertation versuchen wir, das Verhältnis von struktureller und funktionaler Konnektivität durch Untersuchung der Synchronisationsdynamik anhand eines realistischen Modells der Konnektivität im Kortex einer Katze näher zu beleuchten. Wir modellieren die Kortexareale durch ein Subnetzwerk interagierender, erregbarer Neuronen (multilevel model) und durch ein Modell von Neuronenensembles (population model). Bei schwacher Kopplung zeigt das multilevel model eine biologisch plausible Dynamik und die Synchronisationsmuster lassen eine hierarchische Organisation der Netzwerkstruktur erkennen. Indem wir die dynamischen Cluster mit den topologischen Einheiten des Netzwerks vergleichen, sind wir in der Lage die Hirnareale, die an der Bewältigung komplexer Aufgaben beteiligt sind, zu identifizieren. Bei starker Kopplung im multilevel model und unter Verwendung des Ensemblemodells weist die Dynamik klare Oszillationen auf. Die Synchronisationsmuster werden hauptsächlich durch die Eingangsstärke an den einzelnen Knoten bestimmt, während die genaue Netzwerktopologie zweitrangig ist. Eine Erweiterung des Modells auf andere biologisch relevante Faktoren bestätigt die vorherigen Ergebnisse. Die Untersuchung der Synchronisation in einem multilevel model des Kortex ermöglicht daher tiefere Einblicke in die Zusammenhänge zwischen Netzwerktopologie und funktionaler Organisation in komplexen Hirn-Netzwerken.
KW - komplexe Hirnnetzwerke
KW - Verhältnis der Struktur und Funktion
KW - hierarchisches Model
KW - Synchronization
KW - complex brain networks
KW - structur-function relationship
KW - hierarchical model
KW - synchronization
Y1 - 2007
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-18400
ER -
TY - THES
A1 - Zeitz, Maria
T1 - Modeling the future resilience of the Greenland Ice Sheet
T1 - Numerische Modellierung der zukünftigen Resilienz des grönländischen Eisschildes
BT - from the flow of ice to the interplay of feedbacks
N2 - The Greenland Ice Sheet is the second-largest mass of ice on Earth. Being almost 2000 km long, more than 700 km wide, and more than 3 km thick at the summit, it holds enough ice to raise global sea levels by 7m if melted completely. Despite its massive size, it is particularly vulnerable to anthropogenic climate change: temperatures over the Greenland Ice Sheet have increased by more than 2.7◦C in the past 30 years, twice as much as the global mean temperature. Consequently, the ice sheet has been significantly losing mass since the 1980s and the rate of loss has increased sixfold since then. Moreover, it is one of the potential tipping elements of the Earth System, which might undergo irreversible change once a warming threshold is exceeded. This thesis aims at extending the understanding of the resilience of the Greenland Ice Sheet against global warming by analyzing processes and feedbacks relevant to its centennial to multi-millennial stability using ice sheet modeling.
One of these feedbacks, the melt-elevation-feedback is driven by the temperature rise with decreasing altitudes: As the ice sheet melts, its thickness and surface elevation decrease, exposing the ice surface to warmer air and thus increasing the melt rates even further. The glacial isostatic adjustment (GIA) can partly mitigate this melt-elevation feedback as the bedrock lifts in response to an ice load decrease, forming the negative GIA feedback. In my thesis, I show that the interaction between these two competing feedbacks can lead to qualitatively different dynamical responses of the Greenland Ice Sheet to warming – from permanent loss to incomplete recovery, depending on the feedback parameters. My research shows that the interaction of those feedbacks can initiate self-sustained oscillations of the ice volume while the climate forcing remains constant.
Furthermore, the increased surface melt changes the optical properties of the snow or ice surface, e.g. by lowering their albedo, which in turn enhances melt rates – a process known as the melt-albedo feedback. Process-based ice sheet models often neglect this melt-albedo feedback. To close this gap, I implemented a simplified version of the diurnal Energy Balance Model, a computationally efficient approach that can capture the first-order effects of the melt-albedo feedback, into the Parallel Ice Sheet Model (PISM). Using the coupled model, I show in warming experiments that the melt-albedo feedback almost doubles the ice loss until the year 2300 under the low greenhouse gas emission scenario RCP2.6, compared to simulations where the melt-albedo feedback is neglected,
and adds up to 58% additional ice loss under the high emission scenario RCP8.5. Moreover, I find that the melt-albedo feedback dominates the ice loss until 2300, compared to the melt-elevation feedback.
