TY  - THES
A1  - Vocks, Christian
T1  - Electron kinetic processes in the solar corona and wind
T1  - Elektronenkinetische Prozesse in der Korona der Sonne und im Sonnenwind
N2  - The Sun is surrounded by a 10^6 K hot atmosphere, the corona. The corona and the solar wind are fully ionized, and therefore in the plasma state. Magnetic fields play an important role in a plasma, since they bind electrically charged particles to their field lines. EUV spectroscopes, like the SUMER instrument on-board the SOHO spacecraft, reveal a preferred heating of coronal ions and strong temperature anisotropies. Velocity distributions of electrons can be measured directly in the solar wind, e.g. with the 3DPlasma instrument on-board the WIND satellite. They show a thermal core, an anisotropic suprathermal halo, and an anti-solar, magnetic-field-aligned, beam or "strahl". For an understanding of the physical processes in the corona, an adequate description of the plasma is needed. Magnetohydrodynamics (MHD) treats the plasma simply as an electrically conductive fluid. Multi-fluid models consider e.g. protons and electrons as separate fluids. They enable a description of many macroscopic plasma processes. However, fluid models are based on the assumption of a plasma near thermodynamic equilibrium. But the solar corona is far away from this. Furthermore, fluid models cannot describe processes like the interaction with electromagnetic waves on a microscopic scale. Kinetic models, which are based on particle velocity distributions, do not show these limitations, and are therefore well-suited for an explanation of the observations listed above. For the simplest kinetic models, the mirror force in the interplanetary magnetic field focuses solar wind electrons into an extremely narrow beam, which is contradicted by observations. Therefore, a scattering mechanism must exist that counteracts the mirror force. In this thesis, a kinetic model for electrons in the solar corona and wind is presented that provides electron scattering by resonant interaction with whistler waves. The kinetic model reproduces the observed components of solar wind electron distributions, i.e. core, halo, and a "strahl" with finite width. But the model is not only applicable on the quiet Sun. The propagation of energetic electrons from a solar flare is studied, and it is found that scattering in the direction of propagation and energy diffusion influence the arrival times of flare electrons at Earth approximately to the same degree. In the corona, the interaction of electrons with whistler waves does not only lead to scattering, but also to the formation of a suprathermal halo, as it is observed in interplanetary space. This effect is studied both for the solar wind as well as the closed volume of a coronal magnetic loop. The result is of fundamental importance for solar-stellar relations. The quiet solar corona always produces suprathermal electrons. This process is closely related to coronal heating, and can therefore be expected in any hot stellar corona. In the second part of this thesis it is detailed how to calculate growth or damping rates of plasma waves from electron velocity distributions. The emission and propagation of electron cyclotron waves in the quiet solar corona, and that of whistler waves during solar flares, is studied. The latter can be observed as so-called fiber bursts in dynamic radio spectra, and the results are in good agreement with observed bursts.
N2  - Die Sonne ist von einer 10^6 K heißen Atmosphäre, der Korona, umgeben. Sie ist ebenso wie der Sonnenwind vollständig ionisiert, also ein Plasma. Magnetfelder spielen in einem Plasma eine wichtige Rolle, da sie elektrisch geladene Teilchen an ihre Feldlinien binden. EUV-Spektroskope, wie SUMER auf der Raumsonde SOHO, zeigen eine bevorzugte Heizung koronaler Ionen sowie starke Temperaturanisotropien. Geschwindigkeitsverteilung von Elektronen können im Sonnenwind direkt gemessen werden, z.B. mit dem 3DPlasma Instrument auf dem Satelliten WIND. Sie weisen einen thermischen Kern, einen isotropen suprathermischen Halo, sowie einen anti-solaren, magnetfeldparallelen Strahl auf. Zum Verständnis der physikalischen Prozesse in der Korona wird eine geeignete Beschreibung des Plasms benötigt. Die Magnetohydrodynamik (MHD) betrachtet das Plasma einfach als elektrisch leitfähige Flüssigkeit. Mehrflüssigkeitsmodelle behandeln z.B. Protonen und Elektronen als getrennte Fluide. Damit lassen sich viele makroskopische Vorgänge beschreiben. Fluidmodelle basieren aber auf der Annahme eines Plasmas nahe am thermodynamischen Gleichgewicht. Doch die Korona ist weit davon