TY - THES A1 - Logačev, Pavel T1 - Underspecification and parallel processing in sentence comprehension T1 - Unterspezifikation und parallele Verarbeitung im Satzverständnis N2 - The aim of the present thesis is to answer the question to what degree the processes involved in sentence comprehension are sensitive to task demands. A central phenomenon in this regard is the so-called ambiguity advantage, which is the finding that ambiguous sentences can be easier to process than unambiguous sentences. This finding may appear counterintuitive, because more meanings should be associated with a higher computational effort. Currently, two theories exist that can explain this finding. The Unrestricted Race Model (URM) by van Gompel et al. (2001) assumes that several sentence interpretations are computed in parallel, whenever possible, and that the first interpretation to be computed is assigned to the sentence. Because the duration of each structure-building process varies from trial to trial, the parallelism in structure-building predicts that ambiguous sentences should be processed faster. This is because when two structures are permissible, the chances that some interpretation will be computed quickly are higher than when only one specific structure is permissible. Importantly, the URM is not sensitive to task demands such as the type of comprehension questions being asked. A radically different proposal is the strategic underspecification model by Swets et al. (2008). It assumes that readers do not attempt to resolve ambiguities unless it is absolutely necessary. In other words, they underspecify. According the strategic underspecification hypothesis, all attested replications of the ambiguity advantage are due to the fact that in those experiments, readers were not required to fully understand the sentence. In this thesis, these two models of the parser’s actions at choice-points in the sentence are presented and evaluated. First, it is argued that the Swets et al.’s (2008) evidence against the URM and in favor of underspecification is inconclusive. Next, the precise predictions of the URM as well as the underspecification model are refined. Subsequently, a self-paced reading experiment involving the attachment of pre-nominal relative clauses in Turkish is presented, which provides evidence against strategical underspecification. A further experiment is presented which investigated relative clause attachment in German using the speed-accuracy tradeoff (SAT) paradigm. The experiment provides evidence against strategic underspecification and in favor of the URM. Furthermore the results of the experiment are used to argue that human sentence comprehension is fallible, and that theories of parsing should be able to account for that fact. Finally, a third experiment is presented, which provides evidence for the sensitivity to task demands in the treatment of ambiguities. Because this finding is incompatible with the URM, and because the strategic underspecification model has been ruled out, a new model of ambiguity resolution is proposed: the stochastic multiple-channel model of ambiguity resolution (SMCM). It is further shown that the quantitative predictions of the SMCM are in agreement with experimental data. In conclusion, it is argued that the human sentence comprehension system is parallel and fallible, and that it is sensitive to task-demands. N2 - Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es zu untersuchen zu welchem Grad Satzverständnis kontextabhängig ist. In anderen Worten, werden die mentalen Prozesse die zum Satzverständnis beitragen davon beeinflusst mit welchem Ziel ein Satz gelesen wird? Ein in diesem Hinblick zentrales Phänomen ist die sogenannte ambiguity advantage, wonach ambige Sätze schneller gelesen werden als eindeutige. Dies erscheint zunächst kontraintuitiv, denn die Erstellung mehrerer Bedeutungen müsste mit einem höheren Verarbeitungsaufwand verbunden sein. Im Moment existieren zwei Theorien, die diesen Effekt erklären können: Das Unrestricted Race Model (URM; van Gompel, Pickering, and Traxler, 2000) basiert auf der Annahme, daß Leser, wann immer möglich, mehrere Interpretationen eines Satzes gleichzeitig zu erstellen versuchen. Sobald die erste Interpretation erstellt wurde, wird diese als die finale Interpretation des aktuellen Inputs akzeptiert, und die Erstellung weiterer Interpretationen wird terminiert. Weil die Dauer jedes Strukturerstellungsprozesses variiert, führt dieser Interpretationsmechanismus dazu daß Sätze mit mehreren Bedeutungen schneller verarbeitet werden. Wenn zwei Satzstrukturen zulässig sind, ist die Wahrscheinlichkeit höher daß zumindest eine von beiden relativ schnell berechnet wird als wenn nur eine Struktur zulässig ist. Dieses Modell nimmt keine Einflüsse von Verständnisaufgaben auf die Verarbeitungsstrategie an. Einen gänzlich anderen Erklärungsansatz verfolgt das strategische Unterspezifizierungsmodell von Swets et al. (2008). Hier wird angenommen daß Leser Ambiguitäten nur dann auflösen, wenn es unbedingt notwendig ist. Wenn es nicht notwendig ist, unterspezifizieren sie stattdessen. Laut dem Unterspezifizierungsmodell sind alle bisherigen Replikationen der ambiguity advantage der Tatsache geschuldet, daß in diesen Experimenten nur oberflächliche Fragen gestellt wurden, die keine Ambiguitätsauflösung erforderten. Wäre Disambiguierung erforderlich gewesen, wäre die Verarbeitung ambiger Sätze langsamer. In der vorliegenden Arbeit werden diese beiden Modelle der Ambiguitätsauflösung diskutiert und empirisch evaluiert. Zunächst wird diskutiert warum die Daten von Swets et al.'s (2008) Experiment keine Evidenz für Unterspezifikation darstellen. Als nächstes werden die präzisen quantitativen Vorhersagen des URM und des Unterspezifizierungsmodells diskutiert. Es werden die Resultate eines self-paced reading Experiments mit pränominalen Relativsätzen im Türkischen vorgestellt, welche nicht mit dem Unterspezifizierungsmodell kompatibel sind. Als nächstes werden die Resultate eines weiteren Experiments vorgestellt, welches den Prozess der Relativsatzanbindung im Deutschen im Speed-Accuracy Tradeoff Paradigma (SAT) untersucht. Die Resultate sind mit dem URM, aber nicht mit strategischer Unterspezifikation vereinbar. Des weiteren wird ein drittes Experiment vorgestellt, welches zeigt daß Parsingstrategien von den Gesichtspunkten abhängen unter denen Leser einen Satz lesen. Um alle experimentellen Ergebnisse in dieser Arbeit zu erklären, wird ein neues Modell der Disambiguierung vorgestellt: das Stochastic Multiple-Channel Model (SMCM). Es wird des weiteren gezeigt, daß die quantitativen Vorhersagen des SMCM mit den experimentellen Daten übereinstimmen. KW - psycholinguistics KW - sentence processing KW - Psycholinguistik KW - Satzverarbeitung Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-82047 ER - TY - THES A1 - Goswami, Bedartha T1 - Uncertainties in climate data analysis T1 - Unsicherheiten in der Analyse von Klimadaten BT - Perspectives on working with measurement errors and other unknowns BT - Über Möglichkeiten der Arbeit mit Meßfehlern und anderen Unbekannten N2 - Scientific inquiry requires that we formulate not only what we know, but also what we do not know and by how much. In climate data analysis, this involves an accurate specification of measured quantities and a consequent analysis that consciously propagates the measurement errors at each step. The dissertation presents a thorough analytical method to quantify errors of measurement inherent in paleoclimate data. An additional focus are the uncertainties in assessing the coupling between different factors that influence the global mean temperature (GMT). Paleoclimate studies critically rely on `proxy variables' that record climatic signals in natural archives. However, such proxy records inherently involve uncertainties in determining the age of the signal. We present a generic Bayesian approach to analytically determine the proxy record along with its associated uncertainty, resulting in a time-ordered sequence of correlated probability distributions rather than a precise time series. We further develop a recurrence based method to detect dynamical events from the proxy probability distributions. The methods are validated with synthetic examples and demonstrated with real-world proxy records. The proxy estimation step reveals the interrelations between proxy variability and uncertainty. The recurrence analysis of the East Asian Summer Monsoon during the last 9000 years confirms the well-known `dry' events at 8200 and 4400 BP, plus an additional significantly dry event at 6900 BP. We also analyze the network of dependencies surrounding GMT. We find an intricate, directed network with multiple links between the different factors at multiple time delays. We further uncover a significant feedback from the GMT to the El Niño Southern Oscillation at quasi-biennial timescales. The analysis highlights the need of a more nuanced formulation of influences between different climatic factors, as well as the limitations in trying to estimate such dependencies. N2 - Wissenschaftliche Untersuchungen setzen nicht nur eine Formulierung des gegenwärtigen Kenntnisstandes mitsamt ihrer Unsicherheiten voraus, sondern ebenso eine Eingrenzung des Unbekannten. Bezogen auf die Analyse von Klimadaten beinhaltet dies eine präzise Spezifikation gemessener Größen sowie eine durchgängige Berücksichtigung ihrer Messunsicherheiten in allen Schritten der Analyse. Diese Dissertation präsentiert eine analytische Methode zur Quantifizierung der in Paläoklimadaten inhärenten Messunsicherheiten. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung von Unsicherheiten in der Kopplungsstruktur zwischen Klimafaktoren die bekanntermaßen die globale Durchschnittstemperatur (GMT global mean temperature) beeinflussen. Die Paläoklimaforschung beruht in kritischem Maße auf der Analyse von Proxydaten welche die Klimaentwicklung dokumentieren. Allerdings sind Proxydaten mit inhärenten Datierungsunsicherheiten behaftet. Basierend auf einem generischen Bayes’schen Ansatz wird in dieser Dissertation eine analytische Methode vorgestellt um aus den zeitlich unsicheren Proxydaten zeitlich präzise Folgen korrelierter Wahrscheinlichkeitsverteilungen zu erhalten. Von diesen Verteilungen werden Proxyzeitreihen zusammen mit ihren Unsicherheiten berechnet. Weiterhin wird eine rekurrenzbasierte Methode zur Analyse von Proxydaten entwickelt welche anhand dieser Wahrscheinlichkeitsverteilungen plötzliche Änderungen in der Dynamik des Systems ermittelt. Beide Methoden werden mit Hilfe synthetischer Beispieldaten validiert und mit realen Proxydaten demonstriert. Diese statistische Analyse von Proxydaten deckt unteranderem die Beziehungen zwischen der Variabilität der Daten und zugehöriger Unsicherheiten der Proxyzeitreihen auf. Die Re- kurrenzanalyse des Ostasiatischen Sommermonsuns bestätigt die bekannten Trockenzeiten der letzten 9.000 Jahre um 8.200 bzw. 4.400 Jahre vor unserer Zeit und deckt eine zusätzliche Trockenzeit um etwa 6.900 Jahre vor unserer Zeit auf. Die Kopplungsstruktur zwischen Klimafaktoren die bekanntermaßen die GMT beeinflussen lässt sich als ein verworrenes, gerichtetes Netzwerk mit multiplen Links, welche zu verschiedenen Zeitskalen gehören, darstellen. Speziell ergibt sich eine signifikante Wechselwirkung zwischen der GMT und dem ENSO-Phänomen (El Niño-Southern Oscillation) auf einer quasi-zweijährigen Zeitskala. Einerseits beleuchtet diese Analyse die Notwendigkeit Einflüsse verschiedener Klimafaktoren auf die GMT nuancierter zu formulieren, andererseits werden die Grenzen der Quantifizierung dieser Einflüsse aufgezeigt. KW - data analysis KW - Bayesian estimation KW - Bayessche Schätzer KW - Datenanalyse Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-78312 ER - TY - THES A1 - Czesnick, Hjördis T1 - Functional specialization of Arabidopsis poly(A) polymerases in relation to flowering time and stress T1 - Funktionelle Spezialisierung von Arabidopsis Poly(A)-Polymerasen in Hinsicht auf Blühzeit und Stress N2 - Polyadenylation is a decisive 3’ end processing step during the maturation of pre-mRNAs. The length of the poly(A) tail has an impact on mRNA stability, localization and translatability. Accordingly, many eukaryotic organisms encode several copies of canonical poly(A) polymerases (cPAPs). The disruption of cPAPs in mammals results in lethality. In plants, reduced cPAP activity is non-lethal. Arabidopsis encodes three nuclear cPAPs, PAPS1, PAPS2 and PAPS4, which are constitutively expressed throughout the plant. Recently, the detailed analysis of Arabidopsis paps1 mutants revealed a subset of genes that is preferentially polyadenylated by the cPAP isoform PAPS1 (Vi et al. 2013). Thus, the specialization of cPAPs might allow the regulation of different sets of genes in order to optimally face developmental or environmental challenges. To gain insights into the cPAP-based gene regulation in plants, the phenotypes of Arabidopsis cPAPs mutants under different conditions are characterized in detail in the following work. An involvement of all three cPAPs in flowering time regulation and stress response regulation is shown. While paps1 knockdown mutants flower early, paps4 and paps2 paps4 knockout mutants exhibit a moderate late-flowering phenotype. PAPS1 promotes the expression of the major flowering inhibitor FLC, supposedly by specific polyadenylation of an FLC activator. PAPS2 and PAPS4 exhibit partially overlapping functions and ensure timely flowering by repressing FLC and at least one other unidentified flowering inhibitor. The latter two cPAPs act in a novel regulatory pathway downstream of the autonomous pathway component FCA and act independently from the polyadenylation factors and flowering time regulators CstF64 and FY. Moreover, PAPS1 and PAPS2/PAPS4 are implicated in different stress response pathways in Arabidopsis. Reduced activity of the poly(A) polymerase PAPS1 results in enhanced resistance to osmotic and oxidative stress. Simultaneously, paps1 mutants are cold-sensitive. In contrast, PAPS2/PAPS4 are not involved in the regulation of osmotic or cold stress, but paps2 paps4 loss-of-function mutants exhibit enhanced sensitivity to oxidative stress provoked in the chloroplast. Thus, both PAPS1 and PAPS2/PAPS4 are required to maintain a balanced redox state in plants. PAPS1 seems to fulfil this function in concert with CPSF30, a polyadenylation factor that regulates alternative polyadenylation and tolerance to oxidative stress. The individual paps mutant phenotypes and the cPAP-specific genetic interactions support the model of cPAP-dependent polyadenylation of selected mRNAs. The high similarity of the polyadenylation machineries in yeast, mammals and plants suggests that similar regulatory mechanisms might be present in other organism groups. The cPAP-dependent developmental and physiological pathways identified in this work allow the design of targeted experiments to better understand the ecological and molecular context underlying cPAP-specialization. N2 - Polyadenylierung ist ein entscheidender Schritt der 3‘-End-Prozessierung und somit der Reifung von prä-mRNAs. Die Länge des Poly(A)-Schwanzes entscheidet unter anderem über die Stabilität und Lokalisierung von mRNAs. Viele Eukaryoten besitzen mehrere Kopien der kanonischen Poly(A)-Polymerasen (PAP). In Säugetieren ist das Ausknocken dieser Enzyme letal. Pflanzen mit reduzierter PAP-Aktivität sind hingegen überlebensfähig. Arabidopsis exprimiert drei im Zellkern lokalisierte PAPs namens PAPS1, PAPS2 und PAPS4. Kürzlich ergab die Analyse von Arabidopsis paps1-Mutanten, dass eine Gen-Untergruppe vorzugsweise von PAPS1 polyadenyliert wird (Vi et al. 2013). Die Spezialisierung der PAPs könnte der Regulierung verschiedener Gengruppen in Anpassung an die Pflanzenentwicklung und an bestimmte Umweltbedingungen dienen. In der vorliegenden Arbeit werden die Phänotypen von Arabidopsis PAP-Mutanten unter verschiedenen Bedingungen im Detail charakterisiert, um die PAP-basierte Genregulation besser zu verstehen. Es wird gezeigt, dass alle drei PAPs an der Regulation der Blühzeit und an der Regulation von Stressantworten beteiligt sind. Während paps1-Mutanten früh blühen, zeigen paps4- und paps2 paps4-Mutanten einen spät blühenden Phänotypen. PAPS1 fördert die Expression des Blühzeitinhibitors FLC vermutlich über die Polyadenylierung eines FLC-Aktivators. PAPS2 und PAPS4 haben teilweise überlappende Funktionen und unterdrücken die Expression von FLC und mindestens einem weiteren, bisher unbekannten Blühzeitinhibitor. Die beiden PAPs agieren in einem neu entdeckten, genetischen Pfad gemeinsam mit dem Blühzeitregulator FCA, jedoch unabhängig von den Polyadenylierungsfaktoren und Blühzeitregulatoren CstF64 und FY. Des Weiteren regulieren PAPS1 und PAPS2/PAPS4 verschiedene Stressantworten. Das Reduzieren der PAPS1-Aktivität führt zu verstärkter Resistenz gegen osmotischen und oxidativen Stress, bei gleichzeitig erhöhter Kältesensitivität der Pflanzen. PAPS2/PAPS4 sind im Gegensatz dazu nicht an der Regulation von Kälte- oder osmotischem Stress beteiligt. Die paps2 paps4-Mutanten besitzen jedoch reduzierte Toleranz gegen oxidativen Stress in Chloroplasten. Das heißt, sowohl PAPS1 als auch PAPS2/PAPS4 sind nötig, um einen ausgeglichenen Redoxstatus der Pflanzenzellen zu gewährleisten. PAPS1 arbeitet bei dieser Regulation scheinbar mit dem Polyadenylierungsfaktor CPSF30 zusammen. Die individuellen Phänotypen der paps-Mutanten und die spezifischen genetischen Interaktionen der Poly(A)-Polymerasen in Arabidopsis unterstützen das Modell der PAP-abhängigen Polyadenylierung von selektierten mRNAs. Da die Polyadenylierungskomplexe in Hefen, Säugetieren und Pflanzen starke Ähnlichkeiten aufweisen, ist es denkbar, dass dieser Regulierungsmechanismus auch in anderen Organismengruppen präsent ist. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit können gezielt weitere Experimente entwickelt werden, um die ökologischen und molekularen Grundlagen der PAP-Spezialisierung zu untersuchen. KW - polyadenylation KW - flowering KW - Polyadenylierung KW - Arabidopsis KW - Poly(A)-Polymerasen KW - Blühzeit Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-78015 ER - TY - THES A1 - Pussak, Marcin T1 - Seismic characterization of geothermal reservoirs by application of the common-reflection-surface stack method and attribute analysis T1 - Seismische Charakterisierung von geothermischen Reservoiren mittels “Common-Reflection-Surface” Stapelungs-Methode und Attribut-Analysen N2 - An important contribution of geosciences to the renewable energy production portfolio is the exploration and utilization of geothermal resources. For the development of a geothermal project at great depths a detailed geological and geophysical exploration program is required in the first phase. With the help of active seismic methods high-resolution images of the geothermal reservoir can be delivered. This allows potential transport routes for fluids to be identified as well as regions with high potential of heat extraction to be mapped, which indicates favorable conditions for geothermal exploitation. The presented work investigates the extent to which an improved characterization of geothermal reservoirs can be achieved with the new methods of seismic data processing. The summations of traces (stacking) is a crucial step in the processing of seismic reflection data. The common-reflection-surface (CRS) stacking method can be applied as an alternative for the conventional normal moveout (NMO) or the dip moveout (DMO) stack. The advantages of the CRS stack beside an automatic determination of stacking operator parameters include an adequate imaging of arbitrarily curved geological boundaries, and a significant increase in signal-to-noise (S/N) ratio by stacking far more traces than used in a conventional stack. A major innovation I have shown in this work is that the quality of signal attributes that characterize the seismic images can be significantly improved by this modified type of stacking in particular. Imporoved attribute analysis facilitates the interpretation of seismic images and plays a significant role in the characterization of reservoirs. Variations of lithological and petro-physical properties are reflected by fluctuations of specific signal attributes (eg. frequency or amplitude characteristics). Its further interpretation can provide quality assessment of the geothermal reservoir with respect to the capacity of fluids within a hydrological system that can be extracted and utilized. The proposed methodological approach is demonstrated on the basis on two case studies. In the first example, I analyzed a series of 2D seismic profile sections through the Alberta sedimentary basin on the eastern edge of the Canadian Rocky Mountains. In the second application, a 3D seismic volume is characterized in the surroundings of a geothermal borehole, located in the central part of the Polish basin. Both sites were investigated with the modified and improved stacking attribute analyses. The results provide recommendations for the planning of future geothermal plants in both study areas. N2 - Ein wichtiger Beitrag der Geowissenschaften zur Bereitstellung erneuerbarer Energien besteht in der Nutzbarmachung von geothermischen Ressourcen. Für die Entwicklung von geothermischen Anlagen in großen Tiefen ist in der ersten Phase eine detaillierte geologisch-geophysikalische Erkundung erforderlich. Hierbei werden Informationen über das Temperaturfeld, zur Litho-Stratigraphie und Strukturgeologie, Geomechanik, Hydrogeologie sowie petrophysikalische Eigenschaften im Reservoir-Maßstab benötigt. Mit Hilfe aktiver seismischer Methoden können hochauflösende Abbilder des geothermischen Reservoirs geliefert werden. Dadurch können potentielle Transportwege für Fluide sowie Regionen mit hohem Wärmeabsorptionspotential identifiziert und kartiert werden. Die vorgelegte Arbeit untersucht, inwieweit mit neuen Methoden der seismischen Datenbearbeitung eine verbesserte Charakterisierung von geothermischen Reservoiren erreicht werden kann. Die Stapelung ist ein entscheidender Schritt bei der Bearbeitung von seismischen Felddaten. Die sogenannte “common-reflection-surface” Stapelung ist eine Erweiterung des klassischen Stapelungs-Konzepts. Durch ihre Anwendung können detailliertere und zuverlässigere Abbilder des Untergrundes gewonnen werden. Als wichtige Neuerung habe ich in der Arbeit aufgezeigt, dass durch diese modifizierte Art der Stapelung insbesondere die Qualität von Signalattribut-Darstellungen der seismischen Abbilder signifikant verbessert wird. Signalattribute sind ein wichtiges Werkzeug bei der Untersuchung von Reservoiren. Variationen der lithologischen und petrophysikalischen Eigenschaften spiegeln sich in Variationen in bestimmten Signalattributen (z.B. Frequenzeigenschaften, Amplitudeneigenschaften) wieder. Daraus kann auf die Qualität des geothermischen Reservoirs, z.B. hinsichtlich der Aufnahmefähigkeit von Fluiden zur Wärmeabsorption in Kreislaufsystemen, geschlossen werden. Das vorgeschlagenen methodische Konzept wird an Hand von 2 Fallstudien demonstriert. Im ersten Beispiel analysierte ich eine Reihe von 2D seismischen Profilschnitten durch das Alberta-Sedimentbecken am Ostrand der kanadischen Rocky Mountains. Bei der zweiten Anwendung wird ein 3D seismisches Volumen im Umfeld einer Geothermie-Bohrung im Zentralteil des Polnischen Sedimentbeckens mit Hilfe der modifizierten Stapelung und verbesserten Attribut-Analysen charakterisiert. Die Ergebnisse ermöglichen Empfehlungen für die Planung zukünftiger Geothermie-Anlagen in beiden Untersuchungsgebieten. KW - seismic KW - geothermischer Reservoire KW - seismische Stapelungs-Methode KW - Attribut-Analysen KW - Verarbeitung seismischer Daten KW - Common-Reflection-Surface Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-77565 ER - TY - THES A1 - Conrad, Claudia T1 - Open cluster groups and complexes T1 - Gruppen und Komplexe offener Sternhaufen N2 - It is generally agreed upon that stars typically form in open clusters and stellar associations, but little is known about the structure of the open cluster system. Do open clusters and stellar associations form isolated or do they prefer to form in groups and complexes? Open cluster groups and complexes could verify star forming regions to be larger than expected, which would explain the chemical homogeneity over large areas in the Galactic disk. They would also define an additional level in the hierarchy of star formation and could be used as tracers for the scales of fragmentation in giant molecular clouds? Furthermore, open cluster groups and complexes could affect Galactic dynamics and should be considered in investigations and simulations on the dynamical processes, such as radial migration, disc heating, differential rotation, kinematic resonances, and spiral structure. In the past decade there were a few studies on open cluster pairs (de La Fuente Marcos & de La Fuente Marcos 2009a,b,c) and on open cluster groups and complexes (Piskunov et al. 2006). The former only considered spatial proximity for the identification of the pairs, while the latter also required tangential velocities to be similar for the members. In this work I used the full set of 6D phase-space information to draw a more detailed picture on these structures. For this purpose I utilised the most homogeneous cluster catalogue available, namely the Catalogue of Open Cluster Data (COCD; Kharchenko et al. 2005a,b), which contains parameters for 650 open clusters and compact associations, as well as for their uniformly selected members. Additional radial velocity (RV) and metallicity ([M/H]) information on the members were obtained from the RAdial Velocity Experiment (RAVE; Steinmetz et al. 2006; Kordopatis et al. 2013) for 110 and 81 clusters, respectively. The RAVE sample was cleaned considering quality parameters and flags provided by RAVE (Matijevič et al. 2012; Kordopatis et al. 2013). To ensure that only real members were included for the mean values, also the cluster membership, as provided by Kharchenko et al. (2005a,b), was considered for the stars cross-matched in RAVE. 6D phase-space information could be derived for 432 out of the 650 COCD objects and I used an adaption of the Friends-of-Friends algorithm, as used in cosmology, to identify potential groupings. The vast majority of the 19 identified groupings were pairs, but I also found four groups of 4-5 members and one complex with 15 members. For the verification of the identified structures, I compared the results to a randomly selected subsample of the catalogue for the Milky Way global survey of Star Clusters (MWSC; Kharchenko et al. 2013), which became available recently, and was used as reference sample. Furthermore, I implemented Monte-Carlo simulations with randomised samples created from two distinguished input distributions for the spatial and velocity parameters. On the one hand, assuming a uniform distribution in the Galactic disc and, on the other hand, assuming the COCD data distributions to be representative for the whole open cluster population. The results suggested that the majority of identified pairs are rather by chance alignments, but the groups and the complex seemed to be genuine. A comparison of my results to the pairs, groups and complexes proposed in the literature yielded a partial overlap, which was most likely because of selection effects and different parameters considered. This is another verification for the existence of such structures. The characteristics of the found groupings favour that members of an open cluster grouping originate from a common giant molecular cloud and formed in a single, but possibly sequential, star formation event. Moreover, the fact that the young open cluster population showed smaller spatial separations between nearest neighbours than the old cluster population indicated that the lifetime of open cluster groupings is most likely comparable to that of the Galactic open cluster population itself. Still even among the old open clusters I could identify groupings, which suggested that the detected structure could be in some cases more long lived as one might think. In this thesis I could only present a pilot study on structures in the Galactic open cluster population, since the data sample used was highly incomplete. For further investigations a far more complete sample would be required. One step in this direction would be to use data from large current surveys, like SDSS, RAVE, Gaia-ESO and VVV, as well as including results from studies on individual clusters. Later the sample can be completed by data from upcoming missions, like Gaia and 4MOST. Future studies using this more complete open cluster sample will reveal the effect of open cluster groupings on star formation theory and their significance for the kinematics, dynamics and evolution of the Milky Way, and thereby of spiral galaxies. N2 - Es ist weithin anerkannt, dass Sterne typischerweise in offenen Sternenhaufen und Sternassoziationen entstehen, dennoch ist wenig über Strukturen in diesem System der offenen Sternhaufen bekannt. Entstehen offenen Sternhaufen und Sternassoziationen isoliert oder entstehen sie bevorzugt in Gruppen und Komplexen? Gruppen und Komplexe von offenen Sternhaufen könnten bestätigen, dass Sternentstehungsregionen größer sind als erwartet, was die Homogenität der chemischen Zusammensetzung über weite Areale in der galaktischen Scheibe erklären würde. Sie würden auch eine weitere Stufe in der Hierarchie der Sternentstehung definieren und könnten als Indikatoren für die Skalen der Fragmentierung in Riesenmolekülwolken dienen. Des Weiteren könnten Gruppen und Komplexe von offenen Sternhaufen die Dynamik unserer Galaxis beeinflussen und sollten in Untersuchungen und Simulationen von dynamischen Prozessen, wie radiale Migration, kinematische Aufheizung der Scheibe, differentielle Rotation, kinematische Resonanzen und der Spiralstruktur, miteinbezogen werden. In den vergangenen Jahrzehnten gab es einigen Studien zu Paaren von offenen Sternhaufen (de La Fuente Marcos & de La Fuente Marcos 2009a,b,c) sowie zu Gruppen und Komplexen von offenen Sternhaufen (Piskunov et al. 2006). Erstere betrachteten ausschließlich räumliche Nähe für die Identifizierung der Paare, während letztere auch ähnliche tangentiale Geschwindigkeiten für die Mitglieder verlangten. In dieser Arbeit nutzte ich den kompletten Satz an 6D-Phasenrauminformationen, um ein vollständigeres Bild dieser Strukturen zu erstellen. Aus diesem Grund habe ich den homogensten Sternhaufenkatalog verwendet, der zu dieser Zeit verfügbar war, nämlich den Catalogue of Open Cluster Data (COCD; Kharchenko et al. 2005a,b), welcher Parameter für 650 offene Sternhaufen und Sternassoziationen, sowie deren einheitlich ausgewählte Mitglieder, enthält. Weitere Radialgeschwindigkeits- (RV) und Metallizitätsinformationen ([M/H]) für die Sternhaufenmitglieder wurden mit Hilfe des RAdial Velocity Experiment (RAVE; Steinmetz et al. 2006; Kordopatis et al. 2013) für 110 beziehungsweise 81 Haufen bestimmt. Der RAVE-Datensatz wurde mit Hilfe von Qualitätsparametern aus RAVE (Matijevič et al. 2012; Kordopatis et al. 2013) gereinigt. Um sicherzustellen, dass nur echte Mitglieder für die Mittelwertbestimmung betrachtet wurden, wurde auch die Haufenmitgliedschaft, wie von Kharchenko et al. (2005a,b) bereitgestellt, für die in RAVE identifizierten Sterne miteinbezogen. 6D-Phasenrauminformationen konnten für 432 der 650 COCD Objekte bestimmt werden und ich habe eine angepasste Variante des Friends-of-Friends Algorithmus genutzt, der in der Kosmologie verwendet wird, um potenzielle Gruppierungen zu identifizieren. Der überwiegende Teil der 19 identifizierten Gruppierungen waren Paare, ich habe aber auch vier Gruppen mit 4-5 Mitgliedern und einen Komplex mit 15 Mitgliedern gefunden. Für die Bestätigung der identifizierten Strukturen, verglich ich die Ergebnisse mit einem zufällig ausgewählten Datensatz aus dem Milky Way global survey of Star Clusters (MWSC; Kharchenko et al. 2013), der kürzlich erst zur Verfügung gestellt wurde und hier als Vergleichsdatensatz verwendet wurde. Des Weiteren, habe ich Monte-Carlo Simulationen mit zufälligen Datensätzen implementiert, die anhand von zwei unterschiedlichen Varianten für die Ausgangsverteilungen der räumlichen und Geschwindigkeitsparameter generiert wurden. Zum Einen unter der Annahme einer gleichmäßigen Verteilung in der galaktischen Scheibe und zum Anderen unter der Annahme, dass die Datenverteilungen im COCD repräsentativ sind für die gesamte Population der offenen Sternhaufen. Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass die Mehrheit der identifizierten Paare eher zufällige Anordnungen sind, aber die Gruppen und der Komplex schienen echt zu sein. Ein Vergleich meiner Ergebnisse mit den in der Literatur vorgeschlagenen Paaren, Gruppen und Komplexen ergab eine teilweise Überschneidung, die höchstwahrscheinlich durch Auswahleffekte und die Verwendung unterschiedlicher Parameter bedingt war. Dies ist eine weitere Bestätigung für die Existenz solcher Strukturen. Die Eigenschaften der gefundenen Gruppierungen bevorzugen, dass die Mitglieder einer Gruppierung von offenen Sternhaufen aus einer gemeinsamen Riesenmolekülwolke stammen und in einem Sternentstehungsereignis geformt wurden, das möglicherweise auch sequenziell ablief. Außerdem zeigte die junge Population der offenen Sternhaufen kleinere räumliche Abstände zwischen den nächsten Nachbarn als die alte Haufenpopulation, was darauf hindeutet, dass die Lebenszeit von Gruppierungen von offenen Sternhaufen vergleichbar ist mit der für die Population galaktischer offener Sternhaufen selbst. Dennoch wurden auch unter den alten offenen Sternhaufen Gruppierungen identifiziert, was andeutete, dass die gefundenen Strukturen doch in einigen Fällen langlebiger ist als man denken könnte. In dieser Doktorarbeit konnte ich nur eine Pilotstudie zu Strukturen in der Population der galaktischen offenen Sternhaufen präsentieren, da der verwendete Datensatz höchst unvollständig war. Für zukünftige Untersuchungen wäre ein deutlich vollständigerer Datensatz notwendig. Ein Schritt in diese Richtung wäre die Verwendung von Daten aus großen momentan verfügbaren Beobachtungskampagnen, wie dem SDSS, RAVE, Gaia-ESO und dem VVV, sowie das miteinbeziehen der Ergebnisse von Studien an einzelnen offenen Sternhaufen. Später könnte dieser Datensatz durch die Verwendung von Daten aus kommenden Missionen, wie Gaia und 4MOST, komplettiert werden. Zukünftige Studien mit einem vollständigeren Datensatz werden den Einfluss von Gruppierungen von offenen Sternhaufen für die Sternentstehungstheorie und ihre Bedeutung für die Kinematik, Dynamik und Entwicklung der Milchstraße, und damit auch für andere Spiralgalaxien, enträtseln. KW - open clusters and stellar associations KW - stellar populations KW - offene Sternhaufen und stellare Assoziationen KW - Sternpopulationen Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-77605 ER - TY - THES A1 - Heise, Arvid T1 - Data cleansing and integration operators for a parallel data analytics platform T1 - Datenreinigungs- und Integrationsoperatoren für ein paralles Datenanalyseframework N2 - The data quality of real-world datasets need to be constantly monitored and maintained to allow organizations and individuals to reliably use their data. Especially, data integration projects suffer from poor initial data quality and as a consequence consume more effort and money. Commercial products and research prototypes for data cleansing and integration help users to improve the quality of individual and combined datasets. They can be divided into either standalone systems or database management system (DBMS) extensions. On the one hand, standalone systems do not interact well with DBMS and require time-consuming data imports and exports. On the other hand, DBMS extensions are often limited by the underlying system and do not cover the full set of data cleansing and integration tasks. We overcome both limitations by implementing a concise set of five data cleansing and integration operators on the parallel data analytics platform Stratosphere. We define the semantics of the operators, present their parallel implementation, and devise optimization techniques for individual operators and combinations thereof. Users specify declarative queries in our query language METEOR with our new operators to improve the data quality of individual datasets or integrate them to larger datasets. By integrating the data cleansing operators into the higher level language layer of Stratosphere, users can easily combine cleansing operators with operators from other domains, such as information extraction, to complex data flows. Through a generic description of the