Another process that could influence the resilience of the Greenland Ice Sheet is the warming induced softening of the ice and the resulting increase in flow. In my thesis, I show with PISM how the uncertainty in Glen’s flow law impacts the simulated response to warming. In a flow line setup at fixed climatic mass balance, the uncertainty in flow parameters leads to a range of ice loss comparable to the range caused by different warming levels.
While I focus on fundamental processes, feedbacks, and their interactions in the first three projects of my thesis, I also explore the impact of specific climate scenarios on the sea level rise contribution of the Greenland Ice Sheet. To increase the carbon budget flexibility, some warming scenarios – while still staying within the limits of the Paris Agreement – include a temporal overshoot of global warming. I show that an overshoot by 0.4◦C increases the short-term and long-term ice loss from Greenland by several centimeters. The long-term increase is driven by the warming at high latitudes, which persists even when global warming is reversed. This leads to a substantial long-term commitment of the sea level rise contribution from the Greenland Ice Sheet.
Overall, in my thesis I show that the melt-albedo feedback is most relevant for the ice loss of the Greenland Ice Sheet on centennial timescales. In contrast, the melt-elevation feedback and its interplay with the GIA feedback become increasingly relevant on millennial timescales. All of these influence the resilience of the Greenland Ice Sheet against global warming, in the near future and on the long term.
N2 - Das grönländische Eisschild ist die zweitgrößte Eismasse der Erde. Es fasst genug Eis, um den globalen Meeresspiegel um 7m anzuheben, wenn er vollständig schmilzt. Trotz seiner Größe ist es durch den vom Menschen verursachten Klimawandel immens gefährdet: Die Temperaturen über Grönland sind in den letzten 30 Jahren um mehr als 2,7◦C gestiegen, doppelt so stark wie im globalen Mittel. Daher verliert das Eisschild seit den 1980er Jahren an Masse und die Verlustrate hat sich seitdem versechsfacht. Zudem ist das grönländische Eisschild ein Kippelement des Erdsystems, es könnte sich unwiederbringlich verändern, wenn die globale Erwärmung einen Schwellwert überschreiten sollte. Ziel dieser Arbeit ist es, das Verständnis für die Resilienz des grönländischen Eisschildes zu erweitern, indem relevante Rückkopplungen und Prozesse analysiert werden.
Eine dieser Rückkopplungen, die positive Schmelz-Höhen-Rückkopplung wird durch den Temperaturanstieg bei abnehmender Höhe angetrieben: Wenn der Eisschild schmilzt, nehmen seine Dicke und die Oberflächenhöhe ab, wodurch die Eisoberfläche wärmerer Luft ausgesetzt wird und die Schmelzraten noch weiter ansteigen. Die glaziale isostatische Anpassung (GIA) kann die Schmelz-Höhen-Rückkopplung teilweise abschwächen, da sich der Erdmantel als Reaktion auf die abnehmende Eislast hebt und so die negative GIA-Rückkopplung bildet. Ich zeige, dass die Interaktion zwischen diesen beiden konkurrierenden Rückkopplungen zu qualitativ unterschiedlichem dynamischen Verhalten des grönländischen Eisschildes bei Erwärmung führen kann - von permanentem Verlust bis hin zu unvollständiger Erholung. Das Zusammenspiel dieser Rückkopplungen kann zudem Oszillationen des Eisvolumens in einem konstanten Klima auslösen.