entfernt. Ferner ist es mit Fluidmodellen nicht möglich, Prozesse wie die Wechselwirkung mit elektromagnetischen Wellen mikroskopisch zu beschreiben. Kinetische Modelle, die Geschwindigkeitsverteilungen beschreiben, haben diese Einschränkungen nicht und sind deshalb geeignet, die oben genannten Messungen zu erklären. Bei den einfachsten Modellen bündelt die Spiegelkraft im interplanetaren Magnetfeld die Elektronen des Sonnenwinds in einen extrem engen Strahl, im Widerspruch zur Beobachtung. Daher muss es einen Streuprozess geben, der dem entgegenwirkt. In der vorliegenden Arbeit wird ein kinetisches Modell für Elektronen in der Korona und im Sonnenwind präsentiert, bei dem die Elektronen durch resonante Wechselwirkung mit Whistler-Wellen gestreut werden. Das kinetische Modell reproduziert die beobachteten Bestandteile von Elektronenverteilungen im Sonnenwind, d.h. Kern, Halo und einen Strahl endlicher Breite. Doch es ist nicht nur auf die ruhige Sonne anwendbar. Die Ausbreitung energetischer Elektronen eines solaren Flares wird untersucht und dabei festgestellt, dass Streuung in Ausbreitungsrichtung und Diffusion in Energie die Ankunftszeiten von Flare-Elektronen bei der Erde in etwa gleichem Maße beeinflussen. Die Wechselwirkung von Elektronen mit Whistlern führt in der Korona nicht nur zu Streuung, sondern auch zur Erzeugung eines suprathermischen Halos, wie er im interplanetaren Raum gemessen wird. Dieser Effekt wird sowohl im Sonnenwind als auch in einem geschlossenen koronalen Magnetfeldbogen untersucht. Das Ergebnis ist von fundamentaler Bedeutung für solar-stellare Beziehungen. Die ruhige Korona erzeugt stets suprathermische Elektronen. Dieser Prozeß ist eng mit der Koronaheizung verbunden, und daher in jeder heißen stellaren Korona zu erwarten. Im zweiten Teil der Arbeit wird beschrieben, wie sich aus der Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen die Dämpfung oder Anregung von Plasmawellen berechnen lässt. Die Erzeugung und Ausbreitung von Elektronenzyklotronwellen in der ruhigen Korona und von Whistlern während solarer Flares wird untersucht. Letztere sind als sogenannte fiber bursts in dynamischen Radiospektren beobachtbar, und die Ergebnisse stimmen gut mit beobachteten Bursts überein.
KW  - Sonnenkorona
KW  - Plasmaphysik
KW  - kinetische Theorie
KW  - Elektronen-Geschwindigkeitsverteilungen
KW  - Whistler-Wellen
KW  - Solar corona
KW  - plasma physics
KW  - kinetic theory
KW  - electron velocity distributions
KW  - whistler waves
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-65259
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pusch, Martin
T1  - Horizontale und vertikale Konnektivität in Fließgewässern und Seen : ökologische Funktionen und anthropogene Überformung
T1  - Horizontal and vertical connectivity in rivers and lakes : ecological functions and anthropogenic transformation
N2  - Gewässer werden traditionellerweise als abgeschlossene Ökosysteme gesehen, und insbeson¬dere das Zirkulieren von Wasser und Nährstoffen im Pelagial von Seen wird als Beispiel dafür angeführt. Allerdings wurden in der jüngeren Vergangenheit wichtige Verknüpfungen des Freiwasserkörpers von Gewässern aufgezeigt, die einerseits mit dem Benthal und andererseits mit dem Litoral, der terrestrischen Uferzone und ihrem Einzugsgebiet bestehen. Dadurch hat in den vergangen Jahren die horizontale und vertikale Konnektivität der Gewässerökosysteme erhöhtes wissenschaftliches Interesse auf sich gezogen, und damit auch die ökologischen Funktionen des Gewässergrunds (Benthal) und der Uferzonen (Litoral). Aus der neu beschriebenen Konnektivität innerhalb und zwischen diesen Lebensräumen ergeben sich weitreichende Konsequenzen für unser Bild von der Funktionalität der Gewässer. In der vorliegenden Habilitationsschrift wird am Beispiel von Fließgewässern und Seen des nordostdeutschen Flachlandes eine Reihe von internen und externen funktionalen Verknüpfungen in den horizontalen und vertikalen räumlichen Dimensionen aufgezeigt. Die zugrunde liegenden Untersuchungen umfassten zumeist sowohl abiotische als auch biologische Variablen, und umfassten thematisch, methodisch und hinsichtlich der Untersuchungsgewässer ein breites Spektrum. Dabei wurden in Labor- und Feldexperimenten sowie durch quantitative Feldmes¬sungen ökologischer Schlüsselprozesse wie Nährstoffretention, Kohlenstoffumsatz, extrazellu¬läre Enzymaktivität und Ressourcenweitergabe in Nahrungsnetzen (mittels Stabilisotopen¬methode) untersucht. In Bezug auf Fließgewässer wurden dadurch wesentliche Erkenntnisse hinsichtlich der Wirkung einer durch Konnekticität geprägten Hydromorphologie auf die die aquatische Biodiversität