operators, the Stratosphere optimizer reorders operators even from different domains to find better query plans. As a case study, we reimplemented a part of the large Open Government Data integration project GovWILD with our new operators and show that our queries run significantly faster than the original GovWILD queries, which rely on relational operators. Evaluation reveals that our operators exhibit good scalability on up to 100 cores, so that even larger inputs can be efficiently processed by scaling out to more machines. Finally, our scripts are considerably shorter than the original GovWILD scripts, which results in better maintainability of the scripts. N2 - Die Datenqualität von Realweltdaten muss ständig überwacht und gewartet werden, damit Organisationen und Individuen ihre Daten verlässlich nutzen können. Besonders Datenintegrationsprojekte leiden unter schlechter Datenqualität in den Quelldaten und benötigen somit mehr Zeit und Geld. Kommerzielle Produkte und Forschungsprototypen helfen Nutzern die Qualität in einzelnen und kombinierten Datensätzen zu verbessern. Die Systeme können in selbständige Systeme und Erweiterungen von bestehenden Datenbankmanagementsystemen (DBMS) unterteilt werden. Auf der einen Seite interagieren selbständige Systeme nicht gut mit DBMS und brauchen zeitaufwändigen Datenimport und -export. Auf der anderen Seite sind die DBMS Erweiterungen häufig durch das unterliegende System limitiert und unterstützen nicht die gesamte Bandbreite an Datenreinigungs- und -integrationsaufgaben. Wir überwinden beide Limitationen, indem wir eine Menge von häufig benötigten Datenreinigungs- und Datenintegrationsoperatoren direkt in der parallelen Datenanalyseplattform Stratosphere implementieren. Wir definieren die Semantik der Operatoren, präsentieren deren parallele Implementierung und entwickeln Optimierungstechniken für die einzelnen und mehrere Operatoren. Nutzer können deklarative Anfragen in unserer Anfragesprache METEOR mit unseren neuen Operatoren formulieren, um die Datenqualität von einzelnen Datensätzen zu erhöhen, oder um sie zu größeren Datensätzen zu integrieren. Durch die Integration der Operatoren in die Hochsprachenschicht von Stratosphere können Nutzer Datenreinigungsoperatoren einfach mit Operatoren aus anderen Domänen wie Informationsextraktion zu komplexen Datenflüssen kombinieren. Da Stratosphere Operatoren durch generische Beschreibungen in den Optimierer integriert werden, ist es für den Optimierer sogar möglich Operatoren unterschiedlicher Domänen zu vertauschen, um besseren Anfrageplänen zu ermitteln. Für eine Fallstudie haben wir Teile des großen Datenintegrationsprojektes GovWILD auf Stratosphere mit den neuen Operatoren nachimplementiert und zeigen, dass unsere Anfragen signifikant schneller laufen als die originalen GovWILD Anfragen, die sich auf relationale Operatoren verlassen. Die Evaluation zeigt, dass unsere Operatoren gut auf bis zu 100 Kernen skalieren, sodass sogar größere Datensätze effizient verarbeitet werden können, indem die Anfragen auf mehr Maschinen ausgeführt werden. Schließlich sind unsere Skripte erheblich kürzer als die originalen GovWILD Skripte, was in besserer Wartbarkeit unserer Skripte resultiert. KW - data KW - cleansing KW - holistic KW - parallel KW - map reduce KW - Datenreinigung KW - Datenintegration KW - ganzheitlich KW - parallel KW - map reduce Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-77100 ER - TY - THES A1 - Kirchhecker, Sarah T1 - Renewable imidazolium zwitterions as platform molecules for the synthesis of ionic liquids and materials T1 - Neue funktionalisierte Imidazoliumverbindungen als Bausteinmoleküle aus Biomasse und ihre Verwendung zur Synthese von ionischen Flüssigkeiten und Materialien N2 - Following the principles of green chemistry, a simple and efficient synthesis of functionalised imidazolium zwitterionic compounds from renewable resources was developed based on a modified one-pot Debus-Radziszewski reaction. The combination of different carbohydrate-derived 1,2-dicarbonyl compounds and amino acids is a simple way to modulate the properties and introduce different functionalities. A representative compound was assessed as an acid catalyst, and converted into acidic ionic liquids by reaction with several strong acids. The reactivity of the double carboxylic functionality was explored by esterification with long and short chain alcohols, as well as functionalised amines, which led to the straightforward formation of surfactant-like molecules or bifunctional esters and amides. One of these di-esters is currently being investigated for the synthesis of poly(ionic liquids). The functionalisation of cellulose with one of the bifunctional esters was investigated and preliminary tests employing it for the functionalisation of filter papers were carried out successfully. The imidazolium zwitterions were converted into ionic liquids via hydrothermal decarboxylation in flow, a benign and scalable technique. This method provides access to imidazolium ionic liquids via a simple and sustainable methodology, whilst completely avoiding contamination with halide salts. Different ionic liquids can be generated depending on the functionality contained in the ImZw precursor. Two alanine-derived ionic liquids were assessed for their physicochemical properties and applications as solvents for the dissolution of cellulose and the Heck coupling. N2 - In dieser Arbeit wurden, den Prinzipien der nachhaltigen Chemie folgend, neue funktionalisierte Imidazolium-Verbindungen aus Biomasse hergestellt. Diese wurden als Plattformmoleküle verwendet, die durch einfache Derivation in verschiedene andere Verbindungen überführt, und als Bausteine für die Herstellung von Materialien genutzt werden können. Imidazolium Zwitterionen (ImZw) wurden in Eintopfreaktionen in Wasser dargestellt, wobei alle Ausgangsstoffe auf nachwachsenden Rohstoffen basierten Durch die Verwendung von Aminosaeuren wurden die ImZw durch die Wahl der verschiedenen Seitenketten direkt funktionalisiert. Die Säureeigenschaften der Moleküle wurden bestimmt und ihre Eignung als Katalysatoren überprüft. An einer Modellverbindung ewurden verschiedene Modifikationen der Carboxylgruppen unternommen, u.a. wurde es mit verschiedenen Alkoholen esterifiziert, und anfolgend auch mit verschiedenen Aminen amidiert. Eines von den esterifizierten ImZw wurde als Monomer für die Synthese einer komplett aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellten polyionischen Flüssigkeit verwendet, sowie für die Funktionalisierung von Cellulosefasern und Filterpapieren. Des weiteren wurden die ImZw unter hydrothermalen Bedingungen in der Gegenwart von Essigsäure decarboxyliert und so in ionische Flüssigkeiten überführt. Diese Reaktionen wurden in einem Durchflußreaktor durchgeführt, der gegenüber anderen Synthesemethoden weniger Energie verwendet. Die so hergestellten ionischen Flüssigkeiten wurden in zwei Anwendungen getestet, wo sie sehr vielversprechende Ergebnisse zeigten. Eine wurde als Lösungsmittel in einer Heck Reaktion verwendet, wo der Pd-Katalysator 5 mal ohne Aktivitätsverlust recycelt werden konnte eine andere konnte einen hohe Menge an Cellulose (16.9 wt%) lösen. KW - ionic liquids KW - platform chemicals KW - renewables KW - imidazolium KW - green chemistry KW - hydrothermal KW - ionische Flüssigkeiten KW - nachhaltige Chemie KW - Imidazolium KW - Zwitterionen KW - nachwachsende Rohstoffe Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-77412 ER - TY - THES A1 - Fronton, Ludivine T1 - Modeling approaches to characterize the disposition of monoclonal antibodies T1 - Modellierungsansätze zur Charakterisierung der Verteilung und Eliminierung monoklonaler Antikörper BT - from detailed PBPK models to classical compartment models BT - vom detaillierten PBPK-Model zum klassischen Kompartiment-Model N2 - Monoclonal antibodies (mAbs) are engineered immunoglobulins G (IgG) used for more than 20 years as targeted therapy in oncology, infectious diseases and (auto-)immune disorders. Their protein nature greatly influences their pharmacokinetics (PK), presenting typical linear and non-linear behaviors. While it is common to use empirical modeling to analyze clinical PK data of mAbs, there is neither clear consensus nor guidance to, on one hand, select the structure of classical compartment models and on the other hand, interpret mechanistically PK parameters. The mechanistic knowledge present in physiologically-based PK (PBPK) models is likely to support rational classical model selection and thus, a methodology to link empirical and PBPK models is desirable. However, published PBPK models for mAbs are quite diverse in respect to the physiology of distribution spaces and the parameterization of the non-specific elimination involving the neonatal Fc receptor (FcRn) and endogenous IgG (IgGendo). The remarkable discrepancy between the simplicity of biodistribution data and the complexity of published PBPK models translates in parameter identifiability issues. In this thesis, we address this problem with a simplified PBPK model—derived from a hierarchy of more detailed PBPK models and based on simplifications of tissue distribution model. With the novel tissue model, we are breaking new grounds in mechanistic modeling of mAbs disposition: We demonstrate that binding to FcRn is indeed linear and that it is not possible to infer which tissues are involved in the unspecific elimination of wild-type mAbs. We also provide a new approach to predict tissue partition coefficients based on mechanistic insights: We directly link tissue partition coefficients (Ktis) to data-driven and species-independent published antibody biodistribution coefficients (ABCtis) and thus, we ensure the extrapolation from pre-clinical species to human with the simplified PBPK model. We further extend the simplified PBPK model to account for a target, relevant to characterize the non-linear clearance due to mAb-target interaction. With model reduction techniques, we reduce the dimensionality of the simplified PBPK model to design 2-compartment models, thus guiding classical model development with physiological and mechanistic interpretation of the PK parameters. We finally derive a new scaling approach for anatomical and physiological parameters in PBPK models that translates the inter-individual variability into the design of mechanistic covariate models with direct link to classical compartment models, specially useful for PK population analysis during clinical development. N2 - Monoklonale Antikörper (mAbs) sind gentechnisch hergestellte Immunglobuline G (IgG), die seit mehr als 20 Jahren therapeutisch gezielt gegen spezifische Antigene eingesetzt werden. Die Hauptindikationen sind vor allem die Gebiete Onkologie, Infektions- und (Auto-)Immun-Erkrankungen. Monoklonale Antikörper sind hydrophile und geladene Moleküle mit hoher Affinität und Selektivität für ihr Target. Diese Eigenschaften haben einen groçen Einfluss auf die Pharmacokinetik (PK), wobei oft lineares und nicht-lineares Verhalten beobachtet wird. Mathematische Modelle, wie zum Beispiel empirische Modelle, werden routinemässig in der Forschung und Entwicklung verwendet, um die PK für mAbs zu charakterisieren. Hingegen sind physiologisch-basierte PK (PBPK) Modelle für mAbs nur begrenzt einsetzbar. Zur Identifikation und Quantifizierung der Variabilität in klinischen PK-Daten werden meistens empirische 2-Kompartiment Modelle für populationspharmakokinetischen Analysen eingesetzt. Allerdings gibt es weder einen klaren Konsens noch Richtlinien, um lineare und nicht-lineare Clearances zu erklären und um physiologische und mechanistische PK-Parameter zu interpretieren. Prädiktive PBPK-Modelle, die für mAbs publiziert wurden, sind sehr unterschiedlich in Bezug auf die betrachteten Verteilungsvolumina (vaskulär, interstitiell, endosomal) und die Parametrisierung der nicht-spezifischen Elimination durch den neonatalen Fc-Rezeptor und endogenes IgG. Je detaillierter die Beschreibung dieser Prozesse ist, desto mehr Parameter werden benötigt. Allerdings sind deren Werte oftmals nicht bekannt. Dies führt zu Problemen in der Identifizierbarkeit bei den üblicherweise zur Verfügung stehenden in vivo Verteilungsdaten. In der vorliegenden Doktorarbeit präsentieren wir hierarchisch aufgebaute PBPK Modelle für mAbs. Dazu gehören detaillierte, intermediäre und vereinfachte Modelle, deren Ableitungen auf Simplifizierungen des Gewebe-Verteilungs-Modells basieren. Mit dem neuen, vereinfachten PBPK Modell können wir einen Einblick in die mechanistische Interpretation von Gewebe-Verteilungskoeffizienten geben. Diese können mit publizierten, auf Daten basierenden Antikörper Biodistributions Koeffizienten verglichen werden. Weiterhin erlaubt ein simplifiziertes Modell Parameter Identifizierbarkeit und die Auswahl an Gewebe, die bei der nicht-spezifischen Eliminierung der mAbs eine Rolle spielen. Das vereinfachte PBPK Modell kann nach Bedarf um ein Target erweitert werden, das relevant ist für die nicht-lineare Clearance in Folge einer mAb-Target Interaktion zu erklären. Mit Hilfe von Techniken zur Modell-Reduktion reduzieren wir das vereinfachte PBPK Modell, um Kompartiment-Modelle mit niedriger Dimensionalität zu entwickeln. Dadurch wird die physiologische und mechanistische Interpretation der PK Parameter garantiert. Zuletzt leiten wir eine neue Skalierungsmethode für anatomische und physiologische Parameter ab. Sie ermöglicht die Translation der inter-individuellen Variabilität in das Design eines mechanistischen Covariat-Models mit direktem Link zu klassischen Kompartiment-Modellen. Dies ist vor allem für populationspharmakokinetischen Analysen wÃdhrend der klinischen Entwicklung hilfreich. KW - mAb disposition KW - PBPK KW - extravasation-rate limited tissue model KW - classical compartment model KW - mAb Disposition KW - PBPK KW - Extravasation-rate limited Gewebemodelle KW - Kompartiment-Modelle Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-76537 ER - TY - THES A1 - Schmitt, Clemens Nikolaus Zeno T1 - The role of protein metal complexes in the mechanics of Mytilus californianus byssal threads T1 - Der Einfluss von Protein-Metall-Komplexen auf die mechanischen Eigenschaften der Byssusfäden von Mytilus californianus N2 - Protein-metal coordination complexes are well known as active centers in enzymatic catalysis, and to contribute to signal transduction, gas transport, and to hormone function. Additionally, they are now known to contribute as load-bearing cross-links to the mechanical properties of several biological materials, including the jaws of Nereis worms and the byssal threads of marine mussels. The primary aim of this thesis work is to better understand the role of protein-metal cross-links in the mechanical properties of biological materials, using the mussel byssus as a model system. Specifically, the focus is on histidine-metal cross-links as sacrificial bonds in the fibrous core of the byssal thread (Chapter 4) and L-3,4-dihydroxyphenylalanine (DOPA)-metal bonds in the protective thread cuticle (Chapter 5). Byssal threads are protein fibers, which mussels use to attach to various substrates at the seashore. These relatively stiff fibers have the ability to extend up to about 100 % strain, dissipating large amounts of mechanical energy from crashing waves, for example. Remarkably, following damage from cyclic loading, initial mechanical properties are subsequently recovered by a material-intrinsic self-healing capability. Histidine residues coordinated to transition metal ions in the proteins comprising the fibrous thread core have been suggested as reversible sacrificial bonds that contribute to self-healing; however, this remains to be substantiated in situ. In the first part of this thesis, the role of metal coordination bonds in the thread core was investigated using several spectroscopic methods. In particular, X-ray absorption spectroscopy (XAS) was applied to probe the coordination environment of zinc in Mytilus californianus threads at various stages during stretching and subsequent healing. Analysis of the extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) suggests that tensile deformation of threads is correlated with the rupture of Zn-coordination bonds and that self-healing is connected with the reorganization of Zn-coordination bond topologies rather than the mere reformation of Zn-coordination bonds. These findings have interesting implications for the design of self-healing metallopolymers. The byssus cuticle is a protective coating surrounding the fibrous thread core that is both as hard as an epoxy and extensible up to 100 % strain before cracking. It was shown previously that cuticle stiffness and hardness largely depend on the presence of Fe-DOPA coordination bonds. However, the byssus is known to concentrate a large variety of metals from seawater, some of which are also capable of binding DOPA (e.g. V). Therefore, the question arises whether natural variation of metal composition can affect the mechanical performance of the byssal thread cuticle. To investigate this hypothesis, nanoindentation and confocal Raman spectroscopy were applied to the cuticle of native threads, threads with metals removed (EDTA treated), and threads in which the metal ions in the native tissue were replaced by either Fe or V. Interestingly, replacement of metal ions with either Fe or V leads to the full recovery of native mechanical properties with no statistical difference between each other or the native properties. This likely indicates that a fixed number of metal coordination sites are maintained within the byssal thread cuticle – possibly achieved during thread formation – which may provide an evolutionarily relevant mechanism for maintaining reliable mechanics in an unpredictable environment. While the dynamic exchange of bonds plays a vital role in the mechanical behavior and self-healing in the thread core by allowing them to act as reversible sacrificial bonds, the compatibility of DOPA with other metals allows an inherent adaptability of the thread cuticle to changing circumstances. The requirements to both of these materials can be met by the dynamic nature of the protein-metal cross-links, whereas covalent cross-linking would fail to provide the adaptability of the cuticle and the self-healing of the core. In summary, these studies of the thread core and the thread cuticle serve to underline the important