Die verstärkte Oberflächenschmelze ändert die optischen Eigenschaften von Schnee und Eis und verringert deren Albedo, was wiederum die Schmelzraten erhöht – die sogenannte Schmelz-Albedo Rückkopplung. Da viele Eisschildmodelle diese vernachlässigen, habe ich eine vereinfachte Version des tageszeitlichen Energiebilanzmodells, welches die Effekte der Schmelz-Albedo-Rückkopplung erster Ordnung erfassen kann, in das Eisschildmodell PISM implementiert. Mithilfe des gekoppelten Modells zeige ich, dass die Schmelz-Albedo-Rückkopplung den Eisverlust bis zum Jahr 2300 im moderaten Klimaszenario RCP2.6 fast verdoppelt und im RCP8.5-Szenario, welches von starken Emissionen ausgeht, bis zu 58% zusätzlichen Eisverlust verursacht, im Vergleich zu Simulationen in denen die Schmelz-Albedo-Rückkopplung vernachlässigt wird. Bis zum Jahr 2300 trägt die Schmelz-Albedo-Rückkopplung mehr zum Eisverlust bei als die Schmelz-Höhen-Rückkopplung.
Ein weiterer Prozess, der die Widerstandsfähigkeit des grönländischen Eisschilds beeinflussen könnte, ist die Erweichung des Eises bei steigenden Temperaturen, sowie die daraus resultierende Zunahme des Eisflusses. In meiner Dissertation zeige ich, wie sich die parametrische Unsicherheit in dem Flussgesetz auf die Ergebnisse von PISM Simulationen bei Erwärmung auswirkt. In einem idealisierten, zweidimensionalen Experiment mit fester klimatischer Massenbilanz führt die Unsicherheit in den Strömungsparametern zu einer Bandbreite des Eisverlustes, die mit der Bandbreite durch unterschiedliche Erwärmungen vergleichbar ist.
Neben den grundsätzlichen Prozessen und Rückkopplungen untersuchte ich auch die Auswirkungen konkreter Klimaszenarien auf den Eisverlust von Grönland. Um die Flexibilität des Kohlenstoffbudgets zu erhöhen sehen einige Erwärmungsszenarien eine temporäre Überschreitung der globalen Temperaturen über das Ziel von 1,5◦C vor. Ich zeige, dass eine solche Temperaturerhöhung den kurz- und langfristigen Eisverlust von Grönland um mehrere Zentimeter erhöht. Der langfristige Meeresspiegelanstieg ist auf die anhaltende Temperaturerhöhung in hohen Breitengraden zurückzuführen. Solche Prozesse führen zu einem langfristigen und bereits festgelegtem Meeresspiegelanstieg, selbst wenn die Temperaturen nicht weiter steigen.
Insgesamt zeige ich in meiner Arbeit, dass die Schmelz-Albedo-Rückkopplung für den Eisverlust des grönländischen Eisschilds in den nächsten Jahrhunderten am wichtigsten ist. Im Gegensatz dazu werden die Schmelz-Höhen-Rückkopplung und ihr Zusammenspiel mit der GIA-Rückkopplung auf längeren Zeiträumen immer relevanter.
KW - Greenland Ice Sheet
KW - ice-flow modeling
KW - sea-level rise
KW - Grönländisches Eisschild
KW - Computersimulation
KW - Meeresspiegelanstieg
Y1 - 2022
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-568839
ER -
TY - CHAP
A1 - Zeilinger, Gerold
A1 - Mutti, Maria
A1 - Strecker, Manfred
A1 - Rehak, Katrin
A1 - Bookhagen, Bodo
A1 - Schwab, Marco
T1 - Integration of digital elevation models and satellite images to investigate geological processes.