und die benthisch-pelagische Kopplung erbracht, die wiederum einen Schlüsselprozess darstellt für die Retention von in der fließenden Welle transportierten Stoffen, und damit letztlich für die Produktivität eines Flussabschnitts. Das Litoral von Seen wurde in Mitteleuropa jahrzehntelang kaum untersucht, so dass die durchgeführten Untersuchungen zur Gemeinschaftsstruktur, Habitatpräferenzen und Nahrungs¬netzverknüpfungen des eulitoralen Makrozoobenthos grundlegend neue Erkenntnisse erbrach¬ten, die auch unmittelbar in Ansätze zur ökologischen Bewertung von Seeufern gemäß EG-Wasserrahmenrichtlinie eingehen. Es konnte somit gezeigt werden, dass die Intensität sowohl die internen als auch der externen ökologischen Konnektivität durch die Hydrologie und Morphologie der Gewässer sowie durch die Verfügbarkeit von Nährstoffen wesentlich beeinflusst wird, die auf diese Weise vielfach die ökologische Funktionalität der Gewässer prägen. Dabei trägt die vertikale oder horizontale Konnektivität zur Stabilisierung der beteiligten Ökosysteme bei, indem sie den Austausch ermöglicht von Pflanzennährstoffen, von Biomasse sowie von migrierenden Organismen, wodurch Phasen des Ressourcenmangels überbrückt werden. Diese Ergebnisse können im Rahmen der Bewirtschaftung von Gewässern dahingehend genutzt werden, dass die Gewährleistung horizontaler und vertikaler Konnektivität in der Regel mit räumlich komplexeren, diverseren, zeitlich und strukturell resilienteren sowie leistungsfähi¬geren Ökosystemen einhergeht, die somit intensiver und sicherer nachhaltig genutzt werden können. Die Nutzung einer kleinen Auswahl von Ökosystemleistungen der Flüsse und Seen durch den Menschen hat oftmals zu einer starken Reduktion der ökologischen Konnektivität, und in der Folge zu starken Verlusten bei anderen Ökosystemleistungen geführt. Die Ergebnisse der dargestellten Forschungen zeigen auch, dass die Entwicklung und Implementierung von Strategien zum integrierten Management von komplexen sozial-ökologischen Systemen wesentlich unterstützt werden kann, wenn die horizontale und vertikale Konnektivität gezielt entwickelt wird.
N2  - Surface waters are seen traditionally as closed ecosystems, and the recirculation of water and nutrients in the pelagic zone of lakes is cited as an example fort his. However, recently important linkages have been demonstrated between the pelagic zone on one side, and the benthic and the littoral zones, the terrestrial shore area and the catchment on the other side. Therby, the horizontal and vertical connectivity of aquatic ecosystems has attracted intense scientific interest, and together with this the ecological functions of the bottom zone (benthic zone) and of the shore zone (littoral zone), too. From this newly described connectivity far-reaching consequences arise for our picture of the functionality of surface waters. In this habilitation thesis a number of internal and external functional linkages are depicted in the horizontal and vertical spatial dimensions, as exemplified by running waters and lakes of the north-east German lowlands. The underlying studies mostly comprised both abiotic and biotic variables, and a broad range of topics, methods and studied surface waters. Thereby, experiments in the lab and the field, as well as quantitative field measurements were used to investigate ecological key processes as nutrient retention, carbon dynamics, extracellular enzyme activity, and resource transfer in food webs (using stabile isotope technique). In respect to running waters this resulted in substantial insights into the effects of a hydromorphology exhibiting intense connectivity on aquatic biodiversity and benthic-pelagic coupling, which represents a key process for the retention of transported matter, and thus for the productivity of a river section. The littoral zone of lakes has hardly been studied in Central Europe for several decades. Thus, the results on community structure, habitat preference and food web linkages of eulittoral macrozoobenthos enabled fundamentally new insights, which can directly be used within approaches for the ecological assessment of lake shores according to the EU Water Framework Directive. Research results show that the development and implementation of strategies for an integrated management of complex social-ecological systems may be substantially underpinned by targeted development of horizontal and vertical connectivity.
KW  - Limnology
KW  - Aquatic Ecology
KW  - Connectivity
KW  - Lake
KW  - River
KW  - Limnologie
KW  - Gewässerökologie
KW  - Konnektivität
KW  - See
KW  - Fluss
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-63713
ER  -