and dynamic roles of protein-metal coordination in the mechanical function of load-bearing protein fibers, such as the mussel byssus. N2 - Protein-Metall Bindungen sind vor allem durch ihre Rolle in physiologischen Prozessen bekannt. Vor kurzem jedoch wurde eine völlig andere Funktion dieser chemischen Bindungen, als lasttragendes Vernetzungselement in Kieferzangen mariner Ringelwürmer der Gattung Nereis und Byssusfäden mariner Muscheln der Gattung Mytilus (Miesmuscheln) entdeckt. Ziel dieser Dissertation ist es, am Beispiel von M. californianus Byssusfäden, ein besseres Verständnis des Einflusses von Protein-Metall Komplexen auf die mechanischen Eigenschaften biologischer Materialien zu erlangen. Byssusfäden sind Proteinfasern, welche Miesmuscheln zur sicheren Befestigung verwenden. Diese relativ steifen Fäden können bis zu 100 % gedehnt zu werden, ohne zu brechen. Bei sofortiger Wiederbelastung zeigt sich jedoch eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Materials. Erstaunlicherweise können sich die mechanischen Eigenschaften der Fäden hiervon wieder erholen. Es wird angenommen, dass im Faserkern der Byssusfäden die Aminosäure Histidin Bindungen mit Metallionen eingeht, welche als reversible Opferbindungen fungieren können und so einen Selbstheilungsprozess ermöglichen. In dieser Arbeit wurde der Beitrag von Protein-Zink Bindungen zur Mechanik der Byssusfäden mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS), untersucht. Die ermittelten Daten legen nahe, dass Zn-Aminosäure Bindungen unter Dehnung der Byssusfäden brechen. Des Weiteren scheint der Selbstheilungsprozess nicht auf der bloßen Wiederherstellung dieser Bindungen zu beruhen, sondern viel mehr auf der Regenerierung der anfänglichen Bindungsstruktur und -verteilung. Diese Erkenntnisse stellen interessante Konzepte für die Entwicklung von selbstheilenden Metallopolymeren bereit. Die relativ harte Hülle der Byssusfäden schützt den Faserkern vor Abrieb. Laut Literatur basiert ihre Härte und Steifigkeit hauptsächlich auf der Quervernetzung durch Fe-DOPA (eine modifizierte Aminosäure) Bindungen. Jedoch können verschiedene Metalle aus dem Meerwasser in Byssusfäden aufgenommen werden und auch Bindungen mit DOPA bilden. Daher stellt sich die Frage, nach dem Zusammenhang zwischen mechanischen Eigenschaften und der Metallzusammensetzung der Byssushülle. Um dieser Frage nachzugehen, wurden die Metallionen aus der Hülle natürlicher Byssusfäden entfernt, und durch entweder Fe oder V ersetzt. Anschließend wurden die mechanischen Eigenschaften der Hüllen der behandelten und unbehandelten Byssusfäden mittels Nanoindentierung bestimmt. Interessanterweise besteht kein Unterschied der mechanischen Eigenschaften der natürlichen und modifizierten Hüllen der Byssusfäden, was dafür spricht, dass in der Hülle der Byssusfäden eine feste Anzahl an Protein-Metall Quervernetzungspunkten vorhanden ist, die möglicherweise durch den speziellen Produktionsprozess der Fäden festgelegt wird. Dies könnte eine evolutionäre Anpassung des Byssus darstellen, um eine verlässliche Verankerung des Organismus in verschiedenen Umgebungen zu gewährleisten. Während die Dynamik der Protein-Metall Bindungen ihnen eine Rolle als chemische Opferbindung im selbstheilenden Faserkern erlaubt, ermöglicht sie die Funktion der Hülle unter Verwendung verschiedener Metalle. Andere nicht-kovalente Wechselwirkungen haben sicherlich eine ähnliche Dynamik, und kovalente Bindungen sind stabiler, aber nur Protein-Metall Bindungen erlauben eine stabile und dynamische Quervernetzung, ohne die weder das Anpassungsvermögen der Hülle, noch das Selbstheilungsvermögen des Faserkerns möglich wären. Die Untersuchungen der Hülle und des Faserkerns der Byssusfäden verdeutlichen die Wichtigkeit der Protein-Metall Bindungen und ihrer Dynamik für die mechanische Funktion lasttragender Proteinfasern, wie dem Byssus der Miesmuscheln. KW - biomaterials KW - self-healing materials KW - protein-metal interaction KW - Biomaterialien KW - selbstheilende Materialien KW - Protein-Metall-Wechselwirkung Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-74216 ER - TY - THES A1 - Reiter, Karsten T1 - Crustal stress variability across spatial scales - examples from Canada, Northern Switzerland and a South African gold mine T1 - Die Variabilität der krustalen Spannungen auf räumlichen unterschiedlichen Skalen – Beispiele von Kanada, der Nordschweiz und einer Südafrikanischen Goldmine N2 - The quantitative descriptions of the state of stress in the Earth’s crust, and spatial-temporal stress changes are of great importance in terms of scientific questions as well as applied geotechnical issues. Human activities in the underground (boreholes, tunnels, caverns, reservoir management, etc.) have a large impact on the stress state. It is important to assess, whether these activities may lead to (unpredictable) hazards, such as induced seismicity. Equally important is the understanding of the in situ stress state in the Earth’s crust, as it allows the determination of safe well paths, already during well planning. The same goes for the optimal configuration of the injection- and production wells, where stimulation for artificial fluid path ways is necessary. The here presented cumulative dissertation consists of four separate manuscripts, which are already published, submitted or will be submitted for peer review within the next weeks. The main focus is on the investigation of the possible usage of geothermal energy in the province Alberta (Canada). A 3-D geomechanical–numerical model was designed to quantify the contemporary 3-D stress tensor in the upper crust. For the calibration of the regional model, 321 stress orientation data and 2714 stress magnitude data were collected, whereby the size and diversity of the database is unique. A calibration scheme was developed, where the model is calibrated versus the in situ stress data stepwise for each data type and gradually optimized using statistically test methods. The optimum displacement on the model boundaries can be determined by bivariate linear regression, based on only three model runs with varying deformation ratio. The best-fit model is able to predict most of the in situ stress data quite well. Thus, the model can provide the full stress tensor along any chosen virtual well paths. This can be used to optimize the orientation of horizontal wells, which e.g. can be used for reservoir stimulation. The model confirms regional deviations from the average stress orientation trend, such as in the region of the Peace River Arch and the Bow Island Arch. In the context of data compilation for the Alberta stress model, the Canadian database of the World Stress Map (WSM) could be expanded by including 514 new data records. This publication of an update of the Canadian stress map after ~20 years with a specific focus on Alberta shows, that the maximum horizontal stress (SHmax) is oriented southwest to northeast over large areas in Northern America. The SHmax orientation in Alberta is very homogeneous, with an average of about 47°. In order to calculate the average SHmax orientation on a regular grid as well as to estimate the wave-length of stress orientation, an existing algorithm has been improved and is applied to the Canadian data. The newly introduced quasi interquartile range on the circle (QIROC) improves the variance estimation of periodic data, as it is less susceptible to its outliers. Another geomechanical–numerical model was built to estimate the 3D stress tensor in the target area ”Nördlich Lägern” in Northern Switzerland. This location, with Opalinus clay as a host rock, is a potential repository site for high-level radioactive waste. The performed modelling aims to investigate the sensitivity of the stress tensor on tectonic shortening, topography, faults and variable rock properties within the Mesozoic sedimentary stack, according to the required stability needed for a suitable radioactive waste disposal site. The majority of the tectonic stresses caused by the far-field shortening from the South are admitted by the competent rock units in the footwall and hanging wall of the argillaceous target horizon, the Upper Malm and Upper Muschelkalk. Thus, the differential stress within the host rock remains relatively low. East-west striking faults release stresses driven by tectonic shortening. The purely gravitational influence by the topography is low; higher SHmax magnitudes below topographical depression and lower values below hills are mainly observed near the surface. A complete calibration of the model is not possible, as no stress magnitude data are available for calibration, yet. The collection of this data will begin in 2015; subsequently they will be used to adjust the geomechanical–numerical model again. The third geomechanical–numerical model investigates the stress variation in an ultra-deep gold mine in South Africa. This reservoir model is spatially one order of magnitude smaller than the previous local model from Northern Switzerland. Here, the primary focus is to investigate the hypothesis that the Mw 1.9 earthquake on 27 December 2007 was induced by stress changes due to the mining process. The Coulomb failure stress change (DeltaCFS) was used to analyse the stress change. It confirmed that the seismic event was induced by static stress transfer due to the mining progress. The rock was brought closer to failure on the derived rupture plane by stress changes of up to 1.5–15MPa, in dependence of the DeltaCFS analysis type. A forward modelling of a generic excavation scheme reveals that with decreasing distance to the dyke the DeltaCFS values increase significantly. Hence, even small changes in the mining progress can have a significant impact on the seismic hazard risk, i.e. the change of the occurrence probability to induce a seismic event of economic concern. N2 - Die quantitative Beschreibung des Spannungszustandes in der Erdkruste sowie dessen räumlichzeitliche Änderung ist von großer Bedeutung für wissenschaftliche Fragestellungen, sowie für industrielle Anwendung im geotechnischen Bereich. Bei jedem Eingriff des Menschen in den Untergrund (Bohrungen, Tunnel, Kavernen, Reservoirmanagement etc.) wird der Spannungszustand verändert. Entscheidend ist dabei, ob davon möglicherweise (unvorhersehbare) Gefahren, wie zum Beispiel induzierte Seismizität ausgehen können. Genauso wichtig ist auch ein Verständnis des ungestörten Spannungszustandes in der Erdkruste, um zum Beispiel sichere Bohrlochpfade bereits in der Planungsphase zu bestimmen. Selbiges gilt für eine optimale Konfiguration von Injektions- und Produktionsbohrung, wenn künstliche Fluidwegsamkeiten stimuliert werden müssen. Die vorliegende kumulative Dissertation besteht aus vier Manuskripten, welche teilweise bereits publiziert sind. Fokus der beiden ersten Publikationen ist die potentielle Nutzung von Geothermie in der Provinz Alberta (Kanada). Dafür wurde ein 3-D-geomechanisch-numerisches Modell erstellt, das den kompletten gegenwärtigen 3-D-Spannungstensor in der oberen Erdkruste quantifiziert. Für die Kalibrierung des regionalen Modells wurde ein Datensatz von 321 Spannungsorientierungen und 2714 Spannungsmagnituden zusammengetragen, dessen Größe und Diversität einmalig ist. Aufgrund der vorhandenen Datenbasis wurde ein Kalibrierungsschema entwickelt, bei dem das Modell statistisch abgesichert an jedem einzelnen vorhandenen Datentyp schrittweise getestet und optimiert wird. Das optimale Verhältnis der Randbedingungen des Modells kann dabei durch bivariate lineare Regression, auf der Basis von nur drei Modellläufen bestimmt werden. Das Best-fit-Modell kann den Großteil der in situ Spannungsdaten sehr gut reproduzieren. So kann das Modell den 3-D-Spannungstensor entlang beliebiger virtueller Bohrlochpfade liefern, die zum Beispiel für die Planung der optimalen Orientierung horizontaler Stimulationsbohrungen genutzt werden können. Das Modell bestätigt regionale Abweichungen der Spannungsorientierung vom generellen Trend, wie z.B. in der Region des Peace River Bogens und des Bow Island Bogen. Im Zusammenhang mit der Erstellung des Alberta-Spannungsmodells wurde die Datenbank der Weltspannungskarte (WSM) in der Region Kanada um 514 neue Datensätzen erweitert und alle bestehenden Datensätze überprüft. Dies ermöglichte es nach ca. 20 Jahren, eine aktualisierte Spannungskarte für Kanada mit einem vertiefenden Fokus auf die Provinz Alberta zu publizieren. Die maximale horizontale Spannung (SHmax) in weiten Teilen Nordamerikas ist Südwest nach Nordost orientiert. Die SHmax Orientierung in Alberta ist sehr homogen, im Mittel etwa 47°. Zur Berechnung der mittleren SHmax–Orientierung auf einem regelmäßigen Gitter und zur Ableitung des Spannungsmusters dieser Orientierung wurde ein existierender Algorithmus verbessert und auf den kanadischen Datensatz angewendet. Dabei wurde der Quasi Interquartilsabstand am Kreis (QIROC) neu eingeführt, um die Varianz eines periodischen Datensatzes besser abschätzen zu können. Der modifizierte Algorithmus ist weniger anfällig gegenüber Ausreißern in periodischen Datensätzen, als der Vorgänger. Ein weiteres geomechanisch-numerisches Modell zur kontinuierlichen Beschreibung des 3-D-Spannungstensors wurde für das Gebiet „Nördlich Lägern” in der Nordschweiz erstellt. Diese Region ist ein potentieller Endlagerstandort für hochradioaktiven Abfall, eingelagert im Wirtsgestein Opalinuston. Der Fokus des Modells ist es, die Sensitivität des Spannungsfeldes von tektonischem Schub, Topographie, Störungen und den variablen Gesteinseigenschaften im mesozoischen Sedimentstapel auf den Spannungstensor zu untersuchen. Der Hauptanteil der tektonischen Spannungen, verursacht durch den Fernfeldschub von Süden, wird vor allem durch die mechanisch kompetenten Schichten im Liegenden und Hangenden des tonigen Zielhorizontes, dem Oberen Malm und dem Oberen Muschelkalk aufgenommen. Dadurch bleiben die Differenzspannungen in den tonigen Formationen relativ gering. Ost-West streichende Störungen bauen zudem Spannungen des Fernfeldes ab. Der rein gravitative Einfluss der Topographie ist gering; höhere SHmax–Magnituden unterhalb topographischer Depressionen und geringere Werte unter Anhöhen sind vor allem oberflächennah zu beobachten. Eine Kalibrierung des Modells ist nicht abschließend möglich, da im Untersuchungsgebiet keine Spannungsmagnituden zur Verfügung stehen. Diese werden erst in der nächsten Etappe der Endlagersuche, die in 2015 beginnen wird erhoben, sodass das Modell dann gegebenenfalls angepasst werden muss. Das dritte geomechanisch-numerische Modell eines Abschnitts einer tiefliegenden Goldmine in Südafrika ist räumlich gesehen nochmals eine Größenordnung kleiner als das vorherige lokale Modell in der Nordschweiz. Es wurde die Hypothese untersucht, ob das Mw 1.9 Erdbeben am 27. Dezember 2007 durch den Abbau verursacht wurde. Die Analyse der durch die Abbautätigkeit umgelagerten Spannungen unter Nutzung der Spannungsänderung des Coulomb Versagenskriteriums (DeltaCFS) zeigt klar, dass das seismische Ereignis induziert wurde. Das Gestein wurde entlang der Bruchfläche um 1.5 bis 15MPa dem Versagen näher gebracht, je nachdem welche DeltaCFS Analysemethode angewendet wird und unter Berücksichtigung der Unsicherheiten in der Orientierung der Herdflächenlösung sowie der Modellparameter. Eine Vorwärtsmodellierung eines generischen Abbauprozesses zeigt exponentiell steigende DeltaCFS–Werte mit abnehmender Distanz des Abbaus zu dem magmatischen Aufstiegskanal, in dem das Beben stattfand. Folglich haben geringe Änderungen des Abbauprozesses entscheidenden Einfluss auf die Eintretenswahrscheinlichkeit eines seismischen Ereignisses. KW - stress pattern KW - tectonic stress KW - circular statistics KW - 3D geomechanical numerical model KW - crustal stress KW - tektonische Spannungen KW - Spannungsmuster KW - krustale Spannungen KW - zirkulare Statistik KW - 3D geomechanisch-nummerische Modellierung Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-76762 ER - TY - THES A1 - Hutter, Anne T1 - Unveiling the epoch of reionization by simulations and high-redshift galaxies T1 - Untersuchungen der Epoche der Reionisation mithilfe von Simulationen und Beobachtungen hoch rotverschobener Galaxien N2 - The Epoch of Reionization marks after recombination the second major change in the ionization state of the universe, going from a neutral to an ionized state. It starts with the appearance of the first stars and galaxies; a fraction of high-energy photons emitted from galaxies permeate into the intergalactic medium (IGM) and gradually ionize the hydrogen, until the IGM is completely ionized at z~6 (Fan et al., 2006). While the progress of reionization is driven by galaxy evolution, it changes the ionization and thermal state of the IGM substantially and affects subsequent structure and galaxy formation by various feedback mechanisms. Understanding this interaction between reionization and galaxy formation is further impeded by a lack of understanding of the high-redshift galactic properties such as the dust distribution and the escape fraction of ionizing photons. Lyman Alpha Emitters (LAEs) represent a sample of high-redshift galaxies that are sensitive to all these galactic properties and the effects of reionization. In this thesis we aim to understand the progress of reionization by performing cosmological simulations, which allows us to investigate the limits of constraining reionization by high-redshift galaxies as LAEs, and examine how galactic properties and the ionization state of the IGM affect the visibility and observed quantities of LAEs and Lyman Break galaxies (LBGs). In the first part of this thesis we focus on performing radiative transfer calculations to simulate reionization. We have developed a mapping-sphere-scheme, which, starting from spherically averaged temperature and density fields, uses our 1D radiative transfer code and computes the effect of each source on the IGM temperature and ionization (HII, HeII, HeIII) profiles, which are subsequently mapped onto a grid. Furthermore we have updated the 3D Monte-Carlo radiative transfer pCRASH, enabling detailed reionization simulations which take individual source characteristics into account. In the second part of this thesis we perform a reionization simulation by post-processing a smoothed-particle hydrodynamical (SPH) simulation (GADGET-2) with 3D radiative transfer (pCRASH), where the ionizing