N2 - In order to better understand the geological boundary conditions for ongoing or past surface processes geologists face two important questions: 1) How can we gain additional knowledge about geological processes by analyzing digital elevation models (DEM) and satellite images and 2) Do these efforts present a viable approach for more efficient research. Here, we will present case studies at a variety of scales and levels of resolution to illustrate how we can substantially complement and enhance classical geological approaches with remote sensing techniques. Commonly, satellite and DEM based studies are being used in a first step of assessing areas of geologic interest. While in the past the analysis of satellite imagery (e.g. Landsat TM) and aerial photographs was carried out to characterize the regional geologic characteristics, particularly structure and lithology, geologists have increasingly ventured into a process-oriented approach. This entails assessing structures and geomorphic features with a concept that includes active tectonics or tectonic activity on time scales relevant to humans. In addition, these efforts involve analyzing and quantifying the processes acting at the surface by integrating different remote sensing and topographic data (e.g. SRTM-DEM, SSM/I, GPS, Landsat 7 ETM, Aster, Ikonos…). A combined structural and geomorphic study in the hyperarid Atacama desert demonstrates the use of satellite and digital elevation data for assessing geological structures formed by long-term (millions of years) feedback mechanisms between erosion and crustal bending (Zeilinger et al., 2005). The medium-term change of landscapes during hundred thousands to millions years in a more humid setting is shown in an example from southern Chile. Based on an analysis of rivers/watersheds combined with landscapes parameterization by using digital elevation models, the geomorphic evolution and change in drainage pattern in the coastal Cordillera can be quantified and put into the context of seismotectonic segmentation of a tectonically active region. This has far-reaching implications for earthquake rupture scenarios and hazard mitigation (K. Rehak, see poster on IMAF Workshop). Two examples illustrate short-term processes on decadal, centennial and millennial time scales: One study uses orogen scale precipitation gradients derived from remotely sensed passive microwave data (Bookhagen et al., 2005a). They demonstrate how debris flows were triggered as a response of slopes to abnormally strong rainfall in the interior parts of the Himalaya during intensified monsoons. The area of the orogen that receives high amounts of precipitation during intensified monsoons also constitutes numerous landslide deposits of up to 1km3 volume that were generated during intensified monsoon phase at about 27 and 9 ka (Bookhagen et al., 2005b). Another project in the Swiss Alps compared sets of aerial photographs recorded in different years. By calculating high resolution surfaces the mass transport in a landslide could be reconstructed (M. Schwab, Universität Bern). All these examples, although representing only a short and limited selection of projects using remote sense data in geology, have as a common approach the goal to quantify geological processes. With increasing data resolution and new sensors future projects will even enable us to recognize more patterns and / or structures indicative of geological processes in tectonically active areas. This is crucial for the analysis of natural hazards like earthquakes, tsunamis and landslides, as well as those hazards that are related to climatic variability. The integration of remotely sensed data at different spatial and temporal scales with field observations becomes increasingly important. Many of presently highly populated places and increasingly utilized regions are subject to significant environmental pressure and often constitute areas of concentrated economic value. Combined remote sensing and ground-truthing in these regions is particularly important as geologic, seismicity and hydrologic data may be limited here due to the recency of infrastructural development. Monitoring ongoing processes and evaluating the remotely sensed data in terms of recurrence of events will greatly enhance our ability to assess and mitigate natural hazards.
Dokument 1: Foliensatz | Dokument 2: Abstract
Interdisziplinäres Zentrum für Musterdynamik und Angewandte Fernerkundung Workshop vom 9. - 10. Februar 2006
Y1 - 2006
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7063
ER -
TY - JOUR
A1 - Zeijlstra, Hedde
T1 - Hard and soft conditions on the faculty of language
BT - constituting parametric variation
JF - Linguistics in Potsdam
N2 - In this paper I argue that both parametric variation and the alleged differences between languages in terms of their internal complexity straightforwardly follow from the Strongest Minimalist Thesis that takes the Faculty of Language (FL) to be an optimal solution to conditions that neighboring mental modules impose on it. In this paper I argue that hard conditions like legibility at the linguistic interfaces invoke simplicity metrices that, given that they stem from different mental modules, are not harmonious. I argue that widely attested expression strategies, such as agreement or movement, are a direct result of conflicting simplicity metrices, and that UG, perceived as a toolbox that shapes natural language, can be taken to consist of a limited number of markings strategies, all resulting from conflicting simplicity metrices. As such, the contents of UG follow from simplicity requirements, and therefore no longer necessitate linguistic principles, valued or unvalued, to be innately present. Finally, I show that the SMT does not require that languages themselves have to be optimal in connecting sound to meaning.
KW - Parameters
KW - Simplicity
KW - Complexity
KW - Uninterpretablity
KW - Agreement
KW - Movement
Y1 - 2009
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-32221
SN - 1616-7392
SN - 1864-1857
IS - 28
SP - 9
EP - 38
ER -
TY - GEN
A1 - Zehbe, Kerstin
A1 - Kollosche, Matthias
A1 - Lardong, Sebastian
A1 - Kelling, Alexandra
A1 - Schilde, Uwe
A1 - Taubert, Andreas
T1 - Ionogels based on poly(methyl methacrylate) and metal-containing ionic liquids
BT - correlation between structure and mechanical and electrical properties
N2 - Ionogels (IGs) based on poly(methyl methacrylate) (PMMA) and the metal-containing ionic liquids (ILs) bis-1-butyl-3-methlimidazolium tetrachloridocuprate(II), tetrachloride cobaltate(II), and tetrachlorido manganate(II) have been synthesized and their mechanical and electrical properties have been correlated with their microstructure. Unlike many previous examples, the current IGs show a decreasing stability in stress-strain experiments on increasing IL fractions. The conductivities of the current IGs are lower than those observed in similar examples in the literature. Both effects are caused by a two-phase structure with micrometer-sized IL-rich domains homogeneously dispersed an IL-deficient continuous PMMA phase. This study demonstrates that the IL-polymer miscibility and the morphology of the IGs are key parameters to control the (macroscopic) properties of IGs.
T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 361
KW - microstructure
KW - ionogels
KW - ionic liquids
KW - phase separation
KW - mechanical properties
KW - ionic conductivity
Y1 - 2017
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-400607
ER -
TY - GEN
A1 - Zeeden, Christian
A1 - Obreht, Igor
A1 - Veres, Daniel
A1 - Kaboth-Bahr, Stefanie
A1 - Hošek, Jan
A1 - Marković, Slobodan B.
A1 - Bösken, Janina
A1 - Lehmkuhl, Frank
A1 - Rolf, Christian
A1 - Hambach, Ulrich
T1 - Smoothed millennial-scale palaeoclimatic reference data as unconventional comparison targets: Application to European loess records
T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2 - Millennial-scale palaeoclimate variability has been documented in various terrestrial and marine palaeoclimate proxy records throughout the Northern Hemisphere for the last glacial cycle. Its clear expression and rapid shifts between different states of climate (Greenland Interstadials and Stadials) represents a correlation tool beyond the resolution of e.g. luminescence dating, especially relevant for terrestrial deposits. Usually, comparison of terrestrial proxy datasets and the Greenland ice cores indicates a complex expression of millennial-scale climate variability as recorded in terrestrial geoarchives including loess. Loess is the most widespread terrestrial geoarchive of the Quaternary and especially widespread over Eurasia. However, loess often records a smoothed representation of millennial-scale variability without all fidelity when compared to the Greenland data, this being a relevant limiting feature in integrating loess with other palaeoclimate records. To better understand the loess proxy-response to millennial-scale climate variability, we simulate a proxy signal smoothing by natural processes through application of low-pass filters of delta O-18 data from Greenland, a high-resolution palaeoclimate reference record, alongside speleothem isotope records from the Black Sea-Mediterranean region. We show that low-pass filters represent rather simple models for better constraining the expression of millennial-scale climate variability in low sedimentation environments, and in sediments where proxy-response signals are most likely affected by natural smoothing (by e.g. bioturbation). Interestingly, smoothed datasets from Greenland and the Black Sea-Mediterranean region are most similar in the last similar to 15 ka and between similar to 50-30 ka. Between similar to 30-15 ka, roughly corresponding to the Last Glacial Maximum and the deglaciation, the records show dissimilarities, challenging the construction of robust correlative time-scales in this age range. From our analysis it becomes apparent that patterns of palaeoclimate signals in loess-palaeosol sequences often might be better explained by smoothed Greenland reference data than the original high-resolution Greenland dataset, or other reference data. This opens the possibility to better assess the temporal resolution and palaeoclimate potential of loess-palaeosol sequences in recording supra-regional climate patterns, as well as to securely integrate loess with other chronologically better-resolved palaeoclimate records.