sources are modelled according to the characteristics of the stellar populations in the hydrodynamical simulation. Following the ionization fractions of hydrogen (HI) and helium (HeII, HeIII), and temperature in our simulation, we find that reionization starts at z~11 and ends at z~6, and high density regions near sources are ionized earlier than low density regions far from sources. In the third part of this thesis we couple the cosmological SPH simulation and the radiative transfer simulations with a physically motivated, self-consistent model for LAEs, in order to understand the importance of the ionization state of the IGM, the escape fraction of ionizing photons from galaxies and dust in the interstellar medium (ISM) on the visibility of LAEs. Comparison of our models results with the LAE Lyman Alpha (Lya) and UV luminosity functions at z~6.6 reveals a three-dimensional degeneracy between the ionization state of the IGM, the ionizing photons escape fraction and the ISM dust distribution, which implies that LAEs act not only as tracers of reionization but also of the ionizing photon escape fraction and of the ISM dust distribution. This degeneracy does not even break down when we compare simulated with observed clustering of LAEs at z~6.6. However, our results show that reionization has the largest impact on the amplitude of the LAE angular correlation functions, and its imprints are clearly distinguishable from those of properties on galactic scales. These results show that reionization cannot be constrained tightly by exclusively using LAE observations. Further observational constraints, e.g. tomographies of the redshifted hydrogen 21cm line, are required. In addition we also use our LAE model to probe the question when a galaxy is visible as a LAE or a LBG. Within our model galaxies above a critical stellar mass can produce enough luminosity to be visible as a LBG and/or a LAE. By finding an increasing duty cycle of LBGs with Lya emission as the UV magnitude or stellar mass of the galaxy rises, our model reveals that the brightest (and most massive) LBGs most often show Lya emission. Predicting the Lya equivalent width (Lya EW) distribution and the fraction of LBGs showing Lya emission at z~6.6, we reproduce the observational trend of the Lya EWs with UV magnitude. However, the Lya EWs of the UV brightest LBGs exceed observations and can only be reconciled by accounting for an increased Lya attenuation of massive galaxies, which implies that the observed Lya brightest LAEs do not necessarily coincide with the UV brightest galaxies. We have analysed the dependencies of LAE observables on the properties of the galactic and intergalactic medium and the LAE-LBG connection, and this enhances our understanding of the nature of LAEs. N2 - Die Epoche der Reionisation markiert die nach der Rekombination zweite grundlegende Änderung des Ionisationszustandes des Universums, nämlich den Übergang von einem neutralen zu einem ionisierten Zustand. Die Epoche der Reionisation beginnt mit dem Erscheinen der ersten Sterne und Galaxien. Von den Galaxien ausgesendete energiereiche Photonen durchdringen das intergalaktische Medium (IGM) und ionisieren den vorhandenen Wasserstoff schrittweise, bis das IGM bei z~6 (Fan et al., 2006) vollständig ionisiert ist. Während der Verlauf der Reionisation zum einen durch die Galaxienentwicklung bestimmt wird, verändert die Reionisation zum anderen den Ionisations- und thermischen Zustand des IGMs und beeinflusst damit die darauffolgende Struktur- und Galaxienentwicklung durch verschiedene Rückkopplungsmechanismen. Die geringen Kenntnisse der Eigenschaften von Galaxien bei hohen Rotverschiebungen wie der Staubverteilung und des Anteils an ionisierenden Photonen, die die Galaxien verlassen können, erschweren jedoch das Verständnis des Wechselspiels zwischen Reionisation und Galaxienentwicklung. Lyman Alpha Emitter (LAE) stellen Galaxien bei hoher Rotverschiebung dar, deren Sichtbarkeit diesen Eigenschaften und den Effekten der Reionisa\-tion unterliegen. Diese Arbeit zielt darauf ab, den Verlauf der Reionisation anhand von kosmologischen Simulationen zu verstehen. Insbesondere interessiert, inwieweit der Verlauf der Reionisation durch Galaxien bei hohen Rotverschiebungen eingeschränkt werden kann, und wie die Eigenschaften der Galaxien und der Ionisationszustand des IGMs die Sichtbarkeit und die beobachtbaren Größen der LAE und Lyman Break Galaxien (LBG) beeinflussen können. Im ersten Teil dieser Arbeit werden verschiedene Ansätze zur Lösung des Strahlungstransportes neu- und weiterentwickelt mit dem Ziel, die Epoche der Reionisation zu simulieren. Dazu wurde zum einen eine Methode entwickelt, die als Berechnungsgrundlage sphärisch gemittelte Temperatur- und Dichtefelder benutzt. Mithilfe des in dieser Arbeit entwickelten eindimensionalen Strahlungstransportcodes werden die Auswirkungen jeder Quelle auf die dementsprechenden Temperatur- und Ionisa\-tionsprofile (HII, HeII, HeIII) berechnet und diese auf ein Gitter abgebildet. Zum anderen wurde der dreidimensionale Monte-Carlo-Strahlungstransportcode pCRASH so erweitert, sodass detaillierte Reionisationsimulationen, die individulle Quelleneigenschaften berücksichtigen, durchgeführt werden können. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Epoche der Reionisation in sich konsistent simuliert, indem aufbauend auf einer gasdynamischen Simulation (smoothed particle hydrodynamics (SPH), GADGET-2) mithilfe von pCRASH Strahlungstransportrechnungen ausgeführt werden. Dabei werden die ionisierenden Quellen gemäß der Eigenschaften der Sternpopulationen in der gasdynamischen Simulation modelliert. Die Entwicklung der IGM-Ionisationsanteile an Wasserstoff (HII) und Helium (HeII, HeIII) sowie der Temperatur werden in der Simulation verfolgt. Es zeigt sich, dass Reionisation erstens bei z~11 beginnt und bei z~6 endet, und zweitens von überdichten zu unterdichten Gebieten des Kosmos hin verläuft. Im dritten Teil der Arbeit werden kosmologische SPH - und Strahlungstransportsimulationen mit einem physikalisch motivierten, selbst-konsistenten Modell für LAEs kombiniert, um den Einfluss des Ionisationszustandes des IGMs, des Anteils der ionisierenden Photonen, die die Galaxien verlassen können, und der Staubverteilung im interstellaren Medium (ISM) auf die sichtbaren Eigenschaften der LAEs zu verstehen. Der Vergleich der Simulationsergebnisse mit den beobachteten LAE Lyman Alpha- und UV-Leuchtkraftfunktionen bei z~6.6 offenbart eine dreidimensionale Entartung zwischen dem Ionisationszustand des IGMs, dem Anteil der ionisierenden Photonen, die die Galaxien verlassen können, und der Staubverteilung im ISM. Dies bedeutet, dass die Sichtbarkeit von LAEs nicht nur ein Indikator für den Ionisationszustand des IGM ist, sondern auch für den Anteil an ionisierenden Photonen, die die Galaxien verlassen können, und für die Staubverteilung im ISM. Diese Entartung lässt sich auch nicht auflösen, wenn Simulations- und Beobachtungsdaten der räumlichen Verteilung der LAEs bei z~6.6 gemessen mit der winkelabhängigen Zweipunktkorrelationsfunktion verglichen werden. Jedoch zeigt unser Modell, dass die Reionisation den größten Effekt auf die Amplitude der Winkelkorrelation hat und dass sich ihre Spuren klar von den Effekten auf galaktischen Skalen (den Anteil der ionisierenden Photonen, die die Galaxien verlassen können, und der Staubverteilung im ISM) unterscheiden lassen. Somit kann Reionisation nicht alleine durch LAE Beobachtungen eingeschränkt werden, und es werden weitere Beobachtungen, wie z.B. die Tomographie der rotverschobenen 21cm Wasserstofflinie, benötigt. KW - cosmology KW - reionization KW - high-redshift galaxies KW - radiative transfer KW - simulation KW - Kosmologie KW - Reionisation KW - hoch rotverschobene Galaxien KW - Strahlungstransport KW - Simulationen Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-76998 ER - TY - THES A1 - Sen, Ali Tolga T1 - Inversion of seismic source parameters for weak mining-induced and natural earthquakes T1 - Inversion von seismischen Quellparametern für schwache Bergbau-induzierte und natürliche Erdbeben N2 - The purpose of this thesis is to develop an automated inversion scheme to derive point and finite source parameters for weak earthquakes, here intended with the unusual meaning of earthquakes with magnitudes at the limit or below the bottom magnitude threshold of standard source inversion routines. The adopted inversion approaches entirely rely on existing inversion software, the methodological work mostly targeting the development and tuning of optimized inversion flows. The resulting inversion scheme is tested for very different datasets, and thus allows the discussion on the source inversion problem at different scales. In the first application, dealing with mining induced seismicity, the source parameters determination is addressed at a local scale, with source-sensor distance of less than 3 km. In this context, weak seismicity corresponds to event below magnitude MW 2.0, which are rarely target of automated source inversion routines. The second application considers a regional dataset, namely the aftershock sequence of the 2010 Maule earthquake (Chile), using broadband stations at regional distances, below 300 km. In this case, the magnitude range of the target aftershocks range down to MW 4.0. This dataset is here considered as a weak seismicity case, since the analysis of such moderate seismicity is generally investigated only by moment tensor inversion routines, with no attempt to resolve source duration or finite source parameters. In this work, automated multi-step inversion schemes are applied to both datasets with the aim of resolving point source parameters, both using double couple (DC) and full moment tensor (MT) models, source duration and finite source parameters. A major result of the analysis of weaker events is the increased size of resulting moment tensor catalogues, which interpretation may become not trivial. For this reason, a novel focal mechanism clustering approach is used to automatically classify focal mechanisms, allowing the investigation of the most relevant and repetitive rupture features. The inversion of the mining induced seismicity dataset reveals the repetitive occurrence of similar rupture processes, where the source geometry is controlled by the shape of the mined panel. Moreover, moment tensor solutions indicate a significant contribution of tensile processes. Also the second application highlights some characteristic geometrical features of the fault planes, which show a general consistency with the orientation of the slab. The additional inversion for source duration allowed to verify the empirical correlation for moment normalized earthquakes in subduction zones among a decreasing rupture duration with increasing source depth, which was so far only observed for larger events. N2 - Ziel dieser Dissertation ist es ein automatisches Inversionsschema zur Ableitung von Parametern für Punkt- und finite Quellen von "schwachen" Erdbeben im Sinne von aussergewöhnlich kleinen Erdbeben an oder unterhalb der Magnitudenschwelle für Standard-Inversionsroutinen zu entwickeln. Der verwendete Inversionsansatz baut auf bestehender Inversionssoftware auf, die methodische Arbeit zielt hauptsächlich auf die Entwicklung und das Tuning des optimierten Inversionsablaufs. Das resultierende Inversionsverfahren ist für verschiedene Datensätze getestet und erlaubt somit eine Diskussion über das Herdinversionsproblem auf unterschiedlichen Skalierungen. In der ersten Anwendung, die sich mit induzierter Seismizität in Minen beschäftigt, werden die Herdparameter im lokalen Bereich mit einer Herd-Empfänger Entfernung von weniger als 3 km bestimmt. In diesem Zusammenhang bezieht sich die "schwache" Seismizität auf Ereignisse mit Magnituden unter Mw 2.0, welche sehr selten das Ziel von automatisierten Herdinversionsroutinen sind. Die zweite Anwendung berücksichtigt den regionalen Datensatz der Nachbebesequenz des Maule (Chile) Erdbebens von 2010, aufgezeichnet durch Breitband-Stationen in einer maximalen Entfernung von 300 km. In diesem Fall umfasst der Magnitudenbereich Ereignisse mit Magnituden kleiner als Mw 4.0. Auch dieser Datensatz wird hier als "schwache" Seismizität interpretiert, da die Analyse solch moderater Seismizität normalerweise nur durch Routinen für Momententensorinversion erfolgt, welche keinerlei Auflösung für die Herddauer oder finite Herdparameter beinhaltet. In dieser Arbeit wird ein automatisiertes, mehrstufiges Inversionsverfahren auf beide Datensätze angewendet mit dem Ziel sowohl Punktquellen-Herdparameter für double-couple (DC) und volle Momententensor (MT) Modelle als auch für Herddauer und finite Herdparameter zu bestimmen. Ein Hauptergebnis dieser Analyse von schwachen Ereignissen ist die Vergrößerung von Momententensor-Katalogen, deren Interpretation wichtig werden könnte. Aus diesem Grund wurde ein neuartiger Cluster-Ansatz für Herdmechanismen angewendet um diese automatisch zu klassifizieren, der somit die Untersuchung der wichtigsten und sich wiederholenden Bruchprozessen erlaubt. Die Inversion des Datensatzes von induzierter Seismizität in Minen enthüllt das sich wiederholende Auftreten von ähnlichen Bruchprozessen, wobei die Herdgeometrie von der Form der Minentäfelung kontrolliert wird. Darüber hinaus deuten die Momententensorlösungen einen signifikanten Beitrag von tensilen Prozessen an. Auch die zweite Anwendung zeigt einige charackteristische, geometrische Besonderheiten der Bruchflächen auf, welche prinzipiell konsistent zur Orientierung der subduzierten Platte sind. Die zusätzliche Inversion nach der Herdzeit erlaubt die Verifizierung von empirischen Korrelationen von momentennormalisierten Erdbeben in Subduktionszonen zwischen einer abnehmenden Bruchdauer mit zunehmender Herdtiefe, welche bisher nur für größere Ereignisse beobachtet wurde. KW - Seismologie KW - induzierten Seismizität KW - Quellenumkehr KW - Momententensor KW - Aufenthaltsdauer KW - seismology KW - induced seismicity KW - source inversion KW - moment tensor KW - source duration Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-71914 ER - TY - THES A1 - Jüppner, Jessica T1 - Characterization of metabolomic dynamics in synchronized Chlamydomonas reinhardtii cell cultures and the impact of TOR inhibition on cell cycle, proliferation and growth T1 - Charakterisierung der metabolischen Dynamik in synchronisierten Chlamydomonas reinhardtii Zellkulturen und der Einfluss der TOR-Inhibition auf Zellzyklus, Proliferation und Wachstum N2 - The adaptation of cell growth and proliferation to environmental changes is essential for the surviving of biological systems. The evolutionary conserved Ser/Thr protein kinase “Target of Rapamycin” (TOR) has emerged as a major signaling node that integrates the sensing of numerous growth signals to the coordinated regulation of cellular metabolism and growth. Although the TOR signaling pathway has been widely studied in heterotrophic organisms, the research on TOR in photosynthetic eukaryotes has been hampered by the reported land plant resistance to rapamycin. Thus, the finding that Chlamydomonas reinhardtii is sensitive to rapamycin, establish this unicellular green alga as a useful model system to investigate TOR signaling in photosynthetic eukaryotes. The observation that rapamycin does not fully arrest Chlamydomonas growth, which is different from observations made in other organisms, prompted us to investigate the regulatory function of TOR in Chlamydomonas in context of the cell cycle. Therefore, a growth system that allowed synchronously growth under widely unperturbed cultivation in a fermenter system was set up and the synchronized cells were characterized in detail. In a highly resolved kinetic study, the synchronized cells were analyzed for their changes in cytological parameters as cell number and size distribution and their starch content. Furthermore, we applied mass spectrometric analysis for profiling of primary and lipid metabolism. This system was then used to analyze the response dynamics of the Chlamydomonas metabolome and lipidome to TOR-inhibition by rapamycin The results show that TOR inhibition reduces cell growth, delays cell division and daughter cell release and results in a 50% reduced cell number at the end of the cell cycle. Consistent with the growth phenotype we observed strong changes in carbon and nitrogen partitioning in the direction of rapid conversion into carbon and nitrogen storage through an accumulation of starch, triacylglycerol and arginine. Interestingly, it seems that the conversion of carbon into triacylglycerol occurred faster than into starch after TOR inhibition, which may indicate a more dominant role of TOR in the regulation of TAG biosynthesis than in the regulation of starch. This study clearly shows, for the first time, a complex picture of metabolic and lipidomic dynamically changes during the cell cycle of Chlamydomonas reinhardtii and furthermore reveals a complex regulation and adjustment of metabolite pools and lipid composition in response to TOR inhibition. N2 - Die Anpassung der Wachstumsrate an Umweltveränderungen ist essentiell für das Überleben biologischer Systeme. Mit der Identifikation der evolutionär konservierten Serin/Threonin Kinase “Target of Rapamycin” (TOR) war ein zentraler Regulator gefunden, der in Abhängigkeit einer Vielzahl von Wachstumsfaktoren den zellulären Metabolismus und das Wachstum reguliert. Während zum heutigen Zeitpunkt schon relativ gute Kenntnisse über die Funktionen und Signalwege dieser Kinase in heterotrophen Organismen gewonnen werden konnten, wurden die Untersuchungen des TOR-Signalweges in photoautotrophen Organismen durch deren Resistenz gegenüber dem TOR-spezifischen Inhibitor Rapamycin für lange Zeit erschwert. Daher bietet die Entdeckung, dass die einzelligen Grünalge Chlamydomonas reinhardtii eine natürliche Sensitivität gegenüber Rapamycin aufweist, eine gute Grundlage zur Erforschung des TOR-Signalweges in photosynthetisch aktiven Eukaryoten. Aufgrund der Beobachtung, dass das Wachstum von Chlamydomonas nicht vollständig durch Rapamycin inhibiert werden konnte, was im Gegensatz zu Beobachtungen in anderen Organismen steht, entschieden wir uns für eine detailliertere Analyse des Einflusses von TOR auf den Zellzyklus. Dazu wurde ein System etabliert das eine Synchronisation der Zellen unter weitestgehend ungestörten