T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1187
KW - last glacial period
KW - Western Interior Basin
KW - high-resolution record
KW - Greenland ice cores
KW - paleosol sequence
KW - time-scale
KW - Chinese loess
KW - astronomical calibration
KW - chronology (AICC2012)
KW - Antarctic ice
Y1 - 2020
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-524271
SN - 1866-8372
IS - 1
ER -
TY - THES
A1 - Zeckra, Martin
T1 - Seismological and seismotectonic analysis of the northwestern Argentine Central Andean foreland
N2 - After a severe M W 5.7 earthquake on October 17, 2015 in El Galpón in the province of Salta NW Argentina, I installed a local seismological network around the estimated epicenter. The network covered an area characterized by inherited Cretaceous normal faults and neotectonic faults with unknown recurrence intervals, some of which may have been reactivated normal faults. The 13 three-component seismic stations recorded data continuously for 15 months.
The 2015 earthquake took place in the Santa Bárbara System of the Andean foreland, at about 17km depth. This region is the easternmost morphostructural region of the central Andes. As a part of the broken foreland, it is bounded to the north by the Subandes fold-and-thrust belt and the Sierras Pampeanas to the south; to the east lies the Chaco-Paraná basin.
A multi-stage morphotectonic evolution with thick-skinned basement uplift and coeval thin-skinned deformation in the intermontane basins is suggested for the study area. The release of stresses associated with the foreland deformation can result in strong earthquakes, as the study area is known for recurrent and historical, destructive earthquakes. The available continuous record reaches back in time, when the strongest event in 1692 (magnitude 7 or intensity IX) destroyed the city of Esteco. Destructive earthquakes and surface deformation are thus a hallmark of this part of the Andean foreland.
With state-of-the-art Python packages (e.g. pyrocko, ObsPy), a semi-automatic approach is followed to analyze the collected continuous data of the seismological network. The resulting 1435 hypocenter locations consist of three different groups: 1.) local crustal earthquakes (nearly half of the events belong to this group), 2.) interplate activity, of regional distance in the slab of the Nazca-plate, and 3.) very deep earthquakes at about 600km depth. My major interest focused on the first event class. Those crustal events are partly aftershock events of the El Galpón earthquake and a second earthquake, in the south of the same fault. Further events can be considered as background seismicity of other faults within the study area. Strikingly, the seismogenic zone encompass the whole crust and propagates brittle deformation down, close to the Moho.
From the collected seismological data, a local seismic velocity model is estimated, using VELEST. After the execution of various stability tests, the robust minimum 1D-velocity model implies guiding values for the composition of the local, subsurface structure of the crust. Afterwards, performing a hypocenter relocation enables the assignment of individual earthquakes to aftershock clusters or extended seismotectonic structures. This allows the mapping of previously unknown seismogenic faults.
Finally, focal mechanisms are modeled for events with acurately located hypocenters, using the newly derived local velocity model. A compressive regime is attested by the majority of focal mechanisms, while the strike direction of the individual seismogenic structures is in agreement with the overall north – south orientation of the Central Andes, its mountain front, and individual mountain ranges in the southern Santa-Bárbara-System.
N2 - Nach einem schweren Erdbeben der Magnitude M W 5.7 am 17. Oktober 2015 in El Galpón, in der Provinz Salta im Nordwesten Argentiniens, habe ich ein lokales seismologisches Netzwerk, um das vermutete Epizentrum herum, aufgebaut. Dabei haben 13 Stationen kontinuierlich für 15 Monate gemessen. Das Netzwerk wurde in einem Gebiet installiert, welches durch tektonische Störungen charakterisiert ist, die entweder in der Kreidezeit zunächst als Abschiebungen initiiert und später als Aufschiebungen reaktiviert wurden oder in der geologischen jüngeren Vergangenheit erst entstanden sind. Die Intervallzeiten zwischen zwei Erdbeben sind dabei häufig unbekannt.