Bedingungen in einem Fermenter-system erlaubte. Dieses System wurde dann für eine detaillierte Charakterisierung der synchronisierten Zellen genutzt. Mittels einer hochaufgelösten Zeitreihe wurden Veränderungen zytologischer Parameter (Zellzahl und Zellgrößenverteilung) und des Stärkegehalts analysiert. Zusätzlich wurden massenspektrometrische Verfahren zur Analyse des Primär- und Lipidmetabolismus verwendet. Dieses System wurde des Weiteren dazu genutzt dynamische Veränderungen im Metabolom und Lipidom von Chlamydomonas nach Inhibition der TOR Kinase durch Rapamycin zu untersuchen Die Ergebnisse der TOR-Inhibition zeigen ein vermindertes Wachstum, eine Verzögerung in der Zellteilung und der Entlassung der Tochterzellen und resultieren in einer um 50% verringerten Zellzahl am Ende des Zellzyklus. Des Weiteren konnte eine Akkumulation von Kohlenstoff– und Stickstoff-Reserven in Form von Stärke und Triacylglyceriden, sowie Arginin beobachtet werden. Dabei ist vor allem interessant, dass die der Einbau von Kohlenstoff in Triacylglyceride offenbar schneller erfolgt als der in Stärke, was auf eine dominantere Rolle von TOR in der Regulation der Triacylglycerid-Biosynthese gegenüber der Stärkesynthese hindeutet. Diese Studie zeigt zum ersten Mal eine komplexe Analyse der dynamischen Veränderungen im Primär- und Lipidmetabolismus im Verlauf des Zellzyklus von Chlamydomonas und zeigt weiterhin die komplexe Regulation und Adjustierung des Metabolit-Pools und der Lipidzusammensetzung als Antwort auf die Inhibition von TOR. KW - chlamydomonas reinhardtii KW - metabolites KW - Metaboliten KW - lipids KW - Lipide Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-76923 ER - TY - THES A1 - Meissner, Sven T1 - Implications of Microcystin Production in Microcystis aeruginosa PCC 7806 T1 - Effekte der Produktion von Microcystin in Microcystis aeruginosa PCC 7806 N2 - Cyanobacteria produce about 40 percent of the world’s primary biomass, but also a variety of often toxic peptides such as microcystin. Mass developments, so called blooms, can pose a real threat to the drinking water supply in many parts of the world. This study aimed at characterizing the biological function of microcystin production in one of the most common bloom-forming cyanobacterium Microcystis aeruginosa. In a first attempt, the effect of elevated light intensity on microcystin production and its binding to cellular proteins was studied. Therefore, conventional microcystin quantification techniques were combined with protein-biochemical methods. RubisCO, the key enzyme for primary carbon fixation was a major microcystin interaction partner. High light exposition strongly stimulated microcystin-protein interactions. Up to 60 percent of the total cellular microcystin was detected bound to proteins, i.e. inaccessible for standard quantification procedures. Underestimation of total microcystin contents when neglecting the protein fraction was also demonstrated in field samples. Finally, an immuno-fluorescence based method was developed to identify microcystin producing cyanobacteria in mixed populations. The high light induced microcystin interaction with proteins suggested an impact of the secondary metabolite on the primary metabolism of Microcystis by e.g. modulating the activity of enzymes. For addressing that question, a comprehensive GC/MS-based approach was conducted to compare the accumulation of metabolites in the wild-type of Microcystis aeruginosa PCC 7806 and the microcystin deficient ΔmcyB mutant. From all 501 detected non-redundant metabolites 85 (17 percent) accumulated significantly different in either of both genotypes upon high light exposition. Accumulation of compatible solutes in the ΔmcyB mutant suggests a role of microcystin in fine-tuning the metabolic flow to prevent stress related to excess light, high oxygen concentration and carbon limitation. Co-analysis of the widely used model cyanobacterium Synechocystis PCC 6803 revealed profound metabolic differences between species of cyanobacteria. Whereas Microcystis channeled more resources towards carbohydrate synthesis, Synechocystis invested more in amino acids. These findings were supported by electron microscopy of high light treated cells and the quantification of storage compounds. While Microcystis accumulated mainly glycogen to about 8.5 percent of its fresh weight within three hours, Synechocystis produced higher amounts of cyanophycin. The results showed that the characterization of species-specific metabolic features should gain more attention with regard to the biotechnological use of cyanobacteria. N2 - Cyanobakterien produzieren etwa 40 Prozent der primären Biomasse auf der Welt aber auch giftige Peptide wie das leberschädigende Microcystin. Massenvorkommen, so genannte Blaualgenblüten, gefährden vielerorts regelmäßig die Trinkwasserversorgung. Diese Arbeit hatte zum Ziel, den Einfluss der Microcystinproduktion auf physiologische Abläufe in dem weit verbreiteten blütenbildenden Cyanobakterium Microcystis aeruginosa zu charakterisieren. Zum einen, wurde hierfür der Einfluss der Beleuchtungsintensität auf die Produktion von Microcystin und dessen Bindung an zelluläre Proteine ermittelt. Hierzu wurden etablierte Quantifizierungstechniken mit biochemischen Methoden kombiniert. RubisCO, das Schlüsselenzym zur primären Kohlenstofffixierung, war ein Hauptinteraktionspartner von Microcystin. Hohe Beleuchtungsintensität erhöhte die Menge von an Proteine gebundenem Microcystin. Bis zu 60 Prozent des gesamten zellulären Microcystins lag an Proteine gebunden vor, d.h. es wurde durch Standardquantifizierungsmethoden nicht erfasst. Die Notwendigkeit, zur Quantifizierung des gesamten Microcystins die Proteinfraktion mit einzubeziehen, wurde auch in Freilandproben demonstriert. Die Entwicklung einer immunofluoreszenzbasierten Methode erlaubte die Unterscheidung von toxischen und nichttoxischen Microcystis-Kolonien in Freilandproben. Die starklichtinduzierte Interaktion von Microcystin mit Proteinen deutete auf einen möglichen Einfluss des Sekundärmetabolits auf den Primärstoffwechsel von Microcystis hin. Um dieser Frage nachzugehen, wurde ein umfassender GC/MS-basierter Versuch durchgeführt, um die Akkumulation von Metaboliten im Microcystin produzierenden Stamm Microcystis aeruginosa PCC 7806 und dessen microcystinfreier ΔmcyB-mutierten Variante vergleichen zu können. Es zeigte sich, dass Microcystin einen Einfluss auf die Akkumulation von 85 (17 Prozent) aller 501 detektierten Metaboliten unter erhöhter Beleuchtungsstärke hatte. Besonders die vermehrte Synthese osmotisch aktiver Substanzen in der ΔmcyB Mutante, verstanden als generelle Reaktion auf allgemeinen Stress, deutete auf eine Beteiligung von Microcystin in der metabolischen Justierung von Microcystis hin. Die Parallelanalyse des Modellstamms Synechocystis PCC 6803 offenbarte grundsätzliche metabolische Unterschiede zwischen verschiedenen Cyanobakterienspezies. Demnach produzierte Microcystis vor allem Kohlehydrate und Synechocystis eher Aminosäuren. Die GC/MS-basierten Ergebnisse wurden durch elektronmikroskopische Aufnahmen und die Quantifizierung von Speichermetaboliten gestützt. Innerhalb drei Stunden bewirkte Starklicht die Akkumulation von Glykogen in Microcystis auf ca. 8.5 Prozent des Frischgewichts, wohingegen Synechocystis mehr Cyanophycin produzierte. Die Ergebnisse zeigten, dass im Hinblick auf die biotechnologische Nutzung von Cyanobakterien, die Charakterisierung speziesspezifischer metabolischer Eigenschaften mehr Beachtung finden sollte. KW - microcystin KW - Microcystin KW - cyanobacteria KW - Cyanobakterien Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-75199 ER - TY - THES A1 - Schmidt, Lukas T1 - Aerosols and boundary layer structure over Arctic sea ice based on airborne lidar and dropsonde measurements T1 - Aerosol und Grenzschichtstruktur über arktischem Meereis anhand von Flugzeuggetragenen Lidar- und Dropsonden- Messungen N2 - The atmosphere over the Arctic Ocean is strongly influenced by the distribution of sea ice and open water. Leads in the sea ice produce strong convective fluxes of sensible and latent heat and release aerosol particles into the atmosphere. They increase the occurrence of clouds and modify the structure and characteristics of the atmospheric boundary layer (ABL) and thereby influence the Arctic climate. In the course of this study aircraft measurements were performed over the western Arctic Ocean as part of the campaign PAMARCMIP 2012 of the Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research (AWI). Backscatter from aerosols and clouds within the lower troposphere and the ABL were measured with the nadir pointing Airborne Mobile Aerosol Lidar (AMALi) and dropsondes were launched to obtain profiles of meteorological variables. Furthermore, in situ measurements of aerosol properties, meteorological variables and turbulence were part of the campaign. The measurements covered a broad range of atmospheric and sea ice conditions. In this thesis, properties of the ABL over Arctic sea ice with a focus on the influence of open leads are studied based on the data from the PAMARCMIP campaign. The height of the ABL is determined by different methods that are applied to dropsonde and AMALi backscatter profiles. ABL heights are compared for different flights representing different conditions of the atmosphere and of sea ice and open water influence. The different criteria for ABL height that are applied show large variation in terms of agreement among each other, depending on the characteristics of the ABL and its history. It is shown that ABL height determination from lidar backscatter by methods commonly used under mid-latitude conditions is applicable to the Arctic ABL only under certain conditions. Aerosol or clouds within the ABL are needed as a tracer for ABL height detection from backscatter. Hence an aerosol source close to the surface is necessary, that is typically found under the present influence of open water and therefore convective conditions. However it is not always possible to distinguish residual layers from the actual ABL. Stable boundary layers are generally difficult to detect. To illustrate the complexity of the Arctic ABL and processes therein, four case studies are analyzed each of which represents a snapshot of the interplay between atmosphere and underlying sea ice or water surface. Influences of leads and open water on the aerosol and clouds within the ABL are identified and discussed. Leads are observed to cause the formation of fog and cloud layers within the ABL by humidity emission. Furthermore they decrease the stability and increase the height of the ABL and consequently facilitate entrainment of air and aerosol layers from the free troposphere. N2 - Die Verteilung von Meereis und offenem Wasser hat einen starken Einfluss auf die Atmosphäre über dem arktischen Ozean. Eisrinnen (sog. Leads) verursachen konvektive Flüsse von latenter und sensibler Wärme und führen zum Eintrag von Aerosolpartikeln in die Atmosphäre. Dadurch führen sie zum vermehrten Auftreten von Wolken und modifizieren die Struktur und die Eigenschaften der atmosphärischen Grenzschicht (ABL), wodurch das arktische Klima beeinflusst wird. Im Rahmen der Messkampagne PAMARCMIP 2012 des Alfred-Wegener-Instituts (AWI) wurden als Teil dieser Arbeit über dem westlichen arktischen Ozean Flugzeugmessungen durchgeführt. Mithilfe des nach unten gerichteten Airborne Mobile Aerosol Lidar (AMALi) wurde die Rückstreuung von Aerosolen und Wolken in der unteren Troposphäre und ABL gemessen. Dropsonden wurden verwendet, um Profile meteorologischer Größen zu erhalten. Zudem wurden in situ Messungen von Aerosoleigenschaften, meteorologischen Variablen und der Turbulenz durchgeführt. In dieser Arbeit werden die Eigenschaften der ABL über arktischem Meereis basierend auf den Daten der PAMARCMIP Kampagne untersucht. Dabei liegt der Fokus auf dem Einfluss offener Leads auf die ABL. Aus den gewonnenen Dropsondendaten und AMALi Rückstreuprofilen wird die Höhe der ABL mithilfe verschiedener Methoden bestimmt. Die für verschiedene Messflüge und somit unterschiedliche atmosphärische Bedingungen sowie Meereisverteilungen berechneten ABL Höhen werden miteinander verglichen, und somit der Einfluss von offenem Wasser auf die ABL untersucht. Die verschiedenen Methoden zur Bestimmung der ABL Höhe führen zu unterschiedlichen Ergebnissen, je nach Eigenschaften der ABL und ihrer Geschichte. Es wird gezeigt, dass die Methoden für die ABL Höhen-Bestimmung aus der Lidar Rückstreuung, die gewöhnlich für die mittleren Breiten verwendet werden, nur bedingt für arktische Bedingungen geeignet ist. Um die ABL Höhe aus der Rückstreuung ableiten zu können, müssen Aerosole oder Wolken in der Grenzschicht als Tracer vorhanden sein. Dazu ist eine Aerosolquelle nahe der Oberfläche notwendig, welche typischerweise unter dem Einfluss von offenem Wasser und konvektiven Bedingungen vorliegt. Dennoch ist es nicht immer möglich, die aktuelle Grenzschicht von residualen Schichten zu unterscheiden. Stabile Grenzschichten sind im Allgemeinen schwer zu detektieren. Um die Komplexität der arktischen Grenzschicht und die beteiligten Prozesse zu veranschaulichen, werden vier Fallstudien detailliert analysiert, welche jeweils eine Momentaufnahme des Zusammenspiels von Atmosphäre und Meereis oder Wasseroberfläche darstellen. Der Einfluss von Leads und offenem Wasser auf Aerosol und Wolken in der ABL werden identifiziert und diskutiert. Die Bildung von Wolken- und Nebelschichten, verursacht durch den Feuchteeintrag über offenen Leads, wird beobachtet. Zudem verringern leads die Stabilität der ABL, führen zu einer Zunahme ihrer Höhe und begünstigen dadurch Entrainment von Luft und Aerosolschichten aus der freien Troposphäre. KW - polar KW - atmosphere KW - AMALi KW - Polar 5 KW - lead KW - polar KW - Atmosphäre KW - AMALi KW - Polar 5 KW - Eisrinne Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-75076 ER - TY - THES A1 - Sarkar, Saswati T1 - Holocene variations in the strength of the Indian Monsoon system T1 - Holozäne Schwankungen in der Stärke des Indischen Monsunsystems BT - a combined biomarker and stable isotope approach BT - ein kombinierter Ansatz mit Biomarkern und stabilen Isotopen N2 - The monsoon is an important component of the Earth’s climate system. It played a vital role in the development and sustenance of the largely agro-based economy in India. A better understanding of past variations in the Indian Summer Monsoon (ISM) is necessary to assess its nature under global warming scenarios. Instead, our knowledge of spatiotemporal patterns of past ISM strength, as inferred from proxy records, is limited due to the lack of high-resolution paleo-hydrological records from the core monsoon domain. In this thesis I aim to improve our understanding of Holocene ISM variability from the core ‘monsoon zone’ (CMZ) in India. To achieve this goal, I tried to understand modern and thereafter reconstruct Holocene monsoonal hydrology, by studying surface sediments and a high-resolution sedimentary record from the saline-alkaline Lonar crater lake, central India. My approach relies on analyzing stable carbon and hydrogen isotope ratios from sedimentary lipid biomarkers to track past hydrological changes. In order to evaluate the relationship of the modern ecosystem and hydrology of the lake I studied the distribution of lipid biomarkers in the modern ecosystem and compared it to lake surface sediments. The major plants from dry deciduous mixed forest type produced a greater amount of leaf wax n-alkanes and a greater fraction of n-C31 and n-C33 alkanes relative to n-C27 and n-C29. Relatively high average chain length (ACL) values (29.6–32.8) for these plants seem common for vegetation from an arid and warm climate. Additionally I found that human influence and subsequent nutrient supply result in increased lake primary productivity, leading to an unusually high concentration of tetrahymanol, a biomarker for salinity and water column stratification, in the nearshore sediments. Due to this inhomogeneous deposition of tetrahymanol in modern sediments, I hypothesize that lake level fluctuation may potentially affect aquatic lipid biomarker distributions in lacustrine sediments, in addition to source changes. I reconstructed centennial-scale hydrological variability associated with changes in the intensity of the ISM based on a record of leaf wax and aquatic biomarkers and their stable carbon (δ13C) and hydrogen (δD) isotopic composition from a 10 m long sediment core from the lake. I identified three main periods of distinct hydrology over the Holocene in central India. The period between 10.1 and 6 cal. ka BP was likely the wettest during the Holocene. Lower ACL index values (29.4 to 28.6) of leaf wax n-alkanes and their negative δ13C values (–34.8‰ to –27.8‰) indicated the dominance of woody C3 vegetation in the catchment, and negative δDwax (average for leaf wax n-alkanes) values (–171‰ to –147‰) argue for a wet period due to an intensified monsoon. After 6 cal. ka BP, a gradual shift to less negative δ13C values (particularly for the grass derived n-C31) and appearance of the triterpene lipid tetrahymanol, generally considered as a marker for salinity and water column stratification, marked the onset of drier conditions. At 5.1 cal. ka BP increasing flux of leaf wax n-alkanes along with the highest flux of tetrahymanol indicated proximity of the lakeshore to the center due to a major lake level decrease. Rapid fluctuations in abundance of both terrestrial and aquatic biomarkers between 4.8 and 4 cal. ka BP indicated an unstable lake ecosystem, culminating in a transition to arid conditions. A pronounced shift to less negative δ13C values, in particular for n-C31 (–25.2‰ to –22.8‰), over this period indicated a change of dominant vegetation to C4 grasses. Along with a 40‰ increase in leaf wax n-alkane δD values, which likely resulted from less rainfall and/or higher plant evapotranspiration, I interpret this period to reflect the driest conditions in the region during the last 10.1 ka. This transition led to protracted late Holocene arid conditions and the establishment of a permanently saline lake. This is supported by the high abundance of tetrahymanol. A late Holocene peak of cyanobacterial biomarker input at 1.3 cal. ka BP might represent an event of lake eutrophication, possibly due to human impact and the onset of cattle/livestock farming in the catchment. The most intriguing feature of the mid-Holocene driest period was the high amplitude and rapid fluctuations in δDwax values, probably due to a change in the moisture source and/or precipitation seasonality. I hypothesize that orbital induced weakening of the summer solar insolation and associated reorganization of the general atmospheric circulation were responsible for an unstable hydroclimate in the mid-Holocene in the CMZ. My findings shed light onto the sequence of changes during mean state changes of the monsoonal system, once an insolation driven threshold has been passed, and show that small changes in solar insolation can be associated to major environmental changes and large fluctuations in moisture source, a scenario that may be relevant with respect to future changes in the ISM system. N2 - Der Monsun ist ein wichtiger Bestandteil des Klimasystems der Erde. Er spielte in der Entwicklung und im Lebensunterhalt der weitgehend agrarisch geprägten Wirtschaft in Indien eine wesentliche Rolle. Ein besseres Verständnis von vergangenen Schwankungen im Indischen Sommermonsun (ISM) ist notwendig, um dessen Wesen unter dem Einfluss globaler Erwärmungsszenarien zu bewerten. Stattdessen ist unser Wissen über räumlich-zeitliche Muster der vergangenen ISM Intensität, wie sie aus Proxydaten abgeleitet wird, aufgrund des Mangels an hochauflösenden paläohydrologischen Datensätzen aus der Kernmonsunregion sehr eingeschränkt. In dieser Arbeit versuche ich unser Verständnis über die ISM Variabilität im Holozän in der Kernmonsunregion in Indien zu verbessern. Um dieses Ziel zu erreichen habe ich versucht, zunächst die rezente und danach die holozäne monsunale Hydrologie durch das Studium von Oberflächensedimenten und eines hochaufgelösten Sedimentkerns aus dem salzhaltigen-alkalischen Lonar Kratersee, Zentralindien zu verstehen. Mein Ansatz stützt sich auf der Analyse stabiler Wasserstoff- und Kohlenstoffisotopenverhältnisse von sedimentären Lipid Biomarkern, um vergangene hydrologische Veränderungen zu verfolgen. Um die Beziehung des modernen Ökosystems mit der Hydrologie des Sees zu bewerten, untersuchte ich die Verteilung von Lipid Biomarkern im rezenten Ökosystem und verglich sie mit den Oberflächensedimenten des Sees. Die bedeutendsten Pflanzen aus dem trockenen Laubmischwaldtyp erzeugten eine größere Menge an Blattwachs n-Alkanen und einen größeren Anteil von n-C31 und n-C33 Alkanen im Verhältnis zu n-C27 und n-C29. Die relativ hohen durchschnittlichen Werte der Kettenlängen (29.6–32.8) für diese Pflanzen scheinen für die Vegetation in einem ariden und warmen Klima weit verbreitet zu sein. Zusätzlich fand ich heraus, dass der menschliche Einfluss und eine nachfolgende Nährstoffzufuhr zu einer Erhöhung der Primärproduktion im See führen, die in einer ungewöhnlich hohen Konzentration von Tetrahymanol, einem Biomarker für Salzgehalt und Schichtung der Wassersäule, in den Sedimenten des Uferbereichs resultiert. Aufgrund dieser inhomogenen Ablagerung von Tetrahymanol in rezenten Sedimenten vermute ich, dass Seespiegelschwankungen möglicherweise aquatische Lipid Biomarker Verteilungen in limnischen Sedimenten, zusätzlich zu Änderungen in deren Herkunft, potentiell beeinflussen. Ich habe die hundertjährig-lange hydrologische Variabilität, die mit Veränderungen in der Intensität des ISM verbunden ist, auf der Basis von Blattwachs Lipid Biomarkern und ihrer stabilen Kohlenstoff- (δ13C) und Wasserstoffisotopenzusammensetzung (δD) ausgehend von einem 10 m langen Sedimentkern aus dem See rekonstruiert. Ich habe drei Hauptphasen von signifikanter Hydrologie im Holozän in Zentralindien identifiziert. Die Periode zwischen 10.1 und 6 cal. ka BP war wahrscheinlich die feuchteste während des Holozäns. Geringere durchschnittliche Kettenlängen Indexwerte (29.4 bis 28.6) von Blattwachs n-Alkanen und ihre negativen δ13C Werte (–34.8‰ bis –27.8‰) wiesen auf die Dominanz von holziger C3 Vegetation im Einzugsgebiet hin, und negative δDwax (Durchschnitt für Blattwachs n-Alkane) Werte (–171‰ bis –147‰) stehen für eine feuchte Periode in Verbindung mit einem verstärkten Monsun. Nach 6 cal. ka BP führte eine allmähliche Verschiebung zu weniger negativen δ13C Werten (insbesondere für Gras abgeleitete n-C31) und das Vorkommen von Triterpen Lipid Tetrahymanol, allgemein als Indikator für Salzgehalt und Wassersäulenstratifizierung verwendet, zum Beginn von trockeneren Bedingungen. Um 5.1 cal. ka BP deutete ein erhöhter Fluss von Blattwachs n-Alkanen in Zusammenhang mit dem höchsten Fluss von Tetrahymanol auf eine bedeutende Absenkung des Seeufers durch den Rückgang im Seespiegel. Rasche Schwankungen in der Menge von terrestrischen und aquatischen Biomarkern zwischen 4.8 und 4 cal. ka BP wiesen auf ein instabiles Seeökosystem hin, das in einem Übergang zu ariden Bedingungen kulminiert. Eine bedeutende Verschiebung zu weniger negativen δ13C Werten in dieser Periode, insbesondere für n-C31 (–25.2‰ bis –22.8‰), zeigte einen Wandel in der dominanten Vegetation hin zu C4 Gräsern. Zusammen mit einem 40‰ Anstieg in den δD Werten der Blattwachs n-Alkane, der wahrscheinlich von weniger Niederschlag und/oder höherer Evapotranspiration der Pflanzen ausgelöst wurde, interpretiere ich diese Periode als die trockenste der letzten 10.1 ka. Dieser Übergang führte zu lang anhaltenden spätholozänen ariden Bedingungen und zur Ausbildung eines dauerhaften salzhaltigen Sees. Dies wird durch ein hohes Vorkommen von Tetrahymanol unterstützt. Ein spätholozäner Höchstwert in der Zufuhr blaualgenhaltiger Biomarker um 1.3 cal. ka BP könnte ein Ereignis der Eutrophierung des Sees darstellen, wahrscheinlich in Verbindung mit dem menschlichen Einfluss und dem Beginn der Rinder- und Viehzucht im Einzugsgebiet. Die faszinierendsten Merkmale der trockensten Periode im mittleren Holozän waren die hohe Amplitude und rasche Fluktuationen in den δDwax Werten, wahrscheinlich in Verbindung mit einer Veränderung in der Herkunft der Feuchtigkeit und/oder Saisonalität im Niederschlag. Ich vermute, dass eine orbital induzierte Abschwächung der sommerlichen Solarstrahlung und eine damit verbundene Umstellung der allgemeinen atmosphärischen Zirkulation für ein instabiles Hydroklima im mittleren Holozän in der Kernmonsunregion verantwortlich waren. Meine Ergebnisse liefern den Aufschluss über die Abfolge von Veränderungen während der mittleren Zustandsänderungen des Monsunsystems, sobald ein einstrahlungsgetriebener Schwellenwert überschritten ist, und sie zeigen, dass kleine Änderungen in der solaren Einstrahlung mit markanten Umweltveränderungen und großen Schwankungen in der Herkunft der Feuchtigkeit einhergehen, ein Szenario, das in Bezug zu zukünftigen Veränderungen des ISM Systems relevant sein könnte. KW - Indian Monsoon KW - indischer Monsun KW - holocene KW - Holozän Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-74905 ER - TY - THES A1 - Strauß, Jens T1 - Organic carbon in ice-rich permafrost T1 - Organischer Kohlenstoff in eisreichen Permafrostablagerungen BT - characteristics, quantity, and availability BT - stoffliche Charakteristik, Bilanzierung und Verfügbarkeit N2 - Permafrost, defined as ground that is frozen for at least two consecutive years, is a distinct feature of the terrestrial unglaciated Arctic. It covers approximately one quarter of the land area of the Northern Hemisphere (23,000,000 km²). Arctic landscapes, especially those underlain by permafrost, are threatened by climate warming and may degrade in different ways, including active layer deepening, thermal erosion, and development of rapid thaw features. In Siberian and Alaskan late Pleistocene ice-rich Yedoma permafrost, rapid and deep thaw processes (called thermokarst) can mobilize deep organic carbon (below 3 m depth) by surface subsidence due to loss of ground ice. Increased permafrost thaw could cause a feedback loop of global significance if its stored frozen organic carbon is reintroduced into the active carbon cycle as greenhouse gases, which accelerate warming and inducing more permafrost thaw and carbon release. To assess this concern, the major objective of the thesis was to enhance the understanding of the origin of Yedoma as well as to assess the associated organic carbon pool size and carbon quality (concerning degradability). The key research questions were: - How did Yedoma deposits accumulate? - How much organic carbon is stored in the Yedoma region? - What is the susceptibility of the Yedoma region's carbon for future decomposition? To address these three research questions, an interdisciplinary approach, including detailed field studies and sampling in Siberia and Alaska as well as methods of sedimentology, organic biogeochemistry, remote sensing, statistical analyses, and computational modeling were applied. To provide a panarctic context, this thesis additionally includes results both from a newly compiled northern circumpolar carbon database and from a model assessment of carbon fluxes in a warming Arctic. The Yedoma samples show a homogeneous grain-size composition. All samples were poorly sorted with a multi-modal grain-size distribution, indicating various (re-) transport processes. This contradicts the popular pure loess deposition hypothesis for the origin of Yedoma permafrost. The absence of large-scale grinding processes via glaciers and ice sheets in northeast Siberian lowlands, processes which are necessary to create loess as material source, suggests the polygenetic origin of Yedoma deposits. Based on the largest available data set of the key parameters, including organic carbon content, bulk density, ground ice content, and deposit volume (thickness and coverage) from Siberian and Alaskan study sites, this thesis further shows that deep frozen organic carbon in the Yedoma region consists of two distinct major reservoirs, Yedoma deposits and thermokarst deposits (formed in thaw-lake basins). Yedoma deposits contain ~80 Gt and thermokarst deposits ~130 Gt organic carbon, or a total of ~210 Gt. Depending on the approach used for calculating uncertainty, the range for the total Yedoma region carbon store is ±75 % and ±20 % for conservative single and multiple bootstrapping calculations, respectively. Despite the fact that these findings reduce the Yedoma region carbon pool by nearly a factor of two compared to previous estimates, this frozen organic carbon is still capable of inducing a permafrost carbon feedback to climate warming. The complete northern circumpolar permafrost region contains between 1100 and 1500 Gt organic carbon, of which ~60 % is perennially frozen and decoupled from the short-term carbon cycle. When thawed and reintroduced into the active carbon cycle, the organic matter qualities become relevant. Furthermore, results from investigations into Yedoma and thermokarst organic matter quality studies showed that Yedoma and thermokarst organic matter exhibit no depth-dependent quality trend. This is evidence that after freezing, the ancient organic matter is preserved in a state of constant quality. The applied alkane and fatty-acid-based biomarker proxies including the carbon-preference and the higher-land-plant-fatty-acid indices show a broad range of organic matter quality and thus no significantly different qualities of the organic matter stored in thermokarst deposits compared to Yedoma deposits. This lack of quality differences shows that the organic matter biodegradability depends on different decomposition trajectories and the previous decomposition/incorporation history. Finally, the fate of the organic matter has been assessed by implementing deep carbon pools and thermokarst processes in a permafrost carbon model. Under various warming scenarios for the northern circumpolar permafrost region, model results show a carbon release from permafrost regions of up to ~140 Gt and ~310 Gt by the years 2100 and 2300, respectively. The additional warming caused by the carbon release from newly-thawed permafrost contributes 0.03 to 0.14°C by the year 2100. The model simulations predict that a further increase by the 23rd century will add 0.4°C to global mean surface air temperatures. In conclusion, Yedoma deposit formation during the late Pleistocene was dominated by water-related (alluvial/fluvial/lacustrine) as well as aeolian processes under periglacial conditions. The circumarctic permafrost region, including the Yedoma region, contains a substantial amount of currently frozen organic carbon. The carbon of the Yedoma region is well-preserved and therefore available for decomposition after thaw. A missing quality-depth trend shows that permafrost preserves the quality of ancient organic matter. When the organic matter is mobilized by deep degradation processes, the northern permafrost region may add up to 0.4°C to the global warming by the year 2300. N2 - Permafrost, definiert als mehr als zwei aufeinander folgende Jahre gefrorenes Bodenmaterial, ist eines der prägenden Merkmale der unvergletscherten arktischen Landgebiete. Verursacht durch extrem kalte Wintertemperaturen und geringe Schneebedeckung nimmt das Permafrost-Verbreitungsgebiet mit ~23.000.000 km² rund ein Viertel der Landfläche der Nordhemisphäre ein. Von Permafrost unterlagerte arktische Landschaften sind besonders anfällig hinsichtlich einer Erwärmung des Klimas. Verglichen mit der globalen Mitteltemperatur prognostizieren Klimamodelle für die Arktis einen doppelt so starken Anstieg der Temperatur. In einer sich erwärmenden Arktis bewirken Störungen des thermisch-hydrologischen Gleichgewichts eine Degradation von Permafrost und Veränderungen des Oberflächenreliefs. Diese Störungen können zum Beispiel zu einer Vertiefung der saisonalen Auftauschicht, zu thermisch bedingter Erosion sowie zu schneller Oberflächenabsenkung und Thermokarst führen. Im Verbreitungsgebiet der spätpleistozänen eisreichen Permafrost-Ablagerungen Sibiriens und Alaskas, bezeichnet als Yedoma, können Thermokarstprozesse auch mehr als 3 m tiefe organischen Kohlenstoffspeicher verfügbar machen, wenn durch schmelzendes Grundeis und Schmelzwasserdrainage die Oberfläche abgesenkt wird. So kann das Tauen von Permafrost eine globale Bedeutung entwickeln, indem vorher eingefrorener Kohlenstoff wieder dem aktiven Kohlenstoffkreislauf zugeführt wird. Dies kann durch Treibhausgasfreisetzung aus Permafrost zu einer sich selbst verstärkenden weiteren Erwärmung und somit zu fortschreitendem Tauen mit weiterer Kohlenstofffreisetzung führen. Diesen Prozess nennt man Permafrost-Kohlenstoff Rückkopplung. Um das Verständnis der Permafrostkohlenstoffdynamik grundlegend zu verbessern, wurde in dieser Doktorarbeit die Entstehung der Yedoma-Ablagerungen eingeschlossen des darin - Wie wurden die Yedoma-Sedimente abgelagert? - Wie viel Kohlenstoff ist in der Yedoma Region gespeichert? - Wie ist die Anfälligkeit dieses Kohlenstoffs für eine Degradation in der Zukunft? Um die oben genannten drei Forschungsfragen zu beantworten, wurde ein interdisziplinärer Forschungsansatz gewählt. In Sibirien und Alaska wurden detaillierte Felduntersuchungen durchgeführt und Methoden der Sedimentologie, der organischen Biogeochemie, der Fernerkundung sowie der statistischen Analyse und computergestützten Modellierung angewendet. Um diese Ergebnisse in den panarktische Kontext zu setzen, enthält diese Doktorarbeit ebenfalls Ergebnisse einer Studie, welche auf Grundlage einer neu zusammengestellten Datenbank den gesamten Kohlenstoff des arktischen Permafrosts abschätzt. Eine Modellierungsstudie ergänzt die Arbeit bezüglich einer Abschätzung der Kohlenstoffflüsse der Permafrostregion und deren Einfluss auf die globale Erwärmung. Die Ergebnisse zur Yedoma-Entstehung zeigen, dass die Korngrößenverteilungen dieser Ablagerungen, tiefenabhängig betrachtet, sehr homogen sind. Alle gemessenen Korngrößenverteilungen sind schlecht sortiert. Dies deutet auf eine Vielzahl von Transportprozessen hin und widerspricht der populären Hypothese einer reinen Löß-Ablagerung. Interpretiert im Kontext mit der Abwesenheit von Gletschern sowie Eisschilden, als Ausgangsgebiete von Löß-Ablagerungen, in den sibirischen Tiefländern des Spätpleistozäns, zeigt diese Arbeit, dass Yedoma-Ablagerungen polygenetischen Ursprungs sind. Basierend auf dem größten verfügbaren Datensatz der Schlüsselparameter Kohlenstoffgehalt, Lagerungsdichte, Grundeis und Volumen der Ablagerungen von über 20 Untersuchungsgebieten in Sibirien und Alaska zeigt diese Arbeit mit Yedoma- und Thermokarstablagerungen zwei wesentliche Kohlenstoffspeicher der Yedoma Region auf. Yedoma-Ablagerungen enthalten ~80 Gt und Thermokarstablagerungen ~130 Gt organischen Kohlenstoffs, was einer Gesamtmenge von ~210 Gt organischen Kohlenstoffs entspricht. Abhängig vom gewählten Ansatz der Fehlerberechnung liegt der Unsicherheitsbereich dieser Quantitätsabschätzung bei ±75 % (einfaches Bootstrapping) oder ±20 % (wiederholtes Bootstrapping). Obwohl diese Zahlen die bisherigen Berechnungen des Yedoma-Region-Kohlenstoffspeichers vorhergehender Studien halbieren, stellen 210 Gt organischen Kohlenstoffs noch immer einen großen Kohlenstoffspeicher dar, der eine positive Rückkopplung zur globalen Klimaerwärmung bewirken könnte. Die gesamte Permafrostregion beinhaltet zwischen 1100 und 1500 Gt Kohlenstoff, wovon ~60 % dauerhaft gefroren und somit dem derzeitigen Kohlenstoffkreislauf entzogen sind. Wenn dieser Kohlenstoff freigesetzt wird, ist ein weiterer Faktor, die Kohlenstoffqualität, relevant. Die Untersuchungen zur Kohlenstoffqualität zeigen keinen tiefenabhängigen Trend in Yedoma- und Thermokarstablagerungen. Dies belegt, dass nach dem Einfrieren die fossile organische Substanz konserviert wurde. Die genutzten Biomarkerdaten, z.B. der 'carbon preference' Index und der 'higher land plant fatty acid' Index zeigen sowohl für Yedoma- als auch für Thermokarstablagerungen keine signifikanten Unterschiede der Kohlenstoffqualität. Das bedeutet, dass der Kohlenstoffabbau nach dem Auftauen von unterschiedlichen Faktoren abhängig ist. Dazu gehören verschiedene Abbauwege oder schon vor dem Einfrieren geschehener Abbau. Um die Bedeutung des aufgetauten Kohlenstoffs abzuschätzen, wurden Thermokarstprozesse in ein Permafrost-Kohlenstoff-Modell einbezogen. Unter Berücksichtigung verschiedener Erwärmungsszenarien könnte die zirkumarktische Permafrostregion bis zum Jahr 2100 ~140 Gt Kohlenstoff und bis 2300 ~310 Gt in die Atmosphäre freisetzen. Dies entspricht