Das Erdbeben von 2015 trat im Santa-Barbara-System im Argentinischen Vorland, 17 km unter der Erdoberfläche auf. Diese Region ist die östlichste strukturgeologische Provinz der Zentralanden und dem broken-foreland-Typus zuzuordnen. Im Norden schließt sich der Bolivianische Faltengürtel (Sierras Subandinas) und im Süden die Sierras Pampeanas an; im Osten liegt das Chaco-Paraná Becken.
Eine mehrstufige morphotektonische Entwicklung wird hier vermutet, bei der das Grundgebirge durch als thick-skinned bezeichnete Deformation herausgehoben wurde und die dazwischen liegenden Intermontanbecken gleichzeitig Deformation des Typs thin-skinned erfahren haben. Die plötzliche Spannungsfreisetzung, die mit dieser Vorlanddeformation einhergeht, kann zu starken Erdbeben führen. Das Untersuchungsgebiet ist für wiederkehrende und historische, zerstörerische Erdbeben bekannt. Der zur Verfügung stehenden Aufzeichnungen reichen bis in das Jahr 1692 zurück, als ein Erdbeben der Magnitude M 7 (oder Intensität IX) die Stadt Esteco zerstörte. Daher sind zerstörerische Erdbeben ein besonderes Kennzeichen in diesem Teil des Andenvorlands.
Für die Analyse der im seismologischen Netzwerk aufgezeichneten kontinuierlichen Daten wurde ein semiautomatischer Ansatz verfolgt, der mittels hochmoderner Python-Bibliotheken informationstechnisch umgesetzt wurde. Die resultierenden 1435 Erdbeben bestehen aus drei verschiedenen Gruppen: 1.) lokale Erdbeben in der Erdkruste (die etwa die Hälfte aller Events ausmachen), 2.) weiter entfernte Interplattenaktivität, die durch die Subduktion der Nazca-Platte unter den Südamerikanischen Kontinent hervorgerufen wird und 3.) sehr tiefen Erdbeben in etwa 600 km Tiefe. Mein Hauptaugenmerk lag dabei auf der ersten Gruppe. Diese krustalen Ereignisse sind teilweise Nachbeben des
El Galpón Erdbebens und eines weiteren Bebens, welches sich weiter im Süden an der gleichen Störung ereignete. Die restlichen Beben können der allgemeinen Hintergrundaktivität entlang weiterer Störungen im Untersuchungsgebiet zugeschrieben werden. Beachtenswert ist dabei der Umstand, dass die Erdbebenaktivität in der gesamten Kruste beobachtet werden kann und sich dadurch die Deformation bis a fast an den Erdmantel ausbreitet.
Mit den gesammelten Daten kann, unter der Verwendung der VELEST Software, ein lokales seismisches Geschwindigkeitsmodell bestimmt werden. Nach der Durchführung verschiedener Stabilitätstests, können aus dem robusten eindimensionalen Modell Richtwerte für die Zusammensetzung und den Aufbau der Erdkruste gewonnen werden. Dieanschließende Relokalisierung von Erdbebenherden erlaubt die Zuordnung einzelner Erdbeben zu Erdbebenclustern oder ausgedehnten seismotektonischen Strukturen. Dadurch können sogar zuvor unbekannte seismogene Störungen kartiert werden. Schlussendlich, werden Herdflächenlösungen für Beben mit präzise lokalisierten Erdbebenherden und unter der Einbeziehung des neu bestimmten lokalen Geschwindigkeitsmodells modelliert. Der Großteil der resultierenden Lösungen bestätigt das vorherrschende kompressive Regime. Das Streichen der einzelnen seismogenen Strukturen stimmt größtenteils mit der allgemeinen Nord – Süd Ausrichtugn der Zentralanden, ihrer Gebirgsfront und den einzelnen Höhenzügen im Santa-Barbará-System überein.
T2 - Seismologische und Seismotektonische Analyse des Vorlandsystems der nordwestargentinischen Zentralanden
KW - Seismology
KW - Seismotektonik
KW - Geophysics
KW - Andes
KW - Geosciences
KW - Argentina
KW - Anden
KW - Seismologie
KW - Geophysik
KW - Geowissenschaften
KW - Argentinien
Y1 - 2020
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-473240
ER -