einer Erwärmung der mittleren globalen Oberflächentemperatur von ~0,03 bis ~0,14°C bis 2100 und bis zu ~0,4°C bis 2300. Zusammenfassend stellt diese Dissertation heraus, dass die Yedoma-Ablagerungen während des Spätpleistozäns durch eine Kombination verschiedener aquatischer (alluviale, fluviale, lakustrine) sowie äolische Prozesse entstanden sind. Die zirkumarktische Region, inklusive der Yedoma Region, beinhaltet eine erhebliche Menge an derzeit eingefrorenem organischen Kohlenstoffs. Dieser Kohlenstoff ist gut erhalten und damit nach dem Auftauen für den mikrobiellen Abbau verfügbar. Eine fehlende Tiefenabhängigkeit der Kohlenstoffqualität zeigt, dass Permafrost die Qualität zum Einfrierzeitpunkt bewahrt. Wenn auch der tiefliegende organische Kohlenstoff durch Thermokarstprozesse verfügbar gemacht wird, kann die Permafrostregion bis zum Jahr 2300 bis zu 0,4°C zur mittleren globalen Oberflächentemperatur beitragen. KW - permafrost KW - Arctic KW - climate change KW - vulnerability KW - Dauerfrostboden KW - Arktis KW - Klimawandel KW - Vulnerabilität Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-75236 ER - TY - THES A1 - Goldshteyn, Jewgenij T1 - Frequency-resolved ultrafast dynamics of phonon polariton wavepackets in the ferroelectric crystals LiNbO₃ and LiTaO₃ N2 - During this work I built a four wave mixing setup for the time-resolved femtosecond spectroscopy of Raman-active lattice modes. This setup enables to study the selective excitation of phonon polaritons. These quasi-particles arise from the coupling of electro-magnetic waves and transverse optical lattice modes, the so-called phonons. The phonon polaritons were investigated in the optically non-linear, ferroelectric crystals LiNbO₃ and LiTaO₃. The direct observation of the frequency shift of the scattered narrow bandwidth probe pulses proofs the role of the Raman interaction during the probe and excitation process of phonon polaritons. I compare this experimental method with the measurement where ultra-short laser pulses are used. The frequency shift remains obscured by the relative broad bandwidth of these laser pulses. In an experiment with narrow bandwidth probe pulses, the Stokes and anti-Stokes intensities are spectrally separated. They are assigned to the corresponding counter-propagating wavepackets of phonon polaritons. Thus, the dynamics of these wavepackets was separately studied. Based on these findings, I develop the mathematical description of the so-called homodyne detection of light for the case of light scattering from counter propagating phonon polaritons. Further, I modified the broad bandwidth of the ultra-short pump pulses using bandpass filters to generate two pump pulses with non-overlapping spectra. This enables the frequency-selective excitation of polariton modes in the sample, which allows me to observe even very weak polariton modes in LiNbO₃ or LiTaO₃ that belong to the higher branches of the dispersion relation of phonon polaritons. The experimentally determined dispersion relation of the phonon polaritons could therefore be extended and compared to theoretical models. In addition, I determined the frequency-dependent damping of phonon polaritons. N2 - Während dieser Arbeit habe ich ein optisches Vier-Wellen-Misch-Experiment aufgebaut, um zeitaufgelöste Femtosekunden-Spektroskopie von Raman-aktiven Gittermoden durchzuführen. Dieser Aufbau erlaubt die Untersuchung selektiv angeregter Phonon Polaritonen. Diese Quasiteilchen entstehen durch die Kopplung von elektromagnetischen Wellen und transversal-optischer Gittermoden, den sogenannten Phononen. Die Phonon Polaritonen wurden in den optisch nichtlinearen, ferroelektrischen Kristallen LiNbO₃ und LiTaO₃ untersucht. Durch die direkte Beobachtung der Frequenzverschiebung der gestreuten, schmalbandigen Abfragepulse konnte die Raman-Wechselwirkung im Abfrage- und Erzeugungsprozess von Phonon Polaritonen nachgewießen werden. Diese experimentelle Methode vergleiche ich mit der Messung mittels ultrakurzen Laserpulsen. Hierbei ist die Frequenzverschiebung wegen der relativ großen Bandbreite der Laserpulse nicht auflösbar. Die Stokes und Anti-Stokes-Intensitäten sind hingegen in einem Experiment mit schmalbandigen Abfragepulsen spektral getrennt. Diese konnten den jeweiligen, entgegengesetzt propagierenden Wellenpaketen der Phonon Polaritonen zugeordnet werden. Deshalb war es moeglich, die Dynamik dieser Wellenpakete einzeln zu untersuchen. Basierend auf diesen Erkenntnissen konnte ich eine mathematische Beschreibung der sogenannten homodynen Detektion des Lichtes für den Fall von Lichtstreuung an entgegengesetzt propagierenden Phonon Polaritonen entwickeln. Desweiteren habe ich die breitbandigen, ultrakurzen Pumppulse mithilfe von zwei Bandpassfiltern so modifiziert, dass zwei spektral unterschiedliche und spektral nicht überlappende Anregepulse zur Verfügung standen. Dadurch wurde die frequenz-selektive Anregung von Polariton-Moden in der Probe ermöglicht. Diese Technik erlaubt mir die Untersuchung auch sehr schwacher Gittermoden in LiNbO₃ und LiTaO₃, die zu den höheren Ästen der Dispersionsrelation der Phonon Polaritonen gehören. Die experimentell bestimmte Dispersionsrelation der Phonon Polaritonen wurde erweitert und mit theoretischen Modellen verglichen. Zusätzlich habe ich die frequenzabhängige Dämpfung der Phonon Polaritonen bestimmt. T2 - Frequenzaufgelöste ultraschnelle Dynamik von Phonon Polariton Wellenpaketen in ferroelektrischen Kristallen LiNbO₃ und LiTaO₃ KW - transient grating KW - time resolved spectroskopy KW - non-linear optics KW - phonon polariton KW - impulsive stimulated Raman scattering KW - transientes Gitter KW - zeitaufgelöste Spektroskopie KW - nichtlineare Optik KW - Phonon-Polariton KW - impulsive stimulierte Raman Streuung Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-71623 ER - TY - THES A1 - Mallonn, Matthias T1 - Ground-based transmission spectroscopy of three inflated Hot Jupiter exoplanets T1 - Bodengebundene Transmissionsspektroskopie von drei ausgedehnten Hot Jupiter Exoplaneten N2 - The characterization of exoplanets is a young and rapidly expanding field in astronomy. It includes a method called transmission spectroscopy that searches for planetary spectral fingerprints in the light received from the host star during the event of a transit. This techniques allows for conclusions on the atmospheric composition at the terminator region, the boundary between the day and night side of the planet. Observationally a big challenge, first attempts in the community have been successful in the detection of several absorption features in the optical wavelength range. These are for example a Rayleighscattering slope and absorption by sodium and potassium. However, other objects show a featureless spectrum indicative for a cloud or haze layer of condensates masking the probable atmospheric layers. In this work, we performed transmission spectroscopy by spectrophotometry of three Hot Jupiter exoplanets. When we began the work on this thesis, optical transmission spectra have been available for two exoplanets. Our main goal was to advance the current sample of probed objects to learn by comparative exoplanetology whether certain absorption features are common. We selected the targets HAT-P-12b, HAT-P-19b and HAT-P-32b, for which the detection of atmospheric signatures is feasible with current ground-based instrumentation. In addition, we monitored the host stars of all three objects photometrically to correct for influences of stellar activity if necessary. The obtained measurements of the three objects all favor featureless spectra. A variety of atmospheric compositions can explain the lack of a wavelength dependent absorption. But the broad trend of featureless spectra in planets of a wide range of temperatures, found in this work and in similar studies recently published in the literature, favors an explanation based on the presence of condensates even at very low concentrations in the atmospheres of these close-in gas giants. This result points towards the general conclusion that the capability of transmission spectroscopy to determine the atmospheric composition is limited, at least for measurements at low spectral resolution. In addition, we refined the transit parameters and ephemerides of HAT-P-12b and HATP- 19b. Our monitoring campaigns allowed for the detection of the stellar rotation period of HAT-P-19 and a refined age estimate. For HAT-P-12 and HAT-P-32, we derived upper limits on their potential variability. The calculated upper limits of systematic effects of starspots on the derived transmission spectra were found to be negligible for all three targets. Finally, we discussed the observational challenges in the characterization of exoplanet atmospheres, the importance of correlated noise in the measurements and formulated suggestions on how to improve on the robustness of results in future work. N2 - Die Charakterisierung von Exoplaneten ist ein junger und sich schnell entwickelnder Zweig der Astronomie. Eine ihrer Methoden ist die Transmissionsspektroskopie, welche nach spektralen Abdrücken der Planetenatmosphäre im Licht des Muttersterns sucht. Diese Technik macht sich den Umstand zunutze, dass Planeten mit niedriger Bahnneigung einmal pro Umlauf vor ihrem Stern vorbeiziehen, wobei das Sternlicht Teile der Planetenatmosphäre durchläuft. Durch die Auswertung solcher Transitbeobachtungen lässt sich auf die chemische Zusammensetzung der Planetenatmosphäre schließen. Trotz der groβen Herausforderung an die benötigte Messgenauigkeit konnten bereits erste vielversprechende Ergebnisse erzielt werden und Entdeckungen wie zum Beispiel Rayleighstreuung und Absorption von Natrium und Kalium vermeldet werden. Andere Beobachtungen zeigten aber auch gänzlich flache Spektren ohne wellenlängenabhängige Absorption, welche auf eine Wolkenschicht oder Dunst in den Atmosphären hinweisen. In dieser Arbeit führten wir Transmissionsspektroskopie für drei extrasolare Planeten aus der Klasse der heißen Jupiter-artigen Gasriesen durch. Als wir mit unserer Studie begannen, waren erst zwei derartige Objekte erfolgreich auf ihr Spektrum im optischen Wellenlängenbereich untersucht worden. Unser Ziel war es, diese Anzahl zu erhöhen, um herauszufinden, welche spektralen Eigenschaften typisch für diese Exoplaneten sind. Wir wählten drei Objekte aus, für welche die zu erwartenden Messgenauigkeiten ausreichend für signifikante Ergebnisse sind: HAT-P-12b, HAT-P-19b und HAT-P-32b. Zusätzlich unternahmen wir Langzeitbeobachtungen der Muttersterne dieser Planeten, um die Transitbeobachtungen auf einen möglichen Einfluss von Sternaktivität zu korrigieren. Die erzielten Messungen der drei Planeten deuten alle auf Spektren ohne Absorptionslinien hin. Das Fehlen dieser Linien kann durch verschiedene Möglichkeiten zustande kommen, welche für die einzelnen Objekte individuell variieren können. Der Umstand jedoch, dass allen Objekten diese Linien fehlen und dass ähnliche Ergebnisse für weitere Objekte kürzlich in der Literatur publiziert wurden, deutet darauf hin, dass für einen bedeutenden Teil der Exoplaneten die Atmosphären nicht transparent, sondern durch kondensiertes Material optisch undurchlässig sind. Sollte sich dieses Ergebnis durch zukünftige Beobachtungen bestätigen, bedeutet es, dass die Transmissionsspektroskopie als Beobachtungstechnik nur sehr begrenzt für die Charakterisierung dieser Planetenatmosphären nützlich ist. Nur Beobachtungen hochaufgelöster Spektroskopie könnten dann verwertbare Informationen liefern. Weiterhin konnten wir in unserer Arbeit die Transitparameter und Ephemeriden von HAT-P-12b und HAT-P-19b genauer vermessen als es vorherigen Analysen möglich war. Durch unsere Langzeitbeobachtungen konnte die Rotationsperiode von HAT-P-19 bestimmt, sowie das Alter dieses Muttersterns neu berechnet werden. Ebenso leiteten wir Höchstwerte für eine mögliche Veränderlichkeit von HAT-P-12 und HAT-P-32 ab. Wir errechneten die Korrekturen der Transitparameter auf die Einflüsse von Sternaktivität und stellten fest, dass diese die Messergebnisse nicht wesentlich beeinflussen. Unsere Arbeit erlaubte tiefe Einblicke in die technischen Herausforderungen, welche diese Wissenschaft an die Sternbeobachtungen stellt. Wir diskutierten den Einfluss von systematischen Fehlern in den Messreihen und erarbeiteten Empfehlungen, wie die Messergebnisse weiter verbessert werden können. KW - extrasolar planets KW - atmospheric characterization KW - transmission spectroscopy KW - stellar variability KW - stellar activity KW - extrasolare Planeten KW - Charakterisierung Planetenatmosphären KW - Sternaktivität Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-74403 ER - TY - THES A1 - Yeldesbay, Azamat T1 - Complex regimes of synchronization T1 - Komplexe Synchronisationszustände BT - modeling and analysis N2 - Synchronization is a fundamental phenomenon in nature. It can be considered as a general property of self-sustained oscillators to adjust their rhythm in the presence of an interaction. In this work we investigate complex regimes of synchronization phenomena by means of theoretical analysis, numerical modeling, as well as practical analysis of experimental data. As a subject of our investigation we consider chimera state, where due to spontaneous symmetry-breaking of an initially homogeneous oscillators lattice split the system into two parts with different dynamics. Chimera state as a new synchronization phenomenon was first found in non-locally coupled oscillators system, and has attracted a lot of attention in the last decade. However, the recent studies indicate that this state is also possible in globally coupled systems. In the first part of this work, we show under which conditions the chimera-like state appears in a system of globally coupled identical oscillators with intrinsic delayed feedback. The results of the research explain how initially monostable oscillators became effectivly bistable in the presence of the coupling and create a mean field that sustain the coexistence of synchronized and desynchronized states. Also we discuss other examples, where chimera-like state appears due to frequency dependence of the phase shift in the bistable system. In the second part, we make further investigation of this topic by modeling influence of an external periodic force to an oscillator with intrinsic delayed feedback. We made stability analysis of the synchronized state and constructed Arnold tongues. The results explain formation of the chimera-like state and hysteric behavior of the synchronization area. Also, we consider two sets of parameters of the oscillator with symmetric and asymmetric Arnold tongues, that correspond to mono- and bi-stable regimes of the oscillator. In the third part, we demonstrate the results of the work, which was done in collaboration with our colleagues from Psychology Department of University of Potsdam. The project aimed to study the effect of the cardiac rhythm on human perception of time using synchronization analysis. From our part, we made a statistical analysis of the data obtained from the conducted experiment on free time interval reproduction task. We examined how ones heartbeat influences the time perception and searched for possible phase synchronization between heartbeat cycles and time reproduction responses. The findings support the prediction that cardiac cycles can serve as input signals, and is used for reproduction of time intervals in the range of several seconds. N2 - Synchronisation ist ein fundamentales Naturphänomen. Es ist die grundlegende Eigenschaft sich selbsterhaltender Oszillatoren, in Gegenwart einer Wechselwirkung, danach zu streben, ihre Rhythmen anzupassen. In dieser Arbeit betrachten wir komplexe Synchronisationszustände sowohl mit Hilfe analytischer Methoden als auch durch numerische Simulation und in experimentellen Daten. Unser Untersuchungsobjekt sind die sogenannten Chimera Zustände, in welchen sich Ensemble von gekoppelten, identischen Oszillatoren auf Grund eines Symmetriebruches spontan in Gruppen mit unterschiedlicher Dynamik aufteilen. Die Entdeckung von Chimeras in zunächst nichtlokal gekoppelten Systemen hat in den letzten zehn Jahren ein großes Interesse an neuartigen Synchronisationsphänomenen geweckt. Neueste Forschungsergebnisse belegen, dass diese Zustände unter bestimmten Bedingungen auch in global gekoppelten Systemen existieren können. Solche Bedingungen werden im ersten Teil der Arbeit in Ensemblen global gekoppelter Oszillatoren mit zusätzlicher, zeitverzögerter Selbstkopplung untersucht. Wir zeigen, wie zunächst monostabile Oszillatoren in Gegenwart von dem Treiben der globalen Kopplung effektiv bistabil werden, und sich so in zwei Gruppen organisieren. Das mittlere Feld, welches durch diese Gruppen aufgebaut wird, ist quasiperiodisch wodurch der Chimera Zustand sich selbst stabilisiert. In einem anderen Beispiel zeigen wir, dass der Chimera Zustand auch durch einen frequenzabhängigen Phasenunterschied in der globalen Kopplung erreicht werden kann. Zur genaueren Untersuchung der Mechanismen, die zur effektiven Bistabilität führen, betrachten wir im zweiten Teil der Arbeit den Einfluss einer externen periodischen Kraft auf einzelne Oszillatoren mit zeitverzögerter Selbstkopplung. Wir führen die Stabilitätanalyse des synchronen Zustands durch, und stellen die Arnoldzunge dar. Im dritten Teil der Arbeit stellen wir die Ergebnisse einer Synchronisationsanalyse vor, welche in Kooperation mit Wissenschaftlern der Psychologischen Fakultät der Universität Potsdam durchgeführt wurde. In dem Projekt wurde die Auswirkung des Herzrhythmus auf die menschliche Zeitwahrnehmung erforscht. Unsere Aufgabe war es, die experimentellen Daten statistisch zu analysieren. Im Experiment sollten Probanden ein gegebenes Zeitintervall reproduzieren während gleichzeitig ihr Herzschlag aufgezeichnet wurde. Durch eine Phasenanalyse haben wir den Zusammenhang zwischen dem Herzschlag und der Start- bzw. Stoppzeit der zu reproduzierenden Zeitintervalle untersucht. Es stellt sich heraus, dass Herzschläge bei Zeitintervallen über einige Sekunden als Taktgeber dienen können. KW - synchronization KW - phase oscillators KW - chimera state KW - time perception KW - Synchronisation KW - Phasen Oszillatoren KW - chimera Zustände KW - zeitverzögerte Selbstkopplung KW - Synchronisationsanalyse KW - Zeitwahrnehmung Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-73348 ER -